Understanding the impact of carbohydrate availability on microbial competition in the gut

Eine vielfältige gastrointestinale Mikrobiota trägt zum Schutz unseres Körpers vor eindringenden Krankheitserregern bei, einem Phänomen, das als Kolonisationsresistenz (CR) bezeichnet wird. Diverse medizinische Interventionen, einschließlich etwa der Antibiotikabehandlung können das Gleichgewicht des Mikrobioms stören und dadurch das Wachstum von multiresistenten (MDR) Krankheitserregern wie Klebsiella pneumoniae im Darm begünstigen. Die selektive Dekolonisierung von MDR-Erregern mit geringer Auswirkung auf das Gesamt-Mikrobiom wäre ein idealer Ansatz, die langfristigen Schäden einer übermäßigen Antibiotikabehandlung bei Patienten zu vermeiden. Derzeit wird die Anwendung eben solcher probiotischen Interventionen erforscht, wobei ein tiefes Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen wie der Konkurrenz um spezifische ökologische Nischen von entscheidender Bedeutung ist, eine rationale Auswahl neuer Probiotika-Generationen zu ermöglichen. Besonders interessant ist in diesem Kontext ebenfalls die Untersuchung des Einflusses individueller Ernährungsgewohnheiten auf die Effektivität von Probiotika.

In vorherigen Studien unserer Arbeitsgruppe konnte gezeigt werden, das Klebsiella oxytoca-Stämme von gesunden menschlichen Spendern K. pneumoniae in Mausmodellen erfolgreich dekolonisieren können. Ein CRISPR-Cas9-vermitteltes Gen-Deletions-/Komplementierungstool wurde entwickelt, um den Verlust des Dekolonisierungspotentials durch K. oxytoca-Mutantenstämme zu untersuchen. Hierbei konnte gezeigt werden, dass das für den Membrantransporter kodierende Gen casA zur Dekolonisierung von K. pneumoniae beiträgt, indem es β-Glucoside als Kohlenstoffquellen im Darm von Mäusen verwertet, die Standardfutter erhalten. Da die Ernährungsgewohnheiten des Wirts die Kohlenhydratverfügbarkeit im Darm massiv beeinflussen, untersuchten wir als nächstes, die Dekolonisierungsdynamik bei Mäusen, die im Vergleich zur Standard Chow Diät mit einer von drei halbsynthetischen Diäten (fettarm, fettreich/saccharosereich, saccharosereich) gefüttert wurden. Wir konnten zeigen, dass K. oxytoca während des gesamten Experiments unter allen drei halbsynthetischen Diäten eine vergleichbare Kolonisierung aufrechterhielt, was seine Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Umgebungen verdeutlicht. Darüber hinaus reduzierte K. oxytoca die Kolonisierung von K. pneumoniae in Mäusen, die mit den verschiedenen Diäten gefüttert wurden, signifikant, obwohl sich die Dekolonisierung bei fettreicher Ernährung verzögert und die Clearance zu späteren Zeitpunkten beobachtet wird. Zusätzlich zeigte die longitudinale 16S rRNA-Gen-Amplikon-Sequenzierung ernährungsspezifische Veränderungen in der Zusammensetzung des Darmmikrobioms, einschließlich der Ausbreitung potenzieller pathobionter Taxa nach einer Antibiotikabehandlung in allen halbsynthetischen Diäten. Weiterhin konnten wir zeigen, dass die Regeneration des Mikrobioms nach einer Ampicillin-Behandlung bei einer fett- und zuckerreichen Ernährung stark verzögert und beeinträchtigt ist und von einer Enterokokkenblüte dominiert wird, die möglicherweise eine Persistenz von K. pneumoniae ermöglicht. Zusammenfassend wurden die Auswirkungen des Ernährungsverhaltens auf die Dekolonisierungsfähigkeit von K. oxytoca untersucht, um so die Wechselbeziehungen zwischen verschiedenen westlichen Ernährungsstilen und der Darmmikrobiota zu erfassen. Diese Ergebnisse liefern wertvolle Einblicke in den Mechanismus und die Kinetik der Dekolonisierung multiresistenter K. pneumoniae aus dem Darm, was einen wichtigen Schritt zur Aufklärung hinsichtlich potenzieller Auswirkungen einer probiotischen Behandlung beim Menschen darstellt.