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(12.10.2020) LEIPZIG: Menschen mit Adipositas leiden mitunter an Stoffwechselstörungen und Typ-2-Diabetes. Forschende haben nachgewiesen, dass in diesen Patienten vermehrt Bakterien aus dem Darm ins umliegende Fettgewebe gelangen und dort Entzündungsreaktionen auslösen: Je mehr Bakterien sie fanden, umso höher waren die Entzündungswerte und umso kränker die Patienten.

Mehr als die Hälfte der erwachsenen Menschen in Deutschland ist übergewichtig, sie haben also einen Body-Mass-Index (BMI) von über 25 kg/m2; etwa 16 Prozent sind stark übergewichtig (adipös; BMI von mehr als 30 kg/m2). Übergewicht beeinträchtigt die Gesundheit, abhängig davon, wo sich das Fett ansammelt. Insbesondere das sogenannte viszerale Fett, welches im Bauchraum die inneren Organe umgibt und sie vor mechanischen Einflüssen schützt, neigt bei einem Überangebot von Nahrung zur Ausdehnung. Allerdings liegt dieses Viszeralfett nicht einfach nur so herum, es sezerniert auch eine Vielzahl von Hormonen und Adipokinen. Dazu gehören beispielsweise Zytokine wie Interleukin-6 (IL-6) und Tumor Necrosis Factor (TNF)-α oder das Peptidhormon Adiponektin, ein Insulinmodulator. Da ist es nachvollziehbar, dass ein Zuviel an viszeralem Fett den menschlichen Stoffwechsel ganz schön aus dem Gleichgewicht bringen kann.

Viszerale Adipositas ist ein bekannter Risikofaktor für zahlreiche Erkrankungen, zum Beispiel Arteriosklerose, Krebs oder Typ-2-Diabetes. In Deutschland leben etwa sieben Millionen Menschen mit Diabetes mellitus. Mehr als 95 Prozent der Erkrankten zeigen den Typ 2, eine Insulinresistenz, die oft im Alter schleichend auftritt. Die Bauchspeicheldrüse produziert anfangs zwar weiterhin ausreichend Insulin – im Gegensatz zum Typ-1-Diabetes –, aber es wird vom Zielorgan nicht mehr aufgenommen. Das führt zu einem dauerhaft erhöhten Blutzuckerspiegel, was wiederum Organschäden und Komplikationen wie Schlaganfall und Herzinfarkt begünstigt. Wichtigste Risikofaktoren für Typ-2-Diabetes ist neben genetischer Veranlagung und zu wenig Bewegung Übergewicht. 90 Prozent der Patienten sind übergewichtig, ein Viertel sogar adipös.

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Warum aber werden manche Menschen mit Adipositas metabolisch sehr krank und andere nicht? Diese Frage stellten sich die Forscher der Klinik und Poliklinik für Endokrinologie, Nephrologie und Rheumatologie des Universitätsklinikums Leipzig, genauer Studienleiter Peter Kovacs. Er ist Professor für Adipositas- und Diabetesgenetik am integrierten Forschungs- und Behandlungszentrum für Adipositas-Erkrankungen. Kovacs kam nach dem Pharmazie-Studium in der Slowakei nach Greifswald, wo er 1998 über die Genetik von Typ-2-Diabetes promovierte. Nach Postdoc-Jahren an den National Institutes of Health in Phoenix (Arizona) landete er in Leipzig. Dort traf er auf die Ärztin Rima Chakaroun. Die Endokrinologin arbeitete während ihrer Doktorarbeit an Adipokinen und initiierte später eine Studie zum Effekt des Darmmikrobioms auf Adipositas und Stoffwechselerkrankungen.

Das klingt nach einer optimalen Kombi, um sich die Verbindung von Adipositas und Typ-2-Diabetes anzuschauen. Besonders rätselhaft erschien den Forschern, dass im Fettgewebe vieler adipöser Menschen inflammatorische Prozesse beobachtet werden. „Andere Forscher hatten Mäuse im Rahmen einer High Fat Diet mit Futter versorgt, welches Fluoreszenz-gelabelte Bakterien enthielt. Sie fanden Fragmente dieser Bakterien später im Fettgewebe“, berichtet Chakaroun. Waren Bakterien der Grund für die Entzündungserscheinungen? „Wir haben also angefangen, nach Bakterien im menschlichen Fettgewebe zu suchen,“ sagt Kovacs. Herausgekommen ist eine Publikation in Gut, mit Chakaroun und dem (damals noch) Doktoranden Lucas Massier als Erstautoren (69: 1796-806).

Für die Studie rekrutierten die Leipziger Forscher 75 Patienten (BMI im Schnitt 48 kg/m2), die sich einer bariatrischen Operation unterzogen. Die Roux-en-Y-Magenbypass-OP ist eine Art Magenverkleinerung und Dünndarmverkürzung. Die Nahrung nimmt also quasi die Umgehungsschnellstraße durch den Verdauungstrakt. Das soll den Menschen helfen, Gewicht zu reduzieren, unter anderem weil die Nahrung nicht vollständig aufgenommen wird. 33 der Probanden waren zudem Typ-2-Diabetes-Patienten mit deutlich erhöhten Entzündungsparametern sowie auffälligen Werten des Glucosestoffwechsels im Blut.

Während des Eingriffs entnahmen die Chirurgen – so steril wie möglich – Proben subkutanen und viszeralen Fetts an verschiedenen Stellen, etwa dem Omentum (einer netzartigen Struktur am Bauchfell) oder dem Mesenterium (Teil der Darmaufhängung). Aus diesen Gewebeproben isolierten Massier, Chakaroun und Kollegen DNA sowie RNA und erstellten Gewebeschnitte.

Tatsächlich fanden die Forscher bakterielle DNA im Fettgewebe, allerdings in verschwindend geringer Menge. Nur 0,1 bis 0,5 Pikogramm pro Mikrogramm Gesamt-DNA stammte nicht vom Menschen selbst, sondern von Bakterien. Bei der Sequenzierung des bakteriellen 16S-rRNA-Gens in den Gewebeproben stießen sie dann auf eine Vielzahl von Spuren. Einige konnten mithilfe bioinformatischer Algorithmen als Kontaminationen ausgeschlossen werden, aber immerhin in 18 Bakteriengattungen unterschieden sich die Patienten mit und ohne Diabetes. Die Forscher nannten dieses Phänomen eine gewebespezifische, taxonomische Bakteriensignatur, die zudem mit dem Auftreten von inflammatorischen Markern und metabolischen Parametern korrelierte.

Beide Patienten-Gruppen wiesen zudem im Fettgewebe sowie systemisch Bakterien der Stämme Proteobacteria und Firmicutes auf. Insbesondere Bakterien des Phylums Firmicutes sind dafür bekannt, im Darmmikrobiom adipöser Menschen überdurchschnittlich häufig aufzutreten. „Wir wissen, dass bestimmte Bakterien des Darmmikrobioms eine Gewichtszunahme fördern und dass die Zusammensetzung des Mikrobioms sowohl von den Genen als auch unserem Lebensstil abhängt“, sagt Chakaroun. Deshalb waren die Forscher nicht überrascht, auf diese Bakterienstämme zu treffen. Ob nun aber die Mikroben tatsächlich durch die Darmwand ins umliegende Gewebe auswandern oder ob sie – quasi als Zelltrümmer – passiv aufgenommen werden, konnten die Ergebnisse nicht beantworten.

Deshalb reichte es den Leipziger Forschern nicht, menschliches Fettgewebe nach Bruchstücken bakterieller DNA zu durchsuchen. Sie wollten zeigen, dass sich im Bauchraum außerhalb des Darms tatsächlich intakte Bakterien befinden. Dafür griffen sie auf eine Methode zurück, die eigentlich in der Umweltanalytik angewandt wird. „CARD-FISH ist deutlich sensitiver als FISH allein, und wir haben gehofft, so auch kleine Mengen von Bakterien im Fettgewebe nachweisen zu können“, sagt Kovacs, und Chakaroun ergänzt: „Da wir keine Experten für Mikroben sind, haben wir diese Untersuchungen gemeinsam mit Niculina Musat vom Umweltforschungszentrum (UFZ) hier in Leipzig gemacht.“

Was ist CARD-FISH? FISH kennen wir als Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung, also eine Hybridisierungsmethode, bei der mit Fluoreszenz-markierten Nukleotid-Sonden etwa auf Gewebeschnitten nach komplementärer DNA oder RNA gefischt wird. Nun gibt es in vielen Umweltproben aber nicht nur kleinste Haufen von Bakterien, sie sind auch gut verteilt in jeder Menge Dreck. Das bedeutet, dass die Hintergrundsignale oft deutlich größer sind als das eigentliche Fluoreszenzsignal der Sonde. Um das zu umgehen, gesellt sich zum FISH nun CARD, Catalysed Reporter Deposition: Ein klassischer Gewebeschnitt für die Immunhistochemie wird mit einer einzelsträngigen DNA-Sonde gegen Eubakterien hybridisiert. Diese Sonde trägt aber kein Fluorophor, sondern das Enzym HRP (Horseradish Peroxidase). Die Peroxidase macht in Anwesenheit von Wasserstoffperoxid aus inaktiven, Fluoreszenz-markierten Tyramiden Tyramid-Radikale. Diese wiederum binden kovalent an aromatische Seitenketten – zum Beispiel von Tyrosin – der Proteine in direkter HRP-Nachbarschaft. Da dieser Prozess enzymatisch abläuft, werden mit der Zeit viele Tyramide „radikalisiert“.

Statt also einem Fluorophor pro Sonde erhält der Forscher bei der Tyramide Signal Amplification (TSA) bis zu 1.000 fluoreszierende Signale. Derart verstärkt springen auch kleinste Spuren bakteriellen Materials ins Auge. Mit CARD-FISH können also Bakterien detektiert und quantifiziert werden, ohne sie vorher entnehmen oder anreichern zu müssen. Und genau das haben die Leipziger Forscher geschafft – sie wiesen intakte Bakterien in menschlichem Fettgewebe nach. Außerdem zeigten sie, je mehr Bakterien im Fettgewebe, desto höher die Entzündungswerte und umso kränker die Patienten. Das Fazit, das Chakaroun und Kovacs aus diesen Ergebnissen ziehen: Menge und Zusammensetzung der Bakterien im Fettgewebe tragen bei Typ-2-Diabetes-Patienten und übergewichtigen Menschen zusätzlich zu Entzündungen bei.

Unklar ist, wie genau die Bakterien ins viszerale Fett kommen. „Der Darm ist eine der größten Verbindungsflächen zu unserer Umwelt“, sagt Chakaroun. „Es ist bekannt, dass bestimmte Ernährungsgewohnheiten oder auch Alkoholkonsum die Darmpermeabilität beeinflussen.“ Außerdem produzieren einige Bakterien – beispielsweise Enterobacteriaceae – toxische Lipopolysaccharide, die ebenfalls die Darmwand durchlässiger machen. Auf diesem Weg könnten Bakterien der Darmflora leicht in umliegendes Gewebe wandern oder geschwemmt werden. „In einem nächsten Projekt werden wir die Darmpermeabilität bei Patienten messen, damit wir auch diesen Punkt belegen können“, sagt Kovacs.

Aber reichen ein paar Bakterien im Fettgewebe wirklich aus, um eine Immunreaktion auszulösen und den Menschen krank zu machen? Schließlich berechneten die Forscher, dass die winzige Menge bakterieller DNA im Fettgewebe in etwa äquivalent ist mit einer Bakterie auf 100 Adipozyten. Deshalb ärgerten sie im Zellkulturmodell Adipozyten mit einer vergleichbaren Menge Bakterien-DNA. Und siehe da – die Zellen reagierten mit einem Sturm der Empörung und schütteten – konzentrationsabhängig – die Entzündungsmarker IL-6 und TNFα aus.

Für die Zukunft planen die Forscher aus Leipzig, sich weitere Gewebeproben anzuschauen. „Wir wollen für dieses Projekt eine Art Biobank erstellen, in der dann natürlich auch Organkontrollen gesunder und normalgewichtiger Probanden gespeichert werden,“ sagt Kovacs. Bisher scheiterte dies an ethischen Bedenken. Aber mit dem Klinikum wird über Wege diskutiert, wie es dennoch möglich sein wird, an gesundes Gewebe heranzukommen.

Co-Erstautor der Studie Lucas Massier wird jedoch erst einmal nicht mehr an den Folgeexperimenten teilnehmen. „Diese Studie hat seinen Marktwert in die Höhe getrieben, und so wurde er schon vor der Verteidigung seiner Doktorarbeit nach Stockholm ans Karolinska-Institut rekrutiert“, flachst Kovacs. Aber auch dort beschäftigt er sich weiterhin mit der Biologie des Fettgewebes.