PolyFermS System

Aline Schneider, Doktorandin im Labor für Lebensmittelbiotechnologie an der ETH Zürich

Wir sind nicht allein – ein Blick in unseren Darm

Publiziert

Der zusammenfassende Artikel basiert auf der mit dem «SGLWT Preis 2020»ausgezeichnete ETH-Master Thesis der Autorin. Der Titel der Originalarbeit lautet: «Designing and producing micro(be)-beads as smart building blocks for gut microbial biotherapeutic production».

Der Mensch dient als Wirt für Billionen von verschiedenen Mikroorganismen. Bakterien, Viren, Pilze und Archaeen besiedeln verschiedene Stellen unseres Körpers. Ein besonders eindrückliches Beispiel stellt der Darm dar. Unser Darm beherbergt Mikroorganismen von mehr als 1000 verschiedenen Spezies. Das enorme und komplexe Netzwerk, welches diese Mikroorganismen bilden, wird als Darmmikrobiom bezeichnet.

Vielfacher Nutzen für den Mensch
Durch die Vielfalt an verschiedenen Spezies verfügt das Darmmikrobiom über eine enorme funktionelle Kapazität, welche eine wichtige Rolle für den menschlichen Wirt spielt. Darmbakterien sind in der Lage, für Menschen unverdauliche Nahrungspartikel, wie zum Beispiel Ballaststoffe, zu verstoffwechseln. Somit tragen Bakterien ca. 10% zu unserem Energiebedarf bei. In anaeroben Fermentationsprozessen werden langkettige Kohlenhydrate in verschiedene, absorbierbare Metaboliten umgewandelt. Die wichtigsten Endprodukte der Fermentationsprozesse sind die kurzkettigen Fettsäuren Acetat, Propionat und Butyrat, welche gesundheitsfördernde Eigenschaften zeigen. Butyrate dient zum Beispiel als Energiequelle für unsere Darmepithelzellen, deren Integrität wichtig für eine intakte Darmwand ist. Weiter können Bakterien essenzielle Vitamine synthetisieren, tragen zur Immunfunktion bei und schützen uns von einer Invasion durch pathogene Organismen.

Dysbiose – wenn der Darm das Gleichgewicht verliert
Wenn das Gleichgewicht des Darmmikrobioms beeinträchtigt wird, kann dies zu negativen Gesundheitseffekten führen. In einem solchen Fall spricht man von einer Dysbiose. Dysbiosen wurden im Zusammenhang mit verschiedenen Krankheiten wie zum Beispiel Morbus Crohn, Colitis ulcerosa, Darmkrebs sowie Diabetes und Fettleibigkeit beobachtet. Die genauen Zusammenhänge sind jedoch noch unklar. Methoden, um Dysbiosen zu mildern oder präventiv zu verhindern werden intensiv erforscht. Prominente Beispiele solcher Methoden sind Probiotika und Präbiotika, welche jedoch nur limitiert Resultate zeigen. Bessere Resultate konnten mit Stuhltransplantationen erzielt werden. Diese erwiesen sich als effektiv gegen Clostridium difficile Infektionen. Bei solchen Eingriffen ist jedoch Vorsicht geboten, da eine undefinierte, komplexe, mikrobielle Zusammensetzung transplantiert wird, was durchaus auch Risiken mit sich bringt. Das Beispiel zeigt jedoch, dass Interventionen zur Bekämpfung von Dysbiosen erfolgreich sein können. Um gezielte, sichere und effiziente Interventionsstrategien entwickeln zu können, müssen wir die einzigartige Welt der Mikroben in unserem Darm besser verstehen.

Anspruchsvolle Forschungs-Analytik
Das Darmmikrobiom zu untersuchen, bringt einige Herausforderungen mit sich. Zum einen sind diese durch physiologische Aspekte gegeben. Mikroorganismen leben im Darm in einer anaeroben Umgebung. Zusätzlich variieren Mikrobiome von verschiedenen Menschen in ihrer Zusammensetzung. Trotzdem ist ein funktionaler Konsens gegeben, was bedeutet, dass verschiedene Spezies ähnliche Aufgaben übernehmen können. Interindividuelle Variationen müssen auch bei der Entwicklung von Interventions-Strategien berücksichtigt werden. Molekulare Analysemethoden geben einen tiefen Einblick in die Diversität des Darmmikrobioms. Solche Analysen haben offenbart, dass nur ein Bruchteil der Darmbakterien-Spezies erfolgreich im Labor isoliert und kultiviert werden können. Dafür ist unter anderem die Komplexität und Interaktivität der Mikroben verantwortlich. Die enge Kooperation verschiedener Bakterien erschwert es, die optimalen Wachstumsbedingungen einzelner Spezies zu eruieren. Deshalb ist es von Bedeutung, Mikrobiome als ganze Systeme zu untersuchen.

Fermentationsmodell als Lösungsweg
Ein Ansatz, um das Darmmikrobiom im Labor zu erforschen, ist die Verwendung von In-vitro-Fermentationsmodellen. Diese bieten den Vorteil, dass mikrobielle Netzwerke unabhängig von körperlichen Einflussfaktoren analysiert werden können. Ein solches Modell ist das an der ETH entwickelte PolyFermS System. Das PolyFermS System besteht aus mehreren Reaktoren, welche von einem Inokulum-Reaktor kontinuierlich beimpft werden. Der Inokulum-Reaktor enthält das ursprüngliche Mikrobiom, welches aus einer Stuhlprobe extrahiert wird. Die extrahierten Mikroorganismen werden in einer Polymermatrix immobilisiert. Aus dem Polymer-Mikrobiom-Gemisch werden durch ein Emulsionsprozess kleine Gel-Beads hergestellt, welche schlussendlich als Inokulum dienen. Im Reaktor wachsen die Mikroorganismen an der Oberfläche der Beads und diffundieren schlussendlich kontinuierlich in die Flüssigphase. Immobilisierungstechnologien wurden umfänglich für die Anwendung in der Milchtechnologie erforscht, um Starterkulturen für die Jogurt- oder Käseherstellung zu produzieren. Immobilisierte Zell-Fermentationen resultieren in stabile und ertragreiche Vermehrungen von Milchsäure- und Bifidobakterien. Diese Erkenntnisse konnten auch für die Fermentation von komplexen Mikrobiomen bestätigt werden. Durch ein Verteilersystem können parallel mehrere Reaktoren an den Inokulum-Reaktor angeschlossen werden. Somit eignet sich das System, um Auswirkungen verschiedener Einflussfaktoren auf das Darmmikrobiom anhand einer Probe zu untersuchen, was die technische Replikation der Versuche erlaubt. Beispielsweise wird das Modell verwendet, um den Effekt von verschiedenen Nahrungsfasern auf das Mikrobiom zu testen, um zu eruieren, welche Fasern sich als Präbiotika eignen und somit einen positiven Effekt hervorrufen. Gewonnene Erkenntnisse sind wichtig, um Dysbiosen zu verstehen, aber auch Einblicke zu erhalten, welche Faktoren berücksichtigt werden müssen, um definierte und effiziente Interventions-Strategien zu entwickeln.

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Bezugsquellenverzeichnis