„Freundliche“ Darmbakterien können Krankheitserreger eliminieren, indem sie mit ihnen um Energieressourcen konkurrieren

Neue Forschungsergebnisse US-amerikanischer Wissenschaftler liefern Hinweise darauf, wie Probiotika dazu beitragen können, im Darm bakterielle Krankheitserreger wie Salmonellen auszurotten, indem sie mit ihnen um die notwendigen Ressourcen konkurrieren.

Die kürzlich in „Cell Host & Microbe“ veröffentlichte Studie zeigt, dass die Verfügbarkeit benötigter Nährstoffe nicht allein bestimmt, wo Bakterien – einschließlich Krankheitserreger wie Salmonellen – im Darm überleben und gedeihen können. „Diese Erkenntnisse liefern ein besseres Verständnis der Ernährungsgrundlage der Darmbesiedelung und können Informationen für die Entwicklung von Probiotika zur Bekämpfung von Infektionen liefern“, erklärt Dr. Megan Liou vom Bäumler Lab der University of California in Davis (USA) und Erstautorin der Studie.

Mikroben haben Energiemechanismen entwickelt, mithilfe derer sie verschiedene Verbindungen und Elemente wie Nitrate „atmen“ können. Diese Mechanismen ermöglichen es Mikroben, in vielen verschiedenen Umgebungen zu überleben. In der Studie untersuchten die Forscher einen sich günstig auswirkenden Bakterienstamm (Escherichia coli Nissle 1917) und einen schädlichen Bakterienstamm (Salmonella).

Mikroben nutzen Nitrat zur Energiegewinnung

Nitrat ist vor allem als Konservierungsmittel für Lebensmittel bekannt, aber es ist auch eine wichtige Ressource für Darmmikroben. Das Nitrat aus Nahrungsquellen wird im Dünndarm aufgenommen. Nitrat ist auch im Darm als Nebenprodukt alltäglicher Stoffwechselprozesse verfügbar. Es ist normalerweise gering konzentriert, nimmt aber während einer Entzündung zu.

Beide Bakterienstämme im Darm nutzen Nitrat zur Energiegewinnung. Die Forscher fanden jedoch heraus, dass Salmonellen nur Nitrat verwenden können, das von Phagozyten erzeugt wird. E. coli hingegen nutzt Nitrat, das sowohl von Darmzellen – Epithelgewebe – als auch von Phagozyten erzeugt wird, was bedeutet, dass es mit Salmonellen um dessen Energiequelle konkurrieren kann. Liou verglich diese verschiedenen Nitratquellen mit verschiedenen „Restaurants“, in denen die Mikroben die Ressourcen erhalten, die sie zum Wachsen benötigen. „Die Fähigkeit von E. coli Nissle, in von Phagozyten erzeugten ‚Restaurants‘ zu speisen und mit dem Krankheitserreger um Ressourcen zu konkurrieren, war für das Probiotikum unerlässlich, um Schutz gegen Salmonellen zu verleihen.“

Als die Forscher Mäuse mit Salmonellen infizierten, löste dies die erwartete Entzündung im Darm aus, was dazu führte, dass Immunzellen in das Darmlumen gebracht wurden. Salmonellen fanden in der fresszellenreichen Darmschleimhaut eine Nische und verwerteten ausschließlich die von diesen Immunzellen produzierten Nitrate.

Sensoren begrenzen, wo Salmonellen Ressourcen in den Darm bekommen können

Ein rätselhafter Aspekt der Konkurrenz zwischen den probiotischen E. coli und den krankheitsverursachenden Salmonellen war, warum die Salmonellen das vom gesunden Darmgewebe produzierte Nitrat nicht nutzten. Warum hat es ausschließlich Nitrat verwendet, das vom Gewebe der Immunantwort produziert wurde, wodurch die Anzahl der Plätze, an denen es „essen“ konnte, begrenzt war? Die Forscher fanden die Antwort in den Sensoren von Salmonella, die es den Bakterien ermöglichen, ihre Umgebung zu „erschnüffeln“ und sich in Richtung einer günstigeren Umgebung zu bewegen, die als Chemotaxis-Rezeptoren bekannt sind. Sie lenkten den Erreger weg von dem aus dem Epithel stammenden Nitrat und hin zu den entzündlichen Fresszellen.

Dem Probiotikum E. coli fehlen Chemotaxis-Rezeptoren, wodurch es beide Nischen besetzen und in dessen bevorzugter Umgebung gegen den Erreger antreten kann.

„Durch die Erforschung der ‚Restaurants‘ im Dickdarm identifiziert unsere Studie Eigenschaften von Probiotika, die uns vor Infektionen schützen“, sagte Andreas Bäumler, Seniorautor der Studie. Bäumler ist stellvertretender Forschungsleiter und Professor in der Abteilung für medizinische Mikrobiologie und Immunologie an der UC Davis School of Medicine. „Diese Erkenntnisse liefern ein besseres Verständnis der Ernährungsgrundlage der Darmbesiedlung und können dazu beitragen, Informationen für die Entwicklung von Probiotika zur Bekämpfung von Infektionen zu liefern.“