Die Bestimmung des gesamten genetischen Materials einer Probe gibt Aufschluss darüber, von welchen Organsimen das Material stammt und auch welche Gene darin codiert sind. Die Gene, die in einer Probe enthalten sind, ermöglichen dann Rückschlüsse auf die Prozesse, die von der Mikrobiota durchgeführt werden.

Die Bakteriellen Komponenten einer Probe können durch eine Analyse von variablen Regionen des 16S rRNA Gens identifiziert und quantifiziert werden. Weitere Informationen aus dem genetischen Material wird für solch eine kompositionelle Analyse nicht benötigt.

Im Gegensatz dazu können mit Hilfe von Shotgun Metagenom Analysen, also der Untersuchung des gesamten genetischen Materials, alle Mikroorganismen, nicht nur Bakterien, einer Mikrobiota bestimmt werden. Zusätzlich zu den kompositionellen Informationen die man bei dieser Untersuchung erhält, können auch Erkenntnisse über die Funktionen der Mikroorganismen gewonnen werden. Diese Funktionellen Analysen eigenen sich um Aufschluss über Prozesse innerhalb der Mikrobiota zu bekommen.

Nach Probeneingang und Qualitätskontrolle wird zunächst die gesamte DNA aus einer Probe isoliert. Diese wird dann anwendungsspezifisch für die Sequenzierung vorbereitet. Die Sequenzierung erfolgt mit modernen Hoch-Durchsatz-Methoden. Die Datenauswertung erfolgt je nach Fragestellung nur auf kompositioneller oder zusätzlich auf funktioneller Ebene.

Fallbeispiele

Neue Möglichkeiten in der Diagnostik

Ein 14 jähriger Patient wird zum 3. Mal innerhalb kurzer Zeit mit Fieber, Kopfschmerzen, allgemeiner Schwäche, Muskelschmerzen und Übelkeit ins Krankenhaus eingeliefert. Standarduntersuchungen auf Infektionskrankheiten waren negativ, selbst eine Gehirnbiopsie konnte keinen Aufschluss über die Ursache der Krankheit geben. Trotz Behandlungsversuche auf Grund bekannter Vorerkrankungen ging es dem Patienten zunehmend schlechter bis er schließlich in ein künstliches Koma gelegt werden musste. Mit Hilfe einer metagenomischen Analyse von Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit konnten Leptospiren identifiziert und eine intravenöse Antibiotikabehandlung gestartet werden, woraufhin sich der Zustand des Patienten stetig besserte und der Patient schließlich geheilt wurde. (Wilson et al. 2014 N Engl J Med)

Ein Mukoviszidose Patient wurde routinemäßig auf Infektionen der Atemwege untersucht. Die kulturbasierte Standardmethode zeigt keine Hinweise auf Infektionen. Die Probe wurde gleichzeitig einer Mikrobiom-Analyse unterzogen. Dadurch konnte Pseudomonas aeruginosa detektiert und frühzeitig eine gezielte Antibiotika‑Behandlung eingeleitet werden, wodurch verhindert werden. So wurde verhindert, dass die Infektion chronisch wird.

Metagenom-Analysen bieten neue Diagnose-Möglichkeiten. So wird die Auswahl einer geeigneten Therapie möglich, mit der ein schwer kranker Patient geheilt oder einer Verschlechterung des Zustandes vorgebeugt werden kann.

Bestimmung von Therapiemöglichkeiten bei Typ 2 Diabetes und Darmentzündungen

Bei einigen Personen mit Typ 2 Diabetes fehlen Bakterien, die die Barriere-Funktion des Darms unterstützen. Ist der Darm und damit die Barriere zwischen Darminhalt und dem Rest des Körpers nicht mehr intakt, können vermehrt Substanzen aus dem Darm in den Körper eindringen und eine Immunreaktion auslösen, die als ein Teil von Type 2 Diabetes beschrieben ist. Eine Mikrobiom-Analyse einer Stuhlprobe eines Typ 2 Diabetes Patienten gibt Aufschluss darüber, ob den Körper unterstützende Bakterien wie Bifidobakterien oder Faecalibaterium prausnitzii fehlen. Falls dieder Fall ist, können sie durch Umstellung der Ernährung und Probiotika gezielt unterstützt werden. Dadurch wird die Sensitivität gegenüber Insulin verbessert und der Blutzuckerspiegel gesenkt.

Ein Patient mit chronischer Darmentzündung spricht nicht mehr auf seine Medikamente an. Durch Untersuchung des Darmmikrobioms konnte eine Clostridium difficile Infektion (löst starke Durchfälle aus und kann Lebensbedrohlich werden) ausgeschlossen jedoch eine Abweichung vom Mikrobiom eines Gesunden detektiert werden (geringere Mengen an anti-inflammatorischen Bakterien). Das Einhalten einer speziell für ihn konzipierten Diät (u.a. verringern des Gehalts an Fett, Laktose, Kohlenhydrate und Ballaststoffe) änderte die Zusammensetzung des Mikrobioms und verbesserte die Symptomatik. Die Medikamente, die vor und während der Diät eingenommen wurden, konnten reduziert werden.

Überwachung des Therapieerfolgs

Eine Patientin wurde aufgrund einer Infektion des Kieferknochens über mehrere Monate mit Antibiotika behandelt. Durch die Behandlung kam es zu Durchfällen. Untersuchungen des Darm-Mikrobioms konnten eine Infektion mit Clostridium difficile nachweisen wobei gleichzeitig Infektionen mit anderen Durchfallerregern wie Salmonellen und enteropathogenen E. coli ausgeschlossen wurden. Die C. difficile Infektion wurde entsprechend dem Standardvorgehen mit Antibiotika behandelt, konnte jedoch nicht geheilt werden. Nach dem 6. Rückfall, wurde eine Stuhltransplantation durchgeführt. Anschließend wurden keine weiteren Symptome beobachtet. Das intestinale Mikrobiom wurde über mehrere Jahre nach der Transplantation mittels Metagenom-Analysen überwacht. Es kam zu keiner weiteren C. difficile Infektion. (Broecker et al. 2013 Digestion)