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Mikrobiom: Wie Mundbakterien die Gesundheit beeinflussen

Bakterien im Mund – igitt, bloß weg damit? Das galt lange Zeit. Neuere Studien zeigen, dass wir die Mikroben brauchen, um gesund zu bleiben.
Mundabstrich

Im Jahr 1924 wurde das Bakterium Streptococcus mutans erstmals mit Karies in Verbindung gebracht. Der englische Zahnarzt James Kilian Clarke fand den Mikroorganismus in einem Zahnloch und erklärte ihn zum Schuldigen. Da sich das Bakterium außerhalb des Munds leicht kultivieren und untersuchen ließ, sammelten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in den kommenden Jahrzehnten immer mehr Beweise, die den Schuldspruch scheinbar untermauerten: S. mutans ist geschickt darin, sich an harte Zahnoberflächen anzuheften, es liebt den Zucker in Lebensmitteln und produziert Säure. Am besten gedeiht es in einem sauren Milieu, das Löcher in den Zahnschmelz frisst. In den 1960er Jahren hielten viele Zahnärzte S. mutans für die Ursache von Karies, Mitte der 1970er Jahre entwickelten Wissenschaftler sogar einen Karies-Impfstoff aus ganzen Bakterienzellen.

Die Forscher ahnten nicht, dass sich der Impfstoff gegen das Falsche richtete. Es stellte sich heraus, dass S. mutans nicht allein für die Zahnschäden verantwortlich war, sondern Unterstützung von anderen Mikroben erhielt. Die Wissenschaft ist sich seit Jahrhunderten bewusst, dass im Mund Mikroorganismen leben. Im späten 16. Jahrhundert berichtete Antonie van Leeuwenhoek, dass er lebende Bakterien aus dem Inneren seines Munds abkratzt hatte und diese sich unter einem der damaligen Mikroskope »sehr hübsch bewegten«.

Später kultivierten Wissenschaftler alles, was sie im Mund finden konnten, und analysierten die Eigenschaften der Bakterien. Sie versuchten, Krankheiten auf bestimmte Mikroben zurückzuführen. Mit den modernen Sequenzierungstechniken, die sich in den letzten zwei Jahrzehnten etabliert haben, und neuen bildgebenden Verfahren stehen Forschenden heute ganz andere Möglichkeiten zur Verfügung. Sie können feststellen, welche Mikroben sich im Mund befinden, wie sie aufgebaut sind und welche Funktionen sie erfüllen. Dadurch verändern sich gerade die lange gehegten Ansichten darüber, wie das orale Mikrobiom zur Zahngesundheit – und auch zur allgemeinen Gesundheit – beiträgt. Das könnte neue Wege eröffnen, die mikrobielle Gemeinschaft im Sinne der Gesundheit zu nutzen.

Serie: Gesund im Mund

Ob beim Sprechen, Essen, Lächeln oder Küssen: Unser Mund ist quasi pausenlos in Bewegung. Wie wichtig es ist, dass er gesund bleibt, fällt vielen trotzdem erst dann auf, wenn sich die ersten Wehwehchen bemerkbar machen wie Karies, Zahnfleischentzündungen oder fiese Aphten. Dabei kann die Mund- und Zahnpflege weit reichende Konsequenzen für den gesamten Körper haben – selbst mit Erkrankungen wie Alzheimer, Herzleiden und Covid-19 wird sie inzwischen in Verbindung gebracht. Wie eine optimale Mundhygiene aussieht, welchen Beitrag das orale Mikrobiom leistet und was die Mundschleimhaut so besonders macht, erfahren Sie in unserer Serie »Gesund im Mund«:

Jeder Mundwinkel hat sein eigenes Mikrobiom

Die Mitglieder der Gemeinschaft bleiben konstant, obwohl beim Essen, Atmen oder Nägelkauen regelmäßig neue Mikroben in den Mund gelangen. Doch nicht alle überleben in der Mundhöhle. Durchschnittlich beherbergt eine Person dort rund 250 Arten, etwa 700 potenzielle Mundbewohner sind bekannt. Diese Arten können sich der antimikrobiellen Abwehr des Speichels entziehen und sind an ein Leben in einer warmen, feuchten Umgebung angepasst, die regelmäßig mit Sauerstoff angereichert wird.

»Stellen im Mund, die nur wenige Millimeter voneinander entfernt sind, werden von völlig unterschiedlichen mikrobiellen Gemeinschaften bewohnt«(Jessica Mark Welch, Mikrobenforscherin)

Bei näherer Betrachtung zeigt sich allerdings, dass das orale Mikrobiom keine homogene Ansammlung von Lebewesen ist, sondern eher ein Sortiment unterschiedlicher Mini-Mikrobiome, die sich in verschiedenen Regionen des Munds befinden. Die Mikroben scheinen Spezialisten für die Nische zu sein, die sie jeweils besetzen. Das gilt sowohl für die am häufigsten untersuchten Bereiche wie Speichel oder Zahnbelag als auch für Zunge, Wangen, Gaumen, Rachen oder Mandeln.

»Stellen im Mund, die nur wenige Millimeter voneinander entfernt sind, werden von völlig unterschiedlichen mikrobiellen Gemeinschaften bewohnt«, sagt Jessica Mark Welch, Mikrobenforscherin am Marine Biological Laboratory im US-amerikanischen Woods Hole. Sie und ihre Kollegen fragten sich, wie die Bakterien in den einzelnen Nischen gelandet sind und wie sie es schaffen, dort zu überleben: »Wir wollten verstehen, wie die Bakterien zusammenarbeiten. Dazu mussten wir die Gesamtstruktur untersuchen.«

Mark Welchs Kollege Gary Borisy, Zellbiologe und Spezialist für Bildgebung, der inzwischen am Forsyth Institute in Cambridge tätig ist, half bei der Entwicklung einer neuen Mikroskopiemethode. Mit Hilfe von Fluoreszenz können 15 oder mehr Bakterienarten gleichzeitig abgebildet werden. Mit dieser Technik untersuchten Borisy und Mark Welch Zahnbelag, einen Biofilm, der aus zusammengelagerten Mikroorganismen besteht. In diesem Fall hatten sich die Mikroben in einer igelähnlichen Anordnung organisiert. Fadenförmige Bakterien stapelten sich übereinander und bildeten eine stachelige Hauptstruktur. Zwischen den Stacheln hatten sich andere Organismen eingenistet. Das Ganze geschah in einem gesunden Mund. Andere Arbeiten haben aber gezeigt, dass sich die Artenzusammensetzung sowie die physikalische Struktur des Biofilms verändert, wenn jemand krank wird.

In ihrer Ausbildung zur Zahnärztin in den frühen 1990er Jahren sei ihr beigebracht worden, dass Biofilme im Mund immer schlecht sind, sagt Egija Zaura, Expertin für mikrobielle Ökologie in Amsterdam. Diese Ansicht hat sich inzwischen geändert. Es scheint davon abzuhängen, welche Mikroben der Biofilm enthält. Da klar erwiesen ist, dass regelmäßiges Zähneputzen die Zahngesundheit fördert, müsste das damit verbundene Entfernen der Biofilme also insgesamt positive Auswirkungen auf das orale Mikrobiom haben, sagt Zaura. Zumindest bei Menschen, die viel Stärke und Zucker konsumieren. Die langfristige Stabilität der Gemeinschaft spricht dafür, dass gesundheitsfördernde Mikroben, die in einem Biofilm vorhanden waren, nach dem Zähneputzen wieder nachwachsen und die Zähne vor dem nächsten Säurebad schützen. Eine Studie hat außerdem gezeigt, dass Menschen mit Parodontitis, einer bakterielle Entzündung des Zahnbetts, nach einer professionellen Zahnreinigung einen neuen, artenreicheren Biofilm ausbilden.

Wie Mikroben die Mundgesundheit verbessern

Inzwischen ist klar, dass in einem gesunden Mund die gesamte mikrobielle Gemeinschaft zusammenarbeitet und so dem menschlichen Wirt ihren Dienst erweist. Einige Mitbewohner, zum Beispiel Streptococcus salivarius, wirken entzündungshemmend. Außerdem trägt das orale Mikrobiom zur Regulierung des Säuregehalts bei. Kariesfreie Menschen haben Arten im Mund, die in der Lage sind, Arginin oder Harnstoff aus der Nahrung in pH-neutralisierendes Ammoniak umzuwandeln. Weitere Stoffwechselprodukte der Bakteriengemeinschaft helfen dabei, Krankheitserreger abzutöten.

»Wir verlassen uns voll und ganz auf unser orales Mikrobiom«(Alex Mira, Bakteriengenetiker)

Die dort ansässigen Mikroben unterstützen aber nicht nur die Mundgesundheit. Sie verwandeln das Nitrat, das wir über Obst und Gemüse aufnehmen, in Nitrit, das dann wiederum in Stickstoffmonoxid umgewandelt wird. Der Stoff hilft dabei, den Blutdruck zu regulieren. Der Mensch hat – wie viele andere Säugetiere – im Lauf seiner Entwicklung die Aufgabe der Nitritherstellung offenbar an die im Mund lebenden Mikroben ausgelagert. Alex Mira, Bakteriengenetiker am FISABIO-Forschungsinstitut im spanischen Valencia, sagt: »Unser Körper hat gar nicht die nötigen Enzyme dafür. Wir verlassen uns voll und ganz auf unser orales Mikrobiom.«

Frei verkäufliche, antiseptische Mundspülungen können nützliche Mikroben im Mund vernichten und diesen wichtigen Prozess stören. Im Gegensatz zu Zahnpasta enthalten viele Mundspülungen den Wirkstoff Chlorhexidin, der die Mikroben direkt abtötet. Wie Mira berichtet, herrschte noch vor zehn Jahren in der Zahnmedizin die Meinung, man müsse die Mundhöhle sauber halten und dafür so viele Mundbakterien wie möglich beseitigen. Das gilt heute als falsch. Eine Studie aus dem Jahr 2020 hat gezeigt, dass sich das Speichelmikrobiom von gesunden Menschen, die ihren Mund mit Chlorhexidin-Lösungen spülten, erheblich veränderte. Der Säuregehalt in ihrem Mund erhöhte sich, ihrem Körper stand weniger Nitrit zur Verfügung, und sie tendierten zu einem höheren Blutdruck.

Eine Datenbank für Mundmikroben

Bis vor Kurzem schoben Zahnärzte Probleme mit der Zahngesundheit auf verschiedene Mikroben: S. mutans sollte für Karies verantwortlich sein, Porphyromonas gingivalis für Parodontitis, und Candida albicans stand im Verdacht, orale Candidose, besser bekannt als Mundsoor, zu verursachen.

»Bei Zahnerkrankungen waren wir sehr stark von der Vorstellung beeinflusst, dass jede Krankheit einen einzelnen, mikrobiellen Erreger hat«, sagt Mira. In den späten 1990er Jahren begannen Forschende, ihre Ansichten darüber zu ändern. Wissenschaftler des Forsyth-Instituts vermuteten, Ansammlungen von Organismen unterhalb des Zahnfleischsaums könnten für Zahnerkrankungen verantwortlich sein. Floyd Dewhirst, Zahnarzt, Pharmakologe und Mikrobiologe am Forsyth-Institut, beschäftigt sich mit Parodontitis. Er war einer der Ersten, die die Bedeutung der mikrobiellen Gemeinschaften im Mund erkannten – lange, bevor kostengünstige DNA-Sequenzierungstechniken zur Verfügung standen.

Anfang der 2000er Jahre, als die modernen Sequenzierungstechniken zunehmend verfügbar wurden, erkannte Dewhirst ein Hindernis für den Fortschritt auf diesem Gebiet: Obwohl die Forscher sie anhand ihrer einzigartigen genetischen Sequenzen unterscheiden konnten (sie untersuchten die 16S-rRNA), waren sie nicht dazu in der Lage, den verschiedenen Mundbakterien einen Namen zuzuweisen oder ihre Beziehungen zu anderen Mikroben zu verstehen. Dewhirst machte sich deshalb daran, eine umfassende Datenbank und ein vorläufiges Benennungssystem zu entwickeln. Das brachte eine wichtige Ressource für das Fachgebiet hervor: die Human Oral Microbiome Database.

Die Arbeit von Dewhirst und anderen ermöglichte es, das gesamte heute bekannte Mikrobenspektrum an unterschiedlichen Stellen im Mund zu katalogisieren. Dies geschah als Teil des Human Microbiome Project, einer der weltweit ersten, groß angelegten Untersuchungen des Mikrobioms gesunder Menschen. Bei dem Projekt wurden Proben von neun Stellen der Mundhöhle entnommen. Die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft unterschied sich von Person zu Person so stark, dass es unmöglich war, Merkmale für ein gesundes Mikrobiom zu identifizieren. Allerdings ähnelten sich die Kombinationen jener Mikroben, die jeweils an einer bestimmten Stelle vorherrschten. Weniger dominante Arten waren hingegen individuell sehr verschieden.

Mikrobiom außer Kontrolle

Die Daten des Human Microbiome Project bestätigten, dass sich sowohl bei gesunden als auch bei erkrankten Menschen potenzielle Krankheitserreger im Mund befinden. Nicht nur S. mutans, auch andere Säure produzierende Bakterien wie Bifidobakterien oder Laktobazillen wurden manchmal mit Mundkrankheiten in Verbindung gebracht. Spätere Forschungen bestätigten, dass – je nach Person – unterschiedliche mikrobielle Profile mit Karies zusammenhängen können.

Die neuesten Theorien gehen davon aus, dass eine Veränderung der mikrobiellen Gemeinschaft im Mund dazu führt, dass Arten, die normalerweise von anderen Mikroben in Schach gehalten werden, überhandnehmen und Munderkrankungen verursachen. »Diese Bakterien werden in einem gesunden Ökosystem unter Kontrolle gehalten«, sagt Mira. »Sie vermehren sich, verändern ihre Genexpression und werden zu Krankheitserregern.« Er und andere postulieren, dass Mundkrankheiten einen polymikrobiellen Ursprung haben. Der Grund dafür, dass die Bemühungen um einen Karies-Impfstoff bislang vergebens waren, liegt seiner Meinung nach darin, dass die Kandidaten jeweils nur gegen eine einzige Mikrobe gerichtet sind, die möglicherweise gar nicht beteiligt ist.

Ein weiteres Rätsel, das mit mehr Wissen über mikrobielle Gemeinschaften im Mund gelöst werden könnte, ist folgendes: Warum entwickelt nur ein Bruchteil der Menschen mit einer leichten Zahnfleischentzündung (Gingivitis) eine Parodontitis? Es könnte sein, dass das bloße Vorhandensein eines Biofilms weniger wichtig ist als dessen genaue Zusammensetzung. Personen, die tatsächlich eine Zahnfleischerkrankung entwickeln, haben offenbar Mikroben im Mund, die – mit voranschreitender Krankheit – anders mit dem Immunsystem wechselwirken und mehr Gewebe zerstörende Entzündungen auslösen. Mikroben, die in diesem Milieu gut gedeihen, prosperieren – ein Teufelskreis entsteht: Störungen des Ökosystems und die Entzündung befeuern sich gegenseitig.

Wenn man Mundbakterien und ihren Wirt als Teil desselben Ökosystems betrachtet, ergibt sich ein umfassenderes Bild davon, was die Zahngesundheit einer Person bestimmt. Isst diese oft Süßigkeiten? Wie häufig kommen ihre Zähne durch Zahnpasta oder das Trinkwasser in Kontakt mit Fluorid? Solche Faktoren können Druck auf die mikrobielle Gemeinschaft ausüben und sie in Richtung Gesundheit oder Krankheit trimmen. Mit anderen Worten: Der Lebensstil ist wichtig, aber man kann damit nicht alles steuern.

Eine Schatzkiste für Biomarker

Bei immer mehr Krankheiten – darunter Darmkrebs, rheumatoide Arthritis und Alzheimer – beobachten Forschende eine veränderte Zusammensetzung des Mundmikrobioms.

Ob hier ein kausaler Zusammenhang besteht, kann wohl erst in einigen Jahren geklärt werden. In der Zwischenzeit untersuchen Wissenschaftler, ob Veränderungen des oralen Mikrobioms zuverlässig anzeigen könnten, dass eine bestimmte Krankheit gerade entsteht oder fortschreitet. Bei der Suche nach Biomarkern ist das Mundmikrobiom von besonderem Interesse, denn es ist leicht zugänglich und einfach zu handhaben. Verglichen mit dem Darmmikrobiom scheint zudem der Einfluss der Ernährung minimal zu sein. Die Stabilität der mikrobiellen Gemeinschaft im Mund bietet folglich großes Potenzial für Biomarker.

»Vielleicht können wir dann neue Medikamente entwickeln, mit denen wir den Ausbruch dieser Krankheiten verhindern oder behandeln können«(Jospeh Chriss Ellis, Mikrobiologe und Bioinformatiker)

Mit Hilfe eines der weltweit größten Supercomputer verarbeitet ein Team des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in Tennessee riesige Datenmengen. Sie enthalten Informationen über das Mikrobiom verschiedener Körperstellen, einschließlich des Munds. Die Forschenden suchen nach Mustern, die sie zu medizinisch relevanten Biomarkern führen könnten, die neurologische Erkrankungen wie Parkinson, Alzheimer und amyotrophe Lateralsklerose (ALS) anzeigen. »Es gibt Mikroben, die bei Parodontitis und Alzheimer vorkommen. Vielleicht finden wir auch einen Zusammenhang zwischen Parkinson und ALS«, sagt Joseph Chris Ellis, Mikrobiologe und Bioinformatiker am ORNL. Eines der Ziele sei es, Indikatoren zu finden, die früh darauf hinweisen, dass jemand ein erhöhtes Krankheitsrisiko hat. »Vielleicht können wir dann neue Medikamente entwickeln, mit denen wir den Ausbruch dieser Krankheiten verhindern oder behandeln können.«

Gezielte Manipulationen am Mikrobiom

Die tragenden Säulen der heutigen Zahnmedizin sind Operationen und antibiotische Behandlungen. Doch die Forschung am oralen Mikrobiom könnte eine Ära einläuten, in der die Mikroben im Mund präzise manipuliert werden. Um die Zahngesundheit zu fördern, kann man dem Mundmikrobiom vielleicht sogar gezielt bestimmte Stämme hinzufügen.

Das Ziel sei es, aggressive Stämme im Mund einer Person aufzuspüren und sie durch andere zu ersetzen, um die Bakteriengemeinschaft fein aufeinander abzustimmen, sagt Mark Welch. Die derzeit erhältlichen Probiotika sind dieser Aufgabe wahrscheinlich nicht gewachsen, weil das Mikrobiom im Mund kaum Veränderungen zulässt. »Es ist nicht einfach, ein fremdes Bakterium in die orale Gemeinschaft einzugliedern«, sagt Dewhirst. Denn es passe nicht in das Netzwerk von Organismen, die im Lauf des Lebens herausgepickt werden, weil sie besonders gut harmonieren.

»Wenn man auf die Mundgesundheit achtet, kann man viel für die allgemeine Gesundheit tun«(Egija Zaura, Ökologin für orale Mikroorganismen)

Miras Arbeitsgruppe hat einen Kandidaten für ein orales Probiotikum identifiziert: Streptococcus dentisani. Dieses Bakterium, das die Forscher aus kariesfreien Personen isolierten, hilft, Krankheitserreger im Mund abzutöten. Der Beiname dentisani stammt aus dem Lateinischen und bedeutet gesunde Zähne. Das Team befasst sich aktuell damit, wie es dieses überaus anspruchsvolle Bakterium Menschen verabreichen kann. Gleichzeitig versuchen die Forscher, die regulatorischen Hürden für die Markteinführung eines Probiotikums zu überwinden.

Ein anderer Ansatz könnte darin bestehen, das orale Milieu chemisch zu verändern, um Karies und anderen Erkrankungen vorzubeugen. Zahnpasta mit Ammoniak produzierendem, pH-Wert-senkendem Arginin ist bereits auf dem Markt. Als Nächstes könnten Präbiotika kommen, spekuliert Mira. Zahnpasta könnte beispielsweise Nitrat zugesetzt werden, entweder als Salz oder als Pflanzenextrakt, um bestimmte Bakterien gezielt zu füttern und so die Gesundheit zu fördern.

Auch der regelmäßige Besuch beim Zahnarzt könnte dazu dienen, gezieltere Präventionsstrategien zu verfolgen, sagt Zaura. Sie schlägt vor, dass Zahnärztinnen und Zahnärzte die mikrobielle Gemeinschaft einer Person genauso untersuchen wie den Zustand der Zähne. So könnten sie Schwachstellen frühzeitig erkennen und in die mikrobielle Ökologie des Mundraum eingreifen, um orale und möglicherweise auch andere Krankheiten zu vermeiden. »Wenn man auf die Mundgesundheit achtet, kann man viel für die allgemeine Gesundheit tun«, sagt die Mikrobiologin.

Dieser von »Spektrum.de« übersetzte Artikel ist Teil von »Nature Outlook: Oral health«, einer redaktionell unabhängigen Beilage, die mit finanzieller Unterstützung Dritter produziert wurde.

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