Rob Knight
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Die Gesundheit unseres Körpers war uns schon immer wichtig, aber wir wussten nicht immer, worauf es ankommt. Nehmen wir etwa die alten Ägypter, die bestimmte Körperteile für das Jenseits konservierten, während sie andere Teile entfernten, wie zum Beispiel dieses. Während sie Magen, Lungen, Leber etc. sorgfältig konservierten, zerstückelten sie das Gehirn, entfernten es durch die Nase und warfen es weg. Ergibt ja auch Sinn, wer braucht schon ein Gehirn? Was wäre, wenn wir eine Art vernachlässigtes Organ hätten, von gleichem Gewicht wie das Gehirn und in mancher Hinsicht ebenso individuell charakteristisch, das wir jedoch kaum verstehen und folglich unterschätzt wird? Würden neue Erkenntnisse andeuten, dass dieses Organ entscheidend für uns ist, würden Sie nicht mehr darüber erfahren wollen? Tatsächlich haben wir so etwas: unseren Darm — genauer gesagt, dessen Mikroben. Nicht nur die Darmmikroben sind wichtig,

sondern Mikroben im ganzen Körper beeinflussen viele unserer charakteristischen Merkmale. Zum Beispiel werden einige von uns wesentlich häufiger als andere von Mücken gestochen. Tatsächlich ist diese Campinglegende wahr. Mich stechen Mücken z. B. selten, doch meine Partnerin Amanda zieht ganze Schwärme an. Grund sind unterschiedliche Hautmikroben

und deren ausgeschiedene Substanzen, die von Mücken wahrgenommen werden. Weiterhin sind Mikroben aus medizinischer Sicht sehr wichtig. So entscheiden unsere Darmmikroben, ob bestimmte Schmerzmittel giftig für die Leber sind oder ob ein Medikament Herzerkrankungen heilt.

Bei Fruchtfliegen entscheiden Mikroben, mit wem sie Sex haben wollen. Bei Menschen haben wir das noch nicht nachgewiesen, aber das ist vielleicht nur eine Frage der Zeit. (Lachen) Mikroben führen unzählige Funktionen aus. Sie unterstützen unsere Verdauung, stimulieren unser Immunsystem, helfen uns Krankheiten abzuwehren,

und vielleicht beeinflussen sie sogar unser Verhalten. Wie sieht eine Landkarte all dieser Mikrobenverbände aus? Nicht gerade wie diese, die eigentlich dessen Biodiversität veranschaulicht. Verschiedene Regionen unserer Welt zeichnen sich durch charakteristische Landschaften und Organismen aus, wie in diesen 3 Beispielen gezeigt. Mikrobiologie ist ähnlich, auch wenn ich zugeben muss, dass alle Mikroben unter dem Mikroskop gleich aussehen. Statt sie visuell zu bestimmen, betrachten wir ihre DNA-Sequenz. Im "Human Microbiome Project", vom NIH mit 155 Millionen Euro gefördert, kommen Hunderte Forscher zusammen, um die As, Ts, Gs und Cs aller menschlichen Mikroben zu kartieren. Alle zusammen gefasst, sieht das so aus. Schwer zu sagen, wer wo lebt, oder?

Mein Labor entwickelt computergestützte Technologien, um die Terabytes an DNA-Sequenzen in eine anschauliche Form zu bringen. Die Daten des menschlichen Mikrobioms von 250 gesunden Freiwilligen sehen so aus. Jeder Punkt repräsentiert alle komplexen Mikroben eines gesamten Mikrobenverbandes. Ich sagte ja, die sehen alle gleich aus. Jeder einzelne Punkt steht für den Mikrobenverband einer Körperregion eines gesunden Teilnehmers. Sie sehen verschiedene Bereiche der Darstellung in verschiedenen Farben, fast wie getrennte Kontinente. Verschiedene Körperregionen weisen verschiedene Mikroben auf. Wir haben hier die Mundflora in Grün; die Hautflora gegenüber in Blau; die Vaginalflora in Violett und ganz unten die Darmflora in Braun. Erst in den letzten Jahren haben wir herausgefunden, dass die Mikroben der verschiedenen Körperregionen sehr unterschiedlich sind. Vergleicht man die Mikroben von Mund und Darm einer Person, findet man enorme Unterschiede zwischen diesen Mikrobenverbänden. Der Unterschied ist größer als zwischen Mikroben dieses Riffs und dieser Prärie. Das ist ziemlich bemerkenswert. Ein halber Meter Abstand im menschlichen Körper weist größere mikrobiologische Unterschiede auf als Hunderte Kilometer auf der Erde.

Weiterhin sind die Bakterien gleicher Körperregionen bei jedem Menschen verschieden. Sie wissen sicher, dass alle Menschen eine sehr ähnliche DNA haben. Ihre DNA ist zu 99,99 % identisch mit der Ihres Sitznachbars. Das trifft nicht auf Ihre Darmflora zu; die nur zu 10 % mit der Darmflora Ihres Nachbars übereinstimmt. Das entspricht dem Unterschied zwischen Bakterien dieser Prärie und dieses Waldes.

Die verschiedenen Mikroben erfüllen, wie erwähnt, verschiedene Funktionen: Nahrungsverdauung, Einfluss auf verschiedene Krankheiten, den Abbau von Medikamenten usw. Aber wie machen sie all das? Unsere Darmmikroben machen zwar nur 1,5 kg aus, aber sie sind uns zahlenmäßig überlegen. Wie hoch sind sie in der Überzahl? Das hängt davon ab, wie wir unseren Körper definieren. Nehmen wir die Zellen. Jeder von uns besteht aus ca. 10 Billionen Zellen, während wir bis zu 100 Billionen Mikrobenzellen beherbergen. Sie sind uns also 10 : 1 überlegen. Oder wir sagen, dass uns die menschliche DNA prägt. Jeder von uns hat ca. 20 000 Gene, je nachdem, wie man zählt, und 2 bis 20 Millionen mikrobieller Gene. Egal, wie man es betrachtet, unsere mikrobischen Symbionten sind gewaltig in der Überzahl. Wir hinterlassen nicht nur menschliche DNA, sondern auch mikrobielle DNA, auf allem, was wir berühren.

Vor ein paar Jahren zeigten wir in einer Studie, dass die Handfläche einer Person mit 95 % Genauigkeit deren regelmäßig genutzter Computermaus zugeordnet werden kann. Dies wurde vor ein paar Jahren wissenschaftlich veröffentlicht und kam außerdem in der Serie "CSI: Miami" vor, dann muss es ja stimmen. (Lachen)

Woher kommen unsere Mikroben eigentlich? Wenn Sie, wie ich, Hunde und Kinder haben, hegen Sie sicher schlimme Vermutungen, die übrigens alle wahr sind. Nicht nur die Mikroben ihrer Computerausrüstung stimmen mit Ihnen überein, sondern auch die Ihres Hundes. Mikrobenverbände in Erwachsenen sind jedoch relativ stabil, selbst wenn Sie mit jemandem zusammen wohnen, behalten Sie Ihre mikrobische Identität über Wochen, Monate, sogar Jahre hinweg.

Unsere ersten Mikrobenverbände werden durch die Art unserer Geburt bestimmt. Babys, die normal geboren werden, haben Mikroben der Vaginalflora, während Babys, die per Kaiserschnitt auf die Welt kommen, Hautmikroben haben. Es könnte ein Zusammenhang zwischen Gesundheitsproblemen und der Geburt per Kaiserschnitt bestehen. Zum Beispiel werden erhöhte Fälle von Asthma, Allergien und gar Fettleibigkeit mit Mikroben in Verbindung gebracht. Bis vor Kurzem kamen Säugetiere nur über den Geburtskanal auf die Welt. Das Fehlen dieser schützenden Mikroben, mit denen wir uns im Laufe der Evolution entwickelt haben, könnte Grund für diverse Symptome sein, die mit dem Mikrobiom zusammenhängen.

Als meine Tochter vor ein paar Jahren per Notfall-Kaiserschnitt auf die Welt kam, beschlossen wir, ihren Körper der Vaginalflora auszusetzen, wie im Fall einer natürlichen Geburt. Es ist schwer zu sagen, ob dies ihre Gesundheit beeinflusste. Auch wenn wir sie lieben, ihr Einzelfall erlaubt keine allgemeingültige Aussage. Sie ist nun 2 Jahre und hatte noch keine Ohrentzündung. Drücken wir weiterhin die Daumen. Nun untersuchen wir weitere Kinder in klinischen Studien und prüfen, ob dies generell einen schützenden Effekt hat.

Die Art der Geburt bestimmt unsere ersten Mikroben.

Wie geht es danach weiter? Hier sind wieder die Daten des Human Microbiome Projects. Jeder Punkt steht für eine Körperregion eines der 250 gesunden erwachsenen Teilnehmer. Man weiß, wie sich Kinder körperlich und geistig entwickeln. Hier sehen Sie zum ersten Mal, wie sich das Kind meines Kollegen mikrobiell entwickelt. Wir sehen, wie sich die Stuhlmikroben dieses Babys, die Darmflora, über fast 2½ Jahren im wöchentlich Abstand verändern. Beginnend am 1. Tag, dem gelben Punkt, sehen wir zunächst Vaginalflora, wie es durch die Geburt zu erwarten war. Im Laufe der 2½ Jahre bewegt er sich nach unten und gleicht am Ende der Darmflora eines gesunden Erwachsenen. Jetzt geht es los. Beobachten Sie, was passiert. Jeder Sprung entspricht einer Woche.

Die wöchentliche Veränderung der Stuhlmikroben dieses Kindes ist größer, als der Unterschied zwischen gesunden Erwachsenen, der Human Microbiome Project-Kohorte, unten in Braun dargestellt. Wie Sie sehen, erreicht er nun die Darmflora eines Erwachsenen. Jetzt sind es ungefähr 2 Jahre. Nun passiert etwas Bemerkenswertes, wegen einer Ohrenentzündung bekommt er Antibiotika und es folgt eine enorme Veränderung seiner Darmflora, die sich schnell wieder normalisiert. Ich zeige es Ihnen noch einmal. Innerhalb dieser wenigen Wochen sehen wir einen starken Rückschlag, größer als in monatelanger Entwicklung, der sich sofort wieder normalisiert. Bis zum Tag 838, dem Ende des Videos, besitzt er die Darmflora eines gesunden Erwachsenen, trotz der Wirkung des Antibiotikums.

Das ist sehr interessant, denn es wirft grundlegende Fragen auf. Welchen Effekt haben Antibiotika auf Kinder? Welche Rolle spielt das Alter? Sind Behandlungen von Kleinkindern kritisch, da sich das Mirkobiom so stark verändert, oder ist es wie ein Steinwurf ins stürmische Meer, wo ziehende Kreise von Wellen verwischt werden? Behandelt man Babys in den ersten 6 Monaten mit Antibiotika, neigen sie später wahrscheinlicher zu Fettleibigkeit, als ohne oder nach späterer Behandlung. Die Wirkung von frühen Behandlungen auf die Darmflora und spätere Gesundheit ist vermutlich enorm und wird noch kaum verstanden. Das ist beeindruckend. Antibiotika verursachen somit nicht nur resistente Bakterien, was ein wichtiges Problem ist, sondern sie zerstören vielleicht auch unsere Darmflora. Es ist zu befürchten, dass wir Antibiotika eines Tages ebenso verachten wie die Metallwerkzeuge der alten Ägypter, mit denen sie das Gehirn der Leichen vor der Mumifizierung zerstückelten.

Ich erwähnte all die wichtigen Funktionen von Mikroben. Seit den letzten Jahren werden sie mit einer weiten Palette von Krankheiten verbunden, wie chronisch-entzündliche Darmerkrankung, Herzerkrankung, Darmkrebs und sogar Fettleibigkeit. Fettleibigkeit wird vermutlich stark davon beeinflusst. Eine Untersuchung der Darmflora kann heute zu 90 % voraussagen, ob eine Person fettleibig ist oder nicht. Das ist zwar beeindruckend, als medizinischer Test jedoch vernachlässigbar, denn man erkennt fettleibige Menschen auch ohne Analyse ihrer Darmflora. Doch selbst die Sequenz des kompletten Genoms, der menschlichen DNA, würde Fettleibigkeit mit nur 60 % Wahrscheinlichkeit voraussagen. Beeindruckend, oder? Die 1,5 kg Mikroben, die wir in uns herumtragen, sind wichtiger für manche Krankheiten als jedes Gen unseres Genoms.

In Mäusen ist viel mehr möglich. In Mäusen werden diverse Krankheiten mit Mikroben verbunden, u. a. Multiple Sklerose, Depression, Autismus und Fettleibigkeit. Aber sind die mikrobiellen Unterschiede Ursache oder Konsequenz dieser Krankheiten? Um das zu klären, können wir Mäuse in einer sterilen Umwelt ohne eigene Mikroben heranziehen. Dann können wir potentiell interessante Mikroben hinzufügen und die Entwicklung beobachten. Nehmen wir Mikroben von einer fettleibigen Maus und transplantieren sie in eine genetisch normale Maus, die in einer Umwelt ohne Mikroben herangewachsen ist, wird die Maus dicker als mit Mikroben von einer normalen Maus. Der Grund dafür ist faszinierend. Manchmal helfen die Mikroben mit einer effizienteren Verdauung der Nahrung, sodass der Energiegewinn größer ist. In anderen Fällen verändern die Mikroben das Verhalten der Mäuse, sodass sie mehr als eine normale Maus essen und nur bei unbegrenzter Nahrungszufuhr dick werden.

Sehr beachtlich, nicht wahr? Mikroben beeinflussen also das Verhalten von Säugetieren. Funktioniert dieses Experiment auch zwischen verschiedenen Arten? Nimmt man die Mikroben einer fettleibigen Person und transplantiert sie in mikrobenfreie Mäuse, werden die Mäuse auch dicker als bei Mikroben von einer schlanken Person. Wir können auch einen Mikrobenverband erstellen, der keine Gewichtszunahme verursacht

oder der gegen Mangelernährung hilft. Die Gates-Stiftung finanziert ein Projekt, das Kinder in Malawi untersucht, die Kwashiorkor haben, eine schwere Form von Mangelernährung. Transplantiert man die Kwashiorkor-Mikroben in Mäuse, verlieren diese in 3 Wochen 30 % ihres Gewichtes. Erhalten sie die gleiche Diät mit Erdnussbutter, wie Kinder in der Klinik, erlangen sie ihr normales Gewicht zurück. Erhalten die Mäuse jedoch Mikroben eines gesunden Zwillings der Kwashiorkor-Gemeinde, passiert nichts. Das ist toll, denn es ermöglicht vielleicht Therapieversuche mit der Darmflora einzelner Personen in zahlreichen Mäusen und folglich die Entwicklung individueller Therapien.

Jeder sollte die Möglichkeit haben, sich an dieser Entwicklung zu beteiligen. Vor ein paar Jahren starteten wir das Projekt "American Gut [Darm]", in dem jeder seinen Platz auf der mikrobiellen Karte finden kann. Heute ist es mit mehr als 8 000 gemeldeten Teilnehmern das größte wissenschaftliche Crowdfunding-Projekt. Man schickt seine Probe ein, wir bestimmen die DNA der Mikroben und senden das Ergebnis zurück. Außerdem veröffentlichen wir die Ergbnisse für Wissenschaftler, Erzieher und interessierte Bürger anonymisiert, um Zugang zu den Daten zu ermöglichen. Besuchern unseres Labors am BioFrontiers-Institut erklären wir, dass wir mit Lasern und Robotern Kot untersuchen, doch das interessiert nicht unbedingt jeden. (Lachen) Sie interessiert es bestimmt, deshalb habe ich ein paar Päckchen zum Teilnehmen mitgebracht, falls Sie es selbst probieren wollen.

Warum tun wir das? Anhand der Mikroben können wir nicht nur unsere Gesundheit bewerten, sondern auch Krankheiten heilen können. Das konnten wir vor Kurzem grafisch darstellen, zusammen mit Kollegen der Universität Minnesota. Hier ist wieder die Darstellung des menschlichen Mikrobioms. Diesmal füge ich die Mikroben von Leuten mit C. difficile hinzu, einer starken Durchfallerkrankung, bei der man bis zu 20-mal täglich muss. Eine 2 Jahre dauernde Antibiotika-Therapie war erfolglos, bevor sie Kandidaten für diesen Versuch wurden. Was passiert, wenn wir etwas Stuhl eines gesunden Spenders, ganz unten als Stern gezeigt, in die Patienten transplantieren? Bekämpfen die guten Mikroben die schlechten und fördern die Heilung? Schauen Sie, was passiert. Vier dieser Patienten erhalten nun ein Transplantat des gesunden Spenders ganz unten, und man sieht, wie sich die Darmflora sofort radikal verändert. Einen Tag nach der Transplantation klingen alle Symptome ab, der Durchfall ist weg, die Patienten sind wieder gesund und ähneln der Darmflora des Spenders. Und es gibt keinen Rückfall. (Beifall)

Wir sind ganz am Anfang dieser Entdeckung. Wir beginnen zu verstehen, dass sich Mikroben auf diese Krankheiten auswirken, von chronischen Darmerkrankungen bis hin zu Fettleibigkeit, vielleicht sogar Autismus und Depression. Wir müssen eine Art mikrobielles GPS entwickeln, dass uns nicht nur zeigt, wo wir uns im Moment befinden, sondern auch, was unser Ziel ist und wie wir es erreichen können. Und es muss so einfach sein, dass selbst ein Kind es verwenden kann. (Lachen)

Danke. (Beifall)