Einflussreiche Winzlinge

Grafik: MW
Darm und Hirn

Sie sind klein, aber sie sind viele: Auf bis zu 100 Billionen wird die Zahl der Mikroorganismen in unserem Darm geschätzt. Die Bakterien kommunizieren mit dem Gehirn, neuesten Forschungen zufolge könnten sie auch unser Essverhalten und unsere Stimmung beeinflussen.

Wissenschaftliche Betreuung: Dr. Viola Nordström

Veröffentlicht: 01.03.2018

Das Wichtigste in Kürze
  • Im und auf dem menschlichen Körper leben Billionen von Mikroorganismen. Die mit Abstand höchste Bakteriendichte findet sich im Darm.
  • Unsere Ernährung beeinflusst die Vielfalt der Mikroben. Umgekehrt gibt es auch Hinweise darauf, dass die Mikroben unser Essverhalten steuern könnten.
  • Krankheiten und Medikamente können das Mikrobiom stark verändern. Bei einigen Krankheiten könnten günstige Mikroben bei der Heilung helfen, etwa bei Depressionen.

Depression

Depression/-/depression

Phasenhaft auftretende psychische Erkrankung, deren Hauptsymptome die traurige Verstimmung sowie der Verlust von Freude, Antrieb und Interesse sind.

Was ist dran am Bauchhirn?

Haben wir in unserem Bauch tatsächlich ein zweites Gehirn? Der häufig verwendete Begriff „Bauchhirn“ legt es nahe. „Eins zu eins gleichsetzen kann man das so genannte Bauchhirn nicht mit dem echten Gehirn. Trotzdem ist an dem Begriff durchaus etwas dran“, so Dr. Florian Reichmann von der Medizinischen Universität Graz. Mit dem „Bauchhirn“ sind die Nervenzellen in der Darmwand gemeint, die über den Vagusnerv und das Rückenmark direkt mit dem Gehirn verbunden sind. Spannend: Etwa 90 Prozent der Vagusnervsignale wandern vom Darm zum Kopf, nicht umgekehrt. Der Darm teilt dem Gehirn also mehr mit als das Gehirn dem Darm.

Die Zelltypen, Wirkstoffe und Rezeptoren im „Bauchhirn“ des Magen-Darm-Trakts sind die gleichen wie in unserem Gehirn im Kopf. Auch die Botenstoffe sind gleich. Etwa 95 Prozent des körpereigenen Botenstoffs Serotonin wird zum Beispiel im Magen-Darm-Trakt produziert.

Auch die Mikroben haben Einfluss auf die Nervenzellen des „Bauchhirns“: „Sie setzen bestimmte Metaboliten frei. Das sind Substanzen, die durch den Stoffwechsel entstehen. Die Metaboliten können die Nervenendigungen in der Darmwand stimulieren, indem sie sich an bestimmte Rezeptoren dieser Nervenendigungen binden. So können sie die neuronale Darm-Gehirn-Kommunikation beeinflussen“, erklärt Reichmann.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Rückenmark

Rückenmark/Medulla spinalis/spinal cord

Das Rückenmark ist der Teil des zentralen Nervensystems, das in der Wirbelsäule liegt. Es verfügt sowohl über die weiße Substanz der Nervenfasern, als auch über die graue Substanz der Zellkerne. Einfache Reflexe wie der Kniesehnenreflex werden bereits hier verarbeitet, da sensorische und motorische Neuronen direkt verschaltet sind. Das Rückenmark wird in Zervikal-​, Thorakal-​, Lumbal und Sakralmark unterteilt.

Rezeptor

Rezeptor/-/receptor

Signalempfänger in der Zellmembran. Chemisch gesehen ein Protein, das dafür verantwortlich ist, dass eine Zelle ein externes Signal mit einer bestimmten Reaktion beantwortet. Das externe Signal kann beispielsweise ein chemischer Botenstoff (Transmitter) sein, den eine aktivierte Nervenzelle in den synaptischen Spalt entlässt. Ein Rezeptor in der Membran der nachgeschalteten Zelle erkennt das Signal und sorgt dafür, dass diese Zelle ebenfalls aktiviert wird. Rezeptoren sind sowohl spezifisch für die Signalsubstanzen, auf die sie reagieren, als auch in Bezug auf die Antwortprozesse, die sie auslösen.

Serotonin

Serotonin/-/serotonin

Ein Neurotransmitter, der bei der Informationsübertragung zwischen Neuronen an deren Synapsen als Botenstoff dient. Er wird primär in den Raphé-​Kernen des Mesencephalons produziert und spielt eine maßgebliche Rolle bei Schlaf und Wachsamkeit, sowie der emotionalen Befindlichkeit.

Zahlenspiele

Große Zahlen sind beeindruckend – und vielleicht wird deshalb immer wieder behauptet, der Mensch habe 1014 mikrobielle Mitbewohner, also 100 Billionen. Allerdings steht diese Zahl auf wackeligen Füßen und konnte mit modernen Messmethoden bis in die jüngste Vergangenheit nicht bestätigt werden. Seinen Ursprung hat der Mythos in einer 1972 veröffentlichten Abschätzung aus einer Probe des Verdauungstraktes von einem Milliliter Volumen, die angeblich 1011 Mikroben enthielt. Hochgerechnet auf das 1000 Mal größere Gesamtvolumen kommt man dann auf die unerhörte Zahl von 1014, plus einem Hundertstel dieser Zahl auf der weitaus weniger dicht besiedelten Haut. Wie genau gezählt oder geschätzt wurde, erfährt der Leser nicht.

Fünf Jahre später – 1977 – sorgte Dwayne Savage, kürzlich verstorbener Professor für Mikrobiologie an der University of Illinois, mit einem mehr als 900 Mal zitierten Artikel für die Weiterverbreitung der 1014-Zahl. Von ihm stammt auch die weithin übernommene philosophische Betrachtung, im menschlichen Organismus seien die eigenen 1013 Zellen eine kleine Minderheit gegenüber dem zehn Mal größeren Mikrobenheer. Eigene Messungen präsentierte Savage allerdings nicht.

Fast 20 Jahre sollte es dauern, bis Rodney Berg von der Louisiana State University sich an einer Inventur aller Mikroben im Verdauungstrakt target="_blank" versuchte. Er wies auf die Schwierigkeiten solcher Zählungsversuche hin, und multiplizierte die höchste Schätzung für die tatsächlich nachgewiesenen Bakterien mit dem 1000-fachen an möglicherweise nicht kultivierbaren Mikroben. So kam Berg schließlich ebenfalls auf die Gesamtzahl von 1014, offenbar jedoch ohne selbst gezählt zu haben.

Die große Überraschung für die Gemeinde der Mikrobiologen kam im Jahr 2016, als Forscher des Weizmann Instituts im israelischen Rehovot den 1014-Mythos kritisch unter die Lupe nahmen. Genauer als ihre Vorgänger betrachteten sie die Besiedlungsdichte von Mikroben in verschiedenen Kompartimenten des Körpers. Die überarbeiteten Zahlen zeigten unter anderem, dass die größte angenommene Besiedlungsdichte allenfalls für die Hälfte des Darms gilt. Die Gesamtmasse der Bakterien beträgt somit nur noch 200 Gramm, ihre Zahl reduziert sich auf 3,8x1013. Die ebenfalls neu berechnete Zahl menschlicher Zellen liegt demnach bei 3,0x1013. Die immer wieder postulierte mikrobielle Übermacht ist diesen Berechnungen zufolge allenfalls minimal und – wie die Autoren spöttisch hinzufügen – dieses Verhältnis könne sich bereits durch einen einmaligen kräftigen Stuhlgang auch umdrehen.

Unser Körper ist belebter als jede Megacity: Billionen von Bakterien besiedeln ihn und bilden das so genannte Mikrobiom des Menschen. Sie sitzen auf der Haut, den Schleimhäuten, im Mund und an vielen anderen Körperstellen. Besonders dicht mit Mikroorganismen besiedelt ist der Dickdarm. Wie viele Mitbewohner wir wirklich haben, ist zwar umstritten (Kasten „Zahlenspiele“), nicht aber, dass das Mikrobiom eine wichtige Rolle für den Stoffwechsel spielt. Womöglich kann es sogar unsere Stimmung und unser Essverhalten beeinflussen. Doch wie funktioniert das genau? „Der Magen-Darm-Trakt kommuniziert über mehrere Signalwege mit dem restlichen Organismus“, erklärt Dr. Florian Reichmann, Mitglied der Forschungseinheit für translationale Neurogastroenterologie an der Medizinischen Universität Graz, die sich mit der wechselseitigen Kommunikation zwischen Magen-Darm-Trakt und Gehirn befasst. Mikroorganismen können mit Körperzellen interagieren, indem sie bestimmte Botenstoffe senden, die zum Beispiel die Immunzellen aktivieren. „Außerdem können die Mikroben Stoffwechselprodukte abgeben, die teils durch den ganzen Körper zirkulieren“, sagt Reichmann. Schließlich stimulieren die Mikroben auch Neuronenenden – und damit das Gehirn.

Fast Food lässt Mikroben-Arten aussterben

Wie das so einflussreiche Mikrobiom eines Menschen genau beschaffen ist, hängt von vielen unterschiedlichen Faktoren ab. „Das Mikrobiom ist so individuell wie ein Fingerabdruck“, sagt Dr. Florian Reichmann. Neben den Genen bestimmen Umweltfaktoren, welche Mikroben uns besiedeln. Mit den ersten Bakterien kommt der Mensch neuesten Studien zufolge schon im Mutterleib in Berührung, bei der Geburt folgt dann intensiver Kontakt mit den Mikroorganismen der Mutter. Danach entscheiden zum Beispiel die Anzahl der Geschwister, die Hygienebedingungen, Infektionen, eingenommene Medikamente und die Ernährung über das Mikrobiom.

Durch unser Essverhalten können wir die Zusammensetzung der Bakterien also beeinflussen. Greifen wir etwa häufig zu Fast Food, ist unsere Darmflora weniger vielfältig, wie Tim Spector, Professor für genetische Epidemiologie am King’s College in London mit einem originellen Experiment zeigte. Mit seinem 23-jährigen Sohn Tom verabredete Spector, dass dieser sich 10 Tage lang nur von Fast Food ernähren sollte. Dabei finanzierte der Vater nicht nur sämtliche MacDonalds-Mahlzeiten, sondern auch die Analyse von Stuhlproben vor, während und nach der Spezial-Diät. Die drastische Bilanz der Auswertung durch die Cornell University in den USA und das per Crowdfunding finanzierte British Gut Project: Vor der Fast-Food-Kur waren in Tom Spectors Darm etwa 3.500 verschiedene Bakterien zu finden. Danach waren 1.300 dieser Spezies ausgestorben. Essen wir statt Fast Food abwechslungsreich und gesund, lebt also eine größere Zahl unterschiedlicher Bakterien in unserem Darm.

Gen

Gen/-/gene

Informationseinheit auf der DNA. Den Kernbestandteil eines Gens übersetzen darauf spezialisierte Enzyme in so genannte Ribonukleinsäure (RNA). Während manche Ribonukleinsäuren selbst wichtige Funktionen in der Zelle ausführen, geben andere die Reihenfolge vor, in der die Zelle einzelne Aminosäuren zu einem bestimmten Protein zusammenbauen soll. Das Gen liefert also den Code für dieses Protein. Zusätzlich gehören zu einem Gen noch regulatorische Elemente auf der DNA, die sicherstellen, dass das Gen genau dann abgelesen wird, wenn die Zelle oder der Organismus dessen Produkt auch wirklich benötigen.

Krankheiten und Medikamente verändern das Mikrobiom

Doch nicht nur die Ernährung, auch Krankheiten können das Mikrobiom verändern. Eine bestimmte Beschaffenheit des Mikrobioms könnte folglich dabei helfen, die zugehörige Krankheit zu diagnostizieren. Im Fall der Zuckerkrankheit Diabetes lieferten Studien bisher allerdings oft widersprüchliche Ergebnisse: Mal schien das Mikrobiom erkrankter Personen eindeutig verändert, mal war es kaum von dem gesunder Probanden zu unterscheiden. Eine Studie des Europäischen Laboratoriums für Molekularbiologie in Heidelberg und des MetaHIT-Konsortiums aus dem Jahr 2015 könnte den Grund dafür aufgedeckt haben: Die Behandlungsweise der Diabetespatienten kann Erkenntnisse über deren Mikrobiom stark verfälschen. Wie die Studie zeigte, beeinflusst das am häufigsten verschriebene Diabetes-Medikament Metformin das Mikrobiom viel stärker als die Krankheit selbst.

Die Forscher verglichen Stuhlproben von mehr als 700 Personen, darunter Diabetes 2-Patienten und gesunde Probanden. Anhand der Zusammensetzung der Mikroben ließ sich nicht mit Sicherheit bestimmen, ob eine Person erkrankt war oder nicht. Nur wenn ein Diabetes-Patient Metformin nahm, war er eindeutig als Erkrankter zuzuordnen. Sein Mikrobiom enthielt dann eine andere Bakterien-Zusammensetzung als das gesunder Probanden oder von Patienten, die kein Metformin nahmen. Diese Veränderungen des Mikrobioms könnten sowohl für unangenehme Nebenwirkungen des Medikaments wie Durchfall, Blähungen oder Übelkeit verantwortlich sein, andererseits aber auch die gewünschten Effekte des Antidiabetikums miterzeugen. Die Erkenntnisse der Forscher könnten dabei helfen, Nebenwirkungen künftig zu minimieren. So könnten Patienten ihre Darmflora womöglich durch bestimmte Nahrungsergänzungsmittel oder probiotische Joghurts im Gleichgewicht halten.

Die Mikroben bestimmen mit, was wir essen

Genauso wie wir unser Mikrobiom über unsere Ernährung beeinflussen können, gibt es umgekehrt Hinweise darauf, dass auch die Mikroben das Essverhalten ihres Wirts mitbestimmen. Eine aktuelle Studie aus Portugal zeigte etwa, dass bestimmte Mikroben-Arten im Darm von Fruchtfliegen deren Futterwahl steuerten. Im Experiment entzogen die Wissenschaftler Fruchtfliegen essentielle Aminosäuren in der Ernährung. Der Mangel führte dazu, dass die Fliegen weniger fruchtbar waren und proteinreiche Nahrung wie Hefe bevorzugten, um den Mangel auszugleichen. Nachdem sie diese Erkenntnis gewonnen hatten, manipulierten die Wissenschaftler zusätzlich die Darmbakterien der Fruchtfliegen. Dabei stellten sie fest, dass zwei bestimmte Mikroben-Arten in Zusammenarbeit das Fressverhalten der Fruchtfliegen beeinflussten: Die Bakterien konnten den durch Entzug von Aminosäuren ausgelösten gesteigerten Appetit auf Proteine wieder senken. Die Forscher vermuten, dass die beiden Darmbakterien einen Botenstoff ausscheiden, der Gehirn und Körper beeinflusst, und eine Proteinsättigung vortäuscht. Dieser Mechanismus könnte dazu beitragen, dass Fruchtfliegen unter ungünstigen Nahrungsbedingungen besser überleben.

Auf diese Weise könnten bestimmte Kleinstlebewesen möglicherweise auch beeinflussen, zu welchen Nahrungsmitteln Menschen greifen. Dafür, dass Mikroben auch das menschliche Essverhalten beeinflussen, gibt es allerdings noch keinen Nachweis.

Darmbakterien beeinflussen die Stimmung

Auch auf unsere Stimmung und sogar auf Charaktereigenschaften kann sich das Mikrobiom mutmaßlich auswirken. Verschiedene Studien mit Ratten und Mäusen zeigen, dass das Mikrobiom für das individuelle Angst-Level entscheidend ist. So sind Mäuse, die in keimfreier Umgebung aufgezogen wurden und daher kein eigenes Mikrobiom haben, anscheinend weniger ängstlich als normale Mäuse. Auch die Zusammensetzung des Mikrobioms spielt eine Rolle: Mäuse, die mit krankheitserregenden Bakterien infiziert sind, sind etwa ängstlicher. Behandelt man diese Mäuse mit probiotischen Bakterien, geht ihr durch Entzündungen und Infektionen ursprünglich erhöhtes Angst-Level zurück. „Beim Tier gibt es bereits sehr gute Hinweise darauf, dass das Mikrobiom Verhalten und Stimmung beeinflusst“, fasst Dr. Florian Reichmann den Forschungsstand zusammen. „Beim Menschen gibt es ebenfalls erste Hinweise, dass zum Beispiel Probiotika gegen depressive Verstimmungen helfen könnten“, so Reichmann. „Aktuell ist das aber noch Gegenstand der Forschung.“ Längst ist nicht entschlüsselt, wie das Mikrobiom genau auf uns wirkt – und so bleibt die Unzahl von Mikroorganismen in uns noch immer geheimnisvoll.

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