Mensch und Mikrobiom

Der Mensch und sein Mikrobiom

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Begriffe

Mikrobiom: Im engeren Sinne bezeichnet das die Gesamtheit der mikrobiellen DNA im menschlichen Körper. Im weiteren und umgangssprachlichen Sinne bezeichnet der Begriff Mikrobiom die Gesamtheit aller Mikroorganismen im menschlichen Körper. Beim Menschen werden Mikrobiome je nach Körpernische (Darm, Haut, Mundhöhle, Vagina, usw.) unterschieden. Das Darm-Mikrobiom befindet sich im Lumen in der äusseren Mukusschicht des Darms.

Kommensale: Bezeichnet den Organismus, der zusammen mit einem anderen Organismus von der gleichen Nahrung lebt, ohne diesen zu schädigen.

Eubiose: Bezeichnet das Gleichgewicht der Bakterienkulturen im Mikrobiom des gesunden Menschen.

Dysbiose: Bezeichnet ein gestörtes Gleichgewicht der Bakterienkulturen im Mikrobiom, das Gegenteil der Eubiose. 

Vitalität: Bezeichnet die körpereigene mentale, physische, emotionale und soziale Leistungsfähigkeit. Sie drückt sich aus durch Lebensfreude, Lebenskraft und Lebendigkeit.

Probiotika: Bezeichnet lebende, nichtpathogene Mikroorganismen, die einen gesundheitlichen Nutzen bringen [1].

Präbiotika: Bezeichnet Substrate, die selektiv von Wirtsmikroorganismen (hier konkret das Mikrobiom) genutzt werden und einen gesundheitlichen Nutzen bringen [2].

Synbiotika: Bezeichnet eine Mischung aus Probiotika und Präbiotika mit einem gesundheitlichen Nutzen [3].

Lebensraum Darm

Im Mikrobiom des menschlichen Darms sind rund 100 Billionen (100'000'000'000'000) Bakterien angesiedelt. Kein anderer Lebensraum auf der Erde ist dichter besiedelt. Im Dickdarm sind es 10'000'000'000 – 1'000'000'000'000 Bakterien pro Gramm Biomasse. Die Bakterien setzen sich zu >90% aus den beiden anaeroben Phyla der Bacillota (>75%) und Bacteriodota (>15%) zusammen und bilden etwa 10’000 verschiedene kommensale Arten. Im Dünndarm sind hauptsächlich die Arten Lactobacillus und Enterococcus, und im Dickdarm ist hauptsächlich die Art Bifidobacterium neben E. Coli., Enterobacterium und Clostridium, angesiedelt. Diese komplexe Bakterienvielfalt macht den Menschen zu einem Superorganismus, welcher rund 300 mal mehr Gene als eine menschliche Zelle besitzt, und ein rund 100 mal höheres metabolisches Potential als die menschliche Leber hervorbringt [4].

Das Darm-Mikrobiom gilt als (endokrines) ‘Superorgan’ [5] oder ‘zweites Gehirn’ [6]. Es ist ein komplexes mikrobielles Ökosystem, in dem die Bakterien miteinander leben, kommunizieren, Stoffwechselprodukte austauschen und rekombinieren. Und diese komplexe Bakterien-Darm Wechselwirkung wird stark von der Ernährung beeinflusst. Je nach Zusammensetzung der Nahrung und der bakteriellen Zusammensetzung werden im Mikrobiom eine Vielzahl verschiedener physiologisch aktiver Stoffwechselprodukte oder Metaboliten geformt.

Was braucht es für die Vitalität?

Voraussetzung für eine gesunde Vitalität ist Gleichgewicht (Eubiose) der Bakterienkulturen im Mikrobiom. Dazu braucht es eine Versorgung des Mikrobioms mit einer ausgewogenen Mischung der Makronährstoffe Kohlenhydrate, Proteine und Fette [7]. Im Mikrobiom werden die unverdaulichen Nährstoffe wie komplexe Glucane und Glucokonjugate der pflanzlichen Zellwände (umgangssprachlich Ballaststoffe oder Fasern genannt), Proteine sowie Glycin, Taurin, Gallensäure und andere Konjugate, das heisst Produkte, die durch die kovalente Kopplung von mindestens 2 Molekülen entstanden sind, metabolisiert. Die anaerobe saccharolytische Fermentation der Ballaststoffe führt über die Brenztraubensäure zu ‘kurzkettigen Fettsäuren’ (engl. short chain fatty acid (🔗SCFA)), das heisst zu Essigsäure, Propionsäure und Buttersäure.

Die Änderung der bakteriellen Zusammensetzung des Mikrobioms durch Störungen beeinträchtigt wesentlich die Vitalität. Über 90% aller Krankheiten und Beschwerden sind auf eine Dysbiose zurückzuführen. Prominente Beispiele sind chronische Darmentzündungen, Fettleibigkeit, Diabetes, Akne, Atherosklerose, Asthma, neurodegenerative Erkrankungen und bestimmte Arten von Krebs [8]. Eine Dysbiose entsteht durch mangelhafte Zufuhr von Nährstoffen, bedingt durch eine fehlerhafte Ernährung, durch die Einnahme von Medikamenten (vor allem Antibiotika) und durch chronischen Stress.

Was 'produziert' das Mikrobiom?

Bekannte Stoffwechselprodukte des Darm-Mikrobioms sind beispielsweise Serotonin, kurzkettige Fettsäuren, diverse B-Vitamine (B1, B2, B5, B7, B9, B12), Vitamin K, sekundäre Gallensäuren und die verzweigten Aminosäuren. Funktional bewirken diese Metaboliten eine Verbesserung des Nährstoffabbaus und regulieren Herz-Kreislauf-, Immun- und Nervensystem über die Darm Mikrobiom - Organ Achsen, wie beispielsweise die Darm-Hirn [9], Darm-Lunge [10], Darm-Herz [11] und Darm-Haut Achse [12]. 

Kohlenhydrate, Proteine und Fette machen etwa 90 % des Trockengewichtes der Nahrung und 100 % ihrer Energie aus.

Milchsäurebakterien der Gattung Lactobacillus sind heterofermentative Milchsäurebakterien und fermentieren Ballaststoffe über den Phosphoketolaseweg zu Essigsäure und Milchsäure. Sie sind die im Mikrobiom am häufigsten anzutreffende Bakteriengattung [14].

Es ist bekannt [15], dass die im Mikrobiom vorhandenen Milchsäurebakterien die grösste Vielfalt an Ballaststoffen fermentieren. Aus der Fermentierung der Ballaststoffe werden die Hexosen zu Essigsäure und Milchsäure im Verhältnis 3:2 synthetisiert. Die Essigsäure ist eine der ‘kurzkettigen Fettsäuren’ und an der Regulierung des Stoffwechsels sowie des Immun- und Nervensystems beteiligt.

Milchsäure dient zur Energiegewinnung (Gluconeogenese) und hat zahlreiche vaskuläre Wirkungen. Die kurzkettigen Fettsäuren dienen den Epithelzellen des Darms als Energiequelle und sind wichtige Signalmoleküle. Sie binden an die Rezeptoren GPR41 und GPR43 auf den Epithel- und Immunzellen. Die Rezeptoren regulieren die Ausschüttung pro-inflammatorischer Cytokine, welche über GLP1 (Glukagon-like Peptide) und PYY (Peptide-Tyrosin-Tyrosin) direkt auf das Zentralnervensystem wirken. Desweiteren inhibieren kurzkettige Fettsäuren die Histon Deacetylase (HDAC) in Immunzellen und Adipozyten und wirken so auf die Transkription dieser Zellen. Auf diese Weise wird der Stoffwechsel sowie das Immun- und Nervensystem reguliert.

Die kurzkettigen Fettsäuren (SCFA) verteilen sich mit Hilfe von Transporterproteinen im gesamten menschlichen Gewebe inklusive im Gehirns [16]. Dort regulieren diese den Stoffwechsel sowie das Immun- und Nervensystem. Zusätzlich wird der pH-Wertes auf 5.5 abgesenkt und verhindert so die Vermehrung pathogener Darmbakterien.

Aus den Gallensäure Konjugaten metabolisieren Enzyme der Darmbakterien die sekundären Gallensäuren. Diese emulgieren die Fette aus der Nahrung und ermöglichen so den enzymatischen Fettabbau durch Lipasen.

Aus den Proteinen hydrolysieren Enzyme der Darmbakterien kurzkettige Peptide und einzelne Aminosäuren. Diese werden zum Aufbau und Regeneration der Darmschleimhäute genutzt und gelangen über die Blutbahn zu den Zellen, wo sie der Proteinbiosynthese zugeführt werden.

Krankheiten und das Mikrobiom

Die Häufigkeit von Krankheiten, die auf Beeinträchtigung des Herz-Kreislauf, Immun- und Nervensystem beruhen, hat in der westlichen Zivilisation zugenommen. Der Anstieg korreliert mit dem zurückgehenden Verbrauch an Ballaststoffen. Es besteht ein kausaler Zusammenhang zwischen der Ernährung, der Aufnahme von Ballaststoffen und den daraus durch Fermentation gebildeten Stoffwechselprodukten, wie beispielsweise den kurzkettigen Fettsäuren.

Die Ernährung und die daraus resultierende Änderung der Zusammensetzung des Mikrobioms hat damit einen direkten Zusammenhang mit westlichen Zivilisationskrankheiten wie Verdauungsproblemen, Übergewicht, Aufmerksamkeitsdefizite, Konzentrations- und Schlafstörungen. Eine Vorbeugung oder Korrektur durch spezifisch abgestimmte probiotische Nahrungszusätze ist möglich.

Die Einnahme von Präbiotika beeinflusst das relative Wachstum der Bakterienstämme und ändert damit die bakterielle Zusammensetzung des Mikrobioms und damit die Zusammensetzung der physiologisch wirksamen Stoffwechselprodukte.

 

[1] C. Hill u. a., „The International Scientific Association for Probiotics and Prebiotics consensus statement on the scope and appropriate use of the term probiotic“, Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol., Bd. 11, Nr. 8, Art. Nr. 8, Aug. 2014, (🔗)https://cdn.shopify.com/s/files/1/0769/0734/8257/files/Cryan_und_Mazmanian_-_2022_-_Microbiota_brain_axis_Context_and_causality_50804867-ed36-4690-88d2-58e0082896ba.pdf?v=1691010089🔗🔗

[2] G. R. Gibson u. a., „Expert consensus document: The International Scientific Association for Probiotics and Prebiotics (ISAPP) consensus statement on the definition and scope of prebiotics“, Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol., Bd. 14, Nr. 8, Art. Nr. 8, Aug. 2017, doi: 10.1038/nrgastro.2017.75.

[3] K. S. Swanson u.a., „The International Scientific Association for Probiotics and Prebiotics (ISAPP) consensus statement on the definition and scope of synbiotics“, Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol., Bd. 17, Nr. 11, Art. Nr. 11, Nov. 2020, doi: 10.1038/s41575-020-0344-2.

[4] E. M. M. Quigley, „Gut Bacteria in Health and Disease“, Gastroenterol. Hepatol., Bd. 9, Nr. 9, S. 560–569, Sep. 2013.

[5] D. N. Schaenzler und P. D. med F. Beigel, Superorgan Mikrobiom: Der Darm als Schlüssel zu Gesundheit und längerem Leben. Gräfe Und Unzer, 2020.

[6] E. Mayer, Das zweite Gehirn: Wie der Darm unsere Stimmung, unsere Entscheidungen und unser Wohlbefinden beeinflusst. Riva Verlag, 2016.

[7] J. Romano-Keeler, J. Zhang, und J. Sun, „The Life-Long Role of Nutrition on the Gut Microbiome and Gastrointestinal Disease“, Gastroenterol. Clin. North Am., Bd. 50, Nr. 1, S. 77–100, März 2021, doi: 10.1016/j.gtc.2020.10.008.

[8] A. Vijay und A. M. Valdes, „Role of the gut microbiome in chronic diseases: a narrative review“, Eur. J. Clin. Nutr., Bd. 76, Nr. 4, Art. Nr. 4, Apr. 2022 (🔗)https://cdn.shopify.com/s/files/1/0769/0734/8257/files/Cryan_und_Mazmanian_-_2022_-_Microbiota_brain_axis_Context_and_causality_50804867-ed36-4690-88d2-58e0082896ba.pdf?v=1691010089🔗🔗

[9] J. F. Cryan und S. K. Mazmanian, „Microbiota–brain axis: Context and causality“, Science, Bd. 376, Nr. 6596, S. 938–939, Mai 2022 (🔗)

[10] R. Enaud u. a., „The Gut-Lung Axis in Health and Respiratory Diseases: A Place for Inter-Organ and Inter-Kingdom Crosstalks“, Front. Cell. Infect. Microbiol., Bd. 10, S. 9, Feb. 2020, doi: 10.3389/fcimb.2020.00009.

[11] H. Bartolomaeus, V. McParland, und N. Wilck, „Darm-Herz-Achse“, Herz, Bd. 45, Nr. 2, S. 134–141, Apr. 2020 (🔗)

[12] B. De Pessemier, L. Grine, M. Debaere, A. Maes, B. Paetzold, und C. Callewaert, „Gut–Skin Axis: Current Knowledge of the Interrelationship between Microbial Dysbiosis and Skin Conditions“, Microorganisms, Bd. 9, Nr. 2, S. 353, Feb. 2021 (🔗)

[13] S. Hokama, Y. Honma, C. Toma, und Y. Ogawa, „Oxalate-Degrading Enterococcus faecalis“, Microbiol. Immunol., Bd. 44, Nr. 4, S. 235–240, 2000, doi: 10.1111/j.1348-0421.2000.tb02489.x.

[14] E. Dempsey und S. C. Corr, „Lactobacillus spp. for Gastrointestinal Health: Current and Future Perspectives“, Front. Immunol., Bd. 13, S. 840245, 2022, doi: 10.3389/fimmu.2022.840245.

[15] A. A. Kolodziejczyk, D. Zheng, und E. Elinav, „Diet–microbiota interactions and personalized nutrition“, Nat. Rev. Microbiol., Bd. 17, Nr. 12, Art. Nr. 12, Dez. 2019 (🔗)

[16] S. Deleu, K. Machiels, J. Raes, K. Verbeke, und S. Vermeire, „Short chain fatty acids and its producing organisms: An overlooked therapy for IBD?“, eBioMedicine, Bd. 66, Apr. 2021, doi: 10.1016/j.ebiom.2021.103293.