Darmflora unter dem Mikroskop
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Wenn Michael Schemann ein zehn Zentimeter langes Darmstückchen in eine Petrischale mit Nährlösung legt und ihm etwas zu tun gibt, dann arbeitet der Darm. "Das Stückchen zappelt vor sich hin, um kleine Kotklümpchen von vorne nach hinten zu transportieren", sagt Schemann, Leiter des Lehrstuhls für Humanbiologie an der Technischen Universität München. Sein Team führt Laborexperimente am menschlichen Darm durch, um zum Beispiel besser zu verstehen, was bei einem Reizdarmsyndrom falsch läuft.

Dass der Darm auch außerhalb des Körpers für Tage oder sogar Wochen arbeiten kann, liegt an seiner einzigartigen Ausstattung mit Nervenzellen. Diese Neurone seien die einzigen außerhalb des Gehirns, die komplett autonom sind und keine Anweisungen von oben bräuchten, erklärt Schemann. "Eine Lunge würde nicht atmen, eine Leber nicht entgiften, eine Niere nicht entwässern. All diese Organe brauchen die Befehle des zentralen Nervensystems. Der Darm hat sein eigenes", sagt der Spezialist für Neurogastroenterologie.

Einmalig: Das Darmhirn

Das Nervensystem des Darms, auch enterisches Nervensystem genannt (ENS), wurde Mitte des 19. Jahrhunderts entdeckt . Wie in einem Sandwich sind die Nervengeflechte zwischen die Muskelschichten des Darms und in die Schleimhaut eingebaut. Das Darmhirn oder auch "zweite Gehirn", wie es wegen seiner Größe und Komplexität genannt wird, besteht aus etwa 100 Millionen Nervenzellen. Diese sind auf molekularer Ebene genauso ausgestattet wie die Neurone des Gehirns, können etwa die gleichen Neurotransmitter ausschütten.

Darm und Hirn hängen zusammen
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 Bild vergrößernDarm und Hirn sprechen miteinander …
… und zwar auf vielfältige Weise. Gerät das System aus dem Tritt, können Verdauungsstörungen die Folge sein.

"Was dem Darmhirn fehlt, ist die dreidimensionale Struktur. Und: Mit dem Darm können sie nicht denken", sagt Michael Schemann. Zu denken braucht der Darm aber auch nicht, das ENS hat anderes zu tun: Es reguliert die Vorwärtsbewegung im Darm, die Ausschüttung von Verdauungsenzymen, die Aufnahme von Nährstoffen über die Darmwand, den Blutfluss und die Barrierefunktion der Darmwand. Allerhand Aufgaben, doch woher weiß der Darm, was er zu tun hat?

Dass es mit dem Darminhalt voran und vor allem in die richtige Richtung geht, verdanken wir einer Untergruppe von Nervenzellen, den Mechanosensoren. Wenn die Überreste des Mittagessens den Darm dehnen, reagieren diese Sensoren und aktivieren motorische Neurone. Als Folge zieht sich die Muskulatur am betreffenden Darmabschnitt zunächst zusammen und erschlafft dann wieder, der Nahrungsbrei bewegt sich.

"Das Ganze läuft aber nicht stereotyp ab wie bei einem Kniereflex, sondern viele zusätzliche Einflussfaktoren bestimmen mit, was im Darm passiert", sagt Schemann. Neben den Mechanorezeptoren gibt es in der Darmwand Sensoren, die auf Nährstoffe, und solche, die auf Entzündungssignale reagieren. Ebenfalls kräftig mit mischt das vegetative Nervensystem, das den gesamten Körper durchzieht, aber stärker vom Gehirn gesteuert wird. Auch seine Signale beeinflussen die Darmtätigkeit. Man denke nur an die Stunden vor der Reise, die den Urlauber mit Flugangst immer wieder auf das stille Örtchen treiben. In der Regel funktioniert unser Darmhirn unauffällig und sorgt dafür, dass wir mit dem Lebensnotwendigen versorgt, von Unnützem oder sogar Gefährlichem jedoch rasch wieder befreit werden.

Alle Bakterien im Darm bringen ungefähr ein bis zwei Kilo auf die Waage

Manchmal kann es aber auch sehr unangenehm werden. Besonders wenn das Nervengeflecht im Verdauungstrakt nicht richtig funktioniert. Je nachdem, welcher Bereich betroffen ist, kommt es zu Schluckstörungen, Aufstoßen, einer verzögerten Magenentleerung, heftigen Bauchschmerzen, Verstopfung, Durchfall oder einer Stuhlinkontinenz.

Der Darm – eine XXL-Herberge

Der Darm erfordert die absolute Aufmerksamkeit des Immunsystems. Kein Wunder also, dass hier etwa zwei Drittel sämtlicher Immunzellen des Körpers untergebracht sind. Gefährliche Erreger und Moleküle, die den Verdauungstrakt passieren, müssen abgefangen und beseitigt werden. Gleichzeitig soll die Körperabwehr lernen, tolerant gegenüber der Fülle an Mikroorganismen zu sein, die den Darm in friedlicher Gemeinschaft mit dem Wirt bewohnen. Denn nur rund zehn Prozent der Zellen im menschlichen Körper sind tatsächlich menschlich. Den Rest stellen Mikroorganismen, die vor allem den Darm besiedeln. Die Gesamtheit dieser Mitbewohner, das Mikrobiom, wiegt bei einem Erwachsenen etwa ein bis zwei Kilogramm.

Kaum ein Forschungsgebiet wird zurzeit mit so großer Aufmerksamkeit verfolgt wie die Mikrobiomforschung. Die Gemeinschaft der Mikroorganismen (Bakterien, Hefen und bakterienbefallende Viren, die Bakteriophagen) entpuppte sich als wesentlicher Mitspieler im gesunden und kranken Organismus. Das fängt zunächst einmal recht praktisch direkt vor Ort an. Mikroorganismen im Darm können Bestandteile der Nahrung verwerten, die ansonsten unverdaulich wären. Dabei entstehen viele Produkte wie zum Beispiel kurzkettige Fettsäuren. "Diese decken schätzungsweise fünf bis zehn Prozent des menschlichen Gesamtbedarfs an Energie", sagt Isabelle Mack von der Abteilung Psychosomatische Medizin und Psychotherapie am Universitätsklinikum Tübingen.

Darmbakterien wirken über den Darm hinaus

Die Ernährungswissenschaftlerin untersucht in der "MICROBIAN"-Studie die Zusammensetzung des Darmmikrobioms bei Patientinnen mit Magersucht. "Es ist nicht bekannt, ob die Darmflora schon vor dem Ausbrechen der Krankheit verändert ist, ob sie schlicht den aktuellen Ernährungszustand wiedergibt und ob sie sich mit der Normalisierung des Körpergewichts und des Essverhaltens verändert", sagt Mack. Noch befindet sich die Studie an 50 Patientinnen und ebenso vielen Kontrollpersonen in der Auswertungsphase.

Sollte sich das Mikrobiom der Patientinnen tatsächlich klar von demjenigen der Kontrollgruppe unterscheiden, könnte das praktische Folgen für die Behandlung haben. Laut Mack lassen sich so möglicherweise Arzneimittel entwickeln, die fehlende Mikroorganismenstämme ergänzen oder fördern. Ein solches Pro- oder Präbiotikum könnte dann zusätzlich zur konservativen Therapie eingesetzt werden, um Probleme im Verdauungstrakt zu verbessern und die Gewichtszunahme zu unterstützen, sagt die Forscherin.

Als gesichert gilt, dass die Art der Ernährung die Zusammensetzung des Mikrobioms bestimmt. Wer sich etwa hauptsächlich von stark verarbeiteten Produkten ernährt, hat eine geringere Bakterienvielfalt als derjenige, der meist selbst kocht und häufig zu Obst und Gemüse greift. "Durch eine Ernährungsumstellung lassen sich recht schnell Erfolge erzielen", sagt Peter Holzer vom Institut für Experimentelle und Klinische Pharmakologie der Medizinischen Universität Graz. Es gebe Hinweise aus wissenschaftlichen Studien, dass sich dies nicht nur auf die Bakteriengemeinschaft oder das Körpergewicht, sondern sogar auf das Verhalten, die Stimmung und das Denkvermögen auswirken könnte, so Holzer.

Stimmungsmache im Darm

Holzer beschäftigt sich als Neurogastroenterologe mit dem Informationsfluss vom Darm an das Gehirn. Neben den Nerven, den Hormonen und den Immunzellen senden wohl auch die Mikroorganismen des Verdauungstrakts Botschaften nach oben. Je nach Zusammensetzung kann das Mikrobiom wahrscheinlich Tausende verschiedener biologisch aktiver Substanzen herstellen. Darunter sind auch Neurotransmitter wie GABA, Dopamin, Serotonin, Noradrenalin und Acetylcholin [9]. "Es ist extrem spannend zu untersuchen, ob diese Stoffwechselprodukte der Bakterien Auswirkungen auf unser Gehirn und Verhalten haben", sagt Holzer.

Darmzellen schicken Signale an das Gehirn

Studien an Mäusen legen das nahe. Tiere beispielsweise, die mit nur im Darm wirksamen Antibiotika behandelt worden seien, zeigten im Experiment eine eingeschränkte Denk- und Merkfähigkeit. Verabreicht man ihnen mit Hilfe von Probiotika bestimmte Bakterienstämme, kann sich dies positiv auf Angst und Depression der Tiere auswirken. Doch diese Ergebnisse eins zu eins auf den Menschen zu übertragen, wäre vorschnell. Noch ist zu wenig bekannt über das komplexe Zusammenspiel aller beteiligten Systeme, und es ist deutlich zu früh, bestimmte Bakterien aus der Darm-WG als Heilsbringer zu propagieren.

Man könne sich auf Überraschungen gefasst machen, meint Holzer. Studien aus Spanien und Australien zeigten, dass die Qualität der Ernährung mit der mentalen Gesundheit eines Menschen zusammenhängt. Junkfood zum Beispiel erhöhe das Risiko für Depressionen. "Es ist absolut denkbar, dass das Mikrobiom ein wichtiges Bindeglied zwischen der Ernährung und der psychischen Gesundheit ist", sagt Holzer.

Die größte Hormondrüse des Körpers

Der Darm bildet nicht nur Hormone, er ist sogar die größte Hormondrüse des Körpers. In den Wandzellen, die den Verdauungstrakt auskleiden, liegen überall verstreut die so genannten enteroendokrinen Zellen (EEZ). Sie machen zwar weniger als ein Prozent aller Enterozyten (oder Saumzellen) des menschlichen Darms aus. Aber aufs Ganze gesehen und bei der Fülle an Botenstoffen, die sie ausschütten – mehr als 20 Hormone sind bekannt –, bricht der Darm auch hier alle Rekorde.

Eine Gruppe innerhalb der EEZ steht über fühlerartige Fortsätze, die Mikrovilli, in direktem Kontakt mit dem Darminhalt. Insgesamt hat man bisher über zehn verschiedene EEZ-Typen entdeckt, die unterschiedliche Hormone freisetzen. Die G-Zellen im Magen zum Beispiel schütten das Hungerhormon Ghrelin aus. Ein aus 28 Aminosäuren bestehendes, kleines Eiweiß, das uns zur Nahrungsaufnahme motiviert. Nach dem Essen sinkt die Ghrelinmenge im Blutplasma deutlich ab.

Die L-Zellen in den letzten Abschnitten des Dünndarms und im Dickdarm hemmen dagegen über die Ausschüttung der beiden Hormone GLP-1 und PYY die Nahrungsaufnahme, Sekretion von Verdauungsenzymen und die Darmbeweglichkeit. "Die Hormone stimmen die verschiedenen Prozesse entlang des langen Verdauungstrakts aufeinander ab, koordinieren Stoffwechselprozesse und steuern die Bauchspeicheldrüse", sagt Holzer.

Einige dieser Hormone zielen dabei nicht nur auf Hunger oder Sättigung ab. "Das Hungersignal Ghrelin etwa beeinflusst unser Verhalten deutlich", sagt Holzer, "es verringert die Ängstlichkeit und versetzt den einen oder anderen in deutlich aggressivere Stimmung."