Das Mikrobiom – Die Gesamtheit aller Bakterien in unserem Körper

Und wie es uns beeinflusst

Autor: Biologie- und Immunologie-Experte Dr. Matthias Schröder

Zusammenfassung:

Studien der letzten Jahre konnten einen direkten Zusammenhang zwischen der Ernährung, der Darmmikrobiota und diversen Krankheiten wie z.B Adipositas und Diabetes-Typ 2 nachweisen. Die Bakterien haben einen direkten Einfluss auf unser Immunsystem, unsere Verdauung und damit auf unseren Stoffwechsel. Durch eine Ernährungsumstellung lassen sich gezielt Bakterien der Bacteroidetes anreichern, mit vielfältigen Vorzügen gegenüber den Bakterien der Firmicutes, die als gute „Futterverwerter“ mitverantwortlich für Adipositas sind. Ein Überschuss an Proteinzufuhr sollte vermieden werden, da dies die Population der Firmicutes begünstigt und zur Produktion von schädlichen Abbauprodukten führt, mit weiteren negativen Folgen für die Gesundheit wie Darmkrebs und kardiovaskulären Erkrankungen. Nahrungsergänzungsmittel auf Aminosäure-Basis können diese Nebeneffekte des Proteinabbaus im Darm vermeiden und bei Verwendung des für uns Menschen optimalen Mix (MAP, NNU) auch den Abbau der Aminosäuren durch den katabolen Stoffwechsel unseres Körpers minimieren.

1. Das Mikrobiom - Erste Studien und Erkenntnisse

Pflanzen, Tiere und andere Lebewesen in speziellen Regionen der Erde bilden zusammengenommen ein Ökosystem mit komplexen Zusammenhängen. Ähnlich ist auch das „Ökosystem Mensch“ eine große Gemeinschaft aus bis zu 1000 verschiedenen Spezies, die sich zusammengefunden haben und deren Existenz voneinander abhängt. Auch wenn die Zellen der uns besiedelnden Bakterien klein sind, so ist die reine Anzahl etwa 10x höher als die Anzahl unserer eigenen Körperzellen und machen etwa 1,5-2,0 kg unseres Körpergewichts aus (1, 2). Die Bakterien auf unserer Haut sowie Nase, Mund, Ohren, etc. werden schon seit langem als eher negativ betrachtet und durch Hände waschen und Zähne putzen regelmäßig bekämpft. Die Bakterien des Darms wurden dagegen einfach als Unterstützer bei der Verdauung von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen angesehen, ohne weitere intensive Forschung, auch weil sich viele dieser anaerob lebenden Bakterien nicht außerhalb des Darms kultivieren lassen und eine Klassifizierung deshalb schwerlich möglich war. Dies änderte sich durch die Weiterentwicklung der DNA-Sequenzierungstechniken und rückte das Darmmikrobiom vor etwa 15 Jahren ins Rampenlicht der Forschung.

Der Grund dafür war die Adipositas und Diabetes Typ-2 Forschung. In beiden Fällen war bekannt, dass die Ernährung eine große Rolle bei der Entstehung der Krankheiten spielt. Man wusste außerdem, dass durch die Ernährung das Mikrobiom des Menschen beeinflusst wird. Durch DNA-Sequenzierung und bioinformatische Auswertungen wurden nach und nach Zusammenhänge dafür entdeckt, dass spezifische Mikrobiota oder deren Metaboliten vermehrt bei Adipositas / Diabetes Typ-2 Patienten auftreten, im Vergleich mit gesunden Menschen. Allerdings muss man einschränkend hinzufügen, dass sich diese Signatur auch durch das Alter, das Geschlecht und die Ethnie der Probanden unterschied und kein allgemein gültiges Schema festgestellt werden konnte (3-6). Spätestens hier stellte sich allerdings die Frage: „Führt die falsche Ernährung zu Adipositas und die Veränderung in der Bakterienpopulation ist eine Begleiterscheinung oder ist es umgekehrt“? Weiterführende Analysen an Mäusen führten zu weiteren Erkenntnissen, die die Adipositas / Mikrobiom Theorie zu bestätigen schien. Versuche an keimfreien Mäusen, also Mäuse ohne Darmmikrobiota, nahmen bei hoch-fetthaltiger Nahrungszufuhr weniger an Gewicht zu, als ihre konventionell mit Bakterien kolonisierten Artgenossen (7). In einer Folgestudie wurden Proben der Darmmikrobiota von menschlichen Zwillingen isoliert, die sich in Bezug auf Adipositas unterschieden. Diese Proben wurden keimfreien Mäusen transplantiert, um deren Darm zu besiedeln. Selbst bei Fütterung einer Diät, die reich an pflanzlichen Bestandteilen und geringem Fettanteil war, nahmen die Mäuse mit der Darmmikrobiota des adipösen Zwillings stärker zu als die Mäuse mit der Mikrobiota des schlanken Zwillings (6).

2. Das Mikrobiom und der Einfluss auf unseren Körper

Im Zuge dieser Entdeckungen wurde auch in andere Richtungen intensiv geforscht und weitere Beteiligungen des Darmmikrobioms bei Autoimmunerkrankungen, gewissen Krebserkrankungen und kardiovaskulären Erkrankungen postuliert. Ein konkreter Nachweis für diese Zusammenhänge ist durch die Vielfalt der Spezies im Mikrobiom und der Tatsache, dass wir von Geburt an quasi „besiedelt“ sind, schwerlich möglich. Man kann lediglich nach Auftreten der Erkrankung statistisch festhalten, wie sich der Patient ernährt hat und daraus Korrelationen erstellen. Erschwerend kommt aber hinzu, dass die Zusammensetzung der Bakterienpopulation noch durch viele weitere Faktoren beeinflusst wird, wie z.B. Stress und Medikamente.

Abb. 1: Faktoren, die sich auf die Mikrobiota auswirken. Die Ernährung, Medikamente, ethnische Herkunft, Alter und Stress beeinflussen stetig die Zusammensetzung der Mikrobiota. Die Geburt und die frühkindliche Ernährung legen die anfängliche Zusammensetzung fest. Abbildung adaptiert aus (8).

Dadurch, dass man die Bakterienpopulation durch Ernährungsumstellung beeinflussen kann und zügig Ergebnisse beobachten kann, ist der Zusammenhang zwischen Darmbakterienpopulation und Adipositas, bzw. der Verdauung von Nahrung am besten untersucht.

2.1 Einfluss auf unseren Stoffwechsel

Den größten Einfluss übt unser Mikrobiom auf unseren Stoffwechsel aus. Das betrifft in erster Linie die Verdauung unserer Nahrung. Durch unseren Körper unverdauliche Kohlenhydrate wie Zellulose können durch Bakterien zugänglich gemacht werden und erschließen zusätzliche Energiequellen. Langkettige Fettsäuren, die bei der Passage durch unseren Magen-Darm-Trakt nur unzureichend verdaut wurden, werden ebenfalls durch Bakterien verdaut und gleiches gilt für Proteine, die sonst unverdaut über den Stuhl ausgeschieden worden wären. Besser noch: einige Bakterien sind in der Lage, essentielle Aminosäuren herzustellen, die wir über die Nahrung aufnehmen müssen und liefern uns somit eine zusätzliche Quelle, um diesen Bedarf zu ergänzen, sollte die Proteinzufuhr über die Nahrung nicht ausreichen. Außerdem synthetisieren sie die Vitamine B1, B2, B6 und B12, sorgen für den Abbau von giftigen Stoffen und entsorgen sie indirekt durch das Ausscheiden über den Stuhl (9, 10).

Diese Effizienz der Nahrungsverwertung durch unsere Darmbakterien kann aber auch zu Verdauungsstörungen führen, wie z.B. bei Laktose-Intoleranz. Kleinkinder erzeugen große Menge an Laktose/Milchzucker spaltender Lactase, aber die Expression dieses Enzyms nimmt mit dem Alter ab und verschwindet in vielen Gebieten der Welt in nahezu der kompletten Population, wie z.B. in China, wo 90% der Bevölkerung Laktose intolerant sind. Gelangt dennoch Milchzucker in unseren Verdauungstrakt, dann wird die Laktose erst im Dickdarm von unserem Mikrobiom verdaut und es entstehen Gase, die zu Blähungen, Bauchkrämpfen und Durchfällen führen.

2.2 Einfluss auf unser Immunsystem

Die Bakterien in unserem Darm besiedeln seit unserer Geburt die Oberfläche des Darmepithels und bilden ein komplexes System von für uns unschädlichen Bakterien. Diese permanente Besiedlung erfüllt einen weiteren Zweck für uns, denn es verhindert die Neubesiedlung durch potentiell krankmachende Bakterien, da es schlicht keinen Platz dafür gibt. Nach intensiven Antibiotikatherapien wird häufig die natürliche Population abgetötet und in Folge treten vermehrt Verdauungsprobleme wie Durchfall auf. Eine Regeneration dieser „natürlichen“ Darmflora ist entsprechend sehr wichtig und sollte aktiv betrieben werden, insofern man häufig Antibiotika nehmen muss. Dies kann z.B. durch Gabe sogenannter Probiotika erreicht werden, einem Mix aus verschiedenen Bakterien, die über die Nahrung aufgenommen werden und dann den Darm erneut besiedeln. Heutzutage weiß man aber noch viel zu wenig über die optimale Mischung eben dieser Bakterien und meist enthält diese Mischung Laktobazillen und Bifidobakterien, die aber seit einigen Jahren im Verdacht stehen, Adipositas zu unterstützen (siehe Kapitel 4).

Abb. 2 Die Wirkungsweisen von Probiotika. Regulierung der Membrandurchlässigkeit (Tight Junctions), Energiebereitstellung, Verhinderung der Kolonisation des Darms durch pathogene Bakterien und Stimulation des Immunsystems (Defensine, IgA-Produktion) durch bakterielle Membranbestandteile (LPS, Flagellin). Abbildung von der DGMIM (Stand Mai 2020).

Im schlimmsten Fall kann es auch zu weiteren entzündlichen Reaktionen im Darm kommen, denn die natürlich vorkommenden Bakterien unseres Darms geben permanent geringe Mengen an bakteriellem Protein an ihre Umgebung ab und dieses gelangt über die Schleimhaut auch in Kontakt mit unserem Immunsystem (11). Proteine der Bakterienarten, die schon seit unserer Kindheit in uns leben, werden von unserem Immunsystem zwar erkannt, aber nicht bekämpft, da sich eine Toleranz eingestellt hat. In diesem Zusammenhang besteht auch die Hypothese, dass Kinder, die im Laufe ihrer Kindheit mit vielen Bakterien in Kontakt gekommen sind, später seltener Allergien entwickeln, da das Immunsystem ausreichend trainiert wurde und nicht auf ungefährliche Signale wie Gräserpollen reagiert. Kommt es aber, z.B. nach einer Antibiotikatherapie, zu einer Neubesiedlung durch pathogene Bakterien, entsteht eine lokale Entzündungsreaktion und bei häufigem Auftreten in Folge möglicherweise ein Reizdarmsyndrom (11). Man geht davon aus, dass solche Entzündungsherde innerhalb des Darms viele Folgeschäden mit sich führen können, wie z.B. chronisch-entzündliche Erkrankungen wie Colitis ulcerosa und Morbus Crohn bis hin zu einer höheren Wahrscheinlichkeit an Darmkrebs zu erkranken, denn die ausgelösten Schäden durch das Immunsystem am umliegenden Gewebe begünstigen die Entstehung von entarteten Zellen (12). Ein mehr oder weniger stabiles Gleichgewicht zwischen Darmmikrobiom und dem Wirtsorganismus Mensch ist somit äußerst wichtig.

Über welche Bakterien reden wir hier aber eigentlich und lassen sich diese in „gut“ und „böse“ einteilen?

3. Bacteroidetes und Firmicutes – Die Big Player unseres Darmmikrobioms

Neugeborene kommen direkt während der Geburt mit den ersten vaginalen Bakterien der Mutter in Kontakt, während bei einer Sectio vor allem Bakterien der Haut die erste Besiedlung des Darms beginnen. Auch hierzu gibt es Studien, die einen Zusammenhang zwischen Sectio und Adipositas im späteren Leben belegen, weshalb bei einer Sectio häufig das Kind künstlich den vaginalen Bakterien der Mutter ausgesetzt wird, um dies zu verhindern (13). Bis zum 3. Lebensjahr bildet sich aus diesem Mix aus Bakterien, die auf das Kind einströmen, ein stabiles Mikrobiom (14, 15). Im Alter nimmt diese Stabilität ab, vor allem beeinflusst durch die häufige Einnahme von Medikamenten. Die Ernährung kann, wie erwähnt, ein weiterer Faktor sein, der diese Stabilität beeinflusst. So konnte nachgewiesen werden, dass eine Nahrungsumstellung von z.B. ausgewogener Ernährung zu einer veganen Ernährung innerhalb von nur drei Tagen nachweisbar wird (16).

Die Bakterienspezies die unseren Darm besiedeln, lassen sich zwar theoretisch alle mittels DNA-Analyse unterscheiden, aber in vielen Fällen nicht außerhalb des Darms in-vitro kultivieren, um z.B. deren Stoffwechseleigenschaften zu untersuchen. Neben einem offenbar grundlegenden „Basismikrobiom“ lassen sich drei Hauptgattungen von Bakterien identifizieren, deren Anwesenheit stark variabel ist, aber zusammen 90% des gesamten Mikrobioms des Darms ausmachen (6, 17). Zwei dieser Bakteriengattungen, die Bacteroides und Prevotella, gehören beide phylogenetisch zum gleichen Stamm der Bacteroidetes. Die dritte Gattung stellen Vertreter der Ruminococcus, welche zum Stamm der Firmicutes gehören. Um einen Eindruck davon zu bekommen, welche Schwierigkeit die Klassifizierung nach Bacteriodetes und Firmicutes Spezies verursacht: der Stamm der Bacteriodetes besteht taxonomisch aus vier Klassen mit vier Ordnungen, 18 Familien sowie etwa 266 Gattungen mit diversen Spezies. Bei den Firmicutes sind es sogar sechs Klassen, neun Ordnungen, 37 Familien und insgesamt mehr als 330 klassifizierten und unklassifizierten Gattungen mit unzähligen Spezies. Dazu gehören z.B. die allseits bekannten Gattungen Lactobacillus und Enterococcus, aber auch Krankheitserreger wie Staphylococcus und Clostridium (18). Auch wenn sicherlich nicht all diese Arten in unserem Darm vorkommen, ist es nahezu unmöglich eine alleinige Art dieser Stämme mit spezifischen Eigenschaften in Verbindung zu bringen.

Deshalb ist man dazu übergegangen funktions-verwandte Bakterien und nicht art-verwandte Bakterien zusammenzufassen, sogenannte Enterotypen, mit definiertem metabolischem Phänotyp (19).

Abb.3 Schematische Darstellung unseres Darms. Dargestellt sind Anzahl (Colony Forming Units/ml), Gattungsname und Lokalisation der bisher nachgewiesenen Bakterien in unserem Magen-Darm-Trakt. Abbildung aus (8)

3.1. Das Mikrobiom bei Schlanken und Adipösen

Das Mikrobiom im Darm von schlanken Menschen ist nachweislich anders zusammengesetzt, als das von übergewichtigen, adipösen Menschen (20). Während bei normalgewichtigen Menschen Bacteroides-Enterotypen dominieren, sind dies bei Adipösen Firmicutes-Enterotypen. Eine Verschiebung von einem zum anderen Enterotyp kann durch Umstellung der Ernährung verursacht werden. In Studien hierzu konnte durch Gabe einer hochkalorischen Diät ein großer Anteil der Bacteroides-Enterotypen zu Gunsten der Firmicutes-Enterotypen verdrängt werden. Vertreter der Firmicutes-Enterotypen sind in der Lage, deutlich mehr Enzyme zu erzeugen, die unverdauliche Kohlenhydrate wie Zellulose aufspalten und auch für unseren Körper verwertbar machen. Das bedeutet, dass Menschen mit einem Firmicutes-dominierten Mikrobiom tatsächlich bessere „Futterverwerter“ sind, als Normalgewichtige mit Vertretern des Bacteroides-Enterotyps. Die landläufig genutzte Aussage von Übergewichtigen: „Ich kann ja nichts dafür, ich bin ein guter Futterverwerter“ stimmt somit tatsächlich teilweise. Allerdings bedingt das Eine eben das Andere und man kann durch gesunde Ernährung diesem Teufelskreis entfliehen oder zumindest entgegenwirken und nicht alles auf genetische Determination oder die eigene Darmflora schieben.

4. Der Einfluss von Nahrung und Nahrungsergänzungsmitteln auf unser Mikrobiom

Nach einigen Jahren der intensiven Forschung kennen wir mittlerweile diverse Zusammenhänge zwischen der Art der Ernährung, den Vor- und Nachteilen für unseren Körper und den Effekt auf unsere Darmflora und damit verbundene weitere Folgen für unsere Gesundheit. Leider lässt sich aus diesen Befunden keine allgemeingültige Formel für eine spezielle Super-Diät entwickeln, denn weiterhin ist jeder Mensch ein Individuum, das vielen anderen Faktoren außer der Ernährung ausgesetzt ist. Ein Spitzensportler benötigt z.B. wesentlich mehr Protein und Energie als der Durchschnitt und insbesondere ältere Menschen weniger als der Durchschnitt.

Trotzdem lassen sich die bisherigen Befunde soweit zusammenfassen, dass man einen persönlichen Nutzen daraus ziehen kann

4.1 Der Einfluss von Ballaststoffen auf das Mikrobiom

Wie bereits beschrieben, ist das Mikrobiom vor allem durch die beiden Stämme der Bacteroidetes und Firmicutes geprägt und deren Verhältnis zu einander wird stark durch die Art der Nahrungszufuhr beeinflusst. Vertreter der Bacteroidetes fermentieren vornehmlich Ballaststoffe und für uns unverdauliche Zucker aus pflanzlichen Quellen. Eine in unseren Breiten übliche Ernährungsweise (fettreich, geringer Anteil an Gemüse und Ballaststoffen) führt meist dazu, dass sich Firmicutes-Arten in unserem Darm ausbreiten und in Folge dessen Adipositas und weitere Folgekrankheiten ausgelöst werden. In einem direkten Vergleich dieser „Western Style“-Ernährung mit der Ernährung von Kindern in Burkina-Faso (reich an Gemüse und Ballaststoffen, kaum tierische Proteine/Fette) ergaben sich dafür eindeutige Belege (siehe Abb. 4).

Abb.4 Zusammensetzung der Darmmikrobiota von Kindern aus Burkina Faso (BF) und der Europäischen Union (EU). Dargestellt sind der prozentuale Anteil der verschiedenen gefunden Bakterienarten im Stuhl von Kindern im Alter zwischen 2-6 Jahren. Abbildung aus (21)

Es besteht somit ein klarer Zusammenhang zwischen ballaststoffreicher Nahrung und dem Anstieg der Population der Bacteroidetes.

Menschen mit Gewichtsproblemen sollten bei ihrer Ernährungsumstellung somit auch darauf achten, nicht nur weniger zu essen und Sport zu treiben, sondern auch den Anteil der guten „Futterverwerter“ der Firmicutes an ihrem Darmmikrobiom so gering wie möglich zu halten, indem sie Ballaststoffe zu sich nehmen.

Einige prebiotische Nahrungsergänzungsmittel nutzen diese Methode bereits und reichern ihre Produkte mit Ballaststoffen an, damit eben diese Bacteroides-Arten gefördert werden.

4.2 Proteinreiche Ernährung und Nahrungsergänzungsmittel

Eine proteinreiche Ernährung gilt bei vielen Menschen als sehr gesund und ist für viele Sportler essentiell, um den gesamten Trainingseffekt zu optimieren. Zusätzlich werden Nahrungsergänzungsmittel verwendet, die diesen Effekt verstärken sollen. Der Markt für solche Nahrungsergänzungsmittel wuchs in den letzten Jahren immer weiter und der Kunde wird häufig von der schieren Masse der Informationen überfordert und nutzen potentielle Produkte im Sinne von „viel hilft viel“.

Dies birgt allerdings diverse Gefahren. Proteine werden von unserem Körper in Aminosäuren abgebaut, können aber nicht gelagert werden, wie das für Fette z.B. der Fall ist. Das heißt, überschüssige Aminosäuren werden abgebaut und dabei entstehen Energie und Abbauprodukte, die aktiv entsorgt werden müssen, da sie sonst toxisch wirken würden. Darüber hinaus wird überschüssiges Protein im Darm auch von Bakterien verdaut. Insbesondere Vertreter der Firmicutes (Clostridium, Staphylococcus, Bacillus) verdauen diese Proteine und das führt entsprechend zu einer Ausbreitung dieser Arten im Darm (22). Die bei dem Abbau der Proteine freiwerdenden Abbaustoffe (Ammoniak, biogene Amine, Indol- und Phenol-Derivate) reichern sich entsprechend im Darm an und können nicht so effizient entsorgt werden. Dies löst sowohl systemische als auch metabolische Effekte in unserem Körper aus, mit Einfluss auf das Immunsystem und das kardiovaskuläre/neurologische System (23), wodurch sich in Folge dessen Diabetes, Adipositas oder Darmkrebs entwickeln können.

Die Zufuhr von zu viel Protein, egal ob es sich um pflanzliches oder tierisches Protein handelt, ist somit keine optimale Lösung, da man Muskelwachstum auf Kosten der Gesundheit an anderer Stelle eintauscht.

Wie sieht es aber mit der Zufuhr von speziellen Aminosäure-Nahrungsergänzungsmitteln aus, die BCAA (branched chain amino acids) wie Valin, Leucin und Isoleucin beinhalten oder dem häufig genutzten Whey-Protein? In beiden Fällen wurden diese Produkte dafür entwickelt den Muskelaufbau zu optimieren. Leider ist diese hochkonzentrierte Proteinzufuhr durch Whey-Protein-Shakes oder die gezielte Zufuhr von BCAAs exakt solch eine Situation, die dazu führen kann, dass Aminosäuren im Überschuss vorliegen und die Bakterien im Darm überschüssiges Protein abbauen, mit allen beschriebenen potentiellen Folgen.

Eine Lösung wäre also ein Nahrungsergänzungsmittel, dass genau soviel Aminosäuren enthält, wie wir täglich für unseren Grundbedarf benötigen. Dieser Wert wurde in den letzten Jahren durch Wissenschaftler relativ präzise ermittelt und wird als „Master Aminoacid Pattern“ (MAP), bzw. als „Net Nitrogen Utilisation“ (NNU) bezeichnet. Die NNU fasst zusammen, dass unser Körper nur eine gewisse Menge an Aminosäuren pro Tag für die Herstellung der eigenen Proteine nutzen kann und der Rest abgebaut oder ausgeschieden wird. Das MAP geht sogar noch etwas weiter und beinhaltet Angaben dazu, welche spezifischen Aminosäuren wir in etwa täglich benötigen. Die Vorteile liegen auf der Hand. Sollten wir exakt die richtige Menge an Aminosäuren zu uns nehmen, dann entstehen keine Abbauprodukte, keine überschüssige Energie und die Population der Firmicutes-Bakterien bleibt gering, sodass auch der Entstehung anderer Krankheiten vorgebeugt würde.

Das Human Amino Pattern in everydays SMART PROTEIN ist exakt nach MAP Maßgaben hergestellt und deckt den täglichen Aminosäurebedarf des Menschen effizient und sicher.

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