In einem gesunden Darm nehmen die Mikroben im Laufe des Tages zu und ab

In einem gesunden Darm nehmen die Mikroben im Laufe des Tages zu und ab

Salk-Forscher stellen fest, dass Stoffwechselerkrankungen und Fettleibigkeit teilweise durch abnormales Verhalten bestimmter Darmbakterien verursacht werden können

LA JOLLA–Eine einzige Aufnahme aller Bakterien, die im Magen und Darm einer Maus – oder eines Menschen – leben, kann die Gesundheit des Verdauungssystems des Organismus und sogar das Risiko, Immunkrankheiten und Krebs zu entwickeln, erfassen. Aber es könnte mehr als einen Schnappschuss erfordern, um ein vollständiges Bild zu erhalten, haben Salk-Forscher herausgefunden.

Bei einer gesunden, schlanken Maus durchläuft das Darmmikrobiom – die gesamte Ansammlung von Mikroben in ihrem Verdauungssystem – laut neuer Forschung einen komplexen täglichen Zyklus. Einige Bakterien treten beispielsweise nachts am stärksten auf, während andere tagsüber ihren Höhepunkt erreichen. Diese Schwankungen verschwinden jedoch bei fettleibigen Mäusen, was ein Faktor sein könnte, der zu Stoffwechselerkrankungen beiträgt.

„Früher hieß es, dass es nützliche Mikroben und schädliche Mikroben gibt“, sagt der leitende Studienautor Satchidananda-Panda, außerordentlicher Professor bei Salk's Labor für Regulierungsbiologie. „Wir haben festgestellt, dass es komplexer ist. Zu unterschiedlichen Tageszeiten werden unterschiedliche Mikroben benötigt.“

In der neuen Arbeit, veröffentlicht am 2. Dezember 2014 in der Zeitschrift Cell MetabolismPandas Gruppe verglich die Mikrobiome von Mäusen, denen normale Nahrung verabreicht wurde, mit denen von Mäusen, denen fettreiches Futter verabreicht wurde. Anstatt die Darmmikroben der Tiere einmal täglich zu messen, maßen sie alle vier Stunden die Mikrobenpopulationen. Bei den Mäusen, die sich normal ernährten – die nachts essen und tagsüber schlafen – stellten die Forscher zu jedem Zeitpunkt dramatische Schwankungen in den jeweiligen Bakteriengattungen fest. Aber bei den Mäusen, die sich fettreich ernährten – und im Allgemeinen rund um die Uhr fressen, an Gewicht zunahmen und Diabetes entwickelten – blieben die Mikroben konstanter.

Das Muster war bei mehreren Bakterienarten erkennbar, darunter Firmicutes, eine Bakterienart, die andere Wissenschaftler mit Fettleibigkeit und Krankheiten in Verbindung gebracht haben.

„Wir haben gezeigt, dass gesunde Mäuse nachts, wenn sie essen, tatsächlich einen hohen Firmicute-Spiegel haben können, dieser jedoch tagsüber, wenn sie fasten, nachlässt“, sagt Amir Zarrinpar, a University of California, San Diego Gastroenterologe, der mit Pandas Gruppe zusammengearbeitet hat. Bei fettleibigen Mäusen waren die Firmicute-Werte tatsächlich ständig hoch. Die Beobachtung legt nahe, dass es nicht darauf ankommt, ob ein Organismus hohe Firmicute-Spiegel aufweist oder nicht, sondern wann oder wie oft diese Werte ihren Höhepunkt erreichen – und dieses Muster war nicht nur bei Firmicutes zu beobachten.

Als die Forscher den Nahrungszugang der fettleibigen Mäuse einschränkten, so dass sie nur nachts fressen konnten, begannen einige Bakterienarten wieder täglich zu schwanken – wenn auch nicht so viele wie bei den Mäusen, die normale, fettarme Diäten erhielten.

„Die Tatsache, dass wir einige dieser Muster durch zeitlich begrenztes Essen wiederherstellen können, zeigt, dass der Zeitpunkt der Mahlzeiten – und nicht nur was oder wie viel gegessen wird – für das Mikrobiom wirklich wichtig ist“, sagt Zarrinpar. Schwankungen im Bakterienspiegel, so zeigten die Forscher weiter, können wiederum Schwankungen bei Gallensäuren verursachen – Molekülen, die eine Schlüsselrolle bei der Kontrolle des Cholesterinspiegels, der Fettabsorption und des Stoffwechsels im gesamten Körper spielen. Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass die Abflachung der täglichen Mikrobenzyklen zu Stoffwechselerkrankungen beitragen könnte, indem sie die täglichen Schwankungen dieser Moleküle verändert.

Die Beobachtung habe unmittelbare Auswirkungen auf die Grundlagenforschung, sagt Panda. „Wenn jemand irgendeine Art von Mikrobiomforschung betreibt, muss er jetzt genau darauf achten, zu welcher Tageszeit alle seine Experimente durchgeführt werden“, sagt er. Es hat aber auch Auswirkungen auf klinische Studien am Menschen zu Probiotika, Bakterienmischungen, die darauf abzielen, ein gesundes Gleichgewicht der Mikroben im Darmmikrobiom zu fördern.

„So wie die Zeiten, zu denen Sie im Laufe des Tages essen, Ihr Mikrobiom prägen, kann die Einnahme eines Probiotikums dessen Wirksamkeit beeinflussen“, erklärt Panda. „Wenn Sie ein Probiotikum zu einem Zeitpunkt einnehmen, an dem diese bestimmten Mikroben nicht bevorzugt werden, kann dies die Bakterienzyklen negativ verändern. Wenn Sie es zu einem Zeitpunkt einnehmen, an dem sich diese Mikroben auf natürliche Weise vermehren, können Sie außerdem dazu beitragen, ein gesundes Radfahren zu fördern.“

Pandas Gruppe hat noch eine Fülle offener Fragen dazu, wie und warum die Bakterien im 24-Stunden-Zyklus schwanken. Als nächstes möchten sie untersuchen, welche Faktoren sich im Darm verändern – vom pH-Wert bis hin zu Immunmolekülen – als Reaktion auf eine fettreiche Ernährung, die dann verändert, welche Bakterien zu unterschiedlichen Zeiten vorhanden sind.
Weitere Forscher an der Studie waren Amandine Chaix vom Salk Institute for Biological Studies und Shibu Yooseph vom J. Craig Venter Institut.

Die Arbeit wurde durch Zuschüsse der gefördert National Institutes of Health, hat das Leona M. und Harry B. Helmsley Charitable Trustund die Glenn-Stiftungsowie eine Forschungsstiftung der American Gastroenterological Association Elsevier Pilot Research Award und ein American Diabetes Association Mentorenbasiertes Postdoktorandenstipendium.

Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit führenden Grundlagenforschungseinrichtungen, in der international renommierte Dozenten in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld grundlegende Fragen der Biowissenschaften untersuchen. Salk-Wissenschaftler konzentrieren sich sowohl auf Entdeckungen als auch auf die Betreuung zukünftiger Forschergenerationen und leisten bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten, indem sie Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie und verwandte Disziplinen studieren.

Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Ehrungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polioimpfpionier Jonas Salk, MD, gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.