C-BIRD: Kausales biostatistisches Framework für die interpretierbare und robuste Entdeckung von polymikrobiellen Biomarkern im menschlichen Mikrobiom

• Antragsteller: Dr. Sven Kleine Bardenhorst
• Fachliche Zuordnung: Epidemiologie und Medizinische Biometrie/Statistik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 576733886

Das Mikrobiom ist ein wesentlicher Faktor für Gesundheit und Krankheit, doch die pathophysiologischen Mechanismen der Wirt-Mikrobiom-Interaktion und ihre Translation in die Praxis sind unzureichend verstanden. Da Veränderungen des Mikrobioms häufig latente Prozesse widerspiegeln, ist es unwahrscheinlich, dass ein einzelnes Taxon als universeller Biomarker dient. Stattdessen ist von polymikrobiellen Verschiebungen auszugehen und die Entdeckung dieser komplexen Veränderungen stellt eine zentrale Herausforderung dar. Latent Dirichlet Allocation (LDA) bietet hierfür einen vielversprechenden Ansatz, birgt jedoch neue Herausforderungen: geringe Reproduzierbarkeit, schwer interpretierbare Cluster, eingeschränkte kausale Aussagekraft und fehlende Generalisierbarkeit. Dies verstärkt die translationale Lücke in der Mikrobiomforschung - insbesondere den Mangel an Validierung und Generalisierung in unabhängigen, populationsbasierten und longitudinalen Kohorten. Um diese Lücke zu schließen, soll in diesem Projekt das C-BIRD-Framework (Causal Biostatistical Framework for Interpretable and Robust Discovery of Polymicrobial Biomarkers) entwickelt werden. C-BIRD erweitert LDA durch: (i) Iterationsmittelung zur Reduktion von Zufälligkeiten, (ii) Vereinfachung komplexer Muster auf interpretierbare Schlüsselbakterien, (iii) Verknüpfung mit klinisch relevanten Endpunkten und (iv) kausal gestützte Inferenz zur Berücksichtigung systematischer Verzerrungen. Ziel ist es, eine robuste, interpretierbare Pipeline zu schaffen, die übertragbare polymikrobielle Biomarker für Risikostratifizierung, diagnostische Früherkennung und Prognose liefert. Die Anwendung wird am Beispiel des systemischen Lupus erythematodes (SLE) demonstriert - einer multisystemischen, entzündlichen und klinisch heterogenen Autoimmunerkrankung bei der wachsende Evidenz auf eine wichtige Rolle von Mikrobiom-Immunsystem-Interaktionen hinweist. Basierend auf diversen klinischen (Längsschnitt-)Kohorten wird C-BIRD genutzt, um SLE-relevante polymikrobielle Marker zu identifizieren, mit serologischen und klinischen Phänotypen zu verknüpfen und ihre Reproduzierbarkeit und Generalisierbarkeit zu prüfen. Darüber hinaus wird anhand der NAKO-Gesundheitsstudie die Übertragbarkeit auf die Bevölkerung geprüft: ob validierte mikrobielle SLE-Biomarker bei Antikörper-positiven Personen in der Allgemeinbevölkerung nicht nur nachweisbar sind, sondern auch mit Krankheitsprogression und Übergang zu klinisch manifestem SLE assoziiert werden können. Das Ziel des Projekts ist die methodische Weiterentwicklung und ein besseres Verständnis, wie mikrobielle Signaturen zuverlässig entdeckt, interpretiert und über verschiedene Kontexte hinweg bewertet werden können. Damit soll C-BIRD zu einem konzeptionellen Rahmen beitragen, der die translationale Mikrobiomforschung konsequent auf Reproduzierbarkeit und Generalisierbarkeit ausrichtet und so den Weg für robuste Anwendungen in klinischer und populationsbasierter Forschung ebnet.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Australien
• Gastgeberin: Dr. Simone Li