Warum ein gesundes Mikrobiom im Kampf gegen COVID-19 helfen kann

Mikrobiologen wenden sich im Kampf gegen virale Infektionen einer neuen Hoffnung zu: den Mikroben, die in unserem Darm leben.

Veröffentlicht am 19. Apr. 2021, 17:25 MESZ
Das Darmmikrobiom zeigt seine Vielfalt in dieser Probe menschlicher Fäkalien, die auch ein riesiges Bakterium enthält, ...

Das Darmmikrobiom zeigt seine Vielfalt in dieser Probe menschlicher Fäkalien, die auch ein riesiges Bakterium enthält, das etwa 50 Mal länger als E. coli ist. Die Mischung aus Mikroben ist bei jedem Menschen einzigartig. Wissenschaftler erforschen die vielen Wege, auf die diese Mikroben unsere Gesundheit, unser Gewicht, unsere Stimmung und sogar unsere Persönlichkeit beeinflussen.

Bild MARTIN OEGGERLI NatGeo Image Collection

Die parasitäre Lebensweise von Viren macht sie zu einem schwierigen Feind. Traditionelle Verteidigungsstrategien wie antivirale Medikamente und Impfstoffe sind schwierig zu entwickeln, können unerwünschte Nebenwirkungen haben und verlieren möglicherweise an Wirksamkeit, wenn das Virus mutiert. Einige Wissenschaftler denken deshalb über den Tellerrand hinaus: Sie verweisen darauf, dass wir in diesem Kampf nicht allein sind. Billionen von Mikroben, die in und auf uns leben – kollektiv als das menschliche Mikrobiom bekannt –, nennen den Körper ihr Zuhause und brauchen ihn zum Überleben. Deshalb testen Forscher, ob sie diese Mikroben für die Armee des Immunsystems rekrutieren können, um bei der Bekämpfung viraler Eindringlinge zu helfen.

In den letzten Jahrzehnten haben Wissenschaftler viel über das Mikrobiom des Darms gelernt, insbesondere über die bakterielle Komponente. Mittlerweile ist gut belegt, dass Darmbakterien bei der Verdauung helfen und bestimmte Nährstoffe herstellen. Sie scheinen auch mit anderen Teilen des Körpers wie dem Gehirn über chemische Signale zu kommunizieren. Zum Beispiel stellen Darmbakterien Neurotransmitter wie Serotonin her, die die Stimmung oder mentale Zustände regulieren können. Sie können auch das Immunsystem beeinflussen, was die Aufmerksamkeit von Forscher auf sich gezogen hat, die Infektionskrankheiten studieren.

Escherichia coli – die gelben Stäbchen, die sich auf einem violetten Substrat tummeln – können Lebensmittelvergiftungen verursachen. Die meisten Stämme sind jedoch nicht nur harmlos, sondern auch nützlich. E. coli bewohnen den menschlichen Darm und erfüllen wichtige Funktionen, wie z. B. die Herstellung der Vitamine K und B12 und die Abwehr von krankheitserregenden Bakterien.

Bild MARTIN OEGGERLI

„Stellen Sie sich Mikroben vor, die ein Virus daran hindern, in eine Zelle einzudringen oder mit der Zelle zu kommunizieren und sie so zu einem weniger attraktiven Ort für das Virus machen, um sich niederzulassen“, sagt Mark Kaplan, der Vorsitzende der Abteilung für Mikrobiologie und Immunologie an der Indiana University School of Medicine. „Die Manipulation dieser Kommunikationswege könnte uns ein Arsenal an die Hand geben, um dem Körper zu helfen, das Virus effektiver zu bekämpfen.“

COVID-19, das durch das Virus SARS-CoV-2 verursacht wird, hat das Interesse an einem möglichen Zusammenhang zwischen dem Mikrobiom und der Immunreaktion erhöht. COVID-19 verursacht bei vielen Menschen schwache oder gar keine Symptome, während es bei anderen lebensbedrohlich sein kann. Was diese dramatisch unterschiedlichen Reaktionen auf eine SARS-CoV-2-Infektion auslöst, bleibt ein Rätsel – aber neue Studien deuten darauf hin, dass der Zustand des Mikrobioms ein Faktor sein könnte.

Für gewöhnlich zeigt sich bei COVID-19 ein schwerer Krankheitsverlauf bei älteren Menschen sowie altersunabhängig bei Menschen mit Vorerkrankungen wie Fettleibigkeit, Diabetes und Krebs. Diese Vorerkrankungen wurden auch mit Unterschieden im Mikrobiom einer Person in Verbindung gebracht. Zudem hat eine Reihe von Vorstudien ungewöhnliche Mikrobiome bei hospitalisierten COVID-19-Patienten dokumentiert. Falls es also einen deutlichen Zusammenhang zwischen dem Darmmikrobiom und dem Schweregrad von COVID-19 gibt, könnte es möglich sein, das Mikrobiom zu verändern, um SARS-CoV-2 und andere Viren zu bekämpfen.

„Wenn wir die Darmbakterien als die Torwächter zwischen dem, was wir essen, und unserem Körper betrachten“, sagt Kaplan, „kann man schon zu schätzen wissen, dass einige Torwächter effektiver im Abwehren von Eindringlingen sein könnten als andere.“

Mikrobiom vs. Viren

In unserem Darm leben Hunderte von verschiedenen Bakterienarten. Diese Gemeinschaft enthält schätzungsweise 40 Billionen Zellen – also etwas mehr als die Anzahl der menschlichen Zellen, aus denen unser Körper besteht. Dieses gewaltige Kollektiv kann helfen, Viren durch drei primäre Mechanismen abzuwehren: den Aufbau einer Barriere, die Eindringlinge abhält, den Einsatz von fortschrittlichen Waffen und die Unterstützung des Immunsystems.

Um die erste Verteidigungslinie zu verstehen, muss man sich vor Augen führen, dass der Darm wie eine lange Röhre ist. In dieser Röhre wird die Nahrung aufgespalten, damit die Nährstoffe aufgenommen werden können. Gleichzeitig entstehen Abfallstoffe, die schädliche Biochemikalien enthalten. Auch Krankheitserreger, die versehentlich verzehrt wurden, sind vorhanden. Um Abfallstoffe und krankmachende Mikroben zum Ausgang zu befördern, produzieren die Zellen der Darminnenwand eine schützende Schleimschicht. Die Darmbakterien scheinen die Produktion dieser wichtigen Schleimbarriere zu beeinflussen, welche verhindern könnte, dass Viren aus dem Darm in andere Teile des Körpers gelangen.

Doch wenn diese Schleimschicht beschädigt ist, kann der Darm undicht werden. Dadurch können Abfallprodukte und möglicherweise gefährliche Krankheitserreger in andere Organsysteme gelangen, wo sie schädliche Entzündungen oder Infektionen verursachen können. „Es ist sehr wahrscheinlich, dass Viren durch einen undichten Darm Zugang zu anderen Organen als der Lunge und dem Darm erhalten“, erklärt der Mikrobiologe Heenam Stanley Kim von der Korea University in Seoul.

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Der Arztberuf war vor der Entdeckung der Keime im 19. Jahrhundert weitgehend unreguliert und gefährlich. Die sanitären Verhältnisse waren schlecht, Leichen wurden in der Nähe lebender Patienten untersucht und einige Ärzte trugen voller Stolz blutige Schürzen als Zeichen ihres Könnens. Die Keimtheorie revolutionierte die Medizin und machte daraus die angesehene Praxis und das Studiengebiet, das wir heute kennen.

Ein undichter Darm könnte auch Autoimmunerkrankungen begünstigen. Daher vermuten einige Wissenschaftler, dass Störungen im Darmmikrobiom mit dem sogenannten „Zytokinsturm“ in Zusammenhang stehen könnten – einer überreaktiven Immunreaktion, von der man annimmt, dass sie ein potenzieller Faktor für schwere Verläufe von COVID-19 ist.

Neben der Lunge und dem Darm wurde SARS-CoV-2 auch in der Leber, der Niere, dem Herz und dem Gehirn nachgewiesen.

Außerdem mehren sich die Hinweise, dass die Mikroben im Darm die Gesundheit der Lunge durch chemische Kommunikation beeinflussen könnten. Bei Makaken zum Beispiel fanden Forscher heraus, dass SARS-CoV-2 das Darmmikrobiom bis zum zehnten Tag der Infektion veränderte, wobei einige der Veränderungen auch nach 26 Tagen noch bestehen blieben. Insbesondere zeigten die infizierten Makaken einen Rückgang der Bakterienarten, von denen bekannt ist, dass sie kurzkettige Fettsäuren bilden – wichtige Moleküle, die das Immunsystem regulieren können. Studien an Mäusen haben gezeigt, dass kurzkettige Fettsäuren, die von Darmmikroben produziert werden, über den Blutkreislauf in andere Bereiche des Körpers gelangen –einschließlich der Lunge – und die Tiere vor Atemwegsviren schützen.

Galerie: Mikroben: Unsere kleinen Freunde

Das Mikrobiom könnte auch Viren bekämpfen, indem es Chemikalien produziert, die den viralen Lebenszyklus stören. Zum Beispiel produzieren einige Bakterien Toxine, sogenannte Bakteriocine, um andere konkurrierende Bakterienstämme zu bekämpfen. Studien, die an Zellkulturen im Labor durchgeführt wurden, legen jedoch nahe, dass diese Bakteriocine auch die Aktivität bestimmter Viren hemmen können. Streptomycetes-Bakterien produzieren ein Bakteriocin namens Duramycin, das den Eintritt von West-Nil-, Dengue- und Ebola-Viren in ihre Wirtszellen blockiert. Andere Bakteriocine stoppen die Replikation von Herpes-simplex-Viren.

Eine dritte Möglichkeit, wie das Mikrobiom bei der Bekämpfung von Viren helfen kann, ist die Unterstützung des Immunsystems. Eine Studie zeigte, dass Probanden, die in Verbindung mit einer Polio-Auffrischungsimpfung Lactobacillus erhielten – Bakterien, die häufig in fermentierten Lebensmitteln und Joghurt vorkommen –, mehr Antikörper produzierten, die das Polio-Virus neutralisieren.

Eine weitere Studie unter der Leitung des Immunologen Dennis Kasper vom Blavatnik Institute an der Harvard Medical School zeigte, dass gewisse Darmbakterien, sogenannte Bacteroidetes, die Immunzellen des Darms zur Freisetzung von Interferonen anregen. Interferone sind Schlüsselfaktoren, die die körpereigene Reaktion auf Viren ankurbeln und helfen, infizierte Zellen zu eliminieren. Wenn das Mikrobiom abnormal wird, also dysbiotisch, kann unsere Immunabwehr beeinträchtigt werden. „Bacteroidetes machen etwa 40 bis 50 Prozent der über 200 mikrobiellen Spezies im Darm der meisten von uns aus“, sagt Kasper. „Wenn Menschen dysbiotisch sind und dieses normale Gleichgewicht der Mikroben nicht haben, sind sie anfälliger für verschiedene Krankheiten.“

„Vielleicht gibt es bei dysbiotischen Menschen mit einer geringeren Anzahl dieser Bacteroidetes im Darm weniger Widerstand, wenn sie auf ein Virus treffen, und daher eine schwerere Infektion“, mutmaßt Kasper.

Mikrobiom-Hacking

Die Beweise häufen sich also, dass das Mikrobiom eine wichtige Rolle bei der Stärkung des Immunsystems zur Bekämpfung von Viren spielt. Deshalb untersuchen Forscher, wie diese Erkenntnisse in Therapien und Diagnostik umgesetzt werden können.

Da bestimmte Bakterienarten im Darm mit schwereren viralen Krankheitsverläufen Verbindung gebracht wurden, haben einige Forscher vorgeschlagen, diese Bakterien als „Biomarker“ oder diagnostische Indikatoren zu verwenden. So berichtete die Mikrobiologin Ana Maldonado-Contreras von der University of Massachusetts Medical School kürzlich in einer Vorstudie, dass das Darmbakterium Enterococcus faecalis, das ebenfalls mit chronischen Entzündungen in Verbindung gebracht wird, ein zuverlässiger Prädiktor für schwere COVID-19-Verläufe ist. Maldonado-Contreras sagt, dass der Test auf diese Bakterienspezies „ein effizientes Mittel sein könnte, um Patienten zu identifizieren, die mit größerer Wahrscheinlichkeit eine schwere Form der Infektion entwickeln, die eine intensivere Betreuung und klinische Intervention erfordert“.

Was die Behandlung angeht, haben Forscher bemerkenswerte Erfolge bei der Transplantation eines gesunden Mikrobioms in einen Patienten mit einem ungesunden erzielt. Das Verfahren wird fäkale Mikrobiota-Transplantation (FMT) oder auch Stuhltransplantation genannt. Derzeit ist es nur für die Behandlung von bakteriellen Kolitis-Fällen zugelassen, die durch eine Infektion mit Clostridium difficile (CDI) verursacht werden. Die Stuhltransplantation heilt erfolgreich mehr als 90 Prozent der Patienten mit CDI, was darauf hindeutet, dass auch andere Krankheiten mit dieser Technik behandelt werden können. „Wenn die Darmgesundheit die COVID-19-Prognose beeinflusst, sollten wir sie für ein besseres Management und eine bessere Prävention der Krankheit nutzen“, argumentiert Kim. „Ich schlage vor, dass die fäkale Mikrobiota-Transplantation zumindest für die Patienten mit einer schlechten Prognose sorgfältig in Betracht gezogen werden kann.“

Ein weiterer innovativer Weg, das Mikrobiom zu verändern, könnte über Bakteriophagen erfolgen. Dabei handelt es sich um Viren, die bestimmte Bakterienarten infizieren und abtöten. Theoretisch könnten Bakteriophagen Patienten verabreicht werden, um Bakterienarten aus dem Mikrobiom zu entfernen, die die Fähigkeit des Immunsystems zur Bekämpfung von Virusinfektionen behindern. Mit anderen Worten: Ein Bakteriophagen-Virus würde verwendet werden, um die im menschlichen Darm lebenden Bakterien zu verändern und so ein Virus zu bekämpfen, das menschliche Zellen infiziert.

Anstatt das Mikrobiom umzugestalten, bevorzugen einige Forscher einen raffinierteren Ansatz: Wenn die nutzbringenden Moleküle, die von spezifischen Darmbakterien gebildet werden, identifiziert werden könnten, wäre es möglich, sie herzustellen und in Pillenform zu verabreichen.

Zum Beispiel haben die oben erwähnten Bacteroidetes ein spezifisches Molekül auf ihrer Zelloberfläche, ein sogenanntes Glycolipid, das Immunzellen des Darms dazu veranlasst, antivirale Interferone freizusetzen. „Ein aufregendes Potenzial unserer Entdeckung ist, dass das Glycolipid, welches Alpha-Interferon induziert, synthetisiert und möglicherweise prophylaktisch bei Risikopatienten eingesetzt werden kann“, sagt Kasper. Sein Team testete diese Idee und fand heraus, dass Mäuse durch die Zugabe dieses bakteriellen Glycolipids in ihrem Trankwasser vor einer Virusinfektion geschützt werden konnten.

Wie genau das Mikrobiom mit Viren interagiert, ist komplex. Die meisten Studien haben sich bislang auf den bakteriellen Zweig unseres Mikrobioms konzentriert und die Beiträge von Darmpilzen, Protozoen, Bakteriophagen und anderen Viren weitgehend unberücksichtigt gelassen. Doch weitere Forschungen versprechen neue therapeutische Strategien, die im Kampf gegen Infektionskrankheiten genutzt werden könnten.

Der Aufbau eines gesunden Mikrobioms

Da das Wissen über das Darmmikrobiom noch in den Kinderschuhen steckt, argumentieren einige, dass es verfrüht sei, feste Schlüsse über seine Rolle bei der Bekämpfung von Virusinfektionen wie COVID-19 zu ziehen.

Der Mikrobiologe Jonathan Eisen ist Direktor des Mikrobiom-Sonderforschungsprogramms an der University of California in Davis. Auch er warnt vor voreiligen Schlüssen: „Ich bin besorgt über Behauptungen bezüglich einer möglichen ursächlichen Rolle des Mikrobioms für das Risiko einer COVID-19-Infektion und den Schweregrad der Erkrankung, ohne dass es Beweise für eine solche kausale Rolle gibt.“ Bislang wurden nur Korrelationen zwischen COVID-19-Infektion, Entzündungsmarkern und dem Mikrobiom beobachtet, sagt Eisen. Die Herausforderung besteht darin, herauszufinden, welcher Faktor diese Korrelationen verursachen könnte. Sie könnten zum Beispiel dadurch entstehen, dass sich Menschen nach einer Erkrankung anders ernähren, oder sie könnten auf eine Immunreaktion auf die Infektion zurückzuführen sein. „Aber wir können zum jetzigen Zeitpunkt nicht schlussfolgern, dass das Mikrobiom eine direkte Rolle bei allen COVID-bezogenen Problemen gespielt hat.“

Es ist auch schwierig, genaue Instruktionen dafür bereitzustellen, wie das Mikrobiom verbessert werden kann, um einer viralen Infektion zu widerstehen. Das Mikrobiom eines jeden Menschen ist anders und wird durch eine komplexe Mischung von Einflüssen aus Umwelt, Genetik und Ernährung beeinflusst. Es besteht jedoch ein allgemeiner Konsens darüber, dass eine Ernährung, die reich an Präbiotika und Probiotika ist, zusammen mit regelmäßiger Bewegung ein gesundes Mikrobiom fördert und vor einem undichten Darm schützt.

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Präbiotika sind eine Art von Ballaststoffen und kommen nur in Pflanzen oder bestimmten Nahrungsergänzungsmitteln vor. Zu den ballaststoffreichen Lebensmitteln gehören Artischocken, Spargel, Zwiebeln, Bohnen und Beeren. „Präbiotika sind gut untersucht und verbessern nachweislich die Darmintegrität“, sagt der Medizinjournalist Scott Anderson, Autor von „The Psychobiotic Revolution“. Probiotische Lebensmittel enthalten lebende Bakterien oder Hefe, die für die Gesundheit des Verdauungstrakts von Vorteil sind; dazu gehören fermentierte Lebensmittel wie Kefir, Sauerkraut und Kimchi sowie Joghurt.

In Bezug auf Bewegung haben Studien an Mäusen gezeigt, dass Bewegung Entzündungen verringert und die Darmintegrität fördert. „Es ist bekannt, dass Bewegung die kurzkettigen Fettsäurewerte verbessert, indem sie die Mikrobiota ausgleicht. Das trägt dazu bei, die Zellen, die den Darm auskleiden, zu nähren und zu heilen“, fügt Anderson hinzu. Das wiederum könnte Komplikationen bei einer Virusinfektion verhindern, die durch einen undichten Darm verursacht werden.

Kim hofft, dass diese neuen Studien dazu beitragen, Menschen zu motivieren, sich richtig um ihre Mikroben zu kümmern, um sich vor Infektionen und chronisch entzündlichen Erkrankungen zu schützen. „Die Erhöhung der Ballaststoffe in unserer Ernährung ist ein effektiver Weg, um das Darmmikrobiom zu verbessern. Das kann zu einem besseren Management und zur Prävention beitragen – zum einen heute bei COVID-19, aber auch bei chronischen Krankheiten während des gesamten Lebens.“

Der Artikel wurde ursprünglich in englischer Sprache auf NationalGeographic.com veröffentlicht.

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