Veränderungen im Darm können weitreichende Auswirkungen haben, die sich nicht nur auf die Verdauung beschränken, sondern auch die psychische Gesundheit und das Nervensystem beeinflussen. Die Verbindung zwischen Darm und Gehirn, oft als "Darm-Hirn-Achse" bezeichnet, ist ein komplexes Netzwerk, das neuronale, hormonelle, metabolische, immunologische und mikrobielle Signale umfasst. Diese Kommunikation ist keine Einbahnstraße; Zellen können sowohl vom Darm ins Gehirn als auch vom Gehirn in den Darm wandern und so die Ausbreitung von Krankheiten vermitteln.
Die Rolle des Immunsystems in der Darm-Hirn-Achse
Mehrere Studien haben gezeigt, dass Immunzellen aus dem Darm ins Gehirn wandern können. Umgekehrt können auch Zellen vom Gehirn in den Darm wandern. Eine aktuelle Studie der Neurologischen Klinik und Poliklinik des UKW, unter der Leitung von Professor Chi Wang Ip, erforscht die Rolle des Immunsystems bei der Parkinson-Erkrankung. Bei dieser Krankheit spielt eine bestimmte Ansammlung des Proteins α-Synuclein (αSyn) eine Rolle. Interessanterweise fanden die Forschenden diese Proteinansammlungen nicht in den Neuronen, die im Darm ein autonomes Nervensystem steuern, sondern in den Makrophagen.
Makrophagen, auch Fresszellen genannt, sind Teil des Immunsystems und spielen eine wichtige Rolle bei der Abwehr von Krankheitserregern und der Beseitigung von Schadstoffen im Körper. Um eindeutig zu testen, ob Makrophagen vom Gehirn in den Darm wandern, wurde eine Methode entwickelt, mit der Zellen im Gehirn markiert und ihre Wanderung in andere Organe verfolgt werden kann. Die Ergebnisse zeigten, dass Makrophagen nicht nur bei Parkinson, sondern auch unter Kontrollbedingungen vom Gehirn in den Darm wandern, was den Befunden eine breitere Relevanz für andere neurologische Erkrankungen verleiht.
Der nächste Schritt besteht darin, diese wandernden Zellen vollständig zu charakterisieren und die sogenannten Homing-Moleküle zu identifizieren, welche diese Zellen in den Darm leiten.
Der Einfluss von Darmbakterien auf die Immunabwehr des Gehirns
Die Besiedlung des Darms mit Bakterien beeinflusst lebenslang die Immunabwehr des Gehirns und damit möglicherweise auch den Verlauf von Hirnerkrankungen wie Alzheimer und Multipler Sklerose. Eine Studie des Universitätsklinikums Freiburg an Mäusen hat gezeigt, dass die Funktion von Fresszellen des Gehirns, so genannte Mikroglia, durch Abbauprodukte von Darmbakterien gesteuert wird.
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Insbesondere bei der Zersetzung von Ballaststoffen produzieren Bakterien kurzkettige Fettsäuren, die für die korrekte Funktion der Mikroglia benötigt werden. Mäuse, deren Darm keine Bakterien enthielt, entwickelten unreife und verkümmerte Mikroglia. Wurde später eine Darmflora etabliert, waren auch die Mikroglia-Zellen wieder gesünder. Diese Ergebnisse deuten auf die Bedeutung einer ausgewogenen Ernährung für die Vorbeugung von Gehirnerkrankungen hin.
Mikroglia sind die sogenannten Fresszellen des Gehirns, auch Gehirn-Makrophagen genannt. Sie beseitigen eingedrungene Keime und abgestorbene Nervenzellen und sind an der lebenslangen Formbarkeit des Gehirns beteiligt. Fehlgesteuerte Mikroglia-Zellen spielen bei mehreren Hirnerkrankungen eine Rolle.
Die Studie zeigte, dass ein intaktes Immunsystem des Gehirns von einer gesunden bakteriellen Darmflora abhängt. Tiere, die in einer komplett sterilen Umgebung aufgezogen und gehalten wurden, besaßen verkümmerte und unreife Mikroglia, die auf Entzündungsreize im Hirn kaum reagierten. Auch Tiere, deren Darmbakterien durch eine vierwöchige Antibiotika-Therapie abgetötet worden waren, wiesen eine gestörte Immunantwort auf. Im Kontakt mit gesunden Tieren etablierte sich bei den zuvor steril gehaltenen Tieren schnell eine Darmflora, was einen positiven Einfluss auf die Immunabwehr hatte. Je größer die Vielfalt der Darmbakterien war, desto besser entwickelten sich auch die Mikroglia.
Kurzkettige Fettsäuren, die bei der bakteriellen Verwertung von Ballaststoffen, Milchprodukten und weiteren Nahrungsmitteln produziert werden, dienen als Botenstoff zwischen Darmflora und Mikroglia. Über das Blut könnten sie ins Gehirn gelangen und dort Mikrogliazellen helfen, Entzündungsreaktionen schnell und effizient zu bekämpfen.
Die Studie dürfte auch für den Menschen eine hohe Relevanz haben, da Autoimmunerkrankungen des Darms wie Morbus Crohn mit einem Mangel an kurzkettigen Fettsäuren in Verbindung gebracht werden. Hier wird seit einiger Zeit die Behandlung durch eine so genannte Stuhltransplantation geprüft, bei der die Darmflora von einem auf einen anderen Menschen übertragen wird. Wie groß der Einfluss der Darmflora auf Funktion und Entwicklung des Gehirns beim Menschen genau ist, müssen zukünftige Studien prüfen.
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Schmerzwahrnehmung bei chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen (CED)
Menschen mit chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen (CED) leiden oft auch zwischen den akuten Entzündungsschüben der Krankheit unter Bauchschmerzen. Das könnte damit zu tun haben, dass sich bei den Betroffenen die Art und Weise verändert, wie Schmerz in Abhängigkeit von Furcht verarbeitet wird. Eine Studie der Ruhr-Universität Bochum hat die Schmerzwahrnehmung von gesunden und an CED erkrankten Personen in einem Lernexperiment verglichen.
Die Ergebnisse zeigen, dass CED-Betroffene den Schmerz bei erneuter Konfrontation als unangenehmer und auch intensiver als Gesunde empfanden. Mehr erlernte schmerzbezogene Furcht ging mit einer unangenehmeren und intensiveren Schmerzwahrnehmung einher - und zwar ausschließlich bei CED-Betroffenen. Die emotionale Färbung des Schmerzes spielte also eine wichtige Rolle. Interessant ist aber, dass die CED-Betroffenen am ersten Tag nicht mehr schmerzbezogene Furcht erlernt hatten als die gesunden Teilnehmenden. Es war also nicht das Furchtlernen an sich verändert, sondern vielmehr, wie die Furcht mit der Schmerzwahrnehmung zusammenhängt. Das deute darauf hin, dass die wiederkehrenden starken Entzündungsschübe möglicherweise langfristig verändern, wie Schmerz in Abhängigkeit von der Furcht zentral verarbeitet wird. Schmerzen werden dann intensiver erlebt, ohne dass die Furcht selbst übermäßig stark ist.
Die Behandlung von CED zielt bislang vorrangig auf die Kontrolle der Entzündung im Magen-Darm-Trakt ab. Doch auch psychologische Faktoren - etwa Stress, anhaltende Vermeidung oder schmerzbezogene Furcht - könnten eine entscheidende Rolle spielen. Deswegen sollte chronischer Bauchschmerz als wichtiges Merkmal der Krankheit anerkannt und gezielt behandelt werden. Vor allem Betroffene, die trotz erfolgreicher Kontrolle der Entzündung weiter unter Bauchschmerzen leiden, könnten von einer ganzheitlicheren Sichtweise profitieren.
Die "Darm-Hirn-Achse" als Forschungsfeld
Die Annahme, dass es einen Zusammenhang zwischen neurologischen Erkrankungen und immunologischen Veränderungen im Gastrointestinaltrakt gibt, dass also Darm und Gehirn miteinander kommunizieren - und dass sich Krankheiten beider Systeme gegenseitig beeinflussen oder sogar bedingen könnten, elektrisiert zunehmend die medizinische Forschung. So deuten Studien darauf hin, dass Patientinnen und Patienten mit chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen (CED) ein erhöhtes Risiko aufweisen, später an Morbus Parkinson zu erkranken. Oder dass Multiple Sklerose und CED zusammenhängen könnten.
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert nun eine neue klinische Forschungsgruppe am Uniklinikum Erlangen und an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), die diese Interaktion bei entzündlichen und degenerativen Erkrankungen untersucht - die erste Verbundforschung, die sich in Deutschland mit der „Darm-Hirn-Achse“ beschäftigt. In den kommenden Jahren wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zunächst die Interaktion zwischen Darm und Gehirn bei entzündlichen und degenerativen Erkrankungen genauer definieren und immunologische Schaltstellen der Darm-Hirn-Kommunikation entschlüsseln. Darauf aufbauend besteht ihr Ziel darin, neue Therapieansätze zu entwickeln, mit denen Erkrankungen des Darms und des Nervensystems wirksam bekämpft oder sogar verhindert werden können.
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Die Rolle des Mikrobioms und Ernährung
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 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.
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.
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.
Die Ernährung spielt eine entscheidende Rolle für ein vielfältiges Mikrobiom im Darm. Die sollte den Expertinnen zufolge mediterran sein, also viele Ballaststoffe, eine große Menge Obst und Gemüse, Nüsse, Samen, Öle wie Olivenöl mit hohem Anteil an Omega-3-Fettsäuren, wenig Fleisch, viel Fisch. Auch fermentierte Lebensmittel wie Sauerkraut, Kombucha oder Kimchi sind sogenannte Synbiotika. Die Vielfalt sei wichtiger als einzelne vermeintliche »Superfoods«. Auch die Auswahl verschiedenfarbiger pflanzlicher Lebensmittel kann sinnvoll sein, da sie unterschiedliche Inhaltsstoffe liefern.
Therapieansätze und zukünftige Forschung
Dennoch bieten die Erkenntnisse zur Darm-Hirn-Achse erste Ansätze für Therapien. Zum Beispiel könnten mit Probiotika entsprechende Störungen behandelt werden. 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. Zusätzlich sei das Mikrobiom sehr individuell - nicht nur von Mensch zu Mensch. Die Forschung fange gerade erst an zu verstehen, "wie wir die Mikroben in uns so verändern können, dass unsere Gesundheit verbessert wird".
Das Else Kröner-Forschungskolleg (EKFK) Kiel
Krankheiten wie Parkinson, Alzheimer und Multiple Sklerose betreffen zwar Gehirn und zentrales Nervensystem, sie haben aber nicht nur eine neurologische Seite. Mittlerweile gibt es Befunde, die zeigen, dass auch Darmbakterien und das Darmimmunsystem chronische neurologische Erkrankungen mitbedingen oder verschlimmern können. Über welche Wege das geschehen kann, erforscht das Clinician Scientist-Programm Darm-Gehirn-Achse des Else Kröner-Forschungskollegs (EKFK) Kiel. Der Schwerpunkt liegt auf der wechselseitigen Beziehung von Darm und Gehirn vermittelt durch Mikrobiom und Entzündung.
Eine wichtige Frage ist, wie können Veränderungen von Darmbakterien oder des Darmmilieus überhaupt Einfluss auf Krankheitsprozesse haben, die sich über Jahre entwickeln ehe es zu Symptomen kommt, die eine Diagnose der Erkrankung erlauben. Hier scheint das Zusammenspiel zwischen Immunsystem, Entzündungsvorgängen und Neurodegeneration eine wichtige Rolle zu spielen. Zusätzlich ist das Darmnervensystem wechselseitig mit dem Gehirn über den Vagusnerv verbunden, welcher an der Regulation der inneren Organe maßgeblich beteiligt ist. Über welche Wege nun neurologische Erkrankungen wie Parkinson, Alzheimer und Multiple Sklerose durch das Darmmikrobiom und eine gastrointestinale Funktionsstörung beeinflusst werden, untersuchen zwei der sechs Clinician Scientists innerhalb des Forschungskollegs.
Die Verbindung zwischen Gehirn und Darmmikrobiom
Eine Studie eines internationalen Forschungsteams hat eine wichtige Verbindung zwischen Gehirn und Darm aufgedeckt. Sie erklärt, wie psychische Zustände das Darmmikrobiom beeinflussen und dadurch Immunprobleme und andere Krankheiten auslösen können. Die Arbeit führt aus, dass das Gehirn über die Brunner-Drüsen im Dünndarm die Zusammensetzung des Darmmikrobioms beeinflusst.
Gehirn und Darm sind in ständigem Austausch. Diese Kommunikation geht in beide Richtungen und hat große Auswirkungen auf viele Aspekte der Gesundheit; so ist beispielsweise bekannt, dass psychischer Stress die Anzahl der nützlichen Bakterien im Darm verringert und damit die Immunität beeinträchtigt. Die genauen Mechanismen dieses Phänomens waren bislang jedoch unerforscht.
Wissenschaftler der Icahn School of Medicine at Mount Sinai (New York) und des Max-Planck-Instituts für biologische Kybernetik in Tübingen haben nun einen neuronalen Schaltkreis identifiziert, der das Gehirn mit den sogenannten Brunner-Drüsen im oberen Abschnitt des Dünndarms verbindet. Diese sondern Schleim ab, der die Darmwand auskleidet und als Substrat für das Wachstum nützlicher Darmbakterien dient.
Darüber hinaus wiesen die Forschenden nach, dass das Gehirn die Aktivität der Brunner-Drüsen über den Vagusnerv reguliert. Dieser Nerv, ein wichtiger Teil des parasympathischen Nervensystems, steuert viele Organsysteme im gesamten Körper und spielt eine Schlüsselrolle bei Ruhe und Entspannung. Er verbindet die Brunner-Drüsen mit der Amygdala, einem Gehirnareal, das für emotionale Reaktionen zuständig ist. Bei Furcht oder Ängstlichkeit reduziert die Amygdala ihre Aktivität und sendet weniger Signale an den Vagusnerv. Infolgedessen sondern die Brunner-Drüsen weniger Schleim ab, was wiederum die Immunität beeinträchtigt.
Die Ergebnisse könnten erklären, warum psychosozialer Stress die Wahrscheinlichkeit einer Infektionserkrankung erhöht. Gleichzeitig bieten sie neue Möglichkeiten, dem entgegenzuwirken: Die Stimulation der Amygdala oder alternativ des Vagusnervs der gestressten Mäuse genügte, um die Schleimsekretion zu normalisieren und die Auswirkungen des Stresses auf Darmmikrobiom und Immunität zu kompensieren. Die Gabe von Probiotika war ebenfalls ausreichend, um die negativen Folgen der psychischen Belastung wettzumachen.
Demenz und Risikofaktoren
Unter dem Begriff „Demenz“ wird eine Gruppe von Krankheitsbildern zusammengefasst, deren betroffene Personen in ihren geistigen Funktionen wie Gedächtnis, Orientierung, Sprache, Auffassungsgabe oder Lernfähigkeit eingeschränkt sind. Alzheimer ist die häufigste neurodegenerative Erkrankung in der alternden Bevölkerung. Die Wahrscheinlichkeit, an Alzheimer-Demenz zu erkranken, steigt mit zunehmendem Alter, aber auch Übergewicht, Bluthochdruck, Diabetes, geistige Inaktivität, geringe soziale Kontakte, Rauchen, Bewegungsmangel, ungünstige Ernährung und Depressionen zählen zu den Risikofaktoren.
Bei Alzheimer-Demenz sterben Nervenzellen in bestimmten Gehirnabschnitten ab. Außerdem gehen die Übertragungsstellen zwischen den Nervenzellen, die Synapsen, verloren. Jedoch brauchen wir intakte Synapsen, damit Informationen problemlos weitergeleitet und verarbeitet werden können. Für die Weiterleitung der Informationen wird außerdem der Botenstoff Acetylcholin benötigt. Dieser wird in speziellen Nervenzellen produziert, welche bei Alzheimer-Patienten absterben. Das Absterben der Nervenzellen geht mit der Bildung von ungewöhnlich veränderten Proteinen einher, welche sich zwischen den Nervenzellen (Amyloid-Plaques) und innerhalb der Nervenzellen (Tau-Fibrillen) ablagern.
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