Darmflora

Escherichia coli (Sekundärelektronenmikroskopie)

Als Darmflora (auch Intestinalflora) wird die Gesamtheit der Mikroorganismen bezeichnet, die den Darm des Menschen wie auch den vieler Tiere besiedeln und für den Wirtsorganismus von entscheidender Bedeutung sind – es herrscht somit ein Mutualismus. Die Darmflora gehört zum Mikrobiom eines Vielzellers.

Die an und für sich inkorrekte Bezeichnung Flora beruht auf der früher vertretenen Auffassung, Bakterien und viele andere Mikroorganismen gehörten zum Pflanzenreich. Da Bakterien heute eine eigene Domäne bilden, müsste man richtigerweise von einer „Darmmikroorganismengemeinschaft“ oder „-gesellschaft“ bzw. von einer Darmmikrobiota sprechen – Bezeichnungen, die sich in der Medizin – auch international – erst langsam durchsetzen.

Zusammensetzung

Der Darm des Menschen wird von Bakterien, Archaeen und Eukaryoten besiedelt.^[1] Er stellt ein komplexes und dynamisches bakterielles Ökosystem dar, das sich innerhalb der ersten Lebensjahre etabliert. Die Besiedlungsdichte des Darms ist anfangs gering und steigt mit zunehmendem Lebensalter stetig an. Während des Geburtsprozesses und kurz danach erfolgt die erste bakterielle Besiedlung des vorher sterilen humanen Gastrointestinaltraktes. Bei natürlich geborenen Kindern beginnt die Kolonisation während der Geburt. Die ersten Mikroorganismen, die nachgewiesen werden können, sind Escherichia coli, Enterobakterien (Enterobacteriaceae) und Streptokokken. Durch Kaiserschnitt geborene Kinder erhalten zunächst eine unnatürliche Darmflora, die der mütterlichen Hautflora entspricht.^[2]

Einen besonderen Einfluss auf die Besiedlung hat die Nahrung. Ob ein Kind gestillt oder mit Flaschennahrung gefüttert wird, lässt sich an der Darmflora erkennen. Der Darm gestillter Kinder wird nach den ersten Wochen hauptsächlich von den milchsäureproduzierenden Bakterien (Bifidobakterien und Laktobazillen) bevölkert. Die von ihnen produzierte Milchsäure führt zu einer Ansäuerung des Darmmilieus, die es pathogenen Bakterien erschwert, sich dort anzusiedeln. Im Gegensatz dazu wird bei Flaschenkindern eine erwachsenenähnliche Mikroflora nachgewiesen.

Die Darmflora von erwachsenen Menschen zeichnet sich durch eine Vielzahl von verschiedenen Bakteriengattungen aus. Bei einem gesunden Erwachsenen mittleren Alters besteht dieses Ökosystem aus hauptsächlich anaeroben Bakterien mit einer Gesamtzahl von 10 – 100 Billionen. Molekulare Analysen der 16S-ribosomalen DNA haben bisherige kulturabhängige Schätzungen von 200-300 Arten auf bis zu 1800 Gattungen mit bis zu 36000 Arten ansteigen lassen; das intestinale Habitat eines Menschen enthält aber mindestens 500 bis 1.000 unterschiedliche Arten.^[3][4] Die Mikroorganismen besiedeln das Darmlumen, die Muzinschicht und die mukosalen Oberflächen. Im Gegensatz zum Dünndarm mit 10³ – 10⁷ Individuen je Gramm Kot, ist der Dickdarm mit 10¹¹ – 10¹² Individuen je Gramm dicht besiedelt.^[5] Die Gesamtmasse der Mikroflora im Darmtrakt eines erwachsenen Menschen beträgt mehrere hundert Gramm, wobei sich über 50 % der mikroskopisch in Stuhlproben beobachtbaren Mikroorganismen nicht kultivieren lassen.^[6][7][8]

Die Darmflora besteht zu 99 % aus vier bakteriellen Abteilungen (Phyla = Stämmen): Firmicutes, Bacteroidetes, Proteobacteria und Actinobacteria ^[9] Bei Menschen mittleren Alters werden im Dickdarm fast ausschließlich obligate Anaerobier (Bacteroides, Bifidobacterium, Eubacterium, Clostridium, Fusobacterium, Ruminococcus, Roseburia) gefunden, während sich die Dünndarmmikroflora hauptsächlich aus fakultativ anaeroben Bakterien wie beispielsweise Enterococcus- und Lactobacillus-Arten zusammensetzt. Das wohl bekannteste Bakterium der Darmflora ist Escherichia coli. Von der Art Escherichia coli gibt es verschiedene Biovare. Einige dieser Biovare sind als Darmbewohner des Menschen völlig harmlos, andere jedoch pathogen: enterohämorrhagische E. coli (EHEC), enteropathogene E. coli (EPEC), enteroinvasive E. coli (EIEC), enterotoxische E. coli (ETEC). Ihren hohen Bekanntheitsgrad verdankt Escherichia coli der Tatsache, dass sie einfach zu kultivieren ist und in der Mikrobiologie als Modellorganismus verwendet wird.

Nutzen, Funktion, Bedeutung

Im Darm befinden sich rund zehn Mal mehr Mikroorganismen, als der Organismus des Menschen Zellen enthält. Im Dickdarm befinden sich sehr viel mehr Mikroorganismen als im Dünndarm. Die Intestinalmikroflora ist an der Abwehr von Krankheitserregern (Kolonisationsresistenz) beteiligt und beeinflusst auch das Immunsystem, wobei nicht ganz klar ist, ob sich für den Wirt insgesamt ein Vorteil ergibt. Experimente mit von Mikroorganismen freien und normalen Mäusen haben gezeigt, dass verschiedene Bakterien und Amöben durch die Anwesenheit der Darmflora erst pathogen werden, hingegen werden die negativen Auswirkungen von einigen anderen eukaryotischen Einzellern und Saugwürmern verringert.^[10] Die Konstanz der Milieubedingungen im Darm und die Vielseitigkeit der in Form der Nahrung zugeführten Substrate begünstigen die Entwicklung einer an Individuen- und Arten-Zahl und Aktivitäten äußerst komplexen Mikroorganismengesellschaft. Nahrungsbestandteile und vom menschlichen Organismus gebildete Stoffe dienen den Mikroorganismen als Nährstoff- und Energiequelle. Die Mikroorganismen haben verschiedene Wirkungen auf den Menschen wie

• Immunmodulation^[11]
• Versorgung mit Vitaminen (Thiamin, Riboflavin, Pyridoxin, B₁₂, K)
• Unterstützung der Verdauung von Nahrungsbestandteilen^[12]
• Versorgung der Darmepithelschicht mit Energie (Butyrat)^[12]
• Anregung der Darmperistaltik
• Produktion von kurzkettigen Fettsäuren (Butyrat, Essigsäure, Propionsäure)^[12]
• Detoxifizierung von Xenobiotika ^[13]

Im Verlauf des mikrobiellen Abbaus unverdaulicher Kohlenhydrate (sog. Ballaststoffe) kommt es im menschlichen Darm zur Bildung von kurzkettigen Fettsäuren (hauptsächlich Essig-, Propion- und Buttersäure) und der Gase Wasserstoff (H₂), Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Methan (CH₄). Die Fettsäuren werden von den Darmepithelzellen aufgenommen und verstoffwechselt, die Gase ausgeschieden (Flatulenz, Blähungen). Unter den kurzkettigen Fettsäuren wird besonders der Buttersäure auf Grund ihrer physiologischen Effekte eine besondere Bedeutung zugesprochen. So ist beispielsweise eine verminderte intestinale Buttersäurekonzentration bei Darmkrebs beobachtet worden.^[12] Eine weitere Funktion der kurzkettigen Fettsäuren ist die Anregung der Darmperistaltik, der kontraktiven Bewegung des Darms zur Beförderung von Nahrungsbrei in Richtung Enddarm.

Verstoffwechselung bakteriell gebildeter kurzkettiger Fettsäuren

Bei der anaeroben Verstoffwechselung von Proteinen werden ebenfalls kurzkettige, aber auch verzweigtkettige Fettsäuren gebildet (iso-Valeriansäure, iso-Buttersäure). Daneben können noch Produkte wie Thiole (Mercaptane), Indole, Amine und Schwefelwasserstoff (H₂S) gebildet werden. Im geringen Maße wird auch Stickstoff (N₂) nachgewiesen. Fette werden unter anoxischen Bedingungen im Darm nicht verstoffwechselt.

Die Darmflora beeinflusst auch das Körpergewicht und spielt eine Rolle bei der Fettsucht (Adipositas). Aus Experimenten an „dicken“ (engl. „obese“) Mäusemutanten (ob/ob), denen der Fettsäureregulator Leptin fehlt, ist bekannt, dass sich die Darmflora von dicken und schlanken Mäusen hinsichtlich der Zusammensetzung des Verhältnisses von Bakterien der Gattung Bacteroides und des Stamms (Abteilung) der Firmicutes unterscheidet, wobei dicke Mäuse einen größeren Anteil an Firmicutes aufweisen. Auch die Darmflora des Menschen hat Einfluss auf das Körpergewicht. Das Verhältnis zwischen dem Anteil an Firmicutes und Bacteroides ist in schlanken und dicken Individuen verschieden, bei dicken ist es zu Firmicutes verschoben. Das Verhältnis ist dynamisch und korreliert mit Veränderungen im Körpergewicht, sodass sich bei einer Gewichtsreduktion das Verhältnis von Firmicutes zu Bacteroides hin verschiebt. Die gegenseitige Beeinflussung der Zusammensetzung der Darmflora und des Körpergewichtes wird mit der Energieaufnahme in Zusammenhang gebracht, weil durch die Zusammensetzung der Darmflora die Verdauung von Fettsäuren und Polysacchariden beeinflusst wird. Dies geht aus Experimenten hervor, in denen die Darmflora (aus dem Caecum) von dicken Mäusen in Mikroorganismen-freie Mäuse transplantiert wurde, und diese anschließend, trotz Verringerung der Nahrungszufuhr, an Gewicht zunahmen.^{[14][15][16][17]}

In ihrer Funktion als Kommensalen verhindern die Mikroorganismen durch ihre bloße Menge ein Überwuchern von pathogenen Mikroorganismen, wie dies durch Clostridium difficile bei der pseudomembranösen Kolitis geschieht. Umgekehrt kann allerdings auch durch die Verabreichung einer Stuhlinfusion (über das Rektum bzw. eine liegende Duodenalsonde) eine therapieresistente pseudomembranöse Kolitis in der Mehrzahl der Fälle ausgeheilt werden, wie Studien ^[18][19] zeigten. Über Erfolge bei anderen chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen wurde ebenfalls berichtet.

Mit etwa 30 % der Trockenmasse ist die Darmflora ein wesentlicher Bestandteil der Fäzes.

Fehlbesiedelung des Darms

Veränderungen der Darmflora können in einer Unter- oder Überbesiedelung und in einer Veränderung ihrer Zusammensetzung bestehen. Es können Fehlbesiedelungen entweder im Dick- oder im Dünndarm, oder bei beiden gleichzeitig auftreten.

Symptome

Diese umfassen allgemein Bauchschmerzen, Blähungen, eine erhöhte Infektanfälligkeit sowie Anfälligkeit für Nahrungsmittelunverträglichkeiten. Bei einer gestörten Dünndarmflora tritt ein Blähbauch ohne abgehende Darmgase auf, der Bauch verflacht über Nacht wieder. Bei einer Fehlbesiedelung des Dickdarms dagegen tritt der Blähbauch mit abgehenden Darmgasen auf.

Diagnose

Um auf eine Fehlbesiedelung zu prüfen, wird zuerst zum Ausschluss einer Dünndarmfehlbesiedlung ein Lactulose-H₂-Atemtest durchgeführt, auch zusätzlich ein ausführlicher H₂-Atemtest mit Laktose oder Fruktose, da diese Unverträglichkeiten einer bakteriellen Überbesiedelung aufgelagert sein können. Wenn eine Fehlbesiedelung des Dünndarms ausgeschlossen wurde, kann zusätzlich mit Hilfe einer Stuhlprobe der Darmflorastatus/Kyberstatus ermittelt werden, um auf eine Fehlbesiedelung des Dickdarms zu prüfen.

Behandelnder Arzt

Normalerweise sollte ein Gastroenteorologe in der Lage sein, diese Diagnose zu stellen. Leider ist Fehlbesiedelung des Darms auch unter Experten relativ unbekannt. Meist weiß der Arzt weder, dass es eine Fehlbesiedelung geben kann, noch, wie man sie korrekt überprüft. Dementsprechend sind davon abzugrenzende Krankheiten wie zum Beispiel die Fruktosemalabsorption auch eher unbekannt. Eine korrekte Diagnose zu erhalten, ist selbst mit vorhandenem Gerät nicht einfach, da viele Ärzte den Test nicht richtig durchzuführen wissen und auch das Messergebnis nicht korrekt zu deuten vermögen. Den Darmflorastatus/Kyberstatus kann man in einigen Labors prüfen lassen, allerdings übernehmen normalerweise die gesetzlichen Krankenkassen die Kosten für einen derartigen Test nicht. Die Labors haben meist eine Liste, über die man erfahren kann, welche Ärzte diesen Test durchführen. ^[20]

Forschungsgeschichte

Da entdeckt wurde, dass Bakterien Krankheiten verursachen können, hielt man die Existenz der Darmflora nach ihrer Entdeckung für eine Krankheit, der man den Namen „intestinale Toxämie“ gab. Sir Arbuthnot Lane, der Chirurg des britischen Königshauses, empfahl seinen Patienten, sich wegen der gefährlichen Eingeweidebewohner den Dickdarm entfernen zu lassen. Darmreinigungen kamen bei Ärzten sehr in Mode. In der weiteren Folge wurde das Thema von der Forschung weitgehend ignoriert. Die anaeroben Mikroorganismen konnten im Labor nicht untersucht werden.

Erst das Aufkommen der Antibiotika, deren bakterientötende Eigenschaft auch die Darmflora beschädigte, und die Folgen dieser Schädigung brachten das Thema zurück auf die Agenda der Forschung. Letztlich blieben aber wegen der praktischen Schwierigkeiten zunächst große Fortschritte aus. Dies lag daran, dass mit den klassischen Kulturtechniken nur ein Bruchteil der Darmmikrobiota nachgewiesen werden konnte. Das Bild der Zusammensetzung der Darmflora hat sich seit Einführung molekularer Techniken teilweise grundlegend geändert. ^[21]

Beeinflussung der Darmflora

Zunächst wird bei einer Vaginalgeburt sofort der Darm des Säuglings besiedelt. Anfänglich sind Enterobakterien und Streptokokken im Stuhl nachweisbar, und bei Muttermilch-Ernährung sind bald Bifidobakterien und Ruminococcus-Arten vorherrschend. Es besteht ein Zusammenhang zwischen mütterlicher Vaginalflora und fetaler Darmflora bei Vaginalgeburten.^[22][23][24]

Inwieweit die Darmflora durch die spätere Zuführung von Mikroorganismen beeinflusst werden kann, ist wissenschaftlich umstritten. Die dabei eingesetzten Probiotika – lebende Mikroorganismen (Bakterien oder Hefen) – lassen aufgrund der durchgeführten Doppelblindstudien eine positive Wirkung bei akuten Durchfallerkrankungen bei Kindern, der Verhinderung Antibiotika-induzierter Durchfälle und Colitis ulcerosa aber möglich erscheinen.^[25]

Nach den Ergebnissen jüngster Forschungen wird auch Blis als mögliche Sanierung empfohlen. In einer Studie wird zudem der positive Einfluss auf den Darmzustand durch Probiotika-Gabe bestätigt.^[26]

Siehe auch

• Bakterienflora
• Hautflora
• Scheidenflora

Literatur

• Jörg Blech: Leben auf dem Menschen - Die Geschichte unserer Besiedler. Rowohlt Verlag 2010
• Peter Brookesmith, Karin Prager: Kleine Ungeheuer, Die geheime Welt der winzigen Lebewesen, Gondrom-Verlag, 1999, S. 55-59.
• Müller, Ottejann, Seifert (Hg): Ökosystem Darm - Morphologie. Mikrobiologie.Immunologie. Springer-Verlag, Berlin 1989.
• Rosemarie Blatz: Medizinische Mikrobiologie und Immunologie - systematisch. Uni-Med, Bremen 1999.
• Schulze et al.: Probiotika; Mikroökologie,Mikrobiologie, Qualität, Sicherheit und gesundheitliche Effekte, Sonderausgabe Thieme- Verlag, erschienen im Hippokrates-Verlag, 2008.

Weblinks

• Vitalpilze Darmflorastörung
• Mikrooek

Einzelnachweise

1. ↑ Nature. Band 442, 24. August 2006, S. 851
2. ↑ Dominguez-Bello MG, Costello EK, Contreras M, et al.: Delivery mode shapes the acquisition and structure of the initial microbiota across multiple body habitats in newborns. In: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.. 107, Nr. 26, Juni 2010, S. 11971–5. doi:10.1073/pnas.1002601107. PMID 20566857.
3. ↑ Sonnenburg, J. L. et al.: Getting a grip on things: how do communities of bacterial symbionts become established in our intestine?. In: Nat Immunol. 5, Nr. 6, 2004, S. 569-573. PMID 15164016.
4. ↑ DN. Fank DN et al.: Molecular-phylogenetic characterization of microbial community imbalancers in human inflammatory bowel diseases. In: Proc Natl Acad Sci USA 2007:104:13780-13785
5. ↑ M. Wilson: Microbial Inhabitants of Humans. Their Ecology and Role in Health and Disease. Cambridge University Press, Cambridge 2005, ISBN 0-521-84158-5.
6. ↑ Guarner, F. and Malagelada, J. R.: Gut flora in health and disease. In: Lancet. 361, Nr. 9356, 2003, S. 512-519. PMID 12583961.
7. ↑ Suau, J. L. et al.: Direct analysis of genes encoding 16S rRNA from complex communities reveals many novel molecular species within the human gut. In: Appl Environ Microbiol. 65, Nr. 11, 1999, S. 4799-4807. PMID 10543789.
8. ↑ Guarner, F. et al.: Mechanisms of disease: the hygiene hypothesis revisited. In: Nat Clin Pract Gastroenterol Hepatol.. 3, Nr. 5, 2006, S. 275-284. PMID 16673007.
9. ↑ P.B.Eckburg, D.A. Relman: The role of microbes in Crohn's disease. In: Clin Infect Dis 2007;44:256-262
10. ↑ L.Q. Vieira, M.R. Oliveira, E. Neumann, J.R. Nicoli, E.C. Vieira. Parasitic infections in germfree animals. Braz J Med Biol Res, January 1998, Volume 31(1) 105-110
11. ↑ Rakoff-Nahoum, S. et al. Cell 2004; 118:229-241
12. ↑ ^{a b c d} Wolin, M.J. & Miller, T.L. Carbohydrate fermentation. In Human intestinal microflora in health and disease. Hentges, D.J. (Ed.) Academic Press Inc., New York, USA 1983
13. ↑ S. R. Gill et al: Metagenomic analysis of the human distal gut microbiome. In: Science 2006;312:1355-1359
14. ↑ Ley RE, Turnbaugh PJ, Klein S, Gordon JI. Microbial ecology: human gut microbes associated with obesity. Nature. 2006 Dec 21;444(7122):1022-3.
15. ↑ Turnbaugh PJ, Ley RE, Mahowald MA, Magrini V, Mardis ER, Gordon JI. ”An obesity-associated gut microbiome with increased capacity for energy harvest.” Nature. 2006 Dec 21;444(7122):1027-31.
16. ↑ Bäckhed F, Manchester JK, Semenkovich CF, Gordon JI. “Mechanisms underlying the resistance to diet-induced obesity in germ-free mice.” Proc Natl Acad Sci U S A. 2007 Jan 16;104(3):979-84. Epub 2007 Jan 8.
17. ↑ Bäckhed F, Ding H, Wang T, Hooper LV, Koh GY, Nagy A, Semenkovich CF, Gordon JI. “The gut microbiota as an environmental factor that regulates fat storage.” Proc Natl Acad Sci U S A. 2004 Nov 2;101(44):15718-23. Epub 2004 Oct 25.
18. ↑ Bacteriotherapy Using Fecal Flora: Toying With Human Motions. Borody, Thomas J et al; Journal of Clinical Gastroenterology 2004
19. ↑ Literaturübersicht der FecalTransfusionFoundation.org
20. ↑ [1]
21. ↑ Deutsches Institut für Ernährungsforschung: Gatrointestinale Mikrobiologie
22. ↑ C. F. Favier, E. E. Vaughan, W. M. De Vos, A. D. Akkermans: Molecular monitoring of succession of bacterial communities in human neonates. In: Appl. Environ. Microbiol.. 68, Nr. 1, Januar 2002, S. 219–226. PMID 11772630. Volltext bei PMC: 126580.
23. ↑ C. Palmer, E. M. Bik, D. B. DiGiulio, D. A. Relman, P. O. Brown: Development of the human infant intestinal microbiota. In: PLoS Biol.. 5, Nr. 7, Juli 2007, S. e177. doi:10.1371/journal.pbio.0050177. PMID 17594176. Volltext bei PMC: 1896187.
24. ↑ R. Mändar, M. Mikelsaar: Transmission of mother's microflora to the newborn at birth. In: Biol. Neonate. 69, Nr. 1, 1996, S. 30–35. PMID 8777246.
25. ↑ Haben Probiotika eine belegte Wirkung?
26. ↑ Probiotic Escherichia coli Nissle 1917 Inhibits Leaky Gut by Enhancing Mucosal Integrity