Untargeted Cross-Matrix Metabolomics Reveals Tryptophan Metabolism Shift in Children with Autism

Die Autismus-Spektrum-Störung ist eine komplexe Erkrankung, die beeinflusst, wie eine Person kommuniziert, mit anderen interagiert und die Welt erlebt. Während Wissenschaftler seit langem wissen, dass Gene und die Umgebung eine Rolle spielen, bleiben die präzisen biologischen Mechanismen, die diese Erkrankung antreiben, schwer fassbar. In den letzten Jahren hat sich die Aufmerksamkeit auf den Darm gerichtet, insbesondere auf die Billionen winziger Bakterien, die dort leben. Diese Mikroben verdauen nicht nur Nahrung; sie kommunizieren mit dem Gehirn über ein Netzwerk aus Nerven, Hormonen und chemischen Signalen, das als Mikrobiota-Darm-Hirn-Achse bekannt ist. Wenn dieses Kommunikationssystem fehlfunktioniert, kann dies zu den Symptomen von Autismus beitragen. Um diesen Zusammenhang zu verstehen, untersuchen Forscher oft Metaboliten, bei denen es sich um kleine chemische Moleküle handelt, die entstehen, wenn unser Körper und unsere Darmbakterien Nahrung abbauen und Energie verarbeiten. Diese Moleküle fungieren als eine chemische Sprache, die uns mitteilt, was auf mikroskopischer Ebene im Körper geschieht.

Ein Forschungsteam am Zhongnan Hospital der Wuhan University beschloss, dieser chemischen Sprache zuzuhören, indem es zwei verschiedene Teile des Körpers gleichzeitig untersuchte: den Darm selbst und das Blut. Während viele vorangegangene Studien entweder Stuhl oder Urin isoliert betrachtet haben, wollte diese Gruppe das vollständige Bild davon sehen, wie das lokale Milieu im Darm mit dem Rest des Körpers zusammenhängt. Sie rekrutierten dreiunddreißig Kinder mit Autismus und siebenundzwanzig Kinder ohne diese Erkrankung. Von jedem Kind sammelten sie Stuhl- und Urinproben. Unter Verwendung fortschrittlicher Maschinen, die tausende winziger chemischer Strukturen gleichzeitig identifizieren können, kartierten die Wissenschaftler die metabolische Landschaft beider Gruppen. Sie suchten nach spezifischen chemischen Signaturen, die bei den autistischen Kindern auftaueten, aber nicht bei den anderen, in der Hoffnung, einen Pfad vom Darm zum Gehirn nachzuverfolgen.

Die Analyse ergab einen deutlichen Unterschied darin, wie die Kinder mit Autismus einen spezifischen Nährstoff namens Tryptophan verarbeiteten. Tryptophan ist eine Aminosäure, die in Lebensmitteln vorkommt und die der Körper verwendet, um wichtige Chemikalien für das Gehirn und den Schlaf herzustellen. In den Stuhlproben der autistischen Kinder fanden die Forscher signifikant niedrigere Werte von zwei Schlüsselsubstanzen: Indol und einer Form von Melatonin namens 6-Hydroxy-Melatonin. Indol ist eine Chemikalie, die von Darmbakterien produziert wird, wenn sie Tryptophan abbauen, und Melatonin ist das Hormon, das den Schlaf-Wach-Rhythmus reguliert. Die Tatsache, dass diese Werte im Darm niedrig waren, deutet darauf hin, dass die Bakterien bei diesen Kindern Tryptophan nicht korrekt abbauen. Dieser Befund deckt sich mit der bekannten Beobachtung, dass viele Kinder mit Autismus unter Schlafstörungen leiden, da der Körper möglicherweise nicht genügend der chemischen Signale produziert, die zur Ruhe benötigt werden.

Die Geschichte endete nicht im Darm. Als die Forscher den Urin untersuchten, der widerspiegelt, was im Rest des Körpers geschieht, fanden sie ein anderes, aber verwandtes Muster. Der Urin der autistischen Kinder enthielt höhere Werte bestimmter anderer Tryptophan-Abbauprodukte, wie etwa 5-Methoxytryptophan, während die Werte von 2-Methylnicotinsäure niedriger waren. Diese Diskrepanz zwischen dem, was im Darm geschah, und dem, was im Urin erschien, deutet auf eine systemische Störung hin. Es scheint, dass der Tryptophan-Pfad an mehreren Stellen unterbrochen ist, was verhindert, dass der Körper die richtigen Chemikalien zur richtigen Zeit herstellt. Diese Störung wirkt sich wahrscheinlich nicht nur auf den Schlaf aus, sondern auch auf das Gleichgewicht der Neurotransmitter – jener Chemikalien, die Gehirnzellen nutzen, um miteinander zu kommunizieren.

Über den Tryptophan-Pfad hinaus deckte die Studie Hinweise auf eine tiefere Energiekrise innerhalb der Zellen auf. Die Forscher fanden, dass spezifische Chemikalien, die am Hauptenergieerzeugungsprozess des Körpers beteiligt sind, sowohl im Stuhl als auch im Urin der autistischen Kinder erhöht waren. Diese Chemikalien sind Teil eines Prozesses, der die Mitochondrien antreibt, jene winzigen Strukturen innerhalb der Zellen, die als Kraftwerke fungieren. Wenn diese Kraftwerke nicht effizient arbeiten, kann der Körper keine Energie richtig erzeugen, und Abfallprodukte sammeln sich an. Das gleichzeitige Vorhandensein dieser energiebezogenen Anomalien sowohl im Darm als auch im Urin deutet auf ein systemisches Problem hin und legt nahe, dass die Wurzelursache der Stoffwechselstörung in einem Versagen der Fähigkeit der Zellen liegt, Energie zu produzieren. Dies stützt die Idee, dass Autismus eine weit verbreitete Störung des Energienetzwerks des Körpers beinhaltet, die weit über das Gehirn hinausgeht.

Um zu verstehen, wie die Darmbakterien diese Veränderungen verursachen könnten, erstellten die Wissenschaftler eine Karte, die zeigt, wie die Häufigkeit verschiedener Bakteriengruppen mit den Mengen dieser Chemikalien korreliert. Sie fanden heraus, dass bestimmte Bakterien, die manchmal schädlich sein können, mit den niedrigen Werten der nützlichen Melatonin-Chemikalie verknüpft waren. Umgekehrt waren andere Bakterien, die normalerweise hilfreich sind, mit höheren Werten der energiebezogenen Chemikalien verknüpft. Dies deutet darauf hin, dass die Zusammensetzung des Darm-Mikrobioms bei Kindern mit Autismus nicht nur anders ist, sondern die metabolischen Fehler, die in der Studie beobachtet wurden, aktiv vorantreibt. Die Bakterien verändern wahrscheinlich das chemische Milieu in einer Weise, die die Fähigkeit des Körpers stört, Nährstoffe zu verarbeiten und Energie zu erzeugen.

Die Forscher betonten sorgfältig, dass ihre Ergebnisse eher ein Ausgangspunkt als eine endgültige Antwort sind. Da die Studie einen einzigen Moment in der Zeit betrachtete, können sie nicht mit Sicherheit sagen, ob diese metabolischen Veränderungen den Autismus verursacht haben oder aus ihm resultierten. Auch die Gruppe der untersuchten Kinder war relativ klein, und Alter sowie Geschlecht waren zwischen den beiden Gruppen nicht perfekt angeglichen, obwohl statistische Methoden verwendet wurden, um diese Unterschiede zu berücksichtigen. Trotz dieser Einschränkungen bietet die Studie eine starke, einheitliche Sicht auf das Problem. Indem sie sowohl den Darm als auch den Körper gemeinsam betrachteten, haben die Forscher gezeigt, dass Autismus mit einer weit verbreiteten Störung in der Art und Weise assoziiert ist, wie der Körper Tryptophan handhabt und Energie erzeugt. Diese Arbeit legt nahe, dass zukünftige Behandlungen darauf abzielen könnten, das Darm-Mikrobiom zu reparieren, um den Fluss dieser lebenswichtigen Chemikalien wiederherzustellen, was potenziell dazu beitragen kann, sowohl den Schlaf als auch das allgemeine Wohlbefinden von Kindern mit Autismus zu verbessern.