Die Darm-Hirn-Achse: Wie beeinflusst die Darmgesundheit neurologische Funktionen?
Auch nach jahrzehntelanger Forschung sind die Ursachen und Entstehungswege neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson noch immer weitgehend ungeklärt. Die Anstrengungen zur Erforschung des Zusammenhangs zwischen Mikroorganismen im menschlichen Darm und dem Gehirn, der sogenannten Achse Mikrobiota-Darm-Hirn, wurden in den letzten Jahren intensiviert. Diese Achse hat besonders in Fachkreisen Beachtung gefunden, die sich mit den biologischen und physiologischen Grundlagen von psychiatrischen, entwicklungsneurologischen, altersbedingten und neurodegenerativen Erkrankungen beschäftigen. Trotz der gewaltigen Menge an analytischen Daten zu den Auswirkungen der Mikrobiota auf die Hirnfunktion, gibt es keine simple Erklärung für die Rolle, welche die Mikrobiota bei der Neurodegeneration spielt. Das EU-finanzierte Projekt MINERVA (MIcrobiota-Gut-BraiN EngineeRed platform to eVAluate intestinal microflora impact on brain functionality) möchte Licht ins Dunkel bringen und hat sich daher zum Ziel gesetzt, eine technologische Plattform zu entwickeln, um den Zusammenhang zwischen der Mikroflora im Darm und der Hirnfunktionalität im gesunden und im pathologischen Zustand zu untersuchen. Die Projektwebsite verweist auf „das Fehlen eines umfassenden Modells der Mikrobiota-Darm-Hirn-Achse, das in der Lage wäre, die Diskrepanz zwischen komplexen In-vivo-Modellen und einfachen In-vitro-Methoden zu überbrücken“. Weiter heißt es: „MINERVA wird diese Diskrepanz mit einem INNOVATIVEN biotechnologischen ANSATZ angehen, der eine völlig NEUE Betrachtungsweise der Beziehung zwischen Neurodegeneration und der menschlichen Darmmikroflora zulässt.“
Neue Labore
Kürzlich wurden der Fachöffentlichkeit zwei neue Labore (TechnoBiology-Labs) des Polytechnikums Mailand, seinerseits Gastgeber und Nutznießer des MINERVA-Projekts, vorgestellt. In einer Pressemitteilung von „EurekAlert!“ hieß es dazu: „Die TechnoBiology-Labs verfolgen in erster Linie das Ziel, fortschrittlichste technische Geräte und Zellmodelle umzusetzen, anhand derer sowohl unter physiologischen als auch pathologischen Bedingungen biochemische Mechanismen untersucht werden können, an denen mehrere Organe und biologische Systeme des menschlichen Körpers beteiligt sind.“ Laut dieser Pressemitteilung sollen die Labore die Zusammenarbeit zwischen Ingenieurwissenschaften und Forschung in den Biowissenschaften „zur Entwicklung von Organ-on-a-Chip-Systemen, die sich als Träger für weiterentwickelte In-vitro-Modelle auf der Basis von Zellen (Labor MINERVA) und Bakterien (Labor ATHENA) aus 2D- oder 3D-Kulturen eignen“ erleichtern. Die Hauptforscherin des MINERVA-Projekts, Prof. Carmen Giordano, wird in der Pressemitteilung zitiert: „In unserer Vision soll diese neue Versuchseinheit als vorbildliches Beispiel für einen interdisziplinären Arbeitsbereich dienen, in dem Fachleute aus dem Ingenieurwesen, der Biologie, der Biotechnologie und der Medizin die Bewältigung neuer, komplexer technischer und wissenschaftlicher Herausforderungen gemeinsam angehen können.“ In einem kürzlich erschienenen Artikel in der Fachzeitschrift „Trends in Molecular Medicine“ wird das Konzept von Organ-on-a-Chip erläutert. „Die neue richtungsweisende Art der Forschung auf dem Gebiet der Biotechnologie verwendet mikrofluidische Systeme, sogenannte ‚Organ-on-a-Chip-Systeme‘, die Lab-on-a-Chip-Technologie mit organotypischen 3D-Kulturen kombinieren. Organ-on-a-Chip-Systeme sind miniaturisierte, millimeterkleine Bioreaktoren mit kontinuierlicher Perfusion des Kulturmediums.“ Laut demselben Artikel ahmen diese Systeme nicht nur funktionelle Aspekte von physiopathologischen Zuständen in Geweben und Organen nach, sondern „erleichtern außerdem die Beurteilung der Wirkungsweisen therapeutischer Wirkstoffe, was wiederum geringere Kosten und einen höherer Durchsatz im Vergleich zu Tiermodellen ermöglicht, und zeichnen sich zudem dadurch aus, dass sie weniger ethische Bedenken aufwerfen.“
Technisch ausgereifte Modelle
Das laufende Projekt MINERVA soll Ende des Jahres 2022 zum Abschluss kommen. In einem periodischen Bericht auf CORDIS werden die Ziele von MINERVA wie folgt beschrieben: „1) die erste technisch entwickelte, validierte Plattform zur Repräsentation der Mikrobiota-Darm-Hirn-Achse; 2) drei neuartige technisch entwickelte In-vitro-Modelle von Mikrobiota, Darm und Gehirn 3) zwei neue 3D-Gehirnzellmodelle und 4) neue Erkenntnisse zur Klärung des biochemischen Mechanismus zwischen Mikrobiota und Neurodegeneration.“ Die am Projekt beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erhoffen sich von der Vision von MINERVA, dass Menschen mit neurodegenerativen Erkrankungen von neuartigen, kosteneffektiven, gering-invasiven präventiven und therapeutischen Maßnahmen auf der Grundlage des Mikrobiota-Managements profitieren werden. Weitere Informationen: MINERVA-Projektwebsite
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