Darmmikrobiom

Allgemeines

Die intestinale Mikrobiota ist die Gesamtheit aller Mikroorganismen im Gastrointestinaltrakt, während das intestinale Mikrobiom das kollektive Genom dieser Mikroorganismen ist. Ein Darmmikrobiom besteht aus Bakterien, Pilzen, Einzellern, Archaeen und Viren.

Der Begriff „Darmflora“ ist veraltet. Die Bezeichnung „Flora“ kommt von der ursprünglichen Annahme Bakterien und ähnliche Mikrororganismen würden zu den Pflanzen zählen. Heute werden Bakterien als eigene Domäne gesehen, weshalb sich inzwischen der Begriff Darmmikrobiom durchgesetzt hat,

Das Darmmikrobiom ist ein komplexes und dynamisches bakterielles Ökosystem. Während des Geburtsprozesses und kurz danach erfolgt die erste bakterielle Besiedlung des voher sterilen Darmtraktes. Die Besiedlungsdichte des Darms ist anfangs gering und steigt mit zunehmendem Lebensalter stetig an.

Die Zusammensetzung des Darmmikrobioms ist abhängig von der Tierart und von den gegebenen Umweltbedingungen wie pH-Wert und Nahrungsangebot.

Bei Hunden und Katzen sind Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria und Fusobacteria die vorherrschenden Stämme (Ziese, Suchodolski 2021). Bei Pferden sind Firmicutes, Bacteroidetes, Verrucomicrobia und Proteobacteria am stärksten vertreten (Hader, Schieder 2022).

Beim Kaninchen wird die Entwicklung des Darmmikrobioms bei Jungtieren mit vom Nahrungsangebot bestimmt. Bei Jungkaninchen dominieren strikten Anaerobiern. Laktobazillen und Clostridien treten erst bei der Verfütterung von Grünfutter auf. Colibakterien fehlen anfänglich meistens und sind später in Abhängigkeit verschiedener Umweltfaktoren zu finden (Fekete 1991).

Nach Matthes (1981) besteht das Mikrobiom beim Kaninchen vorwiegend aus grampositiven Keimen (Laktobazillen, Bazillen). Im Blinddarm ist die häufigste Gattung Bacteroides. Die Anzahl der aeroben Bakterien beträgt 0 bis 102 KbE/g, die der anaeroben Bakterien 0 bis 106 KbE/g im Nahrungsbrei. Außerdem kommen im Blinddarm Protozoen in einer Konzentration von 106 KbE/g vor (Lelkes und Chang 1987). Bei gleichbleibener Fütterung bleibt das Mikrobiom weitestgehend konstant.

Info – Bakterien Bezeichungen

Grampositiv – Gramnegativ
Mit Hilfe einer differenzierenden Färbung von Bakterien für die mikroskopische Untersuchung können Bakterien in zwei große Gruppen eingeteilt werden. Sie unterscheiden sich im Aufbau ihrer Zellwände. Allerdings können nicht alle Bakterienarten durch diese Technik klassifiziert werden.

Anaerob – aerob
Als aerob bzw. Aerobier werden Lebewesen bezeichnet, die elementaren Sauerstoff benötigen. Anaerobier hingegen sind nicht auf elementaren Sauerstoff angewiesen.

Funktion des Darmmikrobioms

Ein gesundes Mikrobiom erfüllt vielschichtige wichtige Funktionen. Die Mikroorganismen spielen in verschiedenen Bereichen wie der Verdauung, der Nährstoffversorgung und der Überbrückung von Mangelzeiten sowie dem Immunsystem eine wichtige Rolle.

Verdauung und Stoffwechsel

Das Darmmikrobiom ist an verschiedenen Stoffwechselvorgängen beteiligt.

Einige Bakterien sind in der Lage Nahrungsbestandteile zu verwerten, welche die Verdauungsfermente des Tieres nicht zerlegen können. Dadurch sind Tiere wie Beispielweise Kaninchen oder Pferde in der Lage ein breiteres Spektrum an Nahrungsbestandteilen zu nutzen. So können Beispielsweise verschiedene eher unverdauliche Kohlenhydrate besser verwertet werden. Allerdings ist die zellulolytische Aktivität eher gering. Die für den Aufbau von Monosaccharide notwenige Energie wird beim Kaninchen nicht hauptsächlich durch den Abbau von Zellulose, sondern nutzen die Zucker Pektin und Xylan erzeugt (Fekete 1993).

Die Hauptprodukte der mikrobiellen Verwertung sind die kurzkettigen Fettsäuren Butyrat, Propionat und Azetat. Diese dienen der Energiegewinnung. Beim Pferd werden Beispielsweise 65% des Gesamtenergieverbrauchs über kurzkettige Fettsäuren gedeckt (Jassim 2009). Die Energie ist unter anderem für die Versorgung der Darmepithelschicht mit Energie von Bedeutung. Das von den Bakterien gebildete Butyrat (Buttersäure, eine Fettsäure) regt die Darmperistaltik an.

Auuh spielt die Darmmikrobiota eine wichtige Rolle bei der Synthese bestimmter Vitamine. Dazu zählen B-Vitamine und Vitamin K

Durch die Bereitstellung von Phytase sind Kaninchen in der Lage Phosphor auch aus komplexeren Phosphorverbindungen wie Phytaten zu nutzen (Korn 2015).

Das Darmmikrobiom spielt auch im Zusammenhang mit Übergewicht eine Rolle. Experimente zeigen, dass sich das Mikrobiom von übergewichtigen und schlanken Mäusen hinsichtlich der Zusammensetzung des Verhältnisses von Bakterien der Gattung Bacteroides und des Stamms der Firmicutes unterscheidet. Übergewichtige Mäuse weisen einen größeren Anteil an Firmicutes auf. Diese Verhältnis ist dynamisch und abhängig von einer Veränderung im Körpergewicht. Wird das Gewicht reduziert verschiebt sich das Verhältnis von Firmicutes hin zu Bacteroides. Diese Beeinflussung wird mit der Energieaufnahme in Zusammenhang gebracht, da das Mikrobiom die Verdauung von Fettsäuren und Polysacchariden beeinflusst. Dies zeigen Experimente in denen das Mikrobiom aus übergewichtigen Mäusen in Mäuse ohne Mikrobiom transplantiert wurde und diese trotz Verringerung der Nahrungszufuhr an Gewicht zunahmen (Ley 2006; Turnbaugh 2006; Bäckhed 2004; Bäckhed 2007).

Immunsystem

Das Darmmikrobiom verhindert die Ansiedlung von pathogenen Bakterien (Kolonisationsresistenz) und ist damit an der Abwehr von Krankheitserregern beteiligt.

Allerdings haben Experimente an Mäusen ohne Darmmikrobiom gezeigt, dass einige Mirkoorganismen erst durch die Anwesenheit eines Darmmikrobioms pathogen werden. Andererseits können die negativen Auswirkungen von einigen anderen eukaryotischen Einzellern und Saugwürmern verringert werden (Vieira 1998).

Stoffwechselprodukte wie Fettsäuren aus dem Darmmikrobiom spielen eine wichtige Rolle bei Entzündungssignalen (Yoo 2020). Sie interagieren direkt und indirekt mit dem Immunsystem. Die Fettsäuren gelten als einer der häufigsten Metaboliten des Darmmikrobioms und haben die Fähigkeit Entzündungen im Darm zu reduzieren, schützen vor Krankheitserregern und erhalten die Integrität der Barriere aufrecht.

Bakteriengruppen	Nährstoffquelle	Entstehender Metabolit	Nutzen (in physiologischer Menge)	Risiko (in abnormalen Konzentrationen)
Verschiedene wie Faecalibacterium, Ruminococcus, Bacteroides, Blautia)	Kohlenhydrate	Fettsäuren (SCFAs)	Entzündungshemmend Aufrechterhaltung der intestinalen Barrierefunktion Regulierung der Motilität Energiequelle systemisch und lokal für Epithelzellen	Je nach Fettsäure können Virulenzfaktoren pathogener Bakterien aktiviert werden
Clostridium hiranonis (Hunde und Katzen)	Gallensäuren	Sekundäre Gallensäuren	Entzündungshemend Wachstumshemmend für pathogene Bakterien	Primäre Gallensäuren können im Übermaß zu Durchfall führen
Verschiedene wie C perfringens, Bifidobacterium bifidum, Propionibacterium	Fett	Hydroxystearinsäuren		Hohe Konzentrationen führen zu Durchfll
Verschiedene	Tryptophan	P-Kresol		Kann Nierenschäden verstärken
Verschiedene	Tyrosin und Phenylalanin	P-Kresol		Kann Nierenschäden verstärken
Verschiedene	Mycophenolat-Mofetil (Medikament)	MPA		Produziert proinflammatorische Zytokine und verursacht Durchfall

Tabelle 1: Auswirkungen verschiedener Metabolite auf das Darmmikrobiom nach Ziese und Suchodolski (2021)

Schädigung des Darmmikrobioms

Durch Veränderungen des Darmmikrobioms kann es zu Fehlbesiedlungen in verschiedenen Bereichen des Darms kommen. Diese Fehlbesiedlung bezeichnet man als Dysbiose. Folgen können Schmerzen, Blähungen, erhöhte Anfälligkeit für Krankheiten und Nahrungsmittelunverträglichkeiten sein.

Als komplexes und dynamisches bakterielles Ökosystem können verschiedene Faktoren die Zusammensetzung des Darmmikrobioms beeinflussen.Ursachen für eine Veränderung können z.B. eine veränderte Anatomie, Veränderung der Darmbeweglichkeit, eine Abnahme der Magensäureproduktion, eine exokrine Pancreasinsuffizienz oder chronische Darmerkrankungen sein (Ziese und Suchodolski 2021)

Eine wichtige Rolle spielt die Ernährung. Bei einer artgemäßen Ernährung ist bei einem gesunden Tier auch mit einem gesunden Darmmikrobioms zu rechnen. Bei unangepasster Ernährung jedoch kann das Darmmikrobiom verändert werden. Einfluss nehmen sowohl der Nährstoffgehalt, als auch die Zusammensetzung und die Struktur des Futters. So haben Beispielsweise kleine Partikel bei vielen Tierarten eine längere Verweilzeit im Magen-Darm-Trakt als gröbere Strukturen (Jilge 1981). Futter bestehend aus unnatürlich zerkleinerten Bestandteilen geben daher Erregern wie pathogenen Bakterien länger Zeit sich anzusiedeln. Zusätzlich gelangen unnatürlich viele Bestandteile in den Blinddarm, die dort in diesem Ausmaß sonst nicht zu finden sind, wodurch das Darmmikrobiom beeinträchtigt werden kann. Auch ein unnatürlich hoher oder niedriger Gehalt an Nährstoffen kann das Darmmikrobiom verändern. Werden Beispielsweise Kaninchen über längeren Zeitraum mit Futtermitteln mit einem hohen Stärkegehalt (Stärkegehalt der Futterration durchgehend > 20 %; Pelletfutter) kommt es zu einer Beeinträchtigung des Darmmikrobioms und erhöhter Mortalität (Perez et al. 2000). Wird allerdings zu wenig Stärke bei zuviel unverdaulicher Faser gefüttert geht die Bildung von Bakterienprotein zurück und der Gehalt an Ammoniak steigt (Wenger 1997).

Auch Medikamentengabe kann das Darmmikrobiom beeinflussen und schädigen. Vor allem Antibiotika können denen dort lebenden Mikroorganismen schaden. Abgetötet werden Organismen welche nicht resistent sind. So kann sich die Zusammensetzung verändern, was für den Wirt äußert negativ sein kann. Diese Veränderungen können sehr lange anhalten. Neuste Studienergebnisse zeigen, dass nach einer Antibiotikagabe von 7 Tagen noch 2 Jahre später Veränderungen am Darmmikrobiom festzustellen sind (Jernberg et al. 2010).

Dysbioseart	Folgen
Substrate im Darmlumen wie unverdaute Nährstoffe oder Medikamente	Durch Zunahmevon mikrobiellen Metaboliten (z.B. Fettsäuren) die osmotische/sekretorische Wirkung auf den Darm haben kommen es zu Durchfall
Verlust nützlicher kommensaler Bakterien (z. B. C hiranonis)	Gallensäuren werden nicht umgewandelt, es kann zu einer vermehrung pathogener Bakterieen kommen Mangel an entzündungshemmenden, mikrobiell gewonnenen Stoffwechselprodukte
Vermehrung aller Bakterien, insbesondere im Dünndarm	erhöhte Produktion von mikrobiellen Stoffwechselprodukten, es kann zu osmotischem/sekretorischem Durchfall kommen Verstärkte entzündliche Immunreaktion
Bakterien heften vermehrt an der Darmschleimhaut an, invasive Bakterien vermehren sich	Verstärkte entzündliche Darmreaktion

Tabelle 2: Dysbiosearten nach Ziese und Suchodolski (2021)

Präparate zur Unterstützung des Darmmikrobioms

Inzwischen gibt es auf dem Markt einige Futterzusätze, welche das Darmmikrobiom unterstützen sollen. Verwendet werden Präbiotika, welche eine selektive Nahrungsgrundlage für Bakterien in den hinteren Darmabschnitten darstellen sollen. Probiotika hingegen enthalten lebende Mikroorganismen.

Präbiotika

Präbiotika stellen eine selektive Nahrungsgrundlage für Bakterien in den hinteren Darmabschnitten dar. In der Regel handelt es sich um komplexe Kohlenhydrate welche nicht von den körpereigenen Enzymen zerlegt werden können und dadurch dem Darmmirkobiom zu Gute kommen deren Mirkoorganismen diese Kohlenhydrate verwerten können. Bei der Verwertung entstehen Gase und Säuren, dadurch ändert sich der pH-Wert im Darm und verbessert die Kalziumresorption (Zafar 2004; Van den Heuvel 1999).

Da die Präbiotika nur für bestimmte Mikroorganismen als Nahrungsgrundlage dienen, beeinflussen sie auch die Zusammensetzung des Darmmikrobioms. Sie gelten dadurch als gesundheitsförderlich. Allerdings wurde diese Wirkung nicht in allen Untersuchungen nachgewiesen. Es werden auch nicht nur gesundheitsförderliche Mikroorganismen unterstützt (Hartemink et al. 1997) und es können zu große Mengen an Gasen produziert werden, weshalb manche Individuen auch mit kleinen Mengen dieser Präbiotika Probleme bekommen. Eine gesundheitsförderliche Wirkung ist daher individuell.

Beispiele für Präbiotika im Tierfutter:

Inulin
Fructooligosaccharides (FOS)

Diese Präbiotika kommen natürlicherweise auch in Pflanzen wie Beispielsweise Chicorée, Schwarzwurzeln und Topinambur vor.

Probiotika

Probiotika enthalten lebende Mikroorganismen die bei oraler Aufnahme gesundheitsfördernden Einfluss auf den Wirtsorganismus haben sollen. Verwendet werden Organismen wie Milchsäurebakterien oder Hefen, aber auch andere Arten. Unterschieden wird zwischen probiotischen Lebensmitteln (z.B. Joghurt) und probiotischen Arzneien. Sofern die Mikororganismen in probiotischen Lebensmitteln die Magenpassage überstehen sollen sie im Dünn- oder Dickdarm durch Verdrängung oder Produktion antibakteriellen Stoffe einer Fehlbesiedlung entgegenwirken. Dadurch können sie aber auch das dort bestehende Gleichgewicht stören. Probiotischen Arzneimitteln sollen zudem das Immunsystem stimulieren.

Allerdings sind die angeblich gesundheitsfördernden Eigenschaften verschiedener probiotischer Stämme nur zu sehr geringen Teilen wissenschaftlich nachgewiesen.

Quellen

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