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Sind Nervenzellen entstanden, um mit Darmbakterien zu kommunizieren?

Von |2020-09-08T09:21:54+02:00Juli 13th, 2020|Kategorien: Mikrobiom|Tags: , , , , , |

Wissenschaftler der Christian-Albrechts-Universität Kiel entdecken Verbindung zwischen Mikroorganismen und Nervensystem

Störungen der Darmperistaltik (Bewegung des Verdauungstrakts) sind Ursache vieler Erkrankungen und Entzündungen des Darms. Welche Rolle das Mikrobiom – die mikrobielle Zusammensetzung der Darmflora – dabei spielt und wie die Zellen des Nervensystems mit den Mikroorganismen zusammenarbeiten, wird intensiv untersucht.

Wissenschaftlern aus der der Arbeitsgruppe Zell- und Entwicklungsbiologie der Christian-Albrechts-Universität Kiel konnten anhand es Süßwasserpolypen Hydra nun zeigen, dass Neuronen eines uralten Nervensystems mit Darmbakterien „sprechen“. Als Kommunikationsmittel nutzen sie dabei Rezeptoren des Immunsystems. Aus dieser Erkenntnis formulierten die Wissenschaftler die Hypothese, dass das Nervensystem vom Anbeginn der Evolution an mit Mikroben kommuniziert.

Das Nervensystems des stammesgeschichtlich alten Süßwasserpolypen Hydra ist dem enterischen Nervensystem von Wirbeltieren, das die Funktionalität des Verdauungstraktes steuert, in seiner Wirkungsweise sehr ähnlich. Den Forschern gelang es erstmals, die für die rhythmischen Kontraktionen des Polypen verantwortlichen Zellen zu identifizieren.

Der Durchbruch gelang den Forschern um Thomas Bosch in Zusammenarbeit mit der humanmedizinischen Arbeitsgruppe um Professor Mauro D’Amato von der Monash University in Melbourne, Australien. Diese entdeckten in einer Reizdarmstudie menschliche Gene, die möglicherweise für Störungen der Darmperistaltik verantwortlich sind. Die Kieler Forscher suchten daraufhin nach entsprechenden Genen beim Süßwasserpolypen. Als sie diese überraschenderweise fanden und ausschalteten, kam es zu einem erheblichen Rückgang der rhythmischen Darmkontraktionen. Man schloss daraus, dass es sich bei diesen Neuronen um zentrale Steuereinheiten komplexer Körperfunktionen der frühen Evolution handelt.

Probiotisch mikrobielle Darmbesiedelung

Eine molekulargenetische Analyse der Nervenzellen des Polypen brachte eine weitere, überraschende Erkenntnis. „Unsere Beobachtungen weisen darauf hin, dass die Nervenzellen in der Lage sind, Mikroorganismen wahrzunehmen und auf sie zu reagieren“, erklärt Dr. Alexander Klimovich, Wissenschaftler in der Zell- und Entwicklungsbiologie und SFB 1182-Mitglied. „Dazu nutzen die Neuronen Rezeptoren, die bei anderen Tieren in Zellen des Immunsystems vorkommen“, so der Erstautor weiter. Mit Hilfe dieser Werkzeuge des Immunsystems können sie Einfluss auf Dichte und Zusammensetzung der symbiotischen Bakterien ausüben. Durch die Aktivierung von Schrittmacherzellen könnten Moleküle ausgeschüttet werden, welche über die An- oder Abwesenheit bestimmter Mikroben bestimmen.

Offensichtlich gibt es also ein stammesgeschichtlich uraltes Regelsystem, bei dem die Kommunikation zwischen Neuronen und mikrobieller Bakterienflora eine wesentliche Rolle spielt. Die Kieler Forscher konnten ihre Erkenntnisse im Nachgang auch auf die Steuerungsmechanismen von Fadenwürmern und Mäusen übertragen.

„Wir vermuten daher, dass die Kommunikation von Neuronen und Mikroben über Immunrezeptoren eine evolutionär hoch konservierte Eigenschaft darstellt“, betont Klimovich. „Möglicherweise entwickelte sich vor gut 650 Millionen Jahren bei Hydren erstmals diese Verbindung zwischen Nervensystem und Mikrobiom“.

„Womöglich müssen wir die Evolution des Immun- und Nervensystems neu denken“, so Professor Thomas Bosch, Leiter der Kieler Zell- und Entwicklungsbiologie und Sprecher des SFB 1182. „Die Untersuchungen an Hydra zeigen, dass schon die evolutionär ältesten Nervensysteme in der Natur mit Mikroorganismen interagierten. Möglicherweise war es so, dass Nervenzellen erfunden wurden, um die Kommunikation mit den für den Körper so wichtigen Mikroben überhaupt erst zu ermöglichen“.

Die Hypothese, dass das Nervensystem von Beginn an mit symbiotischen Mikroorganismen verknüpft war, eröffnet völlig neue Perspektiven in der künftigen Behandlung von menschlichen Darmerkrankungen, deren Ursache auch eine gestörte Peristaltik ist. Hierzu zählen neben dem Reizdarmsyndrom auch die Gruppe der chronisch entzündlichen Darmerkrankungen wie Morbus Crohn und Colitis ulcerosa.

Publikationen:
Alexander Klimovich, Stefania Giacomello, Åsa Björklund, Louis Faure, Marketa Kaucka, Christoph Giez, Andrea P. Murillo-Rincon, Ann-Sophie Matt, Doris Willoweit-Ohl, Gabriele Crupi, Jaime de Anda, Gerard C.L. Wong, Mauro D’Amato, Igor Adameyko, Thomas C.G. Bosch (2020): Prototypical pacemaker neurons interact with the resident microbiota PNAS First published on 09 July 2020

Mikrobiom Hydra Neuronen

Abbildung links:
Eine Neuronenpopulation in Hydras diffusem Nervennetz exprimiert Neuropeptide (in grün), die mittels spezifischer Antikörper sichtbar gemacht werden. Die Zellkerne sind in Magenta eingefärbt.
© Dr. Alexander Klimovich

Abbildung rechts:
Eine Süßwasser Hydra, © Dr. Alexander Klimovich

Fotonachweis: © Dr. Alexander Klimovich, © Christian Urban, Universität Kiel, © A.-S. Matt, Dr. Alexander Klimovich

AUTOR

Thilo Schleip

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Mikrobiom

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13. Juli 2020

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