Den Geheimnissen des Mikrobioms auf der Spur – DZL-Nachwuchsgruppenleiter Dr. Sébastien Boutin
Ein Interview mit Dr. Sébastien Boutin über das Lungenmikrobiom, seine aktuellen Forschungsschwerpunkte und darüber wie Mikrobiomforschung in Therapien für Patient:innen umgesetzt werden kann.
Seit 2020 ist Sébastien Boutin Leiter der DZL-Nachwuchsgruppe „Lungenikrobiom“ im Zentrum für Translationale Lungenforschung in Heidelberg (TLRC). Sein dreiköpfiges Team erforscht Zusammenhänge zwischen dem Atemwegsmikrobiom und der Ausprägung chronischer Lungenerkrankungen wie zystischer Fibrose (CF), chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) und idiopathischer pulmonaler Fibrose (IPF). Die Arbeitsgruppe ist auf NGS-Sequenzierungstechniken und bioinformatische Analysen spezialisiert und stellt ihre Expertise anderen DZL-Wissenschaftlern zur Verfügung.
Wie entwickelt sich das menschliche Lungenmikrobiom?
Wir gehen davon aus, dass die ersten Bakterien schon im Mutterleib über das Fruchtwasser in die Atemwege gelangen. Nach der Geburt und im weiteren Verlauf unseres Lebens verändert sich die Zusammensetzung des Lungenmikrobioms jedoch ständig – verglichen mit dem Darmmikrobiom ist es also viel dynamischer. Mit jedem Atemzug gelangen neue Mikroorganismen in unsere Lunge und die Lunge eliminiert diese ständig, z.B. durch sogenannte Mukoziliäre Clearance - die Selbstreinigungsmechanismen der Bronchien.
Welche Bakterien finden sich typischerweise in der Lunge?
Im Vergleich mit dem Darmmikrobiom gibt es in der Lunge relativ wenig verschiedene Spezies, etwa 100. Überraschenderweise handelt es sich hauptsächlich um anaerobe Bakterien, also solche, die ohne Sauerstoff auskommen. Das liegt daran, dass es in tieferen Schichten des Schleims der Lunge nur wenig oder keinen Sauerstoff gibt. Am häufigsten kommen Bakterien der Gattungen Streptococcus, Prevotella, Veillonella und Neisseria vor.
Können wir selbst Einfluss auf unser Lungenmikrobiom nehmen?
Wir gehen davon aus, dass der Lebensstil und die Ernährung das Lungenmikrobiom stark beeinflussen. Rauchen zum Beispiel verringert die Diversität des Lungenmikrobioms, genauso wie die Einnahme von Antibiotika. Der Zusammenhang mit der Ernährung erklärt sich dadurch, dass Bakterien aus dem Mund in die Lunge gelangen können. Wir haben nachgewiesen, dass sich das Lungenmikrobiom von Menschen mit Karies, oder behandelter Karies, von denen unterscheidet, die noch nie Karies hatten. Die Karies-verursachenden Bakterien scheinen andere unschädliche Bakterien zu verdrängen und das hat einen indirekten Einfluss auf das Lungenmikrobiom.
Gibt es einen Zusammenhang zwischen Mundgesundheit und der Ausprägung von Lungenerkrankungen?
Das ist Gegenstand unserer aktuellen Forschung. In einem unserer Projekte mit der Thoraxklinik untersuchen wir zum Beispiel, ob es einen Zusammenhang zwischen Parodontose und COPD gibt und ob die Behandlung von Parodontose einen Einfluss auf Exazerbationen und das Lungenmikrobiom hat. Wir haben eine Vielzahl von DZL-Projekten, die sich auf die gesamten Atemwege beziehen – also Nase, Hals, und Mundhöhle – denn alle sind mit der Lunge verbunden.
Welches sind Ihre aktuellen Forschungsschwerpunkte?
Unser größtes Projekt ist eine Studie, die den Zusammenhang zwischen dem Lungenmikrobiom und der Ausprägung von Mukoviszidose untersucht. So möchten wir herausfinden, wie die Lungenfunktion und das Auftreten von Entzündungen mit der Zusammensetzung des Lungenmikrobioms korreliert. Seit 2013 haben wir Proben (z.B. Sputum oder Abstriche aus der Nase und Luftröhre) der gleichen Patient:innen zu verschiedenen Zeitpunkten gesammelt und analysiert. So gelang es uns die Evolution des Atemwegsmikrobioms der Patienten über mehrere Jahre nachzuvollziehen und mit deren Symptomen in Verbindung zu setzen.
Gibt es einen Zusammenhang zwischen dem Mikrobiom und der Schwere der Symptome bei Patient:innen mit Zystischer Fibrose (CF)?
Das Lungenmikrobiom von Patient:innen mit CF ist von Geburt an weniger divers als das gesunder Menschen. Kommt es zu einer Infektion mit z.B. Pseudomonas, wird es auch weniger dynamisch und das infektiöse Bakterium dominiert. Selbst der Eintrag von Bakterien von außen ändert daran nichts. Wir haben ebenfalls herausgefunden, dass es einen Zusammenhang zwischen der Abnahme der Lungenfunktion, der Stärke von Entzündungen und einer Abnahme der Diversität des Lungenmikrobioms gibt. Wir versuchen herauszufinden, ob man diesen Effekt umkehren kann, aber es ist schwer eine Pseudomonas Infektion zu behandeln.
Wie könnte Mikrobiomforschung die Behandlung von CF verbessern?
Am effektivsten wäre es Infektionen vorzubeugen, z.B. indem man durch die Gabe von Pre- oder Probiotika das Atemwegsmikrobiom manipuliert. Es ist ebenfalls denkbar, Phagen zur Bekämpfung von Bakterien wie Pseudomonas einzusetzen. Zukünftig möchten wir verstärkt metagenomische und metatranskriptomische Analysemethoden verwenden um herauszufinden, über welche Resistenzgene die Bakterien in der Lunge eines Patienten oder einer Patientin verfügen. Mit diesem Wissen können Antibiotika gezielter ausgewählt werden.
Welchen Forschungsschwerpunkten möchten Sie sich zukünftig widmen?
Wir planen Verlaufsstudien durchzuführen, um die Evolution des Lungenmikrobioms bei anderen chronischen Lungenerkrankungen, wie COPD und Asthma nachzuverfolgen. Wir möchten auch verstärkt neue Sequenzierungs- und Analysemethoden einsetzen, um das Lungenmikrobiom noch detaillierter zu erforschen. Bisher haben wir uns auf die Untersuchung von Bakterien mittels 16S- Sequenzierung fokussiert. In Zukunft möchten wir auch das Vorkommen von Viren und Pilzen mittels metagenomischer Analysemethoden untersuchen.
Wohin wird Lungenmikrobiomforschung zukünftig gehen?
Wir wissen zwar, dass das Lungenmikrobiom ein guter Biomarker für die Schwere einer Lungenerkrankung ist, wir kennen aber seine genauen Funktionen noch nicht. Es ist nicht so stabil wie das Darmmikrobiom, aber könnte es trotzdem eine schützende Funktion haben? Wir nehmen an, dass bakterielle Signalmoleküle das Immunsystem trainieren und damit vor Infektionen schützen. Zukünftig möchten wir dieser Frage mit Hilfe metagenomischer und metatranskriptomischer Analysen auf den Grund gehen, z.B. indem wir herausfinden, welche Gene Bakterien in der Lunge exprimieren.
Welche Dienstleistungen bieten Sie anderen DZL-Wissenschaftler:innen an?
Wir sind offen für Kooperationen an Projekten zu Lungenerkrankungen, bei denen das Mikrobiom ein potenzieller Biomarker ist und bieten unsere Expertise in allen Schritten von der Probennahme bis zur Dateninterpretation an. Wir haben eine etablierte Pipeline für 16S-Sequenzierung sowie eine Metagenom-Pipeline und arbeiten derzeit an einer Meta-Transkriptomik-Pipeline, um RNA-basierte Ansätze anzubieten
/ TLRC - Doreen Penso Dolfin