Wie uns unsere bakteriellen Mitbewohner manipulieren

Darmflora – die Macht der Mikroben

Von unserem Darm aus kontrollieren unsere mikrobiellen Mitbewohner mehr als wir glauben. © Eraxion/ Royalstock/ thinkstock

Billionen winziger Mitesser bewohnen unseren Verdauungstrakt: die Bakterien unserer Darmflora. Lange hielt man sie für eher passive, größtenteils harmlose Mitbewohner, doch inzwischen wird immer deutlicher, welche Macht unsere Mikroben wirklich haben: Sie kontrollieren unseren Appetit, unsere Essensvorlieben und sogar unsere Stimmung und die Gesundheit des Gehirns.

In unserem Verdauungstrakt leben mehr Bakterien, als wir Zellen im Körper tragen. Ihre Gegenwart jedoch fällt uns normalerweise nicht auf. Erst wenn das sensible Gleichgewicht im Darm aus dem Lot gerät, merken wir, dass etwas nicht stimmt. So kann beispielsweise eine jahrelange ungesunde Ernährung dazu führen, dass die Darmflora verarmt. Aber auch Antibiotika bringen die „Wohngemeinschaft“ des Darms durcheinander.

Welche Folgen das hat, beginnt die Wissenschaft erst allmählich in ihrer ganzen Tragweite zu ergründen. Denn die Mikroben mischen nahezu überall mit: Sie kontrollieren unser Immunsystem, beeinflussen, wie Medikamente wirken und steuern unsere Naschlust und das Sattheitsgefühl. Über Signalstoffe und das „Bauchhirn“ reicht der lange Arm der Darmflora sogar bis in die Tiefen unseres Gehirns. Ihre Macht ist faszinierend und ein wenig beängstigend zugleich.

Nadja Podbregar
Stand: 17.06.2016

Was unser Appetit mit der Darmflora zu tun hat

Zum Essen verführt?

Unsere mikrobiellen Mitbewohner im Verdauungstrakt wollen vor allem eines: reichlich Futter. Sie können nur dann überleben und sich vermehren, wenn sie von uns genügend Nährstoff- Nachschub bekommen. Und dafür sorgen sie aktiver – und gezielter – als wir glauben.

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„In unserem Mikrobiom gibt es eine Vielzahl von Interessen, einige stimmen mit unseren eigenen Ernährungszielen überein, andere nicht“, erklärt Carlo Maley von der University of California in San Francisco. Um ihre Ziele zu erreichen, haben die Mikroben dabei zwei Möglichkeiten: „Sie können bei uns zum einen die Gier nach dem Essen hervorrufen, das ihnen zugutekommt. Zum anderen aber können sie unsere Stimmung so beeinflussen, dass wir zu den gewünschten Nahrungsmitteln greifen.“

Hunger und Sattheit – nur eine Frage der Mikroben?

Eine ziemlich effektive Strategie ist der Eingriff in die Kontrollsysteme, über die unser Körper Hunger und Sattheit steuert. Diese komplexen Schaltkreise sorgen dafür, dass wir nach etwas zu Essen greifen, wenn unser Blutzuckerspiegel fällt und die Energiereserven schwinden. Gleichzeitig stoppen sie unsere Esslust, bevor wir uns überfressen. Diese Kontrolle geschieht über eine Kombination aus Dehnungsrezeptoren im Magen und einer Vielzahl von Hormonen wie Leptin und Ghrelin sowie weiteren Peptidbotenstoffen.

Und genau an diesen setzen viele Darmmikroben an: Studien zeigen, dass viele von ihnen selbst Peptide produzieren können, die unseren körpereigenen Sattheits- oder Hungerboten sehr ähnlich sind. Dadurch können sie an die entsprechenden Rezeptoren andocken und uns so beispielsweise vorgaukeln, wir seien noch lange nicht satt.

Ob wir nach einem Burger satt sind oder aber Lust auf mehr haben, hängt auch von unserer Darmflora ab. © Milspa/ freeimages

Umschalten nach 20 Minuten

Wie weit der Einfluss der Darmflora in diesem Bereich reicht, demonstrierte jüngst eine Studie französischer Forscher. Sie stellten fest, dass Darmbakterien der Art Escherichia coli ihr Verhalten deutlich verändern, wenn wir eine Mahlzeit zu uns nehmen: Anfangs konsumieren sie eifrig die von uns gelieferten Nährstoffe und vermehren sich rapide. Dann jedoch, nach etwa 20 Minuten, schalten sie ihre Produktion zellulärer Abbaustoffe plötzlich um und erzeugen nun gezielt Botenstoffe, die unser Körper normalerweise nutzt, um Sattheit zu signalisieren.

Auf den ersten Blick erscheint dies kontraproduktiv: Warum sollten Bakterien freiwillig ihren Nährstoff-Nachschub unterbinden? Wie die Forscher herausfanden, kann dies für bestimmte Bakterienarten durchaus Vorteile haben. Denn haben sie sich einmal in unserem Darm etabliert, dann ist es für sie am günstigsten, wenn das Gleichgewicht der Arten möglichst stabil bleibt – und nicht etwa ein unliebsamer Konkurrent plötzlich die Oberhand gewinnt. Der Darmkeim Escherichia coli sorgt daher dafür, dass er zwar genügend Nährstoffe bekommt, verhindert aber Überschüsse, die nur den Konkurrenten zugutekommen würden.

Escherichia coli beeinflusst die Lust auf Süßes und sogar die Fähigkeit, süß zu schmecken. © greenschild/ freeimages

Lust auf Süßes

Wie groß unsere Lust auf Süßigkeiten ist, könnte ebenfalls mit dem Darmkeim Escherichia coli zusammenhängen. Denn er produziert in seiner Zellwand Zuckerverbindungen, sogenannte Lipopolysaccharide (LPS) – und diese haben offenbar einen tiefgreifenden Einfluss auf unseren Süßhunger, wie im Frühjahr 2016 ein Experiment mit Mäusen belegte.

Verabreichten Forscher ihren Mäusen eine kräftige Dosis der Bakterien-Lipopolysaccharide, reagierte deren Organismus prompt: Nach etwa fünfzehn Stunden stellten die Wissenschaftler einen erhöhten Spiegel des Sättigungshormons Leptin im Blut der Nager fest. Innerhalb einer Woche war zudem die Anzahl der Geschmacksrezeptoren auf der Zunge zurückgegangen, die auf Süßes reagieren. Als Folge hatten die Mäuse weniger Lust auf süße Nahrung.

Warum die Zellwandzucker von Escherichia coli diese Wirkung entfalten, ist unklar. Eine Erklärung wäre auch hier die Konkurrenzvermeidung: Möglicherweise benötigt der Darmkeim im Gegensatz zu anderen Darmbakterien weniger Zucker. Durch den Hemmeffekt sorgt er dafür, dass zuckerhungrigere Konkurrenten weniger Nachschub bekommen und daher weniger gut gedeihen.

Najda Podbregar
Stand: 17.06.2016

Wie die Mikroben unsere Laune beeinflussen

Stimmungsmacher im Darm

Der Einfluss der Darmflora geht möglicherweise sogar weit über das rein Körperliche hinaus: Sie manipuliert sogar unsere Laune. Denn was viele nicht wissen: Die Bakterien in unserem Darm produzieren eine ganze Palette genau der Neurobotenstoffe, die bei uns Stimmung und Verhalten prägen.

Der Neurotransmitter Dopamin löst das Wohlgefühl aus und "belohnt" uns. © thinkstock

Dopamin „made by Microbes“

So stammen immerhin rund 50 Prozent des Glücks- und Suchthormons Dopamin nicht aus dem Gehirn, sondern aus unserem Darm. Dort produzieren diesen Botenstoff beispielweise der häufige Darmkeim Escherichia coli, aber auch Bakterien der Gattungen Bacillus, Proteus oder sogar der krankmachende Keim Staphylococcus aureus. „Die Konzentrationen von Dopamin in Kulturen dieser Bakterien sind zehn bis hundertfach höher als im menschlichen Blut“, erklärt Carlo Maley von der University of California in San Francisco.

Der Botenstoff Dopamin aber spielt eine wichtige Rolle für unser Belohnungssystem und das Suchtverhalten. Er löst einerseits die Befriedigung und das Hochgefühl aus, wenn wir eine Droge konsumieren, aber auch wenn wir Schokolade, Junkfood oder salzige Snacks essen. Andererseits sorgt ein Dopaminmangel dafür, dass wir eine Gier nach mehr entwickeln.

Serotonin-Fabrik im Darm

Auch beim Glückshormon Serotonin mischen unsere mikrobiellen Mitbewohner mit: So produziert das Milchsäurebakterium Bacillis infantis beispielsweise den Serotonin-Vorläufer Tryptophan – den Stoff, der auch in der glücklichmachenden Schokolade steckt. Andere Mikroben regen Zellen in der Darmwand dazu an, Serotonin zu produzieren. Fehlen sie oder sinkt ihre Zahl, geht unser Serotoninspiegel zurück – und wir fühlen uns eher deprimiert. Das wiederum verführt uns leichter dazu, „Glücklichmacher“ wie Schokolade oder andere Süßigkeiten zu essen.

Die Darmflora kontrolliert die Produktion von Serotonin im Darm © E. Hsiao/ Caltech

Und auch unser Angstgefühl können die Darmmikroben manipulieren, wie Versuche mit Mäusen demonstrierten: Pflanzte man keimfreien Mäusen die Darmflora von besonders ängstlichen Tieren ein, wurden sie ebenfalls ängstlicher. Umgekehrt ließen sich ängstliche Tiere durch Mikroben-Verpflanzungen auch mutiger machen. Bestimmte Milchsäurebakterien wiederum dämpften die Ausschüttung von Stresshormonen und machten ihre Träger mutiger.

Manipulation durch Kolik?

Im Extremfall schrecken die Bakterien unseres Verdauungstrakts auch vor Schmerzen nicht zurück – unseren versteht sich. So zeigen Studien, dass sogenannte Schreikinder, die in den ersten Monaten besonders viel weinen und oft unter Koliken leiden, ebenfalls typische Veränderungen ihrer Darmflora aufweisen. Proteobakterien kommen bei ihnen häufiger vor als bei nichtschreienden Säuglingen, dafür sind Bacteroidetes weniger zahlreich vertreten.

Maley und seine Kollegen mutmaßen daher, dass auch in diesen Koliken die manipulative Macht der Darmflora wirksam wird: „Das Schreien des Kindes hat Signalfunktion und bringt die Eltern dazu, sich vermehrt um das Kind zu kümmern und es mehr zu füttern“, so die Forscher. „Damit aber erhöht die Kolik den Ressourcen-Nachschub in den Darm und damit den Zugang der Mikroben zu Nährstoffen.“

Nadja Podbregar
Stand: 17.06.2016

Der Vagusnerv, Andockstellen und Mikroben

Manipulation durchs Darmhirn

Hormone und Signalstoffe sind längst nicht die einzigen Waffen im manipulativen Arsenal unserer Darmflora. Die vielseitigen Mikroben beeinflussen unser Verhalten und unsere Esslust auch direkt über das Nervensystem. Denn über das sogenannte „Darmhirn“ verfügen sie sozusagen über einen direkten Draht zu unserem Gehirn.

Nach dem Gehirn umfasst der Bauchraum die größte Ansammlung von Nervenzellen. Durch den Vagusnerv sind sie mit dem Gehirn verbunden. © Eraxion/ thinkstock

Nervenachse zwischen Bauch und Hirn

Im Zentrum des Zwiegesprächs zwischen Gehirn und Bauchraum steht der Vagusnerv. Er verbindet die rund 100 Millionen Nervenzellen im Verdauungssystem mit der Basis unseres Gehirns und ist damit die zentrale Kommunikationsachse zwischen Kopf und Bauch. Über ihn signalisiert unser Verdauungstrakt unter anderem, wann der Magen gefüllt ist, umgekehrt erhalten die inneren Organe „Anweisungen“ vom Denkorgan.

Blockiert man bei man Mäusen beispielsweise den Vagusnerv, führt dies zu Appetitlosigkeit und drastischer Gewichtsabnahme. Wird der Vagusnerv dagegen durch bestimmte Signalstoffe wie den Botenstoff Norepinephrin angeregt, stimuliert er den Appetit und bringt selbst satte Ratten dazu, immer weiter zu fressen – egal wie voll ihr Magen ist.

Manipulierte Signale

Und hier kommen die Darmbakterien ins Spiel: Die mit dem Vagusnerv verknüpften Nervenzellen des Verdauungstrakts interagieren mit dem Milieu im Darm über zahlreiche Rezeptoren an ihrer Zelloberfläche. Diese Andockstellen reagieren beispielweise auf Signalstoffe, die bei der Verdauung anfallen, aber auch auf die Anwesenheit von bestimmten Bakterien und ihren Abbauprodukten.

„Bisherige Ergebnisse deuten durchaus darauf hin, dass Mikroben die Signale des Vagusnervs manipulieren können und darüber auch unser Essverhalten“, sagen Carlo Maley von der University of California in San Francisco und seine Kollegen. Studien zeigen beispielsweise, dass einige Mikroben Botenstoffe produzieren, die den Vagusnerv aktivieren und so vermehrte Esslust auslösen.

Nicht nur im Gehirn, auch im Darm sitzen Rezeptoren für endogene Cannabinoide, hier der Rezeptor CNR1. © DrLee/ gemeinfrei

Veränderte Andockstellen

Andere Bakterien manipulieren gezielt die Andockstellen für Endocannabinoide und Opioide im Darm. Diese körpereigenen Drogen werden im Darm unter anderem produziert, wenn wir fettreiche Nahrung wie Pommes Frites oder Chips essen. Schon der Geschmack auf der Zunge reicht dafür aus, wie Forscher 2011 herausfanden.

Docken die ausgeschütteten Botenstoffe an den Rezeptoren im Darm an, signalisiert der Vagusnerv ans Gehirn: „Mehr davon“ und unsere Lust auf Fettiges, Salziges und Co steigt. Wenn nun jedoch Darmmikroben die Andockstellen für die Endocannabinoide und andere Signalstoffe verändern, greifen sie auch in die Schaltkreise ein, die unsere Lust auf solcherart ungesunde Genüsse kontrollieren.

Sind wir also den Wünschen unserer mikrobiellen Mitbewohner hilflos ausgeliefert? Nicht unbedingt. Immerhin besitzen wir die Fähigkeit, bewusste, rationale Entscheidungen zu treffen und damit unsere Impulse durch Vernunft im Zaum zu halten. Zudem zeigen Studien, dass Meditation, Yoga, aber auch Sport, die Aktivität des Vagusnervs senken und dadurch den Mikrobensignalen sozusagen entgegenwirken.

Nadja Podbregar
Stand: 17.06.2016

Die Hirngesundheit hängt von der Darmflora ab

Gesunder Bauch, gesundes Gehirn

Der Einfluss unserer Darmflora erstreckt sich auch auf Bereiche, die auf den ersten Blick wenig mit Verdauung und Co zu tun haben – aber durchaus mit unserem Gehirn und dessen Gesundheit. Denn eine gesunde Darmflora schützt unser Denkorgan vor Entzündungen und schädlichem Zellmüll und scheint sogar das Wachstum neuer Gehirnzellen anzuregen, wie Forscher erst vor kurzem herausfanden.

Mikroglia-Zellen (grün) sind wichtige Entsorgungshelfer und Aufräumer in unserem Gehirn. Hier die angefärbten Hirnzellen einer Ratte. © GerryShaw/CC-by-sa 3.0

Keine Darmflora – kaputte Fresszellen

Die erste dieser Darm-Hirn-Verbindungen zeigte sich im Jahr 2015, als Daniel Erny vom Universitätsklinikum Freiburg und seine Kollegen einen auf den ersten Blick eher unwahrscheinlichen Zusammenhang untersuchten: Sie wollten wissen, welche Rolle die Darmflora für das Wohlergehen der Mikroglia im Gehirn spielt. Diese speziellen Fresszellen bilden eine Art Aufräumtruppe des Gehirns, die abgestorbene und fehlgebildete Nervenzellen entsorgt, aber auch Proteinablagerungen und eingedrungene Keime beseitigt.

Zogen die Forscher Mäuse keimfrei und ohne eigene Darmflora auf, bemerkten sie Überraschendes: Bei diesen Tieren blieben die Mikroglia des Gehirns verkümmert und unreif. Ähnliches beobachteten sie bei normalen Mäusen nach einer starken Antibiotikatherapie – auch bei ihnen war die neuronale Aufräumtruppe außer Gefecht gesetzt. Das änderte sich erst wieder, als die Mäuse über Kontakt mit Artgenossen ihre Darmflora wieder regenerierten.

Bei ballaststoffreicher Kost produzieren die Darmbakterien kurzkettige Fettsäuren, die als Botenstoffe bis in Gehirn und Knochenmark gelangen. © Shirinosov/ thinkstock

Fettsäuren als Botenstoffe

Aber wie können Bakterien im Darm das Wohlergehen von Zellen im Gehirn – jenseits der Blut-Hirn-Schranke beeinflussen? Wie die Forscher herausfanden, spielen dafür kurzkettige Fettsäuren eine entscheidende Rolle. Sie werden von den Darmbakterien bei der Verdauung von ballaststoffreicher Nahrung abgegeben und gelangen über das Blut ins Gehirn. Auf welche Weise sie dort den Mikrogliazellen zur Reifung verhelfen, ist jedoch bislang unklar.

Über die kurzkettigen Fettsäuren übt unsere Darmflora aber noch weitere Einflüsse aus: Sie stecken auch hinter dem asthmaschützenden Effekt ballaststoffreicher Ernährung. Über das Blut gelangen diese bakteriellen Fettsäuren bis ins Knochenmark und beeinflussen dort die Reifung bestimmter Immunzellen, der sogenannten dendritischen Zellen. Diese Abwehrhelfer wandern dann unter anderem in die Lunge und hemmen dort die für Asthma typische übersteigerte Immunreaktion.

Sogar die Zahl der Neuronen in bestimmten Hirnarealen könnte von der Darmflora abhängen. © Sebastian Kaulitzki / thinkstock

Weniger Neuronen nach Antibiotika

Immunzellen könnten auch der Grund sein, warum sogar die Nervenzellen des Gehirns weniger stark wachsen, wenn die Darmflora leidet. Wird bei Mäusen das Mikrobiom mit Antibiotika ausgerottet, bilden sie bis zu 40 Prozent weniger neue Neuronen im Hippocampus, dem für das Gedächtnis wichtigen Hirnareal, wie Forscher Anfang 2016 berichteten. Als Folge schnitten die Mäuse in Erinnerungstests deutlich schlechter ab.

Bedeutet dies nun, dass zu viel Antibiotika dumm machen und eine verarmte Darmflora vielleicht sogar unsere Hirngesundheit langfristig beinträchtigen kann? Ganz so schlimm ist es wohl nicht, beruhigen die Wissenschaftler: „Übertragen auf den Menschen bedeuten die Ergebnisse nicht, dass alle Antibiotika die Gehirnfunktion stören, denn die von uns verwendete Kombination von Medikamenten war extrem stark“, sagt Susanne Wolf vom Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in Berlin. „Möglicherweise sind aber ähnliche Effekte bei Therapien mit Antibiotika über einen langen Zeitraum zu erwarten.“

Nadja Podbregar
Stand: 17.06.2016

Mikroben als Schutztruppe und Krankmacher

Helfer und Hinderer

Auch abseits von Bauch und Gehirn kann der Einfluss unserer bakteriellen Mitbewohner auf unsere Gesundheit sich ganz konkret und unmittelbar bemerkbar machen. Denn sie mischen sogar dann mit, wenn eine Grippeimpfung nicht recht anschlägt oder wir bei einer Chemotherapie besonders stark unter Durchfall leiden.

Wie gut eine Grippe-Impfung wirkt, hängt auch von der Darmflora ab © Don Stevenson/ thinkstock

Verarmte Darmflora – geringerer Impfschutz

Bei einer Grippe-Impfung sollen Virenteile oder abgetötete Erreger unsere Immunabwehr auf künftige Infektionen vorbereiten. Ist jedoch unsere Darmflora verarmt, beispielsweise durch eine Antibiotikatherapie, dann schlägt auch eine Immunisierung gegen das Influenza-Virus weniger gut an, wie 2014 eine Studie ergab. Der Impfstoff ruft dann eine weniger starke Antikörperreaktion hervor – und das kann dazu führen, dass wir nicht oder nur unvollständig gegen die Grippe geschützt sind.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Antibiotika-Behandlung vor oder während der Impfung die Immunisierung beeinträchtigt“, sagt Bali Pulendran von der Emory University. Es könnte daher sinnvoll sein, bei wichtigen Impfungen schon im Vorhinein erst einmal die Darmflora aufzupäppeln oder wieder ins Lot zu bringen.

Helfer gegen den Virenangriff

Unsere mikrobiellen Mitbewohner helfen aber auch bei „normalen“ Infekten tatkräftig mit und stärken unsere Immunabwehr gegen das Grippevirus und andere Erreger. Fehlt die Darmflora oder ist sie stark dezimiert, verläuft die Infektion sehr viel gravierender. Das Immunsystem reagiert nur geschwächt auf den Angriff, wie Versuche mit Mäusen zeigen.

Signalstoffe der Darmbakterien machen Immunzellen aktiver - und helfen so gegen eine Viren-Infektion. © Royal Stock/ thinkstock

Der Grund sind auch hier subtile Signale der Bakterien: Sie produzieren Botenstoffe, die auf die dendritischen Zellen der Immunabwehr wirken. Diese amöbenähnlichen Zellen sorgen normalerweise dafür, dass sich die Identität des Angreifers schnell „herumspricht“: Sie präsentieren Antigene des Erregers auf ihrer Oberfläche. Gleichzeitigen geben sie bei Kontakt mit den Viren entzündungsfördernde Moleküle ab, sogenannte Typ-1-Interferone. Diese unterstützen den Kampf gegen die Erreger ebenfalls.

Fehlen jedoch die von der Darmflora freigesetzten Botenstoffe, dann bleibt die Produktion der Interferone zögerlich. In den Zellkernen der dendritischen Zellen werden einige „Baupläne“ für diese Moleküle durch Anlagerungen blockiert. Erst durch die mikrobiellen Botenstoffe lösen sich diese und die Abwehrzelle kann auf Hochtouren laufen. Dieser Effekt ist ein Grund mehr, sich bei Virusinfekten auf keinen Fall Antibiotika verschreiben zu lassen: Es wirkt nicht und hemmt sogar die Immunabwehr.

Mikroben fördern Chemotherapie-Nebenwirkung

Allerdings: Selbst eine gesunde Darmflora kann negative Effekte haben. Einer davon spielt bei der Krebstherapie eine unrühmliche Rolle. So gilt das Chemotherapeutikum Irinotecan als Mittel der Wahl bei Bauchspeicheldrüsenkrebs und schweren Fällen von Darmkrebs. Doch als potentes Zellgift hat es schwere Nebenwirkungen: Bis zu 90 Prozent der Patienten, die es bekommen, leiden unter Durchfall. Matthew Redinbo von der University of North Carolina und seine Kollegen wollten jedoch wissen, was die restlichen zehn Prozent von dieser großen Mehrheit unterscheidet.

Ihre Idee: Möglicherweise liegt der Grund darin, wie das Mittel im Körper abgebaut wird – und durch wen. Tatsächlich fanden die Forscher heraus, dass die Darmbakterien eine Schlüsselrolle spielen. Sie besitzen Enzyme, die einen an dem Chemotherapeutikum angehängten Zucker abbauen – und damit die Schadwirkung des Mittels enorm erhöhen. Der fehlende Anhang führt dazu, dass das Zellgift immer wieder in den Darm gelangt, statt schnell in der Leber abgebaut zu werden.

Der Clou daran: Die Bakterien nutzen für diesen „Zuckerraub“ je nach Gattung und Gruppe jeweils unterschiedlich stark wirksame Enzyme. Der häufige Darmkeim Escherichia coli beispielsweise besitzt ein ziemlich effektives Enzym. Dominiert er im Verdauungstrakt eines Patienten, ist der Durchfall bei der Chemotherapie fast schon vorprogrammiert. Bestimmte Clostridien und Streptokokken sind dagegen weniger effektiv – und damit weniger durchfallfördernd. Und noch etwas macht Hoffnung: Diese Bakterien-Enzyme lassen sich hemmen, ohne dass die Konzentration oder Wirkung des Chemotherapeutikums nachlässt, wie die Wissenschaftler berichten.

Nadja Podbregar
Stand: 17.06.2016