Wissenschaftlicher Hintergrund   Arthritische Erkrankungen wie die Rheumatoide Arthritis (RA) und Spondyloarthritis (SpA) sind weit verbreitete chronische entzündliche Krankheiten. Sie führen zu Gewebezerstörung, Funktionsverlust und einer erhöhten Sterblichkeit. Trotz jüngster Erkenntnisse im Verständnis der Pathologie der arthritischen Erkrankungen (1), sind die Faktoren, die letztendlich zum Ausbrechen der Krankheit führen, immer noch unklar. Es wurden zwar mehrere genetische Marker gefunden, die mit arthritischen Erkrankungen im Zusammenhang stehen, aber diese sind nicht alleine in der Lage deren Entwicklung zu erklären (2). Vielmehr braucht es dazu weitere Faktoren aus der Umwelt. Beispielsweise wurde bereits in den 1970er Jahren beobachtet, dass häufig Infektionen einem Auftreten arthritischer Erkrankungen vorangehen (3). Außerdem mehren sich neuerdings die Beobachtungen, dass die Darmmikrobiota einen Einfluss auf die Entstehung und den Verlauf arthritischer Erkrankungen hat.   Kohashi hat schon 1979 gezeigt, dass GF Ratten in einem Adjuvans-induzierten Arthritis Modell eine besonders schwere Form der RA entwickeln (4). Diese und andere Studien, die unter anderem unterschiedliche Effekte von gram-positive und gram-negativen Darmbakterien auf die RA nachweisen konnten, weisen darauf hin, dass die Darmmikrobiota einen signifikanten Einfluss auf die Entwicklung der RA haben kann (5, 6). Andererseits gibt es auch Hinweise darauf, dass wenn man den Darm von GF HLA-B27 Ratten oder B10.BR (h-2(k)) Mäusen, beides Modelle die prädisponiert sind spontane rheumatische Erkrankungen zu entwickeln, gezielt mit einzelnen Bakterienstämmen wieder besiedelt, bestimmte Bakterienstämme einen pro-arthritogenen Effekt haben können (7, 8). Beim Menschen wurde mit 16s RNA Sequencing Methoden versucht, einzelne Bakterienstämme mit dem Auftreten der Arthritis zu korrelieren (9-11). Eindeutige Ergebnisse stehen aber bisher noch aus.. Diese Diskrepanzen der pro- und anti-arthritogenen Effekte und die entmutigenden Resultate der humanen 16s RNA Sequencing Projekte legen nahe, dass es nicht einzelne Bakterienstämme sind, die für das Auftreten oder Ausbleiben der Arthritis verantwortlich sind.    Die Mikrobiota des Darmes setzt sich zusammen aus symbiotischen Bakterien und anderen Mikroorganismen aus der Klasse der Archea, Eukaryia und deren Viren. Schätzungen haben gezeigt dass der menschliche Verdauungstrakt an die 1000 verschiedenen Bakterienarten enthält (12, 13). Die wechselseitigen Beziehungen zwischen Wirt und seiner Mikrobiota resultieren in der Produktion von Stoffwechselprodukten, die zur Fitness des Wirts beitragen (14). Den größten Anteil an Stoffwechselprodukten aus dem Darm haben organische Säuren, hauptsächlich die drei kurzkettigen Fettsäuren („short-chain fatty acids“, SCFA) Acetat, Propionat, und Butyrat, die zusammengenommen eine Konzentration von 50-150 mM im menschlichen Kolon ausmachen (17). Diese SCFA entstehen durch Fermentationsprozesse der Darmmikrobiota. Das Substrat für diese Fermentierungsprozesse sind normalerweise unverdauliche Kohlenhydrate, die reich an Fasern sind, wie die Ballaststoffe (18). Zusätzlich zu ihrer Rolle als Treibstoff für die intestinalen Epithelzellen, modulieren SCFA auch verschiedene Prozesse im Gastrointestinaltrakt, wie z.B. Wasser- und Elektrolytaufnahme. Außerdem hat man die SCFA als mögliche Mediatoren der Effekte der Darmmikrobiota auf das Immunsystem identifiziert. SCFA hemmen die IL-12 Produktion und steigern die IL-10 Produktion von Monozyten (19), sie regulieren die Treg Homöostase im Kolon durch Modulierung der Histondeazetylase (20-22), und beeinflussen die Proliferation von T Zellen und die Sekretion anti-inflammatorischer Zytokine (23). Butyrat ist wichtig für die Migration von Neutrophilen (24) und die Sekretion pro-inflammatorischer  Zytokine durch Neutrophile (25), sowie die Reifung dendritischer Zellen (DC) (26). Propionat beeinflusst die Aktivierung von DCs (27). Interessanterweise konnten wir kürzlich zeigen (Lucas et al., Nature Communications, akzeptiert Nov. 2017), dass Propionat zusätzlich zu anti-inflammatorischen Effekten in verschiedenen Arthritis Mausmodellen, auch einen signifikanten direkten Einfluss auf den Knochenmetabolismus hat. Zusammengenommen unterstützen diese Daten die Vermutung, dass bestimmte nutzbringende Bakterien im Darm SCFA produzieren, die sowohl lokal im Darm, als auch systemisch die Immunantworten und den Knochenmetabolismus beeinflussen können.  Die positive Beeinflussung durch SCFA wird vermutlich durch Modulation der intestinalen und systemischen regulatorischen T-Zellen (Treg) vermittelt (22, 28, 29 und Lucas et al. Nature Communications, akzeptiert Nov. 2017). Eine Stärkung der regulatorischen Immunelemente (Treg) kann zur verbesserten Kontrolle und Unterdrückung des Krankheitsverlaufs bei arthritischen Mausmodellen, als auch zum Schutz vor Gelenksschäden führen (30, 31). In früheren eigenen Publikationen konnten wir außerdem bereits einen direkten Einfluss von Tregs auf den steady-state Knochenmetabolismus beschreiben (30, 31). Es bleibt unklar, ob diese Mechanismen der Treg Induktion auch bei Patienten mit arthritischen Erkrankungen, wie der RA und SpA involviert sind. 

1. McInnes IB, Schett G. The pathogenesis of rheumatoid arthritis. The New England journal of medicine. 2011;365(23):2205-19. 

3. Cuvelier C, Barbatis C, Mielants H, De Vos M, Roels H, Veys E. Histopathology of intestinal inflammation related to reactive arthritis. Gut. 1987;28(4):394-401. 

4. Kohashi O, Kuwata J, Umehara K, Uemura F, Takahashi T, Ozawa A. Susceptibility to adjuvant-induced arthritis among germfree, specific-pathogen-free, and conventional rats. Infection and immunity. 1979;26(3):791-4. 

5. Kohashi O, Kohashi Y, Takahashi T, Ozawa A, Shigematsu N. Reverse effect of gram-positive bacteria vs. gram-negative bacteria on adjuvant-induced arthritis in germfree rats. Microbiology and immunology. 1985;29(6):487-97. 

6. Kohashi O, Kohashi Y, Takahashi T, Ozawa A, Shigematsu N. Suppressive effect of Escherichia coli on adjuvant-induced arthritis in germ-free rats. Arthritis and rheumatism. 1986;29(4):547-53. 

8. Sinkorova Z, Capkova J, Niederlova J, Stepankova R, Sinkora J. Commensal intestinal bacterial strains trigger ankylosing enthesopathy of the ankle in inbred B10.BR (H-2(k)) male mice. Human immunology. 2008;69(12):845-50. 

9. Edwards CJ. Commensal gut bacteria and the etiopathogenesis of rheumatoid arthritis. The Journal of rheumatology. 2008;35(8):1477-14797. 

11. Vaahtovuo J, Munukka E, Korkeamaki M, Luukkainen R, Toivanen P. Fecal microbiota in early rheumatoid arthritis. The Journal of rheumatology. 2008;35(8):1500-5. 

12. Ley RE, Peterson DA, Gordon JI. Ecological and evolutionary forces shaping microbial diversity in the human intestine. Cell. 2006;124(4):837-48. 

13. Qin J, Li R, Raes J, Arumugam M, Burgdorf KS, Manichanh C, et al. A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing. Nature. 2010;464(7285):59-65. 

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15. Round JL, Mazmanian SK. Inducible Foxp3+ regulatory T-cell development by a commensal bacterium of the intestinal microbiota. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2010;107(27):12204-9. 

17. Salonen A, Lahti L, Salojarvi J, Holtrop G, Korpela K, Duncan SH, et al. Impact of diet and individual variation on intestinal microbiota composition and fermentation products in obese men. The ISME journal. 2014;8(11):2218-30. 

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21. Furusawa Y, Obata Y, Fukuda S, Endo TA, Nakato G, Takahashi D, et al. Commensal microbe-derived butyrate induces the differentiation of colonic regulatory T cells. Nature. 2013;504(7480):446-50. 

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27. Trompette A, Gollwitzer ES, Yadava K, Sichelstiel AK, Sprenger N, Ngom-Bru C, et al. Gut microbiota metabolism of dietary fiber influences allergic airway disease and hematopoiesis. Nature medicine. 2014;20(2):159-66. 

29. Zaiss, M. M., A. Rapin, L. Lebon, L. K. Dubey, I. Mosconi, K. Sarter, A. Piersigilli, L. Menin, A. W. Walker, J. Rougemont, O. Paerewijck, P. Geldhof, K. D. McCoy, A. J. Macpherson, J. Croese, P. R. Giacomin, A. Loukas, T. Junt, B. J. Marsland, and N. L. Harris. 2015. The Intestinal Microbiota Contributes to the Ability of Helminths to Modulate Allergic Inflammation. Immunity 43: 998-1010. 

30. Zaiss, M. M., R. Axmann, J. Zwerina, K. Polzer, E. Guckel, A. Skapenko, H. Schulze-Koops, N. Horwood, A. Cope, and G. Schett. 2007. Treg cells suppress osteoclast formation: a new link between the immune system and bone. Arthritis and rheumatism 56: 4104-4112. 

31. Zaiss, M. M., B. Frey, A. Hess, J. Zwerina, J. Luther, F. Nimmerjahn, K. Engelke, G. Kollias, T. Hunig, G. Schett, and J. P. David. 2010. Regulatory T cells protect from local and systemic bone destruction in arthritis. Journal of immunology 184: 72387246. 

Chronisch-entzündliche Erkrankungen, die mit Allergien, einschließlich Asthma und allergischer Rhinitis bzw. chronischer Rhinosinusitis assoziiert sind, stellen eine große und ständig wachsende Belastung für das öffentliche Gesundheitswesen in Europa dar. In einigen Ländern leidet bereits eines von drei Kindern an einer allergischen Erkrankung. Was jedoch die Ursache dafür ist, dass eine Entzündungsreaktion chronifiziert und eine allergische oder eine autoreaktive Immunantwort auslöst, ist noch unbekannt.  Die „European Academy of Allergy and Clinical Immunology“ (EAACI) warnt bereits, dass die Wahrscheinlichkeit in Europa steigt, dass mindestens 50% der Bevölkerung innerhalb der nächsten zehn Jahre an einer allergischen Erkrankung leiden wird.  Trotz erheblicher Bemühungen und zahlreicher gut gestalteten Studien hat es sich als schwierig erwiesen, das Auftreten von klinischen Symptomen mit akzeptabler Sensitivität und Spezifität vorherzusagen oder andere Risikofaktoren neben der Atopie für den Schweregrad der Krankheit zu identifizieren. Dies legt nahe, dass sich der natürliche Krankheitsverlauf kontinuierlich entwickelt, abhängig vom Kontakt mit Allergenen.  In dieser horizontalen Studie wollen wir verschiedene immunologische Parameter in einer Kohorte von Schulkindern mit Asthma und Asthma mit zusätzlicher Immuntherapie untersuchen. Zum Vergleich sollen Kinder gleichen Alters und Geschlechts ohne Asthma oder anderen relevanten Krankheiten analysiert werden. Wir möchten außerdem die Reaktion von mononukleären Zellen des peripheren Blutes (PBMC) auf verschiedene inflammatorische Stimuli und deren Plastizität bestimmen. Aus den so gewonnenen Zellen wollen wir DNA isolieren, um diese mit Hilfe eines Methylierungsassays auf ihr epigenetisches Muster zu untersuchen. Aus isolierter RNA wollen wir eine Genexpressionsanalyse durchführen. Im Speziellen möchten wir den Einfluss Ballaststoffreicher Nahrung auf das Mikrobiom, ihre Auswirkung auf das Immunsystem und damit auf die Asthma Symptomatik untersuchen. Durch den hohen Ballaststoff-Anteil im für diese Studie entwickelten und von den Teilnehmern täglich verzehrten Kleingebäck, soll die systemische Konzentration kurzkettiger Fettsäuren (SCFA) im Darm indirekt erhöht werden. Um zu untersuchen, ob sich die SCFA Konzentration und die Darmmikrobiota zwischen den untersuchten Gruppen unterscheidet, wollen wir Stuhlproben analysieren. Mittels isolierter, bakterieller 16S rRNA und Next Generation Sequencing möchten wir die einzelnen Mikroorganismen im Darm identifizieren und quantifizieren. Die SCFA Konzentration in den einzelnen Stuhlproben wollen wir mit Hilfe der Massenspektrometrie messen und vergleichen.  Die Hypothese dieser Kohortenstudie ist, dass Ernährungs-Faktoren die Immunantwort in Richtung eines chronisch-entzündlichen Musters umprogrammieren. Die Analyse von an Asthma leidenden Kindern mit einer Immuntherapie könnte diese Ergebnisse zudem beeinflussen.

Diese Studie ist derzeit noch in der Planungsphase. Updates in Kürze.