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Mikrobiom

Superorgan Darm


Von Annette Immel-Sehr / Die Darmflora hat großen Einfluss auf die Gesundheit – im Guten wie im Schlechten. Noch längst nicht sind alle Fragen geklärt, wie das komplexe Wechselspiel zwischen den Bakterienstämmen und dem Organismus funktioniert. Doch ergeben sich aus dem bisherigen Wissen bereits interessante Ansätze für die Therapie von Erkrankungen.

 

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In und auf dem menschlichen Körper lebt eine Vielzahl von Bakterien. Ökosysteme von Mikroorganismen finden sich auf der Haut und den Haaren, im Urogenitaltrakt, in Mund, Nase, Rachen und im Darm. Die Menge der Bakterien, die natürlicherweise mit jedem Menschen zusammenleben, ist geradezu unvorstellbar: 1014! Damit hat jeder Mensch etwa zehnmal so viele Mikroorganismen wie Körperzellen. Sie machen ein bis zwei Kilogramm des Körpergewichts aus. Wissenschaftler bezeichnen die auf gesundem Gewebe lebenden Mikroorganismen als Mikrobiota und die Gesamtheit der bakteriellen Gene und der Genprodukte als Mikrobiom. Am besten erforscht ist derzeit die bakterielle Besiedelung des menschlichen Darms. Wissen­schaftler haben inzwischen das dynamische, wechselseitige Zusammenspiel von Darmflora und vielen Körperfunktionen genauer untersucht. Dieses ist so komplex, dass das Darmmikrobiom gelegentlich auch als »Superorgan« bezeichnet wird.




Foto: Superbild


Lange Zeit dachten Mikrobiologen, der Darm Ungeborener sei steril und die Besiedelung ihres Darms beginne erst im Geburtskanal, wenn das Kind mit Keimen aus Vagina und Blase der Mutter in Kontakt kommt. Mittlerweile ist jedoch erwiesen, dass Teile des mütterlichen Mikrobioms bereits in der Schwangerschaft über das Blut und die Plazenta auf das Ungeborene übergehen. Schon eine Woche nach der Geburt haben sich die Bakterien dann im gesamtem Darm des Kindes ausgebreitet.

Während der ersten Lebensjahre entwickelt sich die Darmmikrobiota immer weiter. Insbesondere mit Einführung der Beikost verändert sich jedoch die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft erheblich, denn nun stehen den Keimen andere Nahrungssubstrate zur Verfügung. Schließlich bildet sich im Darm eine stabile Gemeinschaft von 500 bis 1500 verschiedenen Bakterienspezies. Typisch sind beispielsweise Laktobazillen, Enterokokken und Bifidobakterien.

Top-Forschungsthema

Das Mikrobiom des Menschen ist derzeit weltweit einer der bedeutsamsten Forschungsbereiche der Biowissenschaftler. Im Jahr 2007 wurde in den USA von den öffentlichen Gesundheitsbehörden das Human Microbiome Project (HMP) begonnen. In Europa arbeiten Wissenschaftler im sogenannten MetaHit-Konsortium (Metagenomics of the Human intestinal tract) zusammen. Gemeinsames Ziel der Forscher ist die Bestimmung des Erbgutes der Mikroorganismen, die den Menschen besiedeln. Letztlich wollen die Wissenschaftler verstehen, welchen Einfluss die Mikroorganismen auf Gesundheit und Krankheit des Menschen haben. Die Erkenntnisse wachsen rasant. Bis sie jedoch für die Behandlung von Erkrankungen genutzt werden können, wird wohl noch einige Zeit vergehen.




Jede der in der Darmflora dominierenden Bakterienart, ob Bacteroides, Prevotella oder Ruminococcus, verfügt über andere Fähigkeiten.

Grafik: Mathias Wosczyna



Die Mikrobiota des Darms bestehen zwar aus verschiedenen Bakteriengattungen, ähneln sich aber bei den meisten Menschen. Die bedeutsamsten sind die sogenannten Firmicutes (lat. firmus = stark, cutis = Haut) und Bacteroidetes. Im Prinzip lassen sich drei sogenannte Enterotypen unterscheiden – je nachdem, welche Bakterien­gattung im Darm vorherrscht. Jede der dominierenden Bakterienarten verfügt über unterschiedliche Fähigkeiten. So sind beispielsweise Keime der Gattung Bacteroides (vor allem bei Enterotyp I) besonders effektiv in der Biosynthese von Biotin, dagegen produziert die Gattung Prevotella (vor allem bei Enterotyp II) viel Thiamin. Die beim bei Enterotyp III dominierende Gattung Ruminococcus synthetisiert sogenannte Häme, eisenhaltige Porphyrinkomplexe wie das Hämoglobin, und greift zudem die Schleimschicht auf den Darmzellen an.

Zu welchem Enterotyp ein Mensch gehört, hängt vor allem von seinen Ernährungsgewohnheiten ab. Dabei ist von Bedeutung, ob jemand viele Lebensmittel tierischen Ursprungs verzehrt oder sich vorwiegend pflanzlich ernährt: eine fett-/proteinreiche Ernährungsweise führt zu Enterotyp I, kohlenhydratbetonte Kost zu Enterotyp II. Den Enterotyp III bringen Wissenschaftler weniger mit der Ernährungsweise als mit verschiedenen Erkrankungen in Verbindung.

Der Idealfall

Bakterien und Mensch bilden eine für beide Seiten vorteilhafte Gemeinschaft. Die Bakterien finden in oder auf dem Menschen einen stabilen wohltemperierten Lebensraum mit ausreichend Nahrung. Der Mensch profitiert von den Mikroorganismen auf verschiedene Weise: Zum einen lässt eine gesunde Darmflora kaum Platz für krankmachende Keime beziehungsweise nimmt möglichen Erregern lebenswichtige Substanzen weg. Sie schützt demnach vor Infektionen. Die Darmflora hat zudem immunmodulatorische Effekte. Sie fördert die Bildung bestimmter Interleukine, die das Immunsystem regulieren und überschießende Reaktionen verhindern.

Des Weiteren verfügen die Darmbakterien über andere Enzyme als der Mensch. Damit können sie Nahrung abbauen, die der Mensch ansonsten nicht verwerten könnte. So verarbeiten die Bakterien komplexe Kohlenhydrate zu Zuckern. Zudem produzieren Darmbakterien Vitamine, die dem menschlichen Organismus zu Gute kommen, beispielsweise Vitamin B6, Tetrahydrofolat, Vitamin B12, Vitamin K und Biotin.

Wenn die Darmflora nicht ausgewogen zusammengesetzt ist, kann sich dies negativ auf den Körper auswirken. Wie diese Effekte zustande kommen, ist im Einzelnen noch nicht geklärt. Doch haben Forscher gefunden, dass bestimmte Krankheiten mit einer veränderten Zusammensetzung der Mikrobiota einhergehen. Dazu zählen nicht nur gastrointestinale Erkrankungen wie infektiöse Diarrhöen, Morbus Crohn, Colitis ulcerosa und das Reizdarmsyndrom, sondern auch Erkrankungen außerhalb des Magen-Darm-Traktes, beispielsweise das metabolische Syndrom, Rheuma, Multiple Sklerose und Depression.

Angesichts der Bedeutung einer stabilen Darmmikrobiota für die Gesundheit wird deutlich, dass die unkritische Einnahme von Antibiotika dem Körper erheblich schaden kann. Denn nach einer fünftägigen Antibiotika-Therapie sind etwa 30 Prozent der Darmflora zerstört. Deswegen sollten Ärzte vorab sehr genau prüfen, ob der zu erwartende Nutzen einer Antibiotika-Gabe die möglichen Risiken überwiegt.

Darmflora und Gewicht

Untersuchungen haben ergeben, dass sich die Darmflora von normalgewichtigen und adipösen Menschen unterscheidet: Im Vergleich zu Normalgewichtigen ist bei Adipösen der Anteil der Bakterien-Gattung Firmicutes im Verhältnis zu den Bacteroides wesentlich erhöht. Eine solche Verschiebung der Hauptstämme wirkt sich direkt auf den Energiestoffwechsel aus. Denn die Firmicutes produzieren mehr Enzyme, die unverdauliche Kohlenhydrate wie Zellulose spalten können. Damit wird mehr Energie aus der Nahrung gewonnen. In der Redewendung vom »guten und schlechten Nahrungsverwerter« steckt also ein Stück Wahrheit.




Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die Darmflora von Normal­gewichtigen und Adipösen unter­scheidet, dieser Unterschied wirkt sich auf die Nahrungsverwertung aus.

Foto: Shutterstock/Ljupco Smokovski


Erhielten Normalgewichtige eine hochkalorische Kost, veränderte sich ihre Darmmikrobiota relativ schnell. Der Anteil der Firmicutes stieg, der der Bacteroides sank und damit erhöhte sich die Energiegewinnung um etwa 150 Kilokalorien pro Tag. Diese Zunahme mag gering erscheinen, macht sich jedoch auf Dauer beim Körpergewicht bemerkbar.

Bei Übergewichtigen ist nicht nur die Mikrobiota verändert, auch die Darmbarriere ist gestört. Dann gelangen schädliche Substanzen, die normalerweise die Schleimschicht auf den Epithelzellen des Dünn- oder Dickdarms nicht durchdringen können, in die Blutbahn. Die Folgen sind zunächst schwache Entzündungsreaktionen sowie eine vermehrte Fetteinlagerung und gestörte Insulinsensitivität sowie langfristig Bluthochdruck, Fettstoffwechselstörungen und Insulin­resistenz.

Wissenschaftler sehen auch einen Zusammenhang zwischen der Zusammensetzung der Mikrobiota und der Entstehung von Autoimmunkrankheiten wie Colitis ulcerosa: Überwiegen bestimmte Bakterienpopulationen, wird über das Schleimhaut-assoziierte Immunsystem eine Reaktionskaskade in Gang gesetzt. Das führt schließlich dazu, dass das Immunsystem unangemessen auf potenziell allergene oder autoimmune Substanzen reagiert.

Sogar zwischen Psyche und Darmmikrobiota scheint eine Wechselwirkung zu bestehen. Forscher stellten fest, dass Mäuse ohne Darmmikro­biom – sogenannte keimfreie Mäuse –stärker auf Stress reagierten als normale Tiere. Auch das Verhalten der Tiere insgesamt ist durch die Darm­flora beeinflusst, so das Ergebnis verschiedener Experimente. Bislang bestehen nur Theorien, über welche Wege Gehirn und Darmflora miteinander »kommunizieren«. Dass sie es tatsächlich tun, ist in verschiedenen Untersuchungen gezeigt worden, nicht nur mit Versuchstieren, sondern auch bei Menschen: So leiden Patienten mit Morbus Crohn oder Colitis ulcerosa häufig unter psychischen Begleiterkrankungen wie Depressionen oder Angststörungen. Deren Schweregrad lässt sich nicht durch den Leidensdruck aufgrund der Grunderkrankung erklären. Es ist denkbar, dass Medikamente zukünftig eine psychische Erkrankung lindern, indem sie die Darmmikrobiota modulieren.

Konsequent weitergedacht

Eine neue Behandlungsmethode sorgte in letzter Zeit auch in den Laienmedien immer wieder für Aufmerksamkeit: die fäkale Mikrobiom-Transplantation (Stuhltransplantation). Die Strategie ist schlüssig: Das Darmmikrobiom eines gesunden Spenders wird in den Darm eines Kranken übertragen, um dessen geschädigte Darmflora wieder aufzubauen. Der Patient soll von den gesundheitsfördernden Eigenschaften des transplantierten Mikrobioms profitieren. Bei dem Verfahren wird der Spenderstuhl mit einer Kochsalzlösung verflüssigt, gefiltert und mit einer Sonde in den Darm des Empfängers geleitet. Einige Kliniken erproben die Übertragung mittels Kapseln.




Die Darmflora hat Einfluss auf die Stressanfälligkeit, das haben zumindest Experimente an Mäusen gezeigt.

Foto: Shutterstock/kurhan


Das Therapiekonzept mag gewöhnungsbedürftig sein, doch setzt es konsequent die Erkenntnisse über die Bedeutung der Darmflora um. Und der Erfolg gibt diesem Verfahren Recht: Inzwischen gilt der Stuhltransfer schon als Therapiemethode der Wahl für kompliziert verlaufende, wiederkehrende Infektionen mit dem Bakterium Clostridium difficile. Solche Infektionen treten häufig im Zusammenhang mit einer Antibiotika-Therapie auf. Zerstören die Medikamente das Gleichgewicht der gesunden Darmflora, vermehrt sich der Erreger mitunter massenhaft. Schwere Durchfälle sind die Folge. Insbesondere bei älteren Patienten verläuft die Erkrankung häufig kompliziert oder sogar tödlich. Die Deutsche Gesellschaft für Gastro­enterologie, Verdauungs- und Stoffwechselkrankheiten (DGVS) wies darauf hin, dass die Stuhltransplantation bei Clostridium-Infektionen konventionellen Behandlungsmethoden deutlich überlegen ist. Dies hätte eine Reihe von Studien gezeigt.

Um Nutzen und Risiken des neuen Verfahrens bewerten zu können, wurde das nationale Register »MikroTrans« eingerichtet. In dieser Internet-basierten Datenbank erfassen Kliniken Patientencharakteristika, Details aus den Stuhlübertragungen und deren Ergebnisse. Aus diesen Daten wollen die Wissenschaftler Kenntnisse über die langfristigen Wirkungen und Nebenwirkungen gewinnen sowie Standards zur Auswahl der Spender, zu Aufbereitung des Stuhls und dessen Übertragung entwickeln.

Mittlerweile prüfen Mediziner bereits weitere Anwendungsgebiete für die Stuhltransplantation. In einer Studie wurde beobachtet, dass Übergewichtige Gewicht verloren, nachdem ihnen Stuhl von einem Normalgewichtigen übertragen wurde, weil das körpereigene Insulin danach besser wirkte.

Andere Einzelfallstudien bei unterschiedlichen Erkrankungen – etwa bei chronischen Darmentzündungen – erbrachten ebenfalls Therapieerfolge. Doch sind weitere Untersuchungen erforderlich, um den Stellenwert einer Stuhltransplantation beurteilen zu können.




Der Genuss von Joghurt führt zu einer hohen Zahl von Lactobacillen in der Darmflora, was sich förderlich auf die Gesundheit auswirken kann.

Foto: Shutterstock/asife


Darmflora beeinflussen

Mit der Zufuhr bestimmter Bakterien wird versucht, die physiologische Darmflora zu stabilisieren beziehungsweise wiederherzustellen. Dies ist auch die Wirkungsweise der Probiotika. Laut Definition der Weltgesundheitsorganisation sind Probiotika lebende Mikro­organismen mit einem dosisabhängigen und stammspezifischen positiven Gesundheitseffekt. Meist kommen hierbei Bifidobakterien oder Laktobazillen zum Einsatz. Diese verdrängen schädliche Bakterien im Darm und konkurrieren mit diesen um Substrate. Es gilt heute als erwiesen, dass probiotische Bakterien bei akutem Durchfall die Krankheitsdauer um durchschnittlich einen Tag reduzieren können. Die Wirksamkeit ist für verschiedene Laktobazillen und medizinische Hefe Saccharomyces boulardii (Synonym: S. cerevisiae) belegt. Die Präparate eignen sich auch für die Prophylaxe, beispielsweise während einer Reise oder bei Ansteckungsgefahr für einen Magen-Darm-Infekt.

Ärzte verordnen Probiotika häufig Patienten mit Reizdarmsyndrom. Selbst wenn die Ursachen des Reizdarmsyndroms noch nicht vollständig geklärt sind, so scheint doch eine veränderte Darmmikrobiota eine Schlüsselrolle bei der Entstehung zu spielen. Probiotika können zu einer stabilen gesunden Darmflora beitragen. Die aktuelle S3-Leitlinie empfiehlt Probiotika zur Behandlung des Reizdarmsyndroms, da der positive Effekt mittlerweile gut belegt ist. Welcher Bakterienstamm einzusetzen ist, richtet sich nach den Beschwerden.

Da das komplexe Ökosystem der Darmflora eine bedeutende Rolle bei der Entstehung von Krankheiten spielt, wird das Thema Mediziner und Pharmazeuten sicherlich in den nächsten Jahren stark beschäftigen. Die derzeitigen Kenntnisse zeigen, dass die Darmflora ein wichtiger Angriffspunkt zur Vermeidung beziehungsweise Behandlung von Erkrankungen ist. /


Mikrobiom

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Beitrag erschienen in Ausgabe 15/2015

 

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