Darm-Hirn-Achse

Ihr kennt das Bauchgefühl oder wenn euch emotionale Ereignisse auf den Magen schlagen? Das liegt daran, dass es eine enge Verbindung zwischen den beiden Organen gibt, in denen entweder Nahrung oder Gedanken verarbeitet werden. Vielfach von euch gewünscht, geht es dieses Mal im Nerdletter um die Darm-Hirn-Achse.

Über die Verbindung zwischen Kopf und Bauch

Die Darm-Hirn-Achse (gut-brain axis) ist ein viel beforschtes Terrain. Die Paper-Datenbank PubMed (Si apre in una nuova finestra) listet allein in den letzten 15 Jahren fast zehntausend wissenschaftliche Arbeiten zum Thema, und auf dem PrePrint-Server bioRxiv (Si apre in una nuova finestra) kommen noch mal mehr als fünftausend aktuelle, jedoch noch nicht begutachtete, Vorabdrucke hinzu. Warum interessiert die Menschen aus Wissenschaft und Gesellschaft das Thema so sehr? Vermutlich weil die Kommunikation zwischen Verdauungstrakt und Gehirn so viele Auswirkungen auf unser Leben hat. Essen wird zu einem emotionalen Ereignis (Glücksgefühle bei einem leckeren Kuchen), und Stress wirkt sich negativ auf unsere Verdauung aus. An diesen zwei Beispielen wird schon deutlich, dass die Verbindung zwischen Darm und Hirn keine Einbahnstraße ist. Es geht rauf und runter im Austausch zwischen den Organen. An der Kommunikation sind viele weitere Komponenten beteiligt, wie du schon aus dem Artikel zu den Darmbakterien (Si apre in una nuova finestra) weißt. Hier noch mal die Essentials:

Ein Mensch besitzt rund 200 Millionen Nervenzellen allein im Darm.

Nahrung wird im Darm zersetzt, wobei viele verschiedene Darmbakterien mithelfen. Dabei entstehen Stoffwechselprodukte, die nicht nur die Darmwand verändern können (sie beschädigen oder schützen), sondern auch Immunzellen und Nervenzellen im Darm beeinflussen. Einige der Nervenzellen stellen eine direkte Verbindungsleitung zum Gehirn her. Aber auch ausgeschüttete Botenstoffe können zwischen Darm und Hirn vermitteln. Bevor wir uns das Ganze im Detail vornehmen – und auch schauen, was passiert, wenn die Darm-Hirn-Achse beschädigt wird – möchte ich noch mit einer nerdigen Zahl aufwarten: 200 Millionen. Das ist die durchschnittliche Anzahl an Nervenzellen (für Nerds: Neuronen), die ein Mensch allein im Darm besitzt. Das sind etwa zehn mal mehr Nervenzellen als eine durchschnittliche Hausmaus im Gehirn hat. Unser Darm ist also ziemlich gut vernetzt.

Bakterien und Barrieren

Eine entscheidende Komponente der Kommunikation zwischen Verdauungssystem und Gehirn sind also unsere Darmbakterien. Sie zersetzen Nahrung, produzieren dabei chemische Botenstoffe, interagieren mit Immunzellen und beeinflussen über Nervenverbindungen sogar direkt die Gehirnaktivität. Weil Darmbakterien besser für eine Behandlung zugänglich sind als die Zellen im Gehirn, konzentriert sich ein großer Teil der klinischen Forschung auf den Einfluss von bakteriellen Stoffwechselprodukten auf das Nervensystem. Denn wenn wir diesen Teil der Darm-Hirn-Achse besser verstehen, könnten wir Bakterien oder deren Stoffwechselprodukte gezielt verändern, um neurologische Erkrankungen zu therapieren.

Wie funktioniert das im gesunden Zustand? Wenn Bakterien Ballaststoffe aus der Nahrung abbauen (die findet man vor allem in pflanzlichen Lebensmitteln wie Obst oder Gemüse), entstehen sogenannte kurzkettige Fettsäuren. Dazu zählen Butyrat, Propionat und Acetat, mit vier, drei, bzw. zwei Kohlenstoffatomen. Diese Substanzen können an Rezeptoren in der Darmschleimhaut binden und dadurch weitreichende Signale auslösen. Sie stärken zum Beispiel den Zusammenhalt der Darmwand, regulieren Entzündungsprozesse und beeinflussen die Durchlässigkeit der Blut-Hirn-Schranke. Letztere ist eine physikalische Barriere zwischen dem Gehirn und dem Rest des Körpers. Dort wird entschieden, welche Stoffe ins zentrale Nervensystem gelangen. Die Blut-Hirn-Schranke ist sehr stark kontrolliert. Nur wenige Substanzen dürfen passieren, weil natürlich vermieden werden soll, dass das Gehirn von Krankheitserregern infiziert wird, oder die Nervenzellen im Gehirn durch Stoffwechselprodukte vergiftet und geschädigt werden.

Die Blut-Hirn-Schranke ist sehr stark kontrolliert, nur wenige Substanzen dürfen passieren.

Zusätzlich zur Blut-Hirn-Schranke fungiert auch die Darmwand als trennende Barriere, die zum Schutz normalerweise gut abgedichtet ist. Wird die Darmwand durch Stress, falsche Ernährung oder Krankheitserreger beschädigt, spricht man von einem leaky gut – dem durchlässigen Darm. Dann können Bakterien oder deren Stoffwechselprodukte in den Blutkreislauf gelangen, wo sie unter anderem die Blut-Hirn-Schranke beeinflussen oder das Immunsystem alarmieren. In Tierversuchen konnte gezeigt werden, dass eine gestörte Darmbarriere auch die Durchlässigkeit der Blut-Hirn-Schranke erhöht, was wiederum neurologische Komplikationen nach sich ziehen kann.

Kurze Ketten, komplizierte Kommunikation

Wenn wir krank werden, weil wir etwa gestresst sind oder uns ungesund ernähren, hat das noch weitere Auswirkungen auf die Darm-Hirn-Achse. Stress, ungesunde Ernährung etc. bringen nämlich die Darmbakterien aus dem Gleichgewicht. Um zu verstehen, was gestörte Darmbakterien für Auswirkungen auf unseren Kopf und Körper haben, führen wir Tierversuche durch. So wurden in einer vielbeachteten Studie Mäusen ihre Darmbakterien komplett entfernt. Solche keimfreien Mäuse ganz ohne Darmbakterien sind zugegebenermaßen ein Extremfall – vielleicht am ehesten vergleichbar mit einer Situation, in der wir Antibiotika verschrieben bekommen. Aber dieser Extremfall hilft uns in der Grundlagenforschung, die Funktionen der Darm-Hirn-Achse besser zu verstehen. Nur so können wir eventuelle Fehlfunktionen dann auch behandeln (zuerst bei Mäusen, dann bei Menschen!) In den Tierversuchen wurde beobachtet, dass bei Mäusen ohne Darmbakterien bestimmte Nervenzellen im Darm überaktiv wurden, was zu Stressreaktionen im gesamten Körper führte. Menschen mit Reizdarm-Syndrom kennen das vermutlich; vor allem die zugehörigen Schmerzen im Bauchraum. In den Tierversuchen wurde den Mäusen ohne Darmbakterien dann eine bestimmte Art von Clostridien verabreicht. Das sind Bakterien, die im gesunden Darm vorkommen, und die besonders gut die erwähnten kurzkettigen Fettsäuren (Butyrat, Propionat und Acetat) produzieren können. Dadurch ging im Tierversuch die neuronale Überaktivierung wieder auf ein normales Maß zurück und die Stressreaktionen der Tiere wurden deutlich abgemildert. Das zeigt: Bakterien und ihre Stoffwechselprodukte wirken nicht nur lokal im Darm, sondern beeinflussen das Nervensystem und damit den gesamten Körper.

Stress, ungesunde Ernährung etc. bringen die Darmbakterien aus dem Gleichgewicht.

Eine weitere spannende Schnittstelle ist das Immunsystem. Der Darm ist eines der immunologisch aktivsten Organe im Körper, und Darmbakterien interagieren ständig mit den dort ansässigen Immunzellen. Die Immunzellen wiederum produzieren Zytokine, also chemische Botenstoffe, die Entzündungen regulieren, aber auch über das Blut das Gehirn erreichen und dort zum Beispiel unser Verhalten oder unsere Stimmung beeinflussen können. So steht eine erhöhte Konzentration bestimmter entzündungsfördernder Zytokine im Verdacht, depressive Symptome auszulösen oder zu verstärken.

Es wird also deutlich: Die Kommunikation zwischen Darm und Hirn funktioniert wie ein Teammeeting mehrerer Abteilungen. Mit im Call sind die Bereiche von Immun- und Nervensystem, Stoffwechsel und Gewebestrukturen. Und die Darmbakterien vermitteln zwischen allen und bestimmen dadurch, wie harmonisch das Meeting verläuft.

Gestörte Kommunikation zwischen Darm und Hirn

Wie so oft im Körper gilt auch für die Darm-Hirn-Achse: Solange alles im Gleichgewicht ist, läuft es weitgehend unbemerkt im Hintergrund. Doch wird das sensible Kommunikationssystem gestört, können sich die Folgen auf vielfältige Weise bemerkbar machen: im Kopf, im Bauch, und überall dazwischen.

Besonders auffällig wird die gestörte Darm-Hirn-Achse bei psychischen Erkrankungen wie Depressionen oder Angststörungen. Mittlerweile wissen wir, dass Menschen mit diesen Erkrankungen oft Veränderungen ihrer Darmbakterien aufweisen. Ob diese Veränderungen im direkten Zusammenhang mit den Erkrankungen stehen, ist noch nicht bewiesen. Es gibt aber ein paar sehr interessante Hinweise: Bei Mäusen führte die Übertragung von Darmbakterien eines depressiven oder autistischen Menschen dazu, dass die Tiere ähnliche Verhaltensauffälligkeiten entwickelten wie die menschlichen Spender:innen. Soziale Meidung, weniger Neugier und weitere depressive Anzeichen deuten auf eine Verknüpfung von Darmbakterien und psychischen Erkrankungen hin.

Auch bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Parkinson oder Alzheimer rückt die Darm-Hirn-Achse in den Fokus.

Auch bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Parkinson oder Alzheimer rückt die Darm-Hirn-Achse in den Fokus. Bei Menschen mit Parkinson treten mitunter schon Jahre vor den ersten motorischen Symptomen Verdauungsprobleme auf; etwa Verstopfung oder eine veränderte Darmflora. In einigen Papern wird darüber spekuliert, dass die krankheitsauslösenden Prozesse im Darm beginnen könnten und sich über Nervenzellen (insbesondere den Vagusnerv) ins Gehirn ausbreiten. Noch ist das nicht bewiesen, aber die Hypothese wird intensiv untersucht.

Auch bei krankhaftem Übergewicht (Adipositas) wird die Darm-Hirn-Achse gestört. Die Darmbakterien scheinen eine wichtige Rolle dabei zu spielen. Sie sind dafür verantwortlich, wie effizient wir Kalorien aus unserer Nahrung ziehen. Zusätzlich beeinflussen die Darmbakterien über ihre Stoffwechselprodukte auch Hirnregionen, die mit Belohnung und Appetitkontrolle zu tun haben. Dabei sorgt Acetat (eigentlich ja eine gesundheitsfördernde kurzkettige Fettsäure) in großen Mengen im Hypothalamus dazu, dass Hormone gebildet werden, die zu Heißhungerattacken führen. Dieses Beispiel zeigt, wie kompliziert bzw. faszinierend Biologie sein kann. In kleinen Mengen wirkt Acetat, das von Darmbakterien produziert wird, gesundheitsförderlich. Doch in größeren Mengen wirkt dieselbe Substanz plötzlich gesundheitsschädlich.

Damit wird deutlich: Bei all diesen Fällen handelt es sich um komplexe, multifaktorielle Erkrankungen, bei denen es nicht auf ein Bakterium oder ein Stoffwechselprodukt alleine ankommt. Trotzdem möchte ich zum Abschluss noch ein paar positive Beispiele erwähnen, wo wir dank wissenschaftlicher Forschung neue, vielversprechende Therapieoptionen ausloten.

Bakterien-Therapie für neurologische Erkrankungen?

Die Entdeckung, dass Darmbakterien das Nervensystem beeinflussen können, hat einen regelrechten Forschungshype ausgelöst. Könnten wir nicht einfach die gesunden Bakterien füttern und so die Psyche verbessern oder Krankheiten vorbeugen? Ganz so einfach ist es natürlich nicht. Aber gezielte Veränderungen der Darmflora haben durchaus therapeutisches Potenzial.

Ein Beispiel ist die Arbeit mit sogenannten Psychobiotika. Das sind Bakterien, die einen positiven Einfluss auf das psychische Wohlbefinden haben sollen. In einer klinischen Studie mit 22 gesunden Probanden (japp, blöderweise nur Männer …) wurde untersucht, ob das Bakterium Bifidobacterium longum 1714 Einfluss auf Stress und Kognition hat. Tatsächlich hatten die Teilnehmer nach der Einnahme dieses Bakteriums über mehrere Wochen niedrigere Cortisolwerte bei einem standardisierten Stresstest. Das zeugt von einer gedämpften physiologischen Stressreaktion. Außerdem verbesserten sich einige Aspekte der Gedächtnisleistung, und auch die Hirnaktivität veränderte sich in Richtung eines „entspannteren“ Profils. Noch ist unklar, wie genau diese Effekte zustande kommen, und ob sie sich (in großen, diversen Kohorten von Leuten) verallgemeinern lassen. Aber die Ergebnisse lassen aufhorchen. Es hätte ja auch sein können, dass die Männer einfach nur Durchfall kriegen und sich mies fühlen.

Unabhängig davon bleibt auch die Ernährung eine wichtige Option für Vorbeugung und Heilung von Erkrankungen der Darm-Hirn-Achse. Wenn du dich ballaststoffreich ernährst, fördert das das Wachstum von Bakterien, die kurzkettige Fettsäuren in den richtigen Mengen produzieren, um eine gesunde Kommunikation zwischen Verdauungstrakt und Gehirn zu unterstützen. Studien deuten darauf hin, dass traditionelle Ernährungsmuster wie die mediterrane Diät nicht nur dem Herz-Kreislauf-System guttun, sondern auch mit besserer kognitiver Leistung und weniger Depressionssymptomen assoziiert sind. Ganz neu ist die Idee also nicht; aber mittlerweile verstehen wir etwas besser, warum das so ist.

Trotzdem ist Vorsicht geboten: Nicht jedes Probiotikum wirkt bei jeder Person gleich. Und nicht jede Veränderung der Darmbakterien bedeutet automatisch eine Verbesserung von Physiologie und/oder Psyche. Die Forschung steht hier noch ganz am Anfang, und muss sich in den nächsten Jahren vor allem darum bemühen, echte Wirkung von Placeboeffekten und Marketingversprechen zu trennen.

Drei Nerd-Fakten in aller Kürze

• Dein Darm enthält rund 200 Millionen Nervenzellen – das ist zehnmal mehr als das Gehirn einer Maus.

• Ballaststoffe sind das Lieblingsfutter gesunder Darmbakterien, daraus machen sie kurzkettige Fettsäuren, die indirekt sogar deine Blut-Hirn-Schranke mitregulieren können.

• In einer Reihe von Experimenten wurden Darmbakterien depressiver Menschen auf Mäuse übertragen, und die Mäuse wurden daraufhin auch depressiv.

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