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04.10.2015
Kategorie: Life Sciences

HZI-Forscher legten neue Erkenntnisse über Parodontitis vor

Das Verhalten von Bakterien im Mikrobiom der Zahntaschen spielt eine zentrale Rolle

(Braunschweig, 29.08.2015) Parodontitis, eine bakteriell bedingte Entzündung, wird durch einen Biofilm in den Zahntaschen ausgelöst, der sich aus mehreren hundert Bakterienarten zusammensetzt. Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig haben jetzt rund zehn Millionen aktive Gene von Bakterien aus Zahntaschen analysiert, um herauszufinden, wie diese Bakterien zusammenarbeiten. Die Untersuchung hat unter anderem Hinweise darauf gegeben, dass es nicht ausreichen dürfte, die Leitkeime der Infektion auszuschalten, um die Krankheit zu besiegen. Auch konnten Biomarker für Parodontitis gefunden werden, die in Zukunft eine frühzeitigere Behandlung ermöglichen könnten. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in dem neuen Open-Access-Nature Online-Journal „Biofilms and Microbiomes“.

Parodontitis, eine Entzündung des Zahnhalteapparates, die mit Knochenabbau einhergeht, ist die am weitesten verbreitete Infektionskrankheit auf der Welt. Etwa zehn Prozent aller Menschen sind davon betroffen, ab einem Alter von etwa 40 Jahren sind es sogar fünfzig Prozent. Im Endstadium führt die Parodontitis zu Zahnverlust und erhöht zudem das Risiko für Herzschlag, Rheuma, Fehlgeburt, Autoimmunkrankheiten und andere systemische Krankheiten. Forscher arbeiten deshalb weltweit daran, die genauen Ursachen der Parodontitis zu erforschen und neben der Prophylaxe wirksame Therapieansätze zu entwickeln.

Während alle menschlichen Körperzellen nur 20 000 bis 30 000 Gene besitzen, enthalten sämtliche Bakterien in allen menschlichen Mikrobiomen (Darm, Haut, Nase, Mund, Rachen, Vagina) fünf bis acht Millionen unterschiedliche Gene. Hierbei ist die Vielfalt der Mikroben im Mund und im Darm am größten.

Bei der Entstehung von Parodontitis ist das Mikrobiom -- der Lebensraum von Mikroorganismen -- im Mund und insbesondere in den Zahntaschen von Bedeutung. Die Besiedlung und das Gleichgewicht (Normalflora) sind für das Mikrobiom typisch. Wenn sich bei der Besiedelung der typischen Normalflora das Gleichgewicht verschiebt, kann dies dazu führen, dass ein Lebewesen erkrankt.

Um genau zu verstehen, wie eine Parodontitis entsteht, haben die Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig die Aktivität des Biofilms analysiert, der die Krankheit verursacht. „Bei den Mikroorganismen handelt es sich sowohl um gut untersuchte Pathogene, als auch um solche, die bisher als Begleitflora betrachtet wurden und als harmlos galten“, sagt Professor Irene Wagner-Döbler, Leiterin der Arbeitsgruppe Mikrobielle Kommunikation am HZI.
Wagner-Döbler und ihre Kollegen führten eine sogenannte Metatranskriptionsanalyse durch. Dabei sequenziert man nicht die Erbinformation (DNA-Sequenzierung), sondern die Messenger-RNA, also die Arbeitskopien der Gene, und zwar die Kopien sämtlicher aktiven Gene aller Bakterienarten der Periodontaltasche. Diese rund zehn Millionen aktiven Gene wurden anschließend mit bioinformatischen Methoden analysiert. „Entscheidend war dabei, dass wir die Genexpression in Bakteriengemeinschaften von Menschen mit Parodontitis mit derjenigen von gesunden Probanden verglichen haben“, sagt Wagner-Döbler.

Dadurch konnten die Wissenschaftler zeigen, dass ein typischer Bewohner der Zahntasche, das Bakterium Prevotella nigrescens, seine Rolle verändert, je nachdem ob eine Paradontitis vorliegt oder nicht. „Sobald eine Parodontitis vorliegt, verwandelt sich das normalerweise harmlose P. nigrescens in ein sogenanntes „accessory pathogen“ und greift den Wirt an, genau wie die bereits bekannten Pathogene“, sagt Wagner-Döbler. Die Erkrankung wird dadurch weiter verschlimmert und lässt sich schwerer bekämpfen. „Ging man bisher davon aus, dass man nur die Leitkeime der Infektion ausschalten muss, um die Krankheit zu besiegen, so deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass das nicht ausreichend sein wird“, sagt Wagner-Döbler.

Nach der Entnahme der Probe aus der Zahntasche wurde eine Illumina-Sequenzierung (Mitte oben) vorgenommen. Darunter sehen Sie ein Treponema, einer der gefährlichsten Erreger in der Zahntasche. Im Bild rechts sind die metabolischen Netzwerke dargestellt, die aus dem Metatranskriptom teilweise rekonstruiert werden konnten. (@HZI/Wagner-Döbler)

Eine weitere neue Erkenntnis betrifft die Rolle des oralen Bakteriums Fusobacterium nucleatum, das häufig in Zahntaschen vorkommt. Man hatte vermutet, dass F. nucleatum in einer entzündeten Zahntasche giftige Buttersäure produziert und dadurch zur Parodontitis beiträgt. Die Analyse der Genexpression zeigte aber, dass F. nucleatum immer Buttersäure produziert, bei Gesunden ebenso wie bei Kranken. Bei Kranken tragen allerdings noch eine Reihe anderer Bakterienarten zur Butyratproduktion bei und diese Bakterienart nutzt noch weitere biochemische Stoffwechselwege dafür. „Auch an diesem wichtigen Prozess sind unseren Ergebnissen zufolge gleich eine ganze Reihe von Bakterien beteiligt, die bisher nicht damit in Verbindung standen“, sagt Wagner-Döbler.

Darüber hinaus gelang es den Forschern, Biomarker für Parodontitis zu identifizieren. Biomarker sind charakteristische biologische Merkmale, die objektiv gemessen werden können und auf einen normalen oder krankhaften Prozess im Körper hinweisen. „Wir haben drei Gene gefunden, die regelmäßig eine besonders hohe Genexpression zeigten, wenn Patienten an Parodontitis erkrankt waren“, sagt Wagner-Döbler. Diese drei Biomarker könnten nun in einer großen Patienten-Kohorte validiert werden und im Endeffekt ermöglichen, Parodontitis in einem frühen Stadium zu diagnostizieren, so dass eine Therapie sehr viel erfolgreicher wird. Die Forscher haben also zu einem grundsätzlich neuen Verständnis einer polymikrobiellen Biofilmerkrankung beigetragen und einen wesentlichen Schritt hin zu einer früheren Diagnose gemacht. (Quellen: Susanne Thiele/HZI, MFM)

Originalpublikation:
Szafrański , Szymon P.; Deng, Zhi-Luo: Tomasch, Jürgen; Jarek, Michael; Bhuju, Sabin; Meisinger, Christa; Kühnisch, Jan; Sztajer, Helena; Wagner-Döbler, Irene: Functional biomarkers for chronic periodontitis and insights into the roles of Prevotella nigrescens and Fusobacterium nucleatum; a metatranscriptome Analysis. In: Biofilm and Microbiomes. 2015 Sep 23. 1:15017. DOI 10.1038/npjbiofilms.2015.17, http://www.nature.com/articles/npjbiofilms201517

Kontakt:

Prof. Dr. Irene Wagner-Döbler
Leiterin der Arbeitsgruppe Mikrobielle Kommunikation
Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung
Inhoffenstraße 7, 38124 Braunschweig
Tel. 0531 6181-3080, Fax 0531 6181-3096
eMail: info@remove-this.helmholtz-hzi.de
http://www.helmholtz-hzi.de/de/service/kontakt/person/irene_wagner_doebler/
Internet: http://www.helmholtz-hzi.de/de/forschung/forschungsschwerpunkte/bakterielle_und_virale_krankheitserreger/mikrobielle_kommunikation/i_wagner_doebler/
http://www.helmholtz-hzi.de



Ergänzende Information:

2012 hatten Wissenschaftler der Universitäten Münster und Bielefeld in einer Studie darauf aufmerksam gemacht, dass es nicht ausreicht, nur einige wenige Bakterienarten zu untersuchen, um die Wirksamkeit einer konventionellen Parodontitis-Behandlung zu bestimmen. Vielmehr müsse die Gesamtheit aller Mikroorganismen im Mund betrachtet werden. Die Forscher hatten damals das Erbgut aller im Mund vorkommenden Organismen mittels einer DNA-Sequenzierung erfasst, bei der bestimmte DNA-Fragmente – "Amplikons der ribosomalen DNA" – untersucht werden. Ziel der Studie war es, herauszufinden, wie die Bakteriengemeinschaft auf die konventionelle Parodontitis- Behandlung reagiert.


Originalpublikation:
Jünemann, Sebastian; Prior, Karola; Szczepanowski, Rafael; Harks, Inga; Ehmke, Benjamin; Goesmann, Alexander; Stoye, Jens; Harmsen, Dag:  Bacterial Community Shift in Treated Periodontitis Patients Revealed by Ion Torrent 16S rRNA Gene Amplicon Sequencing. In: PLoS One 7(8): e41606, Published: August 1, 2012, DOI: 10.1371/journal.pone.0041606, http://dx.plos.org/10.1371/journal.pone.0041606

Kontakt:
Prof. Dr. Dag Harmsen
Poliklinik für Parodontologie
Medizinische Fakultät der Universität Münster
Medizinische Fakultät Münster
Poliklinik für Parodontologie
Universitätsklinikum Münster
Waldeyerstr. 30, 48149 Münster
Tel. 0251-83-52263, Fax: 0251-83-55004
eMail: dekanmed(at)­ukmuenster(dot)­de
Internet: http://paro.klinikum.uni-muenster.de