Das Darmmikrobiom und seine Metaboliten im neuen Licht

Pflanzliche Ernährung ist gesund. Sie fördert die Darm-, Immun-, Stoffwechsel- und Herz-Kreislauf-Gesundheit, unter anderem durch die Förderung eines vielfältigen Darmmikrobioms. Diese Vorteile sind seit Langem bekannt.

Der oben beschriebene Nutzen pflanzlicher Lebensmittel beruhen teilweise auf den Ballaststoffen pflanzlicher Lebensmittel, die von Bakterien im menschlichen Darm verarbeitet werden, sowie auf den oft farbintensiven sekundären Pflanzenstoffen (Phytochemikalien), die Pflanzen zum Schutz vor Umwelteinflüssen produzieren. Doch wie genau die Darmbakterien die Inhaltsstoffe von Gemüse so gesundheitsfördernd verarbeiten, ist noch weitgehend unerforscht.

Umprogrammierung des mikrobiellen Stoffwechsels

Zwei Studien unter der Leitung von Jenna AbuSalim und Joshua Rabinowitz von der Ludwig Princeton University (USA) liefern neue Erkenntnisse. Die eine Untersuchung zeigt, dass Pflanzenfasern und -proteine ​​den mikrobiellen Stoffwechsel so umprogrammieren, dass die Produktion gesunder Stoffwechselprodukte gesteigert und die schädlicher Produkte unterdrückt wird. In der anderen Arbeit legen deren Autoren dar, dass viele physiologisch wichtige Metabolite, die üblicherweise Darmbakterien zugeschrieben werden, tatsächlich auch in großen Mengen vom Säugetier-Stoffwechsel produziert werden.

„In verschiedenen medizinischen Disziplinen wächst das Interesse daran, das menschliche Mikrobiom zu beeinflussen oder seine Stoffwechselprodukte selbst therapeutisch zu nutzen“, erklärt Rabinowitz. „Die Ernährung birgt großes Potenzial zur Kontrolle des Mikrobioms und seiner Produkte. Um jedoch wirksame therapeutische Interventionen zu entwickeln, müssen wir verstehen, welche Aspekte der Ernährung welche mikrobiellen Produkte beeinflussen.“

Für die in den „Proceedings of the National Academy of Sciences“ publizierte Studie untersuchten Rabinowitz, AbuSalim und ihre Kollegen, wie pflanzliche Lebensmittel den Gehalt an Phenolmetaboliten beeinflussen. Diese Phenole, die durch die bakterielle Verdauung der Aminosäuren Tyrosin und Phenylalanin entstehen, haben sehr unterschiedliche gesundheitliche Wirkungen. Eine Gruppe, Phenylpropionat und Hippursäure, die aus der bakteriellen Verarbeitung von Phenylalanin stammen, unterstützt die Darmgesundheit und ein gesundes Körpergewicht. Die andere, p-Kresolsulfat und Phenolsulfat, wird aus Tyrosin gebildet und ist mit einem ungünstigerem Krankheitsverlauf bei Krebspatienten sowie mit systemischer Toxizität bei Patienten mit Nierenerkrankungen assoziiert.

„Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass sowohl Ballaststoffe als auch unverdauliche pflanzliche Proteine ​​– die wir als ‚ballaststoffähnliche Proteine‘ oder Prif bezeichnen – das Gleichgewicht der Phenolmetaboliten von den schädlichen, aus Tyrosin gebildeten Phenolen hin zu den gesundheitsfördernden, aus Phenylalanin stammenden Phenolen verschieben“, erklärt AbuSalim.

Während die Vorteile pflanzlicher Ballaststoffe bekannt sind, wurden unverdauliche pflanzliche Proteine ​​bisher weitgehend vernachlässigt. AbuSalim, Rabinowitz und Kollegen berichten in ihrer Publikation, dass diese Proteine ​​von Darmbakterien verarbeitet werden und so die Zusammensetzung des Mikrobioms und den Stoffwechsel des Wirts beeinflussen. Sie wirken zudem zusammen mit unverdaulichen pflanzlichen Ballaststoffen, um die Stoffwechselprogramme der Darmbakterien so umzuprogrammieren, dass die Produktion „guter“ Phenole gefördert wird.

Gute Phenole, schlechte Phenole

Durch die Markierung von Proteinen mit stabilen (nicht radioaktiven) Isotopen und die Verfolgung ihrer Verdauung im Mausdarm entdeckten die Forscher, dass die „schlechten“ Phenole durch den bakteriellen Abbau von Wirtsproteinen, wie beispielsweise solchen in der Darmschleimhaut, entstehen, während die „guten“ Phenole fast ausschließlich aus unverdaulichen Nahrungsproteinen (Prif) gebildet werden. Ballaststoffe hemmen den bakteriellen Abbau der Darmschleimhaut und verringern so die Produktion der „schlechten“ Phenole. Prif erhöht die Menge an Nahrungsprotein, die die Darmmikroben erreicht, und damit die Produktion der „guten“ Phenole.

„Wir gehen davon aus, dass Prif eine neue Klasse von Nahrungsnährstoffen darstellt, die die Zusammensetzung des Darmmikrobioms prägen und weitreichende Auswirkungen auf die Stoffwechselgesundheit haben könnten“, sagt AbuSalim. Rabinowitz ergänzt: „Es ist möglich, dass Prif in Zukunft direkt unter den Ballaststoffen auf Lebensmittelverpackungen aufgeführt wird.“

In der in „Nature Metabolism“ veröffentlichten Studie untersuchten die Forschenden die Quellen von Phenolmetaboliten sowie von Indolmetaboliten, die aus der Aminosäure Tryptophan gebildet werden. Ähnlich wie Phenole werden auch Indolmetaboliten intensiv auf ihr therapeutisches Potenzial hin untersucht. Sie spielen eine Rolle bei verschiedenen Erkrankungen, von Chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen über neurodegenerative Störungen bis hin zu Krebs. Dort beeinflussen sie unter anderem die Metastasierung und die Immunantwort gegen Tumore.

Neue Erkenntnisse über den Ursprung von Phenol- und Indol-Metaboliten

Man ging bisher allgemein davon aus, dass Phenole und Indole ausschließlich von Darmbakterien produziert werden – eine Annahme, die AbuSalim, Rabinowitz und ihre Kollegen überprüfen wollten. Es besteht großes Interesse an der Entwicklung von Strategien auf Basis von Ernährung oder Probiotika, um den Spiegel gesunder Indolmetaboliten zu erhöhen. Sollte jedoch der Stoffwechsel von Säugetieren maßgeblich zu deren Konzentration im Blut beitragen, müssen alternative Ansätze in Betracht gezogen werden.

Wie sich zeigte, belegten Isotopen-Markierungsstudien an Mäusen, Ratten und menschlichen Zellen, dass der Stoffwechsel von Säugetieren durchaus in der Lage ist, zahlreiche Indol- und Phenol-Metaboliten zu bilden – darunter auch physiologisch wichtige Verbindungen wie Indol-3-Lactat und Indol-3-Acetat. Bei Mäusen blieben die Konzentrationen dieser Metaboliten im Blutkreislauf auch nach einer Antibiotikabehandlung, die das Mikrobiom stört, stabil. Dies bestätigte sich auch bei Proben von Patienten (auch Krebspatienten), die Antibiotika erhielten. Im Gegensatz dazu sanken die Spiegel jener Metaboliten, die ausschließlich von Mikroben produziert werden – wie etwa Indol-3-Propionat und p-Cresol-Sulfat – nach der Antibiotikagabe ab.

Zusammengenommen liefern die Ergebnisse dieser beiden Studien wichtige Erkenntnisse über Ursprung und Produktion von Phenol- und Indol-Metaboliten. Zudem sind sie für die Entwicklung von Methoden und Strategien zur gezielten Beeinflussung dieser Spiegel im Rahmen therapeutischer Maßnahmen von Bedeutung.

„Darüber hinaus“, so Rabinowitz, „wird ein genaueres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Lebensmitteln und dem Mikrobiom – und wie diese die Produktion bakterieller Metaboliten beeinflussen – dazu beitragen, die Empfehlungen zu präzisieren, die Ernährungsberater und Ärzte zur Krankheitsprävention und -therapie geben können.“ (ac)