Urinbasiertes Autismus-Screening unter Verwendung mikrobieller Darmmetaboliten

Eine Pilotstudie ergab, dass erhöhte Metaboliten aus Darmmikroben viele Kinder mit Autismus identifizieren könnten, was die Möglichkeit eines einfachen urinbasierten Screening-Tools und eines neu vorgeschlagenen ASD-Subtyps im Zusammenhang mit einer Mikrobiom-Dysfunktion erhöht.

Studie: Erhöhte mikrobiell gewonnene Metaboliten bei Autismus: ein möglicher diagnostischer Screening-Test für einen bestimmten ASD-Phänotyp. Bildnachweis: Prostock-studio/Shutterstock.com

Eine aktuelle Studie veröffentlicht in Molekulare Psychiatrie untersuchten, ob Urinkonzentrationen von mikrobiell gewonnenen Metaboliten (MDMs) Kinder mit Autismus-Spektrum-Störung (ASD) objektiv von sich normal entwickelnden Kindern unterscheiden können.

ASD: Klinische Komplexität, Mikrobiota-Assoziationen und ungelöste Mechanismen

ASD ist eine komplexe neurologische Entwicklungsstörung, die durch früh einsetzende Schwierigkeiten in der sozialen Kommunikation, eingeschränkte Interessen und sich wiederholende Verhaltensweisen gekennzeichnet ist. Das Erscheinungsbild und die Schwere der Symptome variieren stark und führen zu einem Spektrum, das von Personen mit großem Unterstützungsbedarf bis hin zu Personen mit relativ leichten Schwierigkeiten reicht, die unabhängig arbeiten können. ASD entsteht durch komplexe genetische Umweltinteraktionen.

In den letzten Jahrzehnten hat die ASD-Prävalenz in den Vereinigten Staaten dramatisch zugenommen, was zu einem wachsenden Druck auf Familien, Gesundheitssysteme und Unterstützungsdienste führt. Obwohl rund 10 % der Fälle mit identifizierbaren genetischen Syndromen verbunden sind, sind die zugrunde liegenden Ursachen der meisten Fälle weiterhin unbekannt. Angesichts dieser Heterogenität betrachten Forscher die Identifizierung biologisch unterschiedlicher ASD-Subtypen zunehmend als einen wichtigen Schritt zur Entwicklung gezielter Therapiestrategien.

Obwohl eine frühe Verhaltensintervention innerhalb der ersten zwei Lebensjahre am wirksamsten ist, erfolgt die Diagnose typischerweise erst viel später. Diese Verzögerung unterstreicht den dringenden Bedarf an nicht-invasiven Früherkennungsinstrumenten, um eine rechtzeitige Intervention zu ermöglichen und langfristige klinische und wirtschaftliche Auswirkungen zu reduzieren.

Eine beträchtliche Untergruppe von Menschen mit ASD leiden unter chronischen gastrointestinalen (GI) Symptomen, die häufig mit dem Schweregrad der ASD einhergehen und innerhalb der ersten drei Lebensjahre auftreten. Konsistente Beweise belegen eine Darmdysbiose bei ASD mit unterschiedlichen mikrobiellen Profilen im Vergleich zu denen neurotypischer Personen. Diese Dysbiose verändert Stoffwechsel- und Immunwege, einschließlich der Produktion von kurzkettigen Fettsäuren (SCFA), Zytokinen und Neurotransmittern, was einen möglichen mechanistischen Zusammenhang zwischen Darmmikrobiota und neurologischer Entwicklung über die Darm-Hirn-Achse unterstützt.

Mikrobielle Metaboliten wie p-Kresol und Indoxylsulfat kommen bei Menschen mit ASD in höheren Konzentrationen vor. Diese Verbindungen können die Darmgesundheit, die Immunfunktion und die Signalübertragung im Gehirn beeinträchtigen, insbesondere wenn sie früh im Leben in großen Mengen vorhanden sind. Daher ist es notwendig, spezifische mikrobielle und metabolische Marker zu identifizieren, die dabei helfen könnten, verschiedene Arten von ASD zu unterscheiden und eine frühere Diagnose oder gezieltere Behandlungen zu unterstützen.

Analyse von Metaboliten im Urin zum Screening auf ASD

Die aktuelle Studie entwickelte einen biomedizinischen Screening-Test für ASD durch die Messung von MDMs im Urin von Kindern mit ASD und sich typischerweise entwickelnden Kindern (TD). An vier Standorten in den USA wurden insgesamt 52 Kinder mit ASD und 47 TD-Kinder im Alter zwischen 2 und 11 Jahren rekrutiert. ASD-Diagnosen wurden von Experten anhand der Bewertungsskala für Autismus bei Kindern und der Skala für soziale Reaktionsfähigkeit 2 (SRS-2; Punktzahl >68) bestätigt. Es wurden Urinproben gesammelt.

Die Metabolitenextraktion und die Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie-Analyse (LC-MS) wurden gemäß Standardprotokollen durchgeführt, und die Metaboliten wurden mit Anmerkungen versehen und relativ zum Kreatinin im Urin quantifiziert. Für die Entdeckung wurde zunächst ein ungezielter LC-MS-Ansatz verwendet, gefolgt von einer gezielten quantitativen LC-MS-Folgeanalyse.

Eine neuartige multivariate Analyse, das Microbially-Derived Metabolite System™ (MDM System™), wurde entwickelt, um Kinder mit ASD zu identifizieren, die an Darmdysbiose leiden. Die MDM-Konzentration jedes Teilnehmers wurde mit dem TD-Bereich verglichen; Die Werte spiegelten die Anzahl erhöhter MDMs wider.

Eindeutige mikrobielle Metabolitenprofile unterscheiden ASD-Kinder von TD-Kindern

Sowohl die TD- als auch die ASD-Gruppe waren altersentsprechend, und die TD-Gruppe war hinsichtlich des Geschlechts absichtlich ausgewogen. Bei der Metabolitenanalyse wurden keine signifikanten geschlechtsspezifischen Unterschiede festgestellt. Die Analyse konzentrierte sich auf mikrobiell produzierte Metaboliten, gruppiert in Phenylalanin-abgeleitet, Tryptophan-abgeleitet oder Hefe/andere.

Sechs von Phenylalanin abgeleitete und acht von Tryptophan abgeleitete Metaboliten waren bei ASD signifikant erhöht, mit Anstiegen zwischen 29 % und 1882 %. Viele ASD-Teilnehmer hatten Metabolitenwerte, die über denen aller TD-Fälle lagen. Arabinitol, ein Hefemetabolit, war bei ASD ebenfalls um 51 % höher, während N-Formylmethionin um 70 % niedriger war. Diese Ergebnisse verdeutlichen ein ausgeprägtes Stoffwechselprofil bei ASD.

Die meisten ASD-Teilnehmer hatten im Vergleich zu TD-Kindern sehr hohe Werte an Tryptophan- oder Phenylalanin-abgeleiteten Metaboliten oder beidem. In einer Untergruppe von ASD-Teilnehmern traten häufig ein erhöhter Arabinitol-Wert und ein verringerter N-Formylmethionin-Wert gleichzeitig auf. Mit Ausnahme von N-Formylmethionin waren die Metabolitenspiegel bei ASD im Allgemeinen höher.

Der MDM System™-Gesamtscore, der die Anzahl stark erhöhter Metaboliten pro Teilnehmer widerspiegelt, lag im Durchschnitt bei 3,3 bei ASD und 0 bei TD. Unter Verwendung eines Schwellenwerts von einem erhöhten Metaboliten erreichte die semiquantitative Analyse eine Sensitivität von 90 % und eine Spezifität von 100 % für ASD.

Es gab keine signifikante Korrelation zwischen dem MDM-Gesamtscore und dem Alter bei ASD. Multivariate Modelle, darunter Fisher Discriminant Analysis (FDA), Neural Networks und Naive Bayes, erzielten durchweg eine hohe diagnostische Genauigkeit mit Werten der Fläche unter der Betriebskennlinie des Empfängers von bis zu 0,86.

Eine univariate Analyse ergab, dass zehn Metaboliten, hauptsächlich Phenylalanin- und Tryptophan-verwandte, bei ASD signifikant häufiger vorkommen. Einige, wie z. B. p-Kresol, waren nur in einer Untergruppe der ASD-Fälle erhöht, und die Nachweisgrenzen beeinflussten die Ergebnisse für bestimmte Verbindungen.

Metaboliten wie p-Kresol und Indol-3-propionsäure sorgten für eine starke Gruppentrennung. Während eine beträchtliche Anzahl von ASD-Teilnehmern erhöhte Tryptophan- oder Phenylalanin-bezogene Metaboliten aufwiesen, kam es seltener zu einem Anstieg der Hefe-Metaboliten. Stark korrelierte Metaboliten wie Indolpropionsäure und Beta-Carbolin sind wahrscheinlich eher auf eine mikrobielle Dysbiose als auf eine äußere Exposition zurückzuführen. Metaboliten mit vielen nicht nachweisbaren Proben trugen weniger zum MDM System™-Algorithmus bei.

In der gezielten quantitativen Analyse wies das MDM System™ eine Spezifität von 100 % und eine Sensitivität von 78 % auf Reproduzierbarkeit der Gesamtmethodik, obwohl die Leistung geringer war als bei der anfänglichen semiquantitativen Analyse. Die FDA zeigte außerdem, dass die wirksamsten Metabolitenkombinationen Werte für die Fläche unter der Kurve von über 0,7 aufwiesen, wobei der zusätzliche Gewinn durch die Zugabe weiterer Metaboliten nur minimal war.

Die Ergebnisse veranlassten die Forscher auch dazu, Folgendes vorzuschlagen: hypothetischer ASD-Subtyp mit der Bezeichnung „ASD assoziiert mit mikrobiell abgeleiteten Metaboliten“ (ASD-MDM). Basierend auf den Studiendaten gehen die Autoren davon aus, dass etwa 80–90 % der Kinder mit ASD in ihrer Kohorte zu dieser metabolisch unterschiedlichen Untergruppe gehören könnten, obwohl die vorgeschlagene Klassifizierung einer unabhängigen Validierung bedarf, bevor sie als etablierter ASD-Phänotyp betrachtet werden kann.

Schlussfolgerungen

Die aktuelle Studie hat die Bedeutung von MDMs bei einer erheblichen Untergruppe von Kindern mit ASD hervorgehoben. Die Entwicklung des MDM System™ bietet ein vielversprechender Proof-of-Concept-Ansatz für die künftige Früherkennung und Identifizierung von Kindern mit erhöhter Wahrscheinlichkeit einer ASD.

Die Ergebnisse basieren jedoch auf einer relativ kleinen Pilotkohorte und die Autoren betonen, dass noch eine unabhängige Validierung in größeren Kohorten erforderlich ist, bevor der Test als klinisch etabliert gelten kann. Kontinuierliche Forschung, einschließlich der Validierung in unabhängigen Kohorten und der Erforschung mikrobiombasierter Therapien, ist unerlässlich, um das Potenzial dieser Fortschritte zur Verbesserung der Ergebnisse bei Kindern mit ASD voll auszuschöpfen.

Das Papier stellt außerdem fest, dass mehrere Autoren Patente, Patentanmeldungen oder kommerzielle Interessen im Zusammenhang mit der ASD-Diagnose und dem MDM System™ besitzen, was die Bedeutung einer unabhängigen Replikation der Ergebnisse unterstreicht.

Laden Sie Ihr PDF-Exemplar herunter, indem Sie hier klicken.

Quellen: