Dr. rer. nat. Sarah Schwitalla ist Wissenschaftlerin und Gründerin des Zentrums für Prävention, Mikrobiom und Darmgesundheit. Sie hat zwei Bücher geschrieben: „Das Mikrobiom Komplott“ und „The Toxic Microbiome“. Im Buch „Das Mikrobiom Komplott“ geht es um Ernährung, chronische Erkrankungen und wie uns die Lebensmittelindustrien aus wirtschaftlichen Interessen manipulieren.

Wir essen jeden Tag Lebensmittel, die ungesund sind, trotzdem essen wir sie. Warum eigentlich? „80 % aller chronischer Erkrankungen sind ernährungsbasiert“ – so Schwitalla. In ihrem Buch hat sie 6 Risikofaktoren herausgestellt, basierend auf über 500 Quellen. Einen Einblick hierzu gab sie in ihrer Lesung.

„Heute ist ein guter Tag, um Leben zu retten. Mit diesem Satz ist Dr. Shepherd aus Grey’s Anatomy berühmt geworden. Er gilt aber nicht erst im OP-Saal. Nicht erst dann, wenn es fast zu spät ist. Jeder Mensch auf dieser Welt kann sich selbst retten, und zwar dreimal täglich, ganz einfach mit Messer und Gabel.“ – Zitat aus dem Buch „Das Mikrobiom Komplott“

Die meisten Todesfälle gehen auf eine falsche Ernährung zurück. Die Weltgesundheitsorganisation warnt vor einer globalen Katastrophe ernährungsbedingter Erkrankungen wie Adipositas, Diabetes, Bluthochdruck und Herz-Kreislauferkrankungen. Zusätzlich ist ein drastischer Anstieg von Krebsfällen zu verzeichnen. In den kommenden Jahren werden die Zahlen der Krebserkrankten um bis zu 60 % steigen. Darmkrebs gilt als einer der deutlichsten Marker für den epidemiologischen Wandel. Dabei erhalten mittlerweile oftmals auch wesentlich jüngere Patientinnen und Patienten unter 50 die Diagnose Darmkrebs. Vorbeugen ist die beste Medizin. Dabei spielt die Ernährung, aber auch Bewegung eine große Rolle. Chronische Erkrankungen sind in den meisten Fällen vermeidbar.

Die Welt besteht aus chronisch kranken, fehlernährten Menschen. Wie konnte es dazu kommen?

Ein Risikofaktor ist Protein. Obwohl die Sorge oft groß ist, gerade bei Vegetariern, ausreichend Proteine zu sich zu nehmen, ist ein Proteinmangel laut europäischen Behörden unwahrscheinlich. Vielmehr als einen Proteinmangel haben wir Europäer ein strukturelles Ballaststoff-, Gemüse-, Obst- und Vollkornproblem. „Wir essen mehr als 100 % des empfohlenen Proteinbedarfs, schaffen aber nicht einmal 50 % der empfohlenen Ballaststoffmenge täglich.“ Dabei sind Ballaststoffe die viel wichtigere Nährstoffquelle für unsere Mikrobiota und somit Ausgangsstoff gesundheitsfördernder Metabolite. Proteine hingegen können zu toxischen Stoffen wie Ammoniak und Phenol abgebaut werden, die Zell- und DNA-schädigend wirken und entzündliche Prozesse und das Darmkrebs-Zellwachstum fördern.

In ihrem Buch geht Dr. Sarah Schwitalla auf fünf weitere Risikofaktoren ein und deckt somit leicht verständlich die biochemischen Zusammenhänge im Körper auf. „Heute werden in der Europäischen Union 84 Menschen bei einem Autounfall zu Tode kommen, 90 Menschen an einer Infektionskrankheit sterben, 151 Menschen Selbstmord begehen und 3.594 Menschen an ernährungsbedingten Erkrankungen sterben. Heute ist ein guter Tag, um Leben zu retten.“

Weitere Infos finden Sie unter www.drschwitalla.com

Das Interesse an den Zusammenhängen zwischen Darm und Gehirn ist in den letzten 10 Jahren enorm gestiegen. Mit dem Interesse hat sich auch das Verständnis für die Darm-Hirn-Achse entwickelt. Die Parkinson-Krankheit (PK) ist eine neurodegenerative Erkrankung mit typischen motorischen Symptomen wie allgemeiner Verlangsamung, Rigor und Tremor. Diese motorischen Symptome sind jedoch nur ein kleiner Teil der Symptomatik. Vielmehr leiden Patientinnen und Patienten mit PK auch unter Schlafstörungen, Depression und Störungen des Magen-Darm-Traktes.

Bereits 1817 wurde von James Parkinson beschrieben, dass Patientinnen und Patienten mit PK oft an Obstipation leiden. Bereits in den 1960er Jahren konnten die für die PK charakteristischen Ablagerungen, die Lewy Körperchen, im Darmnervensystem nachgewiesen werden. Daraus entwickelte der Wissenschaftler Braak ein Modell für die PK. Er ging davon aus, dass die PK u.a. im enterischen Nervensystem des Darms startet. Seine Hypothese: alpha-Synuclein, ein intrazelluläres Protein, aggregiert in den Nervenzellen, es entstehen Lewy Körperchen und dieser Prozess wandert über den Vagusnerv ins Gehirn. Unterstützt wird die These durch Studien zur Vagotomie: Wird der Vagusnerv getrennt, sinkt das Risiko, an der PK zu erkranken.

Gastrointestinale Infektionen erhöhen das Risiko, an der PK zu erkranken. Grund hierfür könnte eine Aktivierung des Immunsystems durch eine Erhöhung der alpha-Synuclein Expression sein. Anti-inflammatorische Therapien bei chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen senken wiederum das PK-Risiko.

Studien zeigen, dass Patientinnen und Patienten mit PK ein verändertes Darmmikrobiom aufweisen. Auffällig ist hierbei eine Reduktion der Gattungen Prevotella, Faecalibacterium und Blautia, die anti-inflammatorische Effekte initiieren. Die Folgen der veränderten Mikrobiota sind u.a. niedrigere Konzentrationen kurzkettiger Fettsäuren, speziell Essigsäure, Buttersäure und Propionsäure, in Patientinnen und Patienten mit PK im Vergleich zu Kontrollpersonen.

Auf den Ergebnissen basierend entwickelte Prof. Dr. med. Unger in Kooperation mit Prof. Dr. rer. nat. Andreas Schwiertz mit der Unterstützung der Michael J. Fox Foundation die RESISTA-PD Studie, eine Interventionsstudie mit resistenter Stärke. Die Teilnehmerinnen und Teilnehmer der Studie erhielten über 8 Wochen resistente Stärke als Nahrungsergänzungsmittel. Resistente Stärke kann von bestimmten Darmbakterien fermentiert werden, wodurch die Bildung kurzkettiger Fettsäuren gefördert wird. Tatsächlich stieg die Konzentration der Buttersäure im Stuhl von Patientinnen und Patienten mit PK unter der Intervention mit resistenter Stärke signifikant an. Diese wiederum wirken anti-inflammatorisch und aktivierend auf das enterische Nervensystem und können somit die Darmmotilität steigern. Die Intervention führte zu einer signifikanten Reduktion von Calprotectin, ein intestinaler Entzündungsmarker, in Stuhlproben der Patientinnen und Patienten mit PK. Zusätzlich konnten keine Unterschiede der Mikrobiota-Zusammensetzung der Patientinnen und Patienten mit PK im Vergleich zu den Kontrollpersonen mehr gefunden werden. Die depressiven Symptome der Patientinnen und Patienten mit PK besserten sich signifikant. Es konnten jedoch keine statistisch relevanten Unterschiede für Symptome der Obstipation bei den Patientinnen und Patienten mit PK festgestellt werden. Hierfür war die Intervention mit der resistenten Stärke sehr wahrscheinlich nicht lang genug.

Für eine Studie über die Dauer von lediglich 8 Wochen sind die Daten dennoch sehr beeindruckend und zeigen, dass das Mikrobiom auch zukünftig als modifizierbarer Risikofaktor therapeutisch genutzt werden kann.

Unter dem Begriff „Mikrobiota“ werden Bakterien und andere Mikroorganismen zusammengefasst, das Metagenom beschreibt mikrobielle Gene. Das Mikrobiom ist die Gesamtheit aller mikrobieller Organismen, ihrer Gene und aller umgebenden Faktoren. Bei Studien zum Mikrobiom kommen verschiedene Methoden zum Einsatz: die Kultivierung, die Amplikon-Sequenzierung und die Sequenzierung des Metagenoms oder Metatranskriptoms. Abhängig von der gewählten Methode verändert sich der Informationsgehalt der Ergebnisse, aber auch der Kostenaufwand. 

Für die Sequenzierung werden die Stuhlproben zunächst aufbereitet. Hierbei wird die DNA extrahiert, anschließend eine Sequenzierbibliothek erstellt und zuletzt die Sequenzierung durchgeführt. Die Ergebnisse können dann bioinformatisch ausgewertet werden.

Bei der 16S rRNA Gen Amplikon Sequenzierung werden kurze Genabschnitte der Bakterien mit Hilfe eines Primer-Paars ausgewählt und amplifiziert. Die Ergebnisse ergeben ein Art Visitenkarte der Mikrobiota, aus der sich die Diversität und Komposition ableiten lässt. Hierbei ist zu beachten, dass bereits die Extraktion der DNA Einfluss auf das Ergebnis haben kann. Bei einer Versuchsreihe muss demnach auf die gleiche Probenvorbereitung geachtet werden. Da es sich bei den Ergebnissen um relative Abundanzen innerhalb einer Studie handelt, ist keine direkte Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Datensätzen, die nicht den gleichen Analyseprozess durchlaufen haben, möglich.

Die Metagenom-Sequenzierung hat im Vergleich zur Amplikon-Sequenzierung eine höhere taxonomische Auflösung und ermöglicht außerdem die Analyse potentieller mikrobieller Funktionen. Die bioinformatische Auswertung ist hierbei sehr aufwendig und es können keine Aussagen über die tatsächlich ausgeführte Funktion der Bakterien getroffen werden.

Eine spezifische Untersuchung aktiver Bakterien und dem assoziierten Gen-Expressionsprofil ermöglicht die Metatranskriptom-Sequenzierung. Unter allen drei Methoden ist diese die aufwendigste und teuerste.

Alle drei Sequenziermethoden ermöglichen die Detektion von Mikroorganismen unabhängig von der Kultivierung und geben in Kombination eine umfassende Übersicht über die Zusammensetzung, Diversität und Funktion der Darmmikrobiota. Diese ersetzen jedoch zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht die Isolierung und Kultivierung der Mikrobiota, um Interaktionen und grundlegende Mechanismen der Bakterien zu entschlüsseln.

Die Mikrobiota verstoffwechselt Nahrungsbestandteile und produziert daraus Metabolite wie Tryptophan, Histamin, Serotonin, Buttersäure und TMAO. Die Gesamtheit aller Metabolite bezeichnet man als Metabolom. Mit Hilfe des Metaboloms lassen sich abgelaufene Stoffwechselprozesse nachvollziehen und äußere Einflüsse, z. B. einer falschen Ernährung, diagnostizieren. Metabolite ermöglichen die Kommunikation im Körper und spielen eine wichtige Rolle bei Krankheiten.

Das Reizdarmsyndrom wird beispielsweise nicht mehr nur als Erkrankung des Gastrointestinaltrakts angesehen. Vielmehr handelt es sich hierbei um eine Störung der Kommunikation über die Darm-Hirn-Achse. Eine zentrale Rolle in der Kommunikation spielen Histamin, γ-Aminobuttersäure, Serotonin und Tryptophan, die nachweislich Reizdarm-assoziierte Symptome beeinflussen. Die neue Gut-Brain-Axis Reizdarm-Diagnostik des Instituts für Mikroökologie bestimmt diese vier Parameter und ermöglicht somit eine gezielte Therapie der Reizdarm-assoziierten Symptome.

Die Reizdarmdiagnostik basiert auf Immunoassays, d. h. dem Nachweis von Antikörper-Antigen-Komplexen. Die Metabolom-Diagnostik stellt aufgrund der Vielfalt der Metabolite eine größere Herausforderung dar: Strukturelle Vielfalt, physikochemische Eigenschaften und ein starkes Konzentrationsgefälle in biologischen Proben machen den Nachweis von Metaboliten komplex und aufwendig. Um diese zu differenzieren, benötigt man die Massenspektrometrie-basierte Metabolomics-Technik. Sie ermöglicht die Identifikation und Quantifizierung von Metaboliten aufgrund ihrer molekularen Masse.

Anwendung findet die Metabolomics-Technik bereits in der Umweltanalytik, Lebensmittelprüfung und Forensik. Aber auch in der klinischen Diagnostik wie dem Neugeborenen-Screening und zur Analyse der Vitamine kommt sie zum Einsatz.

Ziel des Instituts für Mikroökologie ist es, die Metabolomics-Technik zukünftig auch für praxisrelevante, personalisierte Diagnostiken für Ärztinnen und Therapeuten einzusetzen und somit das Spektrum an diagnostischen Möglichkeiten stets zu erweitern.