Direkt zum Inhalt

Mikrobiom: Unsere Darmvielfalt ist bedroht

Die Mikroorganismen im menschlichen Darm spielen eine wichtige Rolle für die Gesundheit. Doch zumindest in westlichen Gesellschaften wird das Mikrobiom artenärmer. Mit speziellen Sammlungen versuchen Wissenschaftler, seine Vielfalt zu bewahren.
Unser GedärmLaden...

Ein lebendiges Korallenriff, in dem eine Vielzahl von Fischen und anderen Meeresbewohnern durch eine schillernde Unterwasserwelt schwimmt. Oder ein tropischer Regenwald, in dessen dämmrigem Grün sich vom Schmetterling bis zum Frosch und vom Papagei bis zum Gorilla die unterschiedlichsten Bewohner verbergen. Solche Bilder fallen einem als Erstes ein, wenn es um besonders vielfältige Lebensgemeinschaften voll fein gesponnener Beziehungen geht.

An seinen eigenen Darm dürfte bei diesem Thema dagegen kaum jemand denken. Dabei enthält der eines der komplexesten Ökosysteme, die Wissenschaftler überhaupt kennen. Dort leben Abermilliarden von Mikroben, deren kompliziertes Zusammenspiel weit reichende Folgen für die menschliche Gesundheit hat. Doch wie die Riffe und Wälder der Erde scheint sich auch dieser Lebensraum zu verändern, so dass manche Arten seltener werden. Was aber, wenn dadurch medizinisch wichtige Funktionen und genetische Informationen ebenfalls verloren gehen? Um das zu verhindern, bauen Wissenschaftler derzeit Sammlungen auf, in denen ein möglichst großer Teil der Mikrobenvielfalt für die Zukunft bewahrt werden soll: eine Art Arche Noah für Darmbewohner.

Kandidaten, die an Bord gehen könnten, gibt es genug. Schätzungen zufolge trägt jeder Mensch auf und in seinem Körper etwa 1,3-mal mehr Bakterien und andere Mikroorganismen mit sich herum als eigene Zellen. Insgesamt kommen da schon etliche hundert Gramm an Mitbewohnern zusammen, von denen die weitaus meisten im Dickdarm leben.

Mikrobiom-Forschung erlebt Boom

Ein einziges Gramm Darminhalt enthält rund 100 Milliarden Mikroben, die durch vielfältige Beziehungen untereinander und mit ihrem Wirt verbunden sind. Sie konkurrieren und kooperieren miteinander, nutzen das reiche Nahrungsangebot im Darm und bauen für den Menschen schwer verdauliche Bestandteile in neue Verbindungen um. Hunderte Mikrobenarten setzen dabei Tausende von Substanzen frei, die im Körper die verschiedensten Wirkungen entfalten und damit einen großen Einfluss auf seine Gesundheit haben. Die Gesamtheit all dieser mikrobiellen Mitbewohner mitsamt ihren Lebensräumen und ökologischen Funktionen nennen Fachleute das »Mikrobiom«.

Die Erforschung dieses körpereigenen Ökosystems hat in letzter Zeit einen wahren Boom erlebt. Jedes Jahr erscheinen zu dem Thema Tausende wissenschaftlicher Veröffentlichungen. »Das liegt daran, dass man das Erbgut dieser Organismen dank moderner Methoden heute viel schneller und effektiver analysieren kann als noch vor zehn Jahren«, erklärt Alexander Loy von der Universität Wien. Er ist Mitbegründer der Austrian Microbiome Initiative (AMICI), in der Wissenschaftler unterschiedlicher Disziplinen die Lebensgemeinschaft im Darm und deren Funktionen besser zu verstehen versuchen. »Wir wollen herausfinden, wie die einzelnen Arten zusammenarbeiten, welche Substanzen sie freisetzen und was diese bewirken«, erklärt der Forscher. »Und natürlich interessiert uns, ob es einen Zusammenhang mit bestimmten Krankheiten gibt.«

Das alles aufzudröseln, ist allerdings eine komplizierte Angelegenheit. Der erste Schritt besteht darin, Kotproben auf Mikroben-DNA zu untersuchen und so eine Art Inventarliste der darin lebenden Organismen zu erstellen. Die dazu nötigen genetischen Analysen konzentrieren sich vor allem darauf, die Reihenfolge der DNA-Bausteine im so genannten 16S-rRNA-Gen zu untersuchen. Denn anhand dieser Sequenz lassen sich verschiedene Bakterienarten besonders gut voneinander unterscheiden.

»Diese große Vielfalt der Darmbewohner kommt dadurch zu Stande, dass es in diesem Ökosystem Nischen für die unterschiedlichsten Ansprüche gibt«(Alexander Loy)

Bei solchen Untersuchungen kommen dann auch immer wieder neue, noch unbekannte Darmbewohner zu Tage. Im Kot von 20 Menschen aus Großbritannien und Kanada hat ein Team um Samuel C. Forster vom britischen Genomforschungsinstitut Wellcome Sanger Institute in der Nähe von Cambridge kürzlich zum Beispiel 273 verschiedene Bakterienarten nachgewiesen. Immerhin 105 davon hatte vorher noch nie jemand isoliert.

»Die große Vielfalt der Darmbewohner kommt dadurch zu Stande, dass es in diesem Ökosystem Nischen für die unterschiedlichsten Ansprüche gibt«, erklärt Alexander Loy. Während zum Beispiel direkt an der gut durchbluteten Darmschleimhaut noch einiges an Sauerstoff zur Verfügung steht, ist dieser weiter im Inneren des Dickdarms Mangelware. Entsprechend kommen dort nur noch anaerobe Bakterien vor, die ihren Stoffwechsel auf sauerstofffreie Verhältnisse eingestellt haben.

Darmorganismen – die großen Unbekannten

Dabei leben jedoch keineswegs in allen Menschen die gleichen Arten. Je nach Lebensstil, Umwelt und Genetik hat sich in jedem Darm eine ganz eigene, individuell zusammengesetzte Mikroben-WG angesiedelt. Noch komplizierter wird die Sache, weil jede Art auch noch aus verschiedenen Stämmen besteht. Und davon trägt jeder Mensch seine ganz persönliche Kombination mit sich herum.

»Ungünstigerweise kann man diese Stämme mit den gängigen genetischen Analysen nicht auseinanderhalten«, sagt Loy. Das 16S-rRNA-Gen verrät zum Beispiel nicht, ob im Darm eines Menschen die weit verbreiteten harmlosen Stämme des Bakteriums Escherichia coli leben oder ob es sich um pathogene Varianten handelt. »Wir können auf diese Weise also etwas über die Zusammensetzung der Mikrobengemeinschaft herausfinden, aber nicht über ihre Funktionen«, erklärt der Forscher. Zumal bei 40 bis 70 Prozent aller in den Darmorganismen gefundenen Gene bisher niemand wisse, wofür sie genau zuständig seien. »Das ist noch eine große Baustelle.«

Dabei sind gerade die Funktionen der einzelnen Darmbewohner besonders interessant, wenn es um die menschliche Gesundheit geht. Mehr und mehr zeichnet sich nämlich ab, dass die kleinen Mitbewohner die unterschiedlichsten Aspekte des Stoffwechsels, des Immunsystems und sogar des Verhaltens beeinflussen können. So baut ihr Stoffwechsel Zucker, Proteine und Fette aus der Nahrung in kleinere Moleküle wie die kurzkettigen Fettsäuren Essig-, Propion- und Buttersäure um. Diese werden dann über die Darmschleimhaut aufgenommen und über den Blutkreislauf in verschiedene andere Organe transportiert. Azetat, das Salz der Essigsäure, gelangt auf diesem Weg beispielsweise bis ins Gehirn, wo es an bestimmte Rezeptoren bindet und so unter anderem ein Sättigungsgefühl auslöst.

Die Strippenzieher aus dem Darm

Doch auch ein Zusammenhang mit verschiedenen Krankheiten wird immer wieder diskutiert. So haben Menschen, die unter chronischen Darmentzündungen, Typ-II-Diabetes oder Autismus leiden, ein anders zusammengesetztes Mikrobiom als Gesunde. »Das muss allerdings nicht unbedingt bedeuten, dass diese Krankheiten durch die veränderte Bakteriengemeinschaft ausgelöst werden«, erklärt Alexander Loy. Es kann theoretisch genauso gut sein, dass die Entwicklung in umgekehrter Richtung verläuft: Erst bricht die Krankheit aus, dadurch verändern sich die Lebensverhältnisse im Darm, und darauf reagieren dann schließlich die Mikroorganismen. »Was Ursache und was Wirkung ist, lässt sich oft nicht leicht herausfinden«, betont der Wiener Forscher.

In einigen Fällen aber sind die Zusammenhänge klar. Wenn die Zahl der normalen Darmbewohner durch eine Antibiotikatherapie dezimiert ist, nutzen zum Beispiel oft Krankheitserreger ihre Chance. Mangels Konkurrenz können sie sich in dieser Situation viel besser etablieren als normalerweise ­ und damit auch mehr Schaden anrichten. Nachgewiesen ist das etwa bei dem als Krankenhauskeim berüchtigten Bakterium Clostridium difficile, das sehr starke und mitunter lebensgefährliche Durchfälle und Darmentzündungen auslösen kann.

Doch auch bei Menschen, die keine Antibiotika genommen haben, kann das Mikrobiom verarmt sein. So scheint im Darm von Stadtbewohnern in Industriegesellschaften generell weniger mikrobielle Vielfalt zu herrschen als bei Menschen mit einem traditionelleren Lebensstil. Das hängt wohl vor allem mit der Ernährung zusammen, die bei Letzteren oft chemisch komplexer zusammengesetzt ist ­und deshalb eine vielfältigere Darm-WG erfordert.

Mikrobiom reagiert auf saisonale Unterschiede

Samuel Smits von der Stanford University in den USA und seine Kollegen haben das zum Beispiel festgestellt, als sie das Mikrobiom der Hadza in Tansania untersuchten (PDF). Bei diesen Jägern und Sammlern verändert sich die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft im Lauf des Jahres. Die größte Mikrobenvielfalt besitzen sie in der Trockenzeit, wenn der Speiseplan abwechslungsreicher ist und mehr Fleisch enthält als in der Regenzeit. Offenbar reagiert das Mikrobiom auf solche saisonalen Unterschiede, so dass immer die Arten aktiv sind, die mit der jeweiligen Kost am meisten anfangen können. Ändert sich die Ernährung, werden einige Arten so selten, dass sie sich im Kot nicht mehr nachweisen lassen. Erst in der nächsten Saison tauchen sie dann wieder auf.

Und genau diese flexiblen Organismen scheinen es zu sein, die in modernen Gesellschaften auf dem Rückzug sind. Das haben die Forscher herausgefunden, als sie ihre Daten aus Tansania mit denen von Menschen aus 16 anderen Ländern mit unterschiedlichem Lebensstil verglichen. Verliert der Mensch in den modernen Gesellschaften also einen Teil jener Mitbewohner, mit denen ihn Hunderttausende von Jahren gemeinsamer Evolutionsgeschichte verbinden? Und könnte das ein Grund dafür sein, dass Zivilisationskrankheiten wie chronisch-entzündliche Darmerkrankungen, Fettleibigkeit, Asthma, Diabetes und Allergien auf dem Vormarsch sind?

Etliche Mikrobiologen halten das durchaus für möglich. Denn es gibt Indizien dafür, dass eine artenärmere Darmgemeinschaft in der frühen Kindheit ein höheres Risiko für solche Krankheiten darstellt. Und da es weltweit immer mehr Menschen in die Städte und zu einem modernen Lebensstil zieht, könnte sich dieser Trend in Zukunft noch verstärken. Deshalb wollen Experten dem Schwund des mikrobiologischen Erbes der Menschheit nicht tatenlos zusehen.

Bibliotheken für Mikroben

So haben sich etwa ein Dutzend Wissenschaftler um Maria Gloria Dominguez-Bello von der Rutgers University im US-Bundesstaat New Jersey zu einer internationalen Initiative namens The Microbiota Vault (der Mikrobiota-Tresor) zusammengeschlossen. Sie plädieren dafür, eine internationale Einrichtung zu schaffen, in der mikrobiologische Proben aus aller Welt an einem sicheren und politisch neutralen Ort dauerhaft eingefroren werden können. Vorbild ist der Svalbard Global Seed Vault auf der Insel Spitzbergen, wo seit 2008 Saatgut eingelagert wird, um die Vielfalt der Nutzpflanzen auf der Erde zu erhalten.

Auf ganz ähnliche Weise soll ein »Bakterien-Rettungsboot« künftig dazu beitragen, die Vielfalt der Mitbewohner im menschlichen Körper zu erhalten und zu erforschen. »Wir müssen besser verstehen, welche Stämme in menschlichen Populationen verschwinden und welche funktionalen und pathologischen Folgen das hat«, betonten einige der führenden Köpfe der Initiative im Jahr 2018 im Fachjournal »Science«.

»Wir schulden den künftigen Generationen die Mikroben, die unsere Vorfahren seit mindestens 200 000 Jahren der menschlichen Evolution besiedeln«(führende Mikrobiom-Forscher in »Science«)

Immerhin lebe schon heute mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung in einem städtischen Umfeld. Und man befürchte, dass dort Darmbewohner verloren gehen könnten, die für die menschliche Gesundheit wichtig sind. Das aber könne man nicht hinnehmen. »Wir schulden den künftigen Generationen die Mikroben, die unsere Vorfahren seit mindestens 200 000 Jahren der menschlichen Evolution besiedeln«, schreiben die Forscher. Am wichtigsten sei es dabei, die Mikrobiome von verschiedenen menschlichen Gesellschaften rund um die Welt zu erhalten. Und zwar besonders von denen, die dem Trend zum städtischen Leben noch nicht gefolgt sind. Womöglich bleibe dazu nicht mehr viel Zeit, betonen die Wissenschaftler: »Wir müssen anfangen, bevor es zu spät ist.«

Erste Schritte auf diesem Weg werden bereits gemacht. So haben Eric Alm, Mathieu Groussin, Mathilde Poyet und Ainara Sistiaga vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) im US-amerikanischen Cambridge 2016 eine weitere Mikrobenschutz-Initiative, die Global Microbiome Conservancy (GMC), ins Leben gerufen. Hier arbeiten mittlerweile Experten aus rund 70 wissenschaftlichen und medizinischen Institutionen rund um die Welt zusammen. Beteiligt ist ein breites Spektrum an Wissenschaftlern unterschiedlicher Disziplinen – von Mikrobiologen und Medizinern über Anthropologen bis hin zu Ökologen und Evolutionsbiologen. Gemeinsam versuchen sie, gezielt einen möglichst großen Teil der Lebensvielfalt aus dem menschlichen Darm zu sammeln und zu erhalten.

Begonnen haben die GMC-Mitarbeiter ihre Bakterien-Bibliothek mit mehr als 7600 Proben aus dem Darm gesunder Stadtbewohner aus Nordamerika. Als Nächstes haben sie rund 4000 Bakterienstämme aus nicht industrialisierten Gesellschaften im arktischen Kanada, in Kamerun und Tansania gesammelt und eingefroren. Inzwischen ist die Kollektion auf mehr als 11 600 Bakterienproben aus 23 menschlichen Populationen rund um die Welt angewachsen. Und die Arbeit geht weiter. Die Genehmigungen für Sammlungen in Ghana, Ruanda und Malaysia sind schon da.

Jeder behält Eigentumsrechte an seinen Mikroben

Um an weitere Passagiere für ihre gefrorene Arche zu kommen, wollen die Forscher mit möglichst vielen verschiedenen Menschen rund um die Welt zusammenarbeiten -­ vor allem mit den Angehörigen indigener Völker. Sie betonen, dass jeder Teilnehmer, der seinen Kot für das Projekt zur Verfügung stellt, die Eigentumsrechte an seinen Mikroben behält. Zudem soll es eine offene und nicht kommerzielle Sammlung werden, zu der jeder interessierte Wissenschaftler Zugang bekommt. Falls sich aus der Kollektion eines Tages Medikamente oder andere Nutzungen entwickeln lassen, sollen auch die Herkunftsländer der Spender davon profitieren.

»Das alles sind wichtige Punkte, die man bei einer solchen Sammlung beachten sollte«, betont Alexander Loy. Überhaupt hält er die Bemühungen der GMC für sehr sinnvoll. Zwar gibt es weltweit schon einige große Sammlungen von Bakterienstämmen, in denen auch Darmbewohner aufbewahrt werden. In Deutschland etwa lagert eine sehr umfangreiche Kollektion im Leibniz-Institut DSMZ – Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen in Braunschweig, ähnliche Einrichtungen gibt es zum Beispiel in den USA und Japan. »Allerdings enthalten diese Sammlungen bisher deutlich mehr humane Stämme aus Industrieländern«, erklärt Loy. »Über die Mikrobiome in Entwicklungsländern weiß man noch nicht so viel.« Umso sinnvoller findet er es, diese Lücke zu schließen und systematisch Proben aus verschiedenen Regionen der Welt zusammenzutragen.

Im Gegensatz zu den Initiatoren befürchtet Alexander Loy jedoch nicht unbedingt, dass es durch die Verbreitung des westlichen Lebensstils zu einem dauerhaften Aussterben zahlreicher Bakterienvarianten kommen wird. »Zwar kann es sein, dass einzelne Stämme oder Arten verschwinden«, erläutert der Mikrobiologe. »Wenn Leute ihre Ernährung dann erneut umstellen, dürften sie aber auch wieder zurückkommen.« Da sich Bakterien extrem schnell entwickeln und auch untereinander Erbinformationen austauschen können, gehe das mitunter sogar sehr rasch. »Trotzdem sind die gesammelten Mikroorganismen eine sehr wertvolle Bioressource«, betont Loy. Denn tatsächlich könnte die Bibliothek der Bakterien helfen, neue Behandlungsmöglichkeiten für verschiedene Krankheiten zu entwickeln.

Neue Behandlungsmöglichkeiten für Krankheiten

Es ist in manchen Fällen nämlich durchaus möglich, die Vielfalt im Darm wiederherzustellen und so die negativen Folgen eines verarmten Mikrobioms in den Griff zu bekommen. Die Methode, mit der das gelingen kann, klingt allerdings eher unappetitlich: Man nimmt den Kot von gesunden Menschen, homogenisiert ihn im Mixer, versetzt ihn mit bestimmten Puffern und filtriert ihn. Anschließend wird die Lösung dann mit Hilfe einer Sonde in den Darm des Patienten übertragen.

»Ökologisch gesehen ist das ein sehr sinnvoller Ansatz«, sagt Alexander Loy. Denn auf diese Weise können sich wieder normale Darmbakterien in ihrem angestammten Lebensraum ansiedeln und die Krankheitserreger verdrängen. Zur Bekämpfung von Clostridium-difficile-Infektionen hat sich diese Methode als deutlich effektiver erwiesen als die übliche Behandlung mit Antibiotika. »Allerdings will sich kaum jemand gerne Kot transplantieren lassen«, räumt Loy ein. Er sieht die Zukunft deshalb in einer neuen Generation von so genannten Probiotika. Das sind Designer-Mischungen von lebenden Bakterien, die gezielt zur Bekämpfung verschiedener Krankheiten eingesetzt werden können.

»Kaum jemand will sich gerne Kot transplantieren lassen«(Alexander Loy)

Eine solche probiotische Waffe gegen Clostridium-difficile-Infektionen zu entwickeln, dürfte dabei vergleichsweise einfach sein. Schließlich sind die bisher dagegen eingesetzten Stuhltransplantationen generell sehr erfolgreich -­ egal, von welchem Spender der verwendete Kot stammt. Es scheint also vor allem wichtig zu sein, dass die neu angesiedelten Bakterien bestimmte Funktionen erfüllen. Und das ließe sich wohl auch mit einer Designer-Mixtur recht gut bewerkstelligen.

»In anderen Fällen könnte es dagegen schwierig sein, eine Mischung zu finden, die bei jedem Patienten wirkt«, meint Alexander Loy. So spielen bei der Entstehung von chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen neben einem veränderten Mikrobiom auch andere Faktoren wie Umwelt und Genetik eine Rolle. Deshalb wirken Stuhltransplantationen dagegen nicht ganz so gut. Und eine wirksame Designer-Mischung müsste womöglich auf jeden Patienten individuell abgestimmt werden.

»Um so etwas überhaupt in Angriff nehmen zu können, brauchen wir aber erst einmal eine möglichst große Palette von Bakterien mit unterschiedlichen Eigenschaften«, sagt der Wiener Forscher. Und da könne eine globale Bakteriensammlung eine unschätzbare Hilfe sein. Es gibt also durchaus auch medizinische Argumente für den Schutz der biologischen Vielfalt auf der Erde. Und die zielen nicht nur auf mögliche Wirkstoffe aus den Pflanzen und Tieren exotischer Regenwälder, sondern auch auf Hilfe aus unserem eigenen Darm.

10/2019

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 10/2019

Lesermeinung

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

Partnervideos