Institut für Bakteriologie u. Mykologie
Veterinärmedizinische Fakultät
Universität Leipzig
An den Tierkliniken 29
04103 Leipzig
Wirkung von probiotischen Mikroorganismen auf den Magen-Darm-Trakt von Menschen und Tieren unter besonderer Berücksichtigung Effektiver Mikroorganismen
M. Krüger, K. Thäns und W. Schrödl
Einleitung
Der Magen-Darm-Trakt (MDT) ist Verdauungsorgan, Ausscheidungsorgan, größtes Immunorgan und größtes autonomes Nervensystem. Er ist Brennpunkt der Auseinandersetzung mit der Aussenwelt. Auf horizontaler und vertikaler Ebene siedeln sich in den entstehenden Nischen verschiedene Mikroorganismen-Populationen an, es entstehen Mikroökosysteme. Vom Magen zum Dickdarm baut sich ein zunehmend anaerobes Milieu auf, in dem jeweils an das System angpasste Mikroorganismen (MO) siedeln. Der gesamte MDT beherbergt eine MOPopulation, die in ihrer Gesamtzahl um den Faktor 10 bis 100 grösser ist als die Gesamtzahl der Körperzellen. Diese Mikrobenmenge muss von einem potenten Abwehrsystem beherrscht werden. Dazu stehen dem Wirtsorganismus unspezifische und spezifische Abwehrmechanismen zur Verfügung.
Spezifische und unspezifische Abwehrfaktoren des Magen-Darm-Traktes
Unspezifische Faktoren (angeborene Faktoren)
1. Epithelbarriere
Die Epithelbarriere ist äußerst effektiv. Sie basiert auf der permanenten Zellerneuerung aus dem Kryptenepithel (Zell-Turnover), auf dem permanent sekretierten Mukos und der Bildung von antimikrobiellen Peptiden der Paneth-Zellen sowie der Epithelzellen (Defensine, Laktoferrin, Lysozym usw.). Dadurch wird die MO-Last permanent minimiert und es kann sich so der Zustand einermikrobiellen Homöostase einstellen. Darmepithelzellen sind nicht wehrlos, sie besitzen vielfältige Methoden und Wege, sich der Fremdlinge zu erwehren. Dazu gehören auch antimikrobielle Peptide (sehr kleine Eiweisse), die wie Antibiotika wirken.
MDT-Epithelzellen haben neben Absorptions- und Resorptionsleistungen auch sekretorische und immunologische Leistungen zu vollbringen. Sie sind die Wachhunde des mukosalen Immunsystems. Sie sind das Bindeglied zwischen dem angeborenen und dem adaptiven Immunsystem (Didierlaurent et al. 2002).
Zwischen ihnen, der Mikrobiota und dem Immunsystem findet permanent eine intensive Auseinandersetzung statt. Man spricht von Cross-talk.
2. Mikrobiota
Die Mikrobiota besteht aus Protozoen, Pilzen, Hefen, Bakterien und Viren. Entsprechend der Sauerstoffversorgung siedeln im Magen und Dünndarm mehr aerobe, mikroaerophile und fakultativ anaerobe Bakterien. Im Dickdarm sind das vor allem Anaerobier. Wirt und Mikrobiota stehen im Dünndarm in einer kompetitiven Beziehung. Das heißt, beide konkurrieren hier um die Nährstoffe. Im Dickdarm stehen beide Partner aufgrund der nicht mehr ausreichend zur Verfügung stehenden Nährstoffe nur noch in einem kooperativen Verhältnis. Die Mikrobiota baut für den Wirt nicht mehr zu verstoffwechselnde Substanzen ab und bildet daraus kurzkettige Fettsäuren, die aber für den Wirt von großer ernährungsphysiologischer Bedeutung sind. Sie ist gesundheitsfördernd durch den Abbau von organischen Makromolekülen und durch die Verfügbarmachung von Nährstoffen, durch Bildung von Wachstumsstoffen wie Aminosäuren, organische Säuren, Ester, Hormone, Polysaccharide, Vitamine, die Bildung von antimikrobiell wirksamen Verbindungen und den Abbau von Giften sowie der Unterdrückung von Pathogenen. Sie besitzt aber auch gesundheitsschädigende Wirkungen durch den Abbau von organischen Makromolekülen zu schädigenden Verbindungen wie Ammoniak, H2S, Methan, Merkaptan, Polyamide u.a., durch die Förderung von Pathogenen, durch die Bildung von toxischen mikrobiellen Produkten, z.B. Bakterien- und Pilztoxine sowie durch Behinderung des Wachstums des Wirtes.
Der überwiegende Teil der MO lebt in Aggregaten, Flocken, Filmen und Schwämmen = Biofilm (BF). Im Biofilm bilden die MO Matrix-Substanzen, so genannte extrazelluläre polymere Substanzen (EPS), die sie zusammenhalten. Voraussetzung für die Bildung von Biofilmen sind das Vorhandensein von Grenzflächen, ausreichend Wasser und mikrobiell verwertbarer Nährstoffe. Die MO sind im Biofilm immobilisiert, befinden sich in unmittelbarer Nähe zueinander, bilden Mikrokonsortien, so dass Aerobier und Anaerobier an einem Standort zusammen leben.
3. Entstehung von Florastörungen und ihre Beinflussung
Exogene Faktoren wie AB-Therapie, andere Medikamente z.B. Herzmittel, Hormone etc., psychischer Stress (Absetzen), Ftterwechsel, verfügbare Nährstoffe, Leber – und Nierenerkrankungen, Wassermangel (qualitativ und quantitativ) sowie Schwermetalle können die MDT-Flora beeinflussen. Endogen spielen der pH – Wert im MDT, das Redoxpotential, Entzündungsreaktionen im MDT, bakterielle Antagonismen, bakterielle Synergismen, Mucin, Lysozym, Defensine, Niederbruch der MDT-Barriere und Motilitätsstörungen eine Rolle. Von grosser Bedeutung sind kommensale Mikroorganismen, die gemeinsam mit dem Wirt von Substraten im MDT leben und den Wirt dabei offensichtlich nicht schädigen. Sie können aber mit ihm um die Nahrung konkurrieren, was bei Nutztieren auch als eine Schädigung (Leistungsminderung) aufzufassen ist. Die Populationen der MO unterscheiden sich in den einzelnen Kompartimenten des MDT. Dünndarm - aerobe Kulturverhältnisse, Dickdarm - anaerobe Kulturverhältnisse. Die Mikrobiota des Dünndarms konkurriert mit dem Wirt mehr um die Nährstoffe als die Mikrobiota des Dickdarms. Wachstumsfördernde Antibiotika wirken vor allem gegen Gram-positive Bakterien. MO spielen eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung des intestinalen Immunsystems. Antibiotika (AB) reduzieren immunogene Bakterien. Dadurch wird auch die immunogene Kompetenz der Tiere beeinflusst.
Die Begrenzung der MO im Dünndarm durch AB senkt den Energiebedarf der Tiere auf Kosten der immunologischen Kompetenz.
4. Erkennung der MO durch den Wirt
Mikroorganismen und Wirtszellen erkennen sich gegenseitig durch bestimmte Signalmoleküle. Durch diese Signale werden bestimmte Wege der Körperreaktion festgelegt; Toleranz, Abwehrmassnahmen verschiedener Stärke durch unspezifische und spezifische immunologische Reaktionen sowie Anergie (Körper reagiert überhaupt nicht). Der Körper von Menschen und Tieren reagiert unterschiedlich auf die einzelnen MO-Gruppen. Pathogene MO besitzen Virulenzfaktoren, über die sie an Mukos und Epithelzellen binden. Sie sind oft resistent gegen antimikrobielle Peptide, die von den Darmepithelzellen gebildet werden und intiieren Entzündungsreaktionen. Demgegenüber programmieren kommensale Bakterien die Epithelzellen zur Down-Regulierung der proinflammatorischen Antwort.Bereits Metchnikoff schlug 1907 die orale Applikation von lebenden MO vor, um die intestinale Gesundheit und das Wohlbefinden des Wirtes zu verbessern. Das waren vor allem Milchsäure bildende Bakterien wie Laktobazillen, Enterokokken und einige Hefen. Der Terminus Probiotikum wurde erst 30 Jahre später geprägt. Demnach sind Probiotika lebende Kulturen von einzelnen oder gemischten MOPopulationen, die an Menschen oder Tiere appliziert, einen gesundheitsfördernden Effekt auf die indigene gastrointestinale Mikroflora ausüben (HAVENAAR und HUIS in`t VELD, 1992). Laktobazillen, Propionibakterien, Bifidobakterien, Enterokokken und Hefen werden am häufigsten eingesetzt. Hinsichtlich ihrer Wirkung existieren gerade aus jüngster Zeit Arbeiten zu ihrer Wirkung. Das erfolgt über von ihnen gebildete funktionelle Moleküle wie Proteine und DNA auch ohne direkten Kontakt. Sie induzieren nicht IL-8 (Entzündungsmediator) im Enterozyten, sie steigern die transepitheliale Resistenz, auch in Kokulturen mit Salmonellen und stabilisieren die Tight junctions, und auch dieses in Kokultur mit Salmonellen. Probiotika reduzieren den oxidativen Stress im Epithel, steigern Mucinsekretion konzentrationsabhängig und reduzieren dadurch die Adhäsion von Pathogenen sowie deren Translokation, einschliesslich LPS.
Sie besitzen einen membranstabilisierenden Effekt und reduzieren die zytokininduzierte Apoptose ( Otte und Podolsky, 2004). Die Ergebnisse dieser Autoren verdeutlichen, dass Laktobazillengemische besser wirken als Monokulturen. Die gleichen Autoren konnten feststellen, dass der probiotische Bakterienstamm E. coli Stamm Nissle 1917 konzentrationsabhängig IL-8 induziert und die transepitheliale Resistenz nur leicht verstärkt. Die Mucin - sekretion wird nicht verstärkt. Für alle Probiotika gilt jedoch, dass sie Defensine induzieren (Wehkamp et al. 2005) und die antimikrobielle Kapazität der Darmepithelzellen steigern.
5. Effektive Mikroorganismen
Das ist eine Mischpopulation von Bakterien, Pilzen und Hefen, die ihren Ursprung im Boden haben. Sie gehen auf Higa zurück und enthalten ca. 80 MO-Stämme; Photosynthesebakterien, n.n., Aktinomyceten, 10 7-8/ml, Laktobazillen, 107-8/ml, Hefen, 106-7/ml und fermentaktive Pilze.
Die Kultivierung von EM-Stock in Rohrzuckermelasse führt zu einer Mikrobengemeinschaft, die ein ausserordentlich hohes antioxidatives Potential besitzt. In EM-Stock wurde eine antioxidative Kapazität von 4784 μmol/l festgestellt. In einem 5%igen Rohrzuckermelasseansatz von EM-M wurde eine antioxidative Kapazität von 4140 μmol/l und in 3% iger Melasse von 1665 μmol/l. Hier zeigt sich, dass die Melassekonzentration für die Herstellung der EM-M von Bedeutung ist.
Bisheriger wissenschaftlich begleiteter Einsatz von EM-M beim Rind Als markantestes Ergebnis konnte herausgearbeitet werden, dass durch den Einsatz von EM-M in einem Sächsischen Rinderbestand die Laktobazillen und Bifidobakterien im Kot der Rinder signifikant angestiegen sind. Weiterhin konnte eine tendenzielle Reduzierung der Clostridienkonzentration im Kot der Rinder im Beobachtungszeitraum von 12 Monaten festgestellt werden. Dieses war ab der 6. Woche nach Einsatz der EM-M im Tierbestand begleitet von einem signifikanten Anstieg der Anti- Phospholipase C-Antikörper von C.perfringens.
Schlussfolgerungen
Probiotika unterstützen die Abwehrkräfte des Wirtsorganismus und tragen so zum Wohlbefinden und zur Gesundheit bei. Sie entlasten den Magen-Darmtrakt und dadurch den gesamten Organismus. Es kommt nicht zu einer stabilen Ansiedlung der Probiotika. Es wird demgegenüber die Darmbarriere stabilisiert, so dass die oben erwähnten Abwehrmechanismen greifen. Probiotika müssen somit permanent zugeführt werden, um die MDT-Flora zu stabilisieren und den Körper vor schädigenden Stoffen aus dem MDT zu schützen.
Leipzig, den 11. 04. 05
