Forscher entwickeln Instrument zur Messung der Gesundheit des Darmmikrobioms

Ein Forscherteam der Mayo Clinic hat ein innovatives Computerprogramm entwickelt, das das Darmmikrobiom, ein komplexes Ökosystem aus Billionen von Bakterien, Pilzen, Viren und anderen Mikroorganismen im Verdauungssystem, analysiert, um Erkenntnisse über das allgemeine Wohlbefinden zu gewinnen. In einer neuen Studie, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, zeigte das Tool eine Genauigkeit von mindestens 80% bei der Unterscheidung zwischen gesunden und kranken Personen. Das Tool wurde durch die Analyse von Stuhlprofilen des Darmmikrobioms von mehr als 8.000 Proben entwickelt, die verschiedene Krankheiten, geografische Regionen und demografische Gruppen repräsentieren.

Vielfältiges Darmmikrobiom

Die Darmmikrobiota enthält eine große Anzahl von Mikroorganismen aus allen drei Lebensbereichen, darunter Bakterien, Archaeen und Pilze sowie Viren. Diese interagieren auf komplexe Weise und tragen sowohl zur Gesundheit als auch zur Entstehung von Krankheiten bei. Die Mikroorganismen, die den Darm bewohnen, lassen sich grob in Prokaryonten (Bakterien und Archaeen), Bakteriophagen (Viren, die Prokaryonten infizieren), eukaryotische Viren und die Meiofauna (mikroskopisch kleine benthische Wirbellose, die sowohl im Meer als auch im Süßwasser leben – in erster Linie Pilze und Protozoen) unterteilen. Von diesen sind die Bakterien am umfassendsten untersucht worden. Der Magen-Darm-Trakt gilt heute als eines der komplexesten mikrobiellen Ökosysteme der Erde, und das Verständnis des Zusammenspiels der verschiedenen Gemeinschaften stellt sowohl eine Chance als auch eine Herausforderung dar.

Neues Instrument soll als proaktiver Gesundheitsindikator dienen

Das neu entwickelte Instrument mit der Bezeichnung Gut Microbiome Wellness Index 2 könnte selbst subtile Veränderungen in der Darmgesundheit aufspüren und erkennen, ob sich eine Person einer Krankheit nähert oder von ihr erholt. Die Forscher setzten Bioinformatik und Methoden des maschinellen Lernens ein, um die Profile des Darmmikrobioms in Stuhlproben zu analysieren, die aus 54 veröffentlichten Studien aus 26 Ländern und sechs Kontinenten stammten. Dieser Ansatz führte zu einem vielfältigen und umfassenden Datensatz. Diese Fähigkeit ist eine Antwort auf die seit langem bestehenden Herausforderungen in der Erforschung des menschlichen Mikrobioms, einschließlich der Definition eines „gesunden“ Mikrobioms und der Ermittlung von Frühindikatoren für potenzielle Gesundheitsprobleme. Außerdem wird damit eine erhebliche Lücke in den bestehenden Messinstrumenten für Gesundheit und Wohlbefinden geschlossen.

Das Darmmikrobiom spielt eine entscheidende Rolle bei der Verdauung, dem Stoffwechsel und der Immunfunktion, und Forscher haben festgestellt, dass ein Ungleichgewicht im Darmmikrobiom mit verschiedenen chronischen Krankheiten in Verbindung gebracht werden kann. „Endlich haben wir einen standardisierten Index, mit dem wir quantitativ messen können, wie ‚gesund‘ das Darmmikrobiom einer Person ist“, sagt Dr. Jaeyun Sung, leitender Autor und Computerbiologe am Microbiomics Program des Mayo Clinic Center for Individualized Medicine.

Dieses Instrument ist nicht dazu gedacht, bestimmte Krankheiten zu diagnostizieren, sondern soll vielmehr als proaktiver Gesundheitsindikator dienen. Indem es nachteilige Veränderungen der Darmgesundheit identifiziert, bevor ernsthafte Symptome auftreten, könnte das Tool laut Jaeyun Sung möglicherweise über Ernährungs- oder Lebensstiländerungen informieren, um zu verhindern, dass sich leichte Probleme zu schwereren Gesundheitszuständen ausweiten, oder weitere diagnostische Tests veranlassen. Indem die Forscher in der Lage sind, zu beantworten, ob der Darm einer Person gesund ist oder zu einem kranken Zustand tendiert, wollen sie letztlich den Einzelnen in die Lage versetzen, proaktive Schritte zum Management seiner eigenen Gesundheit zu unternehmen.

Veränderungen der Darmgesundheit erkennen

Der Entwicklungsprozess des Tools umfasste die Identifizierung von Mikrobenarten, die sorgfältige Auswahl der wichtigsten Merkmale und die Optimierung des maschinellen Lernmodells. Das Endergebnis ist ein Index, der eine Darmmikrobiomprobe untersucht und quantifiziert, inwieweit sie einem gesunden (krankheitsfreien) oder nicht gesunden (kranken) Individuum ähnelt. Das Studienteam testete den Index zunächst an einem Trainingssatz von mehr als 8.000 Mikrobiomproben und validierte seine Arbeit dann an einer neuen Kohorte von 1.140 Proben. Das Team testete sein Instrument auch in verschiedenen klinischen Szenarien, darunter bei Menschen, die sich einer fäkalen Mikrobiota-Transplantation unterzogen hatten, sowie bei Menschen, die ihre Ballaststoffzufuhr änderten oder mit Antibiotika behandelt wurden, um zu zeigen, dass es in der Lage ist, Veränderungen der Darmgesundheit zu erkennen.

Der Darm-Mikrobiom-Wellness-Index 2 baut auf dem ursprünglichen Instrument des Teams auf, indem er eine größere Bandbreite an Daten einbezieht und verfeinerte Berechnungsmethoden verwendet. Das Team hofft, dass diese neue Version die Präzision bei der Bewertung der Darmgesundheit und der Überwachung von Veränderungen im Darmmikrobiom erhöht. Dr. Sung und sein Team planen, den Darm-Mikrobiom-Gesundheits-Index 2 weiterzuentwickeln, indem sie den Datensatz erweitern, um ein breiteres Spektrum an Mikrobiomproben aus verschiedenen Bevölkerungsgruppen einzubeziehen, und indem sie fortschrittlichere Techniken der künstlichen Intelligenz hinzufügen, um die Vorhersagegenauigkeit und Anpassungsfähigkeit des Instruments zu verbessern.