Wissenschaftler der Stanford University School of Medicine erklären, warum zwei potentiell tödliche Krankheitserreger nach Antibiotikabehandlung in der abweisenden Umgebung des Darms Fuß fassen.
Die Forscher schrieben in der Zeitschrift, dass ihre Ergebnisse helfen könnten, Wege zu finden, um den Auswirkungen der Erschöpfung von "freundlichen Darmbakterien" nach Antibiotika-Behandlung entgegenzuwirken.
Mehrere Darmbakterien können während eines Antibiotikums schwerwiegende Probleme verursachen. Senior Autor, Justin Sonnenburg, PhD, sagte: "Antibiotika öffnen die Tür für diese Krankheitserreger zu ergreifen. Aber wie genau, das passiert ist nicht gut verstanden."
Die Autoren erklärten, dass die Kohlenhydratverfügbarkeit im Darm 24 Stunden nach der oralen Verabreichung von Antibiotika deutlich steigt. Dieser vorübergehende Kohlenhydratüberschuss und die Reduzierung von "guten Bakterien" im Darm ermöglichen eine schnelle Vermehrung von mindestens zwei potenziell lebensbedrohlichen Erregern.
In den letzten zehn Jahren haben Wissenschaftler enorme Fortschritte beim Verständnis des "komplexen mikrobiellen Ökosystems" gemacht, das im Dickdarm eines jeden gesunden Säugetiers, einschließlich des Menschen, vorkommt.
Ungefähr 1000 verschiedene Arten von Mikroben koexistieren harmonisch innerhalb eines typischen gesunden menschlichen Darms. Diese Bakterienstämme, die diese herausfordernde, aber nährstoffreiche Nische bewohnen, haben sich extrem gut angepasst, so gut, dass wir ohne sie zu kämpfen hätten.
Freundliche, im Darm lebende Bakterien synthetisieren Vitamine, sie sind der Schlüssel zur Steuerung unseres Immunsystems, sie sind an der Entwicklung und Erhaltung unseres eigenen Gewebes beteiligt – sie helfen sogar dabei, den Blutdruck zu regulieren.
Antibiotische Medikamente zerstören dieses Darmmikrobenökosystem. Gute Bakterien beginnen sich innerhalb weniger Tage schnell zu vermehren und innerhalb eines Monats sind sie wieder normal. Den Autoren zufolge "scheint das Ökosystem jedoch den dauerhaften Verlust einiger seiner Bakterienstämme zu erleiden".
Die Wissenschaftler vergleichen diese freundlichen Bakterien mit einer Art Rasen, der die Unkräuter (pathogene Bakterien) gegen den reichen Dünger schlägt, der durch unseren Darm fließt. Frühere Studien haben vorgeschlagen, dass unsere freundlichen Käfer Chemikalien absondern, die verhindern, dass die pathogenen Bakterien die Kontrolle übernehmen.
Es gibt eine Theorie, dass, wenn unser inneres mikrobielles Ökosystem gestört ist, unsere Reaktion des Immunsystems leidet.
Sonnenburg sagte:
"Während diese Hypothesen sich nicht gegenseitig ausschließen, unterstützt unsere Arbeit spezifisch den Vorschlag, dass unsere ansässigen Mikroben Krankheitserreger in Schach halten, indem sie um Nährstoffe konkurrieren."
Wenn diese Abwehrkräfte abgeschwächt werden, wie es normalerweise nicht lange nach dem Beginn eines Antibiotikums der Fall ist, sind plünderende Krankheitserreger in der Lage, Fußstapfen zu bilden.
Sobald sich diese beiden parasitären Invasoren in ausreichender Anzahl vermehrt haben, induzieren sie eine Entzündung. Während Entzündung keine gute Umgebung für die Wiederherstellung guter Bakterien ist, und Salmonellen darin gedeihen.
Sonnenburg und Kollegen konzentrierten sich auf zwei bestimmte Nährstoffe im Darm – Fucose und Sialinsäure – beide Mitglieder der Zuckerfamilie. Dies sind keine Zucker, mit denen die meisten Menschen vertraut sind, aber sie sind für ein gesundes Überleben unerlässlich und werden in jeder Zelle des menschlichen Körpers produziert. Sie finden sich auch in Milchprodukten, Eiern und Fleisch.
Darmbakterien essen Schleim
Zellen, die den Darm auskleiden, extrudieren lange Ketten von bekannten und exotischen Zuckern, die miteinander verbunden sind, um Schleim zu bilden.
Schleim hat zwei Funktionen:
- Es verhindert, dass residente Mikroben durch die Darmwand in den Blutkreislauf gelangen
- es ist eine lebenswichtige Nahrungsquelle von mehreren Zuckern, einschließlich Sialinsäure und Fucose, für residente Mikroben
Sonnenburg sagte: "Unsere Darm-Mikroben sind sehr geschickt geworden, Schleim zu essen."
Sonnenburg und Kollegen experimentierten an Labormäusen, die in einer keimfreien Umgebung aufgewachsen waren. Diese Mäuse unterschieden sich sehr von normalen Mäusen – ihre Eingeweide hatten keine Bakterien.
Die Wissenschaftler führten einen einzigen Bakterienstamm in diese keimfreien Tiere ein – einen freundlichen Bakterienstamm, der im Darm von normalen Mäusen und Menschen lebt. hat Enzyme, die Zuckermoleküle aus den Schleimketten, die von der Darmschleimhaut baumeln, abstoßen. Es fehlen die Enzyme, um die Sialinsäuremoleküle abzubauen.
Es mag sinnlos erscheinen, Zuckermoleküle zu lockern, die nicht für die Nahrung abgebaut werden können. In einem normalen Darm gibt es jedoch mehrere andere Mikroben, die die Sialinsäure- und Fucosemoleküle abbauen können. Ein normaler Darm ist voll von Mikroben, die Lebensmittel zerkleinern können, die man nicht essen kann.
Die Autoren nennen es ein Tauschsystem, Ökologen nennen es Symbiose. (Löscht möglicherweise diese Zuckerreste, um zu anderen essbaren Zuckerresten darunter zu gelangen.)
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Antibiotika-assoziierter Durchfall
In einer Reihe von Experimenten führten die Wissenschaftler entweder einen oder einen Salmonella-Stamm in die zuvor keimfreien Mäuse ein, die damit beladen waren. Beide Bakterienstämme sind potentiell lebensbedrohlich, wenn sie bei Patienten, die Antibiotika erhalten, Krankheiten verursachen. Sie verbrauchen auch Sialinsäure für Energie, können sie aber nicht vom Darmschleim lösen.
Nachdem festgestellt wurde, dass Fucose weder gelöst noch konsumiert werden kann, konzentrierte sich das Team darauf, wie die beiden Erreger Sialinsäure verwendeten.
Die Wissenschaftler simulieren ein Antibiotika-dezimiertes Darm-Mikroben-Ökosystem
Durch die Einführung eines pathogenen und freundlichen Bakterienstamms in den Darm von ehemals keimfreien Mäusen konnten die Forscher zeigen, dass die Sialinsäurespiegel erheblich ansteigen, wenn kein komplettes mikrobielles Darmökosystem vorhanden ist, das diese Niveaus gestoppt hätte.Nur ein Stamm guter Bakterien im Darm der Mäuse war eine Annäherung an ein Antibiotika-dezimiertes Darm-Mikroben-Ökosystem.
Beide replizieren sich schneller in Gegenwart dieser Zucker und keiner anderen konkurrierenden Mikroben. schuf einen Sialinsäure-Überschuss, der ein Fest für den pathogenen Stamm war.
Die Wissenschaftler beobachteten dann, welche Auswirkungen Antibiotika auf "normale" Mäuse mit intestinalen Ökosystemen haben könnten. Sie berichteten über die gleiche Zunahme an Sialinsäure und eine Populationsexplosion pathogener Bakterien. Wenn die Mäuse nur mit Antibiotika behandelt wurden und nicht den Pathogenen ausgesetzt waren, normalisierten sich die Sialinsäurespiegel innerhalb von etwa drei Tagen wieder, als sich gute Bakterien erholten.
Sonnenburg sagte:
"Die bösen Jungs im Bauch fangen Nährstoffe auf, die von den Guten freigesetzt werden, die Opfer der durch Antibiotika verursachten Kollateralschäden sind. Antibiotika sorgen dafür, dass unsere freundlichen Darmbakterien diesen Krankheitserregern unwissentlich helfen.
Wir glauben, dass bakterielle Krankheitserreger im Darm in zwei Schritten Krankheiten verursachen. Andere haben gezeigt, dass, sobald diese Erreger eine ausreichende Anzahl erreicht haben, sie Entzündungsauslösende Tricks anwenden, um unsere ortsansässigen freundlichen Mikroben auszulöschen – ohne Kosten für die Pathogene selbst, weil sie Wege entwickelt haben, damit umzugehen. Aber zuerst müssen sie eine kritische Hürde überwinden: In Ermangelung der Entzündung, die sie zu induzieren versuchen, müssen sie irgendwie diese kritische Masse erreichen. Unsere Arbeit zeigt, wie sie nach einer Dosis Antibiotika vorgehen. Sie nutzen den Vorteil eines vorübergehenden Anstiegs an verfügbarem Zucker, der aus dem Darmschleim freigesetzt wird, der von kommensalen Mikroben hinterlassen wurde. "
Das Team glaubt, dass wir eines Tages ein Medikament entwickeln könnten, das die Enzyme, die von freundlichen Darmbakterien verwendet werden, um Sialinsäure aus dem Schleim zu befreien, hemmt und so die Erreger ihres Festessens beraubt. Das Medikament könnte dann neben Antibiotika gegeben werden. Sie fügten hinzu, dass Probiotika in Form von Bakterienstämmen, die Sialinsäure schnell verdauen, ebenfalls eine ähnliche Wirkung erzielen könnten.
Die Studie wurde vom Burroughs Wellcome Fund und den National Institutes of Health (Zuschuss R01-DK085025) finanziert.
