Veränderungen der Zusammensetzung des Mikrobioms vom Magen bis Kolon bei Adipositas-Patienten

Abstract

Deutsche Zusammenfassung Zielsetzung: Diese Studie zielt darauf ab, die Veränderungen der Zusammensetzung des Mikrobioms vom Magen bis Kolon bei Adipositas-Patienten erstmalig zu beschreiben. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass Adipositas mit signifikanten Veränderungen im Mikrobiom entlang des Magen-Darm-Trakts verbunden ist. Insbesondere wird erwartet, dass adipöse Patienten eine Dysbiose aufweisen, die sich vom Magen bis zum Kolon erstreckt, was zu einer Verschiebung der bakteriellen Gemeinschaften und einer potenziellen Beeinträchtigung der metabolischen Gesundheit führt. Methoden: In dieser Studie wurden 52 adipöse Patienten (38 weiblich, 14 männlich) der Grade I/II/III im Alter von 24 bis 70 Jahren eingeschlossen. Eingeschlossen wurden Patienten, die für eine bariatrische Operation vorgesehen waren. Die Probenentnahmen erfolgten im Rahmen der operativen Eingriffe. Die Proben wurden mittels Abstrichen intraoperativ (4 Probenentnahmen: Peritoneum, Magen, Jejunum 50cm, Jejunum 150 cm), präoperativ (1-2 Tage vor der Operation) und postoperativ (am 4. oder 5. Tag nach der Operation) gewonnen. Die DNA-Extraktion aus den Proben erfolgte im Institut für Mikrobiologie der Universität des Saarlandes und die 16S-Analyse des Mikrobioms wurde von Novogene (Oxford, UK) ausgeführt. Die Visualisierung der Daten erfolgte durch die Klinische Bioinformatik der Universität des Saarlandes. Ergebnisse: Diese Studie liefert neue Erkenntnisse über das Mikrobiom verschiedener Bereiche des Magen Darm-Trakts und dessen Veränderungen nach einer bariatrischen Operation. Eine der ersten Beobachtungen war das potenzielle Vorhandensein von Kontaminationen, darunter Kontaminanten der Gattung Nitrotoga sowie Kontaminanten aus der Familie Micrococcaceae, die typischerweise nicht im menschlichen Darm vorkommen. Mithilfe einer Negativkontrolle konnte die Kontamination mit Nitrotoga nachgewiesen werden. Die Analyse der dominanten Spezies und strukturellen Verbindungen ergab, dass Firmicutes und Bacteroidota die dominierenden Phyla waren, gefolgt von anderen wie Proteobacteria und Actinobacteriota. Interessanterweise zeigten starke Korrelationen zwischen bestimmten Spezies innerhalb des bakteriellen Netzwerks ein mögliches gleichzeitiges Vorkommen oder unterstützende metabolische Aktivitäten auf. Die Analyse der freien DNA und der Zellzahlen ergab signifikante Unterschiede in der Bakteriendichte zwischen verschiedenen Stellen des Magen-Darm-Trakts, wobei die Stuhlproben die reichhaltigere Mikrobiota aufwiesen. Bemerkenswerterweise konnte mikrobielle DNA sowohl im Peritoneum als auch im Magen nachgewiesen werden. Die Analyse der Alpha-Diversität lieferte wichtige Hinweise dafür, dass die mikrobielle Besiedlung des Peritoneums im Durchschnitt derjenigen des Jejunums ähnelt und dass die Stuhlproben, die vor dem chirurgischen Eingriff entnommen wurden, eine signifikant höhere mikrobielle Diversität aufwiesen als andere Proben des Gastrointestinaltrakts. Auffallend war auch, dass die mikrobielle Vielfalt im Stuhl nach der Operation abzunehmen schien. Besonders aufschlussreich waren die postoperativen Veränderungen im Stuhlmikrobiom, die eine tendenzielle Verschiebung im Verhältnis von Firmicutes-zu-Bacteroidota sowie Veränderungen in der Häufigkeit von Akkermansia, Escherichia coli und Enterococcus B zeigten. Im Kolon wurden unterschiedliche mikrobielle Muster zwischen Stuhlproben festgestellt, wobei Firmicutes in den präoperativen Stuhlproben vorherrschen, während in den postoperativen Stuhlproben einen Rückgang von Firmicutes und eine Zunahme von Bacteroidota aufweisen. Diese Ergebnisse bieten wichtige Einblicke in die komplexe Mikrobiota des Magen-Darm-Trakts und deren Reaktion auf bariatrische Operationen. Schlussfolgerungen: Erstmals wurde das Mikrobiom adipöser Patienten sowohl mithilfe intraoperativer Abstriche als auch anhand von Stuhlproben umfassend untersucht. Diese neuartige Herangehensweise ermöglichte eine detaillierte Analyse des Mikrobioms in verschiedenen Bereichen des Magen-Darm-Trakts, einschließlich des Peritoneums. Interessanterweise konnte mikrobielle DNA sowohl im Peritoneum als auch im Magen nachgewiesen werden – Regionen, die traditionell als weitgehend keimarm oder sogar steril galten. Die Alpha-Diversitäts-Analysen stellen die etablierte Hypothese des keimfreien Peritoneums infrage, da dort ähnliche Mikroben wie im Jejunum nachgewiesen wurden. Dies eröffnet neue Perspektiven für das Verständnis des Mikrobioms in vermeintlich sterilen Körperregionen. Zudem bestätigen die Ergebnisse dieser Studie die Annahme, dass das Jejunum möglicherweise keine residente Mikrobiota beherbergt, sondern nur transiente Mikroben enthält, während die mikrobielle Zusammensetzung entlang des Dünndarms relativ stabil blieb. Postoperativ zeigten sich eine signifikante Reduktion der Alpha-Diversität sowie markante Veränderungen in der mikrobiellen Zusammensetzung. Dies verdeutlicht den Einfluss des Magenbypasses auf das Mikrobiom des Magen-Darm-Trakts und liefert wertvolle Hinweise auf mögliche metabolische Folgen der Operation. Das bekannte Firmicutes-zu-Bacteroidota-Verhältnis, das häufig mit Adipositas assoziiert wird, konnte in dieser Studie ebenfalls bestätigt werden. Die Daten dieser Arbeit legen nahe, dass bariatrische Eingriffe dieses Verhältnis möglicherweise umkehren könnten, was potenziell positive Auswirkungen auf die Darmgesundheit hätte. Zusätzlich konnten zwei potenzielle Kontaminanten identifiziert werden: Nitrotoga wurde in der Negativkontrolle nachgewiesen, während Micrococcaceae, anhand von Vergleichsdaten aus der Literatur als möglicher Kontaminant klassifiziert wurde. Die Ergebnisse dieser Arbeit bestätigen die zentrale Rolle des Mikrobioms im metabolischen Syndrom und zeigen, dass es maßgeblich durch Adipositas beeinflusst wird. Ein vertieftes Verständnis dieser Dynamik könnte den Weg für innovative Therapien und gezieltere Behandlungsstrategien ebnen.

Summary in English Changes in the composition of the microbiome from the stomach to the colon in obese patients Objective: This study aims to describe for the first time the changes in the composition of the microbiome from the stomach to the colon in obese patients. This study hypothesizes that obesity is associated with significant changes in the microbiome along the gastrointestinal tract. Specifically, it is expected that obese patients exhibit dysbiosis extending from the stomach to the colon, leading to a shift in bacterial communities and potential impairment of metabolic health. Methods: This study included 52 obese patients (38 female, 14 male) of grades I/II/III aged 24 to 70 years who were undergoing bariatric surgery. Samples were obtained during surgical procedures through intraoperative (4 Swabs - Peritoneum, Stomach, Jejunum 50cm, Jejunum 150 cm), preoperative (1 or 2 days before the operation), and postoperative (on the 4th or 5th day after the operation) swabs. DNA extraction from the samples was performed at the Institute of Microbiology at Saarland University and the extracted DNA was sent to Novogene (Oxford, UK) for 16S microbiome analysis. Data visualization was carried out by the Clinical Bioinformatics department at Saarland University. Results: This study provides new insights into the microbiome of different regions of the gastrointestinal tract and its changes following bariatric surgery. One of the first observations was the potential presence of contaminants, including those assigned to the genus Nitrotoga as well as others belonging to the family Micrococcaceae, which are not typically found in the human gut. Using a negative control, contamination with Nitrotoga was confirmed. The analysis of dominant species and structural associations revealed that Firmicutes and Bacteroidota were the predominant phyla, followed by others such as Proteobacteria and Actinobacteriota. Interestingly, strong correlations between certain species within the bacterial network suggested possible co-occurrence or supporting metabolic interactions. The analysis of free DNA and cell counts revealed significant differences in bacterial density across various regions of the gastrointestinal tract, with stool samples harboring the richest microbiota. Notably, microbial DNA was detected in both the peritoneum and the stomach. The analysis of alpha diversity provided important evidence that the microbial colonization of the peritoneum which was on average, similar to that of the jejunum. Furthermore, stool samples collected before surgery exhibited significantly higher microbial diversity than other gastrointestinal tract samples. Remarkably, microbial diversity in stool samples appeared to decrease after surgery. Particularly revealing were the postoperative changes in the stool microbiome, which showed a tendency toward a shift in the Firmicutes-to-Bacteroidota ratio, as well as changes in the abundance of Akkermansia, Escherichia coli and Enterococcus B. Different microbial patterns were observed in colonic stool samples, with Firmicutes being dominant in Stool Sample 1, whereas Stool Samples 4–5 exhibited a decline in Firmicutes and an increase in Bacteroidota. Conclusions: This study is the first to comprehensively analyse the microbiome of obese patients using both intraoperative swabs and stool samples. This novel approach enabled a detailed investigation of the microbiome in various regions of the gastrointestinal tract, including the peritoneum. Interestingly, microbial DNA was detected in both the peritoneum and the stomach, regions traditionally considered largely germ-free or even sterile. The alpha diversity analysis also challenges the established hypothesis of a sterile peritoneum, as similar microbes were detected there as in the jejunum. This finding opens new perspectives on the microbiome's presence in supposedly sterile body regions. Furthermore, these findings support the assumption that the jejunum may not harbor a resident microbiota but instead contains only transient microbes, while the microbial composition along the small intestine remained relatively stable. Postoperatively, a significant reduction in alpha diversity and distinct changes in microbial composition were observed. This highlights the impact of gastric bypass surgery on the gastrointestinal microbiome and provides valuable insights into the potential metabolic consequences of the procedure. The well-known Firmicutes-to-Bacteroidota ratio, often associated with obesity, was also confirmed in this study. The data suggest that bariatric procedures may potentially reverse this ratio, which could have beneficial effects on gut health. Additionally, two potential contaminants were identified: Nitrotoga was detected in the negative control, while Micrococcaceae was classified as a possible contaminant based on comparative data from the literature. The findings of this study confirm the central role of the microbiome in metabolic syndrome and demonstrate that it is significantly influenced by obesity. A deeper understanding of these dynamics could pave the way for innovative therapies and more targeted treatment strategies.