Menschliche Milcholigosaccharide (HMOs) und Darmmikrobiota, Immunsystem in der Antarktis

Ziel dieser Studie ist es, die Wirkung einer Nahrungsergänzung mit Präbiotika, einer spezifischen Kohlenhydratmischung in der Muttermilch (HMOs), als Maßnahme zur Verbesserung der Darmflora, entzündlicher Prozesse im Darm, des allgemeinen Immunstatus, der Kohlenhydratregulierung und des Fettgehalts zu untersuchen und Knochenstoffwechsel und neurologische Veränderungen in der Antarktis. Der etwa einjährige Aufenthalt auf der Concordia-Station (Antarktis) in einer Höhe von etwa 3200 m beinhaltet eine lange Reise und anschließende extreme Umweltbedingungen sowie entsprechende Anpassungsmechanismen und ist daher ein sehr gutes terrestrisches Modell (Analogmodell) zur Untersuchung von Veränderungen während Raum bleibt. Langfristig (d. h. > 6 Monate) führt die Exposition gegenüber Mikrogravitation zu zahlreichen physiologischen Reaktionen, einschließlich einer beeinträchtigten Glukosetoleranz, einer verminderten Immunfunktion und Knochenschwund, was zu recht schwerwiegenden gesundheitlichen Folgen führen kann. In diesem analogen Modell werden ähnliche, wenn auch weniger schwerwiegende Veränderungen hinsichtlich des Immunsystems oder der Glukosetoleranz beobachtet wie in der Raumfahrt.

Die Zusammensetzung der Nahrung hat maßgeblichen Einfluss auf die Zusammensetzung der Darmflora. Insbesondere Nahrungskohlenhydrate bieten den Nährboden für bestimmte Bakterien, die sich positiv auf die Gesundheit auswirken können. Unter Präbiotika versteht man Substrate, die von Wirtsmikroorganismen selektiv genutzt werden und gesundheitliche Vorteile bieten. Präbiotika werden nur von Darmmikroorganismen verdaut und stimulieren das Wachstum oder die Aktivität von Bakterien im Darm, die nachweislich gesundheitsfördernd sind oder das Wohlbefinden verbessern. Die Hauptnährstoffe für das Bakterienwachstum sind unverdauliche Kohlenhydrate, die per Definition vom Wirt, in diesem Fall dem menschlichen Organismus (Wirt), nicht verdaut werden. Zu den unverdaulichen Kohlenhydraten gehören beispielsweise resistente Stärke und Dextrine, Nichtstärkepolysaccharide (NSPs) (z. B. Pektine) und unverdauliche Oligosaccharide (z.B. Raffinose, Inulin usw.). Diese Kohlenhydrate werden von den Darmbakterien zu kurzkettigen Fettsäuren (SCFAs), hauptsächlich Essigsäure, Propionsäure und Buttersäure, fermentiert. Dieser Prozess findet hauptsächlich im Dickdarm, aber auch im Dünndarm statt. SCFAs werden schnell von der Schleimhaut des Dickdarms absorbiert und entfalten Auswirkungen auf den gesamten Körper. Sie tragen beispielsweise zum Energiebedarf des Wirts bei oder vermitteln die Kommunikation zwischen Darm und Gehirn, was einen großen Einfluss auf die Physiologie und Gesundheit des Wirts hat.

HMOs sind auch Präbiotika und der dritthäufigste feste Bestandteil in der Muttermilch. Die meisten der bisher veröffentlichten Forschungsergebnisse zu den Auswirkungen von HMOs wurden daher an Säuglingen durchgeführt. HMOs werden im Darm nicht verdaut und hauptsächlich im Dickdarm von den dort ansässigen Bakterien verwertet. Bei Säuglingen hat sich gezeigt, dass HMOs nicht nur eine gesunde Zusammensetzung der Darmflora fördern, sondern auch das Wachstum von Krankheitserregern beeinträchtigen und die Expression von Genen modulieren, die an Entzündungen beteiligt sind. Mehrere In-vitro- und In-vivo-Studien haben antivirale Eigenschaften von HMOs gegen verschiedene Viren wie Rotavirus, Norovirus, HIV und Influenza gezeigt. HMOs spielen eine wichtige Rolle im Immunsystem, indem sie die Immunantwort verstärken. Erste Anwendungen von HMOs bei Erwachsenen haben diese Ergebnisse bestätigt.

Ziel dieser Studie ist es daher zu untersuchen, wie sich die tägliche Verabreichung von 5,5 g einer HMO-Mischung während des Winterschlafs auf der Concordia-Station in der Antarktis auf Folgendes auswirkt:

• Glukosetoleranz
• entzündliche Prozesse
• Immunfunktion
• Fett- und Knochenstoffwechsel und
• Wohlbefinden

Studienablauf Es handelt sich um eine sogenannte placebokontrollierte, randomisierte Interventionsstudie im Paralleldesign. Dies bedeutet, dass die Probanden nach dem Zufallsprinzip ausgewählt werden und täglich entweder die Mischung aus HMOs oder ein Placebo erhalten. Die Studiendauer für eine Testperson beträgt ca. 20 Monate. Es gliedert sich in eine Untersuchungsphase vor der Abreise in die Antarktis, etwa im September eines Jahres, sechs Phasen während der Überwinterung in der Antarktis und eine Phase etwa 6 Monate nach der Rückkehr.

Jede einzelne Phase ist identisch, ein Beispiel ist in Abbildung 1 dargestellt.

Tag 1 (Wochenendtag) Tag 2 Tag 3 Tag 4 Tag 5 Nüchternblutentnahme X Oraler Glukosetoleranztest X Speichelprobe X Kotprobe X X X (X) Diätprotokoll X X X HMO-Supplementierung Täglich, Beginn nach der ersten Sitzung bei Concordia

Abbildung 1: Darstellung jeder Testphase (U wie in Abbildung 1).

Intervention Die Intervention, d. h. die in dieser Studie verwendete Behandlungsmaßnahme, ist in einer Gruppe die tägliche Verabreichung von 5,5 g einer Kohlenhydratmischung analog zur Muttermilch, die jedoch von Bakterien produziert wird. Diese Menge ist von der Europäischen Kontrollbehörde als unbedenklich für den menschlichen Verzehr zertifiziert. Die andere Gruppe erhält ein entsprechendes Placebo, Maltose.

Messmethode Blutuntersuchung und venöser Zugang Eine Blutentnahme aus der peripheren Vene ist mit den üblichen Risiken einer Venenpunktion verbunden. Dabei handelt es sich um Hämatome oder Infektionen an der Einstichstelle. Bei der Anlage eines periphervenösen Zugangs kann es in seltenen Fällen zu Verletzungen der Vene (Sklerotherapie) und der peripheren Nerven kommen. Die Blutentnahme und der venöse Zugang werden von einem erfahrenen Arzt durchgeführt, was das Risiko minimiert.

Nüchternblutentnahmen Am selben Tag wie der orale Glukosetoleranztest (OGTT) werden Nüchternblutproben zur Analyse verschiedener Blutparameter entnommen (siehe Abbildung 1). Da für den OGTT auch nach der Einnahme des Getränks mehrere Blutproben entnommen werden, wird im Bereich des Unterarms ein venöser Zugang in Form einer venösen Verweilkanüle (kleines Kunststoffröhrchen) gelegt, um eine wiederholte Punktion zu vermeiden die Armvenen.

Glukosetoleranz mittels oralem Glukosetoleranztest Mit dem sogenannten oralen Glukosetoleranztest (OGTT) können Unterschiede im Glukosestoffwechsel (Zuckerstoffwechsel) zwischen Interventions- und Kontrollphase ermittelt werden. An ca. Tag 3 jeder Studienphase wird morgens im nüchternen Zustand ein Getränk getrunken, das aus 75 g Glukose (Medicalfox Gluko 75 Pulver) und 300 ml Trinkwasser zubereitet wird. In der ersten Stunde nach der Getränkegabe wird alle 15 Minuten Blut abgenommen, in der zweiten Stunde alle 30 Minuten.

Speichelproben werden entnommen, um bestimmte Hormone zu testen, die das Stressniveau widerspiegeln, sowie die Reaktivität bestimmter Viren (Herpesvirus, Rotavirus). Dazu wird eine kleine Watterolle aus einem vorbereiteten Behältnis (Salivette) mehrere Minuten lang im Mund gekaut und während der Untersuchungsphase einmalig in das Sammelröhrchen zurückgelegt. Der gewonnene Speichel wird eingefroren und später im Labor analysiert.

Kotsammlung Um die Veränderungen der Darmflora zu untersuchen, werden in jeder Phase an 3 aufeinanderfolgenden Tagen Stuhlproben entnommen. Zu diesem Zweck wird ein sogenannter „Kotfänger“ über der Toilette angebracht, um den Kot besser aufzufangen. Von diesem Kot werden dann drei Proben in drei verschiedenen Röhrchen entnommen. Der kleine Löffel in jedem Röhrchen wird mit Kot gefüllt, zurück in das Röhrchen gegeben, verschlossen und eingefroren.

Dokumentation der Ernährung Um den Einfluss der Nahrungszusammensetzung auf die Darmflora abschätzen zu können, wird die aufgenommene Nahrung an 2 Werktagen und einem Wochenendtag dokumentiert. Dies geschieht in einem erstellten Diätprotokoll.