Changes in aggressive behavior due to dysbiosis of host gut microbiota

Technisches Resümee: Veränderungen des aggressiven Verhaltens aufgrund von Dysbiose der Wirts-Darmmikrobiota

Problemstellung
Aggressives Verhalten kann, obwohl es eine Komponente normaler sozialer Interaktion ist, als ein krankhafter Zustand mit schwerwiegenden gesellschaftlichen und individuellen Folgen auftreten. Während die neurobiologischen Grundlagen der Aggression (unter Beteiligung des Hypothalamus, Monoamine und Hormone) teilweise verstanden sind, bleiben die wesentlichen Ursachen rätselhaft. Jüngste Forschungen haben die „Mikrobiota-Darm-Hirn-Achse“ als einen neuartigen Mechanismus vorgeschlagen, der darauf hindeutet, dass die Darmmikrobiota das Verhalten des Wirts beeinflusst. Vorherige Studien der Autoren und anderer deuteten darauf hin, dass keimfreie (GF) Mäuse eine gesteigerte Aggression im Vergleich zu spezifisch pathogenfreien (SPF) Mäusen zeigen und dass eine frühkindliche Besiedlung von GF-Mäusen (Konventionalisierung) diese Aggression reduzieren kann. Es bleibt jedoch unklar, ob die Störung einer bereits etablierten Darmmikrobiota im Erwachsenenalter durch Antibiotika (induzierte Dysbiose) das aggressive Verhalten in der Folge verändern kann.

Methodik
Die Studie nutzte ein gnotobiotisches Mausmodell, um den kausalen Zusammenhang zwischen antibiotika-induzierter Dysbiose und Aggression in einem stabilisierten Darmmilieu zu untersuchen.

• Tiermodell: Männliche BALB/c-Mäuse wurden aus keimfreien (GF) Vorfahren abgeleitet. Diese wurden durch orale Verabreichung von Kotmaterial aus SPF-Mäusen im Alter von 4 Wochen in „Ex-keimfreie“ (Ex-GF) Mäuse umgewandelt, gefolgt von einer Zucht zur Etablierung einer zweiten Generation mit indigenter Darmmikrobiota.
• Experimentelles Design: Im Alter von 6 Wochen, als die Darmmikrobiota als stabil galt, wurden die Ex-GF-Mäuse in zwei Gruppen unterteilt:
  1. Kontrollgruppe: Erhielt Standardtrinkwasser.
  2. Behandlungsgruppe (Ex-GF SM): Erhielt Trinkwasser, das mit Streptomycin (1 mg/mL) für sechs Tage supplementiert war. Streptomycin wurde als Aminoglykosid-Antibiotikum ausgewählt, das gezielt aerobe und gramnegative Bakterien angreift, während anaerobe Bakterien weitgehend intakt bleiben.
• Verhaltensbeurteilung: Im Alter von 8 Wochen wurde das aggressive Verhalten in einer streng aseptischen Open-Field-Arena evaluiert. Die Mäuse wurden mit kastrierten Kontrahenten gepaart (um die Aggression der Kontrahenten zu reduzieren und die Beurteilung zu klären). Die Aggression wurde über 10 Minuten qualitativ anhand spezifischer Verhaltensweisen bewertet: Beißen, Ringen, Schwanzrasseln, aggressives Putzen und Verfolgen.
• Mikrobiota-Analyse: Unmittelbar nach dem Verhaltenstest wurden Zäkum-Inhalte gesammelt, um die Bakterienpopulationen zu quantifizieren. Aerobe Bakterien wurden auf Trypticase-Soy-Agar und die Gesamtbakterien auf BL-Agar kultiviert.
• Statistische Analyse: Die Daten wurden mittels des Mann-Whitney-U-Tests analysiert, wobei die Signifikanz auf P < 0,05 festgelegt wurde.

Wichtigste Ergebnisse

• Verhaltensergebnisse: Weder die Streptomycin-behandelte Gruppe (Ex-GF SM) noch die unbehandelte Kontrollgruppe zeigten während des 10-minütigen Beobachtungszeitraums jegliche aggressiven Verhaltensmerkmale. Die Studie fand keinen signifikanten Unterschied in den Aggressionslevels zwischen den beiden Gruppen.
• Mikrobiota-Störung: Die Verabreichung von Streptomycin induzierte erfolgreich eine Dysbiose. Die Anzahl der aeroben Bakterien im Zäkum der behandelten Gruppe wurde signifikant auf 1/1000 der Kontrollgruppe reduziert (P = 0,002). Die primäre Reduktion wurde in der Familie der Enterobacteriaceae beobachtet.
• Gesamtbakterienlast: Trotz der drastischen Reduktion der aeroben Bakterien unterschied sich die Gesamtzahl der Bakterien (einschließlich Anaerobier) nicht signifikant zwischen den beiden Gruppen (P = 0,699).

Bedeutung und Behauptungen
Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass die Störung der Darmmikrobiota bei Mäusen mit einer bereits etablierten mikrobiellen Gemeinschaft durch Antibiotika, die auf aerobe Bakterien abzielen, die aggressive Verhaltensweise nicht verschlimmert. Die Studie postuliert mehrere Schlüsselimplikationen:

1. Kritische Interventionsphase: Die Ergebnisse legen nahe, dass der Einfluss der Darmmikrobiota auf die Aggression während der frühen Entwicklung am kritischsten ist. Sobald die Mikrobiota stabilisiert ist (etwa im Alter von 8 Wochen bei Mäusen), führt eine anschließende antibiotika-induzierte Dysbiose (speziell jene, die Anaerobier verschont) offenbar nicht zu einer Veränderung der Aggression.
2. Rolle der Anaerobier: Das Ausbleiben einer Verhaltensänderung könnte auf die Bewahrung der anaeroben Bakterien zurückzuführen sein, wie etwa Bifidobacteria, die bekannt dafür sind, Stressreaktionen und Verhalten zu modulieren. Die Studie bezieht sich auf Vorarbeiten, die darauf hindeuten, dass Bifidobacterium infantis Hyperaktivität und Stressreaktionen bei GF-Mäusen abschwächen kann.
3. Klinische Implikationen: Das Paper legt nahe, dass für menschliche Anwendungen, insbesondere bei Säuglingen, das Timing der Antibiotikaanwendung entscheidend ist. Eine Stabilisierung der Darmmikrobiota in der frühen Entwicklung kann notwendig sein, um die Verschlimmerung von Aggression zu verhindern. Umgekehrt scheint die Verwendung von Antibiotika, die keine anaeroben Bakterien angreifen, bei Individuen mit einer stabilen Mikrobiota das Risiko für Aggression nicht zu erhöhen.
4. Mütterlicher Einfluss: Die Autoren heben hervor, dass die Stabilität der mütterlichen Darmmikrobiota entscheidend für die gesunde Entwicklung der Mikrobiota der Nachkommen ist, welche wiederum das zukünftige Aggressionsniveau beeinflusst.

Limitierungen
Die Autoren räumen ein, dass die Studie in einer sterilen Isolatorumgebung durchgeführt wurde, was die Generalisierbarkeit auf nicht-sterile Umgebungen einschränken kann. Zudem war die Verwendung kastrierter Kontrahenten eine methodische Notwendigkeit, um die Sterilität aufrechtzuerhalten, wenngleich die Autoren argumentieren, dass dies die Ergebnisse nicht verzerrt hat, da bei den kastrierten Mäusen keine Aggression auftrat. Schließlich stellt die Studie fest, dass die Beziehung zwischen Aggression und Darmmikrobiota durch zusätzliche Tiermodelle weiter verifiziert werden muss, um Kausalität vollständig zu etablieren.