Umstrittene Wirkung von Präbiotika

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Allgemeines - Kurze Einleitung, Erwähnen der wichtigsten Präbiotika

Immer mehr verbreitet sich das Interesse an der Darmgesundheit in der Gesellschaft, denn die Wichtigkeit und Bedeutung das Darms für die allgemeine Gesundheit und Immunabwehr wird immer mehr Menschen bewusst. Neben Synbiotika und Probiotika werden auch Präbiotika wissenschaftlich immer interessanter. Sie haben ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten, vor allem bei Säuglingen und erkrankten Menschen werden sie häufig angewendet. Typische Präbiotika sind Fructooligosaccharide, Inulin, Pektin und Galactooligosaccharide. Bei diesen Stoffen handelt es sich um Kohlenhydrate (Oligoosaccharide), die in typischen Nahrungsmitteln und Pflanzen vorkommen, wie zum Beispiel die Topinamburwurzel (Bischoff, 2009) 1.

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• Abbildung 1: Abb. 1

Wirkungsweise im Darm - Fokus auf die Darmflora

Die Wirkungsweise der Präbiotika führt dazu, dass sich günstig wirkende Bakterien, die sogenannten Bifidobakterien, im Dickdarm vermehren und aktiver werden, während ungünstig wirkende Bakterien unterdrückt werden. Sie können ebenfalls die intestinale Biomasse verbessern und fäkale Energie hervorrufen und zur Verminderung des Eindringens von pathologischen Keimen in die Mukosa führen. Eine verbesserte Calciumabsorption und die Produktion von kurzkettige Fettsäuren und Gase, wie Co2 und H2O, sind ebenfalls wichtige Funktionen, die die Präbiotika mit sich bringen (Bischoff, 2009) 1.

Der Hauptwirkungsort der Präbiotika ist die Darmflora, die sich im Verdauungstrakt befindet. Besonders beeinflusst und verändert wird die Darmflora durch die Präbiotika im Dickdarm. Die Präbiotika werden im Vergleich zu vielen anderen Stoffen nicht im Dünndarm hydrolysiert und absorbiert, da die Dünndarmenzyme nicht in der Lage sind diese zu spalten (Bischoff, 2009) 1.

Der Grund dafür ist, dass Präbiotika eine Beta-Glykosidische Bindung enthalten und die menschlichen Verdauungsenzyme nicht in der Lage sind diese zu spalten. Diese sind nur in der Lage Alpha Glykosidischen Bindungen zu spalten. Erst die bakteriellen Enzyme des Dickdarms können die Präbiotika in Fettsäuren und Gase spalten (Monika Roller, 2004) 18.

Daher wandern die Präbiotika unverändert in das Kolon, wo sie entweder die Mikroflora fermentieren oder durch andere Stoffe gespalten werden, wobei hauptsächlich Gase und kurzkettige Fettsäuren (SCFA/KKFS) entstehen. Die überbleibenden Saccharide werden anschließend von sogenannten apathogenen Bakterien in Form von Nährsubstraten absorbiert (Bischoff, 2009) 1.

Genauere physiologische Wirkung am Beispiel von Inulin

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Abbildung 2: Abb. 2

Da nach der Spaltung der Präbiotika sowohl fettlösliche als auch wasserlöslichen SCFA im Darm vorliegen können, muss man zwischen 2 verschiedenen Resorptionswegen unterscheiden, wie die SCFA aus dem Darm aufgenommen werden können. Der Großteil der bakteriellen SCFA erscheinen nicht im Kot, da sie vorher von dem Darmepithel absorbiert wurden. Protonierte SCFA können durch die Zellmembran einfach hindurch diffundieren, da sie aufgrund ihres protonierten Zustandes fettlöslich sind. Allerdings gibt es viel mehr ionisierte SCFA, die nicht fettlöslich sind und daher über spezialisierte Rezeptoren aufgenommen werden müssen (Roser, 2006) 19.

Beispielsweise wird das oben genannte Butyrat durch einen MCT1 Rezeptor transportiert, welches in vielen Organen vorzufinden ist. Die MCT1 Rezeptoren sind ebenfalls in der Lage andere einfache Verbindungen wie Lactat, Ketonkörper und Pyruvat zu transportieren. Die Menge des vorhandenen Butyrats hat eine direkte Wirkung auf die MCT1 Rezeptoren: je mehr Butyrat sich bildet, desto mehr Rezeptoren sind vorhanden. Bei Carzinomzellen ist diese Expression der MCT1 Rezeptoren stark reduziert. Nach der Aufnahme in die Kolonepithelzellen, werden die SCFA hauptsächlich als Energiequellen verwendet oder durch das Blut im Körper verteilt (Roser, 2006) 19.

Präbiotika in Wechselwirkung mit verschiedenen Faktoren

Präbiotika und Ihre Wirkung auf zytosolisches Beta Catenin

Mit der Einnahme von Präbiotika wird suggeriert, Darmkrebs, vor allem Kolonkarzinomen, vorzubeugen. Allerdings gibt es Versuche mit C657BL (6J.) Min (multiple intestinal neoplasia)-Mäusen die zeigen, dass die Einnahme von Inulin die Zunahme von Darmkrebstumoren fördert. Beta Catenin ist verantwortlich für Zell-Zell-Adhäsionen und die Aktivierung des Wnt-Wegs. Reguliert wird es vom APC-Protein, dessen wichtigste tumorsupressive Aktivität es ist, das zelluläre Beta Catenin herunter zu regulieren. Eine Überexpression des Catenins wirkt sich onkogen aus. In dem Mausversuch der Kolonhyperplasie wurde eine erhöhte zytosolische und nukleäre Expression von Beta-catenin festgestellt. Die zellulären Beta-catenin-Pools werden durch epigenetische Veränderungen in den Wnt- oder Integrin-Linked-Kinase (ILK)-Signalwegen verändert. Da diese Wege mit der extrazellulären Matrix in Verbindung stehen, wird davon ausgegangen, dass Sie durch Umweltfaktoren, zum Beispiel durch Ernährung, beeinflusst werden können.

In der Studie mit den Mäusen wurde festgestellt, dass Min-Mäuse, die mit einer Inulin angereicherten Diät gefüttert wurden, signifikant mehr und größere Tumore hatten, als die Kontrollgruppe. Allerdings im Dünndarm und nicht im Kolon. Begleitet von Veränderungen im Beta-Catenin Spiegel. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, dass die zytoplasmatische Expression von Beta-Catenin die häufigste Anomalie in menschlichen ACF, Adenomen und Karzinomen war.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Inulin die intestinale Tumorentwicklung in Mäusen steigert, was mit einer Anhäufung von zytosolischem Beta Catenin einhergeht. Diese Daten widersprechen der krebsvorbeugenden Wirkung von Präbiotika und müssen in weiteren Studien genauer untersucht werden (Pajari et al, 2003)11.

Präbiotika und Adipositas

Wie bereits erwähnt haben Präbiotika als aktive Wirkstoff positiven Einfluss auf den gesamten Organismus, vor allem aber auf das Verdauungssystem. Wenn die Darmflora aus dem Gleichgewicht gerät, treten nicht selten auch chronische Erkrankungen auf, wie zum Beispiel die Entwicklung der Fettleibigkeit (Adipositas). Um das Gleichgewicht der Darmflora positiv zu stärken und damit die Darmgesundheit sicher zu stellen, wird die Einnahme von Präbiotika empfohlen, da diese von der Darmflora günstig einbezogen werden können.

Die Wirkung von Präbiotika auf Adipositas am Beispiel der Studie „Effect of Prebiotic Intake on Adiposity, Satiety and Gut Microbiota in Overweight and Obese Children“ der University of Calgary.

Um die Wirkung von Präbiotika auf die intestinale Mikrobiota und auch auf Hinblick von Adipositas bei Kindern wissenschaftlichen zu überprüfen, wurde 2014 eine Studie an der Universität von Calgary, Kanada in Zusammenarbeit mit dem Alberta Children’s Hospital durchgeführt (Reimer R., 2014) 16. Unter anderem wurden die Körperzusammensetzung, Entzündungsmarker, Gallensäuren in Stuhlproben und die Zusammensatzung der Darmflora untersucht.

Probanden: 42 Kinder, 7-12 Jahre alt, mit Übergewicht oder Adipositas, ansonsten keine gesundheitlichen Einschränkungen (gesund)

Studiendauer: 16 Wochen

Durchführung der Studie:

• Doppelblindstudie, zufallsgesteuert

• Probanden wurden zufällig in zwei Gruppen aufgeteilt: Experimentalgruppe und Kontrollgruppe (Placebo-Gruppe)

• Experimentalgruppe: einmal täglich Inulin mit Oligofruktose (8 g, n=22)

• Kontrollgruppe: einmal täglich Maltodextrin (isokalorisch, Placebo, n=20)

Untersuchungen:

Tab. 1: durchgeführte Untersuchungen Tab.1

Ergebnisse:

Tab. 2: untersuchte Kriterien und deren Ergebnisse Tab.2

Schlussfolgerung:

Das Präbiotikum Inulin-Oligofructose verändert die Darmflora positiv und sorgt für eine Reduzierung des Körpergewichts und damit den prozentualen Fettanteil. Außerdem ist nennenswert, dass der Interleukin-6-Spiegel auffällig gesunken ist (Nicolucci AC, 2017) 14.

„Eine Supplementation mit Präbiotika könnte damit ein vielversprechender, einfacher Ansatz für eine positive Beeinflussung der Gesundheit von Kindern sein.“ (Nicolucci AC, 2018) 13.

Auch andere Studien belegen den positiven Einfluss von Präbiotika auf die Darmgesundheit in Zusammenhang mit Adipositas, wie zum Beispiel die 2016 von Pharmanex durchgeführte Studie „An Open Label Study to Investigate a Polyphenol/Prebiotic Blend on Microbial Composition in Otherwise Healthy Obese Males and Females“. Dort heißt es, dass “Recent studies have shown that prebiotic treatment can have beneficial effects on glucose levels, lipid metabolism, and inflammatory markers in an obese population” (Pharmanex, 2016) 15 . Dort wird außerdem berichtet, dass der in Stuhlproben gemessene Calprotectin Gehalt verringert hat. Ebenso wird der Rückgang an intestinalen Beschwerden erwähnt, wie zum Beispiel Blähungen und Schmerzen im Bereich des Abdomens.

Präbiotika in der Anwendung nach einer Leberresektion

Die medizinische Universität von Luzhou, China führte im Jahre 2019 eine Studie durch, um zu untersuchen, welche Wirkung Probiotika und Präbiotika nach einem operativen Eingriff haben können. Sie fokussierten sich dabei auf die Leberresektionen, bei der größere Teile der Leber bzw. die ganze Leber entfernt werden, aufgrund einer Krebserkankung. Bei dieser Operation müssen die Patienten oft noch lange nach der Operation im Krankenhaus bleiben und die Sterblichkeitsrate liegt bei 3.5 %. Zudem kommt es vermehrt zu postoperativen Infektionen, die durch die präoperativen Antibiotika oder durch die Operation selber ausgelöst werden. Negativ beeinflusst werden hier vor allem die Darmflora und das Darmepithel. Da bei Präbiotika und Probiotika zuvor eine effektive Wirkung gegen solche Infektionen nachgewiesen wurde, untersucht die Studie, ob sie auch bei einer solchen post-operativen Infektion wirken können. Teil der Studie waren insgesamt 205 Teilnehmer (Experimentalgruppe (103 Probanden): wurden mit Präbiotika und Probiotika behandelt, Kontrollgruppe (102 Probanden). Das Durchschnittsalter lag bei 62 Jahren. Die Art und die Menge der verschriebenen Präbiotika und Probiotika waren unterschiedlich. Probiotika wurden am Tag der Operationen und bis zu 2 Wochen nach der Operation genommen.

Auswertung der Studie:

• Die Infektionsrate in Experimentalgruppe hatte eine Infektionsrate von 11,70%, während die Kontrollgruppe eine deutlich höhere Infektionsrate von 30,30% hatte.
• Die Kontrollgruppe litt vermehrt an einer Wundinfektion (15,20%), während die Experimentalgruppe deutlich weniger an dieser erkrankte (5,30%).
• Die Experimentalgruppe musste im Durchschnitt -0,57 Tage weniger im Krankenhaus stationär bleiben.

Die Studie belegt, dass durch Präbiotika und Probiotika postoperative Infektionen vermindert werden können. Assoziationen wie die European Association for Study of the Liver (EASL) und die American Association for the Study of Liver Disease (AASLD) schließen Präbiotika und Probiotika jedoch nicht in ihre Richtlinien ein. Die Studie besagt auch, dass nicht alle Nachweise qualitativ sind und mehr wissenschaftliche Recherche betrieben werden muss (Gan et al, 2019) 9.

Präbiotika und Insulin (Diabetes)

Veränderungen im Mikrobiom des Darms stehen in Verbindung mit Typ 2 Diabetes und Insulinresistenz (Simon, 2013)22.

Bei Diabetes Typ 2 wurde ein Mangel an Butyrat produzierenden Bakterien festgestellt (Chakaroun et al, 2016) 6. Butyrat trägt zur Aufrechterhaltung der Darmbarriere bei. Bei dessen Mangel kommt es zu erhöhter intestinaler Permeabilität. Das erleichtert den Übertritt von bakteriellem Lipopolysaccharid in die systemische Zirkulation, was sich in einer Toll-Like-Rezeptor 4 Aktivierung widerspiegelt. Dies wiederum triggert eine systemische Inflammation. Wie bereits erwähnt, hat sich herausgestellt, dass bei adipösen Mäusen durch Einsatz von Präbiotika die Anzahl von Bifidobakterium spp. erhöht werden konnte. Diese verringerten die intestinale Permeabilität und hemmten die Inflammation. Zusätzlich kam es zu einer erhöhten Produktion von GLP-1. GLP1 (Glucagon like Peptide 1) ist mit verantwortlich für die Glucose abhängige Freisetzung von Insulin (Fangmann et al, 2019 ) 8.

Präbiotika und Calcium Bioverfügbarkeit

Es wird zwischen Absorption und Bioverfügbarkeit unterschieden. Die Bioverfügbarkeit beschreibt den Teil eines Nährstoffs, der für normale physiologische Funktionen oder die Speicherung zur Verfügung steht. Allerdings ist die Calcium Absorption eine wichtige Komponente der Calcium Bioverfügbarkeit. Versuche mit Ratten belegen, dass durch Aufnahme von Fructooligosacchariden die Calciumabsorption im Darm steigt. Die gesteigerte Bioverfügbarkeit spiegelt sich hauptsächlich in einem verbesserten Knochenstatus wider. Es wird davon ausgegangen, dass der Effekt von Präbiotika auf die Calcium Absorption auf Ebene des Dickdarms stattfindet. Man geht von 4 Theorien aus, wie Präbiotika die Absorption von Calcium steigern:

Präbiotika stimulieren mikrobielles Wachstum und Fermentation. Dadurch kommt es zu einer erhöhten Produktion von Milchsäure und kurzkettigen Fettsäuren. Das wiederum hat einen erhöhten luminalen PH zur Folge, der verantwortlich für eine erhöhte Löslichkeit von Calcium ist. Diese erhöhte Calcium Löslichkeit spiegelt sich in einer gesteigerten passiven Calciumabsorption im Dickdarm wieder.

Die kurzkettigen Fettsäuren haben eine direkte Wirkung auf die transzelluläre Calciumabsorption. Zelluläres H⁺ im Austausch gegen luminales Ca²⁺.

Butyrat ist in der Lage das Zellwachstum zu steigern und somit die absorbierende Oberfläche des Darms zu vergrößern.

Die Vermehrung von bestimmten Mikrobenstämmen kann durch Präbiotika erhöht werden. Diese Mikroben synthetisieren Metaboliten und Polyamine. Diese wiederum steigern ebenfalls das Zellwachstum und vergrößern somit die absorptive Oberfläche im Darm (Cashman, 2003) 5.

Präbiotika bei Säuglingen

Muttermilch enthält schon natürliche Präbiotika in Form von Galaktooligosacchariden, ca. 10-12 g/ml. Die Galaktooligosaccharide, die das Kolon erreichen, stimulieren das Wachstum “gesunder” Bakterien. Bei gestillten Säuglingen finden sich deshalb durch die Aufnahme von Muttermilch eine erhöhte Anzahl von Bifidobakterien im Darm (Rudloff und Kunz, 2015) 20.

Präbiotische Oligosaccharide senken zudem den pH-Wert des Darms, wodurch ein Befall mit Pathogenen vorgebeugt wird. Mit Muttermilch ernährte Säuglinge haben in der Regel einen Darm pH-Wert von 5,7, mit Formula ernährte Säuglinge einen pH-Wert von 7 (Moro et al, 2003) 12.

Im Vergleich werden bei nicht gestillten Säuglingen vermehrt pathogene Bakterien wie Clostridien und Enterokokken im Stuhl gefunden (Bischoff, 2009) 1.

Säuglingsnahrung wird aus diesem Grund Präbiotika (als lösliche Ballaststoffe) zugesetzt, um eine ähnlich bifidogene Flora im Dickdarm zu schaffen, wie sie beim gestillten Säugling vorkommt (Bunselmayer, 2006) 4.

Die Entwicklung einer gesunden Keimflora bereits im Säuglingsalter ist wichtig für eine gute immunologische Toleranz. Bei Tierversuchen konnte festgestellt werden, dass fehlende regulatorische Mechanismen der Darmbakterien Allergien und autoimmunologische Erkrankungen begünstigen. Durch Fermentierung der Oligosaccharide in kurzkettige Fettsäuren, senkt sich der Säuregehalt im Stuhl. Dadurch verbessert sich die Mukosabarriere des Darms und erschwert die Durchlässigkeit für Allergene (Riedler, 2010) 17.

Weitere Wechselwirkungen in Zusammenhang mit Präbiotika

Um die weitreichenden Wirkungen von Präbiotika zu verdeutlichen, sind im folgenden Abschnitt verschiedene Studienergebnisse und Anwendungsmöglichkeiten aufgelistet.

Die Wirkung von Präbiotika in Hinblick auf die Knochen und den Mineralstoffwechsel

Es konnte gezeigt werden, dass die Wirkung von Präbiotika eine erhöhte Resorption der Mineralien aufgrund von vergrößerter Tiefe der Krypten und erhöhter Epitheldichte im Darm, ein verbesserter Zustand des Skeletts und das Erreichen der maximalen Knochenmasse hervor ruft. Auch hier wird davon ausgegangen, dass dies auf die Wechselwirkung der Präbiotika und der Darmmikroben zurück zu führen ist. Zu der Wirkung von Präbiotika gehört zudem die die Produktion kurzkettiger Fettsäuren, die Veränderungen der Zusammensetzung des Mikrobioms und des pH-Wertes, sowie die Regulierung des Immunsystems (Whisner und Castillo, 2018) 24.

Präbiotika bei Colitis ulcerosa

Die mikrobakterielle Zusammensetzung im Intestinum spielt eine relevante Rolle in Hinblick auf die Entstehung der chronisch-entzündlichen Krankheit Colitis ulcerosa im Dickdarm. Die Einnahme von Pro- und auch Präbiotika kann eine Möglichkeit in der Behandlung der Colitis ulcerosa darstellen (Derikx et al, 2016) 7.

Die Wirkung von Präbiotika auf das Mikrobiom der Haut

Die Wirkungsweise der Präbiotika zielt nicht nur auf das Mikrobiom des Darms, sondern auch auf das Hautmikrobiom ab. Diese wird positiv beeinflusst und wieder aufgebaut. Dafür können Präbiotika direkt auf die Haut aufgetragen werden, sodass die Schutzschicht der Haut verbessert wird. Außerdem wird das Immunsystem gestärkt und bietet somit einen therapeutischen Nutzen bei atopischen Erkrankungen (Al-Ghazzewi und Tester, 2014) 2.

Präbiotika bei Allergien

Eine weitere Wirkungsweise von Präbiotika besteht aus der direkten Beeinflussung auf spezifische Zellen, wie zum Beispiel Epithelzellen oder Immunzellen. Dadurch kann die präbiotische Wirkung auch eine tragende Rolle in der Allergieprävention spielen, da sie in der Lage sind ein tolerogeneres Milieu zu fördern (Brosseau et al, 2019) 3.

Präbiotika und Zytokine

Darüber hinaus können Präbiotika die Veränderung der Expression von Zytokinen prägen, wodurch das Immunsystem bestärkt wird. Dabei ist die Expression von entzündungshemmenden Zytokinen erhöht, während die Expression von proinflammatorischen Zytokinen reduziert wird (Shokryazdan et al, 2017) 21.

Fazit/ Empfehlung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Präbiotika mit ihrem breiten Spektrum an Wirkungsweisen viele Anwendungsmöglichkeiten finden. Bei Menschen mit empfindlichem Darm kann man davon ausgehen, dass sich eine zusätzliche Präbiotika Einnahme unterstützend auswirken kann. Die Einnahme sollte allerdings langsam und schrittweise begonnen werden. Wenn die Bakterien im Dickdarm den Ballaststoff Inulin aufspalten, werden Gase gebildet, die sich dann als Blähungen oder Bauchschmerzen bemerkbar machen können (Wisker, 2003) 25.

Im Großen und Ganzen scheinen Präbiotika einige Vorteile mit sich zu bringen: Allerdings fehlt es immer noch an qualitativ hochwertigen Studien, die sowohl mögliche Nebenwirkungen, als auch das therapeutische Potenzial untersuchen (Stadlbauer, 2019) 23. Kritische Stimmen sagen, dass man davon ausgehen kann, dass Bakterien Endkettenverwerter sind. Davon ausgehend gilt, dass durch die Einnahme von Präbiotika vor allem die Bakterien gestärkt werden, die schon den größten Anteil im Mikrobiom ausmachen. Das bedeutet, dass eine kranke Darmflora durch zusätzliche Nahrung noch ungünstiger beeinflusst wird. Eine gesunde Darmflora hat im Gegensatz keinen Grund noch günstiger beeinflusst zu werden (Ledochowski, 2015) 10.

Gegenüberstellung der Vor- und Nachteile von Präbiotika

Tab.3: Vor- und Nachteile

In Hinblick auf den aktuellen Forschungsstand und verfügbare Studien, wird die Präbiotika Einnahme von verschiedensten Literaturen unterstützt. Nichtsdestotrotz gibt es noch nicht ausreichend wissenschaftliche Untersuchungen um tatsächliche Aussagen über die Wirkung, Nebenwirkung sowie Unbedenklichkeit von Präbiotika treffen zu können. Weiterhin gilt auch, dass schon vorliegende und neue Forschungsergebnisse rund um Präbiotika weiter interpretiert und diskutiert werden müssen.

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Referenzen

Fachliteratur

• 1) Bischoff, S. C. (2009): “Probiotika, Präbiotika und Synbiotika.” Georg Thieme Verlag, ISBN 3131551518

Fachartikel mit weiterführenden Links

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Abbildungen:

• Abb. 1: selbst angefertigtes Bild: Madeleine Noy

• Abb. 2: selbst angefertigtes Bild, illustriert von Emely Rohrer in Zusammenarbeit mit Jonathan Behr

Tabellen:

• Tab. 1: durchgeführte Untersuchungen: selbst angefertigte Tabelle mit Daten von (Nicolucci AC, 2017) (15.04.2021, 15:13 Uhr) 14

• Tab. 2: untersuchte Kriterien und deren Ergebnisse: selbst angefertigte Tabelle mit Daten von (Nicolucci AC, 2017) (15.04.2021, 15:13 Uhr) 14

• Tab. 3: Vor- und Nachteile: selbst angefertigte Tabelle

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von Emely Rohrer, Madeleine Noy, Jana Milz