Intestinales Mikrobiom – ein Überblick

Mikrobiom/ Mikrobiota

Als Mikrobiom oder auch Mikrobiota wird beim Menschen die Gesamtheit aller Mikroorganismen, die sich in und auf Haut und Schleimhäuten sowie Organen befinden, verstanden. Das Mikrobiom des Darms repräsentiert die Gesamtheit aller mikrobiellen Mitbewohner im Darm, vor allem im Dickdarm. In erster Linie sind hier physiologische bzw. schützende Bakterienspezies gemeint.

früher auch: Mikroflora

Intestinale Mikrobiota oder Darmmikrobiota

Die Darmmikrobiota ist die Gesamtheit aller mikrobiellen Mitbewohner im Darm, vor allem im Dickdarm. In erster Linie sind protektive Bakterienarten gemeint.

früher auch: Darmflora

Kennzeichen

Schätzungen zufolge trägt jeder Mensch auf und in seinem Körper etwa 1,3-mal mehr Bakterien und andere Mikroorganismen mit sich herum als eigene Zellen. Die Zahlen in der Literatur und in den Medien gehen teilweise stark auseinander. Verschiedene Quellen geben mehr als 1.000 verschiedenen Arten von Bakterien, mehr als 100 Billionen Bakterien insgesamt und ein Gesamtgewicht von etwa 2 kg an.

Ein gesundes Mikrobiom zeichnet sich aber weniger durch die Anzahl an Mikroorganismen aus. Vielmehr gilt eine hohe Diversität, insbesondere an verschiedenen protektiven Bakterienkulturen, als Merkmal einer gesunden intestinalen Mikrobiota.

Schwangerschaft und Geburt

Entgegen früherer Annahmen gibt es bereits in der Schwangerschaft einen minimalen bakteriellen Austausch mit dem Ungeborenen. Bei der natürlichen Geburt findet dann der erste „Großkontakt“ mit der natürlichen Mikrobiota der Mutter statt, wenn das Kind durch den Geburtskanal gelangt.

Klein-/ Kinder

Die typische Darmmikrobiota entwickelt sich in den ersten Lebensjahren und ist in dieser Zeit noch leicht durch Umwelteinflüsse veränderbar. Die Ernährung des Säuglings und des Kleinkindes nehmen dabei wesentlichen Einfluss auf die Besiedlung. So wird der Darm gestillter Kinder hauptsächlich von Milchsäure produzierenden Bakterien bevölkert. Das führt zu einem Darmmilieu, in dem sich krankheitserregende Keime schlecht nur ansiedeln können [Koe 2011].

Erwachsene

Die eher stabile erwachsene intestinale Mikrobiota passt sich ebenfalls wechselnden Umweltfaktoren an. Dabei spielen Ernährung und Lebensstil (Tabak- und Alkoholkonsum), Medikamente oder Erkrankungen und Stress etc. eine Rolle.  Möglicherweise können 3 Enterotypen (Bacteroides, Prevotella und Ruminococcus) beim Menschen unterschieden werden, bei denen jeweils eine andere Bakteriengattung dominiert [Aru 2011].

Einflussfaktor Ernährung

Die Wahl der Nahrungsmittel wirkt sich weitreichend auf die Zusammensetzung des intestinalen Mikrobioms aus. Der Einfluss könnte sogar größer sein als genetische Faktoren, wie eine Untersuchung von Asnicar et al. ergab [Asn 2021].

Demnach unterscheidet sich das Darmmikrobiom einer überwiegend pflanzlichen, gering vorverarbeiteten Kost deutlich von einer Ernährungsweise, die reich an Zucker, verarbeitetem Fleisch und Weißmehlprodukten ist. Dies wirkte sich zudem auf verschiedene Laborparameter wie Entzündungsmarker, Fett- und Zuckerstoffwechselwerte aus. Die Forscher sind dabei, einzelne Mikrobenarten verschiedenen Risiko- und Krankheitsprofilen zuzuordnen. So konnten bereits 15 Arten mit einem geringen und 15 Arten mit einem hohen Risiko für Diabetes mellitus und Herzerkrankungen in Verbindung gebracht werden [Ärzteblatt, 2021].

Weitere Einflussfaktoren

Weitere Einflussfaktoren sind:

• geografische Herkunft (andere Kulturen und Länder mit anderen Ernährungsweisen bedingen eine andere Mikrobiota)
• Alter (veränderte Zusammensetzung und Anzahl der Bakterien)
• genetische Ausstattung (abweichende Darmmikrobiota in Abhängigkeit des Geschlechts)
• Lebensstil und Umwelt

Verdauung

Ohne die bakterielle Besiedlung des Darms ist eine normale Verdauung kaum möglich. Die Mikrobiota beeinflusst durch die gesteigerte Aufnahme von einfachen Kohlenhydraten und indirekt durch

• die Barrierefunktion
• die Hemmung und Aktivierung verschiedener Stoffwechselwege
• die Anregung der Darmbeweglichkeit (Motilität) und somit
• die Aufnahme von Nährstoffen
• die Energieaufnahme.

Ballaststoffe werden von Bakterien des Dickdarms zu kurzkettigen Fettsäuren (Essig-, Propion- und Buttersäure) abgebaut, die unter anderem der Energieversorgung der Darmzellen dienen. Dadurch wird die Barriere stabilisiert. Diese werden auch über die Darmschleimhaut aufgenommen und über den Blutkreislauf in verschiedene andere Organe transportiert. Das Salz der Essigsäure soll auf diesem Weg beispielsweise bis ins Gehirn gelangen, wo es an bestimmte Rezeptoren bindet und so unter anderem ein Sättigungsgefühl auslöst. Denkbar ist sogar, dass einige Stoffwechselprodukte im Gehirn die Konzentration bestimmter Neurotransmitter wie Serotonin oder Dopamin beeinflussen, was Auswirkungen auf unser Verhalten hat.

Bestimmte Bakterien spielen eine wichtige Rolle im enterohepatischen Kreislauf der Gallensäuren, andere bei der Entgiftung schädlicher Stoffwechselprodukte und Medikamente. Zudem werden verschiedene Enzyme, Hormone und Vitamine gebildet.

Immunsystem

Ohne die bakterielle Besiedlung des Darms kann sich unser Immunsystem nicht richtig entwickeln. Es verhindert beispielsweise das Eindringen schädlicher Organismen. Auch die Aktivität und das Wachstum von schädigenden Mikroorganismen werden gehemmt. Nimmt die Zahl schädlicher Keime im Darm zu, wird die Darmschleimhaut dazu angeregt, vermehrt Schutzfaktoren zu bilden. Auch unsere „natürlichen“ Bakterien können solche Schutzfaktoren bilden. Zudem haben einige dieser Arten selbst einen deutlichen antimikrobiellen Effekt, indem sie sogenannte Lipopeptide bilden, die gegen die schädlichen Mikroorganismen wirksam sind.

Entzündungen

Der Darm als zentrales Verbindungsorgan zwischen Umwelt, Verdauung und Immunsystem steuert unter anderem auch Entzündungsprozesse. Schädliche Bakterien bilden Stoffwechselprodukte und Toxine, die Entzündungen auslösen. Nehmen diese überhand, kann es zu chronischen Entzündungsprozessen kommen. Das fördert nicht nur Erkrankungen des Darms, sondern kann beispielsweise auch die Insulinsensitivität beeinträchtigen, was wiederum Auswirkungen auf zahlreiche andere Stoffwechselprozesse hat. Physiologische Bakterien hingegen vermindern die Bildung von Entzündungsbotenstoffen, indem sie die schädlichen Bakterien verdrängen und am Wachstum hindern.

Damit besteht zwischen den Bakterien des Darms und den Zellen der Darmschleimhaut eine empfindliche Balance zwischen Toleranz und Abwehr. Eine Störung dieses Gleichgewichts kann zu verschiedenen Krankheiten beitragen.

Kostformen (Mediterrane Ernährung)

Die mediterrane Ernährungsweise wirkt sich nachweislich positiv auf das Darmmikrobiom aus [DeF 2016]. Eine überwiegend oder rein pflanzliche Ernährung ging in Versuchen mit einer geringeren Bildung an Substanzen durch Darmbakterien einher, die mit arteriosklerotischen Gefäßveränderungen in Verbindung gebracht werden [Koe 2013].

Auch Art und Menge der Kohlenhydrate, Eiweiße sowie Fette beeinflusst die Zusammensetzung und die Funktionalität der natürlichen Darmbakterien. Nahrungsmittel, die vom Körper vollständig aufgenommen werden wie Weißmehl oder Zucker gelangen nicht bis in den Dickdarm und werden daher auch nicht von den Darmbakterien verstoffwechselt. Ballaststoffe hingegen gelangen unverdaut in den Dickdarm und dienen den hier ansässigen Darmbakterien als optimale Nahrungsgrundlage.

Lebensmittel (ballaststoffreiche, fermentierte Lebensmittel)

Ballaststoffreiche Lebensmittel wie Gemüse, Obst, Vollkornprodukte und fermentierte Produkte sowie Rohmilcherzeugnisse können das Wachstum protektiver Bakterien fördern [Vit 2015]. Dazu zählen auch die als Präbiotika bekannten Inhaltsstoffe Inulin und Oligofruktose, die zudem in Form von Nahrungsergänzungsmitteln und funktionellen Lebensmitteln auf dem Markt erhältlich sind.

Nahrungsinhaltsstoffe (Polyphenole)

Ebenso lenken einige sekundäre Pflanzenstoffe aus der Gruppe der Polyphenole die Mikrobiota in eine gesunde Richtung. Dazu gehören beispielsweise die farbigen Anthocyane in Beerenfrüchten oder Flavonoide in Äpfeln und Zwiebeln. Diese Substanzen werden im Dünndarm nur in geringen Mengen aufgenommen. Der Großteil gelangt in den Dickdarm und fördert hier das Wachstum physiologischer Bakterien sowie die Stabilität der Darmbarriere.

Fast Food

Einige Nahrungsfaktoren richten bei bestimmten Vorerkrankungen stärkere Schäden an. So waren die durch eine orale Eisensupplementierung (Eisensulfat) hervorgerufenen unerwünschten Veränderungen bei Morbus-Crohn-Patienten deutlich stärker ausgeprägt als bei nicht-entzündeten Vergleichspersonen [Lee 2017].

Generell gilt eine einseitige Ernährung mit einem hohen Anteil aus Fast Food, Fertigprodukten mit Zusatzstoffen wie Konservierungsmitteln, Soft- und Energy-Drinks sowie Zucker als Risikofaktoren für die Entwicklung eines Ungleichgewichts zwischen „guten“ und „schlechten“ Darmbakterien.

Fleisch

Eine typisch westliche fett- und eiweißreiche Ernährung mit viel Fleisch stimuliert vermutlich das Wachstum von Bakterien, die in ihrer Zellmembran Lipopolysaccharide enthalten. Diese wiederum fördern Entzündungen und destabilisieren die Darmbarriere.

Fruktose

Fruktose gehört zu den fermentierbaren Kohlenhydraten und kann von Mikroorganismen verstoffwechselt werden.

Bei der alkoholischen Gärung durch Hefen entstehen dabei Ethanol und Kohlendioxid. Beim bakteriellen Abbau im Dickdarm hingegen werden meist Gase und organische Säuren gebildet. Die Zusammensetzung der Darmflora wirkt sich auf die gesamten metabolischen Funktionen des Magen-Darm-Traktes aus. Aus Tierversuchen ergaben sich erste Hinweise, dass eine fruktosereiche Ernährung in Kombination mit einem metabolischen Syndrom auch mit einer veränderten Mikroflora der Betroffenen einhergeht [Jen 2014].

Haushaltszucker

Ein hoher Zuckerkonsum scheint die Zusammensetzung und damit das Gleichgewicht des Mikrobioms zu stören. Die Erkenntnisse stammen zumeist aus Tierstudien.

So nahm bei Mäusen unter einer glukose- sowie fruktosereichen Diät die Anzahl physiologischer „guter“ Darmbakterien (Bacteroidetes) ab und die Anzahl „schlechter“ Bakterien (Proteobakterien) zu. Dies erhöhte die Durchlässigkeit des Darms und steigerte die Entzündungsaktivität [HoD 2018].

Die Gabe von Zuckerlösungen über 10 Tage führte ebenfalls zu messbaren Veränderungen des Mikrobioms. Dabei vermehrten sich Bakterien, die die schützende Schleimschicht des Darms ausdünnen und bloßlegen. Diese Mechanismen sind typisch für entzündliche Darmerkrankungen wie Morbus Crohn oder Colitis ulzerosa. Bei einigen Versuchstieren wurde eine Kolitis ausgelöst. Der Effekt bestätigte sich zudem, wenn der Stuhl der getesteten Tiere transplantiert wurde. Auch einige der Spenderempfänger entwickelten eine Kolitis [Kha 2020].

Süßungsmittel

Aktuelle Reviews kommen zu dem Schluss, dass ein „maßvoller Verzehr“ von künstlichen Süßungsmitteln vermutlich keine Auswirkungen auf das Darmmikrobiom hat, wenngleich Saccharin, Sucralose und Stevia die Zusammensetzung der Darmflora durchaus verändern können [Lob 2019] [Rui 2019].

Ungeachtet dessen konnte in in vitro-Studien gezeigt werden, dass Saccharin, Sucralose und Aspartam bestimmte Darmbakterien wie Escherichia coli und Enterococcus faecali dazu bringen können, die Darmwand zu durchdringen und sich in Leber, Milz oder Nieren anzureichern. Das kann ForrscherInnen zufolge im schlimmsten Fall Infektionen, Sepsis oder auch Multiorganversagen begünstigen. Die Effekte traten dabei bereits nach Konzentrationen auf, die 2 Dosen Limonade täglich entsprechen [Shi 2021].

Auch resultierte der Verzehr von Süßungsmitteln in einem Ungleichgewicht des Darmmikrobioms und führte zu Beeinträchtigungen des Glukosestoffwechsels [Sue 2014]. Die Ergebnisse stammen aus Tierversuchen, die sich nicht ohne Weiteres auf den Menschen übertragen lassen. Zudem traten die Beeinträchtigungen erst bei sehr hohen Süßstoffmengen auf. Die Deutsche Diabetes Gesellschaft resümierte daraufhin, dass Süßstoff zumindest unseren Stoffwechsel über Darmbakterien beeinflussen kann [DDG 2014].

Hygiene

Vermutlich kann auch eine übertriebene Hygiene das Gleichgewicht im Darm zwischen Darmzellen und Darmbakterien empfindlich stören. Das gilt auch für den fehlenden Kontakt mit bestimmten, in anderen Ökosystemen vorkommenden Bakterienkulturen. So wiesen in Beobachtungen Kinder von Bauernhöfen mit Rindern im Vergleich zu Kindern aus der Stadt die geringste Allergie- und Asthmarate auf. Verschiedene aus Tierställen isolierte und verabreichte Bakterien konnten in Tierversuchen sowohl die erwachsenen Tiere als auch ihre unmittelbaren Nachkommen vor Asthmaerkrankungen schützen.

Lebensstil

Weitere Störfaktoren sind ein hoher Tabak- und Alkoholkonsum, Stress sowie eine hektische Lebensweise (auch beim Essen), Ängste oder Bewegungsmangel. Auch verschiedene Umweltgifte richten auf Dauer Schäden an.

Schwefelzucker in grünem Gemüse

Ein internationales Team von WissenschaftlerInnen untersucht Stoffwechselwege von Nahrungssubstanzen bei Darmbakterien. Sie fanden unter anderem heraus, dass ein in Gemüse (z. B. Spinat, Salat, Algen) vorkommender Schwefelzucker vom Bakterium Eubacterium rectale zur Bildung von Schwefelwasserstoff führt. E. rectale zählt zu den am häufigsten vorkommenden Darmmikroben.

Schwefelwasserstoff indes kann sowohl positive als auch negative Effekte auf die Gesundheit haben. In kleinen Mengen wirkt es entzündungshemmend auf die Darmschleimhaut. In großen Mengen wird es mit chronisch entzündlichen Erkrankungen und Krebs in Verbindung gebracht [Han 2021].

Kalorienreduzierte Diäten

Eine stark kalorienreduzierte Diät kann die Zusammensetzung des Mikrobioms verändern und den Energiehaushalt beeinflussen. So nahm nach einer Formula-Diät bei den TeilnehmerInnen die Anzahl der Darmbakterien insgesamt ab, während die Anzahl an Clostridium difficile zunahm [Jum 2021].

Die Darmbakterien passten dabei ihren Stoffwechsel vermutlich an die geringe Energiezufuhr an und nahmen vermehrt Zuckerverbindungen auf, die den TeilnehmerInnen dann als solches nicht mehr zur Verfügung standen. Dadurch wurde die Gewichtsabnahme gefördert. Der Effekt ließ sich sogar nach einer Transplantation des Stuhls auf keimfreie Mäuse beobachten: Auch diese nahmen signifikant an Gewicht ab.

Das Bakterium Clostridium difficile wiederum konnte sich leichter vermehren und wirkte sich dadurch negativ auf die Effizienz der Nahrungsaufnahme im Darm aus. Zusätzlich produzierte es die typischen Toxine. Auch diese beiden Mechanismen förderten die Gewichtsabnahme. Allerdings steht das Bakterium eher mit negativen Effekten (z. B. Entzündung der Darmschleimhaut) auf die menschliche Gesundheit in Verbindung. Noch ist unklar, ob der positive Nutzen hier überwiegt oder mittel- bis langfristig auch negative Wirkungen zu erwarten sind.

Adipositas und Übergewicht

Übergewicht und Adipositas: Menschen mit Adipositas weisen oftmals eine gestörte Darmbarriere auf, in deren Folge es zu subklinischen Entzündungen kommen kann, die die Entwicklung von Folgeerkrankungen, z. B. dem metabolischen Syndrom, begünstigen. Die Mikrobiota von stark Übergewichtigen ist gegenüber der von Normalgewichtigen häufig in ihrer Zusammensetzung verändert. Noch ist unklar, ob diese Veränderungen Ursache oder Folge der Adipositas sind.

Der Einfluss der Darmflora auf unser Körpergewicht scheint größer zu sein, als die Medizin bislang ahnte. In den USA wurde kürzlich der Fall einer Patientin veröffentlicht, die nach einer Stuhltransplantation ohne erkennbare andere Gründe deutlich an Gewicht zulegte. Der 32-jährigen Frau waren aufgrund einer schwer behandelbaren Clostridium-Infektion Darmbakterien ihrer an sich gesunden, aber übergewichtigen Tochter transplantiert wurden [Ala 2015].

Der Einfluss zwischen Darmflora, Nährstoffausbeute und Gewicht ist für die Forschung derzeit ein heißes Thema. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem Verhältnis von Bakterien, die zur Gruppe der Firmicutes und solchen, die zu den Bacteroidetes zählen. Firmicuten können die Nahrung besonders gut aufschließen und Nahrungsbestandteile wie Ballaststoffe teilweise für den Körper verfügbar machen. Wer besonders viele dieser Exemplare im Stuhl aufweist, kann zum Beispiel auch aus vermeintlich kalorienarmen Ballaststoffquellen Energie gewinnen. Erste Studienergebnisse deuten darauf hin, dass unter anderem eine hochkalorische Ernährung das Verhältnis in der Darmflora rasch zugunsten der Firmicuten verschiebt. Bereits ein Anstieg dieser Bakterienfraktion um 20 % belastet das Kalorienkonto durch die verbesserte Nahrungsausbeute um zusätzliche 150 kcal. Andere Theorien vermuten, dass durch den hohen Anteil an Inhaltsstoffen in unserem Essen, die bevorzugt im Dünndarm verwertet werden, sich zunehmend Bakterienstämme in vorderen Darmabschnitten ansiedeln. Dort unterstützen die Bakterien die Verdauungsenzyme und holen aus der Nahrung noch mehr raus [Kot 2014].

Allergien

Allergische Reaktionen manifestieren sich häufig schon im Säuglingsalter. Kinder mit der Neigung zu Überempfindlichkeitsreaktionen weisen im Vergleich zu nicht betroffenen gesunden Säuglingen meist eine unterschiedliche Darmflora auf. In Untersuchungen konnte das Risiko einer infantilen atopischen Dermatitis durch die Gabe präbiotischer Oligosaccharide signifikant reduziert werden.

Morbus Crohn, Colitis ulzerosa

Studien an Patienten mit Morbus Crohn oder Colitis ulzerosa zeigen, dass hier die Artenvielfalt der Darmmikrobiota reduziert ist. Dabei werden physiologische Keime wohl durch entzündungsfördernde Spezies verdrängt. Die wiederum bilden verstärkt das Enzym Caspase-1. Dieses ist ein Treiber der Entzündungsreaktionen im Darm, dessen Aktivität vom Mikrobiom gesteuert wird [Bla 2017] [Roy 2017]. Therapeutisch sollen zukünftig Stuhltransplantationen die Bakterien verdrängen, die Entzündungen fördern. Nach der derzeitigen Studienlage zeigte dieser „fäkale Mikrobiomtransfer“ in der Therapie mit chronisch entzündlichen Darmerkrankungen (CED), dem Reizdarmsyndrom und bei der Infektion mit multiresistenten Erregern bereits vielversprechende Erfolge.

Infektionen

Bei bestimmten Infektionen mit Bakterien, Viren oder Pilzen zeigt sich ein verändertes Mikrobiom. Bei Infektionen mit dem Bakterium Clostridium difficile waren Stuhltransplantationen bereits therapeutisch wirksam.

Reizdarmsyndrom

Auch beim Reizdarmsyndrom mehren sich die Hinweise, dass Darmbakterien in das Krankheitsbild involviert sind. Eine veränderte Mikrobiota fördert so Entzündungsreaktionen.

Medikamente

Medikamente wie Antibiotika, Abführmittel, Magensäureblocker, Beruhigungsmittel, Cholesterinsenker, Antibaby-Pille, Schmerzmittel oder Kortison können das Mikrobiom nachhaltige negativ beeinflussen. Jede Gabe eines Antibiotikums verändert das Mikrobiom im Darm. Selbst ein halbes Jahr nach einer Antibiotikatherapie zeigte sich, dass einige empfindliche Bakterienarten dauerhaft verschwunden bleiben [Pal 2018]. In Tierversuchen konnte sogar beobachtet werden, dass Antibiotika in hohen Dosierungen zu deutlich weniger neu gebildeten Nervenzellen im Gehirn führen. Gleichzeitig ging die Zahl an bestimmten Immunzellen im Gehirn deutlich zurück. Auch das Gedächtnis wurde in Mitleidenschaft gezogen [Möh 2016]. Die hohen Dosen werden beim Menschen zwar nicht erreicht. Die Befunde sprechen aber für einen regen Austausch über die Darm-Hirn-Achse.