Darmbak­terien «program­mieren» unsere Antikörper

Eine sogenannte Sekun­där­elek­tro­nen­mi­kro­skopie-Aufnahme eines Clusters von E. coli-Bakterien (Esche­richia coli), 10.000-fach vergrößert. Jedes einzelne Bakterium ist länglich geformt. Foto: Eric Erbe, digital coloriz­ation by Chris­topher Pooley, both of ARS (Agricul­tural Research Service – Forschungs­ein­richtung des Landwirt­schafts­mi­nis­terium der Verei­nigten Staaten). Lizenz: gemeinfrei (public domain)

Darmbak­terien »program­mieren« unsere Antikörper

Unsere Darmflora enthält Billionen von Bakterien, die nicht nur für unsere Verdauung, sondern auch für ein gesundes Immun­system unerlässlich sind. Forschende des Depart­ments für BioMe­dical Research (DBMR) der Univer­sität Bern und des Insel­spitals, Univer­si­täts­spital Bern konnten nun zeigen, wie diese gutar­tigen Darmbak­terien die weißen Blutkör­perchen zur Produktion von Antikörpern anregen, noch bevor diese auf schäd­liche Erreger treffen.

B‑Zellen sind weiße Blutkör­perchen, die körper­fremde Substanzen erkennen können und im Anschluss entspre­chende Antikörper produ­zieren. Diese Antikörper binden an die schäd­lichen körper­fremden Partikel (wie Viren oder krank­heits­er­re­gende Bakterien), um deren Eindringen in die Körper­zellen – und somit eine Infektion – zu verhindern.

Darmmi­kroben lösen die Anrei­cherung dieser B‑Zellpopulationen sowie die Antikör­per­pro­duktion aus. Nun konnte eine Gruppe von Forschenden um Prof. Stephanie Ganal-Vonarburg und Prof. Andrew Macph­erson vom Department for BioMe­dical Research (DBMR) der Univer­sität Bern und der Univer­si­täts­klinik für Viszerale Chirurgie und Medizin des Insel­spitals zeigen, dass die Darmbak­terien die Produktion von Antikörpern beein­flussen können, noch bevor die B‑Zellen überhaupt mit körper­fremden Erregern in Kontakt kommen. Die Ergeb­nisse ihrer Studie wurden im Journal »Nature« publiziert.

Antikör­per­pro­duktion abhängig vom Aufent­haltsort der Darmbakterien

Die Zahl der gutar­tigen Bakterien, die in unserem Darm leben, entspricht in etwa der Zahl der Zellen in unserem Körper. Meistens bleiben diese Bakterien innerhalb des Darms und dringen nicht in das Körper­gewebe ein. »Ein gewisses Eindringen in die Blutbahn ist jedoch unver­meidlich, da der Darm nur eine einzige Schicht von Zellen aufweist, die das Innere des Darmrohrs von den Blutge­fässen trennen, die wir zur Aufnahme unserer Nahrung benötigen«, erklärt Stephanie Ganal-Vonarburg. Die Forschenden verfolgten den Weg der Darmbak­terien innerhalb und ausserhalb des Darms und ihre Auswir­kungen auf die B‑Zellen.

Dafür setzte Ko-Erstautor Julien Limen­tiakis speziell entwi­ckelte Compu­ter­pro­gramme ein, um Millionen von geneti­schen Sequenzen zu verar­beiten, die das Antikör­per­re­per­toire von B‑Zellen vergleichen, je nachdem, ob die Darmbak­terien im Darm bleiben oder ob sie in den Blutkreislauf gelangen. »In beiden Fällen wird das Antikör­per­re­per­toire verändert, jedoch auf unter­schied­liche Weise – je nachdem, um welche Darmbak­terien es sich handelt und wo die Exposition erfolgt«, erklärt Andrew Macph­erson. »Dies deutet darauf hin, dass die Darmbak­terien die Entwicklung unserer Antikörper steuern, bevor wir eine ernst­hafte Infektion bekommen, und dass dieser Prozess sicherlich nicht zufällig ist.«

Prof. Dr. rer. nat. Stephanie Ganal-Vonarburg, Department for BioMe­dical Research (DBMR), Universität Bern, und Universitätsklinik für Viszerale Chirurgie und Medizin, Insel­spital, Universitätsspital Bern, Foto: zvg
Prof. Dr. med. Andrew Macph­erson, Department for BioMe­dical Research (DBMR), Universität Bern, und Universitätsklinik für Viszerale Chirurgie und Medizin, Insel­spital, Universitätsspital Bern, Foto: zvg
Immun­re­aktion im Blut anders als im Darm

In der Darmschleimhaut befinden sich andere Arten von Antikörpern als im Blutkreislauf. Mit Hilfe der leistungs­fä­higen geneti­schen Analyse zeigten die Forschenden, dass die Bandbreite der verschie­denen Antikörper, die im Darm produ­ziert werden, weitaus geringer ist als die, die im Körper außerhalb des Darms gebildet werden. »Das bedeutet, dass das Immun­system, sobald schäd­liche Bakterien in den Körper gelangen, viel mehr Möglich­keiten hat, sie zu bekämpfen, während Antikörper im Darm haupt­sächlich nur dieje­nigen schäd­lichen Bakterien binden, denen sie jeweils begegnen«, erklärt Ganal-Vonarburg.

Im Laufe ihres Lebens sehen sich Säuge­tiere einer Vielzahl unter­schied­licher Erreger gegenüber. Daher ist es wichtig zu wissen, wie sich das Antikör­per­re­per­toire anpasst, wenn es bereits durch ein bestimmtes Bakterium geformt wurde und auf einen neuen Erreger trifft. Das Forschungsteam beant­wortete diese Frage, indem es testete, was bei keimfreien Mäusen bei einer Besie­delung mit denselben Darmbak­terien in- und außerhalb des Darms sowie mit zwei verschie­denen schäd­lichen Bakte­ri­en­stämmen an derselben Stelle nachein­ander geschah. Im Darm blieb dabei die Antikör­per­re­aktion begrenzt: wenn die zweiten Bakterien auftauchen, ändern sich die Antikörper, um sich diesen anzupassen – ähnlich wie wenn in einer Tür das Schloss ausge­wechselt wird. Im Gegensatz dazu diffe­ren­ziert sich die Reaktion beim Eindringen von Bakterien in den Blutkreislauf: hier wird zum ersten Satz Antikörper ein zweiter Satz gebildet, was einem Einbau eines weiteren Schlosses entspricht, sodass die Tür mit unter­schied­lichen Schlüsseln geöffnet werden kann. »Dies zeigt, dass das Immun­system sich an verschiedene schäd­liche Bakte­ri­en­arten erinnert und die Gefahr einer Blutver­giftung vermeiden kann«, erklärt Macpherson.

Die Erkennt­nisse liefern ein besseres Verständnis unseres Immun­systems: »Wir konnten erstmals belegen, dass nicht nur die Zusam­men­setzung unserer Darmflora, sondern auch die Art und Weise, wie sie im Körper auf B‑Zellen treffen, einen unter­schied­lichen Einfluss auf deren Antikör­per­re­per­toire und die nachfol­gende Immunität gegen Krank­heits­er­reger haben«, sagt Ko-Erstautor Hai Li.

Origi­nal­pu­bli­kation:

Hai Li, Julien P. Limeni­takis, Victor Greiff, Bahtiyar Yilmaz, Olivier Schären, Camilla Urbaniak, Mirjam Zünd, Melissa A. E. Lawson, Ian D. Young, Sandra Rupp, Mathias Heiken­wälder, Kathy D. McCoy, Siegfried Hapfel­meier, Stephanie C. Ganal-Vonarburg & Andrew J. Macph­erson: Mucosal or systemic micro­biota exposures shape the B cell reper­toire, Nature, 5 August 2020, https://doi.org/10.1038/s41586-020‑2564‑6

Textquelle: Nathalie Matter, Univer­sität Bern

Bildquelle: (oben) Eine sogenannte Sekun­där­elek­tro­nen­mi­kro­skopie-Aufnahme eines Clusters von E. coli-Bakterien (Esche­richia coli), 10.000-fach vergrößert. Jedes einzelne Bakterium ist länglich geformt. Foto: Eric Erbe, digital coloriz­ation by Chris­topher Pooley, both of ARS (Agricul­tural Research Service – Forschungs­ein­richtung des Landwirt­schafts­mi­nis­terium der Verei­nigten Staaten). Lizenz: gemeinfrei (public domain)

Bildquelle: (unten links) Prof. Dr. rer. nat. Stephanie Ganal-Vonarburg, Department for BioMe­dical Research (DBMR), Universität Bern, und Universitätsklinik für Viszerale Chirurgie und Medizin, Insel­spital, Universitätsspital Bern, Foto: zvg

Bildquelle: (unten rechts) Prof. Dr. med. Andrew Macph­erson, Department for BioMe­dical Research (DBMR), Universität Bern, und Universitätsklinik für Viszerale Chirurgie und Medizin, Insel­spital, Universitätsspital Bern, Foto: zvg