Die Interaktion von Mikroben und Gehirn

Philosophische Spekulationen über die Macht des Mikrobioms sind faszinierend, werden aber von bisherigen wissenschaftlichen Erkenntnissen nicht gestützt. Allerdings zwingt uns die Wissenschaft vom menschlichen Mikrobiom, unsere Position auf der Erde neu zu bewerten. Wir Menschen sind in Wirklichkeit Superorganismen, zusammengesetzt aus menschlichen und mikrobischen Komponenten, die untrennbar miteinander verbunden und aufeinander angewiesen sind.

Kommunikation über drei Kanäle
Vorklinische und klinische Studien haben die wechselseitige Kommunikation zwischen Hirn, Darm und den Billionen von Mikroorganismen demonstriert, die im Darm leben. Darmmikroben kommunizieren über mindestens drei parallele und interagierende Kommunikationskanäle mit dem zentralen Nervensystem, woran nervliche, endokrine und Immunsignalisierungsmechanismen beteiligt sind. Das Hirn kann andererseits die Gemeinschaftsstruktur und Funktion der Darmmikrobiota über das autonome Nervensystem beeinflussen.

Diese Nervensignale aus dem Hirn können die regionale aktive Beweglichkeit des Darms, Darmtransit und Sekretion sowie seine Durchlässigkeit modulieren, wodurch sich die Bedingungen des intestinalen Lebensraumes der Mikroben verändern. Darüber hinaus liegen Beweise vor, dass Norepinephrin, der bei Stress aktivierte Hauptneurotransmitter des sympathischen Nervensystems, die mikrobielle Funktion direkt ändern kann, wodurch die Mikroben aggressiver gegenüber dem Wirt werden.

Eine Reihe von größtenteils vorklinischen Beobachtungen an Mäusen deutet darauf hin, dass Veränderungen in der Kommunikation zwischen Hirn und Darmmikroben eine Modulation emotionaler Verhaltensweisen sowie der Pathogenese und Pathophysiologie etlicher häufiger Krankheitsbilder bewirkt, zum Beispiel Depressionen, das Reizdarmsyndrom, Adipositas und sogar Morbus Alzheimer und Morbus Parkinson. Die Mediatoren und Kommunikationskanäle, die diesen Zusammenhängen zu Grunde liegen, sind im Wesentlichen noch unbekannt. Warum jedoch sind die unsichtbaren Mikroben, die tief in unseren Gedärmen leben, in der Lage, mit dem Hirn als komplexestem Organ unseres Körpers zu kommunizieren?

Die Erklärung hierfür ergibt sich aus der Entwicklungsgeschichte des Gehirns. Im Ozean lebende Mikroben waren fast vier Milliarden Jahren lang die Hauptlebensform auf der Erde. Dann begannen einige Mikroben, im Inneren von winzigen primitiven Meerestieren zu leben, die als Hydra bezeichnet wurden und im Wesentlichen treibende Verdauungsröhren waren, die von Nervennetzen umgeben waren. Die Mikroben begannen, mit diesen Nervennetzen zu kommunizieren und tauschten Gene zur Produktion von Neurotransmittern.

Verdauungsröhre mit Nervennetz
Diese symbiotischen Interaktionen zwischen Mikroben und einem primitiven Nervensystem waren der Anfang des enterischen Nervensystems, das heute unsere Darmfunktionen regelt. Die Neurotransmitter aus dem Darm wurden mit allmählicher Entwicklung eines zentralen Nervensystems in der Evolution in unser Hirn übertragen, wodurch die gleiche chemische Sprache, die von den ersten Darmmikroben übernommen wurde, in unserem Nervensystem etabliert wurde.

Pränatale Programmierung
Beeinflussen Darmmikroben unsere Emotionen? Unsere Bauchgefühle? Unsere Entscheidungen? Die Antwort scheint, bezogen auf Funde in experimentellen Mausmodellen, Ja zu lauten. Bislang gibt es jedoch wenig experimentelle oder klinische Beweise, dass derartige Einflüsse bei erwachsenen Menschen eine gleichermaßen bedeutsame Rolle spielen. Menschen ändern ihre Emotionen oder ihre Entscheidungsfindung nicht, wenn die Darmmikroben durch Einnahme von Antibiotika, probiotischen Nahrungsergänzungsmitteln oder nach einer Mahlzeit deutlich reduziert werden.

Und Patienten mit Colitis ulcerosa, denen der gesamte Dickdarm chirurgisch entfernt wird (in dem der überwiegende Teil der Darmmikroben lebt), bemerken in der Regel keine Auswirkung auf ihre Emotionen oder Fähigkeit, Entscheidungen zu treffen. Man kann andererseits spekulieren, dass die 100 Billionen Mikroorganismen, die im Inneren unseres Verdauungssystems leben und etwa 60 Prozent aller Zellen unseres Körper ausmachen, irgendeinen Einfluss auf unser Hirn haben müssen. Die Antwort liegt in der körperlichen Entwicklung des Menschen.

Die Zusammensetzung unserer Darmmikroben startet sehr früh im Leben, genau gesagt während der Schwangerschaft und den ersten drei Lebensjahren. Während desselben Zeitraums durchläuft unser Hirn eine rasche Entwicklung, die durch von den Darmmikroben kommende Signale beeinflusst wird. Aktuelle wissenschaftliche Beweise legen nahe, dass während dieser Entwicklungsperiode die Darmmikroben und die von ihnen produzierten Signalisierungsmoleküle den wichtigsten Einfluss auf unser Hirn haben.

In dieser frühen Programmierung der Interaktion zwischen Hirn und Darmmikrobiom spielen viele Faktoren eine Rolle, beispielsweise Ernährung, Stressbelastung, Medikamente, Art der Entbindung (vaginal oder Kaiserschnitt), Muttermilch sowie Stress und Antibiotika, denen der Säuglings ausgesetzt ist. Das ist vermutlich auch der Grund, weshalb Säuglinge, die zu früh geboren wurden und die ersten Monate ihres Lebens auf der Intensivstation eines Krankenhauses verbringen mussten, eher emotionale Störungen während ihres Erwachsenenlebens entwickeln als andere Babys.

Das Mikrobiom bleibt stabil
Nachdem in diesem Zeitraum die mikrobielle Architektur und das Hirn-Darmmikrobiom-System programmiert wurden, bleibt es dann für den Rest des Lebens relativ stabil. Auch wenn die grundlegende Zusammensetzung unseres Darmmikrobioms früh im Leben etabliert wurde, werden ihre Funktionen und ihre Fähigkeiten zum Modulieren der Hirnfunktion durch etliche Faktoren während des Erwachsenenlebens beeinflusst, insbesondere durch Stress, Emotionen, Ernährung und Antibiotika.

Eine größtenteils pflanzliche Ernährung erhöht die Reichhaltigkeit und Diversität der Darmmikroben, während die typische westliche Ernährungsweise mit hohem Fettgehalt, hohem Zuckergehalt und niedrigem Ballaststoffgehalt den gegenteiligen Effekt hat. Bei einigen Patienten, die wiederholt Antibiotikadosen erhalten, wird in ähnlicher Weise die Diversität der Darmmikroben reduziert. Untersuchungen zeigen, dass psychosozialer Stress die Reichhaltigkeit an bestimmten Mikroben verringert, insbesondere die der Lactobacillus-Gruppe, die den Tryptophan-Stoffwechsel beziehungsweise die Produktion von Serotonin beeinflusst, das bei Gemütslage, Schmerzempfindlichkeit und Schlaf eine bedeutsame Rolle spielt.

Die Annahme, dass chronische negative Emotionen (Depression, Ängstlichkeit, Furcht) die Produktion von mikrobiellen Signalisierungsmolekülen ebenfalls ändern, erscheint plausibel. Einige dieser Moleküle verfügen entweder über den Vagusnerv oder den Blutstrom über eine Rückkopplung an das Hirn, was dessen Funktion beeinflusst. Auch wenn unwahrscheinlich ist, dass diese Mechanismen emotionale und kognitive Funktionen akut beeinflussen können, ist es doch wahrscheinlich, dass Darmmikroben eine Rolle bei der Pathophysiologie von neurodegenerativer Erkrankungen wie Morbus Alzheimer und Morbus Parkinson spielen können.

Hinweise für die Gesundheit
Die neue Wissenschaft des Hirn-Darmmikrobioms hält wichtige Hinweise für unsere Gesundheit im Allgemeinen und insbesondere unsere Hirngesundheit bereit. Die wichtigste ist vermutlich, dass wir verstärkt auf die vielen Einflüsse während der Entwicklung und Programmierung der Interaktion von Hirn und Darmmikrobiom schon in der frühen Lebensphase, besser Pränatalperiode achten müssen. Der Anstieg an Neuroentwicklungsstörungen, wie bei verschiedenen Formen von Autismus, Depressionen, Angst- und Aufmerksamkeitsdefizitstörungen in den letzten 30 Jahren ist sicherlich wenigstens teilweise auf eine Beeinträchtigung der Programmierung von Hirn-Darmmikrobiom-Interaktion zurückzuführen.

Der zweite Hinweis hängt mit der Bedeutung einer gesunden Ernährung zusammen: Sie sollte reich an Komponenten auf Pflanzenbasis sowie zuckerund fettarm sein. Drittens müssen wir unbedingt auf unnötige Antibiotikaeinnahme verzichten und viertens dauerhaft negative emotionale Zustände sowie übermäßigen Stress minimieren. Es ist ziemlich wahrscheinlich, dass der Anstieg neurodegenerativer Erkrankungen während der letzten Jahrzehnte durch ungesunde Ernährung und negativen emotionale Einflüssen auf die Hirn-Darmmikrobiom-Interaktionen hervorgerufen wurde.

Immer wieder steht die Frage im Raum, ob sich diätetische Nahrungsergänzungsmittel wie Prä- und Probiotika für eine gesunde Interaktion zwischen Darm und Hirn günstig auswirken oder nicht – so übrigens auch beim Gut Microbes for Health Summit vor kurzem in Rom. Bislang gibt es keine befriedigende Antwort beziehungsweise keine ausreichenden wissenschaftlichen Belege dafür, dass irgendeines dieser Mittel einen größeren Nutzen hat. Eine gesunde Lebensweise scheint der effektivere Weg zum Schutz von Darm und Hirn zu sein.

Computer im Einsatz für Therapien
Unser Verständnis des komplexen Miteinanders von Hirn und Darmmikroben, steckt noch in den Kinderschuhen. Wenn man die rasche Entwicklung neuer und leistungsfähigerer Analyse- und Computertechniken betrachtet, besteht Grund zu der Annahme, dass damit neue effektive Therapien für häufige Neuroentwicklungsund neurodegenerative Erkrankungen entwickelt werden können, die auf Veränderungen der Hirn-Darmmikrobiom-Interaktionen zielen.

Prof. Dr. Emeran Mayer