Ein neuer Blick auf das Mikrobiom und seine Metaboliten
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Eine pflanzliche Ernährung ist gut für die Gesundheit. Sie fördern die Gesundheit des Darms, des Immunsystems, des Stoffwechsels und des Herz-Kreislauf-Systems, unter anderem durch die Förderung einer vielfältigen Darmbakterienflora. Es ist seit langem bekannt, dass diese Vorteile zum Teil auf die Ballaststoffe in pflanzlichen Lebensmitteln zurückzuführen sind, die von unseren kommensalen Darmbakterien verarbeitet werden, sowie auf die oft farbenfrohen „ sekundären Pflanzenstoffe“, die Pflanzen produzieren, um sich vor Umweltbedrohungen zu schützen. Doch es gibt noch viel zu erforschen, wie genau die Bakterien in unserem Darm die Inhaltsstoffe von Gemüse so gesundheitsfördernd verarbeiten.
Zwei Studien unter der Leitung von Jenna AbuSalim und Direktor Joshua Rabinowitz vom Ludwig-Princeton-Institut – eine in der aktuellen Ausgabe der „Proceedings of the National Academy of Sciences“, die andere im Juni in „Nature Metabolism“ veröffentlicht – werfen neues Licht auf diese Frage. Eine Studie zeigt, dass Pflanzenfasern und -proteine den Stoffwechsel der Mikroben umprogrammieren, um die Produktion einer gesundheitsfördernden Art von Stoffwechselprodukten anzukurbeln und gleichzeitig die ihrer schädlichen Gegenstücke zu unterdrücken. Die andere Studie belegt, dass viele physiologisch wichtige Stoffwechselprodukte, die üblicherweise den Darmmikroben zugeschrieben werden, tatsächlich auch in großem Umfang vom Stoffwechsel der Säugetiere selbst produziert werden.
„In verschiedenen medizinischen Disziplinen wächst das Interesse daran, das menschliche Mikrobiom zu beeinflussen oder dessen Stoffwechselprodukte selbst therapeutisch zu nutzen“, sagte Rabinowitz. „Die Ernährung ist vielversprechend, um das Mikrobiom und dessen Stoffwechselprodukte zu steuern. Doch um wirksame therapeutische Maßnahmen zu entwickeln, müssen wir verstehen, welche Aspekte der Ernährung welche mikrobiellen Stoffwechselprodukte beeinflussen.“
Für die PNAS-Studie untersuchten Rabinowitz, AbuSalim und ihre Kollegen, wie pflanzliche Lebensmittel die Konzentrationen von Phenolmetaboliten beeinflussen. Diese Phenole, die durch die bakterielle Verstoffwechselung der Aminosäuren Tyrosin und Phenylalanin entstehen, haben stark unterschiedliche gesundheitliche Auswirkungen. Die eine Gruppe – Phenylpropionat und Hippursäure –, die bei der bakteriellen Verarbeitung von Phenylalanin entsteht, fördert die Darmgesundheit und ein gesundes Körpergewicht. Die andere Gruppe – p-Kresolsulfat und Phenolsulfat –, die aus Tyrosin stammt, wird mit schlechteren Behandlungsergebnissen bei Krebspatienten und systemischer Toxizität bei Patienten mit Nierenerkrankungen in Verbindung gebracht.
„Unsere Studien haben gezeigt, dass sowohl Ballaststoffe als auch unverdauliche Proteine aus Pflanzen – die wir als ‚Ballaststoff-imitierende Proteine‘ oder Prif bezeichnen – das Gleichgewicht der Phenolmetaboliten von den schädlichen, aus Tyrosin gebildeten hin zu den gesundheitsfördernden, aus Phenylalanin stammenden verschieben“, sagte AbuSalim.
Während die Vorteile von Pflanzenfasern allgemein bekannt sind, wurden unverdauliche Proteine aus Pflanzen bislang weitgehend übersehen. AbuSalim, Rabinowitz und Kollegen berichten hier, dass solche Proteine von Darmmikroben verarbeitet werden und dabei die Zusammensetzung des Mikrobioms sowie den Stoffwechsel des Wirts verändern. Darüber hinaus wirken sie gemeinsam mit unverdaulichen Pflanzenfasern darauf hin, die Stoffwechselprogramme der Darmbakterien so umzugestalten, dass die Produktion „guter“ Phenole begünstigt wird.
Indem sie Proteine mit stabilen (nicht-radioaktiven) Isotopen markierten und deren Verdauung im Darm von Mäusen verfolgten, entdeckten die Forscher, dass die „schlechten“ Phenole durch den bakteriellen Abbau von Wirtsproteinen entstehen, wie beispielsweise denen im Darmschleim, während die guten Phenole fast ausschließlich aus den unverdaulichen Nahrungsproteinen (Prif). Ballaststoffe hemmen den bakteriellen Abbau der Darmschleimhaut und verringern so die Produktion der „schlechten“ Phenole. Prif erhöht die Menge an Nahrungsproteinen, die die Darmmikroben erreicht, und damit die Produktion der „guten“ Phenole.
„Wir glauben, dass Prifs eine neue Klasse von Nahrungsnährstoffen darstellen, die die Zusammensetzung des Darmmikrobioms beeinflussen und einen weitreichenden Einfluss auf die Stoffwechselgesundheit haben könnten“, sagte AbuSalim.
„Auf Lebensmittelverpackungen könnte Prif irgendwann direkt unter Ballaststoffen aufgeführt werden“, sagte Rabinowitz.
Die in „Nature Metabolism“ veröffentlichte Studie untersuchte die Quellen von Phenolmetaboliten sowie von Indolmetaboliten, die aus der Aminosäure Tryptophan stammen. Wie Phenole werden auch sie derzeit intensiv auf ihr therapeutisches Potenzial hin untersucht. Indolmetaboliten werden mit Erkrankungen in Verbindung gebracht, die von entzündlichen Darmerkrankungen über neurodegenerative Störungen bis hin zu Krebs reichen, wobei festgestellt wurde, dass sie unter anderem die Krebsmetastasierung und die antitumoralen Immunreaktionen beeinflussen.
Bislang ging man allgemein davon aus, dass sowohl Phenole als auch Indole ausschließlich von Darmbakterien produziert werden – eine Annahme, die AbuSalim, Rabinowitz und ihre Kollegen auf den Prüfstand stellen wollten. Es besteht großes Interesse an der Entwicklung ernährungsbezogener oder probiotischer Strategien zur Steigerung der Konzentrationen gesunder Indol-Metaboliten. Sollte jedoch der Stoffwechsel von Säugetieren den größten Beitrag zu deren Konzentrationen im Blutkreislauf leisten, müssen alternative Ansätze in Betracht gezogen werden.
Wie sich herausstellte, zeigten Isotopen-Tracer-Studien an Mäusen, Ratten und menschlichen Zellen, dass der Stoffwechsel von Säugetieren durchaus in der Lage ist, viele Indol- und Phenol-Metaboliten zu produzieren, darunter mehrere physiologisch wichtige wie Indol-3-lactat und Indol-3-acetat. Bei Mäusen blieben die Konzentrationen der Metaboliten im Blutkreislauf auch nach einer Behandlung mit Antibiotika, die das Mikrobiom stören, auf einem hohen Niveau. Dies spiegelte sich auch in Proben von Patienten wider, darunter Krebspatienten, die Antibiotika erhielten. Dagegen nahmen die ausschließlich von Mikroben produzierten Metaboliten, wie Indol-3-propionat und p-Kresolsulfat, nach einer Antibiotikabehandlung ab.
Insgesamt leisten die Ergebnisse der beiden Studien wichtige Beiträge zu unserem Verständnis der Herkunft und Produktion von Phenol- und Indol-Metaboliten und haben Auswirkungen auf die Entwicklung von Instrumenten und Strategien zur Steuerung ihrer Konzentrationen zu therapeutischen Zwecken.
„Darüber hinaus“, so Rabinowitz, „wird ein klareres Bild davon, wie verschiedene Lebensmittel mit dem Mikrobiom interagieren, um die Produktion bakterieller Metaboliten zu modulieren, dazu beitragen, die Empfehlungen zu präzisieren, die Ernährungswissenschaftler und Ärzte den Menschen zur Krankheitsprävention und -therapie geben können.“
Diese Studien wurden vom Ludwig-Institut für Krebsforschung, den National Institutes of Health, dem National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases, der Princeton Alliance for Collaborative Research and Innovation sowie der Princeton University finanziert.
Neben seiner Tätigkeit als Direktor der Princeton-Niederlassung des Ludwig-Instituts für Krebsforschung ist Joshua Rabinowitz Professor am Fachbereich Chemie und am Lewis-Sigler-Institut für Integrative Genomik sowie Mitglied des Rutgers Cancer Institute.
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