Das Darmmikrobiom kommuniziert auch über Darmhormone

Wenn wir essen, beschränkt sich der Darm nicht darauf, Nährstoffe zu verdauen und aufzunehmen. Innerhalb weniger Minuten erkennt er, welche Nahrung aufgenommen wurde, bewertet deren Menge und Zusammensetzung und sendet eine Vielzahl von Signalen an Bauchspeicheldrüse, Magen, Leber und Gehirn.

Diese Signale tragen dazu bei, zu steuern, wie viel Insulin ausgeschüttet wird, wie schnell die Nahrung den Verdauungstrakt passiert, wann sich die Magenentleerung verlangsamt und zu welchem Zeitpunkt ein Sättigungsgefühl entsteht.

Ein wesentlicher Teil dieser Reaktionen wird durch Darmhormone gesteuert. In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass das Darmmikrobiom zu ihren wichtigsten Regulatoren gehört. Es beeinflusst die Bildung und Freisetzung von Hormonen, die Verdauung, Stoffwechsel, Blutzuckerspiegel, Darmmotilität und sogar das Essverhalten regulieren.

 

Das Darmmikrobiom reguliert enteroendokrine Zellen

Ein Teil der Nahrung – insbesondere Ballaststoffe und unverdauliche Kohlenhydrate – passiert den Dünndarm, ohne aufgenommen zu werden, und gelangt in den Dickdarm.

Dort dienen diese Nahrungsbestandteile den Darmbakterien als Substrat für ihre Fermentationsprozesse.

Das Darmmikrobiom verfügt über Enzyme, die der menschliche Organismus selbst nicht besitzt. Mithilfe dieser Enzyme können Darmbakterien Stoffe abbauen, die für den Menschen sonst unverwertbar wären, und sie in biologisch aktive Moleküle umwandeln. Diese werden als mikrobielle Metaboliten bezeichnet. Zu den am besten untersuchten gehören die kurzkettigen Fettsäuren (Short-Chain Fatty Acids, SCFAs): Acetat, Propionat und Butyrat.

Jede dieser kurzkettigen Fettsäuren erfüllt spezifische biologische Funktionen. Gleichzeitig wirken sie als Signalmoleküle, indem sie bestimmte Rezeptoren auf unterschiedlichen Zelltypen aktivieren.

In der Darmschleimhaut befinden sich spezialisierte Zellen, die als enteroendokrine Zellen bezeichnet werden. Sie produzieren eine Vielzahl von Darmhormonen. Obwohl sie weniger als ein Prozent der Zellen des Darmepithels ausmachen, sind sie entlang des gesamten Magen-Darm-Trakts strategisch verteilt.

An ihrer Oberfläche und im Zellinneren besitzen sie Rezeptoren, die sowohl Nährstoffsignale als auch mikrobielle Signale – beispielsweise die von Darmbakterien gebildeten SCFAs – erkennen können.

Werden enteroendokrine Zellen durch mikrobielle Metaboliten wie SCFAs aktiviert, setzen sie – abhängig vom Darmabschnitt, von der Art des Reizes und vom jeweiligen Zelltyp – unterschiedliche Hormone frei.

Zu den wichtigsten Hormonen, die von enteroendokrinen Zellen gebildet werden, gehören:

• GLP-1, das nach einer Mahlzeit die Insulinausschüttung fördert und die Magenentleerung verlangsamt;
• PYY, das die Darmmotilität reduziert und das Sättigungsgefühl unterstützt;
• GIP, das an der insulinabhängigen Reaktion auf Nährstoffe beteiligt ist;
• Cholezystokinin (CCK), das die Fettverdauung, die Ausschüttung pankreatischer Verdauungsenzyme und die Appetitregulation unterstützt;
• Ghrelin, das vor allem mit Hunger und dem Energiehaushalt in Verbindung steht;
• Serotonin des Darms, das eine zentrale Rolle für die Darmmotilität, die viszerale Sensibilität und die Kommunikation zwischen Darm und Nervensystem spielt.

Entsprechend wirken enteroendokrine Zellen wie biologische „Übersetzer“. Sie nehmen Signale aus dem Darmmikrobiom auf und wandeln diese in hormonelle Botschaften um, die den gesamten Organismus beeinflussen können.

Die hormonelle Antwort hängt jedoch nicht allein vom Vorhandensein der SCFAs ab. Ebenso entscheidend sind ihre Konzentration, das Verhältnis von Acetat, Propionat und Butyrat, der Ort ihrer Bildung im Darm sowie die Empfindlichkeit der Rezeptoren auf den enteroendokrinen Zellen.

Daher kann derselbe Metabolit – abhängig vom jeweiligen Kontext – unterschiedliche physiologische Wirkungen entfalten. Eine erhöhte Produktion kurzkettiger Fettsäuren kann beispielsweise Ausdruck einer gesunden Ballaststofffermentation sein. Unter anderen Bedingungen kann sie jedoch auch mit einer erhöhten Energiegewinnung aus der Nahrung oder mit einer verminderten metabolischen Reaktion auf diese Signalmoleküle verbunden sein.

 

Mehr als Ballaststoffe: Gallensäuren und proteinabgeleitete Metaboliten

Kurzkettige Fettsäuren stellen nur einen Teil der Kommunikation zwischen Darmmikrobiom und endokrinem System des Darms dar.

Auch Gallensäuren spielen in diesem Dialog eine wichtige Rolle.

Sie werden in der Leber gebildet und in den Darm abgegeben, um die Fettverdauung zu unterstützen. Dort werden sie anschließend durch bakterielle Enzyme verändert, wodurch sekundäre Gallensäuren mit anderen biologischen Eigenschaften entstehen.

Diese veränderten Gallensäuren werden von spezifischen Rezeptoren auf enteroendokrinen Zellen erkannt und tragen zur Regulation der Hormonfreisetzung sowie des Energiestoffwechsels bei.

Indem das Darmmikrobiom die Zusammensetzung der Gallensäuren verändert, beeinflusst es somit auch die Signale, die enteroendokrine Zellen erreichen.

Eine weitere Regulationsebene betrifft den Stoffwechsel von Proteinen und Aminosäuren. Beim bakteriellen Abbau der Aminosäure Tryptophan entstehen beispielsweise Verbindungen wie Indol, die die Aktivität von Darmzellen beeinflussen und zur Regulation der endokrinen Funktion sowie der Kommunikation zwischen Mikrobiom und Wirt beitragen können.

Die hormonelle Antwort des Darms entsteht somit aus der Integration zahlreicher Signale, die von Kohlenhydraten, Fetten, Proteinen, Ballaststoffen, Gallensäuren und mikrobiellen Metaboliten ausgehen.

 

Wenn die Kommunikation aus dem Gleichgewicht gerät

Veränderungen des Darmmikrobioms können die Bildung mikrobieller Metaboliten, den Gallensäurestoffwechsel, die Aktivierung intestinaler Rezeptoren sowie die Ausschüttung enteroendokriner Hormone beeinflussen.

Solche Veränderungen werden mit Adipositas, Insulinresistenz und Typ-2-Diabetes in Verbindung gebracht. Ein eindeutiger ursächlicher Zusammenhang lässt sich jedoch nicht immer nachweisen.

Ein gestörtes Darmmikrobiom kann zur Entwicklung metabolischer Störungen beitragen. Umgekehrt können jedoch auch Ernährung, Adipositas und Veränderungen des Stoffwechsels das mikrobielle Ökosystem des Darms verändern.

Dadurch entsteht ein dynamischer Regelkreis, in dem Ernährung, Darmmikrobiom, Darmhormone und Stoffwechsel sich gegenseitig beeinflussen.

 

Ein neuer Blick auf das Darmmikrobiom

Über die von ihm produzierten Metaboliten trägt das Darmmikrobiom dazu bei, wie Darmzellen eine Mahlzeit wahrnehmen und welche Signale sie an Bauchspeicheldrüse, Gehirn, Nervensystem und andere stoffwechselaktive Organe weiterleiten.

Um die Rolle des Darmmikrobioms wirklich zu verstehen, genügt es nicht zu wissen, welche Mikroorganismen vorhanden sind. Entscheidend ist vielmehr zu verstehen, welche Stoffe sie produzieren, welche Zellen sie erreichen und welche physiologischen Reaktionen sie auslösen.

Das Darmmikrobiom ist weit mehr als eine Ansammlung von Mikroorganismen im Darm. Es ist ein wesentlicher Bestandteil eines komplexen biologischen Kommunikationsnetzwerks, in dem Nährstoffe, Bakterien, endokrine Zellen, Nervensystem und Stoffwechsel kontinuierlich zusammenwirken, um das Gleichgewicht des Organismus aufrechtzuerhalten.