It’s me, the walking bacterioverse
You have probably heard that by number most of the cells in your body are not actually human, but bacteria (but don’t worry, by mass we are mostly human). Although bacteria are literally crawling all over us, we do not actually notice most of them. Some of them we brush from our teeth twice a day, while a small set of them can make us ill. However, there is also a large army of bacteria in our gut, which we could not well do without.
Most animals large enough to be visible to our eye live in a symbiosis with gut bacteria. While some of them can do without, most would simply starve. No eukaryotic organism has evolved the ability to digest cellulose, and herbivores like cows and rabbits can only cover their energy requirements by relying on bacteria to do the digestion for them. The same is also true for humans. Many of the carbohydrates we consume fall into the category of glycans, which are indigestible to us, but are processed by a large variety of gut bacteria, who make the nutrients available to us.
The amount of research conducted about the bacteria living in our gut has increased almost 20 fold over the last 10 years (as measured by publication output).
While the first efforts were focused on describing our intestinal inhabitants, and relating the extraordinary diversity to geography, age, ethnicity and sex, current research is more concerned with the health implications of a changing gut population. Scientist don’t stop at the obvious links between the gut bacteria and digestion related diseases like irritable bowel syndrome, inflammatory bowel disease or obesity. Now the research encompasses multiple sclerosis, liver cirrhosis, autism and depression.
Thanks to the ever decreasing cost of sequencing, the effect of our diet on the gut microbiome can be easily determined: Get some volunteers, take a stool sample and sequence it exhaustively, then make the volunteers go on a particular diet and repeat the whole process. This is exactly what Bonder et. al. did to determine the effects of a gluten free diet. They show that a gluten free diet reduces the abundance of some types of bacteria which are usually associated with digestive problems, and can thus explain the relief even a short term gluten free diet can provide to those who suffer from stomach aches. However, they also show that there are few other effects, concluding that a gluten free diet for non-medical reasons is neither dangerous nor beneficial to our health.
It is much more difficult to determine the effect of our gut bacteria on our health. Kang et. al. found that certain bacterial groups were less prominent in the stool samples taken from autistic children over healthy controls. But what exactly does that tell us? Do these bacteria prevent autism? Does autism affect the diversity of bacteria in your gut? Or were there simply more autistic children on a special diet than in the control group? We do not even yet know all the factors that influence the gut microbiome, thus it is impossible to control for all of them in a study. However a causation study can shed light onto these questions.
It is possible to induce a disease in mice which is like multiple sclerosis in humans. Being able to identify the symptoms, Cekanaviciute et. al. could place stool from patients and healthy people into mice and discover that the former group of mice developed MS-like symptoms. More specifically, they could highlight three species of bacteria which could explain the symptoms of multiple sclerosis. Akkermansia muciniphila is more abundant in patients with MS. While many studies have linked it to inflammation, descriptions of its effect are contradictory in recent studies, though many seem to agree that a diet rich in animal fats will make matters worse. The researchers also found an increased abundance of Acinetobacter calcoaceticus, which produces a mimic of myelin proteins (the protein that surrounds your nerve cells); the resulting immune response could be the origin of the autoimmune reaction against the body’s own myelin proteins. Finally, a decrease in the proportion of Parabacteroides distasonis, which was shown to induce the anti-inflammatory pathway in mice, will exacerbate symptoms.
If many diseases can be explained by an imbalance in your bacterial gut population, how did the balance go wrong in the first place? Was it an infection with some bacterium like Acinetobacter calcoaceticus that can come from lettuce? Did the rest just follow, or do we only get the disease if we are unfortunate enough to have added up several unhealthy shifts? And how do we fix this? Antibiotics? A special diet? Or could we flood the gut with bacteria from healthy people? The answer will almost certainly be different for every disease, and maybe even for every person.
Will an investigation of our health in future always include a stool sample? And how many of our inflictions can we solve by altering our diet or swallowing a pill containing bacteria from a healthy person’s gut?
Die Welt in deinem Darm
Hallo, ich bin’s, der wandernde Bakterienzoo
Jeder hat vielleicht schon einmal gehört, dass die Mehrzahl der Zellen in unserem Körper nicht wirklich menschliche Zellen sind, sondern Bakterien (aber keine Bange, dem Gewicht nach sind wir hauptsächlich menschlich). Obwohl die Bakterien im wahrsten Sinne des Wortes überall auf uns (und in uns) herumkrabbeln, nehmen wir die meisten von ihnen nicht wahr. Einige der Bakterien putzen wir zweimal täglich von unseren Zähnen, eine geringe Anzahl der Microben kann uns krankmachen. Doch es gibt auch eine große Armee von Bakterien in unserem Darm, ohne die wir nicht überleben könnten.
Die meisten Tiere, die groß genug sind, um von uns gesehen zu werden, leben in Symbiose mit Darmbakterien. Einige könnten ohne sie auskommen, aber die meisten würden einfach verhungern. Kein eukarotischer Organismus hat die Fähigkeit entwickelt, Zellulose zu verdauen und Pflanzenfresser wie Kühe und Kaninchen können ihren Energiebedarf nur decken, wenn sie sich darauf verlassen, dass die Bakterien die Verdauung für sie erledigen. Dasselbe gilt für Menschen. Viele der Kohlenhydrate, die wir essen, fallen in die Kategorie von Glycanen, welche für uns unverdaulich sind. Wenn diese aber von der großen Anzahl der Darmbakterien verdaut werden, stehen diese Inhaltsstoffe auch für uns zur Verfügung.
Die Anzahl der Veröffentlichungen, die sich mit den Darmbakterien beschäftigen, hat sich in den letzten 10 Jahren verzwanzigfacht.
Während sich die ersten Anstrengungen darauf richteten, unsere inneren Einwohner zu beschreiben und ihre außerordentliche Vielfalt mit Wohnort, Alter, Art und Sex des Menschen in Verbindung zu bringen, beschäftigen sich die aktuellen Forschungen zunehmend mit Auswirkungen auf die Gesundheit durch eine sich verändernde Darmflora. Die Wissenschaftler beschränken sich dabei nicht auf die offensichtliche Verbindung zwischen Darmbakterien und ernährungsbedingten Krankheiten wie Reizdarm, chronisch-entzündliche Darmerkrankung oder Fettleibigkeit. Jetzt beschäftigt sich die Forschung mit multipler Sklerose, Leberzirrhose, Autismus und Depression.
Wegen der ständig sinkenden Kosten für DNA-Sequenzierung kann die Wirkung unserer Ernährung auf die Darmflora leicht ermittelt werden. Man nimmt Stuhlproben von ein paar Freiwilligen und untersucht diese vollständig. Danach wird den Freiwilligen eine bestimmte Diät verordnet und der ganze Prozess wiederholt. In dieser Weise haben Bonder und andere die Wirkung einer glutenfreien Diät untersucht. Sie haben dabei gezeigt, dass eine glutenfreie Diät den Reichtum von einigen Bakterienarten reduziert, welche normalerweise mit Verdauungsproblemen in Verbindung gebracht werden, und erklärten auf diese Weise die Erleichterung schon nach einer kurzzeitigen glutenfreien Diät für Menschen mit Bauchschmerzen. Jedoch zeigen sie auch, dass es kaum andere Auswirkungen gibt, und schlussfolgern, dass eine glutenfreie Diät aus nichtmedizinischen Gründen weder gefährlich noch nützlich für unsere Gesundheit ist.
Es ist sehr viel schwieriger, die Wirkungen unserer Darmbakterien auf unsere Gesundheit zu ermitteln. Kang und andere haben herausgefunden, dass in den Stuhlproben von autistischen Kindern bestimmte Bakteriengruppen weniger häufig auftreten, als in der gesunden Kontrollgruppe. Aber was kann man daraus schlussfolgern? Verhindern diese Bakterien Autismus? Oder beeinflusst Autismus die Vielfalt der Darmbakterien? Oder waren es einfach nur mehr autistische Kinder mit einer speziellen Diät als in der Kontrollgruppe? Wir kennen noch nicht alle Faktoren, die einen Einfluss auf die Darmflora haben, daher ist es unmöglich, alle Faktoren in einer Studie zu kontrollieren. Jedoch kann eine Ursachenforschung diese Fragen klären.
Es ist möglich, bei Mäusen eine Krankheit zu erzeugen, welche der multiplen Sklerose beim Menschen ähnelt. Mit der Fähigkeit, die Symptome zu identifizieren, konnten Cekanaviciute und andere den Mäusen Stuhlproben von Patienten und gesunden Menschen verabreichen und beobachten, dass die erste Gruppe der Mäuse MS-ähnliche Symptome entwickelte. Besonders konnten sie drei Arten von Bakterien hervorheben, welche die Symptome der multiplen Sklerose erklären. Akkermansia muciniphila ist bei Patienten mit MS reichlich vorhanden.
Während viele Studien diese Bakterien mit Entzündungen in Verbindung bringen, widersprechen sich hier die Experten, jedoch besteht bei vielen Übereinstimmung darin, dass eine Ernährung, die reich an tierischen Fetten ist, die Krankheit verschlimmert. Die Forscher entdeckten weiterhin einen steigende Menge von Acinetobacter calcoaceticus, welches ein Protein produziert, das dem Myelinproteins ähnlich ist (das Protein, welches die Nervenzellen ummantelt); die daraus resultierende Reaktion des Immunsystems könnte der Ursprung der Autoimmunreaktion gegen die körpereigenen Myelinproteine sein. Schließlich zeigen sie, dass eine Verringerung der Proportion von Parabacteroides distasonis, die bei Mäusen eine entzündungshemmende Funktion haben, die Symptome verschlimmert.
Wenn viele Krankheiten können mit einem Ungleichgewicht der Bakterienpopulation des Darmes erklärt werden? Wie ging das Gleichgewicht verloren? War es eine Infektion mit einem Bakterium wie Acinetobacter calcoaceticus, welche von Salat kommen kann? Ist der Rest nur gefolgt, oder haben wir die Krankheit nur bekommen, weil wir unglücklich genug waren, verschiedene ungesunde Mittel zu nehmen? Und wie stellen wir es wieder her? Antibiotika? Spezialernährung? Oder können wir den Darm mit Bakterien gesunder Menschen überfluten? Die Antwort darauf wird fast immer verschieden sein für jede Krankheit und vielleicht auch für jeden einzelnen Menschen.
Wird die Erforschung unserer Gesundheit in Zukunft immer eine Stuhlprobe beinhalten? Und wieviele unserer Beschwerden können wir lösen, wenn wir unsere Ernährung umstellen oder eine Tablette mit Bakterien aus dem Darm gesunder Menschen schlucken?
Ich empfehle auch das Buch Darm mit Charm von Giulia Enders:
http://www.darm-mit-charme.de/
An amazing thing that we are all alike.