Darmmikroorganismen und neurologische Krankheitsperspektiven Teil 1

Der Magen-Darm-Trakt eines jeden gesunden Menschen besteht aus einer einzigartigen Darmmikrobiota, die insgesamt eine vielfältige und komplexe Gemeinschaft von über 100 Billionen Mikroorganismen beherbergt, darunter Bakterien, Viren, Archaeen, Protozoen und Pilze.

Archaeen sind eine Klasse von Prokaryoten, die in der geographischen Geschichte Milliarden von Jahren existierten. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler die Archaeen genauer untersucht und ihre Magie entdeckt. Unter ihnen ist die Beziehung zwischen Archaeen und Erinnerung am überraschendsten.

Wie wir alle wissen, ist das Gedächtnis eine wesentliche Funktion des menschlichen Gehirns. Wenn wir unser Gedächtnis verlieren, wird es sehr schwierig. Aber wussten Sie es? Archaeen können das menschliche Gedächtnis fördern.

Studien haben gezeigt, dass Archaeen eine Substanz namens „Lysergsäure“ produzieren können, die die Aktivität von Gehirnneuronen stimulieren und das menschliche Gedächtnis fördern kann. Lysergsäure kann auch die Frequenz der Gehirnwellen beeinflussen und das Gedächtnis und die Lernfähigkeit verbessern, indem sie den Rhythmus des Gehirns verändert.

Darüber hinaus können Archaeen auch unsere Stimmung und Schlafqualität verbessern. Ein gesunder Körper und emotionaler Zustand sind wichtige Voraussetzungen für die Erhaltung des Gedächtnisses.

Um ein gesundes Gehirn und ein starkes Gedächtnis zu erhalten, können wir daher durch den Verzehr archaeenreicher Lebensmittel vorbeugen und behandeln. Lebensmittel wie Joghurt und fermentierte Sojaprodukte sind reich an Archaeen. Darüber hinaus finden wir manchmal auch Archaeen-Inhaltsstoffe in Gesundheitsprodukten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass zwischen Archaeen und Erinnerung ein enger Zusammenhang besteht. Durch den richtigen Verzehr von Lebensmitteln, die reich an Archaeen sind, können wir ein gesundes Gehirn und ein starkes Gedächtnis bewahren und so unser Leben verbessern. Es ist ersichtlich, dass wir unser Gedächtnis verbessern müssen, und Cistanche kann das Gedächtnis erheblich verbessern, da Cistanche ein traditionelles chinesisches Arzneimittel mit vielen einzigartigen Wirkungen ist, darunter die Verbesserung des Gedächtnisses. Die Wirksamkeit von Cistanche beruht auf den verschiedenen darin enthaltenen Wirkstoffen, darunter Gerbsäure, Polysaccharide, Flavonoidglykoside usw. Diese Inhaltsstoffe können die Gesundheit des Gehirns auf vielfältige Weise fördern.

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Darmmikroben gehen eine Symbiose mit unserem Körper ein. Die Zusammensetzung der Mikrobiota wird schon früh im Leben durch die Darmreifung geprägt, die von mehreren Faktoren beeinflusst wird.

Darmbakterien sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der Immun- und Stoffwechselhomöostase und für den Schutz vor Krankheitserregern. Eine Dysbiose der Darmmikrobiota wird nicht nur mit Darmstörungen, sondern auch mit extraintestinalen Erkrankungen wie Stoffwechsel- und neurologischen Störungen in Verbindung gebracht.

In dieser Übersicht untersuchen die Autoren verschiedene Studien, die mögliche Hypothesen und Zusammenhänge bei der Entwicklung neurologischer Störungen im Zusammenhang mit dem Darmmikrobiom aufgedeckt haben.

Erster Entwurf eingereicht: 30. November 2020; Zur Veröffentlichung angenommen: 20. Mai 2021; Online veröffentlicht: 14. Juli 2021.

Schlüsselwörter: Alzheimer-Krankheit • Angstzustände • Autismus-Spektrum-Störung • Darm-Hirn-Achse • Darmmikroorganismen • Mikrobiom • Multiple Sklerose • neurologische Erkrankung • Parkinson-Krankheit • Schizophrenie.

Darmmikroorganismen, die im menschlichen Magen-Darm-Trakt (GI) leben, sind ein wesentlicher Bestandteil der menschlichen Entwicklung, da sie als größte Schnittstelle zwischen dem Wirt, Umweltfaktoren und Antigenen im menschlichen Körper dienen.

Die Zahl der Darmmikroben in unserem Darm übersteigt 1014. Sie alle widmen sich dem Aufbau einer für beide Seiten vorteilhaften Beziehung (Symbiose) mit dem Körper. Die im Magen-Darm-Trakt lebenden Bakterien, Archaeen und Eukaryoten kommen dem Menschen in mehrfacher Hinsicht zugute, und zwar über eine Reihe physiologischer Funktionen, wie z. B. die Stärkung der Darmintegrität oder die Formung des Darmepithels, die Regulierung der Immunität des Wirts, den Schutz vor Krankheitserregern, die Gewinnung von Energie und die Bereitstellung von Nährstoffen wie Vitaminen [1]. .

Diese symbiotische Beziehung ist das Ergebnis mehrerer Umweltfaktoren, die während des Kontakts zwischen dem Fötus und der vaginalen Mikrobiota während der Geburt entstehen [2]. Darmmikroorganismen spielen im menschlichen Körper eine wichtige Rolle und tragen zum richtigen Wachstum und zur richtigen Entwicklung bei.

In der Vergangenheit galten Darmmikroorganismen aufgrund ihrer positiven Auswirkungen auf die Gesundheit als Segen für den Menschen.

Überraschenderweise haben neuere Studien jedoch gezeigt, dass Darmmikroben aufgrund der bidirektionalen Kommunikation zwischen dem Darmmikrobiom und dem ZNS, der sogenannten Mikrobiota-Darm-Hirn-Achse, einen Einfluss auf Erkrankungen des Zentralnervensystems (ZNS) haben und auch das beeinflussen können Gesamtentwicklung und Funktion des Gehirns.

Neuroentwicklungsstörungen, neurodegenerative und psychiatrische Störungen hängen mit Veränderungen in der Menge der Darmflora zusammen. Folglich wurde kürzlich ein Zusammenhang zwischen einer Reihe von Darmmikroorganismen und den häufigsten Formen neurologischer Erkrankungen (z. B. Alzheimer-Krankheit [AD], Multiple Sklerose [MS], Schizophrenie) festgestellt.

Obwohl die Mechanismen und Rollen von Darmmikroorganismen bei der Entstehung dieser Krankheiten kaum verstanden sind, haben mehrere neuere Studien verschiedene mögliche Hypothesen aufgestellt, die erklären, wie Darmmikroorganismen ihre Entwicklung beeinflussen können [3,4].

Diese Übersicht bietet einen umfassenden Überblick über Darmmikroorganismen und ihre Entwicklung sowie ihre Rolle im menschlichen Körper und ihre Beteiligung an neurologischen Erkrankungen, einschließlich aktualisierter Hypothesen zur mikrobiellen Pathogenese bei neurologischen Erkrankungen.

Zusammensetzung und Vielfalt der Darmmikroorganismen

Die Darmmikrobiota besteht aus mehreren Arten von Mikroorganismen, darunter Bakterien, Hefen und Viren.

Die Zusammensetzung der Darmmikroben entwickelt sich im Laufe unseres Lebens entsprechend den anatomischen, ernährungsbedingten und ernährungsbedingten Veränderungen (z. B. mager, fettleibig, magersüchtig) sowie pathologischen (systemische und gastrointestinale Infektionen) und umweltbedingten (z. B. Klima, Arbeitsplatz, Lebensstil, familiäre Zusammensetzung) Veränderungen. und pharmakologische (z. B. Verwendung von Antibiotika, Probiotika, Abführmitteln, Prokinetika) Faktoren [5].

Die menschliche Mikrobiota enthält Komponenten wie Archaeen, Viren, Pilze, Hefen und andere Eukaryoten (z. B. Blastocystis und Amöbozoen), die in der Forschung vernachlässigt wurden, und Informationen über kommensale Pilze, Archaeen und Protozoen sind ebenfalls rar [5,6] .

Gemäß der Taxonomie können Bakterien in Phyla (in der Biologie ist ein Phylum [Plural Phyla] eine Klassifizierungsebene oder ein taxonomischer Rang unterhalb des Königreichs und oberhalb der Klasse), Klassen, Ordnungen, Familien, Gattungen und Arten eingeteilt werden [7].

Die vorherrschende Darmmikrobiota besteht aus Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria, Proteobacteria, Fusobacteria und Verrucomicrobia, wobei 90 % der Darmmikrobiota aus den beiden Phyla Firmicutes und Bacteroidetes bestehen.

Thephylum Firmicutes besteht aus mehr als 200 verschiedenen Gattungen, darunter Lactobacillus, Bacillus, Clostridium, Enterococcus und Ruminococcus, wobei 95 % des Stammes aus der Gattung Clostridium bestehen.

Zu den vorherrschenden Gattungen, die Bacteroidetes umfassen, gehören Bacteroides und Prevotella, während der Actinobacteria-Stamm verhältnismäßig weniger häufig vorkommt und hauptsächlich durch die Gattung Bifidobacterium repräsentiert wird.

Die Darmmikrobiota ist durch Bakteriencluster, sogenannte Enterotypen, gekennzeichnet, und drei Enterotypen sind durch drei dominante Bakteriencluster gekennzeichnet: Bacteroides (Enterotyp I), Prevotella (Enterotyp II) und Ruminococcus (Enterotyp III).

Enterotyp I gewinnt hauptsächlich Energie aus Kohlenhydraten mithilfe von Glykolyse und Pentosephosphatwegen, während Enterotyp II und III Mucin-Glykoproteine ​​der Darmschleimhautschicht abbauen können [8,9].

In jedem Teil des Magen-Darm-Trakts variiert die menschliche Darmmikrobiota taxonomisch und funktionell und variiert bei ein und demselben Individuum je nach Übergang des Säuglings, Alter und Umweltfaktoren wie der Verwendung von Antibiotika. Es wurde entdeckt, dass intestinale Bakteriophagen der Hauptbestandteil des Darmviroms sind – Sie machen etwa 90 % ihrer Zusammensetzung aus, ahmen das Wachstum der bakteriellen Mikrobiota bei Säuglingen nach und bleiben vermutlich auch im Erwachsenenalter stabil [10].

Unter den Genen, die während der viralen Evolution im Darm konserviert werden, gewinnen einige Energie für Aktivitäten wie den Kohlenhydrattransport und -abbau [11–13].

Diese Eigenschaften zeigen sich häufig bei aus der Nahrung stammenden Pflanzenviren, die die Fähigkeit besitzen, die menschliche bakterielle Mikrobiota oder den Stoffwechsel des Wirts zu kontrollieren, einschließlich der Proteinsynthese sowie der Kohlenhydratsynthese und des Kohlenhydratabbaus [14].

Interessanterweise haben uns neue metagenomische Methoden ermöglicht, die Zusammensetzung des Darmviroms zu identifizieren und gezeigt, dass der Darm von einer Reihe von Krankheitserregern besiedelt ist. Krankheitserreger wie Norwalk, Rotavirus und Enterovirus sind für Gastroenteritis verantwortlich, da sie Enterozyten direkt schädigen oder die Ionen- und Wassersekretion im Dickdarm verändern.

Darüber hinaus wurde auch eine große Liste nicht nachweisbarer Riesenviren (die aus Protozoen und Parasiten stammen) sowie pflanzlicher Viren und Bakteriophagen gefunden [15,16].

Die Darmmikrobiomgemeinschaft wird hauptsächlich von Bakterien dominiert, weshalb sich die Forschung zur Zusammensetzung von Darmmikroben traditionell auf Bakterien konzentriert. Kürzlich haben jedoch neue Studien das Vorhandensein anderer Mikroben aufgedeckt, die einen großen Einfluss sowohl auf die Gesundheitsförderung als auch auf die Krankheitsauslösung bei Wirten haben könnten.

Daher ist es auch wichtig, Studien an vernachlässigten Mikroben durchzuführen, um mehr über mögliche pathogene Rollen bei neurologischen und anderen Erkrankungen zu erfahren.

Rolle von Darmmikroorganismen im menschlichen Körper

Darmmikroorganismen spielen eine entscheidende Rolle für die Gesundheit, indem sie verschiedene Funktionen erfüllen, die für das Wachstum und die Entwicklung des Körpers erforderlich sind. Umgekehrt kann ein Ungleichgewicht dieser Mikroben zu vielen gesundheitsbezogenen Krankheiten oder Störungen führen.

Mikroorganismen und ihre Metaboliten

Millionen im Darm lebender Bakterien beeinflussen die Homöostase des Wirts. Die Mikrobiota geht eine symbiotische und gegenseitige Beziehung mit dem Wirt ein, was bedeutet, dass sowohl der Wirt als auch die Bakterien zum Überleben voneinander abhängig sind.

Das Mikrobiom ist für die Bereitstellung essentieller Nährstoffe verantwortlich; Synthese von Vitaminen, Enzymen und Aminosäuren; Metabolisierung von Xenobiotika und Arzneimitteln; Zellulose verdauen; Durchführung der Angiogenese; Verbesserung der Funktion des enterischen Nervs (Tabelle 1) [17–20]; und die Synthese kurzkettiger Fettsäuren (SCFAs), zu denen Metaboliten wie Butyrat, Propionat und Acetat gehören [21].

Kolonorganismen wie Bacteroides, Roseburia, Bifidobacterium und Enterobacteriaceae sind an der Fermentation von Kohlenhydraten und unverdaulichen Oligosacchariden beteiligt, was zur Synthese von SCFAs führt und die Darmgesundheit verbessert [22,23].

Bacteroides thetaiotaomicron, ein Mitglied der Gattung Bacteroides, ist ebenfalls an der Kohlenhydratfermentation beteiligt [24]. Es wurde gezeigt, dass B Thetaiotaomicron eine stärkere Expression von Colipase aufweist, einem Enzym, das die Pankreaslipase für die Lipidverdauung benötigt [25].

Bacteroidetes und Firmicutes unterstützen den Stoffwechsel unverdauter Nahrungsreste. Lactobacillus plantarum erhält die Integrität der Darmbarriere aufrecht und verhindert das Eindringen von Darmbakterien, bakteriellen Toxinen, teilweise verdauten Fetten und Proteinen in den Blutkreislauf, wodurch verhindert wird, dass die charakteristischen Symptome eines undichten Darms auftreten [26].

Ein undichter Darm oder eine beschädigte Darmschleimhaut würde andernfalls dazu führen, dass unverdaute Nahrungspartikel, giftige Abfallstoffe und Bakterien durch den Darm austreten und in den Blutkreislauf gelangen, wodurch eine Immunreaktion ausgelöst wird, die eine systemweite Entzündung hervorruft und eine Person anfällig für multiple Gesundheitszustände macht Störungen.

Jüngste Studien an Mäusen haben gezeigt, dass SCFAs – insbesondere Butyrat – die Integrität der Darmbarriere verbessern [21]. Die Mikrobiota schützt den Wirt, indem sie die Ansiedlung und das Wachstum von Krankheitserregern verhindert.

Die Schutzwirkung wird über unterschiedliche Mechanismen umgesetzt. Beispielsweise konkurrieren die Darmbakterien um die Bindung an den Bürstensaum der Darmepithelzellen und verhindern so die Anheftung und den Eintritt schädlicher Bakterien in die Epithelzellen [31].

Darüber hinaus konkurrieren die Darmmikroben um die vom Wirt bereitgestellten Nährstoffe und hemmen so das Wachstum pathogener Konkurrenten. Darüber hinaus hemmen von der Darmmikrobiota produzierte Bakteriozine das Wachstum pathogener Bakterien [32,33].

Die Mikrobiota beeinflusst auch die Entwicklung des ZNS über die Produktion von Neurotransmittern und Neuromodulatoren, und ihr Fehlen ist mit vielen Problemen im Zusammenhang mit der ZNS-Entwicklung verbunden [34].

Mitglieder der Gattungen Lactobacillus und Bifidobacterium synthetisieren Gamma-Aminobuttersäure (GABA); Escherichia, Bacillus und Saccharomyces synthetisieren Noradrenalin; Candida, Streptococcus, Escherichia und Enterococcus synthetisieren Erotonin; Bacillus und Serratia synthetisieren Dopamin; und Lactobacillus synthetisiert Acetylcholin [27].

Mitglieder der Gattung Bacteroides synthetisieren konjugierte Linolsäure, die antidiabetische, antiatherogene, antiobesogene, hypolipidämische und immunmodulatorische Eigenschaften besitzt [28,29].

Der Stoffwechsel mehrerer Nahrungsproteine ​​beruht auf der Interaktion zwischen dem Wirt und der Darmmikrobiota, die jeweils ihre jeweiligen Stoffwechselfunktionen erfüllen. Beispielsweise wandelt das bakterielle Enzym Histamin-Decarboxylase L-Histidin in Histamin um [35]. Bakterien können auch Aminosäuren synthetisieren, die vom Wirt verwendet werden. Diese Funktion hängt jedoch weitgehend von der Rolle der Mikrobiota bei der Aminosäureverwertung ab.

Die Darmmikrobiota ist auch am Abbau von Nahrungspolyphenolen (z. B. Flavanole, Flavanone, Flavanole) beteiligt, die bei der Einnahme inaktiv bleiben. Bacteroides distasonis, Bacteroides uniformis, Enterococcus casseliflavus und Eubacterium ramulus verdauen Flavanole; Butyrivibrio spp.

verdauen Tannine, insbesondere Cranberry- und Himbeerpolyphenole; Clostridium orbiscindens und Enterococcus avium verdauen Flavone; und L plantarum, Lactobacillus casei, Lactobacillus acidophilus und Bifidobacterium longum verdauen Anthocyanidine [30].

Es muss auch beachtet werden, dass die Proteinfermentation neben mehreren Vorteilen auch die Produktion bestimmter Metaboliten mit sich bringt, die zu mehreren physiologischen Defekten im Wirt führen können. Die Darmmikrobiota trägt auch zum xenobiotischen Stoffwechsel bei.

Xenobiotika sind Fremdstoffe, die nicht vom Wirt selbst produziert werden, sondern als Arzneimittel, Umweltgifte und Toxine bezeichnet werden. Darmmikroben steuern den xenobiotischen Stoffwechsel über zwei verschiedene Mechanismen, direkt und indirekt, abhängig von Ernährungs- und Lebensstilfaktoren [36].

Darmmikroben induzieren den xenobiotischen Metabolismus durch Inaktivierung xenobiotischer Metaboliten, Bioaktivierung xenobiotischer Vorläufer, Reaktivierung des vom Wirt entgifteten xenobiotischen Metabolismus oder veränderte Expression der Darmpermeabilität des Wirts.

Die Darm-Hirn-Achse

Die Interaktion zwischen Darm und Gehirn offenbart eine physiologische Verbindung zwischen ihnen, die die Etablierung einer gastrointestinalen Homöostase sowie die Aufrechterhaltung kognitiver und limbischer Funktionen gewährleistet.

Die kollaborative Beziehung zwischen dem ZNS, dem autonomen Nervensystem (ANS), dem enterischen Nervensystem (ENS) und der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennieren-Achse (HPA) des Körpers wird als „Darm-Hirn-Achse“ bezeichnet.

Die Interaktion umfasst direkte und indirekte Wege zwischen den kognitiven und emotionalen Zentren des Gehirns und peripheren Darmfunktionen.

Die Darm-Hirn-Achse ist eine Kombination aus sympathischen und parasympathischen Armen des ANS, die afferente bzw. efferentneurale Signale antreiben und so die Darm-Hirn-Achse verbinden.

Experimentelle Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die Darmmikrobiota einen erheblichen Einfluss auf die Darm-Hirn-Achse hat und dass eine Fehlregulation des Darmmikrobioms zur Entwicklung immunologischer, neurologischer und psychiatrischer Störungen führen kann [37–40].

Ein Ungleichgewicht in der Zusammensetzung der Darmmikrobiota ist auch mit Magen-Darm-Erkrankungen verbunden.

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