PROBIOTIKA: WISSENSCHAFTLICHE GRUNDLAGEN UND … · • Therapie und Prävention von...
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CAMPUS INNENSTADT
KINDERKLINIK UND KINDERPOLIKLINIK
IM DR. V. HAUNERSCHEN KINDERSPITAL
PROBIOTIKA: WISSENSCHAFTLICHE
GRUNDLAGEN UND KLINISCHER NUTZEN
Prof. Dr. med. Johannes Hübner Abteilung für Pädiatrische Infektiologie
v. Hauner´sche Kinderklinik, Ludwigs-Maximilian Universität München
Huebner J, Franz C, Kopp M. 2008. Dtsch. Med. Wochenschr. 133:367–369.
Probiotika
• wissenschaftliche Begründung durch Ilya Ilyich
Mechnikov (Nobelpreis Medizin 1908 mit Paul
Ehrlich)
• „lebensfähige Mikroorganismen, die einen
gesundheitsfördernden Einfluss auf den Wirt
haben“
• Präbiotika: unverdauliche Kohlenhydrate
(Ballaststoffe) als selektive Nahrungsgrundlage
für einzelne Darmbakterien-Spezies zur gezielten
Modifikation der Darmflora
Charakteristika bakterieller
Ökosysteme
• große Anzahl unterschiedlicher Spezies
• hohe Keimzahlen
• charakteristische Zusammensetzung der Flora
• Interdependenz der unterschiedlichen Bakterien
• qualitative und quantitative Stabilität der Florabestandteile
Gastrointestinale Bakterienflora
• ~ 1012 lebende Bakterien pro Gramm Stuhl (Dickdarm)
• eine Schicht Epithelzellen trennt Darmlumen von Lymph- bzw. Blutbahn
• die Anzahl von Bakterien im menschlichen Darm beträgt 1014
• Magendarm-Flora besteht aus 400-500 verschiedenen Spezies
• immense metabolische Fähigkeit der Darmflora
Metagenomics
Jeffrey Gordon, Washington
University, St. Louis
Kulturunabhängige Analyse der Zusammensetzung und
dynamischer Wechselwirkung von Bakterienkollektiven
auf verschiedenen Ebenen:
•DNA - Microbiome
•RNA – (Meta)-Transcriptome
•metabolische Netzwerke – Metabolome
Kulturunabhängige Studien zur
Magen-Darm-Trakt Ökologie
• Vielzahl unkultivierter/unkultivierbarer Bakterien
• hohe Wirtsspezifität
• Einfluss des Wirts-Genotyps
• hochgradige Stabilität in gesunden Individuen
• Beeinflussung durch Magen-Darm-Erkrankungen
und durch Antibiotikagabe
• Abhängig von Ernährung
• keine dauerhafte Veränderung durch Pro- und
Präbiotika
• Veränderung mit Lebensalter
• kein komplexes bakterielles Ökosystem ist
bisher komplett analysiert worden
• ca. 95-99% der Kolonflora ist obligat
anaerob
• viele Spezies sind nicht kultivierbar
• Unterschiede luminaler vs. wandständiger
Flora
• Bedeutung antimikrobieller Peptide,
sezerniert durch z.B. Paneth-Zellen
Erforschung des gastrointestinalen
Ökosystems
„Diversity of the Human
Intestinal Microbial Flora“
• 3 gesunden Versuchspersonen
• Stuhlproben und Schleimhautgewebe von
6 Etagen (Zoekum, Kolon aszendens, K.
transversum, K. descendens, Sigmoid und
Rektum)
• DNA Isolierung, PCR Amplifikation und
Analyse von 16S rDNA
Science 308:1635-38;2005
• 395 Bakterien-Phyla
• 1 Archeae Phylus
• 62% neue Bakterien-Sequenzen
• 80% bisher nicht kultiviert
• hauptsächlich gram-positive Bakterien (61% Clostridien) und Bacteroides spp., nur ca. 0,1% Proteobacteria
• 3 neue Abstammungslinien (zwischen Cyanobakterien und Chloroplasten)
Science 308:1635-38;2005
„Diversity of the Human Intestinal
Microbial Flora“
Unser “Microbiom” enthält 100
mal mehr Gene, als unser Genom
Menschen sind Superorganismen,
deren Metabolismus eine
Verschmelzung mikrobieller und
humaner Leistungen darstellt
Gill et al., Science 312:1355-1359;2006
Aufgaben der physiologischen
Darmflora
• Vitamin Produktion (z.B. Vitamin K)
• Abbau von Nahrungsmittelbestandteilen
• Kolonisationsresistenz
• Regulation der intestinalen
Epithelentwicklung und Angiogenese
• Regulierung der Fettspeicherung
• Entwicklung der angeborenen und adaptiven
Immunabwehr
Entwicklung der angeborenen
Immunabwehr
• keimfrei gezüchtete Mäuse entwickeln kein voll funktionsfähiges Immunsystem: – systemische T-Zell-Defizienz
– TH1/TH2 Imbalanzen
– gestörte lymphoide Organogenese
• zur “Reifung” des Immunsystems sind spezielle immunmodulatorische Moleküle der symbiotischen Darmbakterien notwendig
Mazmanian et al., Cell 122:107-118;2005
„Hygiene Hypothese“
• verminderte Exposition gegenüber infektiösen
Mikroorganismen im frühen Lebensalter führt zu
vermehrten Allergien (Strachan BMJ 1989)
• Zunahme der Atopie-Inzidenz in Industrienationen,
nicht aber in Entwicklungsländern
• Atopiker und Nicht-Atopiker haben
unterschiedliche Zusammensetzung der Darmflora
• Atopiker und keimfreie Mäuse haben ein TH2-
Zytokin-Profil
The Human Microbiome Project
• 247 gesunde Versuchspersonen, männlich und
weiblich
• mikrobiologische Materialien an 15 (männl.) bzw.
18 (weibl.) Körperstellen
– Haut, Nase, Mundhöhle, Rachen, Vagina und Faeces
• Pilotstudien:
– Haut (Psoriasis), Magen-Darmtrakt (Crohn/CU) und
Urogenitaltrakt (bakt. Vaginose)
Nature 486:215–221;2012
• Jedes Habitat ist durch eine relative kleine Anzahl von hoch-
redundanten "Signatur-Taxa" gekennzeichnet
• Das Vorkommen dieser Taxa und der entsprechenden Gene
variiert stark zwischen einzelnen Individuen
• Metabolische Stoffwechselwege sind metagenomisch
repräsentiert und hochgradig stabil innerhalb der Habitate
The Human Microbiome Project
Human Microbiome Project Consortium. 2012. Nature 486:207–214.
Relevanz der Mikrobiom-Studien
• Übersicht der normalen humanen Bakterien-Flora
• Bedeutung für klinische Fragestellungen
– Entstehung entzündlicher Darmerkrankungen
– Entstehung von allergischen Erkrankungen
– Entstehung von Autoimmunerkrankungen
– Entstehung von Adipositas
• Behandlungsoptionen (Probiotika, Faecaltransplant)
• selektive oder okkulte "Immundefekte" ?
• Anfälligkeit für Tumorerkrankungen ?
• Verhalten oder psychiatrische Erkankungen ?
Störungen der Magen-Darm Flora
sind assoziiert mit Krankheiten
Cho & Blaser, Nat Rev Genetics 2012
Als Probiotika verwendet werden (u.a.):
• Milchsäurebakterien:
– Laktokokken
– Laktobacillen
– Bifidobakterien
– Enterokokken
• Hefen (Saccharomyces boulardii, S. cervisiae)
• Escherichia coli Nissle 1917
• Bacillus cereus
• Streptococcus thermophilus
• Clostridium butyricum MIYAIRI
Wirkmechanismen von Probiotika
Effekt Mechanismus
Aufrechterhaltung der
Schleimhaut-Barriere
• Verminderung der mukosalen Permeabilität
• Zunahme der Mukus-Produktion
• Stärkung der Tight-Junctions
• Reduktion der bakteriellen Translokation
Regulation der adäquaten
bakteriellen Kolonisation
• Modulation der Mikroflora
• Produktion von Antimikrobiellen Peptiden
• Senkung des intraluminalen pH
• kompetetive Verdrängung pathologischer Bakterien
Aktivierung intenstinaler
Immun-Mechanismen
• zunehmende IgA Produktion
• Produktion von kurzkettigen Fettsäuren
• Zunahme der Blut-Leukozyten-Phagozytose
Modulation der
intestinalen Inflammation
• zunehmende Zytokin-Produktion von T-Zellen und
Makrophagen
• zunehmende Produktion von anti-inflammatorischen
Zytokinen
• Abnahme der Produktion pro-inflammatorischer
Zytokine
• Förderung eines Th1 Zytokine-Profils
Wirkmechanismen von Probiotika
Bron PA, van Baarlen P, Kleerebezem M. 2012. Nature Reviews Microbiology 10:66–78.
Sicherheit von Probiotika
• jedes Jahr werden mehr als 20 Milliarden Probiotikadosen verabreicht
• Nebenwirkungen sind sehr selten !
• Es kommt zu keiner dauerhaften Besiedelung
• Langjähriger, weitverbreiteter Gebrauch von L. rhamnosus GG in Finnland: <0.05 LGG Sepsis Fälle pro 100.000 Einwohner
• 82% der Patienten hatten schwere oder tödliche Grunderkrankungen
• Letalität 26% nach einem Monat und 48% nach einem Jahr
Salminen, CID 2005
Sicherheit von Probiotika
• 3 Fälle von Saccharomyces cerevisiae Fungämien innerhalb von 2 Wochen
• einziger gemeinsamer Risikofaktor: Gabe von Ultralevura (enthält S. boulardii) über Nasensonde
• Review der Literatur identifizierte weitere 57 Fälle von. S. cerevisiae Fungämien
• 60% waren ICU-Patienten, 45% erhielten Probiotika, 30% starben
Munoz, CID 2005
Sicherheit von Probiotika
• PROPATRIA: große holländische Studie (doppelblind, plazebokontrolliert) zur Wirksamkeit von Probiotika bei akuter Pankreatitis
• 24 Todefälle (16%) im Therapie-Arm vs. 9 (10%) in Kontrollgruppe
• Food Supplement ‘Ecologic 641’ (Winclove), (L. acidophilus, L. casei, L. salivarius, Lactococcus lactis, Bifidobacterium bifidum and B. lactis), 1010 KBE gegeben über Nasensonde
• Studie wurde abgebrochen Science, 1. Februar 2008
Sicherheit von Probiotika
• kommerzielle Probiotika-Präparate entsprechen
häufig nicht den Inhaltsangaben auf dem Etikett
• Getestet: 213 Kulturen von 26 Herstellern (57%
Lactobacilli, 22% Bifidobacteria)
• 28% falsche Angaben bzgl. Spezies (27 Fälle)
oder Genus (19 Fälle)
• insgesamt 34 Produkte von 10 Herstellern
Huys. Res Microbiol 2006
Sicherheit von Probiotika
• 65-jähriger Patient mit aorto-biiliakaler Endoprothese
• in der Folge Perigraft-Infektionen und Spondylodiscitis
• 18 Monate nach Operation rezidivierende Septikämien mit Darmbakterien, Candida und......
Schwacha H, et al.. 2006. Endoscopy 38 Suppl 2:E51.
Lactobacillus casei
immunitas defensis
Indikationen für Probiotika (u.a.)
• Therapie und Prävention von Magen-Darm-Infektionen
• chronisch-entzündliche Darmerkrankungen
• Atemwegsinfektionen
• rheumatoide Arthritis
• Allergie, Atopie, Asthma
• Halitosis
• Depressionen
• Frühgeburtlichkeit
• Malignome
• ...
Relevante Cochrane Analysen
1. Alfaleh K, Anabrees J, Bassler D, Al-Kharfi T. 2011. Probiotics for prevention of
necrotizing enterocolitis in preterm infants. Cochrane database of systematic reviews
(Online) CD005496.
2. Johnston BC, Goldenberg JZ, Vandvik PO, Sun X, Guyatt GH. 2011. Probiotics for the
prevention of pediatric antibiotic-associated diarrhea. Cochrane database of systematic
reviews (Online) CD004827.
3. Allen SJ, Martinez EG, Gregorio GV, Dans LF. 2010. Probiotics for treating acute
infectious diarrhoea. Cochrane database of systematic reviews (Online) CD003048.
4. Bernaola Aponte G, Bada Mancilla CA, Carreazo Pariasca NY, Rojas Galarza RA.
2010. Probiotics for treating persistent diarrhoea in children. Cochrane database of
systematic reviews (Online) CD007401.
5. Boyle RJ, Bath-Hextall FJ, Leonardi-Bee J, Murrell DF, Tang ML. 2008. Probiotics for
treating eczema. Cochrane database of systematic reviews (Online) CD006135.
6. Osborn DA, Sinn JK. 2007. Probiotics in infants for prevention of allergic disease and
food hypersensitivity. Cochrane database of systematic reviews (Online) CD006475.
7. Rolfe VE, Fortun PJ, Hawkey CJ, Bath-Hextall F. 2006. Probiotics for maintenance of
remission in Crohn's disease. Cochrane database of systematic reviews (Online) CD004826.
Klare Empfehlungen für Probiotika
bei pädiatrischen Patienten
• NEC Cochrane Analyse 2011: "probiotics prevent severe NEC and all cause mortality in preterm infants" – offene Fragen !
• akute infektiöse Diarrhoe Cochrane Analyse 2010: positiver Effekt mit Verkürzung der Symptomatik von durchschnittlich 24h
• Antibiotika-assoziierte Diarrhoe positiver Effekt in Cochrane Analyse 2011: hohe Dosis (>5x107 KBE) und Verwendung von S. boullarii und L. rhamnosus
Probiotika bei Allergien und atopisches Exanthem
widersprüchliche Ergebnisse:
•Cochrane Analysen von 2007 und 2008 zeigen keine eindeutigen Effekte
•2 neue Metaanalysen:
deutliche Hetergenität (Pelucchi C, et al. 2012. Epidemiology 23:402–414.)
Effekt von Lactobacillen während der Schwangerschaft (Doege K, et al. 2011. British Journal of Nutrition 107:1–6)
Experten-Empfehlungen
Erkrankung Evidenz Probiotika
Prävention akuter Diarrhoe
(Kindern, Erwachsenen)
B LGG, L. casei, L. acidophilus, S.
boulardii
Therapie von akuter Diarrhoe A Bifidobacterien
antibiotika-assoz. Diarrhoe A S. boulardii, LGG
Helicobacter pylori C L. johnsonii
C. ulcerosa, M. Crohn C E. coli Nissle, Bifidobacterien,
Lactobacillus, S. boulardii
Reizdarmsyndrom C L. plantarum, B. infantis
Verbesserung der
Immunantwort
B L. acidophilus, L. plantarum, LGG, L.
johnsonii
Prävention von kardiovask.
Erkrankungen
C Lactobazillen in Milch und Jogurt
J Clin Gastroenterol 2006;40:275-78
Faecal-Transplantation
• "extremste" Form einer Probiotika-Behandlung
• exzellente Erfolge in kleinen Serien bei Patienten mit rezidivierender und/oder therapierefraktärer C. diff Colitis (z.B. Gough et al. Clinical Infect Dis 2011 sowie Nood E et al. N Engl
J Med 2013)
• Einzelfallberichte über Heilung bei C. ulcerose und M. Crohn
• Amsterdamer Schema: 120 g Stuhl eines gesunden Spenders in 300 ml 0,9% NaCl mit einem Haushaltsmixer fur 2-4 Minuten homogenisieren. Suspension mit einem Kaffeefilterpapier abfiltrieren und uber eine nasogastrale Sonde verabreichen.
• Spender z.B. gesunde Verwandte, vorher Stuhluntersuchung sowie Serologie z.A. Hepatitis und HIV
Zusammenfassung
• Wirksamkeit von Probiotika für einige Indikationen erwiesen
• Wirksamkeit ist präparat- und stammabhängig
• wissenschaftliche Grundlagen bisher nur ansatzweise verstanden
• zunehmende Anzahl von gut durchgeführten, kontrollierten Studien und Metaanalysen
offene Fragen
• genauer Wirkmechanismus für bestimmte Spezies und
bestimmte Indikationen
• Rolle von Viren und Helminthen hinsichtlich der
Entwicklung der normalen Immunantwort
• optimale Präparate für spezifische Indikationen
• Nebenwirkungen/Gefährdung für bestimmte Spezies und
bestimmte Patientenkollektive
• unterschiedliche Applikationsformen und Präparationen
nur unzureichend untersucht
• fehlende große klinische Studien und Metaanalysen für die
meisten empfohlenen Indikationen