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Ihr Geist über Mikroben: Wie von Darmbakterien abgesonderte Moleküle die Bildung neuer Gehirnzellen fördern

Ihr Geist über Mikroben: Wie von Darmbakterien abgesonderte Moleküle die Bildung neuer Gehirnzellen fördern

Früher wurde angenommen, dass die Neurogenese – die Bildung neuer Neuronen – nach den ersten Lebensjahren aufhört. Es stellt sich jedoch heraus, dass die Entstehung neuer Gehirnzellen bis weit ins Erwachsenenalter reicht und spannende neue Möglichkeiten zur Unterstützung des verletzten, erkrankten oder gealterten Gehirns bietet. 

Obwohl wir in den letzten Jahrzehnten große Fortschritte beim Verständnis dieses Prozesses gemacht haben, ist ein weitgehend unerschlossener Bereich die Frage, ob und wie unsere Darmmikroben daran beteiligt sind. In den letzten Jahren wurde festgestellt, dass diese riesige Ansammlung von Bakterien, die in unserem Magen-Darm-Trakt leben – sowohl gute als auch schlechte –, auch als Darmmikrobiom bekannt ist, eine viel wichtigere Rolle für unsere Gesundheit spielt als bisher angenommen. Nun entdeckte ein hauptsächlich in London und Singapur ansässiges Forschungsteam, dass bestimmte Darmmikroben, die die Aminosäure Tryptophan abbauen, die Sekretion kleiner Moleküle, sogenannter Indole, verursachen – und diese Indole sind ein Schlüsselfaktor bei der Stimulierung der Neurogenese im erwachsenen Gehirn. 

Förderung neuer Neuronen durch Neurogenese 

Neurogenese ist ein Teilbereich der Gehirngesundheit, der als Plastizität bezeichnet wird, oder die Fähigkeit des erwachsenen Gehirns, sich als Reaktion auf neue Erfahrungen anzupassen, seine Struktur zu ändern und Verbindungen, sogenannte Synapsen, neu zu vernetzen. Ein Gehirn mit hoher Plastizität würde sich nach einer Verletzung besser selbst reparieren, was zu einer verbesserten kognitiven Vitalität und einem langsameren Alterungsprozess führen würde. Neuronale Plastizität ermöglicht es dem Gehirn außerdem, neue Fähigkeiten zu erwerben, die emotionale Kontrolle und Gedächtniskonsolidierung zu verbessern und die kognitiven Fähigkeiten kontinuierlich zu verbessern. 

Einer der Hauptbereiche im Gehirn, in dem die Neurogenese stattfindet, ist der Gyrus dentatus des Hippocampus. Die Hippocampusregion des Gehirns, auch als „neurogene Nische“ bekannt, spielt eine entscheidende Rolle beim Lernen und Festigen von Kurz- und Langzeitgedächtnissen. Die Hippocampuszellen, die die Neurogenese ermöglichen und adulte neurale Stammzellen genannt werden, sind hauptsächlich ruhend, können aber als Reaktion auf äußere Reize aktiviert werden. Aber, bewegung und einige Antioxidantien wie Curcumin und Resveratrol können die Neurogenese fördern – und die Sekretion von Indolen durch unsere Darmmikroben könnte ein weiterer stimulierender Faktor sein.  

Neurogenese ist ein Teilbereich der Gehirngesundheit, der als Plastizität bezeichnet wird, oder die Fähigkeit des erwachsenen Gehirns, sich als Reaktion auf neue Erfahrungen anzupassen, seine Struktur zu ändern und Verbindungen, sogenannte Synapsen, neu zu vernetzen

Die gesundheitsfördernde Wirkung von Indolen

Indole sind Metaboliten oder kleine Nebenproduktverbindungen des Stoffwechsels, die beim mikrobiellen Abbau von Tryptophan aus der Nahrung im Darm entstehen – der Aminosäure, die am häufigsten wegen ihrer schlaffördernden Wirkung nach dem Verzehr von Thanksgiving-Truthahn genannt wird. Frühere Forschung hat herausgefunden, dass Indole die Gesundheitsergebnisse in verschiedenen Tiermodellen verbessern, darunter Würmer, Fliegen und Mäuse.

Die positiven Auswirkungen von Indolen auf die Gesundheit hängen von einem Protein namens Aryl-Kohlenwasserstoff-Rezeptor (AHR) ab, das die Aktivierung und das Aktivitätsniveau bestimmter Gene steuert, einschließlich derjenigen, die mit Zellwachstum und -reifung zusammenhängen. Bei Erwachsenen ist der AHR in adulten neuralen Stammzellen im Gyrus dentatus des Hippocampus lokalisiert, was Forscher dazu veranlasste, diesen Rezeptor als Schlüsselschritt bei der Stimulierung der Neurogenese zu identifizieren.

AHR ist ein Ziel von Metaboliten, die beim Abbau von Tryptophan entstehen, darunter auch Indole. In Studien mit älteren Tieren wurde festgestellt, dass Indol an AHR bindet und die Aktivität von Genen steigert, die mit einer längeren Gesundheit und Lebensdauer verbunden sind. Obwohl Indole in mehreren Lebensmitteln wie Brokkoli und Kohl vorkommen, gibt es einen alternativen Produktionsweg über Darmmikroben. 

Unser Darmmikrobiom entwickelt sich ständig weiter und verändert sich Tag für Tag, basierend auf unserer Ernährung, unserem Lebensstil und unserer Umwelt. Diese Mikroben scheiden Hunderte von Metaboliten aus, die an verschiedenen Körperfunktionen beteiligt sind – einschließlich der Neurogenese. Als Co-Autor dieser Arbeit ist Professor Paul Matthews, zustände„Das Interesse an unseren Mikrobiomen und dem Zusammenhang zwischen Darm- und Gehirngesundheit nimmt zu. Diese Studie ist ein weiteres interessantes Puzzleteil, das die Bedeutung von Lebensstilfaktoren und Ernährung hervorhebt.“ 

Wie unsere Darmmikroben die Neurogenese modulieren

In dieser Studie veröffentlicht in der Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften, wollen Wei und Kollegen herausfinden, wie diese Darmmikroben und ihre Metaboliten das Nervenwachstum regulieren, indem sie mit Experimenten an keimfreien Mäusen beginnen. Diese Tiere sind der Goldstandard für die Mikrobiomforschung, da sie ohne jeglichen Kontakt mit Bakterien geboren und aufgezogen wurden. Dies ermöglicht die Untersuchung von Tieren in völliger Abwesenheit von Mikroben oder die Erzeugung von Tieren, die ausschließlich von einem bestimmten Bakterium besiedelt werden.  

Das Forschungsteam fand heraus, dass junge erwachsene keimfreie Mäuse (etwa 30 im Menschenjahr) eine verringerte Neurogeneserate bei Erwachsenen in Kombination mit einem erhöhten Tryptophan-Spiegel aufwiesen – weil sie keine Darmmikroben zum Abbau dieser Aminosäure zur Verfügung hatten – und einen verringerten Indol-Spiegel aufwiesen. 

Sie untersuchten auch die neurogene Aktivität bei Mäusen, die so besiedelt wurden, dass sie nur eine Art von Bakterien enthielten (E coli) – mit der Hälfte davon E coli mäuse enthielten auch eine dysfunktionale Version des Enzyms, das zum Abbau von Tryptophan erforderlich ist. Die monokolonisierten Mäuse, die Tryptophan nicht in Indole umwandeln konnten, zeigten eine deutlich geringere Neurogenese und Indolspiegel als Mäuse mit der funktionierenden Version des Enzyms. 

Als nächstes fügten sie dem Trinkwasser sowohl der keimfreien als auch der dysfunktionellen Tryptophan-metabolisierenden Mäuse Indole hinzu E coli mäusen und stellte fest, dass eine fünfwöchige Indol-Supplementierung die Neurogenese deutlich steigerte. Dies unterstreicht die Bedeutung von Indolen für die Bildung neuer erwachsener Neuronen – und dass Darmmikroben für die Neurogenese notwendig sind, sofern dieser Weg nicht durch zusätzliche Indole umgangen wird.

Diese Mäuse zeigten auch eine erhöhte Aktivität in Genen, die mit der Plastizität des Gehirns, der synaptischen Funktion, der Bildung von Blutgefäßen und dem Auswachsen von Neuriten zusammenhängen – dem Prozess des Wachstums neuer Projektionen auf sich entwickelnden Neuronen. In ähnlicher Weise verringerten Mäuse, die ohne das zum Abbau von Tryptophan erforderliche Enzym aufgezogen wurden (was zu einer geringeren Indolproduktion führen würde), auch die Neurogeneseraten bei Erwachsenen im Hippocampus. 

Abschließend untersuchten Wei und Kollegen die Bedeutung des AHR-Signalwegs in diesem Prozess. Bei Mäusen ohne diesen Rezeptor konnte die Indol-Supplementierung die Neurogenese nicht steigern und steigerte nicht die zuvor beobachtete gehirnbezogene Genaktivität, was darauf hindeutet, dass die Bindung von Indolen an AHR für die Neurogenese bei jungen erwachsenen Mäusen wesentlich ist. 

darm-Hirn-Achse

Kann die Steigerung von Indolen dem menschlichen Gehirn zugute kommen? 

Angesichts der Tatsache, dass der Indolspiegel unseres Körpers mit zunehmendem Alter tendenziell abnimmt, ist es möglich, dass eine interne Erhöhung der Indole – entweder durch direkte Indol-Supplementierung oder Tryptophan-Konsum – einen gesünderen Alterungsprozess unterstützen kann. 

Als leitender Autor dieser Studie, Professor Sven Pettersson, zustände„Dieser Befund ist aufregend, weil er eine mechanistische Erklärung dafür liefert, wie die Kommunikation zwischen Darm und Gehirn in die Erneuerung von Gehirnzellen umgesetzt wird, indem von Darmmikroben produzierte Moleküle die Bildung neuer Nervenzellen im erwachsenen Gehirn stimulieren.“ Diese Erkenntnisse bringen uns der Möglichkeit neuartiger Behandlungsmöglichkeiten zur Verlangsamung des Gedächtnisverlusts näher.“

Wir wissen jedoch noch nicht, ob diese Ergebnisse zu einer erhöhten Neurogenese im Gehirn erwachsener Menschen führen werden. Bis wir es sicher wissen, hat der Verzehr von indolreichem Gemüse (wie Brokkoli, Rosenkohl, Kohl, Blumenkohl, Grünkohl und Rüben) und mit Tryptophan beladenen Proteinen (wie Hühnchen, Truthahn und Eier) wahrscheinlich keine Nachteile, sondern möglicherweise sogar die zusätzlichen Bonus der Förderung des Neuronenwachstums. 

Verweise: 

Phillips C. Lebensstilmodulatoren der Neuroplastizität: Wie körperliche Aktivität, geistiges Engagement und Ernährung die kognitive Gesundheit im Alter fördern. Neuralplast. 2017;2017:3589271. doi:10.1155/2017/3589271

Sonowal R, Swimm A, Sahoo A, et al. Indole aus kommensalen Bakterien verlängern die Gesundheitsspanne. Proc Natl Acad Sci USA. 2017;114(36): E7506-E7515. doi:10.1073/pnas.1706464114

Wei GZ, Martin KA, Xing PY, et al. Tryptophan-metabolisierende Darmmikroben regulieren die Neurogenese bei Erwachsenen über den Aryl-Kohlenwasserstoff-Rezeptor. Proc natl acad sci us a. 2021;118(27):e2021091118. doi:10.1073/pnas.2021091118



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