Die Kraft der Ernährung (Teil 5): Das Mikrobiom des Menschen – Müssen wir uns neu definieren?

50 bis 70 Prozent der Zellen in unserem Körper sind nicht menschlich 1)Sender R, Fuchs S, Milo R. Revised Estimates for the Number of Human and Bacteria Cells in the Body. PLoS Biol. 2016;14(8). doi:10.1371/journal.pbio.1002533. Es sind Zellen von Mikroben und Bakterien, die unseren Körper bevölkern – unsere Haut, unsere Atemwege und ganz besonders unseren Darm. Die Forschung am Mikrobiom des Darms, und mit ihr unser Wissen über die kleinsten Bewohner hat im letzten Jahrzehnt exponentiell zugenommen. Der Begriff „Mikrobiom“ bezieht sich auf die Gesamtzahl der Mikroben und deren genetisches Material. Während unser Genom aus rund 22.000 Genen besteht 2)Consortium IHGS. Finishing the euchromatic sequence of the human genome. Nature. 2004;431:931–945., zählt das Mikrobiom bis zu 3,3 Millionen protein-kodierende, nicht-redundante Gene 3)Qin J, Li R, Raes J, Arumugam M, Burgdorf KS, Manichanh C, Nielsen T, Pons N, Levenez F, Yamada T, et al. A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing. Nature. 2010;464:59–65und übertrifft damit die Anzahl der Gene unseres Genoms (die Gesamtzahl all unserer Gene) um das 150-Fache.

koli-bacteria

Wie genau sieht die Beziehung zwischen Mikroben und Menschen aus?

Wir beginnen nur langsam diese grundlegende Verbindung zu verstehen, die einen ungemeinen Einfluss auf unsere Gesundheit zu haben scheint. Seit Beginn unserer Existenz haben wir mit Mikroben kooperiert und das „Ausleihen“ mikrobieller Gene wurde als evolutionäre Abkürzung zur Entwicklung neuer Fähigkeiten genutzt.

Aber was hat das Mikrobiom des Darms mit Ernährung und Gesundheit zu tun? Mikrobielle Gene codieren u.a. für Enzyme, die uns dabei helfen, Nahrung aufzuschlüsseln, die wir ansonsten nicht verdauen könnten. Mikroben in unserem Darm sind zudem in der Lage, kleine Mengen an bestimmten Vitaminen, wie z.B. B-Vitamine (darunter Vitamin B12) und Vitamin K zu synthetisieren 4)Wang B, Yao M, Lv L, Ling Z, Li L. The Human Microbiota in Health and Disease. Engineering. 2017;3(1):71-82. doi:10.1016/J.ENG.2017.01.008. Bestimmte Mikroben produzieren darüber hinaus Moleküle, die schädliche Bakterien bekämpfen 5)Belkaid Y, Harrison OJ. Homeostatic Immunity and the Microbiota. Immunity. 2017;46(4):562-576. doi:10.1016/j.immuni.2017.04.008.

Wie interagieren die Darmbakterien mit dem Gehirn?

Moleküle, die aus dem mikrobiellen Stoffwechsel stammen, treten in den Blutkreislauf über und wirken wiederum auf unseren Stoffwechsel. Sie haben Einfluss darauf, wie Leber- und Muskelzellen Nährstoffe speichern und wie sie Glucose verwerten, sie agieren als Signalstoffe, indem sie beeinflussen, ob Nährstoffe in Form von Fett oder Glykogen gespeichert werden und sie regulieren, wie Zellen auf Insulin reagieren 6)Caricilli AM, Saad MJA. The Role of Gut Microbiota on Insulin Resistance. Nutrients. 2013;5(3):829-851. doi:10.3390/nu5030829. Bakterielle Substanzen steuern sogar das Hungergefühl und das Körpergewicht und haben Einfluss auf Hormone und Neurotransmitter, und sie modifizieren so unsere Stimmung, unser Energielevel und die Gehirnfunktionen 7)van de Wouw M, Schellekens H, Dinan TG, Cryan JF. Microbiota-Gut-Brain Axis: Modulator of Host Metabolism and Appetite. J Nutr. 2017;147(5):727-745. doi:10.3945/jn.116.240481. Das Mikrobiom könnte einer der Schlüssel für das Verständnis der Darm-Hirn-Achse sein. Studien konnten wechselseitige Interaktionen innerhalb dieser Achse nachweisen: Mikroben kommunizieren mit dem Gehirn, indem sie neuronale, endokrine und immunologische Signalmechanismen nutzen. Das Gehirn wiederum nutzt das autonome Nervensystem, um die Darmmotilität, die intestinale Sekretionsleistung, die Darmpermeabilität und die luminale Hormonsekretion zu modulieren, um damit das Mikrobiom und die mikrobielle Genexpression zu regulieren 8)Martin CR, Osadchiy V, Kalani A, Mayer EA. (2018): The Brain-Gut-Microbiome Axis. Cell Mol Gastroenterol Hepatol. 6(2):133-148.. Es wird vermutet, dass Veränderungen der Darm-Hirn-Kommunikation in der Pathophysiologie des Reizdarm-Syndroms, der Adipositas und einiger psychiatrischer und neurologischer Erkrankungen involviert sind 9)Labus JS, Hollister EB, Jacobs J, Kirbach K, Oezguen N, Gupta A, Acosta J, Luna R, Aagaard K, Versalovic J, Savidge T, Hsiao E, Tillisch K, Mayer EA. (2017): Differences in gut microbial composition correlate with regional brain volumes in irritable bowel syndrome.Microbiome. 5(1):49.10)Martin CR, Osadchiy V, Kalani A, Mayer EA. (2018): The Brain-Gut-Microbiome Axis. Cell Mol Gastroenterol Hepatol. 6(2):133-148..

Was kann unsere Nahrung für unser Mikrobiom und unsere Gesundheit tun?

Die Nahrung, die wir essen, ist auch Nahrung für unsere Darmbakterien. Unsere Ernährungsweise bestimmt, welche Bakterienspezies in unserem Darm leben, was weitreichende Konsequenzen für unseren Stoffwechsel und unsere Physiologie hat.
Viele verschiedene Faktoren beeinflussen die Zusammensetzung des Mikrobioms, z.B. die Art der Ernährung im Säuglingsalter, der Geburtsmodus, geographische Faktoren, Medikamente, Stress und der Alterungsprozess. Einer der wichtigsten Parameter ist jedoch die Ernährung. Eine Ernährungsumstellung, insbesondere der Konsum von Ballaststoffen aus Früchten, Gemüse und Vollkorngetreide, kann zu signifikanten Veränderungen des Darm-Mikrobioms führen 11)Cresci, Gail A.; Bawden, Emmy (2015): Gut Microbiome. What We Do and Don’t Know. In: Nutrition in clinical practice : official publication of the American Society for Parenteral and Enteral Nutrition 30 (6), S. 734–746..

Die Zusammensetzung des Mikrobioms unterscheidet sich stark zwischen verschiedenen Bevölkerungsgruppen und Kulturen. Beim Vergleich des Darm-Mikrobioms von Kindern eines ländlichen afrikanischen Dorfes mit dem Mikrobiom westeuropäischer Kinder konnte gezeigt werden, dass das Mikrobiom der afrikanischen Kinder signifikant reicher an Bacteroides und arm an Firmicutes  war, sowie über eine besondere Menge an Bakterien verfügte, welche für den Abbau von Cellulose und Xylan zuständig sind, während diese Bakterienart bei den europäischen Kindern überhaupt nicht nachgewiesen wurde 12)De Filippo C, Cavalieri D, Di Paola M, Ramazzotti M, Poullet JB, Massart S, Collini S, Pieraccini G, Lionetti P. (2010): Impact of diet in shaping gut microbiota revealed by a comparative study in children from Europe and rural Africa. Proc Natl Acad Sci USA. 107(33):14691-6.. Ebenso waren Enterobakterien (Shigellen und Escherichia) in den afrikanischen im Vergleich zu den europäischen Kindern unterrepräsentiert. Es wird vermutet, dass sich die Darm-Mikroben zusammen im Rahmen der afrikanischen Ernährungsweise entwickelten, welche hauptsächlich pflanzlich und reich an Stärke, pflanzlichen Polysacchariden und Ballaststoffen ist. Die spezielle Komposition der Mikroben der afrikanischen Individuen ermöglicht einen maximalen Energiegewinn aus Ballaststoffen und bietet gleichzeitig Schutz vor Entzündungsgeschehen und nichtinfektiösen Darmerkrankungen.

Im Vergleich dazu war die europäische Ernährungsweise reich an tierischem Protein, Zucker, Stärke und Fett und arm an Ballaststoffen, und führte zudem im Darm zu einem signifikant erniedrigten Gehalt an kurzkettigen Fettsäuren (englisch: short-chain fatty acids, SCFA), welche von bestimmten Bakterien mittels Fermentation aus Ballaststoffen hergestellt werden. SCFAs spielen für die Darmgesundheit eine wichtige Rolle , indem sie Energie für die Enterozyten zur Verfügung stellen. Studiendaten weisen zudem darauf hin, dass SCFAs auch über antiproliferative, apoptotische und Differenzierungs-Eigenschaften verfügen, die protektiv gegen Krebs wirken könnten. Sie könnten zudem auch in der Lage sein, den Stoffwechsel direkt zu beeinflussen, wie z.B. durch die Kontrolle von Körpergewicht und Diabetes mittels epigenetischer Regulationsmechanismen 13)Remely M, Aumueller E, Merold C, Dworzak S, Hippe B, Zanner J, Pointner A, Brath H, Haslberger AG. (2014): Effects of short chain fatty acid producing bacteria on epigenetic regulation of FFAR3 in type 2 diabetes and obesity. Gene. 537(1):85-92.. Unterschiede im Anteil SCFA-produzierender Polysaccharid-abbauender Bakterien könnten eine wichtige Rolle bei der Prävention von Darmkrebs spielen 14)Hinnebusch BF, Meng S, Wu JT, Archer SY, Hodin RA. (2002): The effects of short-chain fatty acids on human colon cancer cell phenotype are associated with histone hyperacetylation. J Nutr. 132(5):1012-7.. Der Vergleich der fäkalen Flora einer großen Gruppe gesunder freiwilliger strikter Vegetarier oder Veganer mit der einer alters- und geschlechtskonformen omnivoren Vergleichsgruppe zeigte signifikante Unterschiede ähnlich der Beobachtungen bei den afrikanischen Kindern 15)Zimmer J, Lange B, Frick JS, Sauer H, Zimmermann K, Schwiertz A, Rusch K, Klosterhalfen S, Enck P. (2012): A vegan or vegetarian diet substantially alters the human colonic faecal microbiota. Eur J Clin Nutr. 66(1):53-60..

Die von den Darmbakterien produzierten Metaboliten treten mittels Absorption in den Blutkreislauf über. Der enterohepatische Kreislauf kann diverse Wirkungen auf den Wirt haben, darunter eine antientzündliche und antioxidative Aktivität, eine Funktionsregulierung der Darmbarriere und die Produktion von Vitaminen und Energielieferanten 16)Bäckhed, Fredrik; Fraser, Claire M.; Ringel, Yehuda; Sanders, Mary Ellen; Sartor, R. Balfour; Sherman, Philip M. et al. (2012): Defining a healthy human gut microbiome. Current concepts, future directions, and clinical applications. In: Cell host & microbe 12 (5), S. 611–622.. Die von Mikroben abstammenden wasserlöslichen Vitamine B1, B2, B6, B12 und Folsäure können Einfluss auf das Outcome von Infektionen haben. Beispielsweise dokumentierten Kjer-Nielsen et al., dass bakterielle Metaboliten von Vitamin B2 und Folsäure spezielle Immun-Zellen (T-Zellen des MAIT-Typs) aktivieren, welche die Freisetzung von Zytokinen induzieren, die wiederum eine wichtige Rolle bei der antibakteriellen Immunität spielen 17)Kjer-Nielsen L, Patel O, Corbett AJ, Le Nours J, Meehan B, Liu L, Bhati M, Chen Z, Kostenko L, Reantragoon R, Williamson NA, Purcell AW, Dudek NL, McConville MJ, O’Hair RA, Khairallah GN, Godfrey DI, Fairlie DP, Rossjohn J, McCluskey J. (2012): MR1 presents microbial vitamin B metabolites to MAIT cells. Nature. 2012 Nov 29;491(7426):717-23.. Es konnte auch gezeigt werden, dass das vom Darmbakterium B. thetaiotaomicron abstammende Vitamin B12 die Aktivität von Shigatoxin-2, dem Haupt-Pathogen des enterohämorrhagischen E. coli (EHEC), reduzieren kann 18)Cordonnier, Charlotte; Le Bihan, Guillaume; Emond-Rheault, Jean-Guillaume; Garrivier, Annie; Harel, Josée; Jubelin, Grégory (2016): Vitamin B12 Uptake by the Gut Commensal Bacteria Bacteroides thetaiotaomicron Limits the Production of Shiga Toxin by Enterohemorrhagic Escherichia coli. In: Toxins 8 (1).. Diese Daten weisen darauf hin, dass die Synthese verschiedener wasserlöslicher Vitamine helfen kann, das Outcome von Infektionen zu beeinflussen.

Was ist Ihr Enterotyp?

Es gibt Hinweise darauf, dass das Darm-Mikrobiom in drei sogenannte Enterotypen unterteilt werden kann, welche durch bestimmte funktionelle Marker charakterisiert sind 19)Arumugam, Manimozhiyan; Raes, Jeroen; Pelletier, Eric; Le Paslier, Denis; Yamada, Takuji; Mende, Daniel R. et al. (2011): Enterotypes of the human gut microbiome. In: Nature 473 (7346), S. 174–180. DOI: 10.1038/nature09944.. Einige dieser Marker, z.B. stärkeabbauende Enzyme, korrelieren mit dem Alter und dem Body Mass Index (BMI). Diese Enterotypen werden wahrscheinlich durch Langzeit-Ernährungsgewohnheiten beeinflusst 20)Wu, Gary D.; Chen, Jun; Hoffmann, Christian; Bittinger, Kyle; Chen, Ying-Yu; Keilbaugh, Sue A. et al. (2011): Linking Long-Term Dietary Patterns with Gut Microbial Enterotypes. In: Science (New York, N.y.) 334 (6052), S. 105–108. DOI: 10.1126/science.1208344.. Sogar ein nur kurzzeitiger Konsum einer Ernährung, die entweder aus tierischen oder pflanzlichen Nahrungsmitteln besteht, verändert das Darm-Mikrobiom innerhalb von 24 Stunden. So vermindert zum Beispiel eine auf tierischen Produkten basierende Ernährung die Anzahl an Firmicutes und erhöht den Anteil an Bacteroides 21)David, Lawrence A.; Maurice, Corinne F.; Carmody, Rachel N.; Gootenberg, David B.; Button, Julie E.; Wolfe, Benjamin E. et al. (2014): Diet rapidly and reproducibly alters the human gut microbiome. In: Nature 505 (7484), S. 559–563. DOI: 10.1038/nature12820..

Studien zeigen jedoch auch, dass die Enterotypen über die Zeit hinweg an sich stabil bleiben 22)Lim, Mi Young; Rho, Mina; Song, Yun-Mi; Lee, Kayoung; Sung, Joohon; Ko, GwangPyo (2014): Stability of gut enterotypes in Korean monozygotic twins and their association with biomarkers and diet. In: Scientific reports 4, S. 7348. DOI: 10.1038/srep07348. und sich wahrscheinlich auch im Falle einer Ernährungsumstellung nicht komplett umstellen 23)Roager, Henrik M.; Licht, Tine R.; Poulsen, Sanne K.; Larsen, Thomas M.; Bahl, Martin I. (2014): Microbial enterotypes, inferred by the prevotella-to-bacteroides ratio, remained stable during a 6-month randomized controlled diet intervention with the new nordic diet. In: Applied and environmental microbiology 80 (3), S. 1142–1149. DOI: 10.1128/AEM.03549-13..
Beim Enterotyp 1 sind Bacteroides  vorherrschend und er kommt vor allem bei Menschen mit einer Ernährung vor, die reich an Protein und gesättigten Fettsäuren ist. Enterotyp 2 findet sich vor allem bei Ernährungsweisen, bei denen Kohlenhydrate die Hauptenergiequelle darstellen. Er wird dominiert durch Prevotella. Enterotyp 3 ist reich an Ruminococcus, eine Bakterienspezies, welche Zucker und Mucin abbaut. Möglicherweise sind die funktionellen Marker der verschiedenen Enterotypen hilfreich bei der Diagnose- und Prognoseerstellung bestimmter Krankheiten, z.B. dem Kolonkarzinom oder sogar einigen metabolischen Erkrankungen.

Das Konzept der Enterotypen ist jedoch umstritten und es gibt Hinweise darauf, dass Enterotypen nicht immer strikt auf drei Gattungen beschränkt sind 24)Huse, Susan M.; Ye, Yuzhen; Zhou, Yanjiao; Fodor, Anthony A. (2012): A core human microbiome as viewed through 16S rRNA sequence clusters. In: PloS one 7 (6), e34242. DOI: 10.1371/journal.pone.0034242.25)Claesson, Marcus J.; Jeffery, Ian B.; Conde, Susana; Power, Susan E.; O’Connor, Eibhlis M.; Cusack, Siobhan et al. (2012): Gut microbiota composition correlates with diet and health in the elderly. In: Nature 488 (7410), S. 178–184. DOI: 10.1038/nature11319..
Daher könnte ein anderer sinnvoller Ansatz sein, die Mikrobiota verschiedener Populationen anhand ihrer Diversität zu kategorisieren. Beispielsweise scheint ein geringer bakterieller Artenreichtum ein Risikofaktor für pathologische Konditionen wie Adipositas, Insulinresistenz und leichtgradige Inflammationsgeschehen zu sein 26)Le Chatelier, Emmanuelle; Nielsen, Trine; Qin, Junjie; Prifti, Edi; Hildebrand, Falk; Falony, Gwen et al. (2013): Richness of human gut microbiome correlates with metabolic markers. In: Nature 500 (7464), S. 541–546. DOI: 10.1038/nature12506..
Darüber hinaus sollten nicht nur die Enterotypen oder die mikrobielle Diversität an sich berücksichtigt werden, sondern auch die Plasmametaboliten, die von Darmmikroben stammen. Beim Vergleich von Veganern mit Omnivoren wurde festgestellt, dass deren mikrobielle Zusammensetzung relativ ähnlich war. Bei der Betrachtung der Metabolome unterschieden sich jedoch die Plasmametaboliten zwischen den Gruppen um 25%, und Veganer hatten eine insgesamt höhere Konzentration an von Mikroben stammenden Metaboliten 27)Wu, Gary D.; Compher, Charlene; Chen, Eric Z.; Smith, Sarah A.; Shah, Rachana D.; Bittinger, Kyle et al. (2016): Comparative metabolomics in vegans and omnivores reveal constraints on diet-dependent gut microbiota metabolite production. In: Gut 65 (1), S. 63–72. DOI: 10.1136/gutjnl-2014-308209..

Mikrobiom und Epigenetik

Das Human Genome Project wurde 1990 ins Leben gerufen und hatte große Hoffnungen geschürt, dass durch die Entschlüsselung unserer DNA-Sequenz die genetische Grundlage für Krankheiten erschlossen werden könnte und somit die Möglichkeit, medizinische Therapiemöglichkeiten auf der Basis von Genen zu entwickeln. Ausgehend von einer geschätzten Anzahl von 100.000 Genen war die ermittelte Zahl von nur etwa 20.000 menschlichen Genen recht ernüchternd. Wir sind jedoch Gastgeber für ein zweites Genom: das genetische Material unseres Mikrobioms. Entsprechend dem momentanen Wissensstand sprechen wir hier von ganzen 10 Millionen nicht-redundanten mikrobiellen Genen 28)Li, Junhua; Jia, Huijue; Cai, Xianghang; Zhong, Huanzi; Feng, Qiang; Sunagawa, Shinichi et al. (2014): An integrated catalog of reference genes in the human gut microbiome. In: Nature biotechnology 32 (8), S. 834–841. DOI: 10.1038/nbt.2942..

Das bringt uns noch einen Schritt weiter: Die Art und Weise wie wir uns ernähren, beeinflusst nicht nur unsere eigenen Gene, sondern hat auch einen Einfluss auf die Gene der Mikroben, die unseren Darm bevölkern.
Während unser Genom (abgesehen von epigenetischen Modifikationen) lebenslang konstant bleibt, verändert sich unser Mikrobiom über die Zeit hinweg stark und vermag mittels epigenetischer Modifikationen unsere Gene zu beeinflussen. Wir haben bereits besprochen, dass bestimmte Bakterien kurzkettige Fettsäuren (SCFA) produzieren. Diese können wiederum mittels epigenetischer Regulation unseren Stoffwechsel beeinflussen 29)Remely M, Aumueller E, Merold C, Dworzak S, Hippe B, Zanner J, Pointner A, Brath H, Haslberger AG. (2014): Effects of short chain fatty acid producing bacteria on epigenetic regulation of FFAR3 in type 2 diabetes and obesity. Gene. 537(1):85-92..

Was ist die Zukunft der Mikrobiom-Forschung?

Das Mikrobiom kann als eine der wichtigsten Verbindungen zwischen unserer Ernährungsweise und unserer Gesundheit verstanden werden. Die derzeit verfügbare Literatur zeigt eine symbiotische Kommunikation zwischen unserem Körper und unseren Mikroben, wobei die Details noch nicht vollständig verstanden sind. Das macht das Mikrobiom zu einem der spannendsten Forschungsfelder.

Das von unserem Darm-Mikrobiom stammende Metabolom bietet eine weitere vielversprechende Gelegenheit, den Einfluss von Ernährung auf die Krankheitsentstehung zu untersuchen. Wir dürfen neue Einsichten hinsichtlich Prävention, Diagnostik, Therapie und Prognose bestimmter Krankheiten erwarten. Beispielsweise könnte die mikrobielle Zusammensetzung als Biomarker für Krankheitsrisiko oder -verlauf dienen und individualisierte Ernährungsempfehlungen, basierend auf dem mikrobiellen Profil einer Person, könnten effektive und potentiell kurative Therapieoptionen darstellen.

Dieser Artikel ist Teil der Serie "Die Kraft der Ernährung".

agar

Quellenangaben   [ + ]

PAN NewsletterNever miss out on PAN news!

If you are interested in news about bringing healthy nutrition to the heart of public health care, then please sign up for our monthly newsletter below.

de_DEDeutsch
en_USEnglish es_ESEspañol de_DEDeutsch