Das Darmmikrobiom als Modulator von Langlebigkeit, Gesundheit und Krankheit

Das Darmmikrobiom ist ein komplexes Ökosystem, das sich hauptsächlich im Magen-Darm-Trakt (GI) befindet. Veränderungen in der Zusammensetzung oder Funktion innerhalb der Darmmikrobiota tragen nachweislich zu Gesundheit und Krankheit bei, einschließlich immunologischer, metabolischer und neuro-behavioraler Eigenschaften. Die Zusammensetzung der Darmmikrobiota kann von Mensch zu Mensch sehr unterschiedlich und vielfältig sein, obwohl einige wichtige Bakterienarten in den meisten Fällen vorhanden sind.

Der menschliche GI-Trakt enthält bis zu 1013-1014 Bakterienzellen, die aus bis zu 1000 verschiedenen Arten bestehen. Das sind zehnmal mehr als Zellen im menschlichen Körper. Es wird geschätzt, dass über 70% aller Mikroben im menschlichen Körper befinden sich im Darm (Dünn- und Dickdarm).

Die Darmmikrobiota scheint eine Vielzahl funktioneller Eigenschaften auszuüben, die sich auf die menschliche Physiologie und Pathologie auswirken: Modulation der Energieaufnahme und -gewinnung durch die Produktion von Vitaminen und die Fermentation unverdaulicher Nahrungsbestandteile, Einfluss auf die intestinale Homöostase, die Entwicklung, Funktion und Reifung des Immunsystems und den Arzneimittelstoffwechsel.

Nicht diätetische Faktoren, die die Darmmikrobiota beeinflussen

Die Darmmikrobiota wird durch eine Kombination aus extrinsischen (z. B. Lebensstil und Drogenkonsum) und intrinsischen (z. B. genetische Faktoren) Faktoren geformt. Wie auch immer, Genetik sind lediglich für einen durchschnittlichen Anteil von 8,8% an der Zusammensetzung der Darmmikrobiota verantwortlich. Letztere ist sehr individuell auf den Wirt zugeschnitten und wird über die gesamte Lebensspanne hinweg geformt, wobei die einzigartige Zusammensetzung der Bakterien bereits bei der Geburt beginnt.

In den frühen Lebensphasen scheinen mehrere "nicht diätetische" Faktoren die Zusammensetzung des Darmmikrobioms zu beeinflussen. Die wichtigsten Einflüsse auf die neonatale Mikrobiota sind die Art der Entbindung, die Ernährung des Säuglings, der Einsatz von Antibiotika, das Gestationsalter und der Krankenhausaufenthalt des Säuglings. Eine Termingeburt, eine vaginale Entbindung, ein kurzer Krankenhausaufenthalt, eine geringere Antibiotikaexposition und das Stillen werden mit einer ''günstigeren'' Darmmikrobiota in Verbindung gebracht. Daher verändert sich die Darmmikrobiota kurz nach der Geburt durch das Stillen dramatisch, gefolgt von einer sekundären Verschiebung bei der Einführung fester Nahrung, und stabilisiert sich im Alter von etwa drei Jahren. Im Alter von drei Jahren hat sich ein stabileres und erwachsenenähnliches mikrobielles Milieu etabliert, das widerstandsfähiger gegen Störungen ist. Nach diesem Zeitpunkt können Umweltfaktoren wie Ernährung und Medikamente, aber auch Störungen des Immunsystems die Zusammensetzung des Darmmikrobioms weiterhin beeinflussen. Es wird sogar vermutet, dass sich das Darmmikrobiom über die frühe Kindheit hinaus weiter entwickelt.

Der Einfluss der Ernährung auf die Darmmikrobiota

Trotz einer Tendenz zur mikrobiellen Stabilität im Erwachsenenalter können sich Qualität und Quantität der Nährstoffe immer noch auf die Darmmikrobiota auswirken. Insbesondere wird angenommen, dass die Ernährung mehr als 20% der mikrobiellen Strukturvariationen beim Menschen erklärt, was auf das Potenzial von Ernährungsstrategien für die Krankheitsbewältigung durch Modulation der Darmmikrobiota hinweist. Eine abwechslungsreiche Ernährung, insbesondere die Anzahl der verzehrten pflanzlichen Lebensmittel, wird mit einer größeren mikrobiellen Vielfalt in Verbindung gebracht. Ernährungsumstellung kann neue Arten hervorbringen und andere vermehren, wodurch sich die Vielfalt und der Reichtum an nützlichen Bakterien erhöht. Die Dauer einer Ernährungsintervention, die erforderlich ist, um eine dauerhafte Veränderung des mikrobiellen Kernprofils zu bewirken, muss jedoch noch ermittelt werden. Beim Menschen kommt es als Reaktion auf Ernährungsmaßnahmen zu schnellen, aber vorübergehenden Veränderungen der Darmmikrobiota. So ist beispielsweise eine veränderte Aufnahme von Ballaststoffen positiv mit einer Veränderung der Abundanz von 15% der Mikrobengemeinschaft am folgenden Tag korreliert. Inhalt, Menge und Art der Ballaststoffe scheinen entscheidende Faktoren für die Mikrobiota zu sein, insbesondere Obst- und Getreidefasern. Dennoch gehen die mikrobiellen Veränderungen ohne fortgesetzten Verzehr innerhalb von achtundzwanzig Tagen verloren. 

In ähnlicher Weise veränderte sich die Zusammensetzung der Darmmikrobiota bei ausschließlich pflanzlicher oder ausschließlich tierischer Ernährung, wobei die tierische Ernährung innerhalb von 24 Stunden zu einer signifikanten Abnahme der guten Bakterien führte. Allerdings kehrte die Mikrobiota der Probanden innerhalb von drei Tagen nach der Intervention zum Ausgangswert zurück.

Darüber hinaus geht eine diätbedingte Gewichtsabnahme mit spezifischen Veränderungen in der Zusammensetzung des Darmmikrobioms einher, und zwar in Form einer Zunahme nützlicher, entzündungshemmender Bakterien und einer Verringerung von Krankheitserregern.

Alles in allem hat sich gezeigt, dass die Ernährung zwar eine Veränderung der mikrobiellen Zusammensetzung innerhalb von nur drei Tagen ermöglicht, dass aber langfristige und nachhaltige Änderungen der Ernährungsgewohnheiten die wichtigste Voraussetzung für die Aufrechterhaltung der Auswirkungen der Ernährung auf die Darmmikrobiota sind. 

Ballaststoffe sind der Nährstoff, von dem am häufigsten angenommen wird, dass er sich positiv auf die Zusammensetzung der Mikrobiota auswirkt. Andere Lebensmittelbestandteile wie Polyphenole, eine Gruppe von Antioxidantien, gelten ebenfalls als vorteilhaft. Am anderen Ende des Spektrums wird eine westliche Ernährungsweise mit einem erhöhten Verzehr von raffinierten Kohlenhydraten, fettreichen tierischen Produkten und stark verarbeiteten Lebensmitteln mit ungünstigen Veränderungen der Zusammensetzung der Darmmikrobiota in Verbindung gebracht. 

Das derzeitige Wissen darüber, wie sich bestimmte Ernährungsgewohnheiten langfristig auf die Darmmikrobiota auswirken, ist jedoch begrenzt, so dass keine zuverlässigen Schlussfolgerungen gezogen werden können.

Die Wirkung von Bewegung auf die Darmmikrobiota

Bewegung kann Veränderungen in der Vielfalt und Zusammensetzung der Darmmikrobiota verstärken. Diese Veränderungen können zu einer Verringerung der entzündungsfördernden Darmbakterien und ihrer Stoffwechselprodukte und zu einer Zunahme nützlicher mikrobieller Produkte wie Butyrat führen, die mit einer verbesserten Stoffwechselgesundheit und Insulinempfindlichkeit in Verbindung gebracht werden. Und zwar mindestens in dem von der WHO empfohlenen Umfang (150 Minuten mäßig intensive aerobe körperliche Aktivität in der Woche oder 75 Minuten intensive aerobe körperliche Aktivität in der Woche), körperliche Betätigung eine veränderte Zusammensetzung der Darmmikrobiota, die eine größere Fülle an nützlichen Bakterien fördert. 

Doch selbst intensive Trainingseinheiten (>70%VO2max) oder Ultra-Ausdauerwettkämpfen (z. B. Triathlon), die zwar unmittelbar danach zu einer erhöhten systemischen und intestinalen Entzündungsreaktion führen, aber diese Veränderungen sind nur vorübergehend, und die Vorteile einer solch hohen Trainingsintensität überwiegen die vorübergehenden Nachteile.

Und schließlich wirkt sich neben der Wirkung von Bewegung an sich auch der allgemeine Fitnesszustand auf das Mikrobiom aus. So hat sich gezeigt, dass das Mikrobiom fitter Menschen eine erhöhte Produktion nützlicher bakterieller Stoffwechselprodukte, wie Butyrat, aufweist.

Darmmikrobiota und metabolische Gesundheit

Jüngste Beweise deutet auf die mögliche Rolle der Darmmikrobiota als pathogener Faktor hin, der das metabolische Gleichgewicht des Wirts und Störungen wie das metabolische Syndrom beeinflusst. Das metabolische Syndrom ist durch miteinander verbundene physiologische, biochemische, klinische und metabolische Faktoren definiert, die mit einem erhöhten Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Diabetes mellitus Typ II verbunden sind. Die wichtigsten Merkmale des metabolischen Syndroms sind erhöhter Blutdruck, Dyslipidämie, erhöhter Nüchternblutzucker und zentrale Adipositas. 

Der Mechanismus, durch den Darmbakterien zu Fettleibigkeit führen, läuft über komplexe Stoffwechselfunktionen, einschließlich Appetit des Wirtes, Energieaufnahme und Energiegewinnung. Genauer gesagt hydrolysieren und fermentieren Darmmikroben Nahrungspolysaccharide, die vom Dünndarm nicht verdaut und absorbiert werden, und produzieren kurzkettige Fettsäuren (SCFAs). Die kurzkettigen Fettsäuren, wie Propionat, Butyrat und Acetat, werden im Dickdarm absorbiert und vom Wirt als Energiequelle genutzt, wodurch sich die tägliche Kalorienzufuhr erhöht. 

Schließlich führt die Interaktion zwischen den mikrobiellen Produkten, wie z. B. SCFAs, und dem Immunsystem des Wirts zu einer metabolischen Endotoxämie, die dann für die Entwicklung von Fettleibigkeit und Insulinresistenz, also dem metabolischen Syndrom, verantwortlich ist. Die fortschreitende Entwicklung von Glukoseintoleranz und Diabetes geht mit einer entsprechenden Abnahme der entzündungshemmenden Bakterien und einer Zunahme der Krankheitserreger einher.

Übergewicht und Adipositas hingegen verursachen funktionelle Veränderungen in der Darmmikrobiota selbst, die zu einer noch stärkeren Produktion von SCFAs und damit zu einer erhöhten Kapazität der Energiegewinnung führen, was sich wiederum nachteilig auf das Gewicht und die metabolische Gesundheit auswirkt. 

Es ist jedoch nicht klar, wie und warum die Darmmikrobiota bei fettleibigen Menschen mehr Energie aus der aufgenommenen Nahrung zu gewinnen scheint.

Es ist jedoch bekannt, dass ein geringer genetischer Reichtum der Darmmikrobiota, der eine geringere mikrobielle Vielfalt widerspiegelt, im Vergleich zu Personen mit hohem bakteriellem Genreichtum mit allgemeiner Adipositas, Insulinresistenz, einer erhöhten Anzahl entzündlicher Darmmikroben und einer geringeren Anzahl nützlicher Darmmikroben korreliert. 

Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass eine Untergruppe von Personen mit geringem mikrobiellen Genreichtum weniger gut auf therapeutische Strategien gegen das metabolische Syndrom, wie z. B. Ernährung und Bewegung, anspricht. 

Darmmikrobiota und psychische Gesundheit

Eine gesunde Darmfunktion ist mit einer normalen Funktion des zentralen Nervensystems (ZNS) verbunden. Hormone, Neurotransmitter und immunologische Faktoren, die aus dem Darm freigesetzt werden, senden entweder direkt oder über autonome Neuronen Signale an das Gehirn. In jüngster Zeit sind Studien erschienen, die sich mit Variationen im Mikrobiom und den Auswirkungen auf verschiedene ZNS-Erkrankungen befassen, darunter Angstzustände, Depressionen und Autismus. Wie bereits erwähnt, entsteht eine metabolische Endotoxämie, wenn das menschliche Mikrobiom durch Ernährungsfaktoren, Medikamente wie Antibiotika usw. beeinträchtigt wird. Pathogene Bakterien und ihre Stoffwechselprodukte gelangen durch den Darm in den Blutkreislauf und schädigen die Gesundheit des Wirtes, einschließlich psychiatrischer Störungen wie Depression und Autismus. 

Darmmikrobiota und Darmgesundheit

Die Beziehung zwischen dem Darm und dem Gehirn ist wechselseitig. Mit anderen Worten: So sehr eine ungesunde Darmmikrobiota zu psychischen Problemen führen kann, so sehr kann sich auch das Gehirn auf den Magen-Darm-Trakt auswirken. Der Magen-Darm-Trakt reagiert empfindlich auf Emotionen, und Gefühle wie Wut, Angst und Traurigkeit können Symptome im Darm auslösen. Dies gilt insbesondere für funktionelle GI-Störungen ohne erkennbare körperliche Ursache. Viele Patienten mit funktionellen Magen-Darm-Störungen, wie z. B. dem Reizdarmsyndrom (IBS), nehmen Schmerzen akuter wahr als Gesunde, und Stress kann die bestehenden Magen-Darm-Symptome verschlimmern. 

Darmmikrobiota und Lungengesundheit

Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass die Darmmikrobiota eng mit der Gesundheit und Krankheit der Atemwege zusammenhängt und eine entscheidende Rolle bei der Entstehung von Asthma, chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD), zystischer Fibrose (CF), Lungenkrebs und Atemwegsinfektionen spielt.

Die frühzeitige Einnahme säurehemmender Medikamente und Antibiotika, der Verzehr von Fast Food, Kaiserschnittentbindungen und die Fütterung mit Säuglingsnahrung - alles Faktoren, von denen bekannt ist, dass sie sich negativ auf die Darmmikrobiota auswirken - stehen in einem Zusammenhang mit einem erhöhten Asthmarisiko. Im Gegensatz dazu stehen eine hohe Ballaststoffzufuhr, eine vaginale Entbindung und das Stillen - alles Faktoren, die sich bekanntermaßen positiv auf die Darmmikrobiota auswirken - in einem negativen Zusammenhang mit Asthma. 

Eine aktuelle Studie zeigten einen Zusammenhang zwischen einer geringen Vielfalt des Darmmikrobioms im frühen Leben und Asthma in der Kindheit. Darüber hinaus wiesen Säuglinge, die mit künstlicher Säuglingsnahrung gefüttert wurden, im Vergleich zu gestillten Säuglingen eine geringere Vielfalt des Darmmikrobioms und ein höheres Risiko für Asthma und allergische Erkrankungen auf.

Andererseits wies die Darmmikrobiota von Mukoviszidose-Patienten eine geringere bakterielle Abundanz, Reichhaltigkeit und Vielfalt sowie eine andere mikrobielle Zusammensetzung auf als die der gesunden Kontrollpersonen. 

Zigarettenrauchen kann sich auch auf die Darmmikrobiota auswirken, indem es die selektive Vermehrung von Entzündungsbakterien und ihren Stoffwechselprodukten fördert, die über das Blut und das Lymphsystem in den Körperkreislauf gelangen und Entzündungsreaktionen in der Lunge regulieren können, was zu Lungenerkrankungen führt.

Probiotika und Präbiotika

Probiotika sind lebende Mikroorganismen, die, wenn sie in ausreichender Menge verabreicht werden, den Darm besiedeln und sich dort vermehren können, wodurch sie die Darmmikrobiota beeinflussen und möglicherweise eine positive Wirkung auf die Gesundheit des Wirts haben. Mehrere Studien haben gezeigt, dass probiotische Stämme, insbesondere solche von Lactobacillus- und Bifidobacterium-Arten, zahlreiche positive Wirkungen haben, darunter die Behandlung von Infektionen und Antibiotika-assoziierter Diarrhöe, die Verbesserung der Glukosetoleranz und der Insulinresistenz bei Typ-II-Diabetes sowie die Remission und Aufrechterhaltung von entzündlichen Darmerkrankungen (IBD). Die verfügbaren Belege für den Einsatz von Probiotika bei der Behandlung dieser Krankheiten sind jedoch noch schwach.

Präbiotika hingegen werden als unverdauliche Polysaccharide definiert, die das Wachstum einer begrenzten Anzahl von Arten der Darmmikrobiota, die dem Wirt gesundheitliche Vorteile bringen, selektiv stimulieren. Die am meisten untersuchten Präbiotika sind Inulin und verschiedene Arten von Fructooligosacchariden, d. h. pflanzliche Zucker, die natürlich in Obst und Gemüse vorkommen. Eine kürzlich durchgeführte klinische Studie die die positiven Auswirkungen von Präbiotika auf Probanden mit metabolischem Syndrom untersuchten, berichteten über eine statistisch signifikante Senkung des postprandialen Glukose- und Insulinspiegels. Die Daten über ihre Auswirkungen auf das Körpergewicht, den Fettabbau und die Sättigung sind jedoch noch umstritten.

Obwohl mehrere Studien über ermutigende Ergebnisse bei ihrer Verabreichung berichtet haben, gibt es noch keine soliden klinischen Beweise, die ihren therapeutischen Einsatz bei Stoffwechselkrankheiten empfehlen, und es fehlt noch an Wissen über ihre langfristige Wirksamkeit und ihre klinischen Auswirkungen auf die Zusammensetzung der Darmmikrobiota.

Die wichtigsten Erkenntnisse

Menschliche Zellen sind zehnmal kleiner als bakterielle Zellen, von denen 70% im Darm zu finden sind.

Die Darmmikrobiota wird durch eine Kombination aus extrinsischen (z. B. Lebensstil und Drogenkonsum) und intrinsischen (z. B. Genetik) Faktoren geformt, wobei die Genetik nur für einen〜9% Teil ihrer Zusammensetzung verantwortlich ist.

Ernährung und Bewegung sind zwei der wenigen Umweltfaktoren, die die Zusammensetzung eines bereits etablierten Mikrobioms im Erwachsenenalter dauerhaft verändern können.

Die Darmmikrobiota wird mit vielen schweren chronischen Krankheiten in Verbindung gebracht, darunter Diabetes Typ II, Asthma, Autismus und Depressionen.