Foto: Räumliche Struktur des intestinalen Bioms

Konkretes zum Mikrobiom des Darmes und der Wirkung von Probiotika

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Update: 11. Okt 2018 @ 17:15

Vorwort

Das Interesse für Themen aus dem Bereich Ernährung hat sich in letzter Zeit bei mir auf die Forschung um das Darmmikrobiom und seine Rolle für die Gesundheit fokussiert. Dies ist eine Patchwork-Arbeit. Extrakte aus 15 zumeist neueren Veröffentlichungen zum Thema geben wichtige Einblicke. Geschrieben in der Hoffnung eine starke Motivation zur Verbesserungen des eigenen gastro-intestinalen Lebensstils zu sein. Oder anders ausgedrückt, zusammengefügt in der Hoffnung in Ihnen das Bewusstsein und Verlangen für eine schöneres Bauchgefühl zu wecken.

Über das Darm-Mikrobiom

Es gibt etwa 100 Billionen Mikroorganismen im Darm, und die meiste Zeit machen sie Sie nicht krank. 90 Prozent der Zellen an und im menschlichen Körper bestehen aus Bakterien. Sie leben im Einklang mit dem Menschen und schützen ihn in der Regel vor Krankheiten.

In den letzten zehn Jahren haben zahlreiche Studien das Profil des Darm-Mikrobioms bei einer Vielzahl von Krankheiten, Lebensstilen, Regionen und auch nach der Geburt untersucht. Die Gemeinschaft des Mikrobioms geht mit bestimmten Bedingungen einher.

Veränderte Konfigurationen des Mikrobioms werden mit vielen Krankheitsbildern assoziiert aber meist nicht als ursächlich betrachtet. Entzündliche Darmerkrankungen, Allergien, Autoimmunerkrankungen, Diabetes, metabolisches Syndrom, Fettleber oder auch neurologische und psychiatrische Krankheitsbilder wie Morbus Parkinson, Fatigue-Syndrom, Depression und Autismus zählen dazu.

Jedoch liegt das Verständnis des gastrointestinalen Mikrobioms noch immer sehr in den Anfängen.

Der Säugetier-Darm ist warm, feucht und unglaublich nährstoffreich – eine Umgebung, die perfekt für das Bakterienwachstum ist. Die Gemeinschaften der „guten Bakterien“ im Darm, die allgemein als Mikrobiom bezeichnet werden, sind lebenswichtige Partner für den Körper. Sie helfen, Ballaststoffe zu verdauen, Nährstoffe zu extrahieren und verschiedene Krankheiten zu verhindern.

Darm-Mikrobiom, Immunsystem, Stoffwechsel

Die Gemeinschaft der Mikroorganismen im Darm übt einen regulatorischen Einfluss auf unser Immunsystem aus. Der größte Teil des menschlichen Immunsystems findet sich im Darm. Ein artenreiches Mikrobiom ist vorteilhaft.

Das Immunsystem reagiert energisch auf mikrobielle Infektionen und ermöglicht gleichzeitig eine lebenslange Besiedlung durch das Mikrobiom.

Der Darm produziert Immunglobulin A (IgA)-Antikörper in Gramm-Mengen, von denen angenommen wird, dass sie den Darm vor Krankheitserregern schützen.

Die Forscher glauben, dass IgA-Antworten zusätzlich zu ihrer Rolle bei der Beseitigung von Krankheitserregern vom Mikrobiom kooptiert werden können, um eine robuste hostmikrobielle Symbiose zu schaffen.

Darmbakterien von Mäusen mit kalorienreduzierter Diät produzieren weniger toxische Lipopolysaccharide (LPS). Die bakteriellen LPS-Moleküle lösen eine Immunreaktion aus, indem sie den spezifischen Signalrezeptor TLR4 (Toll-like Receptor 4) aktivieren.

So verlängert eine kalorienarme Ernährung das Leben von Mäusen und sie werden auch gesünder und schlanker. Ausschlaggebend ist die Darmflora und ihre Auswirkung auf das Immunsystem.

Das Immunsystem wird nicht nur vom Mikrobiom kooptiert um eine robuste hostmikrobielle Symbiose zu schaffen oder Infektionen zu bekämpfen, sondern es spielt auch eine Schlüsselrolle bei der Stoffwechselregulierung.

Mikrobiom und Ernährung

Unsere Nahrungsaufnahme ist durch individuelle Vorlieben und von regional- und landesspezifisch tradierten Nahrungsmitteln und Gerichten geprägt.

Die Zusammensetzung der Ernährung hat Einfluss auf das Muster der Kolonisation der an der Verdauung beteiligten Mikroorganismen.

Diese sind vielfältig und unterscheiden sich von Darmabschnitt zu Darmabschnitt. Sie stehen in einer als Homöostase bezeichneten Dynamik des Gleichgewichts miteinander.

Selbst bei einer standardisierten Ernährung verändert sich die Darmflora von Tag zu Tag.
Die Haupttreiber der Zusammensetzung des Mikrobioms sind die Nahrungsfasern.

Ballaststoffe, gute Mikroben, SCFAs, Butyrat, Mikroglia

Ballaststoffreiche Diäten begünstigen gute Mikroben, während fettreiche und proteinreiche Diäten einen negativen Einfluss auf die mikrobielle Zusammensetzung und Funktion haben können.

Mit zunehmendem Alter der Säugetiere entzünden sich die Immunzellen im Gehirn, die als Mikroglia bekannt sind, chronisch. In diesem Zustand produzieren sie Chemikalien, von denen bekannt ist, dass sie die kognitive und motorische Funktion beeinträchtigen. Das ist eine Erklärung dafür, warum das Gedächtnis verblasst und andere Gehirnfunktionen im Alter abnehmen.

Wenn Bakterien Ballaststoffe verdauen, produzieren sie kurzkettige Fettsäuren (SCFAs), einschließlich Butyrat, als Nebenprodukte.

Butyrat ist von Interesse, da es nachweislich entzündungshemmende Eigenschaften auf die Mikroglia hat und das Gedächtnis bei Mäusen verbessert.

Butyrat hemmt die Produktion schädlicher Chemikalien durch entzündete Mikroglia. Eine dieser Chemikalien ist Interleukin-1β, das mit der Alzheimer-Krankheit beim Menschen in Verbindung gebracht wird.

Gruppen von jungen und alten Mäusen bekamen eine ballaststoffarme und eine ballaststoffreiche Ernährung.

Butyrat und andere SCFAs im Blut zeigten sich in der letzteren Gruppe für junge als auch für alte Mäuse erhöht und die Darmentzündung der alten Mäuse dramatisch reduziert.

Junge Mäuse hatten auch bei ballaststoffarmer Kost keine Inflammationen im Darm.

Anhand von 50 einzigartigen Genen der Mikroglia sahen die Forscher auch das Entzündungsprofil im Gehirn der älteren Tieren reduziert.

Tradiertes Mikrobiom, Fast-Food-Mikrobiom, Sporenbildung

Die Ernährung beeinflusst das Mikrobiom über Generationen hinweg. Eine gesunde Darmflora ist artenreich. Eine abwechslungsreiche Ernährung mit vielen Ballaststoffen fördert die Bakterienvielfalt.

Die typisch westliche Kost geht mit einer artenarmen Darmflora einher. Fast-Food-Eltern geben ihre in dieser Hinsicht verkümmerte Darmflora an ihre Kinder weiter. Dieser Verlust an Diversität lässt sich nicht ohne Weiteres beheben. Auch dann nicht, wenn sich die Kinder später gesund und ballaststoffreich ernähren.

Die Darmbakterien sind auch im Labor kultivierbar. Über die Hälfte der gefundenen Arten bildet widerstandsfähige Sporen. Dies bedeutet, dass sie sich leicht von Mensch zu Mensch übertragen lassen. Etwa durch ein Händeschütteln oder von einen Haltegriff bei der abendlichen Heimfahrt mit dem Bus.

Darmmikrobiom und vaginaler Mikrobentransfer

Per Kaiserschnitt geboren Kinder haben ein anderes Darm-Mikrobiom als Babys, die auf natürlichem Weg zur Welt kommen. Es besteht überwiegend aus Bakterien die sich auf Händen und im Gesicht ansiedeln. Die Entwicklung einer gesunden Darmflora dauert bei ihnen ein Vierteljahr länger.

Diese Entwicklungsstörung der Darmflora wird für die erhöhte Rate von allergischen Erkrankungen, Asthma, Gewichtsproblemen und anderen Störungen der von per Sectio caesarea geborenen Kindern als Ursache vermutet. Sie kann teilweise durch einen vaginalen Mikrobentransfer behoben werden.

Bei normal geborenen Kindern gleicht die Darmflora jener der Mutter. Das Kind schluckt im Geburtskanal Vaginalsekret. Das vaginale Mikrobiom und das der Darmflora sind sehr ähnlich.
In der Geburtshilfe reibt man die Kaiser-Schnitt-Kinder nun manchmal mit dem Vaginalsekret der Mutter ein. Auch wird ihnen etwas davon in den Mund getropft. Vaginal Seeding nennt sich diese Prozedur auch.

Stuhlmikrobiom und gastrointestinales Mikrobiom

Für ein Vergleich von Stuhl-Mikrobiom mit dem innerlich gewonnenen wurde auch das gastrointestinale Mikrobiom der menschlichen Schleimhaut metagenomisch charakterisiert.

Dabei zeigte es sich, dass es nur teilweise mit dem Stuhl-Mikrobiom übereinstimmt. Fast alle Forschung am Mikrobiom erfolgte bislang über die im Stuhl vorgefundenen Mikroorganismen.

Probiotika, P. als Lebensmittel, Kolonisationsmuster

Auch gesunde Menschen konsumieren Probiotika. Sie erhoffen sich mehr Lebensqualität und mehr Widerstandskraft gegen Krankheiten. Das Mikrobiom unseres Darmes spielt eine große Rolle für die Gesundheit.

Probiotika werden in Kapselform oder als Lebensmitteln wie Joghurt, Kefir, Buttermilch, Kimchi oder Sauerkraut, aufgenommen.

Der Nachweis der Wirksamkeit der probiotischen Besiedlung der Darmschleimhaut bleibt spärlich und umstritten. So zeigten sich In einer Versuchsgruppe, die Probiotika erhielt, zwei verschieden Reaktionsmuster.

Eines widersetzte sich der Kolonisation des Bioms der Probiotika, ein anderes nahm die Kolonisation an und zeigte eine Veränderung des Darm-Mikrobioms und seiner Gene. Nur bei einem Teil einer untersuchten Menschengruppe integrierte sich das Mikrobiom aus den verabreichten Probiotika, im anderen Teil nicht.

Menschen zeichnen sich durch eine individuelle Resistenz der Darm-Schleimhaut gegenüber der Kolonisation durch das Mikrobiom von Probiotika aus. Bei einem Teil scheint die Zufuhr von Probiotika nutzlos zu sein. Die Befunde entkräften aber die Vermutung, dass das Biom der Probiotika bei einer Magen-Darm-Passage nicht lebensfähig bliebe.

Die Ansiedlung von Probiotika-Bakterien im Darm ist abhängig von den bestehenden Mustern der Kolonisation bei der Person. Es zeigen sich darin regionale und stammes-spezifische Muster der Zusammensetzung in der Darmschleimhaut des Menschen.

Bei den empfänglichen Personen haben die verabreichten Probiotika nur temporär und individuell Einfluss auf die Gemeinschaftsstruktur der Darmschleimhaut und des Darm-Transkriptom.

Nicht alle Mechanismen, die probiotische Stämme zur Koloniebildung nutzen können sind bekannt. Der größte Teil des menschlichen Immunsystems findet sich im Magen-Darm-Trakt. Die Ansiedlung gesunder Bakterien steht im Wettbewerb mit bakteriellen Krankheitserregern. Sie kann Darminfektionen verhindern und das Immunsystem dazu anregen, die pathologischen Keime zu bekämpfen. So kann der Gebrauch von Probiotika die Verschreibung von Antibiotika reduzieren.

Probiotika und Antibiotika-Therapie

Die Koloniebildung von Probiotika-Mikrobiomen im Darm ist stärker ausgeprägt, wenn die Personen vorher einer Antibiotika-Therapie ausgesetzt waren.

Die Antibiotika zerstören ein Teil des Mikrobioms und seines Gleichgewichts. Dies erleichtert den Probiotika-Mikroben in diese Lücke zu treten und sich festzusetzen.

Diese Ansiedlung von Probiotika nach Antibiotika-Therapie erfolgt disruptiv.

Die Forscher sprechen davon, dass dies zu einer langanhaltenden schweren Störung des Darm-Mikrobioms führt.

Im Vergleich zur spontanen nach-antibiotischen Erholung bewirken Probiotika eine deutlich verzögerte und anhaltend unvollständige Wiederherstellung des ursprünglichen Mikrobioms.

Das Gleichgewicht des eigenen Stuhl- beziehungsweise des Mukosa-Mikrobioms und des Wirts-Transkriptoms in Richtung homöostatischer Konfiguration wird deutlich verzögert.

Im Reagenzglas trugen Lactobacillus-sekretierte lösliche Faktoren zur Hemmung des probiotisch induzierten Mikrobioms bei.

Die Gabe von Probiotika nach Antibiotika-Therapie hemmte die vollständige Rückkehr des vorher vorhandenen Mikrobioms und die Wiederherstellung seines Gleichgewichts.

Die Genexpression im Darm wird dadurch ebenso gestört. Sie hält bis zu sechs Monate an.

Probiotika können das Darm-Mikrobiom eines Menschen für lange Zeit daran hindern, nach einer Antibiotika-Therapie wieder zur Normalität zurückkehren. Verschiedene Menschen reagieren hier auf Probiotika auf dramatisch unterschiedliche Weise.

Rückführung des eigenen intakten Mikrobioms nach Antibiotika-Therapie

Einigen Versuchspersonen wurde vor der Antibiotika-Therapie durch Endoskopie und Koloskopie Darm-Mikrobiom entnommen und nach der Therapie wieder eingeführt.

Sie zeigten eine schnelle und nahezu vollständige Erholung des Mikrobioms innerhalb weniger Tage

Zuviel Probiotika

Menschen, die Probiotika im Übermaß einnehmen können im Dünndarm riesige Kolonien an Lactobacillus-Bakterien aufzeigen. Diese produzieren große Mengen an D-Milchsäure. Beschwerden wie Blähbauch und Magenschmerzen, aber auch mentale Symptome wie Verwirrtheit können damit in Zusammenhang gebracht werden. Laktobacillus-Bakterien sind normalerweise nicht im Dünndarm angesiedelt.

Mikrobiom-Ansiedlung

Es ist noch weitgehend unbekannt, wie sich ein Mikrobiom überhaupt etabliert und erhalten kann.

Ein Befund zeigt, das Spezifische Nutzbakterien über einen molekularen Mechanismus verfügen, der die langfristige Besiedlung des Darms aktiv fördert. Im Gegensatz zu eindringenden Krankheitserregern, die vom Immunsystem angegriffen werden, laden bestimmte gute Bakterien im Darm eine Immunantwort ein, um eine robuste Darmkolonisation aufzubauen.

Das Immunsystem reagiert energisch auf mikrobielle Infektionen und ermöglicht gleichzeitig eine lebenslange Besiedlung durch das Mikrobiom.

Der Darm produziert Immunglobulin A (IgA)-Antikörper in Grammmengen, von denen angenommen wird, dass sie den Darm vor Krankheitserregern schützen.

In einer Studie mit Bacteroides fragilis, einem gemeinsamen menschlichen Komensal, schien es, dass diese Kommasal-Art die IgA-Haftkraft gezielt ausnutzt ihre Etablierung im Darm zu fördern.

Ein Regulationssystem in Bacteroides fragilis moduliert seine Oberflächenstruktur, um die Bindung von Immunglobulin A (IgA) in Mäusen zu fördern.

Die IgA-Antwort war erforderlich, damit B. fragilis (und andere kommensale Arten) eine Schleimhautnische besetzen konnte, die eine stabile Kolonisation des Darms durch Ausschluss von Konkurrenten vermittelt.

Die Forscher glauben, dass IgA-Antworten zusätzlich zu ihrer Rolle bei der Beseitigung von Krankheitserregern vom Mikrobiom kooptiert werden können, um eine robuste hostmikrobielle Symbiose zu schaffen.

Stuhltransplantation

Schwere entzündliche Darminfektionen mit Clostridium difficile werden öfter mit einer so genannten Fäkaltransplantation behandelt. Der Kranke bekommt den Stuhl und damit das Mikrobiom eines gesunden Spenders übertragen.

Die Stuhltransplantation ist auch ein bereits in Studien erprobtes Verfahren, die erhöhte Sterblichkeit von Patienten nach einer Chemotherapie, Knochenmarks-Transplantation oder einer Behandlung mit Breitspektrum-Antibiotika zu reduzieren. Die dadurch schwer geschädigte Darmflora wirkt sich negativ auf das Immunsystem und die Rekonvaleszenz aus.

Vor solchen Eingriffen sammeln die betroffenen Person Teile ihres Stuhls. Er wird eingefroren und nach der Behandlung wieder in den Darm eingespült. Dies führt zu einem schnellen Wiederaufbau einer gesunden Darmflora.

Eine Stuhltransplantation wirkt nachhaltig. Anders als Probiotika verändert sie die Darmflora dauerhaft.

Aus ärztlicher Sicht gilt zur Zeit jedoch immer noch die Einschränkung, dass abgesehen von schweren Clostridium-difficile-Infektionen Patienten mit anderen potenziellen Indikationen nur innerhalb von Studien mit fäkalem Mikrobiom-Transfer behandelt werden können.

Die Stuhlspende birgt Übertragungspotenzial für Krankheiten infektiöser wie nicht-infektiöser Art. Es bedarf daher umfangreicher anamnestischer und laborchemischer Untersuchungen, die in der Regel nicht von den Krankenversicherungen übernommen werden.

Quellen&Tiefen
LinksBilder
Der Artikel bezieht sich auf die nachfolgend verlinkten Veröffentlichungen:

01. Personalized Gut Mucosal Colonization Resistance to Empiric Probiotics Is Associated with Unique Host and Microbiome Features
06. September 2018, Cell
Die Resistenz gegen die Kolonisation von Darmschleimhaut durch Probiotika ist mit einzigartigen Wirts- und Mikrobiommerkmalen verbunden.

02. Post-Antibiotic Gut Mucosal Microbiome Reconstitution Is Impaired by Probiotics and Improved by Autologous FMT
06. September 2018, Cell
Die Rekonstitution des Mikrobioms des postantibiotischen Darms ist durch Probiotika beeinträchtigt und durch autologes FMT verbessert.

03. Functional Gut Microbiota Remodeling Contributes to the Caloric Restriction-Induced Metabolic Improvements
30. August 2018, Cell Metabolism
Funktionelle Darm-Mikrobiota-Remodellierung trägt zu den kalorienreduzierten metabolischen Verbesserungen bei.

04. Even on standardized diet, gut flora change from day to day
14. September 2018, Massachusetts Institute of Technology
Selbst bei standardisierter Ernährung verändert sich die Darmflora von Tag zu Tag.

05. Dietary fiber reduces brain inflammation during aging
14. September 2018, University of Illinois at Urbana-Champaign
Ballaststoffe reduzieren Hirnentzündungen während des Alterns.

06. Probiotic use may reduce antibiotic prescriptions
14. September 2018, Georgetown University Medical Center
Die Anwendung von Probiotika kann die Verschreibung von Antibiotika reduzieren.

07. „DARMAUFBAU“ NACH ANTIBIOTIKA – Probiotika – nicht immer sinnvoll und harmlos
11. September 2018, DAZ.online STUTTGART

08. An Inside Look at Probiotics – Do probiotics facilitate the recolonization of gut bacteria? A new study suggests the answer is not so simple
06.September 2018, Weizmann Institute of Science
Ein Einblick in Probiotika – Erleichtern Probiotika die Rekolonisation von Darmbakterien? Eine neue Studie zeigt, dass die Antwort nicht so einfach ist.

09. Gut microbiota utilize immunoglobulin A for mucosal colonization
18. Mai 2018 Science
Darm-Mikrobiota nutzen Immunglobulin A zur Kolonisierung der Schleimhäute.

10. Kalorienreduktion in der Ernährung, zwei neue Studien
02. September 2018 w3punkt.de

11. Kaiserschnitt: Vaginaler Mikrobentransfer fördert Darmflora der Neugeborenen
01. Februar 2016, Ärzteblatt

12. Partial restoration of the microbiota of cesarean-born infants via vaginal microbial transfer
01 Februar 2016 Nature Medicine

13. Stuhltransplantation hilft Krebspatienten
27. September 2018 Deutschlandfunk, Forschung Aktuell

14. Fecal microbiota transplantation helps restore beneficial bacteria in cancer patients
(Die Transplantation von fäkalen Mikrobiota hilft bei der Wiederherstellung nützlicher Bakterien bei Krebspatienten.)
26. September 2018, MedicalXpress

15. Fäkaler Mikrobiomtransfer – Die Gefahren der Stuhlübertragung
27. September 2018, Ärzte Zeitung online

Das verwendete Foto stammt von von Hasegawa Y, Mark Welch JL, Rossetti BJ, Borisy GG CC BY 4.0
Es zeigt eine räumliche Struktur des intestinalen Bioms

Gleichzeitige Visualisierung von Schleim, reaktiven Mikroben mit FISH, Wirtsgewebe und aufgenommenen Lebensmitteln mit Carnoy-Fixierung und PFA-Fixierung.

Angrenzende 1 cm große Darmabschnitte wurden in Carnoy oder PFA fixiert, in Methacrylat eingebettet, geschnitten, parallel untersucht und mit identischen Bildeinstellungen aufgenommen.

Die im Mosaik gescannten Zusammenfassungsbilder (oben) zeigen die Position des Detailbildes (weißer Rahmen); Helligkeit und Kontrast wurden zur besseren Sichtbarkeit angepasst.

Die detaillierten Bilder (unten) zeigen ein großes Lebensmittelpartikel in der Nähe der Schleimhaut. Die Bilder wurden einer linearen Entmischung unterzogen und sind Projektionen von maximaler Intensität von bis zu 5 Ebenen.

DAPI färbt Nukleinsäuren, Weizenkeimagglutinin (WGA) färbt Schleim, und die Eub338-Sonde ist mit den meisten Bakterien hybridisiert. Skalenbalken =200 μm.

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