Faszination Mikrobiom
Das Darmmikrobiom – ein Mikrokosmos der Superlative
Mit seinen 100 Billionen (10¹⁴) Keimen und einer Biomasse von 1,5 bis 2,5 kg ist das intestinale Mikrobiom ein „Organ“ der Superlative. So übertrifft das bis zu 20 Millionen Gene umfassende mikrobielle Genom das des Menschen (22 000 Gene) um ein Vielfaches. Wissenschaftler betrachten das Darmmikrobiom daher zwischenzeitlich als eigenständiges Organ.
Die Graphik verdeutlicht, wie diese enorme Oberflächenvergrößerung durch Faltungen, fingerartige Erhebungen und die auf den Schleimhautzellen befindlichen Ausstülpungen zustande kommt.
Diese ausgeprägten Strukturen sind notwendig, damit die aufgenommene Nahrung, die für mehrere Stunden im Darm verweilt, intensiv mit der Oberfläche des Darmes in Berührung kommt. Nur so können die vielfältigen Bestandteile der mit der Nahrung aufgenommenen Eiweiße, Fette, Kohlenhydrate sowie Vitamine, Mineralien und Spurenelemente schnell und umfassend in das Innere des Körpers aufgenommen werden.
Gleichzeitig können aber auch unerwünschte Mikroorganismen und Stoffe (z. B. Bakterien, Viren, Pilze, ungelöste Partikel) in den Darm gelangen, so dass er nicht nur als Verdauungsorgan für die Aufnahme von Nährstoffen und die Ausscheidung von unverdauten Begleitstoffen sorgt, sondern darüber hinaus auch Schutzfunktionen für den Körper ausüben muss. Dabei verfügt der Darm über mehrere Mechanismen, um das Eindringen von nachteiligen Mikroorganismen und ungelösten bzw. großmolekularen Stoffen in das Innere des Körpers abzuwehren:
Darstellung der Schutzbarrieren des Darms
Zusammensetzung des intestinalen Mikrobioms
Mit einem Anteil von rund 99 % bilden Bakterien den Großteil des mikrobiellen Ökosystems im Darm. Schätzungen gehen derzeit von 1000 bis 1200 Bakterienarten (syn. Bakterienspezies) aus, die sich sieben Bakterienabteilungen, den sog. Phyla, zuordnen lassen. Dabei teilen 90 % der Menschen ein aus ca. 57 Spezies bestehendes „Kern-Mikrobiom“.
α-Diversität
Kennzeichnend für das gesunde intestinale Mikrobiom ist eine hohe Artenvielfalt (sog. α-Diversität), begleitet von einem geringen Anteil pathogener Keime.
- Generell gilt: je höher die α-Diversität ist, desto artenreicher ist das entsprechende Mikrobiom. Im Allgemeinen ist eine hohe α-Diversität ein Indikator für ein stabiles und wenig störanfälliges mikroökologisches System. Grund hierfür ist die aus der allgemeinen Ökologie stammende Erkenntnis, wonach ein artenreiches Ökosystem den Ausfall einer oder weniger Arten funktionell durch andere Arten kompensieren kann.
- Umgekehrt ist ein artenarmes Mikrobiom instabil und mit einer Reihe von nachteiligen intestinalen Veränderungen assoziiert.
- Plakativ formuliert lässt sich festhalten: Hohe α-Diversität = „gut“ vs. geringe Diversität = „schlecht“
Die im Gastrointestinaltrakt siedelnden Bakterien verteilen sich nicht gleichmäßig auf die verschiedenen anatomischen Abschnitte. Die variablen, selektiven Lebensbedingungen (u. a. pH-Wert, Sauerstoffgehalt und Substratangebot) entlang des Magen-Darm-Trakts bedingen vielmehr eine charakteristische Segmentierung der Mikroflora.
Wesentliche Keimgruppen einer physiologischen Besiedelung verschiedener Magen-Darm-Abschnitte
Entwicklungsphasen der Mikrobiota
Die qualitative und quantitative Zusammensetzung der Mikrobiota variiert aber nicht nur an den verschiedenen Standorten, sondern auch in Abhängigkeit vom Lebensalter. Generell lassen sich während eines Menschenlebens in der Mikrobiota vier Entwicklungsphasen mit typischen vom Lebensalter abhängigen Konstellationen wesentlicher Keimgruppen erkennen.
Auf die Keimfreiheit bei Geburt folgt die Erstbesiedlungsphase mit einer sich ca. ab dem 3.–5. Lebensjahr zunehmend manifestierenden Mikrobiota. Trotz inter- und intraindividueller Variabilität bleibt das bis zum frühen Jugendalter installierte Besiedelungsmuster über mehrere Lebensjahrzehnte konstant, solange keine störenden Faktoren die Mikroflora beeinträchtigen. Etwa jenseits des 50. Lebensjahres vollzieht sich nochmals eine qualitative und quantitative Umstrukturierung der Mikrobiota.
Die alterstypischen Veränderungen betreffen zum einen die Konstellationen der Keimgruppen (Gattungen) zueinander. Besonders hervorzuheben ist der in der nachfolgenden Graphik dargestellte Rückgang der gesamten Bifidobakterienflora, der von einem Anstieg coliformer Bakterien und bestimmter Clostridium-Arten, die einen mutagenen Einfluss auf Darmschleimhautzellen haben können, begleitet wird.
Zum anderen verändert sich aber auch das Spektrum der anzutreffenden Bakterienspezies. Beispielsweise ist Bifidobacterium infantis eine der dominierenden Bifidobakterienarten in der Säuglingsdarmflora und wird nicht bzw. nur selten im Erwachsenenstuhl nachgewiesen.
Altersbedingte Veränderungen der Mikrobiota
Historischer Hintergrund des mikrobiotischen Konzepts
Wenngleich die heute noch gültige Definition für Probiotika erst zu Beginn des 21. Jahrhunderts durch die Weltgesundheitsorganisation (WHO) erfolgt ist, reichen die dahinterstehenden Theoriekonzepte weit in die Wissenschaftsgeschichte zurück. So galt bereits im Corpus Hippocraticum, den Medizinschriften des Altertums, der Darm als „Torwächter der Gesundheit“. Entsprechend postulierte der griechische Arzt Hippokrates v. Kos. im 400. Jahrhundert vor Christus: „Alle Erkrankungen haben ihren Ursprung im Darm“.
Es sollte jedoch bis ins Jahr 1857 dauern, als der Mikrobiologe Louis Pasteur (1822-1895) die Milchsäurebakterien entdeckte und seine Forschungen zur Milchsäuregärung publizierte. Damit war ein wichtiger Schritt hin zur medizinischen Nutzung gelegt worden. Als Urvater des mikrobiotischen Konzepts gilt jedoch Ilja Metschnikow (1845-1916), ein russischer Forscher. Dieser postulierte in seiner 1907 veröffentlichten Schrift Essais optimistes: „Die Meinung, alle Mikroben seien schädlich, ist weit verbreitet, aber vollkommen falsch. Es gibt Mikroben, die nützlich sind, und die Milchsäurebakterien nehmen unter ihnen einen Ehrenrang ein“.
Entsprechend forderte Metschnikow seine Zeitgenossen zum täglichen Verzehr von Joghurt auf, den er als wertvolle Quelle für Milchsäurebakterien ansah.
Rund 10 Jahre später etablierte der deutsche Arzt und Forscher Alfred Nissle (1874-1965) den Einsatz von ausgewählten Bakterien bei infektiösen Darmerkrankungen. Werner Kollath (1892-1970), ein Ernährungsforscher, verwendete den Begriff „Probiotika“ schließlich erstmals im Jahr 1953. Wichtige Meilensteine wie die Etablierung der wissenschaftlichen Disziplin der „Mikroökologie“ in den 1960er Jahren sowie die Aufklärung des Darmmikrobioms im Rahmen des Humanen Mikrobiom-Projekts im Jahr 2021 schlossen sich an. Im Jahr 2021 erreichte die Zahl der wissenschaftlichen Publikationen mit Bezug zur Probiotika-Forschung schließlich die 34.000-Grenze. Heute ist das mikrobiotische Konzept fest verankert im Wissenskanon der Biomedizin und findet zunehmend Eingang in die ernährungsmedizinische Praxis.
Vergleichbar mit einem Fingerabdruck besitzt jeder Mensch seine individuelle, eigene Darmflora.
