Bewohner des Verdauungssystems

Die natürliche Darmflora ist an der Verwertung bestimmter Nahrungsmittel beteiligt. Die Bakterien des Verdauungssystems sind rund 10 Mal zahlreicher als die Körperzellen und tragen etwa 1-1,5 kg zum Körpergewicht bei. Mehr als 400 verschiedene Bakterienarten besiedeln das Verdauungssystem. Dazu gehören sowohl nützliche als auch schädliche Arten, die sich gegenseitig konkurrenzieren und so für eine ausgewogene Darmflora sorgen. Dieses Gleichgewicht ist für ein gesundes Verdauungssystem unerlässlich. Verschiedene ungünstige Bedingungen wie einseitige Diäten, Stress oder Antibiotika können die Zahl der nützlichen Bakterien vermindern und ein Ungleichgewicht verursachen. Dies kann eine Reihe von Erkrankungen des Verdauungssystems zur Folge haben, die von Durchfall, Infektionen, Schäden der Leber und des Magen-Darm-Traktes bis zur Entstehung von Krebs reichen. Probiotika – lebende Mikroorganismen, die Nahrungsmitteln zugegeben werden – können eine positive Wirkung auf die Gesundheit haben: Sie tragen zur Wiederherstellung des Gleichgewichts der Darmflora bei, stärken die Immunabwehr, wirken Blähungen entgegen und verbessern die Verdauung bzw. Aufnahme lebenswichtiger Nährstoffe. Nahrungsmittel und Nahrungsergänzungen, die Bifidobakterien enthalten, sind weltweit auf dem Vormarsch. Der Markt für probiotische Bakterien wird heute bereits auf 6 Milliarden US-Dollar geschätzt.

Probiotische Bakterien, allen voran Milchsäurebakterien und Bifidobakterien, werden hauptsächlich fermentierten Milchprodukten wie Joghurt und Käse beigemengt. Für einen gesundheitlichen Nutzen müssen in einem probiotischen Nahrungsmittel zum Zeitpunkt der Konsumation mindestens 10 Millionen lebende probiotische Bakterien pro Gramm vorliegen. Diese Zahl wird in vielen Produkten nicht erreicht. So haben verschiedene Faktoren, wie der pH-Wert und der Gehalt an Wasserstoffperoxyd oder gelöstem Sauerstoff, einen entscheidenden Einfluss auf das Überleben von Bifidobakterien. Weil die probiotischen Mikroorganismen ausserdem lebend und in biologisch aktivem Zustand den Darmtrakt erreichen sollen, ist es unerlässlich, dass sie die natürlichen Abwehrmechanismen des Wirts gegen eingenommene Bakterien schadlos überstehen. Aus diesem Grund werden zur Entwicklung von Probiotika für "Functional Food" oder Gesundheitsprodukte dringend Methoden benötigt, mit denen die Überlebensrate bei der Produktion, Lagerung und Verdauung erhöht werden kann.

Zellimmobilisierungsverfahren

Üblicherweise werden in der Lebensmittelindustrie eingesetzte und insbesondere probiotische Mikroorganismen in Form von Suspensionskulturen vermehrt. Dabei herrschen allerdings völlig andere Bedingungen als im Verdauungstrakt, wo diese Bakterien normalerweise immobilisiert vorliegen. Ausserdem sind die probiotischen Bakterien dort bei einer sehr hohen Konzentration von Zellen von einer Vielfalt verschiedener Bakterien umgeben und damit einem harten Konkurrenzkampf ausgesetzt. Leider ist noch wenig bekannt über die Auswirkungen der angewendeten Verfahren und der Produktionsparameter auf die Physiologie der probiotischen Bakterien, obwohl entsprechende Informationen für die Entwicklung neuer Produktionsmethoden sehr wertvoll wären.
Vor Kurzem entwickelte und patentierte Professor Lacroix mit einem Zellimmobilisierungsverfahren (Immobilized Cell Technology, ICT) einen neuen Ansatz für die Bereitstellung von Zellen, die gegenüber den Produktions- und Umweltbedingungen toleranter sind. Diese neue Technologie simuliert die natürlichen Bedingungen mit sehr hoher Dichte der Zellen: Die Zellen werden in engen Kontakt miteinander gebracht und gegen die äusseren Einflüsse abgeschirmt. Die so produzierten Bakterien sind gegenüber Stress durch Gefriertrocknen, den Bedingungen im Magen oder Darm und sogar gegenüber Antibiotika viel resistenter.
Dieselbe Methode kann zur Messung der Wirksamkeit von Probiotika und zum Nachweis eines gesundheitlichen Nutzens eingesetzt werden. So lassen sich Bakterien aus den Fäkalien von Säuglingen in einer speziell entwickelten Polymer-Matrix immobilisieren, welche die interzelluläre Kommunikation und die Untersuchung des Stoffwechsels der Darmflora erleichtert. Mit einem solchen Modell lassen sich auch die Wirkmechanismen verschiedener Verbindungen und der Einfluss der Umweltbedingungen auf die komplexe Darmflora untersuchen.
Erfolg versprechend ist das neue Zellimmobilisierungsverfahren auch im Hinblick auf die Vermehrung bestimmter Bakterienstämme der Darmflora, die hinsichtlich des gesundheitlichen Nutzens vorteilhafte Eigenschaften besitzen, auf Grund ihrer Empfindlichkeit aber nicht auf herkömmliche Weise produziert werden können. Schliesslich arbeitet Prof. Lacroix auch an der Entwicklung von "Functional Food" mit verbesserten gesundheitsfördernden Eigenschaften. Gleichzeitig möchte er aber auch die Grundlagenforschung vorantreiben, um die Auswirkungen der Immobilisierung im Hinblick auf stressinduzierte Anpassungen und physiologische Veränderungen auf molekularer Ebene besser zu verstehen.

Autoren Dr. Petra Bättig-Frey und Dr. Isabel Klusman