Wissen zum Darmmikrobiom

Dick durch mehr Firmicutes-Bakterien in der Darmflora?

Das eigene Verhalten – insbesondere ein Mangel an körperlicher Aktivität verbunden mit einer ungesunden und kalorienreichen Ernährung – und die erbliche Veranlagung sind die bekanntesten Risikofaktoren für die Entstehung von Übergewicht.
Auch die Bakterien im Darm haben einen Einfluss auf unser Körpergewicht – aber anders als oft beschrieben.

Abbildung von Darmflora Bakterien.

Vor knapp 20 Jahren veröffentlichte die Arbeitsgruppe um Jeffrey Ivan Gordon – einem US-amerikanischen Mikrobiologen und Professor ­– eine Studie1, die in den Medien weltweit ein großes Echo fand:
Im Darm übergewichtiger und adipöser (= fettleibiger) Personen herrschten Bakterien des Stamms Firmicutes vor und Bakterien des Stamms Bacteroidetes seien vermindert. Nahmen die Studienteilnehmer ab, erhöhte sich die Zahl der Bacteroidetes-Bakterien.
Endlich schien die Formel für ein erfolgreiches Abnehmen klar zu sein: Wir müssen einfach die „schlechten“ Firmicutes-Bakterien durch die „guten“ Bacteroidetes-Bakterien ersetzen.
Und außerdem sind nicht wir, sondern unsere Bakterien schuld an unserem Übergewicht.
Zumindest versuchen das einige Firmen und Journalisten uns immer wieder weis zu machen. Aber ist das wirklich so?

Firmicutes-Bacteroidetes-Formel funktioniert nicht

Das Verhältnis zwischen Firmicutes und Bacteroidetes ist unabhängig vom BMI

Für ihre Studie untersuchten Jeffrey Gordon und seine Arbeitsgruppe zum einen Mäuse, zum anderen 12 übergewichtige und einige schlanke Testpersonen.
Dagegen kam eine deutsche Studie2 – die dritthäufigste zitierte Studie in der Ernährungsforschung, die immerhin 98 (30 schlanke, 35 übergewichtige und 33 adipöse) Teilnehmer hatte – zu einem entgegengesetzten Ergebnis:
Während die Zellzahlen der Bacteroidetes vom BMI unbeeinflusst waren, hatten übergewichtige und fettleibige Studienteilnehmer weniger nützliche Firmicutes im Darm. Zusammen ergab das einen größeren Anteil an Bacteroidetes und ein geringeres Firmicutes-Bacteroidetes-Verhältnis für Menschen mit einem hohen BMI.

Um die Ergebnisse zu überprüfen, werteten Wissenschaftler um Mariel Finucane3 Daten von mehreren größeren Studien aus - wie beispielsweise vom Human Microbiome Project* und der MetaHIT-Studie** (siehe unten). Dabei setzten sie das Verhältnis zwischen Bacteroidetes und Firmicutes in Bezug zum Body Mass Index (BMI) der Studienteilnehmer und stellten fest:
Das Verhältnis zwischen Firmicutes- und Bacteroidetes-Bakterien ist vollkommen unabhängig vom BMI (Abb.1). Die Autoren der Studie schlossen aus ihren Ergebnissen, „dass es keine einfache taxonomische Signatur von Adipositas in der Mikrobiota des menschlichen Darms gibt.“

Die Bakterienzusammensetzung unterschied sich zwischen den verschiedenen Studien sogar stärker als zwischen schlanken und übergewichtigen Personen innerhalb der einzelnen Studien (Abb. 2):

Abb. 2: Die Unterschiede in der relativen Häufigkeit von Bacteroidetes und Firmicutes ist zwischen den Studien größer als zwischen den schlanken und dicken Testpersonen innerhalb der einzelnen Studien.3 Dabei zeigt die Breite der Balken gerade in den größeren Studien starke individuelle Unterschiede in den einzelnen Gruppen an.

Dritthäufigste zitierte Studie in der Ernährungsforschung

Eine deutsche Studie3 kam sogar zu einem entgegengesetzten Ergebnis: Während die Zellzahlen der Bacteroidetes vom BMI unbeeinflusst waren, hatten übergewichtige und fettleibige Studienteilnehmer weniger Firmicutes im Darm. Zusammen ergab das einen größeren Anteil an Bacteroidetes und ein geringeres Firmicutes-Bacteroidetes-Verhältnis für Menschen mit einem hohen BMI.

Abbildung von Darmflora Bakterien.

Firmicutes-Bakterien vielfach gut für die Gesundheit

Es lohnt sich, einen Blick auf den Bakterien-Stammbaum zu werfen (Abb. 3): Im Darm machen Angehörige der beiden Bakterien-Phyla Firmicutes und Bacteroidetes den größten Teil – nämlich bis zu 90 Prozent – der Bewohner aus. Daneben gehören einige Bakterienarten der Abteilung der Actinobacteria (z.B. Bifidobakterien), der Proteobacteria (z.B. E. coli) oder der Verrucomicrobiota (z.B. Akkermansia muciniphila) an.

Erklärung: Phylum (Plural: Phyla) = Abteilung = ein übergeordneter Begriff.
Firmicutes  heißen seit 2021 neu auch Bacillota.

Abb. 3: Ausschnitt aus dem Bakterien-Stammbaum (Zahlen nach Literatur 4) mit wichtigen Vertretern der Firmicutes und Bacteroidetes.

Zu den Firmicutes gehören wichtige und nützliche Bakteriengruppen

Zu den Firmicutes gehören beispielsweise

  • Laktobazillen, die als Protektivmikrobiota – schützende Darmflora – viele potentielle Krankheitserreger bekämpfen können und außerdem die Darmbarriere – genauer die Tight-Junctions – schützen.
  • Enterokokken wie Enterococcus faecalis sind immunmodulierende Bakterien und kommen in jeder gesunden Darmmikrobiota vor.
  • Das Bakterium Faecalibacterium prausnitzii  ernährt mit seiner produzierten Buttersäure unsere Darmepithelzellen und hält so ebenfalls die Darmbarriere dicht und gesund, beugt also einem Leaky Gut vor. F. prausnitzii  kann zwischen 5 und 15 Prozent der Bakterien in einem gesunden Darm ausmachen, während es bei vielen Erkrankungen wie beispielsweise Morbus Crohn oder Typ-2-Diabetes in viel zu geringen Zellzahlen im Darm vorkommt.5

Das zeigt: Zu den Firmicutes gehören viele gesundheitsfördernde Bakterien. Es kann also nicht schlecht sein, wenn sie in großen Zellzahlen in unserem Darm leben.

Viele kurzkettige Fettsäuren mästen

Der menschliche Stoffwechsel und der Stoffwechsel der Mikroben im Darm sind eng miteinander verwoben. Die Darmbakterien versorgen uns mit Vitaminen, bereiten für den Menschen unverdauliche Nahrungsbestandteile auf, ernähren unsere Darmschleimhaut und greifen über ausgeschiedene Substanzen in unseren Stoffhaushalt ein. Das passiert im großen Stil, denn wir besitzen etwa die gleiche Zahl an Darmbakterien wie Körperzellen.6
An Stoffwechselmöglichkeiten lässt uns die Mikrobiota sogar weit hinter sich, denn mit ihrer Artenvielfalt verfügen die Darmbakterien über eine viel größere Ausstattung mit Enzymen als wir. Deshalb hat es Auswirkungen auf den Körper, welche Bakterien sich im Darm befinden und welche Stoffwechselprodukte sie ausscheiden.

Auch wenn das Verhältnis von Firmicutes zu Bacteroidetes bei Übergewicht und Fettleibigkeit (= Adipositas) wohl keine Rolle spielt, gibt es immer wieder Hinweise darauf, wie die Mikrobiota im Darm das Gewicht beeinflussen kann: Wie Wissenschaftler feststellten, bilden die Darmbakterien adipöser Probanden zum Beispiel mehr kurzkettige Fettsäuren (SCFA = Short chain fatty acids) als die Bakterien schlanker Personen.3 In der Studie war die durchschnittliche SCFA-Gesamtkonzentration in Stuhlproben adipöser Teilnehmer insgesamt um mehr als 20 Prozent höher als bei schlanken Teilnehmern. Damit führen die Bakterien dem Körper zusätzliche Energie zu, denn die kurzkettigen Fettsäuren entstehen vor allem aus Ballaststoffen, die unsere körpereigenen Enzyme nicht verdauen können.

Allerdings sind die kurzkettigen Fettsäuren nicht nur unerwünschte Energielieferanten. Im Gegenteil: Vor allem die Buttersäure versorgt unsere Darmepithelzellen und hält so die Darmschleimhaut gesund und ihre Barrierewirkung aufrecht (siehe oben). Außerdem hat sie eine antientzündliche Wirkung und hemmt entartete Zellen – damit wirkt Buttersäure im Darm der Krebsentstehung entgegen.

Obendrein senden bakteriell gebildete kurzkettige Fettsäuren wichtige Signale an den Körper: Während Essigsäure das Hungergefühl steigert und Gluconeogenese (= Stoffwechselweg in der Leber zur Neusynthese von Glukose) sowie Lipogenese (= Aufbau von Depotfett im Fettgewebe) anregt, verstärkt Propionsäure das Sättigungsgefühl, senkt den Cholesterinspiegel und verbessert die Insulinsensitivität.

Höhere Artenvielfalt vorteilhaft

Eine höhere Diversität der Bakterien im Darm ist meist vorteilhaft.

In einer Studie7 verglichen Wissenschaftler die mikrobielle Zusammensetzung von 123 normalgewichtigen und 169 übergewichtigen Dänen. Dabei ergaben sich zwei Gruppen, die sich durch die Anzahl der Bakteriengene und damit durch den Reichtum an Darmbakterien (= Diversität) unterschieden:
LGC (= low gene count = niedrige Genzahl) gegenüber HGC (= high  gene count = hohe Genzahl). Nicht nur der Genreichtum unterschied sich in den Gruppen, sondern auch die damit verbundenen Stoffwechselwege.

Personen mit einem geringen Bakterienreichtum machten 23 Prozent der gesamten Studienpopulation aus. Dabei war die LGC-Gruppe im Vergleich zu Personen mit hohem Bakterienreichtum durch Fettleibigkeit, Insulinresistenz und Fettstoffwechselstörungen sowie einen entzündlichen Phänotyp (= erhöhtes hochempfindliches C-reaktives Protein (hsCRP) und höhere Zellzahlen weißer Blutkörperchen) gekennzeichnet. Passend dazu beherbergten Individuen der LGC-Gruppe eine entzündungsassoziierte Mikrobiota.

Denn zusätzlich fanden die Wissenschaftler deutliche Unterschiede in der Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft:
36 Gattungen – darunter Faecalibacterium, Bifidobacterium, Lactobacillus und Akkermansia – waren signifikant mit Gen-Reichtum (HGC) assoziiert. Dagegen waren die Gattungen Bacteroides,  Ruminococcus (speziell R. gnavus), Campylobacter und Staphylococcus dominanter bei den Angehörigen der LGC-Gruppe. Damit besaßen Individuen mit LGC vermehrt Bakterien aus den Abteilungen (Phyla) der Proteobakterien und Bacteroidetes.

Die LGC-Gruppe umfasste einen signifikant höheren Anteil adipöser Teilnehmer. Im Verlauf der letzten 9 Jahre hatten die übergewichtigen LGC-Individuen im Durchschnitt deutlich mehr Gewicht zugenommen als HGC-Personen.

Vorteilhafte und weniger vorteilhafte Schlüsselarten

Die Ernährung bestimmt maßgeblich die Zusammensetzung der Mikrobiota.

Andererseits können definierte Arten einen erheblichen Einfluss haben:

So fand die Arbeitsgruppe um Michael Blaut8 vom Deutschen Institut für Ernährungsforschung in Potsdam einen besonderen Vertreter der Bakterien im Darm übergewichtiger Menschen und Mäuse: Clostridium ramosum. Das Bakterium förderte bei fettreicher Diät eine ernährungsbedingte Fettleibigkeit bei Mäusen, während Clostridium ramosum bei fettarmer Diät dagegen keinen Einfluss hatte. Das zeigt: Mit unserer Ernährung bestimmen wir maßgeblich die Zusammensetzung und die Wirkung unserer Darmmikrobiota.

Akkermansia muciniphila ist eine  häufig vorkommende Bakterienart in der menschlichen Darmmikrobiota. Es kann zwischen 0,5 bis 5 Prozent aller Bakterien ausmachen, ist allerdings bei Menschen mit Fettleibigkeit, Typ-2-Diabetes, entzündlichen Darmerkrankungen, Bluthochdruck und Lebererkrankungen verringert vorhanden.9  Eine fettreiche westliche Ernährung mindert die Zellzahlen von Akkermansia, das wiederum Gene für die Fettverbrennung aktivieren kann.9

Bakterien vermitteln Sättigung

Untersuchungen von Sergueï Fetissov10 an der Rouen University und dem INSERM’s Nutrition, Gut & Brain Laboratory in Frankreich zufolge teilen uns die Darmbakterien mit, wenn sie satt sind. Etwa 20 Minuten nach einer Mahlzeit setzt zum Beispiel E. coli  Eiweiße frei, die die Nahrungsaufnahme bei Tieren unterdrücken können. In Mäuse oder Ratten intraperitoneal injiziert (i.p.)(= eine Injektion, bei der in den vom Bauchfell (=Peritoneum) umgebenen Hohlraum gespritzt wird), wirken die Eiweiße auf das Gehirn und verringern den Appetit. Nach Meinung von Fetisov können die bakteriell produzierten Proteine über einen längeren Zeitraum im Blut zirkulieren und Stoffwechselvorgänge im Gehirn beeinflussen.

Neuere Untersuchungen haben gezeigt: Bakterien der Art Hafnia alvei können ein Eiweiß (ClpB) produzieren, das dem menschlichen Sättigungshormon alpha-MSH ähnelt und genauso den Appetit hemmt. Bei übergewichtigen Mäusen reduzierte eine Hafnia-Gabe die Zunahme an Körpergewicht und Fettmasse und verringerte die Nahrungsaufnahme bei Mäusen mit Hyperphagie (= krankhaft gesteigerte Nahrungsaufnahme).11
Bei Menschen war das Prinzip ebenfalls erfolgreich: Hafnia alvei erhöht das Sättigungsgefühl und kann so bei der Gewichtsreduktion helfen.12

Der Einfluss bakterieller Sättigungssignale auf unser Körpergewicht scheint durchaus bedeutsam zu sein. Die Analyse genetischer Informationen in Stuhlproben aus der MetaHIT-Datenbank ergaben: Übergewichtige Menschen haben deutlich weniger bakterielle Gene für die ClpB-Produktion im Stuhl als Normalgewichtige.11

Fazit

Statt sich auf das Firmicutes-Bacteroidetes-Verhältnis zu konzentrieren, lieber wichtige gesundheitsfördernde Bakterien bestimmen.

Wie Forschungsergebnisse zeigen, spielt die Mikrobiota im Darm durchaus eine wichtige Rolle für unser Gewicht. Allerdings sind die Zusammenhänge komplex und lassen sich nicht auf die einfache Firmicutes-Bacteroidetes-Formel reduzieren, die immer wieder aufgegriffen wird.

Daher können wir uns vom Mythos Firmicutes-Bacteroidetes-Ratio verabschieden und stellen fest: Es ist unnötig, das Verhältnis von Firmicutes zu Bacteroidetes aus einer Stuhlprobe bestimmen zu lassen.
Viel sinnvoller ist es nachzuschauen, ob wichtige Schlüsselbakterien wie Faecalibacterium prausnitzii oder Gruppen mit bekannten Funktionen wie zum Beispiel immunmodulierende Bakterien oder Wasserstoffperoxid-bildende Laktobazillen in ausreichender Zellzahl im Darm vorhanden sind.

Wichtig zu wissen: Mit unserer Ernährung bestimmen wir maßgeblich die Zusammensetzung unserer Bakteriengemeinschaft im Darm. Ernähren wir uns falsch – also ballaststoffarm, fett- und zuckerreich, fördern wir auch die falschen Darmbakterien. Dagegen unterstützen wir mit einer ausgewogenen "bunten" Ernährung – mit wenig Zucker- und Weißmehl-Produkten, nicht zu vielen tierischen Fetten und Eiweißen, aber vielen Ballaststoffen – eine gesundheitsfördernde Bakteriengemeinschaft im Darm.

 

*Das US-amerikanische National Institute of Health hat im Jahr 2008 das Human Microbiome Project ins Leben gerufen, das sich mit der umfassenden und weltweiten Charakterisierung und Analyse des menschlichen Mikrobioms in Bezug auf die Gesundheit beschäftigt. Der Begriff Mikrobiom beschreibt dabei die Gesamtheit der den Menschen besiedelnden Mikroorganismen.

**Das MetaHIT-Projekt erforscht speziell die Zusammenhänge zwischen den Genen der Mikrobiota im Darm und Gesundheit beziehungsweise Krankheit des Menschen. Im Mittelpunkt stehen dabei chronisch-entzündliche Darmerkrankungen und Übergewicht.

  1. Ley RE et al. (2006): Microbial ecology: human gut microbes associated with obesity. Nature 444: 1022–1023.
  2. Finucane MM et al. (2014): A Taxonomic Signature of Obesity in the Microbiome? Getting to the Guts of the Matter. PLoS ONE 9(1): e84689. doi:10.1371/journal.pone.0084689
  3. Schwiertz A et al. Microbiota and SCFA in lean and overweight healthy subjects. Obesity 2010; 18(1): 190-195. doi: 10.1038/oby.2009.167 = dritthäufigste zitierte Originalarbeit in der Ernährungsforschung
  4. Human Microbiome Project Consortium. Structure, function and diversity of the healthy human microbiome. Nature. 2012; 486(7402):207-14. doi: 10.1038/nature11234.
  5. Louis P & HJ Flint. Diversity, metabolism and microbial ecology of butyrate-producing bacteria from the human large intestine. FEMS Microbiol Lett. 2009; 294(1): 1-8. doi: 10.1111/j.1574-6968.2009.01514.x.
  6. Sender R. et al. Revised Estimates for the Number of Human and Bacteria Cells in the Body. PLoS Biol. 2016;14(8):e1002533.
  7. Le Chatelier E et al. Richness of human gut microbiome correlates with metabolic markers. Nature. 2013; 500(7464): 541-6. doi: 10.1038/nature12506. = häufigste zitierte Originalarbeit in der Ernährungsforschung
  8. Woting A et al. Clostridium ramosum promotes high-fat diet-induced obesity in gnotobiotic mouse models. mBio 2014; 5(5): e01530-14. doi:10.1128/mBio.01530-14.

  9. Everard A et al. Cross-talk between Akkermansia muciniphila and intestinal epithelium controls diet-induced obesity. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013; 110(22): 9066-71. doi: 10.1073/pnas.1219451110.

  10. Breton J et al. (2015): Gut Commensal E. coli Proteins Activate Host Satiety Pathways following Nutrient-Induced Bacterial Growth. Cell Metab. 2016 Feb 9;23(2):324-34. doi: 10.1016/j.cmet.2015.10.017.

  11. Legrande R et al. Commensal Hafnia alvei strain reduces food intake and fat mass in obese mice-a new potential probiotic for appetite and body weight management. Int J Obes (Lond). 2020; 44(5): 1041-1051. doi: 10.1038/s41366-019-0515-9.

  12. Dèchelotte P et al. The Probiotic Strain H. alvei HA4597® Improves Weight Loss in Overweight Subjects under Moderate Hypocaloric Diet: A Proof-of-Concept, Multicenter Randomized, Double-Blind Placebo-Controlled Study. Nutrients. 2021; 13(6): 1902. doi: 10.3390/nu13061902.

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