Ernährung, Darmmikrobiota und Gesundheit

Der menschliche Darm enthält Billionen von Mikroorganismen. Dieses mikrobielle Ökosystem, die Darmmikrobiota, ist essenziell für Immunsystem und Stoffwechsel [1]. Analysen der Darmmikrobiota mittels Sequenzanalyse bakterieller Gene ergeben zwischen 1000 und 1150 verschiedene Bakterienspezies. Jeder Mensch beherbergt ein individuelles Muster aus circa 160 verschiedenen Bakterienarten [2]. Das Darmmikrobiom ist ein hochkomplexes System mit einer unüberschaubaren Vielfalt an Funktionen. Es beinhaltet über drei Millionen Gene für bioaktive Substanzen und Enzyme, die Tausende von Stoffwechselprodukten produzieren [2]. Diese postbiotischen Metabolite können ins Blut gelangen und als Botenstoffe fungieren. Auf diese Weise beeinflussen sie Vorgänge im Körper – im positiven aber auch negativen Sinn. Die genauere Bedeutung dieser Substanzen wird derzeit intensiv untersucht.
Jeder Mensch besitzt ein individuelles Darmmikrobiota- Profil, das vom Säuglings- zum Erwachsenenalter hin immer stabiler wird. Die Zusammensetzung wird durch eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst, wobei Ernährung, Erkrankungen und Medikamente eine dominante Rolle spielen (• Abbildung 1) [4, 5].

Das hohe Maß an Variabilität macht es schwierig, zu definieren, was eine normale bzw. gesunde Mikrobiota ist. Einige Parameter, wie hohe Diversität, Genreichtum und hohe Resilienz werden heute als Merkmale einer gesunden Darmmikrobiota angesehen [7]. Resilienz ist die Eigenschaft eines Ökosystems, Veränderungen unter Stress zu widerstehen oder sich schnell und vollständig von Störungen zu erholen. Studien basieren meist auf der Analyse der fäkalen Mikrobiota und geben nur eingeschränkt die Bedingungen im proximalen Darm wieder, zumal Darmtransitzeit [8], Stuhlkonsistenz und selbst der zirkadiane Rhythmus die Zusammensetzung der Darmmikrobiota beeinflussen [9, 10].
Interaktionen zwischen Darmmikrobiota und Wirt spielen eine entscheidende Rolle bei vielen intestinalen und metabolischen Krankheiten und über die Mikrobiota-Darm-Hirn-Achse auch bei neurologischen Störungen. Ob die beobachteten Veränderungen der Darmmikrobiota Ursache oder Folge von Erkrankungen sind, ist in vielen Fällen noch nicht eindeutig geklärt [11].
Die individuelle Darmmikrobiota erklärt auch das unterschiedliche Ansprechen auf Ernährungs- und Lebensstilinterventionen (Responder vs. Nicht-Responder) [12]. Studien zeigen u. a., dass das Ausgangsmikrobiom Einfluss auf den postprandialen Blutzuckeranstieg [13] oder auf die Effekte einer FODMAP-armen Diät hat und bestimmt, in welchem Ausmaß resistente Stärke zu Butyrat metabolisiert wird [14]. Die Stoffwechselveränderungen (Insulinresistenz, Blutfette und Körperzusammensetzung) nach einer energiereduzierten Kost sind bspw. bei adipösen Personen ausgeprägter, je höher das Vorkommen des Darmbakteriums A. muciniphila ist [15].

Hinterfragt: Stuhlanalysen

Stuhlanalysen, in denen von der Zusammensetzung der Mikrobiota auf den gesundheitlichen Status geschlossen wird, sollten laut Stellungnahme der Deutschen Gesellschaft für Gastroenterologie, Verdauungs- und Stoffwechselkrankheiten (DGVS) [16] sowie der Leitlinie Reizdarmsyndrom (RDS) [17] nicht empfohlen werden. Solche Stuhlanalysen werden im Internet zur Selbstdiagnose und von ÄrztInnen und HeilpraktikerInnen als IGeL-Leistung angeboten. Ähnlich wie beim Blutbild vermittelt das Analyseergebnis den Eindruck, die untersuchte Stuhlprobe weiche mehr oder weniger stark von einer normalen Mikrobiota ab. Für solche Aussagen fehlt jedoch die wissenschaftliche Grundlage – insbesondere, da sich keine einheitliche „normale” Mikrobiota definieren lässt.

Die Darmwand bildet eine physikalische und immunologische Barriere, die einerseits die Nährstoffresorption und lokale Immunreaktionen erlaubt, andererseits den Transport potenziell schädlicher Antigene und Mikroorganismen aus dem Lumen in die Darmwand einschränkt.
Die Darmbarriere besteht aus mehreren Schichten (• Abbildung 2). Luminal befindet sich eine äußere Mukus(= Schleim-)schicht mit kommensalen Darmbakterien sowie eine innere, bakterienfreie Mukusschicht, die den direkten Kontakt zwischen Mikroorganismen und Darmepithel hemmt. Diese Trennung wird u. a. durch antimikrobielle Peptide (AMP) und sekretorisches Immunglobulin A (sIgA) verstärkt. Unterhalb der Mukusschicht ist eine Zellschicht mit spezialisierten Epithelzellen, wie absorbierende Enterozyten, Muzin bildende Becherzellen, AMP produzierende Paneth-Zellen und M-Zellen (eine Art Transportsystem für Antigene) [18]. Die Zwischenräume zwischen den Zellen sind wie ein Reißverschluss durch spezielle Proteinmoleküle (u. a. Tight-Junctions [TJ], Desmosomen) verschlossen und können bei Bedarf durch Zonulin geöffnet werden. Zonulin ist ein von Epithelzellen sezerniertes Protein, das die Durchlässigkeit des Darms erhöht, da es die Stabilität der Tight Junctions verringert. Es kann im Blutplasma oder Stuhl gemessen werden [19]. Die dritte, innerste Schicht bildet die Lamina propria mit Immunzellen des adaptiven und angeborenen Immunsystems, z. B. T-Zellen, B-Zellen, Makrophagen und dendritischen Zellen [20].

Sowohl die genannten Strukturen als auch deren Funktionen werden u. a. durch Nahrungsinhaltsstoffe sowie bioaktive Substanzen von Darmbakterien beeinflusst. Kurzkettige Fettsäuren (short chain fatty acids (SCFA; ⇒ Abschnitt „Kurzkettige Fettsäuren”) sind ein gutes Beispiel für die Symbiose zwischen Mensch und Bakterium, denn sie werden von bestimmten Mikroorganismen aus Ballaststoffen gebildet und dienen den Epithelzellen als wichtigste Energiequelle. Außerdem wirken sie auf das Immungleichgewicht, indem sie über regulatorische T- Zellen eine Immuntoleranz induzieren [22]. Flavonoide zum Beispiel – natürliche Farbstoffe in pflanzlichen Lebensmitteln – unterstützen die Integrität der Barriere, indem sie auf die TJ einwirken und das Wachstum von SCFA-Bildnern, wie A. muciniphila fördern [20].
Während Polyphenole, Ballaststoffe, Glutamin, die Vitamine A und D u. a. die Barrierefunktion stärken, können Emulgatoren, nicht-steroidale Antirheumatika (NSAR), Alkohol, größere Mengen an Fruktose, eine fett- und zuckerreiche Ernährung oder bakterielle Lipopolysaccharide (LPS) sie schwächen [19, 23–25]. LPS (⇒ Abschnitt Nahrungsfaktoren mit positiven und negativen Effekten auf die Darmmikrobiota) beeinträchtigen die TJ-Proteinkomplexe und erhöhen die Bildung pro-inflammatorischer Zytokine durch Immunzellen, was zu einer vermehrten Darmdurchlässigkeit führt [23].

Hinterfragt: Leaky Gut

Der Begriff „leaky gut” – also durchlässiger Darm – wird von manchen TherapeutInnen und in der Ratgeberliteratur als Befund verwendet. Dies ist nicht korrekt, da es hierfür bisher keine anerkannten Biomarker in der medizinischen Routine gibt. In klinischen Studien wird die intestinale Permeabilität mittels der Verabreichung unverdaulicher Zucker wie Lactulose, Mannitol, Sucralose, Polyethylenglykole (PEG) oder mithilfe von Cr-EDTA (Chrom-markiertem Ethylendiamintetraazetat) bestimmt [19]. Diese Substanzen werden im Darm nicht resorbiert. Sie gelangen auf passivem Weg durch die Darmwand und anschließend über den Blutkreislauf in den Urin. ProbandInnen erhalten die Substanzen in Form einer Testlösung, anschließend wird der Urin über 5–24 Stunden gesammelt und analysiert. Die Konzentrationen der jeweiligen Stoffe im Urin lassen unter standardisierten Studienbedingungen und in größeren Studienpopulationen Aussagen über das Ausmaß der Durchlässigkeit der Darmbarriere zu. Besser geeignet für die medizinische Routine sind vermutlich Zonulin im Blut oder Stuhl, LPS-bindendes Protein im Blut sowie Albumin und Alpha-1-Antitrypsin im Stuhl [19]. Die Interpretation dieser Daten unterliegt jedoch noch der Forschung.

Darmgesundheit ist ein Begriff, der sowohl in der populärwissenschaftlichen als auch zunehmend in der wissenschaftlichen Literatur vielfach verwendet wird. Eine allgemeingültige Definition des Begriffs fehlt jedoch [26]. Bischoff beschreibt Darmgesundheit analog zur WHO-Definition für Gesundheit als einen Zustand des körperlichen und psychischen Wohlbefindens bei gleichzeitiger Abwesenheit von Darmerkrankungen und Störungen der Darmfunktionen. Sie wird am häufigsten durch eine Kombination von Eigenschaften beschrieben, darunter [27]:
(1) eine adäquate Produktion von Magen- Darm-Sekreten, die zu einer regulären Verdauung und Aufnahme von Nährstoffen, Mineralstoffen und Wasser führen,
(2) ein regelmäßiges Stuhlverhalten und normale Stuhlkonsistenz,
(3) eine ausgeglichene Darmmikrobiota,
(4) eine funktionierende Darmbarriere.
Diese Beschreibung sollte aufgrund der zentralen Bedeutung des Darms erweitert werden. Darmgesundheit beruht auf einem dynamischen System äußerst komplexer anatomischer und funktioneller Strukturen. Diese können leicht durch externe Faktoren gestört werden, wodurch neben dem Darm auch Immunsystem, Gehirn, Stoffwechsel und nahezu alle Organe beeinträchtig werden können [19, 20].
Bisher setzt sich das gesamte Bild der Darmgesundheit aus einer Zusammenschau vieler Parameter zusammen. Die intestinale Permeabilität, chronisch pro-inflammatorische Prozesse und das Vorhandensein von SCFA sind hierbei besonders bedeutend. Für diese Funktionen gilt es, geeignete Biomarker zu identifizieren, um aussagekräftigere Forschungsergebnisse zu erhalten. Fragebögen zur Lebensqualität und Symptomatik sowie die Bristol-Stuhl-Skala ergeben ein subjektives Bild und unterliegen einem starken Placeboeffekt. Objektiver, aber relativ unspezifisch sind Entzündungsparameter, wie das C-reaktive Protein (CRP) im Blut und Calprotectin im Stuhl. Messungen der Darmpermeabilität (• Kasten „Leaky Gut“) sind sehr aufwändig. Weitere Marker wie Zonulin, LBP (LPS-bindendes Protein), pro-inflammatorische Zytokine und Citrullin sind Gegenstand der Forschung. Erschwerend ist, dass die Übergänge zwischen „gesund” und „krank” fließend sind. Inwieweit sich in Mikrobiomstudien Schlüsselspezies herauskristallisieren, bleibt abzuwarten. Das Darmmikrobiom übt in jedem Fall eine Schlüsselfunktion für die Darmgesundheit aus und ist durch Ernährung und Lebensstilfaktoren beeinflussbar.

Einfluss der Ernährungsweise

Die Zusammensetzung und Aktivität der Mikrobiota ist bei Modifikationen der Ernährungsweise rasch veränderbar. Eine vergleichende Analyse verschiedener Ernährungsweisen ergab, dass bereits nach 24 Stunden signifikante Veränderungen in der Mikrobiota sichtbar wurden, die innerhalb von 48 Stunden nach Rückkehr zur ursprünglichen Ernährungsform reversibel waren [28]. Langfristig gesehen prägt das jeweilige Ernährungsmuster die Struktur und Funktionen der Darmmikrobiota, indem es bestimmte Nährstoffquellen bereitstellt, an die sich die Mikroorganismen anpassen (müssen). Die genauen Mechanismen sind oft noch unklar [1]. Modifikationen im Ernährungsmuster können auch Ursache ungünstiger Veränderungen der Mikrobiota sein, die das komplexe System der Darmbarriere stören und langfristig zu Entzündungen und Stoffwechselstörungen führen. Zudem können Ernährungsfaktoren die Expression von Virulenzfaktoren des vorhandenen Mikrobioms verändern und dessen entzündungsförderndes Potenzial steigern.
Veränderungen in der Mikrobiota durch unterschiedliche Ernährungsweisen können, zumindest bis zu einem gewissen Grad, innerhalb derselben Generation rückgängig gemacht werden [29]. Studien an Nagetieren deuten jedoch darauf hin, dass der Verlust der Mikrobiota-Diversität auf spätere Generationen übertragen werden kann und vermutlich unumkehrbar ist [30, 31]. So könnte die ballaststoffarme westliche Ernährungsweise zu einem dauerhaften Verlust von einzelnen Bakterienarten führen (verarmtes Mikrobiom), die für die Funktionen des Mikrobioms wichtig sind. Aktuelle Studien zeigen, dass bestimmte bioaktive Substanzen der Mikrobiota auch epigenetische Prozesse beeinflussen können. Dies birgt die Gefahr, dass gravierende Veränderungen des Mikrobioms möglicherweise über das Epigenom vererbbare metabolische Veränderungen hervorrufen [32].
Interaktionen zwischen Ernährung, Darmmikrobiota und Stoffwechsel oder Immunfunktionen sind Gegenstand der Forschung. Ausgehend von der Beobachtung einfacher Korrelationen werden zunehmend kausale Zusammenhänge erkannt und anhand von Proof-of- Concept-Studien validiert. Am besten untersucht und am deutlichsten sichtbar sind die unterschiedlichen Effekte der westlichen und der mediterranen Ernährung auf die Darmmikrobiota, das Darmmetabolom und den menschlichen Stoffwechsel (• Abbildung 3) [33, 34].

Eine westlich geprägte Ernährung ist durch übermäßigen Verzehr an raffinierten und verarbeiteten Lebensmitteln, Fleisch, gesättigten Fettsäuren und zuckerhaltigen Getränken gekennzeichnet, bei gleichzeitig geringer Aufnahme von Gemüse, Obst und Vollkornprodukten. Sie wird mit dem vermehrten Auftreten von Stoffwechselkrankheiten wie Diabetes mellitus Typ 2 und Adipositas in Verbindung gebracht. Diese gehen mit einer systemischen geringgradigen Entzündung einher, die auf Schädigungen der Darmbarriere und eine Endotoxinämie (⇒ Abschnitt „Nahrungsfaktoren mit positiven und negativen Effekten auf die Darmmikrobiota”) durch LPS zurückzuführen ist. Studien berichten von einer geringeren mikrobiellen Diversität auf Gattungsund Phylum-Ebene und Veränderungen der metabolischen Aktivität der Darmmikrobiota, einschließlich einem deutlichen Rückgang der Gesamtbakterienzahl [36]. Dies bedingt entscheidende Veränderungen, z. B. einen Rückgang der Bildung von SCFA und AMP bei gleichzeitigem Anstieg von LPS, Trimethylamin-N-Oxid (TMAO) und pro-inflammatorischen Zytokinen [34, 37].
Die mediterrane Ernährung (MED) ist eine pflanzenbasierte Ernährung mit hohen Anteilen und einer Vielfalt an Gemüse und Obst sowie Olivenöl als Hauptfettquelle. Hülsenfrüchte, Nüsse, Samen, Zwiebeln, Knoblauch und Kräuter werden reichlich verzehrt, Milchprodukte meist in fermentierter Form. Fisch, Eier, Wein und Fleisch eher in geringen Mengen [38]. Beobachtungsund Interventionsstudien zeigen Vorteile der MED für die kardiovaskuläre Gesundheit sowie hinsichtlich der Entstehung von Adipositas, Bluthochdruck, metabolischem Syndrom, Diabetes Typ 2 und einigen Krebsformen. Zudem wird eine geringere Inzidenz neurodegenerativer Erkrankungen beobachtet [39]. Für wesentliche Bestandteile einer MED sind positive Effekte auf die Funktion der Darmbarriere und das darmassoziierte Immunsystem beschrieben: einfach ungesättigte Fettsäuren, ein niedriges Verhältnis von n-6- zu n-3-Fettsäuren, Polyphenole (wie Flavonoide, Resveratrol, Quercetin), lösliche und unlösliche Ballaststoffe sowie verschiedene Vitamine und Spurenelemente (u. a. Zink, Eisen, Selen) [40].
Studien deuten darauf hin, dass die MED zu einem günstigen Mikrobiota-Profil mit Bildung entsprechender Metabolite führt (• Abbildung 3) [34]. Eine Studie untersuchte die Wirkungen einer Intervention mit MED bei Personen mit omnivorer, vegetarischer und veganer Ernährung. Die ForscherInnen stellten einen signifikanten Zusammenhang zwischen dem Grad der Einhaltung der MED und einem erhöhten Gehalt an SCFA, Prevotella-Bakterien und anderen Firmicutes im Stuhl fest. Gleichzeitig war bei geringer Einhaltung der MED die TMAO-Konzentration im Urin erhöht [41]. Andere Studien zeigen eine höhere Gesamtzahl an Bakterien, eine Zunahme des Anteils an Bifidobakterien sowie einen positiven Einfluss auf die Diversität durch die MED. Zudem konnten typische Bestandteile der MED mit dem Vorkommen bestimmter Stämme in der Darmmikrobiota in Verbindung gebracht werden, wie der Verzehr von Getreide mit dem Vorkommen von Bifidobacterium und Faecalibacterium. Die Aufnahme von Olivenöl und Rotwein ist mit dem Vorhandensein von Faecalibacterium assoziiert [38]. Die Intervention mit einer MED bei adipösen und übergewichtigen ProbandInnen verbesserte – unabhängig von der Energiezufuhr – bereits nach acht Wochen u. a. die Insulinresistenz und die Plasmacholesterinwerte (Gesamt-, HDL- und LDL-Cholesterin); das entzündungshemmende Bakterium F. prausnitzii wurde vermehrt nachgewiesen [42].

Insgesamt scheint eine vielfältige, pflanzenbasierte Ernährung und weniger der Ausschluss bestimmter Lebensmittel (z. B. tierische) der wesentliche Faktor für die Stabilität und Diversität der Mikrobiota zu sein [33, 43].

Nahrungsfaktoren mit positiven und negativen Effekten auf die Darmmikrobiota

Ebenso wie die vorteilhaften Effekte der MED auf die Gesundheit sind auch die nachteiligen Wirkungen der westlichen Ernährung durch die Darmmikrobiota vermittelt [44]. Eine hohe Aufnahme gesättigter Fettsäuren ist mit einer veränderten Zusammensetzung der Mikrobiota assoziiert und gilt als unabhängiger Störfaktor der Darmpermeabilität. Als Mechanismus für die Entstehung metabolischer Erkrankungen wird die Erhöhung von LPS im Blut beschrieben. LPS sind Bestandteile der äußeren Zellwand gram-negativer Bakterien, die nach deren Absterben freigesetzt werden und durch die Darmbarriere in den Blutkreislauf gelangen (Endotoxinämie). Sie wirken als Endotoxine, da sie im Blut an bestimmte Immunzellrezeptoren binden und pro-inflammatorische Reaktionen auslösen, was längerfristig geringgradige, chronische Entzündungen fördert. Diese führen u. a. zu Insulinresistenz und der Entwicklung metabolischer Erkrankungen wie Adipositas, Diabetes Typ 2, der nicht-alkoholischen Fettlebererkrankung (NAFLD) oder der koronaren Herzerkrankung (KHK). Der gleiche Mechanismus wird auch bei übermäßiger Zufuhr von Fruktose und Saccharose vermutet [33, 34, 45].
Für bakterielle Stoffwechselprodukte des Proteinabbaus sind positive wie negative Effekte beschrieben. Beim mikrobiellen Abbau der Ammoniumverbindungen Carnitin (aus Rind-, Schweine- und Lammfleisch) und Cholin (aus Eiern, Milch) entsteht Trimethylamin (TMA), das anschließend in der Leber zu TMAO oxidiert wird. Erhöhte Konzentrationen von zirkulierendem TMAO werden mit kardiovaskulären Erkrankungen und NAFLD in Verbindung gebracht [46]. Pflanzliche Proteine liefern keine Ausgangssubstanzen für die TMA-Bildung. Interessanterweise treten die oben beschriebenen schädlichen Effekte bei gleichzeitiger hoher Ballaststoffzufuhr vermindert auf [47].
Für eine Reihe weiterer Nahrungsfaktoren werden negative Wirkungen auf das Darmmikrobiom vermutet und erforscht [34, 48], darunter Alkohol, Emulgatoren, Zuckerersatzstoffe (wie Allulose [49]), Salz und künstliche Süßstoffe [50].
Viele sekundäre Pflanzenstoffe erreichen aufgrund ihrer geringen Bioverfügbarkeit in recht hohen Konzentrationen den Dickdarm. Für Polyphenole sind direkte, antibiotische Wirkungen auf pathogene Darmbakterien bekannt. Außerdem haben sie präbiotische Effekte, denn sie führen zu einem Anstieg der Gattungen Bifidobacterium, Lactobacillus sowie A. muciniphila [51]. Wurden anfangs nur bestimmte Oligosaccharide (Galaktooligosaccharide [GOS], Fruktooligosaccharide [FOS]) als Präbiotika definiert, beinhaltet das heutige präbiotische Konzept auch Nicht-Kohlenhydrate wie Polyphenole [52]. Besonders gut untersucht sind die Anthocyane in Beeren, die circa 60 % der enthaltenen Polyphenole ausmachen. Ihre antioxidativen, antientzündlichen, antihyperglykämischen und neuroprotektiven Effekte werden v. a. einigen Metaboliten des Anthocyan-Abbaus durch Darmbakterien zugeschrieben. Humanstudien zeigen entsprechend positive Wirkungen u. a. auf Dyslipoproteinämien und Insulinsensitivität [53].

Die positiven Wirkungen von Ballaststoffen auf den Stoffwechsel und gastroenterologische Erkrankungen sind seit langem bekannt und in den D-A-CH-Referenzwerten berücksichtigt [54, 55]. Es gibt diverse Arten von Ballaststoffen in der Nahrung, jede mit spezifischen physikalisch- chemischen Eigenschaften, die ihre Effekte auf Darmfunktionen und Mikrobiota bestimmen [56].
Die Darmmikrobiota verfügt über ein großes Enzymrepertoire zur Aufspaltung komplexer Kohlenhydratverbindungen in Oligo- und Monosaccharide. Anhand einer Modellrechnung wird das Potenzial deutlich: Eine Modellmikrobiota mit 160 Arten verfügt über mehr als 9000 Glykosidhydrolasen und 2000 Polysaccharidlyasen [57].
Speziell im Zusammenhang mit dem Mikrobiom hat sich der Begriff Mikrobiota-zugängliche Kohlenhydrate (microbiota accessible carbohydrates, MAC) für fermentierbare Ballaststoffe herausgebildet [57]. Zu den wichtigsten Vertretern zählen Pektine (z. B. aus Äpfeln, Möhren), Inulin (in Spargel, Pastinake, Chicorée, Zwiebeln u. a.), Beta-Glukane (z. B. aus Hafer, Gerste, Pilzen), FOS und GOS (in Muttermilch, Hülsenfrüchten) sowie resistente Stärken (aus Kartoffeln, Bananen, Hülsenfrüchten u. a.) [58]. Außerdem kommen sie als Zellwandbestandteile von Hefen in fermentierten Produkten vor [59].
Jüngste Fortschritte der Mikrobiomforschung zeigen die komplexen Zusammenhänge zwischen Ballaststoffen und menschlicher Gesundheit und, dass ein großer Teil der Effekte auf dem mikrobiellen Abbau fermentierbarer Kohlenhydrate beruht [60]. Dabei gebildete Metabolite wirken auf die Darmbarriere, den Stoffwechsel, nahezu alle Organe und das Immunsystem [58]. SCFA nehmen in diesem Zusammenspiel eine Schlüsselposition ein (⇒ Abschnitt „Kurzkettige Fettsäuren”). Bei hoher Ballaststoffzufuhr werden vermehrt Bifidobacterium und Lactobacillus spp. sowie eine höhere Butyratkonzentration im Faeces festgestellt [61].

Da Ballaststoffe gewissermaßen die Hauptnahrung vieler Darmbakterien sind, führt eine langfristige ballaststoffarme Ernährung fast zwangsläufig zu einer geringeren mikrobiellen Vielfalt, wie eine Vielzahl von vergleichenden Studien in Industrienationen und Entwicklungsländern zeigen konnte [57, 62].

Dabei reduziert eine geringe Ballaststoffzufuhr nicht nur den bakteriellen Reichtum und die Bildung von SCFA, sondern sie verändert auch den mikrobiellen Metabolismus hin zur Bildung von toxischen Substraten aus Proteinen oder Muzinen [35]. Kurzfristige Ernährungsinterventionen mit Ballaststoffen scheinen diese Veränderungen jedoch nicht rückgängig machen zu können, so eine Metaanalyse auf der Basis von 58 Studien. Die AutorInnen vermuten, dass die mikrobielle Vielfalt eher durch eine langfristige umfassende Modifizierung der Ernährung veränderbar ist und weniger durch kurzfristige Intervention mit einzelnen Nährstoffen oder Lebensmitteln [61].
Anhand einer Dosis-Wirkungs-Studie mit drei resistenten Stärken des Typs IV bei jeweils zehn gesunden Erwachsenen wurde festgestellt, dass die Stärkestrukturen unterschiedliche und hochspezifische Auswirkungen auf die Zusammensetzung der Darmmikrobiota hatten. Diese gingen einher mit der Produktion von Propionat bzw. Butyrat. Die Effekte waren konsistent und dosisabhängig – bis bei 35 g/Tag ein Plateau erreicht wurde [63].
Die verschiedenen Mikroorganismen sind auf den Abbau bestimmter Ballaststoffarten spezialisiert. Der Fermentationsprozess erfolgt meist mehrstufig und wird als Cross-Feeding bezeichnet. Sogenannte Primärabbauer (wie Bifidobacterium ssp., Ruminococcus bromii) fermentieren Polysaccharide zu Mono-, Di- und Oligosacchariden, wobei Azetat und Laktat entstehen. Diese Zwischenprodukte werden von anderen Mikroorganismen (Sekundärabbauern) unter Bildung von Butyrat verwertet. Butyratbildner sind u. a. Eubacterium rectale, F. prausnitzii und Roseburia ssp. [64]. Deshalb sind das Ausmaß und das Spektrum der produzierten SCFA von der Art der fermentierbaren Polysaccharide sowie der im Dickdarm vorhandenen Mikrobiota abhängig. Dies erklärt auch die individuellen und unterschiedlichen Reaktionen auf eine Ballaststoffintervention [58].

Viele Daten aus Humanstudien lassen den Schluss zu, dass die Steigerung der SCFA-Produktion im Darm eine wirksame Strategie zur Vorbeugung gastrointestinaler Funktionsstörungen und von Stoffwechselerkrankungen wie Adipositas und Diabetes Typ 2 darstellt. Die SCFA Azetat, Propionat und Butyrat entstehen beim bakteriellen Abbau löslicher Ballaststoffe und anderer fermentierbarer Kohlenhydrate. Zusätzlich dient der Mukus des Darmepithels als weitere Kohlenhydratquelle für manche SCFA-bildende Bakterienarten.
Der größte Anteil der SCFA entsteht im Kolon, da sich hier die höchste Bakteriendichte befindet und der Nahrungsbrei am längsten verweilt. Während der Produktion im Dickdarm werden die SCFA schnell und fast vollständig von den Kolonozyten aufgenommen und zum Teil als Energiesubstrat verwendet oder sie gelangen über die Pfortader in die Leber bzw. den Blutkreislauf. Daher wird nur ein geringer Teil (etwa 5–10 %) mit dem Stuhl ausgeschieden. Infolgedessen sind Messungen im Faeces nicht repräsentativ für die In-vivo-Produktion im Dickdarm und sollten mit Vorsicht interpretiert werden [65]. Obwohl die SCFA-Konzentrationen im Plasma vergleichsweise gering sind, wirken sie auf nahezu alle Organe. Fettgewebe, Skelettmuskulatur, Pankreas, Leber- und Gefäßzellen u. a. verfügen über spezielle Rezeptoren für SCFA. Diese beeinflussen u. a. die Glukosehomöostase, den Lipidstoffwechsel, die Appetitregulation und den Blutdruck (• Abbildung 4) [56].

Die von den Bakterien gebildeten SCFA sind die Hauptenergiequellen für die Darmepithelzellen. Deshalb ist die Versorgung der Zellen mit SCFA, v. a. mit Butyrat, eine wichtige Voraussetzung für die Funktionalität der Zellen sowie für Zellprofileration und -differenzierung und damit für die Integrität der Darmbarriere. SCFA verbessern die Muzinsynthese und -qualität, regulieren die Tight Junction-Proteine und aktivieren die Bildung von AMP, wodurch die Abwehrfunktionen der Darmbarriere gestärkt werden. Weiterhin modulieren SCFA das darmassoziierte Immunsystem, u. a. erhöhen sie die Aktivität der regulatorischen T-Zellen (Tregs), die Bildung von sIgA und anti-inflammatorischen Zytokinen [64].
Zu den am besten untersuchten Mechanismen auf den Wirtsstoffwechsel gehört die Fähigkeit von Propionat und Butyrat, sich an G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPR41 und GPR43) im Dickdarm zu binden. Dies führt zur Produktion der Darmhormone Peptid YY (PYY) und Glucagon-like Peptide 1 (GLP-1) und beeinflusst dadurch die Sättigung und Glukosehomöostase. Erste Daten aus Humanstudien geben Hinweise auf eine positive Rolle von SCFA bei der Blutglukoseregulation und Insulinsensitivität [65]. Forschungsdaten deuten auf eine weitere Schlüsselfunktion der SCFA hin: Propionat und Butyrat aktivieren die intestinale Glukoneogenese durch mehrere Mechanismen. Die freigesetzte Glukose löst ein neuronales Signal aus, das von den Pfortadernerven an das Gehirn weitergeleitet wird, was sich positiv auf Sättigung und Insulinempfindlichkeit auswirkt [65].
Es besteht ein Bedarf an gut kontrollierten, langfristig angelegten Human-Interventionsstudien, wobei Responder und Non-Responder, Menge und Art der Ballaststoffe und der Ort und Ausmaß der SCFA-Produktion sowie körperliche Aktivität und Darmtransitzeit berücksichtigt werden sollten. Neben SCFA werden derzeit weitere Substanzen (wie TMAO, sekundäre Gallensäuren, Endocannabinoide, bioaktive Lipide, phenolische Verbindungen) erforscht [67].

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Dr. biol. hom. Irmtrud Wagner

LEBENSART Ernährung – Genuss – Gesundheit
Alt-Mühlrath 28, 41516 Grevenbroich
kontakt@la-wagner.de 

Dr. oec. troph. Maike Groeneveld

Praxis für Ernährungsberatung
Kaiserstraße 99, 53113 Bonn
mail@maike-groeneveld.de 

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Zitierweise

Wagner I, Groeneveld M: Ernährung, Darmmikrobiota und Gesundheit – Diversity Matters.
Teil 1. Ernährungs Umschau 2022; 69(4): M204–15. DOI: 10.4455/eu.2022.010

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Beiträge der zertifizierten Fortbildung sind prinzipiell produkt- und dienstleistungsneutral und werden finanziell nicht von externen Stellen unterstützt.

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Interessenkonflikt

Dr. Wagner war bis 2018 als Senior Manager Relation Management angestellt bei der Yakult Deutschland GmbH. Sie erhält seit 2019 Beratungshonorare von der Danone GmbH, Abteilungen Wissenschaft und Marketing.
Dr. Groeneveld erhielt Honorare für Vortragstätigkeiten von folgenden Unternehmen: 2017 von der Falk Foundation, 2019 und 2022 von der Microbiotica GmbH. 2017– 2022 erhielt sie Vortragshonorare und 2018 Reisekostenerstattung von der Yakult Deutschland GmbH.
Die ärztliche Leitung (Prof. Christian Sina) erklärt, dass für diesen Beitrag kein Interessenkonflikt vorliegt.

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⇒ Teil 2 zu diesem Beitrag wird in der Juniausgabe der ERNÄHRUNGS UMSCHAU veröffentlicht.

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