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Darmflora

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Escherichia coli (Sekundärelektronenmikroskopie)

Als Darmflora (auch Intestinalflora) wird die Gesamtheit der Mikroorganismen bezeichnet, die den Darm von Menschen und Tieren besiedeln und für den Wirtsorganismus von entscheidender Bedeutung sind. Es besteht somit eine Wechselbeziehung zwischen Lebewesen zweier Arten. Die Darmflora gehört zum Mikrobiom eines Vielzellers.

Die Bezeichnung Flora beruht auf der früher vertretenen Auffassung, Bakterien und viele andere Mikroorganismen gehörten zum Pflanzenreich. Da Bakterien heute eine eigene Domäne bilden, müsste man richtigerweise von einer Darmmikroorganismengemeinschaft bzw. von einer Darmmikrobiota sprechen. Diese Bezeichnungen setzen sich in der Medizin erst langsam durch.

Zusammensetzung

Der Darm des Menschen wird von Bakterien, Archaeen und Eukaryoten besiedelt.[1] Er stellt ein komplexes und dynamisches bakterielles Ökosystem dar, das sich innerhalb der ersten Lebensjahre etabliert. Die Besiedlungsdichte des Darms ist anfangs gering und steigt mit zunehmendem Lebensalter stetig an. Während des Geburtsprozesses und kurz danach erfolgt die erste bakterielle Besiedlung des vorher sterilen humanen Verdauungstraktes. Bei natürlich geborenen Kindern beginnt die Kolonisation während der Geburt. Die ersten Mikroorganismen, die nachgewiesen werden können, sind Escherichia coli, Enterobakterien (Enterobacteriaceae) und Streptokokken. Durch Kaiserschnitt geborene Kinder erhalten zunächst eine unnatürliche Darmflora, die der mütterlichen Hautflora entspricht.[2]

Einen besonderen Einfluss auf die Besiedlung hat die Nahrung. Ob ein Kind gestillt wird oder Flaschennahrung bekommt, lässt sich an der Darmflora erkennen. Der Darm gestillter Kinder wird nach den ersten Wochen hauptsächlich von den milchsäureproduzierenden Bakterien (Bifidobakterien und Laktobazillen) bevölkert. Die von ihnen produzierte Milchsäure führt zu einer Ansäuerung des Darmmilieus, die es pathogenen Bakterien erschwert, sich dort anzusiedeln. Im Gegensatz dazu wird bei Flaschenkindern eine erwachsenenähnliche Mikroflora nachgewiesen.

Die Darmflora von erwachsenen Menschen zeichnet sich durch eine Vielzahl von verschiedenen Bakteriengattungen aus. Bei einem gesunden Erwachsenen mittleren Alters besteht dieses Ökosystem aus hauptsächlich anaeroben Bakterien mit einer Gesamtzahl von 10 – 100 Billionen. Molekulare Analysen der 16S-ribosomalen DNA haben bisherige kulturabhängige Schätzungen von 200-300 Arten auf bis zu 1800 Gattungen mit bis zu 36.000 Arten ansteigen lassen; die zum Darmkanal gehörende Besiedlung eines Menschen enthält aber mindestens 500 bis 1000 unterschiedliche Arten.[3][4] Die Mikroorganismen besiedeln das Darmlumen, die Muzinschicht und die mukosalen Oberflächen. Im Gegensatz zum Dünndarm mit 103 (tausend) bis 107 (zehn Millionen) Individuen je Gramm Kot, ist der Dickdarm mit 1011 (hundert Milliarden) bis 1012 (eine Billion) Individuen je Gramm dicht besiedelt.[5] Die Gesamtmasse der Mikroflora im Darmtrakt eines erwachsenen Menschen beträgt zwischen 1000 und 2000 Gramm, wobei sich über 50 % der mikroskopisch in Stuhlproben beobachtbaren Mikroorganismen nicht kultivieren lassen.[6][7][8]

Die Darmflora besteht zu 99 % aus vier bakteriellen Abteilungen (Phyla = Stämmen): Firmicutes, Bacteroidetes, Proteobacteria und Actinobacteria.[9] Bei Menschen mittleren Alters werden im Dickdarm fast ausschließlich obligate Anaerobier (Bacteroides, Bifidobacterium, Eubacterium, Clostridium, Fusobacterium, Ruminococcus, Roseburia) gefunden, während sich die Dünndarmmikroflora hauptsächlich aus fakultativ anaeroben Bakterien wie beispielsweise Enterococcus- und Lactobacillus-Arten zusammensetzt. Von der Art Escherichia coli gibt es verschiedene Biovare. Einige dieser Biovare sind als Darmbewohner des Menschen völlig harmlos, andere jedoch pathogen: enterohämorrhagische E. coli (EHEC), enteropathogene E. coli (EPEC), enteroinvasive E. coli (EIEC), enterotoxische E. coli (ETEC). Escherichia coli ist einfach zu kultivieren und wird in der Mikrobiologie als Modellorganismus verwendet.

Nutzen, Funktion, Bedeutung

Im Darm befinden sich rund zehn Mal so viel Mikroorganismen wie der Organismus des Menschen Zellen enthält. Im Dickdarm befinden sich sehr viel mehr Mikroorganismen als im Dünndarm. Die Intestinalmikroflora ist an der Abwehr von Krankheitserregern (Kolonisationsresistenz) beteiligt und beeinflusst auch das Immunsystem, wobei nicht ganz klar ist, ob sich für den Wirt insgesamt ein Vorteil ergibt. Experimente mit von Mikroorganismen freien und normalen Mäusen haben gezeigt, dass verschiedene Bakterien und Amöben durch die Anwesenheit der Darmflora erst pathogen werden, hingegen werden die negativen Auswirkungen von einigen anderen eukaryotischen Einzellern und Saugwürmern verringert.[10] Die Konstanz der Milieubedingungen im Darm und die Vielseitigkeit der in Form der Nahrung zugeführten Substrate begünstigen die Entwicklung einer an Individuen- und Arten-Zahl und Aktivitäten äußerst komplexen Mikroorganismengesellschaft. Nahrungsbestandteile und vom menschlichen Organismus gebildete Stoffe dienen den Mikroorganismen als Nährstoff- und Energiequelle. Die Mikroorganismen haben verschiedene Wirkungen auf den Menschen wie

Im Verlauf des mikrobiellen Abbaus unverdaulicher Kohlenhydrate (sog. Ballaststoffe) kommt es im menschlichen Darm zur Bildung von kurzkettigen Fettsäuren (hauptsächlich Essig-, Propion- und Buttersäure) und der Gase Wasserstoff (H2), Kohlenstoffdioxid (CO2) und Methan (CH4). Die Fettsäuren werden von den Darmepithelzellen aufgenommen und verstoffwechselt, die Gase ausgeschieden (Flatulenz, Blähungen). Unter den kurzkettigen Fettsäuren wird besonders der Buttersäure auf Grund ihrer physiologischen Effekte eine besondere Bedeutung zugesprochen. So ist beispielsweise eine verminderte intestinale Buttersäurekonzentration bei Darmkrebs beobachtet worden.[12] Eine weitere Funktion der kurzkettigen Fettsäuren ist die Anregung der Darmperistaltik, der kontraktiven Bewegung des Darms zur Beförderung von Nahrungsbrei in Richtung Enddarm.

Verstoffwechselung bakteriell gebildeter kurzkettiger Fettsäuren

Bei der anaeroben Verstoffwechselung von Proteinen werden ebenfalls kurzkettige, aber auch verzweigtkettige Fettsäuren gebildet (iso-Valeriansäure, iso-Buttersäure). Daneben können noch Produkte wie Thiole (Mercaptane), Indole, Amine und Schwefelwasserstoff (H2S) gebildet werden. Im geringen Maße wird auch Stickstoff (N2) nachgewiesen. Fette werden unter anoxischen Bedingungen im Darm nicht verstoffwechselt.

Die Darmflora beeinflusst auch das Körpergewicht und spielt eine Rolle bei der Fettsucht (Adipositas). Aus Experimenten an „dicken“ (engl. „obese“) Mäusemutanten (ob/ob), denen der Fettsäureregulator Leptin fehlt, ist bekannt, dass sich die Darmflora von dicken und schlanken Mäusen hinsichtlich der Zusammensetzung des Verhältnisses von Bakterien der Gattung Bacteroides und des Stamms (Abteilung) der Firmicutes unterscheidet, wobei dicke Mäuse einen größeren Anteil an Firmicutes aufweisen. Auch die Darmflora des Menschen hat Einfluss auf das Körpergewicht. Das Verhältnis zwischen dem Anteil an Firmicutes und Bacteroides ist in schlanken und dicken Individuen verschieden, bei dicken ist es zu Firmicutes verschoben. Das Verhältnis ist dynamisch und korreliert mit Veränderungen im Körpergewicht, sodass sich bei einer Gewichtsreduktion das Verhältnis von Firmicutes zu Bacteroides hin verschiebt. Die gegenseitige Beeinflussung der Zusammensetzung der Darmflora und des Körpergewichtes wird mit der Energieaufnahme in Zusammenhang gebracht, weil durch die Zusammensetzung der Darmflora die Verdauung von Fettsäuren und Polysacchariden beeinflusst wird. Dies geht aus Experimenten hervor, in denen die Darmflora (aus dem Caecum) von dicken Mäusen in Mikroorganismen-freie Mäuse transplantiert wurde, und diese anschließend, trotz Verringerung der Nahrungszufuhr, an Gewicht zunahmen.[14][15][16][17]

In ihrer Funktion als Kommensalen verhindern die Mikroorganismen durch ihre bloße Menge ein Überwuchern von pathogenen Mikroorganismen, wie dies durch Clostridium difficile bei der pseudomembranösen Kolitis geschieht. Umgekehrt kann allerdings auch durch die Verabreichung von Stuhl eines gesunden Spenders durch einen Einlauf (über das Rektum bzw. eine liegende Nasoduodenalsonde) eine therapieresistente pseudomembranöse Kolitis in der Mehrzahl der Fälle ausgeheilt werden, wie Studien[18][19] zeigten. Über Erfolge bei anderen chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen wurde ebenfalls berichtet.

Mit etwa 30 % der Trockenmasse ist die Darmflora ein wesentlicher Bestandteil der Fäzes.

Fehlbesiedelung des Darms

Veränderungen der Darmflora können in einer Unter- oder Überbesiedelung und in einer Veränderung ihrer Zusammensetzung bestehen. Es können Fehlbesiedelungen entweder im Dick- oder im Dünndarm oder bei beiden gleichzeitig auftreten. Die optimale Zusammensetzung der Darmflora ist wirtsabhängig. Mäuse, die mit einer typischen Darmflora vom Menschen oder von der Ratte ausgestattet werden, weisen gegenüber Mäusen, welche die typische Darmflora für Mäuse besitzen, Schwachstellen in ihrem Immunsystem auf.[20]

Symptome

Diese umfassen allgemein Bauchschmerzen, Blähungen, eine erhöhte Infektanfälligkeit sowie Anfälligkeit für Nahrungsmittelunverträglichkeiten. Bei einer gestörten Dünndarmflora tritt ein Blähbauch ohne abgehende Darmgase auf, der Bauch verflacht über Nacht wieder. Bei einer Fehlbesiedelung des Dickdarms dagegen tritt der Blähbauch mit abgehenden Darmgasen auf. Es sind ebenso Rückwirkungen auf das Immunsystem und Zusammenhänge der gestörten Darmbesiedelung mit dem Nervensystem zu beobachten.[21]

Diagnose

Um auf eine Fehlbesiedelung zu prüfen, wird zuerst zum Ausschluss einer Dünndarmfehlbesiedlung ein Lactulose-H2-Atemtest durchgeführt, auch zusätzlich ein ausführlicher H2-Atemtest mit Laktose oder Fruktose, da diese Unverträglichkeiten einer bakteriellen Überbesiedelung aufgelagert sein können. Wenn eine Fehlbesiedelung des Dünndarms ausgeschlossen wurde, kann zusätzlich mit Hilfe einer Stuhlprobe der Darmflorastatus ermittelt werden, um auf eine Fehlbesiedelung des Dickdarms zu prüfen.

Forschungsgeschichte

Da entdeckt wurde, dass Bakterien Krankheiten verursachen können, hielt man die Existenz der Darmflora nach ihrer Entdeckung für eine Krankheit, der man den Namen „intestinale Toxämie“ gab. Sir Arbuthnot Lane, der Chirurg des britischen Königshauses, empfahl seinen Patienten, sich wegen der gefährlichen Eingeweidebewohner den Dickdarm entfernen zu lassen. Darmreinigungen kamen bei Ärzten sehr in Mode. In der weiteren Folge wurde das Thema von der Forschung weitgehend ignoriert. Die anaeroben Mikroorganismen konnten im Labor nicht untersucht werden.

Erst das Aufkommen der Antibiotika, deren bakterientötende Eigenschaft auch die Darmflora beschädigte, und die Folgen dieser Schädigung brachten das Thema zurück auf die Agenda der Forschung. Letztlich blieben aber wegen der praktischen Schwierigkeiten zunächst große Fortschritte aus. Dies lag daran, dass mit den klassischen Kulturverfahren nur ein Bruchteil der Darmmikrobiota nachgewiesen werden konnte. Das Bild der Zusammensetzung der Darmflora hat sich seit Einführung molekularer Techniken teilweise grundlegend geändert.[22]

Beeinflussung der Darmflora

Zunächst wird bei einer Vaginalgeburt sofort der Darm des Säuglings besiedelt. Anfänglich sind Enterobakterien und Streptokokken im Stuhl nachweisbar, und bei Muttermilch-Ernährung sind bald Bifidobakterien und Ruminococcus-Arten vorherrschend. Es besteht ein Zusammenhang zwischen mütterlicher Vaginalflora und fetaler Darmflora bei Vaginalgeburten.[23][24][25]

Medizinische Eingriffe

Die Schädigung der Darmflora durch Antibiotika ist eine gut bekannte Nebenwirkung dieser Medikamentengruppe und kann zu einer Antibiotika-assoziierten Diarrhoe führen. Normalerweise stellt sich jedoch das ursprüngliche Gleichgewicht innerhalb weniger Wochen wieder ein. Durch intensive und beständige Antibiotikabehandlung kann die Besiedlung mit Mikroorganismen im Darm allerdings bleibend gestört werden, insbesondere bei Kindern.[26]

Inwieweit die Darmflora durch die Zuführung von Mikroorganismen, beispielsweise durch Probiotika, beeinflusst werden kann („Symbioselenkung“), ist wissenschaftlich umstritten.

In der Behandlung von Clostridium difficile-Darminfektionen (antibiotikaassoziierte Kolitis) sowie anderen bakteriell bedingten Darmentzündungen wird seit einigen Jahren mit großem Erfolg die fäkale Bakterien-Therapie (umgangssprachlich Stuhltransplantation) angewendet. Dabei wird Stuhl eines gesunden Spenders in physiologischer Kochsalzlösung aufgelöst und gereinigt und entweder über ein Klistier in den Dickdarm oder über eine nasogastrische Sonde in den Magen des Empfängers gebracht.

Nach den Ergebnissen jüngster Forschungen wird auch Blis als mögliche Sanierung empfohlen. In einer Studie wird zudem der positive Einfluss auf den Darmzustand durch Probiotika-Gabe bestätigt.[27]

Siehe auch

Literatur

  • Jörg Blech: Leben auf dem Menschen - Die Geschichte unserer Besiedler. Rowohlt Verlag 2010
  • Peter Brookesmith, Karin Prager: Kleine Ungeheuer, Die geheime Welt der winzigen Lebewesen, Gondrom-Verlag, 1999, S. 55-59.
  • Müller, Ottejann, Seifert (Hg): Ökosystem Darm - Morphologie. Mikrobiologie.Immunologie. Springer-Verlag, Berlin 1989.
  • Rosemarie Blatz: Medizinische Mikrobiologie und Immunologie - systematisch. Uni-Med, Bremen 1999.
  • Schulze et al.: Probiotika; Mikroökologie,Mikrobiologie, Qualität, Sicherheit und gesundheitliche Effekte, Sonderausgabe Thieme- Verlag, erschienen im Hippokrates-Verlag, 2008.
  • B. D. Muegge, J. Kuczynski u. a.: Diet drives convergence in gut microbiome functions across mammalian phylogeny and within humans. In: Science (New York, N.Y.). Band 332, Nummer 6032, Mai 2011, S. 970–974, ISSN 1095-9203. doi:10.1126/science.1198719. PMID 21596990. PMC 3303602 (freier Volltext).

Weblinks

Wiktionary: Darmflora – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. ↑ Nature. Band 442, 24. August 2006, S. 851
  2. ↑ Dominguez-Bello MG, Costello EK, Contreras M, et al.: Delivery mode shapes the acquisition and structure of the initial microbiota across multiple body habitats in newborns. In: Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 107, Nr. 26, Juni 2010, S. 11971–5. doi:10.1073/pnas.1002601107. PMID 20566857.
  3. ↑ Sonnenburg, J. L. et al.: Getting a grip on things: how do communities of bacterial symbionts become established in our intestine?. In: Nat Immunol. 5, Nr. 6, 2004, S. 569-573. PMID 15164016.
  4. ↑ DN. Fank DN et al.: Molecular-phylogenetic characterization of microbial community imbalancers in human inflammatory bowel diseases. In: Proc Natl Acad Sci USA 2007:104:13780-13785
  5. ↑ M. Wilson: Microbial Inhabitants of Humans. Their Ecology and Role in Health and Disease. Cambridge University Press, Cambridge 2005, ISBN 0-521-84158-5.
  6. ↑ Guarner, F. and Malagelada, J. R.: Gut flora in health and disease. In: Lancet. 361, Nr. 9356, 2003, S. 512-519. PMID 12583961.
  7. ↑ Suau, J. L. et al.: Direct analysis of genes encoding 16S rRNA from complex communities reveals many novel molecular species within the human gut. In: Appl Environ Microbiol. 65, Nr. 11, 1999, S. 4799-4807. PMID 10543789.
  8. ↑ Guarner, F. et al.: Mechanisms of disease: the hygiene hypothesis revisited. In: Nat Clin Pract Gastroenterol Hepatol.. 3, Nr. 5, 2006, S. 275-284. PMID 16673007.
  9. ↑ P.B.Eckburg, D.A. Relman: The role of microbes in Crohn's disease. In: Clin Infect Dis 2007;44:256-262
  10. ↑ L.Q. Vieira, M.R. Oliveira, E. Neumann, J.R. Nicoli, E.C. Vieira. Parasitic infections in germfree animals. Braz J Med Biol Res, January 1998, Volume 31(1) 105-110
  11. ↑ Rakoff-Nahoum, S. et al. Cell 2004; 118:229-241
  12. ↑ 12,0 12,1 12,2 12,3 Wolin, M.J. & Miller, T.L. Carbohydrate fermentation. In Human intestinal microflora in health and disease. Hentges, D.J. (Ed.) Academic Press Inc., New York, USA 1983
  13. ↑ S. R. Gill et al: Metagenomic analysis of the human distal gut microbiome. In: Science 2006;312:1355-1359
  14. ↑ Ley RE, Turnbaugh PJ, Klein S, Gordon JI. Microbial ecology: human gut microbes associated with obesity. Nature. 2006 Dec 21;444(7122):1022-3.
  15. ↑ Turnbaugh PJ, Ley RE, Mahowald MA, Magrini V, Mardis ER, Gordon JI: An obesity-associated gut microbiome with increased capacity for energy harvest. In: Nature. 2006 Dec 21;444(7122):1027-31.
  16. ↑ Bäckhed F, Manchester JK, Semenkovich CF, Gordon JI. Mechanisms underlying the resistance to diet-induced obesity in germ-free mice. Proc Natl Acad Sci U S A. 2007 Jan 16;104(3):979-84. Epub 2007 Jan 8.
  17. ↑ Bäckhed F, Ding H, Wang T, Hooper LV, Koh GY, Nagy A, Semenkovich CF, Gordon JI. The gut microbiota as an environmental factor that regulates fat storage. Proc Natl Acad Sci U S A. 2004 Nov 2;101(44):15718-23. Epub 2004 Oct 25.
  18. ↑ Bacteriotherapy Using Fecal Flora: Toying With Human Motions. Borody, Thomas J et al; Journal of Clinical Gastroenterology 2004
  19. ↑ Literaturübersicht der FecalTransfusionFoundation.org
  20. ↑ H. Chung, S. J. Pamp u. a.: Gut immune maturation depends on colonization with a host-specific microbiota. In: Cell. Band 149, Nummer 7, Juni 2012, S. 1578–1593, ISSN 1097-4172. doi:10.1016/j.cell.2012.04.037. PMID 22726443. PMC 3442780 (freier Volltext).
  21. ↑ Joël Doré (INSA): Die Wirkung von Darmbakterien geht über den Verdauungstrakt hinaus, 11. Juni 2012, abgerufen am 16. Juni 2012
  22. ↑ Deutsches Institut für Ernährungsforschung: Gastrointestinale Mikrobiologie
  23. ↑ C. F. Favier, E. E. Vaughan, W. M. De Vos, A. D. Akkermans: Molecular monitoring of succession of bacterial communities in human neonates. In: Appl. Environ. Microbiol.. 68, Nr. 1, Januar 2002, S. 219–226. PMID 11772630. Volltext bei PMC: 126580.
  24. ↑ C. Palmer, E. M. Bik, D. B. DiGiulio, D. A. Relman, P. O. Brown: Development of the human infant intestinal microbiota. In: PLoS Biol.. 5, Nr. 7, Juli 2007, S. e177. doi:10.1371/journal.pbio.0050177. PMID 17594176. Volltext bei PMC: 1896187.
  25. ↑ R. Mändar, M. Mikelsaar: Transmission of mother's microflora to the newborn at birth. In: Biol. Neonate. 69, Nr. 1, 1996, S. 30–35. PMID 8777246.
  26. ↑ Joël Doré (INSA): Die Wirkung von Darmbakterien geht über den Verdauungstrakt hinaus, 11. Juni 2012, abgerufen am 16. Juni 2012
  27. ↑ Probiotic Escherichia coli Nissle 1917 Inhibits Leaky Gut by Enhancing Mucosal Integrity
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