Faserstoffwechsel bei chronisch obstruktiver Lungenerkrankung

Ballaststoffe sind unverdauliche Kohlenhydrate, die in mehreren täglichen Lebensmitteln wie Bohnen, Hülsenfrüchten, Vollkornprodukten und ganzen Früchten und Gemüsen enthalten sind. Die Food and Drug Administration empfiehlt eine tägliche Ballaststoffaufnahme von 25 g. In den Jahren 2009-2010 betrug die mittlere Ballaststoffaufnahme von Erwachsenen in den USA jedoch 17 g/Tag. Ballaststoffe können von menschlichen Enzymen nicht verdaut werden und gelangen unverdaut in den Dickdarm. Je nach chemischer Struktur (Löslichkeit, Polymerisationsgrad) der Faser kann diese von den Darmbakterien fermentiert werden oder nicht. Unlösliche, nicht fermentierte Ballaststoffe wie Zellulose helfen, Verstopfung vorzubeugen, indem sie den Stuhlgang und die Transitzeit des Kots verbessern. Die meisten löslichen Ballaststoffe wie Inulin können von Darmbakterien fermentiert werden. Während der bakteriellen Fermentation entstehen kurzkettige Fettsäuren (SCFA) wie Acetat (C2), Propionat (C3) und Butyrat (C4). Die Produktion ist im proximalen Dickdarm am höchsten, wo die Fülle an Ballaststoffen am höchsten ist. Die Kolonozyten nehmen mehr als 90 % der SCFAs auf, der Rest wird mit dem Kot ausgeschieden. Das meiste Butyrat wird in den Kolonozyten oxidiert, die ihre Hauptenergiequelle sind. Propionat wird von der Leber metabolisiert. Insbesondere Acetat gelangt in den systemischen Kreislauf und kann entzündungshemmende und immunmodulierende Wirkungen haben. Indol und Isovalerat sind Produkte der bakteriellen Aminosäurefermentation. Indol wird ausschließlich durch bakterielle Enzyme aus der essentiellen Aminosäure Tryptophan (TRP) und Isovalerat aus verzweigtkettigen Aminosäuren hergestellt.

Bei COPD verursacht eine verstärkte pulmonale Entzündungsreaktion eine Kombination aus einer Erkrankung der kleinen Atemwege (z. B. obstruktive Bronchiolitis) und/oder einer Zerstörung des Lungenparenchyms (Emphysem). Dies führt zu einer fortschreitenden und anhaltenden Begrenzung des Luftstroms. Es hat sich gezeigt, dass eine gesunde Gesamternährung sowie eine ballaststoffreiche Ernährung mit einer guten Lungenfunktion und einer verringerten COPD-Prävalenz in Verbindung gebracht werden können. Eine Ernährung, die reich an fermentierbaren Ballaststoffen ist, veränderte die Zusammensetzung der Darm- und Lungenmikrobiota bei Mäusen, hauptsächlich durch eine Abnahme des Firmicutes-zu-Bacteroides-Verhältnisses, die von erhöhten Konzentrationen zirkulierender SCFAs begleitet wurde. Diese Mäuse waren gegen allergische Entzündungen in der Lunge geschützt. Frühere Forschungen am Menschen haben gezeigt, dass die Zusammensetzung der Darmmikrobiota das Asthmarisiko beeinflusst und mit Exazerbationen der Mukoviszidose im frühen Leben in Verbindung gebracht wurde, was eine Darm-Lungen-Überlagerung zeigt. Halnes et al. fanden vier Stunden nach der Einnahme einer Mahlzeit mit löslichen Ballaststoffen und Präbiotika im Vergleich zu einer Placebo-Mahlzeit eine signifikant reduzierte Atemwegsentzündung bei Asthmapatienten. Stabile Tracer-Studien sind erforderlich, um die Dickdarmproduktion und das metabolische Schicksal von SCFAs bei gesunden und kranken Probanden zu untersuchen.

Die Darmmikrobiota älterer Menschen ist weniger vielfältig, hat eine höhere interindividuelle Variabilität und eine geringere SCFA-Produktionskapazität im Vergleich zu jüngeren Erwachsenen. Daher könnte eine Dysbiose der Darmmikrobiota an der Entwicklung mehrerer altersbedingter chronischer Systemerkrankungen wie Sarkopenie und verminderter Muskelqualität oder kognitiver Dysfunktion beteiligt sein. Diese altersbedingten Beeinträchtigungen sind mit einer verminderten körperlichen Leistungsfähigkeit und einem erhöhten Risiko für Stürze, Frakturen, körperliche Behinderung und Sterblichkeit verbunden. Eine Dysbiose der Darmmikrobiota (d. h. eine veränderte mikrobielle Zusammensetzung und Funktion) könnte zur Entwicklung von Sarkopenie beitragen, indem sie Muskelgröße, -zusammensetzung und -funktion moduliert. Darüber hinaus tragen SCFAs, Metaboliten, die von nützlichen Bakterien produziert werden, durch ihre entzündungshemmenden und genregulierenden Eigenschaften zur Aufrechterhaltung der kognitiven Funktion und des psychischen Wohlbefindens bei. Daher müssen Ernährungsinterventionen, wie z. B. eine Ballaststoffergänzung, als Modulator der mikrobiellen Zusammensetzung und der SCFA-Produktionsrate sowie der nachfolgenden Auswirkungen auf die Muskel- und kognitive Gesundheit und das allgemeine Wohlbefinden untersucht werden.