Gegen Mangelernährung bei Kindern

Bakterien als Sensoren

Leiter des f¨¹nfj?hrigen Projekts ist Randall Platt, Professor f¨¹r Biological Engineering an der ETH Z¨¹rich. Im Oktober ist seine Forschungsgruppe in das neue Geb?ude des Departements Biosysteme in Basel eingezogen. Die Fensterfront in seinem hellen B¨¹ro gibt den Blick ¨¹ber die neue Nachbarschaft frei. Der 36-J?hrige erkl?rt: ?Uns fehlen heute Methoden, um Entz¨¹ndungen, Infektionen und ern?hrungsphysiologische Probleme im Darm einfach und zuverl?ssig zu messen.? Dies, obschon man wisse, dass der Darm f¨¹r die menschliche Gesundheit zentral sei. Er regelt praktisch s?mtliche Organe, inklusive Gehirn, und spielt f¨¹r das Immunsystem und den Metabolismus eine wichtige Rolle.

F¨¹r Analysen zum Zustand der Darmgesundheit wird heute meist eine Darmspiegelung durchgef¨¹hrt. Das ist aufwendig und f¨¹r Patient:innen unangenehm, auch weil der Darm zuvor vollst?ndig entleert werden muss. Zudem erlaubt sie lediglich eine Momentaufnahme, nicht aber die Abbildung einer Entwicklung. Platt forscht deshalb an einer eleganten Alternative. Seine Technologie ist nicht-invasiv, sie st?rt die normale Darmfunktion nicht und erm?glicht auch Aussagen ¨¹ber die Entwicklung des Darmmilieus. ?Es ist wie ein Technologiesprung von der Fotografie zum Film?, sagt Platt.

Als wenige Mikrometer grosse ?Videokamera? nutzen Platt und sein Team E.-coli-Bakterien, die mittels der Genschere Crispr/Cas so manipuliert werden, dass sie Ver?nderungen in ihrem biologischen Umfeld wahrnehmen und aufzeichnen k?nnen. ?Die Zellen dieser Bakterien passen sich an ihr Umfeld an, wenn sie den Darm durchwandern. Sie reagieren auf pH-?nderungen, auf N?hrstoffe und Chemikalien?, erkl?rt Platt. Diese Reaktion l?sst sich messen. Auf genetischer Ebene fangen die Forschenden RNA-Molek¨¹le in lebenden E. coli ein, um die Gene zu bestimmen, die die Bakterien als Reaktion auf das Darmmilieu w?hrend der Darmpassage exprimiert haben. So speichern die Forschenden die Genexpression im Darm auf einer Art bakterieller Speicherkarte. Daf¨¹r isolieren und sequenzieren sie die bakterielle DNA aus den F?kalien. Mittels Bioinformatik bestimmen die Forschenden, welche Gene w?hrend des Gangs durch den Darm aktiv waren und welche molekulare und mikrobiotische Umgebung das Bakterium dabei vorfand. Ob also zum Beispiel die N?hrstoffzusammensetzung des Darms f¨¹r eine gesunde Entwicklung ausreichend ist.

In einer 2022 im Fachjournal Science erschienenen Studie beschreiben Platt und sein Team die Funktion dieser Videobakterien im Mausmodell. Im Experiment blieben sie w?hrend ein bis sieben Tagen im Darm der M?use aktiv und sammelten Daten. ?Wir konnten zeigen, dass mit unserer Technologie wichtige biologische Informationen in allen Regionen des Darms erfasst werden k?nnen.? Ein grosser Vorteil gegen¨¹ber der Endoskopie. Auch gelang es den Forschenden, die Auswirkung der Ern?hrung auf die Darmflora nachzuverfolgen.

Daf¨¹r f¨¹tterten sie drei Gruppen von M?usen mit unterschiedlicher Nahrung, einmal mit viel N?hrstoffen, viel Fett oder viel St?rke. Die sequenzierten Videobakterien zeigten je nach Ern?hrungstyp eine charakteristische Genexpression. ?Wir konnten praktisch in Echtzeit verfolgen, ob der N?hrstoffgehalt einer Di?t f¨¹r ein gesundes Darmmilieu ausreichend ist.?

Gezielter gegen Defizite

Mit einer solchen Diagnostikplattform k?nnten Kinder, die unter Mangelern?hrung oder anderen Defiziten leiden, k¨¹nftig individuell und gezielter behandelt werden, so die Hoffnung der Forschenden. Daf¨¹r ist auch zus?tzliches Wissen zu den Abh?ngigkeiten zwischen Ver?nderungen der Darmflora und bestimmten Krankheitsauspr?gungen n?tig. Platt arbeitet deshalb im BRCCH-Projekt eng mit ETH-internen und -externen Kolleginnen und Kollegen zusammen. Darunter Uwe Sauer, ETH-Professor f¨¹r Systembiologie, der sich in seiner Forschung auf den mikrobiellen Stoffwechsel und die Interaktionen zwischen Wirt und Mikroben fokussiert.

Andrew Macpherson, Professor und Chefarzt Gastroenterologie am Inselspital Bern, hat im Rahmen des Projekts eine eigene Mutter-Kind-Kohorte in der Schweiz aufgebaut. In Zusammenarbeit mit Kerina Duri in Simbabwe vergleicht er die beiden Kohorten, um besser zu verstehen, wie sich die Darmflora bei Kleinkindern unter unterschiedlichen Bedingungen entwickelt. Dirk Bumann, Professor f¨¹r Infektionsbiologie am Biozentrum der Universit?t Basel, erg?nzt das Team, um die Rolle von Pathogenen in der Darmflora zu untersuchen. Solche kommen in verunreinigtem Wasser oder bei mangelnder Hygiene besonders oft vor, k?nnen zu Darminfektionen f¨¹hren und die Auswirkungen einer Mangelern?hrung noch verst?rken.

In einem n?chsten Schritt will das Forschungsteam das diagnostische Potenzial der Videobakterien in klinischen Studien am Menschen testen. Die regulatorischen H¨¹rden seien aufgrund der eingesetzten Crispr/Cas-Technologie hoch, sagt Platt und sch?tzt, dass erste klinische Tests im Lauf der kommenden f¨¹nf Jahre beginnen k?nnten.

Seine Kollegin in Simbabwe, Kerina Duri, hofft, dass die Zusammenarbeit mit der Schweiz auch nach Auslauf des BRCCH-Projekts Ende Jahr weitergehen wird. ?Unser Ziel ist es, ein Exzellenzzentrum f¨¹r die Darmflora-Forschung in Simbabwe aufzubauen?, sagt sie. Ein Zentrum, von dem M¨¹tter und Kinder nicht nur in Simbabwe, sondern in ganz Afrika profitieren k?nnten. ?Doch um entsprechende Kapazit?ten aufzubauen, sind wir auf externe Finanzierung und auf Kooperationen, wie diejenige mit der ETH Z¨¹rich, angewiesen?, sagt Duri.