Darmflora: mehr Energie aus weniger Nahrung gewinnen

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Die Untersuchung einer Frau mit Beschwerden über anhaltenden Durchfall und akuten Bauchschmerzen ergab eine akute Entzündung des Dickdarms durch Clostridien. Angesichts der Antibiotikaresistenz der Bakterien wurde dem Patienten eine experimentelle, aber wirksame Therapiemethode angeboten - die Transplantation der Spendermikrobiota (intestinale Mikroflora).

Nach dem Einbringen von 600 ml einer Suspension von Spenderkot in den Darm des Patienten wurden keine Rückfälle der Krankheit mehr beobachtet - die Mikrobiota des Spenders verdrängte erfolgreich den Erreger und besetzte seine Nischen. Ein Jahr später beschwerte sich die Frau jedoch beim Arzt über die schnelle Gewichtszunahme, während sie vor der Transplantation ihr ganzes Leben lang ein normales und stabiles Körpergewicht hatte. Ab dem Eingriff betrug die Zunahme 15 kg und das Gesamtkörpergewicht erreichte 77 kg bei einer Körpergröße von 155 cm Trotz Fitness und Diät überstieg das Gewicht des Patienten bald 80 kg. Der Arzt stellte fest, dass ein allgemein gesunder Spender auch übergewichtig ist und ließ die Möglichkeit einer "Kontamination" von Fettleibigkeit durch die Mikrobiota zu. Auf den ersten Blick hat eine so kühne Annahme eine solide Evidenzbasis. In diesem Artikel werde ich über die Wirkung der Mikrobiota auf die Verdauung sprechen und warum ihre Artenvielfalt abnimmt und Einheitlichkeit das Risiko von Fettleibigkeit erhöht.

Glagolen.

Einführung

Die Wahrscheinlichkeit, Fettleibigkeit zu vererben, beträgt 80 %, aber individuelle Unterschiede im Kerngenom machen weniger als 2 % der Variabilität des Körpergewichts in der Bevölkerung aus. Darüber hinaus wird das Kerngenom von jedem Elternteil fast zu gleichen Teilen an das Kind weitergegeben, aber Kinder erben Adipositas mit einer signifikant höheren Häufigkeit von ihren Müttern. Dieses Phänomen wird oft durch den Einfluss von Mitochondrien auf den Stoffwechsel erklärt, die eine eigene DNA haben und im Spermienkopf fehlen, daher wird das mitochondriale Genom vom Embryo nur von der Eizelle der Mutter vererbt. Die Ergebnisse einer Studie des mitochondrialen Genoms erklären jedoch noch weniger Fälle einer Vererbung von Fettleibigkeit. Wenn also die Vererbung dieser Krankheit nur teilweise durch das nukleäre und mitochondriale Genom vermittelt wird, wird Fettleibigkeit möglicherweise hauptsächlich durch das dritte menschliche Genom auf Kinder übertragen - das Mikrobiom (eine Reihe von Genen der Mikrobiota), das ebenfalls von die Mutter?

Vererbung und Variabilität des Mikrobioms

Die intrauterine Entwicklung wird von einer absoluten Sterilität des Fötus begleitet, der zum ersten Mal Mikrobiota erhält und den Geburtskanal während der natürlichen Geburt überwindet. Daher haben natürlich geborene Babys eine vielfältigere Mikrobiota als solche, die durch Kaiserschnitt extrahiert werden. Studien haben auch gezeigt, dass Kinder, die per Kaiserschnitt geboren wurden, ein höheres Risiko für Fettleibigkeit haben. Dennoch normalisiert sich die Zusammensetzung der Mikrobiota bei diesen Kindern unter der Bedingung des Stillens allmählich, was die Dominanz von Bifidobakterien und Laktobazillen sicherstellt, die die Populationen opportunistischer Bakterioide und Clostridien unterdrücken. Natürliche Geburt und Stillen bilden das Rückgrat der Mikrobiota, die in der Regel ein Leben lang Bestand hat. Eine weitere Anreicherung der Mikrobiota mit anderen Bakterienarten hängt von der Lebensweise ab.

So ist beispielsweise der Besuch des Kindergartens ein wesentlicher und eigenständiger Faktor, um die Artenvielfalt der Mikrobiota zu erhöhen. Andererseits reduzieren der weit verbreitete Einsatz von Antibiotika und Antiseptika sowie strenge Hygiene- und Hygienestandards die Austauschrate der Mikrobiota zwischen den Menschen und ihre Vielfalt (lesen Sie hier mehr über die Wirkung von Antibiotika auf Mikrobiota und Mundgeruch). Somit können wir über die Erblichkeit und Variabilität des Mikrobioms sprechen.

Mikrobiota-Struktur

Mit zunehmendem Alter erreicht die Zahl der Bakterienzellen im Darm allmählich 100 Billionen, was die Zahl der körpereigenen Zellen eines Erwachsenen um das Zehnfache übersteigt. Gleichzeitig wiegt die gesamte Mikrobiota aufgrund der geringen Bakteriengröße bis zu 2 kg und passt in den Dickdarm.

Etwa 60 % des Inhalts des Mastdarms sind Mikroorganismen, deren Kolonien auf den Fasern pflanzlicher Nahrung (Zellulose) wachsen, diese als Nahrung und Skelett verwenden und dabei eine klumpige Konsistenz des Kots bilden. Trotz der beträchtlichen Anzahl von Bakterien wurde ihre Interaktion mit dem menschlichen Körper von Wissenschaftlern lange Zeit streng im Rahmen des Kommensalismus betrachtet, bei dem der Mikroorganismus von der Verwandtschaft profitiert und der Makroorganismus weder Nutzen noch Schaden erleidet. Mit der Entwicklung von Genotypisierungsmethoden hat sich das Konzept der Mikrobiota jedoch erheblich verändert.

Es wurde festgestellt, dass die Artenvielfalt der Mikrobiota 300-700 Arten von Mikroorganismen erreicht und ihr Gesamtgenom aus 10 Millionen Genen besteht, was 300 Mal größer ist als das menschliche Genom. Eine solche Zusammenfassung der Gene des Mikrobioms und ein Vergleich ihrer Anzahl mit denen des Menschen ist hier nicht nur ein Schlagwort. Viele bakterielle Gene ergänzen funktionell das menschliche Kerngenom, und die Interaktion zwischen den Mikroorganismen ist so eng, dass einige Arten buchstäblich nicht ohneeinander leben können. Neuere Entdeckungen in dieser Richtung machten es möglich, über die für beide Seiten vorteilhafte Beziehung zwischen Mensch und Mikrobiota zu sprechen, und die Gesamtheit ihrer Gene wird als Mikrobiom oder drittes menschliches Genom bezeichnet. Zur Veranschaulichung gebe ich ein konkretes Beispiel.

Physiologie der Mikrobiota

Mit pflanzlichen Lebensmitteln nehmen wir Fruktose-Polymere (Fruktane) zu uns, die wir nicht über eigene Enzyme in Einfachzucker abbauen können. Unbehandelte Fruktane werden nicht resorbiert, ihre Ansammlung im Darm verursacht schwere Störungen, und in der Mundhöhle werden sie von kariösen Bakterien verwendet, um sich an den Zahnschmelz zu binden. Dabei helfen uns Bifidobakterien und Laktobazillen, die über Enzymgene zur Aufspaltung von Fruktanen in Laktat und Acetat verfügen. Diese Metaboliten schaffen saurere Bedingungen, die die Vermehrung von säureempfindlichen und Durchfall verursachenden opportunistischen Bakterien reduzieren. Darüber hinaus verwenden Laktat und Acetat andere Arten von freundlicher Mikroflora als Energiequelle, die Butyrat produzieren - die Hauptenergiequelle für Darmepithelzellen und ein Hemmstoff für das Eindringen von intrazellulären Krankheitserregern in sie, und diese Verbindung verringert auch das Risiko von Colitis ulcerosa und Dickdarmkrebs entwickeln. So synthetisieren nur wenige Bakterienarten eine heilende Substanz aus für den Körper gefährlichen Nahrungsbestandteilen und unterdrücken als Bonus für den Menschen das Wachstum von Krankheitserregern in seinem Darm, um ihre Nische vor Konkurrenten zu schützen! Stellen Sie sich nun vor, wie Dutzende und Hunderte von Arten von Mikroorganismen zu längeren und verzweigteren Stoffwechselketten kombiniert werden, die essentielle Aminosäuren, Vitamine und andere Metaboliten produzieren und dadurch die Verdauung, die Immunität und sogar unser Verhalten, einschließlich der Nahrung, modulieren.

Mikrobiota und Fettleibigkeit

Die signifikante Wirkung von Mikrobiota auf Fettleibigkeit wurde erstmals in völliger Abwesenheit von Mikroorganismen und unter sterilen Bedingungen gezeigt. Sterile Mäuse haben typischerweise 42% weniger Fettgewebe als vergleichbare Mäuse mit Mikroflora. Gleichzeitig verbrauchen dünnere sterile Mäuse 29% mehr Nahrung als ihre vollständigeren Gegenstücke mit Mikroflora. Die Forscher übertrugen die Mikroflora von normalen auf sterile Mäuse und beobachteten innerhalb von zwei Wochen eine 57-prozentige Zunahme des Fettgewebes, trotz einer 27-prozentigen Verringerung der Nahrungsaufnahme!

Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass die Mikroflora dazu beiträgt, mehr Energie aus weniger Nahrung zu gewinnen. Gleichzeitig steigt die Energieeffizienz der Verdauung mit Mikroflora so stark an, dass der entstehende Kalorienüberschuss im Fettgewebe gespeichert wird.

Die in dieser Studie erhaltenen Ergebnisse sind auf die geringe Vielfalt von Glycosidasen zurückzuführen, die vom Körper von Säugetieren unabhängig synthetisiert werden - Enzyme zur Spaltung von Bindungen in komplexen Kohlenhydratmolekülen wie Pflanzenfasern. Wenn es in unserem Genom zum Vergleich nur 20 Gene für die Synthese von Glykosidasen gibt, dann synthetisiert die bakterioide Spezies allein 261 Arten von Glykosidasen, und das gesamte Mikrobiom enthält 250.000 Gene für die Synthese dieser Enzyme. Wenn keine Mikrobiota vorhanden ist, verlassen energiereiche Ballaststoffe den Körper mit Kot und decken den Kalorienbedarf nicht, sodass sterile Mäuse mehr essen und weniger wiegen als ihre Artgenossen mit normaler Mikroflora. Die Ergebnisse dieser Studien lassen unwissentlich die Idee einer Methode zur Behandlung von Fettleibigkeit durch die vollständige Zerstörung der Mikrobiota mit Antibiotika entstehen. Die Co-Evolution von Mensch und Mikrobiota ist jedoch so weit fortgeschritten, dass die Umsetzung dieser Idee unmöglich und aus klinischer Sicht sehr gefährlich ist.

Erstens können wir uns im Gegensatz zu Mäusen kein steriles Leben leisten. Die Umwelt enthält viele pathogene Mikroorganismen, die gerne Nischen besetzen, die frei von natürlicher Mikroflora sind. Zum Beispiel bekam eine Frau, deren klinischer Fall zu Beginn des Artikels beschrieben wurde, eine Infektion mit Clostridien, unmittelbar nachdem sie mit hohen Antibiotikadosen wegen bakterieller Vaginose behandelt wurde. Zweitens habe ich bereits erwähnt, dass wir ohne Mikrobiota Fruktane nicht selbst abbauen können, deren Ansammlung mit schweren Verdauungsstörungen behaftet ist. Und drittens zeigt der Einsatz von Antibiotika in der Praxis den gegenteiligen Effekt - Fettleibigkeit wird verschlimmert und eine vielfältigere und zusammensetzungsreichere Mikrobiota schützt vor Fettleibigkeit.

Antibiotika und Fettleibigkeit

Seit Mitte des letzten Jahrhunderts werden Antibiotika in der Landwirtschaft häufig eingesetzt, um die Gewichtszunahme von Nutztieren zu beschleunigen. Dazu werden die Präparate laufend dem Futter zugesetzt, wodurch 70 % der produzierten Antibiotika für die Tierhaltung aufgewendet werden.

Die positive Wirkung von Antibiotika auf das Körpergewicht wird seit langem der Vorbeugung von Infektionen zugeschrieben, denn ein gesundes Tier nimmt schneller zu. Später wurde jedoch nachgewiesen, dass diese Abhängigkeit durch Veränderungen in der Zusammensetzung der Mikrobiota vermittelt wird. Ein ähnlicher Effekt von Antibiotika auf das Körpergewicht des Menschen wurde als unwahrscheinlich erachtet, da eine Antibiotikatherapie kurzzeitig und sporadisch eingesetzt wird. Inzwischen wurde in Studien vor 10 Jahren festgestellt, dass bereits eine einmalige Antibiotikagabe innerhalb von 4 Jahren zu einer Abnahme der Diversität der menschlichen Mikrobiota führt. Eine Metaanalyse von 2017 mit fast 500.000 Menschen ergab, dass die Verwendung von Antibiotika im Säuglingsalter das Risiko für Fettleibigkeit im späteren Leben signifikant erhöht, wobei die Antibiotikadosis positiv mit der Fettleibigkeit korreliert. Somit tritt die erwartete Abnahme des Körpergewichts als Folge der Unterdrückung der Mikrobiota nicht auf, sondern in Zukunft wird die Entwicklung von Fettleibigkeit beobachtet. Vermutlich bilden Antibiotika, die für sie empfindliche Vertreter der normalen Mikroflora selektiv zerstören, eine Art "Adipositas-Mikrobiota".

Das Konzept der kontinuierlichen Stoffwechselkette und der „Adipositas-Mikrobiota“

Eine vollständige Mikrobiota ist eine kontinuierliche Stoffwechselkette von Reaktionen, die energiereiche Ballaststoffe in energiearme Verbindungen aufspaltet. In diesem Fall wird jeder noch Energie enthaltende Zwischenmetabolit vom nächsten Bakterium in der Stoffwechselkette assimiliert, das in der Lage ist, Enzyme zu seinem Abbau zu synthetisieren und seinen Energieanteil zu absorbieren. Die letzten Metaboliten der Funktion der kontinuierlichen Stoffwechselkette sind kurzkettige Fettsäuren, die hauptsächlich von Darmzellen abgebaut und nicht im Fettgewebe sublimiert werden, und einige von ihnen sogar die Lipogenese hemmen und den Appetit unterdrücken. Somit verwertet eine vollwertige Mikrobiota die Energie der Ballaststoffe fast vollständig und schützt den Wirt vor Übergewicht, auch wenn er schnelle Kohlenhydrate missbraucht.

Im Gegensatz zur normalen Mikroflora ist die „Adipositas-Mikrobiota“aufgrund der fehlenden Arten, Gattungen oder ganzen Bakterienfamilien eintönig, kann also keine durchgängige Stoffwechselkette bilden. Da verschiedene Arten von Ballaststoffen von vielen Vertretern der Mikrobiota abgebaut werden, blockiert das Fehlen einiger von ihnen nicht den Beginn der Stoffwechselkette und Ballaststoffe werden sicher zu Zwischenmetaboliten abgebaut. Das Fehlen von Bakterienspezies, die spezifisch Zwischenmetaboliten abbauen, führt wiederum zu deren Ansammlung im Darmlumen. Im Gegensatz zu Ballaststoffen können Zwischenmetaboliten vom Körper aufgenommen werden, einschließlich der Erhöhung der Reserven des Fettgewebes. Somit enthält die „Adipositas-Mikrobiota“eine Art Lücke, durch die Energie in den menschlichen Körper „fließt“.

Die angebliche "Adipositas-Mikrobiota" wurde durch Experimente zur Transplantation von Fäkalien von Menschen unterschiedlichen Körperbaus auf sterile Mäuse gestützt. Um andere Faktoren auszuschließen, wurde die Mikrobiota für die Transplantation aus 8 Zwillingen rekrutiert, deren Paare sich in Anwesenheit und Abwesenheit von Fettleibigkeit unterschieden, und Mäusen, die Mikrobiota von Menschen mit unterschiedlichem Körperbau erhielten, lebten getrennt. Die von fettleibigen Zwillingen stammende Mikrobiota hatte eine spärliche Artenzusammensetzung im Vergleich zu der vielfältigeren Mikrobiota normaler Zwillinge.

Als Ergebnis des Experiments zeigten Mäuse, die die „Adipositas-Mikrobiota“erhielten, bereits am 8. Tag nach der Transplantation eine signifikante Zunahme an Körperfett. Gleichzeitig blieb die Fettmasse bei Mäusen, die Mikrobiota von Zwillingen mit normalem Körpergewicht erhielten, während des gesamten Experiments ohne signifikante Veränderungen.

Darüber hinaus beschlossen die Autoren dieser Studie, die Ansteckungsfähigkeit von Fettleibigkeit zu testen. Dazu wurden die durch Transplantation verschiedener Mikrobiota erhaltenen Mäuse nach 5 Tagen in einen gemeinsamen Käfig gesetzt. Die Kontrolle des Körpergewichts und der Körperzusammensetzung am 10. Tag des Zusammenlebens zeigte, dass Mäuse, die die "Adipositas-Mikrobiota" erhielten, im ersten Teil des Experiments (isoliert lebend) weniger Fett zunahmen als ähnliche Mäuse und sich praktisch nicht vom Zusammenleben unterschieden Mäuse, die Mikrobiota von Zwillingen mit normalem Körperbau erhielten. Die Mikrobiomanalyse zeigte eine Zunahme der Mikrobiota-Diversität bei Mäusen, die anfänglich eine einheitliche "Adipositas-Mikrobiota" erhielten. Wichtig ist, dass dünne Mäuse, die ursprünglich eine vielfältige Mikrobiota erhielten, bei ihren Mitbewohnern nicht an Fettleibigkeit erkrankten.

Die Analyse von Metaboliten im Darm zeigte, dass nach dem Zusammenleben bei Mäusen, die ursprünglich die "Fettleibigkeits-Mikrobiota" erhielten, eine Abnahme der Disaccharide und eine Zunahme der kurzkettigen Fettsäuren auftraten. So wurde festgestellt, dass eine vielfältige Mikrobiota vor der Entwicklung von Fettleibigkeit schützt und die Transplantation oder natürliche Übertragung solcher Mikrobiota auf fettleibige Mäuse zu einer Normalisierung des Körpergewichts führt.

Fazit

Es sollte beachtet werden, dass Mäuse Koprophagen sind, was den natürlichen Austausch von Mikrobiota zwischen Mitbewohnern erheblich erleichtert. Die Ergebnisse von Studien zur Mikrobiota und Epidemiologie der Adipositas beim Menschen lassen sich aber auch durch den Austausch der Mikroflora durch soziale Interaktionen erklären. Oben habe ich darüber gesprochen, wie der Besuch des Kindergartens die Vielfalt der Mikrobiota erhöht, aber der Austausch der Mikroflora kann auch über andere soziale Verbindungen erfolgen und möglicherweise das Risiko für Fettleibigkeit beeinflussen. So konnte beispielsweise durch eine Analyse der Krankenakten von 1.519 Familien amerikanischer Militärangehöriger festgestellt werden, dass sich der Body-Mass-Index von Familienmitgliedern nach Zuweisung an eine neue Dienststelle innerhalb von 24 Monaten entsprechend den Indikatoren der Bevölkerung von das Gebiet. Die Autoren dieser und 45 anderer ähnlicher Studien weisen darauf hin, dass Unterschiede in unserem Körperbau von denen der unmittelbaren Umgebung psychische Beschwerden verstärken können, was wiederum das Essverhalten und die körperliche Aktivität beeinflusst. Versuche, diesen kausalen Zusammenhang nachzuweisen, waren jedoch bisher erfolglos. Inzwischen kann der Austausch von Mikrobiota durch die Umwelt und direkte Kontakte dieses Phänomen erklären.

In diesem Zusammenhang kann auch meine Lebenserfahrung interessant sein. Ich selbst bin immer noch drish und der Spruch "nicht für ein Pferdefutter" dreht sich um mich! Und seit ich meine Frau kennenlernte, nahm sie von Jahr zu Jahr ab. Sie war zwar nie fettleibig, aber von Beginn unserer Beziehung an verlor sie merklich an Gewicht. Schon als Studentin scherzte sie, dass ich sie mit meinen Würmern angesteckt habe, aber sobald ich einen Job im Labor bekam, habe ich alles überprüft und nichts dergleichen gefunden. Dann schlug ich zum ersten Mal vor, dass es an den Besonderheiten meiner Mikrobiota liegen könnte, die meine Frau nach und nach annahm. Leider ist es unmöglich, diese Merkmale in unserem Labor zu untersuchen, daher habe ich eine Probe meiner "inneren Welt" zur Analyse an Atlas geschickt. Über die Ergebnisse der Analyse werde ich im nächsten Artikel schreiben, in dem ich ausführlich auf die Methoden zur Korrektur der Mikrobiota zur Reduzierung des Körpergewichts eingehen werde (upd: a story about the results).