Butyrat-Supplementierung bei Kindern mit Autismus-Spektrum-Störung (ASD) und funktionellen Magen-Darm-Störungen (b(AUT)yrate)

ASD ist eine heterogene Gruppe neurologischer Entwicklungsstörungen mit komplexen multifaktoriellen Ursachen, die personalisierte, zeitnahe und evidenzbasierte Interventionen erfordern, um das Leben von Kindern und ihren Familien zu verbessern. Medizinische Komorbiditäten kommen bei ASD häufig vor und umfassen FGIDs, bei denen es sich um Störungen handelt, die aus einer Kombination von Symptomen resultieren, die Motilität, Überempfindlichkeit und andere Funktionen beeinträchtigen und nicht durch anatomische oder organische Ursachen verursacht werden. FGIDs werden häufig mit Schlaf- und Verhaltensproblemen in Verbindung gebracht, die sich negativ auf die klinische Funktionsfähigkeit von ASD-Kindern auswirken. Es werden pharmakologische Wirkstoffe befürwortet, die auf FGIDs bei ASD-Kindern abzielen könnten. Veränderungen des Immunsystems, der Epigenetik, des Darmmikrobioms, des mitochondrialen Stoffwechsels und der Darm-Hirn-Achse wurden mit der Ätiologie von ASD und FGID in Verbindung gebracht und könnten potenzielle Interventionsziele darstellen. Der Begriff Postbiotika kann als Überbegriff für alle Synonyme und verwandten Begriffe mikrobieller Fermentationskomponenten angesehen werden, darunter viele verschiedene Bestandteile wie kurzkettige Fettsäuren, mikrobielle Zellfraktionen, funktionelle Proteine, extrazelluläre Polysaccharide, Zelllysate, Teichonsäure, Peptidoglycan -abgeleitete Muropeptide und Pili-artige Strukturen. Neue Daten deuten darauf hin, dass Postbiotika direkte immunmodulatorische und klinisch relevante Wirkungen haben können. Es gibt Hinweise darauf, dass Postbiotika bei gesunden Personen zur Verbesserung der allgemeinen Gesundheit und zur Linderung der Symptome verschiedener Krankheiten eingesetzt werden. Insbesondere das postbiotische Butyrat, eine aus Darmmikrobiota gewonnene kurzkettige Fettsäure, übt durch eine breite Palette von Aktivitäten, die Darmmikrobiota, Immunsystem, epigenetische Mechanismen und mitochondriale Funktion betreffen, eine schützende Wirkung gegen FGIDs und ASD aus. Zusammengenommen stützen diese Daten stark die Hypothese, dass eine orale Butyratergänzung eine therapeutische Wirkung gegen FGIDs und Verhaltenssymptome bei ASD-Kindern ausüben kann. Butyrat wurde für die Behandlung von FGIDs vorgeschlagen, seine vielversprechende Wirkung auf ASD beschränkt sich jedoch auf präklinische Daten. Die vorliegende multizentrische, doppelblinde, randomisierte, kontrollierte Studie wurde streng darauf ausgelegt, die therapeutischen Wirkungen einer oralen Butyrat-Supplementierung bei Kindern mit ASD (entweder idiopathisch oder syndromal) und FGIDs zu untersuchen. Im Einklang mit der Präzisionsmedizin und dem Entwerfen und Verbessern von Diagnose, Therapie und Prognose unter Verwendung großer komplexer Datensätze werden in dieser Studie Hochleistungsrechnen und künstliche Intelligenz in mehrdimensionalen klinischen und biologischen Datensätzen implementiert. Die große Heterogenität von ASD in Bezug auf Ätiologie und klinisches Erscheinungsbild erfordert ein besseres Verständnis darüber, wer am wahrscheinlichsten auf welche Interventionen, mit welcher Intensität und für welche Dauer reagiert, damit sie denjenigen zugeordnet werden können, die bei der Reduzierung am wahrscheinlichsten davon profitieren die Behandlungskosten an den Nationalen Gesundheitsdienst. Daher besteht die Notwendigkeit, Mediatoren und Moderatoren des Behandlungsansprechens (Faktoren, die ein besseres Ansprechen auf die Behandlung vorhersagen, einschließlich Faktoren, die das Ansprechen des Einzelnen auf verschiedene Behandlungen beeinflussen) zu identifizieren, damit Ärzte frühe Interventionen sorgfältiger anpassen können. Zu diesem Zweck werden Mediatoren und Moderatoren, die an der Wirkung einer postbiotischen Nahrungsergänzung auf FGIDs beteiligt sind, durch ML untersucht, das an klinischen und biologischen Variablen durchgeführt wird, die auf der digitalen Plattform Research Electronic Data Capture (REDCap) erfasst werden. Die Identifizierung von Mustern/Profilen des Kindes, das auf die Behandlung anspricht, kann wichtig sein, um das Risiko im Frühstadium einzuschätzen und eine individuelle Behandlung und Prävention von ASD durch Modulation der Mikrobiota zu planen.

Zunehmende Hinweise deuten darauf hin, dass das Darmmikrobiom einer der wichtigsten Modulatoren der Darm-Hirn-Kommunikation bei ASD ist. Die Gehirn-Darm-Mikrobiom-Achse ist zu einem spannenden Forschungsgebiet bei ASD, insbesondere bei Kindern, geworden. Frühere Studien deuteten auf eine Veränderung der Struktur und Funktion des Darmmikrobioms bei ASD-Kindern sowie bei FGIDs hin: ein verringertes Verhältnis von Bacteroidetes/Firmicutes (bekannte Butyratproduzenten) in Stuhlproben von ASD-Kindern und eine deutlich verringerte Butyratspiegelproduktion durch das Darmmikrobiom von ASD-Kindern.

Butyrat ist aufgrund seiner Fähigkeit, die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden, ein weithin bekannter Histon-Deacetylase-Inhibitor. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Behandlung mit oralem Natriumbutyrat Verhaltensdefizite bei BTBR-Mäusen verbesserte, einem der robustesten Tiermodelle für ASD. Die Genexpressionsanalysen des frontalen Kortex ergaben, dass die Auswirkungen von Butyrat auf das Verhalten auf eine positive Modulation von Genen zurückzuführen sind, die am exzitatorischen/hemmenden Gleichgewicht und der neuronalen Aktivierung beteiligt sind. Konkret regulierte Natriumbutyrat die neuronalen Aktivierungsmarker-Gene herunter und die inhibitorischen Neurotransmitter-Gene hoch. Darüber hinaus wurde kürzlich eine Doppelblindstudie an 3- bis 8-jährigen Kindern mit ASD durchgeführt, um die Wirkung einer L. Reuteri-Supplementierung (6 Monate) auf soziale Defizite, gastrointestinale (GI) Symptome und Immunantwort zu bewerten. Unveröffentlichte Ergebnisse zeigten, dass L. Reuteri die Werte der sozialen Subdomänen des Adaptive Behavior Assessment System signifikant erhöhte und den Gesamtwert der Social Responsiveness Scale und der gastrointestinalen (GI) Symptome nach 6 Monaten verringerte. Verhaltensergebnisse basierend auf der Stratifizierung des intelligenten Quotienten (IQ) zeigten auch die Wirksamkeit von L. Reuteri in sozialen und GI-Bereichen bei ASD-Kindern mit normalem IQ-Bereich. Diese Studien unterstreichen die vielversprechende Rolle von Probiotika und Postbiotika bei ASD-Kindern.

Ziele. Eine multizentrische, doppelblinde, sequentielle randomisierte kontrollierte Studie mit Butyrat vs. Placebo wird an 128 ASD-Kindern (geschätzte Stichprobengröße) durchgeführt, um die Wirksamkeit der postbiotischen Nahrungsergänzung bei funktionellen Magen-Darm-Störungen bei Kindern mit ASD zu bewerten. Ein sekundäres Ziel besteht darin, zu definieren, ob und in welchem ​​Ausmaß die Butyrat-Supplementierung das ASD-Verhalten und die Kernsymptome beeinflussen könnte. Das dritte Ziel besteht darin, klinische und/oder biologische Determinanten der Reaktion von ASD-Kindern auf eine postbiotische Nahrungsergänzung zu identifizieren.

Materialen und Methoden. Die Azienda Ospedaliera Universitaria Federico II von Neapel und das Policlinico Tor Vergata Krankenhaus werden Eltern von 3-6-jährigen ASD-Kindern zur Teilnahme an der Studie einladen. Wenn sie zustimmen, werden vollständige Informationen über das Protokoll bereitgestellt und eine schriftliche, unterschriebene Einverständniserklärung eingeholt. ASD-Diagnose, Schweregrad und klinische Funktion werden gemäß den Kriterien des Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders (DSM-5) und Goldstandard-Tests definiert; Die FGID-Diagnose wird anhand des Rom-III-Kriterienfragebogens und des 6-GSI durchgeführt. Die Ernährungsgewohnheiten der Kinder werden anhand des dreitägigen Ernährungstagebuchs beurteilt. Klinische Zentren senden Daten zu Alter, Geschlecht und IQ an das Istituto Superiore di Sanità für das zentralisierte Randomisierungsverfahren in der REDCap-Plattform. Zu Studienbeginn (Zeitpunkt 0) werden die Eltern zu einer umfassenden klinischen Bewertung in die Azienda Ospedaliera Universitaria Federico II von Neapel und das Policlinico Tor Vergata-Krankenhaus eingeladen, einschließlich anamnestischer Interviews und der Durchführung standardisierter Tests für Autismus und Magen-Darm-Symptome, globale Entwicklung sowie Anpassungs- und Verhaltensmuster Funktion. Es werden Blut- und Stuhlproben für genetische und metabolische Analysen entnommen und es wird auch eine Elektroenzephalographie durchgeführt.

Die Eltern erhalten je nach Zuteilungsverfahren 16 Wochen (4 Monate) lang eine Butyrat- oder Placebo-Ergänzung. Die Behandlungen werden gemäß dem Randomisierungsschema ohne Bezug auf die Gruppenzuordnung nummeriert, die nur dem Statistiker des Istituto Superiore di Sanità bekannt ist, der die Liste erstellt. Der zentrale Apothekendienst des Akademischen Krankenhauses Federico II von Neapel bereitet die Beutel und den Inhalt nicht unterscheidbarer Behandlungen (gleiche Farbe, gleicher Geruch, gleicher Geschmack) vor. Klinische Zentren werden am Ende des Ergänzungszeitraums (Zeitpunkt 1) eine vollständige Bewertung wiederholen. Zum Zeitpunkt 2 (nach 4 Monaten bis zum Ende des Zeitpunkts 1) werden die Eltern gebeten, Fragebögen zum Zeitpunkt 1 auszufüllen, um die langfristige Wirkung – Konsolidierung – der Nahrungsergänzung zu bewerten. Um weitere Beschwerden für Kinder und Familien zu vermeiden, werden zum Zeitpunkt 2 keine Blut- und Stuhlproben entnommen.

Determinanten der Reaktion auf die Butyrat-Supplementierung und Biomarker, die Responder von Non-Respondern unterscheiden, werden durch die Implementierung von Hochleistungsrechnen und künstlicher Intelligenz in die mehrdimensionalen klinischen und biologischen Datensätze identifiziert, die auf der vom Istituto Superiore di Sanità entwickelten und verwalteten digitalen Plattform gesammelt werden. Mithilfe des ML-Ansatzes, einer Teilmenge der künstlichen Intelligenz, wird die Universität Federico II von Neapel den Datensatz analysieren, um Beziehungen ohne vorab zugewiesene Modellierung herzustellen. ML ist ein innovativer Ansatz zur Bereitstellung robuster Vorhersagen, der Überwindung deskriptiver statistischer Modelle und des Nachweises eines digitalen Zwillings für die betrachteten Phänomene. Klinische, verhaltensbezogene, entzündliche und immunologische Faktoren sind bei ASD verändert. Aufgrund der großen Variabilität dieser Probleme bei Personen mit ASD ist es jedoch schwierig vorherzusagen, wer am wahrscheinlichsten auf eine bestimmte Intervention reagiert, mit welcher Intensität und für welche Dauer. Zu diesem Zweck werden die Forscher ein probabilistisches Multidomänen-Datenintegrationsmodell entwickeln, das aus dem Darmmikrobiom, Immun- und Entzündungsbiomarkern in peripheren Blut- und Stuhlproben sowie klinischen/verhaltensbezogenen Biomarkern besteht, die ML nutzen, um Therapeutika zu verbessern und die Prognose von ASD vorherzusagen . Klinische und Verhaltensvariablen, die in den Datensatz aufgenommen werden sollen, werden durch die im experimentellen Design beschriebenen Tests/Fragebögen erfasst. Darmmikrobiom-, Immun- und Entzündungsvariablen werden zu Studienbeginn (Zeitpunkt 0) und am Ende der Nahrungsergänzung (Zeitpunkt 1) anhand von Blut- und Stuhlproben erfasst. Die Zusammensetzung des Darmmikrobioms wird durch die Shotgun-Metagenomik charakterisiert. Die Genome dominanter Stämme werden auch mit einer kürzlich validierten Standardpipeline rekonstruiert und verglichen, um festzustellen, ob bei der Behandlung mit Butyrat eine Variation des Stammniveaus vorliegt. Der Gehalt an kurzkettigen Fettsäuren im Stuhl (SCFAs: Acetat, Propionat und Butyrat) wird wie zuvor beschrieben durch Gaschromatograph-Massenspektrometrie bestimmt. Eine veränderte Zusammensetzung des Darmmikrobioms kann die Darmbarriere verändern, was möglicherweise die Translokation von Bakterien und ihren Antigenen, Toxinen und Metaboliten ermöglicht und zu mehreren Veränderungen der Zytokinproduktion, der Immunzellpopulationen sowie der Zellaktivierungsmarker führt.

Die Randomisierung und die Verschleierung der Zuordnung werden vom Istituto Superiore di Sanità durchgeführt. Die Randomisierung wird mithilfe des Verfahrens Ralloc in STATA erstellt, nach der Registrierung über die RECap-Plattform verwaltet und den Klinikern vom Istituto Superiore di Sanità zur Verfügung gestellt. Zur Gewährleistung der Studien- und Studienintegrität wurden spezifische Standardoperationsverfahren (SOPs) definiert. Ein verblindeter Statistiker analysiert Daten mit Stata 16.1.