Unsere fast vergessenen Freunde

Darmbakterien: Einfluss auf Stoffwechsel und Muskulatur

Nach heutigem Wissensstand besteht das menschliche Genom aus ungefähr 20.000 Protein kodierenden Genen - weit weniger als anfangs angenommen. Eine gewöhnliche Reispflanze namens "Oryza sativa Japonica" hingegen besitzt schon über 35.000 und unsere geliebte Kartoffel kommt auf stolze 39.000 funktionelle Gene. Selbst der kleine Fadenwurm hat schon 20.000! Wie kann das möglich sein? Sind wir doch nicht die dominante Spezies?

Nun, "wir" sind zum Glück nicht allein, wobei wir wohl das "Wir" neu definieren müssen. Wir sind weniger Mensch als Bakterien. Wir bestehen aus rund 30 Trillionen Zellen und darauf kommen knapp 39 Trillionen Bakterien. Diese bestehen wiederum aus über 1000 verschiedenen Spezies und hunderte von Subspezies mit unterschiedlichstem Genom. Insbesondere diese Vielfalt scheint von essentieller Bedeutung zu sein.
Alles in allem übersteigt die Anzahl der Bakterien-Gene die unseren um das ca. 150-fache. Zusammen bilden wir ein viel komplexeres Gebilde als die Kartoffel und gewinnen gemeinsam den Genkrieg gegen den Fadenwurm!
Die ewige Freundschaft eines jeden Menschen mit den Bakterien beginnt schon während der Geburt. Im Mutterleib sind wir sozusagen bakterienfrei, also "steril". Die Art und Weise, wie wir das Licht der Welt erblicken (Stichwort: Kaiserschnitt), hat eine große Auswirkung auf die Art und den Zeitpunkt der Kolonisierung.

Im Grunde hatten wir gar keine große Wahl, Bakterien sind ubiquitär. Würde man alle Bakterien zusammensammeln, wäre diese Masse größer als alle Tiere und Pflanzen zusammen. Wem das noch nicht reicht: Auf der Erde leben bei weitem mehr Bakterien als wir Sterne im Universum haben. Bakterien-"frei" zu sein, ist deshalb eine nahezu unmögliche Aufgabe für unser Immunsystem und würde viel zu viel Energie verschlingen. So blieb dem Menschen am Ende nur eine Art Symbiose, bei der das Bakteriengenom als eine Art Verlängerung des unseren dient. Im Umkehrschluss füttern wir sie. - Oder wir sollten es tun.

Noch vor ein paar Jahren gingen wir davon aus, dass diese gewaltige Biomasse hauptsächlich zur Unterstützung der Verdauung beiträgt. Kein Wunder, trägt jeder Mensch doch knapp 2 kg davon alleine im Darm mit sich herum. Etwa 50 Millionen Bakterien pro Teelöffel befinden sich im Dünndarm und im Dickdarm sind es sogar etwa 10.000 Mal so viele.

Langsam beginnen wir jedoch zu begreifen, dass unsere Freunde viel weitreichendere Auswirkungen auf unseren Körper haben als bisher angenommen. Nachweislich sind sie in der Lage, unseren Metabolismus zu beeinflussen, unser Immunsystem zu modulieren und selbst unsere Psyche zu verändern (sogenannte Brain-Gut-Axis). Und das ist erst der Anfang der Forschung!

Beginnen wir zunächst mit den Auswirkungen auf unseren Stoffwechsel. Unsere Exkursion starten wir mit der kontrovers diskutierten Aussage "Eine Kalorie ist eine Kalorie". Eines aber vorweg: Die Forschung steckt noch in den Kinderschuhen - es gibt viele Widersprüche, noch nicht allzu viele Studien am Menschen und zudem noch viele unbekannte Bakterien.

Einfluss von Bakterien auf den Stoffwechsel

Im Jahre 2013 wurde eine Studie der Medizinstudentin Ridaura et al Science veröffentlicht mit dem Titel "Gut Microbiota from Twins Discordant for Obesity Modulate Metabolism in Mice":

Kurz zusammengefasst wurden Stuhlproben von 4 verschiedenen weiblichen eineiigen Zwillingen entnommen. Ein Zwilling war übergewichtig und ein Zwilling jeweils dünn (bezogen auf den BMI) und anschließend auf eine gnotobiotische (keimfreie), genetisch identische Maus übertragen. Die Mäuse erhielten die gleiche "low fat, high fiber diet".

Nach etwa 2 Wochen zeigten sich deutliche Unterschiede: Mäuse mit dem Stuhl der Übergewichtigen waren viel schwerer als deren Artgenossen, die mit dem Stuhl des dünneren Zwillings geimpft wurden. Mit anderen Worten: Die Mäuse entwickelten die gleiche Körperkomposition wie von ihrem Donor, trotz gleicher Ernährung (kcal).


Doch dieses Extragewicht war nicht einmal das größte Problem: Die übergewichtigen Mäuse zeigten auch Anzeichen von einer sogenannten Insulinresistenz. Mit anderen Worten, die Zellen reagierten nicht mehr normal auf das im Pankreas produzierte Hormon Insulin. In diesem Fall wird immer mehr Insulin benötigt, um unseren Blutzucker zu senken, andernfalls können Gefäße und Nerven beschädigt werden.

Glücklicherweise lässt sich dieser gefährliche Prozess umkehren und die Insulinsensibilität deutlich verbessern, wenn auch nur mit einer radikalen Veränderung der Darmflora.1

Die Aussage "eine Kalorie ist eine Kalorie" sollten wir also nochmal gründlich überdenken, denn wir sind eben nicht allein und schon ein kleiner Unterschied in der Darmflora kann einen Unterschied von 150 kcal täglich ausmachen.2 Interessanterweise ist es heutzutage sogar schon möglich allein anhand des Stuhls (mit einer Genauigkeit von 90 %) vorherzusagen, ob ein Individuum übergewichtig ist oder nicht.3

Der Stoffwechsel steht im engen Zusammenhang mit unserer Leistungsfähigkeit und auch hier spielen unsere Freunde anscheinend eine bisher unterschätzte Größe. Im Menschen wurde nachgewiesen, dass eine Supplementation von bestimmten Bakterien den Blut-Antioxidantienspiegel deutlich erhöhen kann.4 Diese sind in der Lage den oxidativen Stress zu senken, der insbesondere in unseren Zellkraftwerken, den Mitochondrien, anfällt.

Chronisch erhöhter oxidativer Stress kann unsere Mitochondrien schädigen. Im schlimmsten Fall kommt es zu genetischen Mutationen und beschädigten Membranen. Bakterien allein scheinen somit in der Lage zu sein, unsere Ausdauer aufgrund verbesserter Mitochondriengesundheit zu erhöhen.5

Warum haben Bakterien Einfluss auf den Stoffwechsel?

Unsere Darmbewohner stehen im engen Kontakt mit unserem Körper. Ihre Stoffwechselprodukte werden von uns im Darm resorbiert. Im Fokus stehen dabei vor allem die kurzkettigen Fettsäuren wie z.B Acetat, Propionat und Butyrat. Sie entstehen durch die Fermentierung von komplexen Kohlenhydraten, welche wir durch die Nahrung aufnehmen sollten.6

An erster Stelle dienen kurzkettigen Fettsäuren unseren Darmzellen als Energie. Bis zu 70 % ihres Energiebedarfs decken sie nur aus dieser Quelle.7 Der Rest gelangt zu unserer Leber und wird entweder auch als Energiequelle oder zur Herstellung von langkettigen Fettsäuren genutzt, so wie Cholesterol und als Co-Substrat für die Glutamin-Synthese. Insgesamt stammen ca. 10 % des Gesamtumsatzes allein aus dieser Quelle.8 Durch ihre chemische Zusammensetzung als Säure verringern sie zudem auch noch den Ph-Wert im Darmlumen, was uns wiederum vor gefährlichen Bakterien schützt.

Kurzkettige Fettsäuren besitzen darüber hinaus ihre eigenen Rezeptoren, genannt FFAR 2 und FFAR 3. Diese kommen nicht nur im Darm, sondern auch im sympathetischen Ganglion (Nervenzellen), welche dadurch stimuliert werden, in Pankreas, Milz, Lymphknoten, Knochenmark und Fettgewebe vor. Durch die Aktivierung dieser Rezeptoren werden unter anderem Peptidhormone wie GLP-1 und PPY freigesetzt.

GLP-1 ist in der Lage unseren Blutzucker zu senken, indem die Wirkung von Insulin verstärkt und die des Glukagon verringert wird. PPY hingegen verstärkt ebenfalls die Wirkung des Insulins, aber verringert vor allem unseren Appetit über die Verlangsamung unserer Darmtätigkeit. Beide Hormone wirken sich also vorteilhaft auf unseren Glukosestoffwechsel aus und verbessern so unsere Insulinsensibilität.

Neben den Aktivitäten am Rezeptor erhöhen die kurzkettigen Fettsäuren auch die Konzentration des Enzyms AMPK im Muskel und der Leber.9 Dieses Enzym spielt eine zentrale Rolle im Cholesterol-, Fett-, und Glukose Stoffwechsel.10,11 Als Konsequenz ist die Fettverbrennung in beiden Organen erhöht und gleichzeitig die Fettsynthese verringert. Hinzu kommt die Stimulierung der Thermogenese im braunen Fettgewebe.

Neben der Produktion kurzkettiger Fettsäuren besitzt unsere Darmflora auch die Fähigkeit, Cholesterol und Gallensäuren zu verstoffwechseln. Man spricht hierbei vom "Sterolbiome". Die entstehenden Metaboliten werden absorbiert und steuern dann eine Vielzahl endokriner Funktionen. Genauso sind sie fähig, Vitamine (B3/B5/B6/B12, Biotin, K) für uns zu produzieren und nehmen Einfluss auf die Absorbierung von Mineralien wie Eisen.12

So wie sie in der Lage sind, unseren Stoffwechsel positiv zu beeinflussen, können sie natürlich auch genau das Gegenteil bewirken. In der Membran der Bakterien befinden sich sogenannte Lipopolysaccharide (LPS), welche auch Endotoxine genannt werden. Normalerweise finden wir nur eine geringe Spur davon in unserem System wieder. Kommt es nun jedoch zu einer Dysbalance in unserer Darmflora, genannt "Dysbiosis", kann sich die Durchlässigkeit und Funktionalität des Darms verändern und somit der LPS-Spiegel erhöhen.13 Dieser Zustand nennt sich Endotoxemia.

Endotoxemia steht im direkten Zusammenhang mit einer Insulinresistenz und chronisch entzündlichen Prozessen im gesamten Körper.14 Im Gehirn führen diese sogar zu Beta-Amyloidablagerungen, welche ein Marker für Alzheimer darstellen.15 Und als wäre das nicht genug, wirken sich Endotoxine negativ auf unsere Schilddrüsenhormone aus und fördern sogar direkt den Muskelabbau.16,17


Wie du deine Bakterien im Darm fütterst

Es gilt also, eine Dysbiosis zu verhindern. Neben der Genetik, physischem- und psychischem Stress sowie der Einnahme von Antibiotika ist die Ernährung ein entscheidender Faktor für eine gesunde Darmflora. Es reichen sogar schon 3 Tage, um durch die Ernährung die Darmflora ein wenig zu verändern.18 Ernährung spielt dabei nicht nur bei der Zusammensetzung eine zentrale Rolle, sondern auch direkt bei der Durchlässigkeit unseres Darms:

Wie anfangs schon erwähnt finden wir einen Großteil unserer Freunde in unserem Dickdarm. Nüchtern betrachtet sind wir Menschen nur ein Schlauch, umgeben von verschiedenen Zellen. Unser Mund ist hierbei der Eingang und unser Hinterteil der Ausgang. Der gesamte Verdauungstrakt kommuniziert dabei mit der Umwelt.

Nach unserem Mund findet sich unser Essen zunächst in der Speiseröhre wieder, anschließend im Magen, landet dann im Dünndarm und endet im Dickdarm. Unser Dünndarm ist darauf spezialisiert, so viel Nährstoffe wie möglich aus unserer Nahrung zu extrahieren. Was übrig bleibt, endet dann im Dickdarm und dient dort unseren Freunden als Nahrung. Wir leben aber in Zeiten von IIFYM. Manch einer will uns weismachen, dass nur Makronährstoffe zählen und es völlig egal ist , was wir essen - mit zum Teil dramatischen Konsequenzen für unsere Freunde und uns.
Beginnen wir zunächst mit einem gesunden Dickdarm:

Bild: Mdpi.com

Im oberen Bereich und rot eingefärbt befinden sich unsere Darmbakterien. Blau eingefärbt und im unteren Bereich befindet sich unsere Darmschleimhaut. Getrennt werden die beiden vom Schleim, genannt Mucus (schwarz). Dieser Schleim wird extra von spezialisierten Zellen produziert, den sogenannten Gobletzellen. Es bildet sich dadurch eine Art Schutzschild, wodurch die Bakterien nie in direkten Kontakt mit unseren Zellen kommen.

Bild: Mdpi.com

Betrachten wir nun das zweite Bilde. Wieder sind Bakterien in rot gefärbt und unsere Zellen in blau. Teilweise sieht man noch ein paar Reste des schwarzen Schutzschildes, der Rest ist weg - gegessen.

Bakterien ernähren sich normalerweise von im Dünndarm unverdaulichen Kohlenhydraten, welche wir durch die Ernährung zu uns nehmen. Unsere typisch westliche Ernährung ist aber geprägt von einfacheren Kohlenhydraten, welche unser Körper gut im Dünndarm resorbieren kann. Damit stehen den Bakterien im Dickdarm weniger Nährstoffe für ihren eigenen Metabolismus zur Verfügung. Als Resultat essen sie unser Schutzschild und kommen so im schlimmsten Fall in direkten Kontakt mit unseren Zellen. Das wiederum führt zu starken Entzündungsreaktionen, fördert die Dysbiosis und erhöht direkt die Permeabilität des Darms.19 Es droht eine Endotoxemia.

Darmbakterien und der Einfluss auf die Muskulatur

Doch wir wären nicht auf Team Andro, wenn es nicht auch um eure Muskeln gehen würde. Ihr habt es bereits geahnt: Auch hier finden wir unsere Freunde wieder. In diesem Fall sprechen wir von der "Gut-muscle-axis" – ein ziemlich neues Gebiet in der Erforschung unserer Freundschaft.

Erste Hinweise darauf fand man in einem ganz simplen Tierversuch in Taiwan. Man fütterte eine Hälfte an Mäusen mit einem ganz bestimmten Bakterium namens "Lactobacillus plantarum". Die andere Hälfte bildete die Kontrollgruppe und erhielt keine Bakterien. Nach 6 Wochen erhielten die Forscher ein erstaunliches Resultat: Die mit Bakterien gefütterten Mäuse veränderten ihre Körperkomposition.

Ihr Fettanteil sank, ihre Muskelmasse nahm zu. Zusätzlich waren sie in der Lage, länger in einem forcierten Schwimmtest durchzuhalten und hatten darüber hinaus eine höhere Griffkraft. Ein zusätzlicher Bluttest ergab: Verringerte Werte an Laktat, Ammonium und Creatinkinase. Letzterer ist ein klinischer Marker, der unter anderem auf Muskelabbau hindeuten kann.20

Natürlich lassen sich Tierversuche nicht 1:1 auf den Menschen übertragen.

Die Auswirkung unserer Darmflora auf unsere Muskeln beginnt schon mit deren Bausteinen. Damit das aufgenommene Eiweiß unsere Muskeln erreicht, muss es in Aminosäuren gespalten werden. Hierbei kommen unsere Bakterien ins Spiel und insbesondere ein Bakterium Namens "Bacillus Coagulans" steht dabei im Fokus.
In einer randomisierten Doppelblind-Studie wurde durch das Hinzufügen der Bakterien "Bacillus Coagulans" die Absorbierungsrate der BCAAs (Leucine um 23 %, Isoleucine 20 % ,Valine um 7 %), Glutamin (116 %) und vieler weitere Aminosäuren deutlich erhöht.21
Es ist ja auch bekannt, dass Eiweiß aus pflanzlicher Quelle stammend schwerer für uns verdaulich ist. Selbst hier scheint dieser Kollege einen positiven Einfluss zu haben.22 Obendrein wurde eine signifikante Verbesserung der Regeneration nach dem Training festgestellt,23 was möglicherweise durch die zusätzlichen Aminosäuren zu erklären ist.

Damit ist unser Freund aber nicht allein: Auch 2 weitere Bakterien mussten sich in einer Placebo kontrollierten Doppelblind-Studie mit 15 Männern beweisen. Die Regeneration wurde durch eine Supplementierung deutlich verbessert, sodass die volle Leistungsfähigkeit deutlich schneller zurückkehrte.24

Neben dem direkten Einfluss auf unsere Muskeln darf man eines nicht vergessen: leistungsfähig sind wir nur, wenn wir gesund sind. Niemand baut Muskeln auf, wenn man mit Fieber im Bett liegt. Deshalb ist ein wesentlicher Einflussfaktor der Bakterien für uns Sportler unser Immunsystem. Bakterien haben einen großen Einfluss auf unsere Gesundheit. Ab unserer Geburt trainieren sie unser Immunsystem und programmieren es auf "gut" und "böse".

Am besten erforscht ist der Einfluss der Produktion kurzkettiger Fettsäuren. Sie erhöhen unsere Darmintegrität und regulieren unser Immunsystem über mehrere Ebenen. Wir wissen von ihrer anti-entzündlichen Wirkung und den direkten Einfluss auf regulatorische Immunzellen. Darüber hinaus sind kurzkettige Fettsäuren für ein Gleichgewicht in unserem Immunsystem verantwortlich.

Kommt es zu Problemen bei dieser Produktion, wirkt es sich negativ auf unseren gesamten Körper aus. Autoimmunerkrankungen, Allergien, Nahrungsmittelintoleranzen, erhöhtes Infektionsrisiko sind nur wenige der weitreichenden Folgen.25

Wie können wir die Darmbakterien unterstützen?

Jeder Mensch besitzt eine einzigartige Zusammensetzung der Darmflora, ähnlich wie ein Fingerabdruck. Wir wissen, dass die Vielfalt von essentieller Bedeutung ist und diese auch im direkten Zusammenhang mit unserer Gesundheit und unserer Leistungsfähigkeit steht. Ihre Funktionalität und ihre Vielfalt ist ein direktes Resultat dessen, was ihr esst.26

Eine mögliche Hilfestellung wäre die Zufuhr von Probiotika. Es handelt sich hierbei um lebende Bakterien mit vermeintlich gesundheitsfördernden Effekten. Diese Bakterien sind wie Touristen in unserem Körper und oft selbst nicht genug angepasst, um in unserem Darm länger zu überleben, weshalb man sie regelmäßig zu sich nehmen sollte. Trotz ihrer kurzen Verweildauer gibt es viele Hinweise auf weitreichende Auswirkungen: Normalisierung der eigenen Darmflora, Schutz vor gefährlichen Bakterien, erhöhte Mucusproduktion und Verbesserung der Darmintegrität, wirken Durchfall entgegen, immunomedulatorisch, verbessern Laktosetoleranz, präventiv gegen Darmkrebs, Verbesserung der Calciumresorbtion und Cholesterollevel.27

Das Problem hierbei ist die große Individualität einer jeden Flora, mit der die Probitotika interagieren müssen. Das führt zu unterschiedlichsten Resultaten. Unser Verständnis von unseren Darmbakterien ist einfach noch nicht groß genug, um vorherzusagen, wie einzelne verschieden Bakterien sich auf unser individuelles Darmmilieu auswirken.

Prebiotika hingegen sind keine lebenden Organismen, sondern komplexe Kohlenhydrate, welche im Dünndarm nicht verdaut werden und daher im Dickdarm zur Verfügung stehen. Insbesondere gutartige Bifidobakterien und Milchsäurebakterien nutzen diese als Nahrung und fermentieren sie zu unseren kurzkettigen Fettsäuren. Ihr Wachstum wird dadurch gefördert und ihr Überleben gesichert. Eure eigene ganz individuelle Darmflora wird somit gestärkt – mit all den daraus resultierenden Vorteilen.
Synbiotika bieten eine Kombination aus Probiotika und Prebiotika und soll damit beide Vorteile miteinander verbinden.
Eine Vielzahl an Probiotika und Prebiotika findet ihr ganz einfach in Nahrungsmitteln. Es ist damit eigentlich ganz einfach, auf eine ausreichende Zufuhr zu achten, ohne unbedingt Supplemente einnehmen zu müssen.
Prebiotika finden wir insbesondere in Gemüse und Obst wieder, auch hier gilt: je vielfältiger, desto besser. Verschiedene Bakterien bevorzugen unterschiedliche Arten von Ballaststoffen. Um eine ausreichende Nahrungszufuhr für unsere Freunde zu gewährleisten, empfehlen größere Gesundheitsorganisationen daher für einen Mann mindestens 38 g, für eine Frau mindestens 25 g Ballaststoffe pro Tag. Probiotika hingegen finden wir in Kefir, Yoghurt, Sauerkraut, Sauerteig, Kimchi, Miso, Gurken im Glas – einer Vielzahl an Lebensmitteln also.


Quellen

  1. Transfer of intestinal microbiota from lean donors increases insulin sensitivity in individuals with metabolic syndrome.
  2. Energy-balance studies reveal associations between gut microbes, caloric load, and nutrient absorption in humans.
  3. Human-associated microbial signatures: examining their predictive value Cell Host Microbe, 10 (2011), pp. 292-296.
  4. Effect of a probiotic intake on oxidant and antioxidant parameters in plasma of athletes during intense exercise training.
  5. Hsu et al. "Effect of Intestinal Microbiota on Exercise Performance in Mice/ Effects of probiotic supplementation on gastrointestinal permeability, inflammation and exercise performance in the heat. Eur J A.
  6. Microbial degradation products influence colon cancer risk: the butyrate controversy.
  7. Utilization of nutrients by isolated epithelial cells of the rat colon.
  8. Energy contributions of volatile fatty acids from the gastrointestinal tract in various species.
  9. Butyrate improves insulin sensitivity and increases energy expenditure in mice.
  10. AMP-activated protein kinase (AMPK) action in skeletal muscle via direct phosphorylation of PGC-1alpha.
  11. Metabolic control through the PGC-1 family of transcription coactivators.
  12. Human nutrition, the gut microbiome, and immune system: envisioning the future.
  13. Gut Dysbiosis Drives Metabolic Dysfunction.
  14. Increase in plasma endotoxin concentrations and the expression of Toll-like receptors and suppressor of cytokine signaling-3 in mononuclear cells after a high-fat, high-carbohydrate meal: implications for insulin resistance.
  15. Neuro-inflammation induced by lipopolysaccharide causes cognitive impairment through enhancement of beta-amyloid generation.
  16. Regulation of thyroid and pituitary functions by lipopolysaccharide.
  17. Toll-like receptor 4 mediates lipopolysaccharide-induced muscle catabolism via coordinate activation of ubiquitin-proteasome and autophagy-lysosome pathways.
  18. Diet Dominates Host Genotype in Shaping the Murine Gut Microbiota
  19. Quigley ME, Kelly SM. Structure, function,and metabolism of host mucus glycoproteins.In: Gibson GR, Macfarlane GT, eds. HumanColonic Bacteria: Role in Nutrition, Physiology, and Pathology. Boca Raton, FL: CRCPress; 1995:175-199.
  20. Lactobacillus plantarum TWK10 Supplementation Improves Exercise Performance and Increases Muscle Mass in Mice.
  21. Probiotic increases protein amino acid.
  22. Bacillus coagulans GBI-30, 6086 increases plant protein digestion in a dynamic, computer-controlled in vitro model of the small intestine (TIM-1).
  23. Probiotic Bacillus coagulans GBI-30, 6086 reduces exercise-induced muscle damage and increases recovery.
  24. Jäger, R., et al., Probiotic Streptococcus thermophilus FP4 and Bifidobacterium breve BR03 Supplementation Attenuates Performance and Range-of-Motion Decrements Following Muscle Damaging Exercise, Nutrients. 2016 Oct 14;8(10), Epub published ahead of print.
  25. Regulation of immune cell function by short-chain fatty acids
  26. A healthy gastrointestinal microbiome is dependent on dietary diversity.
  27. Probiotics as functional foods.

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