18.08.2021

Für gesunde Neugeborene

Effektives Verfahren zur Untersuchung von Mikroorganismen

Der menschliche Körper beherbergt eine Vielzahl an Mikroorganismen, wie Bakterien oder Pilze, die einen großen Einfluss auf die Gesundheit haben. Gerade bei Neugeborenen ist eine gesunde Darmflora essenziell. Prof. Dr. Ronald Ebbert von der Fakultät Angewandte Chemie der TH Nürnberg hat ein neues Verfahren entwickelt, um die Mikroorganismen von Neugeborenen zu untersuchen. Die Daten tragen zur Weiterentwicklung von Therapien bei.

Von Jasmin Bauer

Aus OHM-Journal 2021/01 (PDF-Version)

Etwa 39 Billionen Mikroorganismen leben in und auf dem menschlichen Körper – Bakterienzellen, Pilze und Eukaryonten. Sie schützen uns vor schädlichen Bakterien und gerade die Darmbakterien helfen dabei, viele Nährstoffe zu verdauen. Milchsäurebakterien und Bifidobakterien produzieren im Darm die Vitamine B12 bzw. Folsäure. Diese Zusammensetzung der Mikroben, das Mikrobiom, hat einen entscheidenden Einfluss auf unsere Gesundheit. So hat beispielsweise eine Behandlung mit Antibiotika, die auf Bakterien wachstumshemmend und abtötend wirkt, drastische Auswirkungen auf die Bakteriengesellschaften, da nicht nur die schädlichen, sondern auch die nützlichen Bakterien getötet werden. In Einzelfällen können Negativeffekte durch Antibiotika noch Jahre nach Ende der Behandlung festgestellt werden.
Gerade bei Neugeborenen ist die Etablierung einer gesunden Darmflora wichtig, um entzündlichen Erkrankungen vorzubeugen. So ist die nekrotisierende Enterocolitis (NEC), eine besonders gefährliche Erkrankung des Darms, lebensbedrohlich und eine der häufigsten Todesursachen im frühesten Kindesalter. Der exakte Zusammenhang zwischen solchen Erkrankungen und dem Mikrobiom ist noch nicht geklärt.

Hier setzt Prof. Dr. Ronald Ebbert von der Fakultät Angewandte Chemie der TH Nürnberg an. Er entwickelt spezielle Verfahren, um sowohl die Anzahl der Mikroorganismen als auch ihre Gattung zu bestimmen und so einen Überblick über das gesamte Mikrobiom von Neugeborenen zu erhalten. Dafür arbeitet er eng mit der Klinik für Neugeborene, Kinder und Jugendliche des Klinikums Nürnberg unter der Leitung von Prof. Dr. Christoph Fusch zusammen. Die meisten Mikroorganismen leben im Darmtrakt des Menschen. Anaerobe Bakterien sind Teil einer gesunden Darmflora. Enterobakterien sind Keime, die im Darm nicht im Übermaß vorhanden sein sollten und krankmachen können. „Bei Neugeborenen kann man große Unterschiede bei der Zusammensetzung der Darmmikrobiota feststellen, je nach Art der Geburt oder Ernährung. So haben eine natürliche Geburt und das Stillen eine positivere Auswirkung auf die Darmflora als ein Kaiserschnitt und künstliche Muttermilch“, erklärt Prof. Dr. Ronald Ebbert. Nach Untersuchungen zum Mikrobiom der Muttermilch gibt es bereits erste Hinweise, dass die enthaltenen Bakterien sowohl für die Entwicklung des Darmmikrobioms des Neugeborenen als auch für die gesunde Entwicklung des kindlichen Immunsystems wichtig sind.


Zur Untersuchung der Mikrobiota stehen verschiedene Methoden zur Verfügung. Diese sind allerdings entweder sehr aufwendig und damit teuer oder sie erlauben keine absolute Quantifizierung der Mikroorganismen und sind damit nur im Vergleich mit mehreren Untersuchungen sinnvoll. Eine absolute Quantifizierung ist aber wichtig, weil so die Daten einer Probandengruppe auch bei nur einem untersuchten Zeitpunkt aussagekräftig sind. Andernfalls müssen die Daten über einen zeitlichen Verlauf für die Analyse betrachtet werden, was möglich, aber zeitaufwändig ist. Prof. Dr. Ronald Ebbert und sein Team haben deshalb neue Verfahren zur Charakterisierung und Sequenzierung der Mikrobiota, besonders bei Neugeborenen, entwickelt. „Unser neues Verfahren ist schneller, ressourcenschonender und damit preiswerter als die herkömmlichen Verfahren“, so Prof. Dr. Ronald Ebbert. Das Labor für Biochemie der Fakultät Angewandte Chemie besteht seit 2006. Von Anfang an arbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler hier intensiv mit DNA, seit 2013 forschen sie an Methoden zur Identifizierung und Quantifizierung pflanzlicher, bakterieller und pilzlicher DNA.


Die neue Methode von Prof. Dr. Ronald Ebbert und seinem Team muss wichtige Gruppen von Mikroorganismen im Darm von Neugeborenen und in der Muttermilch quantifizieren können. Um die Gesamtheit der Prokaryonten (Bakterien wie Staphylokokken, Streptokokken etc.) und die Pilze absolut quantifizieren zu können, verwendet das Forschungsteam das qPCR-Verfahren (quantitative Polymerase Chain Reaction) gekoppelt mit der sog. Nanopore-Sequenzierung. Durch qPCR, das beispielsweise auch bei COVID-19-Tests genutzt wird, können sie die kleinen DNA-Mengen aus biologischen Proben vervielfältigen. Durch diese molekulare Technik können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Konzentration von Mikroorganismen genauer bestimmen als mit anderen Verfahren und so acht bis zehn Organismengruppen nachweisen. „Durch die Methode können wir medizinisch wichtige Bakteriengruppen und Pilze im Darminhalt von Neugeborenen verlässlich identifizieren und quantifizieren“, erklärt Prof. Dr. Ronald Ebbert. Die Kombination mit der Sequenzierung erlaubt es, jede einzelne enthaltene Bakteriengattung zu bestimmen. Bei sequenzierten Stuhlproben können sie so trotz der enthaltenen Nahrungsreste und menschlichen DNA Bakterien und auch Pilze in ihrer Gesamtmenge nachweisen. In einzelnen Proben konnten sie so bis zu 30 Prozent Pilze feststellen.


Doch eine Bakteriengruppe, die bei einer gesunden Darmflora vorhanden sein sollte, fehlte bei der Sequenzierung: die Bifidobakterien. So kamen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler darauf, dass das von einem externen Hersteller angebotene Kit zur Bakteriensequenzierung, die so wichtigen Bifidobakterien nicht aufzeigt – obwohl sie vorhanden sind, wie man von der qPCR wusste. Ein Student von Prof. Dr. Ronald Ebbert hat deshalb kurzerhand eigene Primer entworfen, mit denen sich die Bakterien nachweisen lassen, und diese in das Verfahren integriert. Inzwischen hat das Forschungsteam auch Primer und eine Methodik entwickelt, die die meisten Pilze in der Sequenzierung nachweisen können. „Pilze sind seltener als Bakterien, sollten aber nicht vernachlässigt werden, da sie Antibiotikaresistent sind“, erläutert Prof. Dr. Ronald Ebbert. Durch ihre Forschungsergebnisse können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Empfehlungen geben, wie beispielsweise die Zusammensetzung von künstlicher Muttermilch verbessert oder das Wachstum von Darmbakterien wieder angeregt werden kann. Damit leisten sie einen erheblichen Beitrag zur Weiterentwicklung von Therapien und eine verbesserte Versorgung von Neugeborenen. Derzeit arbeiten sie an einer Studie des Klinikum Nürnbergs über Probiotika bei Frühchen mit. Probiotische Bakterien sind lebende Mikroorganismen, die eine gesunde Darmflora aufbauen sollen. Bei der Anwendung von Probiotika bei Frühchen ist jedoch Vorsicht geboten, da die Bakterien prinzipiell auch in die Blutbahn gelangen können. „Wie sehr Probiotika den Frühchen wirklich helfen und Krankheiten weniger wahrscheinlich machen, wurde bisher wissenschaftlich noch nicht umfassend erforscht. Wir untersuchen den Einfluss von Probiotika auf das Mikrobiom der Frühchen über einen längeren Zeitraum hinweg“, erklärt Prof. Dr. Ronald Ebbert. So können sie eine Qualitätskontrolle der Probiotika-Behandlung durchführen und eine Einschätzung geben, wie sich die Behandlung von Frühchen auf das Mikrobiom auswirkt.


Das Ziel von Prof. Dr. Ronald Ebbert ist es, ein effektives, universell einsetzbares und preiswertes Verfahren für die Analyse von Mirkobiomen zu entwickeln. Zukünftig soll das sowohl bei Untersuchungen medizinischer Proben als auch bei der mikrobiologischen Charakterisierung industriell gefertigter Produkte oder Umweltproben Anwendung finden.

 

An dem Projekt arbeiten innerhalb der TH Nürnberg mit:
Prof. Dr. Ronald Ebbert
Studierende, Fakultät Angewandte Chemie
Externe Partner:
Prof. Dr. Christoph Fusch, Klinikum Nürnberg

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