Um zu kommunizieren, ist der Darm mit dem Gehirn verbunden. Forscher finden immer mehr heraus, wie weitreichend diese Verbindung ist. Die Erkenntnis, welche Rolle die Bakterien in uns für unsere Gesundheit, "ja sogar für unsere Persönlichkeit zu spielen scheinen, war eine der wichtigsten Entdeckungen der letzten 50 Jahre". Das schreibt der US-Amerikaner Anthony L. Komaroff von der Harvard Medical School zur sogenannten Darm-Hirn-Achse.
Die Darm-Hirn-Achse: Eine bidirektionale Kommunikationsstrecke
Die Darm-Hirn-Achse ist eine bidirektionale Kommunikationsstrecke zwischen Magen-Darm-Trakt und zentralem Nervensystem (also Gehirn und Rückenmark). Diese Kommunikation ist nicht nur rein nervlicher Natur, sondern beinhaltet auch hormonelle und immunologische Signale. All das bedeutet, dass der Darm mit dem Gehirn „spricht“ - und umgekehrt. Der Darm spielt als lebenswichtiges Organ in der Darm-Hirn-Achse eine zentrale Rolle für das Wohlbefinden und die Gesundheit.
Das enterische Nervensystem (ENS)
Es besteht aus einem dichten Netz von Neuronen, das im Darm sitzt, und ist in Sachen Komplexität mit dem Gehirn selbst vergleichbar. Das ENS ist für die Steuerung der Verdauung zuständig und kann viele Prozesse sogar unabhängig vom Gehirn regeln. Dennoch tauscht es ständig Signale mit dem zentralen Nervensystem aus.
Das Darmmikrobiom: Eine Schlüsselrolle
Neben dem ENS spielt das Darmmikrobiom - also die Gemeinschaft der im Darm lebenden Mikroorganismen - eine Schlüsselrolle in der Darm-Hirn-Achse. Bakterien, Viren und Pilze, die im Darm wohnen, sind für weitaus mehr zuständig als nur die Verdauung von Nahrung. Sie produzieren Vitamine, unterstützen das Immunsystem und bilden Botenstoffe, die direkt oder indirekt das Gehirn erreichen können. Wenn es dem Mikrobiom gut geht, profitiert in der Regel der gesamte Organismus.
Die meisten Mikroorganismen - also Bakterien, Pilze oder Viren - eines Menschen befinden sich im Darm: Schätzungen zufolge sind es zwischen 30 und 100 Billionen. Sie bilden das sogenannte Darm-Mikrobiom. Diese kleinen Lebewesen regeln unsere Verdauung, produzieren lebenswichtige Stoffe und schützen uns vor Krankheiten. "Der Darm ist über das, was wir zu uns nehmen, in ständigem Kontakt mit der Umwelt", sagt Andreas Stengel, Vorsitzender der Deutschen Gesellschaft für Neurogastroenterologie. "Und das muss er auch entsprechend rückkoppeln. Erst seit wenigen Jahren beginnen Wissenschaftler zu verstehen, wie unser Darm beziehungsweise sein Mikrobiom mit unserem Gehirn kommuniziert. Beide Organe hängen eng miteinander zusammen, erklärt Stengel, der am Uniklinikum Tübingen als leitender Oberarzt und Stellvertretender Ärztlicher Direktor tätig ist. Verbunden seien beide direkt über die Nerven.
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Die Auswirkungen der Darm-Hirn-Achse auf Emotionen und Gesundheit
Die Darm-Hirn-Achse wirkt sich unmittelbar auf Emotionen, Stresslevel und sogar auf die Entstehung verschiedener Erkrankungen aus. Darmbakterien können wichtige Neurotransmitter wie Serotonin und Dopamin beeinflussen. Ein gesunder Darm kann also dazu beitragen, dass man sich zufriedener und ausgeglichener fühlt. Die Gesundheit des Darms hat somit auch einen direkten Einfluss auf die Psyche, da Nährstoffe und Mikroorganismen im Darm Emotionen und kognitive Fähigkeiten beeinflussen können. Interessanterweise werden etwa 90 Prozent des körpereigenen Serotonins im Darm produziert, nicht im Gehirn.
Auch das Stresslevel hängt eng mit der Darmgesundheit zusammen. Bei Stress schüttet der Körper Cortisol aus, was nicht nur das Immunsystem belastet, sondern auch das Mikrobiom verändern kann. Eine gute Kommunikation zwischen den Organen ist entscheidend für die Stressresistenz und Stimmung. Gerade in herausfordernden Phasen (z. B. vor Prüfungen oder in hektischen Zeiten im Job) kann ein bereits empfindlicher Darm noch stärker „aus dem Takt geraten“. Dies wiederum kann dein Stresslevel weiter nach oben treiben - ein Teufelskreis. Wenn man hingegen auf eine gesunde Darmflora achtet, profitiert man von einer stärkeren Widerstandskraft gegenüber Stress. Außerdem ist der Schlaf oft erholsamer, wenn Darm und Gehirn im Einklang stehen. Ein gesunder Schlaf ist die Basis für mentale und körperliche Regeneration, sodass man tagsüber mehr Energie und Gelassenheit hat.
Rund 70 Prozent des Immunsystems sitzen im Darm. Das macht deutlich, wie wichtig eine ausgewogene Darmflora für die Abwehrkräfte ist. Gerät das Darmmikrobiom ins Ungleichgewicht - zum Beispiel durch eine einseitige Ernährung, Medikamente oder chronischen Stress - kann das Immunsystem dauerhaft gereizt werden. Dieses Ungleichgewicht begünstigt entzündliche Prozesse im Körper, die wiederum einen Einfluss auf das Gehirn haben können.
Die Kommunikationswege zwischen Darm und Gehirn
Der Vagusnerv ist der wichtigste Nerv, der den Darm direkt mit dem Gehirn verbindet. Der Darm spielt als lebenswichtiges Organ in der Darm-Hirn-Achse eine zentrale Rolle für das Wohlbefinden und die Gesundheit. Er übermittelt Signale über die Darmbewegungen, Füllzustände oder auch Schmerzempfindungen an das Gehirn. Umgekehrt sendet das Gehirn Signale an den Darm, um Verdauungsprozesse zu steuern. Auch Hormone tragen zur Kommunikation bei. Bestimmte Darmzellen produzieren Botenstoffe wie Ghrelin oder Leptin, die dem Gehirn Rückmeldung über Hunger- oder Sättigungszustände geben. Gleichzeitig werden Stresshormone oder Botenstoffe wie Corticotropin-Releasing-Hormon (CRH) über das zentrale Nervensystem ausgeschüttet, was wiederum den Darm beeinflusst. Wie bereits erwähnt, spielt auch das Immunsystem eine große Rolle. Darmbakterien können Teile des Immunsystems aktivieren oder hemmen. Die kausalen Zusammenhänge zwischen dem Mikrobiom und verschiedenen Erkrankungen, insbesondere neurologischen und psychischen Störungen, sind komplex und erfordern interdisziplinäre Forschung, um ein besseres Verständnis dieser dynamischen Wechselwirkungen zu erlangen. Gelangen gewisse Stoffe über die Darmbarriere in den Blutkreislauf, können sie bis ins Gehirn vordringen.
Störungen der Darm-Hirn-Achse
Manchmal läuft diese feine Kommunikation nicht reibungslos. Eine gestörte Darm-Hirn-Achse kann sich auf vielfältige Art äußern. Veränderungen in der Funktion eines dieser Organe können erhebliche Auswirkungen auf das andere haben, da sowohl der Darm als auch das Gehirn lebenswichtige Organe sind, die über die Darm-Hirn-Achse intensiv kommunizieren und miteinander verbunden sind. Manche Menschen bemerken mehr Verdauungsprobleme wie Blähungen, Völlegefühl oder Durchfall, andere klagen über Gereiztheit, Unruhe und Stimmungsschwankungen. Auch Symptome wie Abgeschlagenheit oder Konzentrationsstörungen werden häufig berichtet.
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Untersuchungen deuten darauf hin, dass Darm und Gehirn nicht nur kommunizieren, sondern sich auch gegenseitig beeinflussen könnten. "Forschungen in den letzten zehn Jahren haben ergeben, dass Darmbakterien unsere Emotionen und kognitiven Fähigkeiten beeinflussen können", so Komaroff, Oberarzt am Brigham and Women's Hospital in Boston. "Zum Beispiel produzieren einige Bakterien Oxytocin, ein Hormon, das unser eigener Körper produziert und das ein erhöhtes Sozialverhalten fördert. Tatsächlich zeigte sich vor allem in Tierversuchen ein Zusammenhang zwischen Darm und Psyche. In Tests wurde der Stuhl von ängstlichen Mäusen in keimfreie Mäuse, die kein Mikrobiom haben, übertragen. Woraufhin diese einen ängstlichen Phänotyp entwickelten, sagt Stengel, der seit 20 Jahren zur Darm-Gehirn-Achse forscht. Die Liste ist lang: Insgesamt weisen Personen mit Stoffwechselstörungen, psychiatrischen Störungen oder neurologischen Erkrankungen im Vergleich zu gesunden Probanden "Unterschiede in der Zusammensetzung und Funktion ihres Mikrobioms auf", sagt die US-amerikanische Neurowissenschaftlerin Jane Foster vom UT Southwestern Medical Center in Dallas. Konkret stehen unsere Darmbakterien Wissenschaftlern zufolge im Zusammenhang mit Erkrankungen oder Störungen, wie Alzheimer, Parkinson, ALS oder Autismus. Davon könnten besonders Menschen mit chronischen Erkrankungen des Magen-Darm-Trakts betroffen sein. Sie haben durch die Verbindung ein höheres Risiko für psychische Erkrankungen, so Stengel.
Inwiefern das Mikrobiom psychische Störungen oder Hirnerkrankungen tatsächlich entstehen oder aufrechterhalten lassen kann, kann die Forschung nur schwer sagen. Unklar ist nicht nur, inwiefern sich die Erkenntnisse aus Tierstudien auf den Menschen übertragen lassen. "Es ist manchmal gar nicht so leicht, das im echten Leben zu untersuchen", so Stengel. Einen Zusammenhang gebe es zwar deutlich. "Aber was ist Ursache und was ist Folge? Das ist schwierig herauszufinden." Nur beim Reizdarmsyndrom, bei der die Darm-Hirn-Achse gestört ist, wisse man das mittlerweile. Die US-Forscher John F. Cryan und Sarkis K.
Die Rolle von Neurotransmittern
Manche Darmbakterien sind in der Lage, Neurotransmitter wie Serotonin, Dopamin oder GABA herzustellen. Wenn man Serotonin hört, denkt man meist an Glück und Zufriedenheit. Etwa 90 Prozent des Serotonins im Körper werden jedoch im Darm gebildet, was einmal mehr die Relevanz der Darmgesundheit unterstreicht. Aktuelle Forschungsergebnisse legen nahe, dass Veränderungen im Mikrobiom und eine gestörte Darm-Hirn-Kommunikation eine große Rolle spielen. Experten wie Prof. Holzer untersuchen die Bedeutung der Darm-Hirn-Achse für das Reizdarmsyndrom und betonen die Auswirkungen von Stress auf beide Organe. Ein Mangel an Serotonin kann zu depressiver Verstimmung, Schlafproblemen und einem generellen Ungleichgewicht führen. Dopamin ist der Neurotransmitter, der für Antrieb, Motivation und Belohnungsempfinden zuständig ist. Wenn man sich nach einer getanen Aufgabe gut fühlt, ist meistens Dopamin im Spiel. Bestimmte Darmbakterien können auch an der Dopaminproduktion beteiligt sein. GABA (Gamma-Aminobuttersäure) ist ein hemmender Neurotransmitter, der uns hilft, Stress und innere Unruhe zu dämpfen. Ein Mangel an GABA wird mit Angstzuständen und Schlafproblemen in Verbindung gebracht. Einige Studien deuten darauf hin, dass bestimmte probiotische Stämme die GABA-Konzentration beeinflussen können.
Die Rolle des Mikrobioms bei neurologischen Erkrankungen
Erste Forschungsergebnisse zeigen, dass auch das Darmmikrobiom bei der Entstehung solcher Erkrankungen eine Rolle spielen kann, etwa durch chronische systemische Entzündungen oder durch die Bildung bestimmter proteinartiger Ablagerungen, die vom Darm ins Gehirn gelangen können. Erkrankungen wie Parkinson oder Alzheimer werden oft mit Entzündungsprozessen im Gehirn in Verbindung gebracht.
Die Rolle der Ernährung
Einige Ballaststoffe werden in den Biofilm aufgenommen, quellen hier auf und führen zu einer starken Volumen- und Gewichtszunahme des Biofilms. Ballaststoffe, die dafür genutzt werden, müssten allerdings stark quellend und schleimend sein, beispielsweise Okrapulver und Ölpalmfasern. Weiterhin muss auf anderweitige feste Nahrung verzichtet werden, um den mechanischen Prozess, der im Darm abläuft, nicht zu unterbrechen. Mit einer mehrtägigen Anwendung sollte dann eine Ablösung des mit Fasern angereicherten Biofilms möglich sein.
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Möglichkeiten zur Förderung einer gesunden Darm-Hirn-Achse
Glücklicherweise hat man es zu einem großen Teil selbst in der Hand, ob der Darm und das Gehirn harmonisch miteinander kooperieren. Eine bewährte Strategie ist der regelmäßige Verzehr von probiotischen und präbiotischen Lebensmitteln.
- Probiotika: Das sind Lebensmittel, die lebende Mikroorganismen (meist Bakterien) enthalten, die die Darmflora unterstützen. Dazu gehören fermentierte Produkte wie Joghurt, Kefir, Sauerkraut oder Kombucha.
- Präbiotika: Das sind Ballaststoffe, die als „Nahrung“ für die Darmbakterien dienen. Zu finden sind sie unter anderem in Haferflocken, Leinsamen, Zwiebeln, Lauch, Knoblauch oder Chicorée.
Weil Stress eine der Hauptursachen für eine gestörte Darm-Hirn-Achse ist, lohnt es sich, Entspannungstechniken in den Alltag einzubauen. Meditation, Yoga, autogenes Training oder einfach ein ausgedehnter Spaziergang in der Natur wirken oft Wunder. Schon wenige Minuten pro Tag können helfen, das Stresslevel zu senken und damit auch den Darm zu entlasten. Der Vagusnerv lässt sich durch Atemübungen und Achtsamkeitspraktiken aktivieren, was die Herzfrequenzvariabilität erhöht und einen insgesamt resilienter gegenüber Stress macht. Schlaf ist weit mehr als „Nichtstun“. In der Nacht finden zahlreiche Reparatur- und Regenerationsprozesse im Körper statt, die auch dem Verdauungstrakt nutzen. Versuche, jede Nacht auf sieben bis acht Stunden Schlaf zu kommen. Eine regelmäßige Schlafroutine - also möglichst immer zur gleichen Zeit ins Bett zu gehen und aufzustehen - kann dabei helfen, den Biorhythmus zu stabilisieren. Zu einer gesunden Lebensführung gehört neben ausgewogener Ernährung und Entspannung auch ausreichend Bewegung. Bereits 30 Minuten moderate Aktivität am Tag (wie zügiges Spazierengehen, Radfahren oder Schwimmen) können die Darmaktivität und damit die Mikrobiom-Gesundheit fördern. Wenn man raucht, bedenke, dass Nikotin und andere Schadstoffe den Darm reizen und das Milieu negativ beeinflussen können.
Therapieansätze
Dennoch bieten die Erkenntnisse zur Darm-Hirn-Achse erste Ansätze für Therapien. Zum Beispiel könnten mit Probiotika entsprechende Störungen behandelt werden. "Dazu gibt es schon erste Daten, aber wir sind da noch sehr am Anfang", so Stengel. Auch inwiefern eine Transplantation von dem Stuhl gesunder Menschen in den Darm erkrankter Probanden helfen könnte, wird erforscht. Beim Reizdarmsyndrom etwa gebe es noch keine gute Datenlage zum Stuhl-Transfer. Auch sei das nicht ungefährlich.
Die Individualität des Mikrobioms
Zusätzlich sei das Mikrobiom sehr individuell - nicht nur von Mensch zu Mensch. "Heute bin ich aus Tübingen zugeschaltet", sagt Stengel während des Video-Interviews. "Wenn ich mich morgen aus Berlin zuschalten und mich anders ernähren würde, wäre meine mikrobielle Zusammensetzung eine andere - obwohl ich mich womöglich gesundheitlich genau gleich fühlen würde." Auch das erschwere die Forschung. Zwar würden die Messmethoden genauer und die Standardisierung besser, meint Stengel. Ähnlich sieht es Harvard-Professor Komaroff: Die Forschung fange gerade erst an zu verstehen, "wie wir die Mikroben in uns so verändern können, dass unsere Gesundheit verbessert wird". Das könne noch 20 Jahre dauern.
Biofilme: Komplexe Gemeinschaften von Mikroorganismen
Von wegen einfach gestrickte Organismen: Bakterien pflegen komplexe soziale Beziehungen und kommunizieren aktiv miteinander. Dabei nutzen sie offenbar ähnliche Mechanismen wie die Nervenzellen im menschlichen Gehirn, wie Forscher nun zeigen. Sie interagieren über durch Ionenkanäle vermittelte elektrische Signale. Ein Wissenschaftlerteam um den Biologen Gürol Süel von der University of California in San Diego liefert in einer Onlineausgabe des Fachmagazins Nature überraschende Einblicke in die Kommunikationsweise von Bakterien. Ionenkanäle sind röhrenförmig angeordnete Proteinkomplexe mit einer speziellen Funktion: Sie ermöglichen elektrisch geladenen Teilchen sogenannte Biomembranen zu durchqueren, also Abgrenzungen zwischen Zellen und einzelnen Zellkompartimenten zu passieren. Über solche Ionenkanäle leiten menschliche Nervenzellen Informationen weiter. Durch diese elektrische Kommunikation zwischen Neuronen im Gehirn entstehen all unsere Sinneswahrnehmungen, unser Verhalten und unsere Intelligenz, sagt Süel. „Dass auch Bakterien über Ionenkanäle kommunizieren, rückt die Mikroorganismen in ein neues Licht.“ Tatsächlich stammt viel von dem Wissen, das Forscher heute über die Reizweiterleitung in unserem Gehirn haben, aus strukturellen Studien an bakteriellen Ionenkanälen. Erst die Untersuchungen von Süel und seinen Kollegen klären dieses Geheimnis nun auf.
Die Biologen haben Biofilme studiert, die aus einer Schleimschicht bestehen, in der dicht gedrängt Millionen von Bakterien leben. Schon in früheren Studien hatte Süels Team entdeckt, dass Biofilme zu Erstaunlichem fähig sind. Sie können Konflikte und Stress innerhalb der Gemeinschaft aktiv lösen. Konkret beobachteten die Forscher Folgendes: Wenn ein Biofilm aus bakteriellen Zellen eine bestimmte Größe erreicht hat, hören die Zellen am Rand des Films, die uneingeschränkten Zugang zu Nährstoffen haben, zeitweise auf zu wachsen. Stattdessen erlauben sie wichtigen Nährstoffen nun auch zum Zentrum des Biofilms zu fließen - hauptsächlich Glutamat. Damit war klar: Irgendwie müssen dieses Schwankungen des Biofilmwachstums koordiniert werden. Und die Koordination muss über lange Distanzen funktionieren - vom Inneren des Biofilms bis zu seinen Randbereichen. Weil die Bakterien offensichtlich primär um Glutamat konkurrieren, spekulierten die Wissenschaftler, dass eine Form elektrochemischer Kommunikation an dem Prozess beteiligt sein könnte. Denn Glutamat ist ein elektrisch geladenes Molekül. Die nun veröffentlichte Studie bestätigt diese Hypothese. Die Forscher zeigen, dass die elektrische Spannung an den Zellmembranen synchron zum Biofilmwachstum schwankt. Die Veränderungen des sogenannten Membranpotentials werden dabei durch Ionenkanäle ausgelöst. Hauptsächlich beteiligt an der elektrischen Signalübertragung sind demnach Kaliumionen. „Die Reizweiterleitung allein scheint das Gleichgewicht innerhalb der Biofilmgemeinschaft zu bewahren“, schreiben die Biologen Sarah Beagle und Steve Lockless von der Texas A & M University in einem ebenfalls in Nature veröffentlichten Kommentar zur Studie. Studienleiter Süel vergleicht Biofilme aufgrund der neuen Erkenntnisse mit einem „mikrobiellen Gehirn“. Besondere Ähnlichkeit habe die Kommunikationsweise der Bakteriengemeinschaften mit einem als Streudepolarisierung oder Spreading Depression bekannten Phänomen, das unter anderem mit Migräneattacken und Schlaganfällen in Zusammenhang gebracht wird. Dabei breitet sich entlang der Hirnrinde langsam und wellenförmig eine Depolarisierung aus - das Membranpotential verändert sich hin zu einer positiveren Spannung. „Interessant ist, dass sowohl Migräne als auch die elektrische Signalübertragung in Biofilmen durch metabolischen Stress, also ein Ungleichgewicht oder eine Belastung des Stoffwechsels, ausgelöst wird“, sagt Süel.
Biofilme in der Biologie
Als Biofilme bezeichnet man Schleimschichten, die eine Mischung aus Mikroorganismen (Bakterien, Archäen, Algen, Pilze, Einzeller) bestehen. Sie können auch einige mehrzeiligen Organismen (Rädertierchen, Fadenwürmer, Milben) enthalten, die sich von den Mikroben ernähren. Die Schleimbeläge bilden sich an Oberflächen und Grenzflächen, sowohl an Übergängen von flüssigen zu gasförmigen als auch von festen zu flüssigen Substraten. In weiterer Fassung kann man darunter auch mit Mikroorganismen angereicherte Schleimklümpchen in Flüssigkeiten verstehen. Die Schleimstoffe werden von den Lebewesen, vorwiegend von den Bakterien und Archäen, abgeschieden. Die sogenannten extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) bestehen aus Polysacchariden, Proteinen, Lipiden und Nukleinsäuren. Sie können sehr viel Wasser binden und Hydrogele bilden, in denen Nähr- und Mineralstoffe gelöst sind. Neben verschiedenen organischen und anorganischen Partikeln können auch Gasblasen eingeschlossen werden. In einem Biofilm können in geringen Abständen sauerstoffreiche und sauerstoffarme oder -freie Bereiche liegen, die dann jeweils von aeroben bzw. anaeroben Mikroorganismen besiedelt werden. Die Oberflächen der Filme können ebenfalls sehr unterschiedlich gestaltet sein. Teilweise siedeln sich dort in das umgebende Wasser hineinragende Organismen (zum Beispiel Glockentierchen) an, teilweise bilden sich Ausbuchtungen, Poren oder Höhlen, die den Stoffaustausch erleichtern.
Voraussetzung für die Bildung eines Biofilmes ist, dass sich die Mikroben an einer Oberfläche festsetzen können. Dabei verändern sich die Organismen. Bei Bakterien ist es häufig mit dem Verlust der Flagellen und dem Abscheiden von Polymeren verbunden. In Biofilmen gibt es zwischen den einzelnen Mikrobenzellen einen Signalaustausch, der dafür sorgt, dass Zellteilung und Wachstum reguliert ablaufen. Dadurch wird Mangelernährung und Zusammenbruch des Systems vermieden (Quorum Sensing). Als Kommunikationsfaktor ist z. B. bei Bacillus subtilis die Abgabe von K+-Ionen nachgewiesen. Durch horizontalen Gentransfer können die Organismen in einem Biofilm gegenseitig ihre Genausstattung verbessern und zum Beispiel Gene weitergeben, die sie zur energetischen Nutzung bestimmter Substrate befähigen oder sie gegen Gifte resistent machen. In der Endphase der Biofilmentwicklung kommt es dann, ebenfalls durch Signalstoffe verursacht, zur Abgabe von begeißelten Formen und zur Sporenbildung. Auch abgerissene Biofilm-Flocken dienen der Ausbreitung, denn sie können sich leicht an neuen Oberflächen festsetzen und weiter wachsen. All diese besonderen Formen der Kooperation und Vehrmehrung lassen Biofilme als Superorganismen erscheinen, in denen sich verschiedene Prokaryoten über extrazelluläre Matrices aus Makromolekülen verbinden und ihre Stoffwechselaktivitäten sehr effektiv aufeinander abstimmen können. Schon kurz nach der Entstehung des Lebens und lange vor echter Vielzelligkeit entwickelte sich so eine höhere Organisationsebene des Lebens mit echter Differenzierung der verschiedenen beteiligten Einzelzellen (vgl.
Biofilme sind sehr weit verbreitet, in allen Böden, auf Sand, auf Gesteinen auf und in Pflanzen und Tieren, in heißen Quellen und auf dem Gletschereis, in technischen Geräten, Rohren und Röhrchen, Tanks und U-Booten. Wüstenkrusten zum Beispiel sind die ersten Biozönosen lockerer Wüsten-Sandböden. Sie bestehen aus Bakterien, Algen, Pilzen und schließlich auch Flechten und Moosen. Die von den Mikroben abgegebenen Kohlenhydrate bilden nicht nur eine Matrix für die verschiedenen Lebewesen, sie verkleben auch die anorganischen Substratpartikel. Diese Krustenbildung verhindert Winderosion, fördert Wasserabsorbtion selbst aus Tau oder Nebel und führt über Luftstickstoff-Fixierung sogar zu einer Anreicherung lebenswichtiger Stickstoffverbindungen. Auch für Wattboden-Oberflächen sind Biofilme charakteristisch. Hier spielen neben Blaugrünen Bakterien Diatomeen (Kieselalgen) eine wichtige Rolle. Besondere Biofilm-Gemeinschaften finden sich auf den Häuten und Schleimhäuten von Tieren und als Zahnbelag. Dies gilt auch für die klinische Bedeutung von Biofilmen. Trotz ihrer weiten Verbreitung wurde ihre Gefahr in der Medizin lange Zeit unterschätzt. Dabei schützen sich etwa 60 % aller mikrobiellen Krankheitserreger durch Biofilmbildung vor dem Immunsystem (Fux et al. 2005). Die Ablösung von Bakterienflocken aus Biofilmen kann zur Quelle chronisch wiederkehrender Infektionen werden, besonders bei Patienten mit geschwächtem Immunsystem. Dies betrifft zum Beispiel Krankheiten wie Blasenentzündungen, Parodontose, chronische Mittelohrentzündung oder chronische Lyme-Borreliose. Auch Biofilmbildungen auf medizinischen Instrumenten, Kathetern und chirurgischen Implantaten können der Ausgangspunkt von Infektionen sein. An technischen Konstruktionen aus Metall können Biofilme Korrosion hervorrufen. Die schleimigen Mikrobengemeinschaften können aber auch sinnvoll genutzt werden, zum Beispiel in der biologischen Abwasserreinigung oder bei der mikrobiellen Laugung von Erzen (selektive Anreicherung bestimmter Mineralien).
Biofilme im Gastrointestinaltrakt
Bei gesunden Probanden konnten je nach Studie und Studienpopulation in 6-35 Prozent der Fälle ein Biofilm im Gastrointestinaltrakt gefunden werden. Bei Personen mit Reizdarmsyndrom (irritable bowel syndrome = IBS), familiärer adenomatöser Polyposis (FAP) oder auch Colitis ulcerosa hingegen lag die Prävalenz bakterieller Biofilme bei nunmehr bis zu 50 Prozent oder sogar darüber, je nach Studienpopulation.
Pathogenität bakterieller Biofilme
Bei Patienten mit FAP waren besonders zwei Stämme dominant, die potentiell krebsfördernde Gene verstärkt exprimieren und damit zur Entstehung kolorektaler Karzinome beitrugen. Eine Freisetzung der Bakterien und ihrer Stoffwechselprodukte aus dem Biofilm kann allerdings in einigen Fällen mit einer akuten Erhöhung von Lipopolysacchariden (LPS), bakteriellen Antigenen und allgemein proentzündlichen Faktoren einhergehen.
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