CAMPUS INNENSTADT

KINDERKLINIK UND KINDERPOLIKLINIK

IM DR. V. HAUNERSCHEN KINDERSPITAL

PROBIOTIKA: WISSENSCHAFTLICHE

GRUNDLAGEN UND KLINISCHER NUTZEN

Prof. Dr. med. Johannes Hübner Abteilung für Pädiatrische Infektiologie

v. Hauner´sche Kinderklinik, Ludwigs-Maximilian Universität München

Huebner J, Franz C, Kopp M. 2008. Dtsch. Med. Wochenschr. 133:367–369.

Probiotika

• wissenschaftliche Begründung durch Ilya Ilyich

Mechnikov (Nobelpreis Medizin 1908 mit Paul

Ehrlich)

• „lebensfähige Mikroorganismen, die einen

gesundheitsfördernden Einfluss auf den Wirt

haben“

• Präbiotika: unverdauliche Kohlenhydrate

(Ballaststoffe) als selektive Nahrungsgrundlage

für einzelne Darmbakterien-Spezies zur gezielten

Modifikation der Darmflora

Charakteristika bakterieller

Ökosysteme

• große Anzahl unterschiedlicher Spezies

• hohe Keimzahlen

• charakteristische Zusammensetzung der Flora

• Interdependenz der unterschiedlichen Bakterien

• qualitative und quantitative Stabilität der Florabestandteile

Gastrointestinale Bakterienflora

• ~ 1012 lebende Bakterien pro Gramm Stuhl (Dickdarm)

• eine Schicht Epithelzellen trennt Darmlumen von Lymph- bzw. Blutbahn

• die Anzahl von Bakterien im menschlichen Darm beträgt 1014

• Magendarm-Flora besteht aus 400-500 verschiedenen Spezies

• immense metabolische Fähigkeit der Darmflora

Metagenomics

Jeffrey Gordon, Washington

University, St. Louis

Kulturunabhängige Analyse der Zusammensetzung und

dynamischer Wechselwirkung von Bakterienkollektiven

auf verschiedenen Ebenen:

•DNA - Microbiome

•RNA – (Meta)-Transcriptome

•metabolische Netzwerke – Metabolome

Kulturunabhängige Studien zur

Magen-Darm-Trakt Ökologie

• Vielzahl unkultivierter/unkultivierbarer Bakterien

• hohe Wirtsspezifität

• Einfluss des Wirts-Genotyps

• hochgradige Stabilität in gesunden Individuen

• Beeinflussung durch Magen-Darm-Erkrankungen

und durch Antibiotikagabe

• Abhängig von Ernährung

• keine dauerhafte Veränderung durch Pro- und

Präbiotika

• Veränderung mit Lebensalter

• kein komplexes bakterielles Ökosystem ist

bisher komplett analysiert worden

• ca. 95-99% der Kolonflora ist obligat

anaerob

• viele Spezies sind nicht kultivierbar

• Unterschiede luminaler vs. wandständiger

Flora

• Bedeutung antimikrobieller Peptide,

sezerniert durch z.B. Paneth-Zellen

Erforschung des gastrointestinalen

Ökosystems

„Diversity of the Human

Intestinal Microbial Flora“

• 3 gesunden Versuchspersonen

• Stuhlproben und Schleimhautgewebe von

6 Etagen (Zoekum, Kolon aszendens, K.

transversum, K. descendens, Sigmoid und

Rektum)

• DNA Isolierung, PCR Amplifikation und

Analyse von 16S rDNA

Science 308:1635-38;2005

• 395 Bakterien-Phyla

• 1 Archeae Phylus

• 62% neue Bakterien-Sequenzen

• 80% bisher nicht kultiviert

• hauptsächlich gram-positive Bakterien (61% Clostridien) und Bacteroides spp., nur ca. 0,1% Proteobacteria

• 3 neue Abstammungslinien (zwischen Cyanobakterien und Chloroplasten)

Science 308:1635-38;2005

„Diversity of the Human Intestinal

Microbial Flora“

Unser “Microbiom” enthält 100

mal mehr Gene, als unser Genom

Menschen sind Superorganismen,

deren Metabolismus eine

Verschmelzung mikrobieller und

humaner Leistungen darstellt

Gill et al., Science 312:1355-1359;2006

Aufgaben der physiologischen

Darmflora

• Vitamin Produktion (z.B. Vitamin K)

• Abbau von Nahrungsmittelbestandteilen

• Kolonisationsresistenz

• Regulation der intestinalen

Epithelentwicklung und Angiogenese

• Regulierung der Fettspeicherung

• Entwicklung der angeborenen und adaptiven

Immunabwehr

Entwicklung der angeborenen

Immunabwehr

• keimfrei gezüchtete Mäuse entwickeln kein voll funktionsfähiges Immunsystem: – systemische T-Zell-Defizienz

– TH1/TH2 Imbalanzen

– gestörte lymphoide Organogenese

• zur “Reifung” des Immunsystems sind spezielle immunmodulatorische Moleküle der symbiotischen Darmbakterien notwendig

Mazmanian et al., Cell 122:107-118;2005

„Hygiene Hypothese“

• verminderte Exposition gegenüber infektiösen

Mikroorganismen im frühen Lebensalter führt zu

vermehrten Allergien (Strachan BMJ 1989)

• Zunahme der Atopie-Inzidenz in Industrienationen,

nicht aber in Entwicklungsländern

• Atopiker und Nicht-Atopiker haben

unterschiedliche Zusammensetzung der Darmflora

• Atopiker und keimfreie Mäuse haben ein TH2-

Zytokin-Profil

The Human Microbiome Project

• 247 gesunde Versuchspersonen, männlich und

weiblich

• mikrobiologische Materialien an 15 (männl.) bzw.

18 (weibl.) Körperstellen

– Haut, Nase, Mundhöhle, Rachen, Vagina und Faeces

• Pilotstudien:

– Haut (Psoriasis), Magen-Darmtrakt (Crohn/CU) und

Urogenitaltrakt (bakt. Vaginose)

Nature 486:215–221;2012

• Jedes Habitat ist durch eine relative kleine Anzahl von hoch-

redundanten "Signatur-Taxa" gekennzeichnet

• Das Vorkommen dieser Taxa und der entsprechenden Gene

variiert stark zwischen einzelnen Individuen

• Metabolische Stoffwechselwege sind metagenomisch

repräsentiert und hochgradig stabil innerhalb der Habitate

The Human Microbiome Project

Human Microbiome Project Consortium. 2012. Nature 486:207–214.

Relevanz der Mikrobiom-Studien

• Übersicht der normalen humanen Bakterien-Flora

• Bedeutung für klinische Fragestellungen

– Entstehung entzündlicher Darmerkrankungen

– Entstehung von allergischen Erkrankungen

– Entstehung von Autoimmunerkrankungen

– Entstehung von Adipositas

• Behandlungsoptionen (Probiotika, Faecaltransplant)

• selektive oder okkulte "Immundefekte" ?

• Anfälligkeit für Tumorerkrankungen ?

• Verhalten oder psychiatrische Erkankungen ?

Störungen der Magen-Darm Flora

sind assoziiert mit Krankheiten

Cho & Blaser, Nat Rev Genetics 2012

Als Probiotika verwendet werden (u.a.):

• Milchsäurebakterien:

– Laktokokken

– Laktobacillen

– Bifidobakterien

– Enterokokken

• Hefen (Saccharomyces boulardii, S. cervisiae)

• Escherichia coli Nissle 1917

• Bacillus cereus

• Streptococcus thermophilus

• Clostridium butyricum MIYAIRI

Wirkmechanismen von Probiotika

Effekt Mechanismus

Aufrechterhaltung der

Schleimhaut-Barriere

• Verminderung der mukosalen Permeabilität

• Zunahme der Mukus-Produktion

• Stärkung der Tight-Junctions

• Reduktion der bakteriellen Translokation

Regulation der adäquaten

bakteriellen Kolonisation

• Modulation der Mikroflora

• Produktion von Antimikrobiellen Peptiden

• Senkung des intraluminalen pH

• kompetetive Verdrängung pathologischer Bakterien

Aktivierung intenstinaler

Immun-Mechanismen

• zunehmende IgA Produktion

• Produktion von kurzkettigen Fettsäuren

• Zunahme der Blut-Leukozyten-Phagozytose

Modulation der

intestinalen Inflammation

• zunehmende Zytokin-Produktion von T-Zellen und

Makrophagen

• zunehmende Produktion von anti-inflammatorischen

Zytokinen

• Abnahme der Produktion pro-inflammatorischer

Zytokine

• Förderung eines Th1 Zytokine-Profils

Wirkmechanismen von Probiotika

Bron PA, van Baarlen P, Kleerebezem M. 2012. Nature Reviews Microbiology 10:66–78.

Sicherheit von Probiotika

• jedes Jahr werden mehr als 20 Milliarden Probiotikadosen verabreicht

• Nebenwirkungen sind sehr selten !

• Es kommt zu keiner dauerhaften Besiedelung

• Langjähriger, weitverbreiteter Gebrauch von L. rhamnosus GG in Finnland: <0.05 LGG Sepsis Fälle pro 100.000 Einwohner

• 82% der Patienten hatten schwere oder tödliche Grunderkrankungen

• Letalität 26% nach einem Monat und 48% nach einem Jahr

Salminen, CID 2005

Sicherheit von Probiotika

• 3 Fälle von Saccharomyces cerevisiae Fungämien innerhalb von 2 Wochen

• einziger gemeinsamer Risikofaktor: Gabe von Ultralevura (enthält S. boulardii) über Nasensonde

• Review der Literatur identifizierte weitere 57 Fälle von. S. cerevisiae Fungämien

• 60% waren ICU-Patienten, 45% erhielten Probiotika, 30% starben

Munoz, CID 2005

Sicherheit von Probiotika

• PROPATRIA: große holländische Studie (doppelblind, plazebokontrolliert) zur Wirksamkeit von Probiotika bei akuter Pankreatitis

• 24 Todefälle (16%) im Therapie-Arm vs. 9 (10%) in Kontrollgruppe

• Food Supplement ‘Ecologic 641’ (Winclove), (L. acidophilus, L. casei, L. salivarius, Lactococcus lactis, Bifidobacterium bifidum and B. lactis), 1010 KBE gegeben über Nasensonde

• Studie wurde abgebrochen Science, 1. Februar 2008

Sicherheit von Probiotika

• kommerzielle Probiotika-Präparate entsprechen

häufig nicht den Inhaltsangaben auf dem Etikett

• Getestet: 213 Kulturen von 26 Herstellern (57%

Lactobacilli, 22% Bifidobacteria)

• 28% falsche Angaben bzgl. Spezies (27 Fälle)

oder Genus (19 Fälle)

• insgesamt 34 Produkte von 10 Herstellern

Huys. Res Microbiol 2006

Sicherheit von Probiotika

• 65-jähriger Patient mit aorto-biiliakaler Endoprothese

• in der Folge Perigraft-Infektionen und Spondylodiscitis

• 18 Monate nach Operation rezidivierende Septikämien mit Darmbakterien, Candida und......

Schwacha H, et al.. 2006. Endoscopy 38 Suppl 2:E51.

Lactobacillus casei

immunitas defensis

Indikationen für Probiotika (u.a.)

• Therapie und Prävention von Magen-Darm-Infektionen

• chronisch-entzündliche Darmerkrankungen

• Atemwegsinfektionen

• rheumatoide Arthritis

• Allergie, Atopie, Asthma

• Halitosis

• Depressionen

• Frühgeburtlichkeit

• Malignome

• ...

Relevante Cochrane Analysen

1. Alfaleh K, Anabrees J, Bassler D, Al-Kharfi T. 2011. Probiotics for prevention of

necrotizing enterocolitis in preterm infants. Cochrane database of systematic reviews

(Online) CD005496.

2. Johnston BC, Goldenberg JZ, Vandvik PO, Sun X, Guyatt GH. 2011. Probiotics for the

prevention of pediatric antibiotic-associated diarrhea. Cochrane database of systematic

reviews (Online) CD004827.

3. Allen SJ, Martinez EG, Gregorio GV, Dans LF. 2010. Probiotics for treating acute

infectious diarrhoea. Cochrane database of systematic reviews (Online) CD003048.

4. Bernaola Aponte G, Bada Mancilla CA, Carreazo Pariasca NY, Rojas Galarza RA.

2010. Probiotics for treating persistent diarrhoea in children. Cochrane database of

systematic reviews (Online) CD007401.

5. Boyle RJ, Bath-Hextall FJ, Leonardi-Bee J, Murrell DF, Tang ML. 2008. Probiotics for

treating eczema. Cochrane database of systematic reviews (Online) CD006135.

6. Osborn DA, Sinn JK. 2007. Probiotics in infants for prevention of allergic disease and

food hypersensitivity. Cochrane database of systematic reviews (Online) CD006475.

7. Rolfe VE, Fortun PJ, Hawkey CJ, Bath-Hextall F. 2006. Probiotics for maintenance of

remission in Crohn's disease. Cochrane database of systematic reviews (Online) CD004826.

Klare Empfehlungen für Probiotika

bei pädiatrischen Patienten

• NEC Cochrane Analyse 2011: "probiotics prevent severe NEC and all cause mortality in preterm infants" – offene Fragen !

• akute infektiöse Diarrhoe Cochrane Analyse 2010: positiver Effekt mit Verkürzung der Symptomatik von durchschnittlich 24h

• Antibiotika-assoziierte Diarrhoe positiver Effekt in Cochrane Analyse 2011: hohe Dosis (>5x107 KBE) und Verwendung von S. boullarii und L. rhamnosus

Probiotika bei Allergien und atopisches Exanthem

widersprüchliche Ergebnisse:

•Cochrane Analysen von 2007 und 2008 zeigen keine eindeutigen Effekte

•2 neue Metaanalysen:

deutliche Hetergenität (Pelucchi C, et al. 2012. Epidemiology 23:402–414.)

Effekt von Lactobacillen während der Schwangerschaft (Doege K, et al. 2011. British Journal of Nutrition 107:1–6)

Experten-Empfehlungen

Erkrankung Evidenz Probiotika

Prävention akuter Diarrhoe

(Kindern, Erwachsenen)

B LGG, L. casei, L. acidophilus, S.

boulardii

Therapie von akuter Diarrhoe A Bifidobacterien

antibiotika-assoz. Diarrhoe A S. boulardii, LGG

Helicobacter pylori C L. johnsonii

C. ulcerosa, M. Crohn C E. coli Nissle, Bifidobacterien,

Lactobacillus, S. boulardii

Reizdarmsyndrom C L. plantarum, B. infantis

Verbesserung der

Immunantwort

B L. acidophilus, L. plantarum, LGG, L.

johnsonii

Prävention von kardiovask.

Erkrankungen

C Lactobazillen in Milch und Jogurt

J Clin Gastroenterol 2006;40:275-78

Faecal-Transplantation

• "extremste" Form einer Probiotika-Behandlung

• exzellente Erfolge in kleinen Serien bei Patienten mit rezidivierender und/oder therapierefraktärer C. diff Colitis (z.B. Gough et al. Clinical Infect Dis 2011 sowie Nood E et al. N Engl

J Med 2013)

• Einzelfallberichte über Heilung bei C. ulcerose und M. Crohn

• Amsterdamer Schema: 120 g Stuhl eines gesunden Spenders in 300 ml 0,9% NaCl mit einem Haushaltsmixer fur 2-4 Minuten homogenisieren. Suspension mit einem Kaffeefilterpapier abfiltrieren und uber eine nasogastrale Sonde verabreichen.

• Spender z.B. gesunde Verwandte, vorher Stuhluntersuchung sowie Serologie z.A. Hepatitis und HIV

Zusammenfassung

• Wirksamkeit von Probiotika für einige Indikationen erwiesen

• Wirksamkeit ist präparat- und stammabhängig

• wissenschaftliche Grundlagen bisher nur ansatzweise verstanden

• zunehmende Anzahl von gut durchgeführten, kontrollierten Studien und Metaanalysen

offene Fragen

• genauer Wirkmechanismus für bestimmte Spezies und

bestimmte Indikationen

• Rolle von Viren und Helminthen hinsichtlich der

Entwicklung der normalen Immunantwort

• optimale Präparate für spezifische Indikationen

• Nebenwirkungen/Gefährdung für bestimmte Spezies und

bestimmte Patientenkollektive

• unterschiedliche Applikationsformen und Präparationen

nur unzureichend untersucht

• fehlende große klinische Studien und Metaanalysen für die

meisten empfohlenen Indikationen