Ökologie des Darmmikrobioms
von: Zach Aanderud Ph.D.
Dieser Artikel beschreibt die grundlegende Ökologie des Darmmikrobioms. hebt die drei wichtigsten Vorteile des Darmmikrobioms hervor, darunter den Schutz vor chemischen Stoffen im Gehirn-Darm-Mikrobiom
In jedem unserer Dickdärme leben Billionen von Mikroorganismen, die zusammen ein Stützorgan im Zentrum unserer Gesundheit bilden, das sogenannte Darmmikrobiom. Unser Darm beherbergt die höchste Dichte an Mikroorganismen, die überwiegend zu Bakterien, aber auch zu Pilzen, Archaeen und Protisten gehören, von allen Biomen oder Mikrobiomen auf der Erde. In unserem Verdauungstrakt leben über 5.000 verschiedene Arten von Mikroorganismen, die etwa 2 Kilogramm wiegen – fast doppelt so schwer wie unser Gehirn (Bäckhed et al. 2005; Sekirov et al. 2009; Sender et al. 2016). Wir selbst sind zu gleichen Teilen Bakterien und Menschen, wobei die Anzahl der Zellen in unserem Mikrobiom der unserer eigenen Zellen entspricht.
Untersucht man die Gene, die für diese Aktivität verantwortlich sind, so stellt man fest, dass unsere Darmmikrobiota ≥ 100 Mal mehr Gene als unser eigenes Genom exprimiert, nämlich 3,3 Millionen einzigartige kodierende Gene im Vergleich zu den 23.000 Genen in unserem gesamten menschlichen Genom (Amon und Sanderson 2017).
Bevor wir uns jedoch mit den vielfältigen und wichtigen Funktionen befassen, die auf die genetische Vielfalt unseres Darmmikrobioms zurückzuführen sind, müssen wir die Ökologie unseres Verdauungstrakts erörtern. Auf einer basalen Ebene findet unsere Verdauung in einem Ökosystem statt, in dem lebende (d. h. unser Magen-Darm-Trakt, das Darmmikrobiom) und nicht lebende Komponenten (d. h. die Lebensmittel, die wir essen) zusammenwirken. Schauen wir uns jede einzelne dieser Komponenten an.
Gastrointestinaltrakt
Obwohl die Nährstoffverfügbarkeit in der Nähe der Absorptionsstellen am höchsten ist, enthalten Magen und Dünndarm nur eine relativ geringe Anzahl von Mikroorganismen. Aufgrund des niedrigen pH-Werts des Mageninhalts, der mikrobiellen Toxizität der Gallensalze und des relativ schnellen Verdauungsflusses ist die Zahl der Mikroorganismen in diesen Bereichen begrenzt. Bis zu 90 % der Verdauung findet an diesen Stellen mit relativ hohen Sauerstoffkonzentrationen statt (Rinninella et al. 2019).
Im Gegensatz dazu hält der Dickdarm am distalen Ende des Magen-Darm-Trakts die Nahrung sechsmal länger als der Dünndarm und verdaut sie weiter, und er leistet in einer sauerstoffarmen Umgebung zahlreiche weitere Dienste für uns. In Ihrem Darm bilden die Darmepithelzellen eine Schicht, die Luminalfläche oder Auskleidung des Magen-Darm-Trakts. Diese Schicht hat zwei Hauptfunktionen: Sie absorbiert nützliche Stoffe im Körper und verhindert das Eindringen von schädlichen Stoffen oder Mikroorganismen. Um diese Aufgaben angemessen zu erfüllen, bilden die Darmepithelzellen eine Darmschleimhautbarriere zwischen dem Körper und dem Darm, die die unkontrollierte Verlagerung des Lumeninhalts in den Körper verhindert und Bakterien im Dickdarm beherbergt.
Darm-Mikrobiom
Über 99 % unseres Darmmikrobioms befinden sich im Dickdarm, wobei es sich entweder um schleimhautassoziierte Bakterien handelt, die aufgrund der Nähe zum Epithel langfristige Auswirkungen auf unsere Immun- und Stoffwechselgesundheit haben (Juge 2022), oder um eher flüchtige, frei lebende Bakterien, die täglich unseren Dickdarm durchwandern. Die Bakterien, die eine Nische in der Schleimhautschicht besetzen, sind echte Bewohner unseres Dickdarms, während die freilebenden Bakterien nur „per Anhalter“ durch unseren Darm wandern. Im Dickdarm, einem sauerstoffarmen Milieu, findet man anaerobe Bakterien, die von den Bakteriengruppen Bacillota (früher Firmicutes), Bacteroidota, Actinomycetota und Psuedomonadota (früher Proteobacteria) und den Gattungen Bacteroides, Clostridium, Faecalibacterium, Eubacterium, Ruminococcus, Peptococcus, Peptostrptococcus und Bifidobacterium (Rinninella et al. 2019). Andere Gattungen wie Escherichia und Lactobacillus sind in geringerem Umfang vorhanden.
Ihr Essen
Letztlich bestehen 60 % der Trockenmasse unserer Fäkalien aus Bakterien des Darmmikrobioms. Der Kohlenstoff- und Energiebedarf der enormen Anzahl von Bakterien in unserem Darm wird aus verschiedenen Quellen gedeckt: komplexe Nahrungspolyphenole, verdauliche Ballaststoffe, andere Kohlenhydrate, Proteine und Fette, die der Verdauung entgangen sind, Bestandteile von Wirtssekreten (Muzine) und abgeschilferte Epithelzellen. Der erstaunliche Grad der bakteriellen Vielfalt im Dickdarm weist auf eine Vielzahl ökologischer Nischen hin, die nicht nur durch unsere eigene Physiologie, sondern auch durch die Entwicklung komplexer Nahrungsnetze geschaffen werden, in denen die Nebenprodukte einer Bakterie zum Substrat für andere Bakterien werden können (Walter 2008). Unsere Ernährung bestimmt die Arten von Lebensmitteln, die zur Diversifizierung unseres Mikrobioms beitragen.
Das Darmmikrobiom bietet eine Fülle von wesentlichen gesundheitlichen Vorteilen, von denen in diesem Artikel drei besonders hervorgehoben werden sollen: die Stärkung unseres Immunsystems, die Bildung von Vitaminen und die Bekämpfung von Toxinen sowie die Bildung von Neurotransmittern, die unser geistiges Wohlbefinden beeinflussen.
Immunitätsschub
Ein gesundes Darmmikrobiom stärkt das Immunsystem, also das komplexe Netzwerk aus Organen, Zellen und Proteinen, das unseren Körper vor Infektionen schützt. Die bakteriellen Bewohner unseres Dickdarms verändern die Darmchemie, besetzen den gesamten Darmraum und scheiden antimikrobielle Proteine aus, die potenzielle Krankheitserreger ausschließen. Die Bakterien in unserem Darm verstoffwechseln die Nahrung durch Fermentation und erzeugen kurzkettige Fettsäuren (SCFA) wie Essig-, Buttersäure und Propionsäure. Diese SCFAs verstärken die antibakterielle Immunreaktion des Wirts, indem sie den pH-Wert des Magens senken und das Wachstum schädlicher Krankheitserreger wie Clostridium difficile hemmen (Ouyang et al. 2022). Clostridium difficile ist ein opportunistischer Durchfallerreger, der weltweit für eine erhebliche Morbidität und Mortalität verantwortlich ist, die häufig durch Antibiotikabehandlungen verursacht wird (Gregory et al. 2021).
Zu den Lebensmitteln, die einen erhöhten Gehalt an SCFA begünstigen, gehören Nahrungspolyphenole, Fructo-Oligosaccharide und unverdauliche Kohlenhydrate und Fasern wie Inulin, resistente Stärke, Gummi und Pektine. Darüber hinaus produzieren viele ansässige und vorübergehende Bakterien in unserem Darmmikrobiom kleine Mengen antibakterieller Moleküle, so genannter Bakteriozine (z. B. Mikrozine, Enterozine und Staphylokokken), die in der Lage sind, spezifische kolonisierende Krankheitserreger zu eliminieren (Heilbronner et al. 2021). SCFA trägt auch zur Aufrechterhaltung der Integrität der Darmepithelzellen bei.
Das Ungleichgewicht der Mikroorganismen oder der Zusammenbruch der Schleimhautbarriere erhöht die Durchlässigkeit des Darmepithels in einem Prozess, der als Dysbiose bezeichnet wird. Leider verschlimmert eine Darmdysbiose zahlreiche Autoimmunkrankheiten wie rheumatoide Arthritis, Multiple Sklerose und Zöliakie (Chang und Choi 2023; Chen und Vitetta 2021). Ein gesundes Darmmikrobiom trägt erheblich zur Aufrechterhaltung der Homöostase in Ihrem Körper bei und unterstützt ein gut funktionierendes Immunsystem.
Vitamine und Toxine
Bestimmte Vitamine, die für unsere Gesundheit wichtig sind, werden nur in unserem Darmmikrobiom gebildet. Die meisten Vitamine müssen exogen von außen zugeführt werden. Vitamine sind in verschiedenen Lebensmitteln enthalten, aber das bedeutet, dass es durch falsche Ernährung zu Mangelerscheinungen kommen kann.
Unerwarteterweise kann unser Darmmikrobiom Vitamine de novo (von Anfang an) synthetisieren, insbesondere mehr als 30 % von Vitamin K und Vitaminen der B-Gruppe wie Riboflavin, Niacin und Cobalamin (Nysten und Dijick 2023). Vitamin K ist notwendig für die Gesundheit der Knochen, der kognitiven Fähigkeiten und des Herzens, und die B-Vitamine sind notwendig, um die allgemeine Gesundheit aufrechtzuerhalten und wirken sich auf das Energieniveau, die Gehirnfunktion und den Zellstoffwechsel aus.
Vitamine sind für unsere Gesundheit unentbehrlich, aber andere chemische Substanzen sind äußerst schädlich für uns. Wir werden ständig mit Xenobiotika (d. h. chemischen Stoffen, die normalerweise nicht in der Umwelt lebender Organismen vorkommen) bombardiert, von der anthropogenen Umweltverschmutzung bis hin zu Lebensmittelzusatzstoffen und Pestiziden. Ohne den Stoffwechsel unseres Darmmikrobioms würden viele Xenobiotika toxische Konzentrationen erreichen (Croom 2012). Aufgrund der genetischen Vielfalt verfügt ein gesunder Darm über eine leistungsstarke Stoffwechselkapazität zur Biotransformation einer Vielzahl von Xenobiotika, die unser eigenes metabolisches Potenzial weit übersteigt (Dikeocha et al. 2022; Abdelsalam et al. 2020).
Verbindung zwischen Darm und Gehirn
Ihr Gehirn und Ihr Darmmikrobiom stehen über Millionen von Nervenzellen in einem ständigen Dialog. Die Darm-Hirn-Verbindung ist die biochemische Signalübertragung zwischen den Bakterien in Ihrem Magen-Darm-Trakt und Ihrem zentralen Nervensystem. Die biochemischen Signale werden von Neurotransmittern (Reynoso-Garcia et al 2022) wie SCFAs (Obata und Pachnis 2016), 5-Hydroxytryptamin (5-HT, Serotonin), γ-Aminobuttersäure (GABA; Pokusaeva et al 2017) und Hormonen wie Cortisol (Valles-Colomer et al 2019) ausgelöst. Gemeinsam beeinflussen Darm und Gehirn direkt oder indirekt Emotionen, Kognition und die Pathophysiologie von Hirnstörungen.
So werden beispielsweise 95 % unseres Neurotransmitters Serotonin in unserem Darm gebildet, der Emotionen reguliert (d. h. Stimmung, Schlaf, Verdauung, Übelkeit, Heilung, Knochengesundheit, Blutgerinnung und sexuelles Verlangen; Terry und Margolis 2017). Auch andere neuropsychiatrische Erkrankungen wie depressive Störungen stehen in Zusammenhang mit einer Darmdysbiose. Im Allgemeinen ist ein Rückgang der Bacillota-Bakterien für einen Rückgang der SCFAs bei Depressionen verantwortlich und beeinträchtigt die Darmbarriere (Huang et al. 2018). Die Wiedereinführung probiotischer Arten wie Bifidobacterium longum und Bifidobacterium breve reduzierte depressive Verhaltensweisen und erhöhte die Sekretion von 5-Hydroxytryptophan und Butyrat (Tian et al. 2019).
Wenn wir ein Bauchgefühl haben, Schmetterlinge im Bauch, oder wenn wir unserem Bauchgefühl vertrauen, dann hören wir zum Teil auf das Zusammenspiel zwischen unserem Darmmikrobiom und unserem Gehirn.
Zusammen mit unserem Darmmikrobiom bilden wir einen „Superorganismus“. Wir sind auf einander angewiesen. Mit Billionen von Zellen, Tausenden von verschiedenen Arten und einer relativ unbegrenzten Anzahl von Genen erfüllt unser Darmmikrobiom täglich wichtige Funktionen in unserem Leben, die wir bei weitem unterschätzen. Wir müssen unser Mikrobiom schätzen und pflegen, damit wir von unseren Gesundheitszentren voll profitieren können.
Über den Autor
Zach Aanderud hat einen Doktortitel und ist Professor für mikrobielle Ökologie und Biogeochemie an der Brigham Young University. Er ist in Portland, Oregon, geboren und aufgewachsen und hat an der BYU, der University of California Davis und der Michigan State University studiert.
Referenzen
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