Präbiotika

Präbiotika sind Nahrungsbestandteile, die selektiv von Bakterien im Dickdarm fermentiert werden und dem Wirtsorganismus dadurch gesundheitliche Vorteile bringen. Die Fermentation präbiotischer Fasern erfordert eine komplexe Zusammenarbeit zwischen verschiedenen symbiotischen* Bakterien, die mehrere enzymatische Schritte umfasst. Jede Bakterienart verfügt über einen spezifischen Satz an Enzymen, die gezielt auf den Abbau bestimmter Faserstrukturen ausgerichtet sind. Damit die effiziente Fermentation komplexer präbiotischer Strukturen wie Guarbohnenfasern, Akazienfasern, Rhamnogalacturonan-I* und Baobabfasern erfolgen kann, ist eine breite mikrobielle Vielfalt im Darm unerlässlich.

Präbiotika können die Vielfalt und Zusammensetzung der Darmmikrobiota* stark beeinflussen. Ihre Wirkung geht jedoch über die Modulation* des Darmmikrobioms hinaus. Präbiotika tragen zur Produktion kurzkettiger Fettsäuren bei, fördern die Aufnahme von Mineralstoffen, unterstützen das Immunsystem und spielen eine Rolle dabei, die Integrität der Darmbarriere aufrechtzuerhalten.

* Siehe Erläuterung der Begriffe

Präbiotika und Ballaststoffe haben gemeinsame Eigenschaften wie die Resistenz gegen Verdauungsenzyme und die Fermentierbarkeit, aber nicht alle Ballaststoffe können als Präbiotika eingestuft werden oder umgekehrt. Im Zuge der Weiterentwicklung wissenschaftlicher Definitionen wird der Begriff „präbiotisch“ ständig an die wissenschaftlichen Veränderungen angepasst, die unser Verständnis der Darmmikrobiota vertiefen. Die erste Definition von Präbiotika wurde 1995 aufgestellt und lautete: unverdauliche Nahrungsbestandteile, die dem Wirtsorganismus einen gesundheitlichen Nutzen bringen, indem sie selektiv das Wachstum und die Aktivität einer oder mehrerer Bakterienarten im Dickdarm anregen. Dreizehn Jahre später wurde Folgendes hinzugefügt: ein selektiv fermentierbarer Inhaltsstoff, der spezifische Veränderungen in der Zusammensetzung und/oder Aktivität der Darmmikrobiota bewirkt, die dem Wirtsorganismus Vorteile verschaffen. Im Jahr 2010 wurde die Definition erweitert, wobei der Schwerpunkt auf die Funktionalität von Präbiotika gelegt wurde.

Im Jahr 2024 erweiterte die International Scientific Association for Probiotics and Prebiotics (ISAPP) die Definition von Präbiotika auf „eine unverdauliche Verbindung, die infolge der Metabolisierung durch Mikroorganismen im Darm die Zusammensetzung und/oder Aktivität der Darmmikrobiota moduliert und somit eine günstige physiologische Wirkung auf den Wirtsorganismus hat“.​(1)​ Diese Definition betont den Wert der Forschung darüber, wie Präbiotika der Gesundheit zugutekommen, und bedeutet unter anderem, dass auch Verbindungen, die keine Kohlenhydrate sind wie Polyphenole und Omega-3-Fettsäuren, als Präbiotika betrachtet werden können.

Im Darm arbeiten Mikroorganismen in enger Wechselbeziehung über die Syntrophie* zusammen, auch bekannt als Cross-Feeding*. Dabei zerlegen bestimmte Bakterien die komplexen Strukturen der Ballaststoffe in kleinere Einheiten, die wiederum von anderen Bakterien, den sogenannten sekundären Gärern, weiter metabolisiert werden. Die Aufspaltung von Fasern durch die eine Bakterienart liefert somit Zwischenprodukte, die von anderen Bakterien zum Wachsen und Überleben genutzt werden. Diese syntrophen Interaktionen tragen zu einem stabilen Darmmikrobiom bei, das für Störungen weniger anfällig ist, und dies wiederum ist für den Wirtsorganismus von Vorteil. Ein Beispiel hierfür ist Laktat (Milchsäure), ein Zwischenprodukt, das von verschiedenen Bakterien gebildet wird. Laktat senkt den pH-Wert im Darm, was das Wachstum pathogener Bakterien, die auf einen niedrigen pH-Wert empfindlich reagieren, hemmen kann. Auch für die Aufnahme von Vitaminen und Mineralstoffen ist der pH-Wert von entscheidender Bedeutung. Laktat dient auch als Nahrungsquelle für andere Bakterien, die es in nützliche Stoffwechselprodukte wie Butyrat (Buttersäure) und Propionat (Propionsäure) umsetzen.​(2)​

* Siehe Erläuterung der Begriffe

Durch die Fermentation präbiotischer Ballaststoffe entstehen kurzkettige Fettsäuren, Laktat und Gase wie Wasserstoff, Kohlendioxid, Methan und Schwefelwasserstoff. Die wichtigsten Metabolite sind die kurzkettigen Fettsäuren Buttersäure (Butyrat), Essigsäure (Acetat) und Propionsäure (Propionat). Diese kurzkettigen Fettsäuren haben im Darm und in anderen Teilen des Körpers zahlreiche Funktionen und regulieren und unterstützen verschiedene physiologische Prozesse. Kurzkettige Fettsäuren haben wichtige Auswirkungen auf die Aufrechterhaltung der intestinalen Homöostase und die Regulation der Darmbarrierefunktion sowie die intestinale und systemische Immunität. Zu den Wirkmechanismen gehören u. a. die Regulation der Genexpression, die Regulation des Glukose- und Fettstoffwechsels, die Blockierung der Anhaftung pathogener Bakterien und die Stimulierung der Schleimschicht.​(3)​ 

Kolonozyten, die Epithelzellen des Dickdarms, gewinnen 60–70 % ihrer Energie aus der Oxidation kurzkettiger Fettsäuren. Diese Zellen bevorzugen Butyrat, vorausgesetzt, es ist in ausreichender Menge vorhanden. In den Mitochondrien wird Butyrat in Butyryl-CoA und dann in Acetyl-CoA umgewandelt, das anschließend in den Zitronensäurezyklus eintritt, um ATP zu bilden. Butyrat kann auch die Expression verschiedener Gene beeinflussen. Dies betrifft Gene, die für Proteine kodieren, die an der Entzündungshemmung, der Zellproliferation und -differenzierung, dem Fettsäurestoffwechsel und der Funktion der Darmbarriere beteiligt sind.​(4–6)​ Der technische Fortschritt in der Nutrigenomik* hat es zunehmend ermöglicht, die bei der Fermentation entstehenden Stoffwechselprodukte und ihre Auswirkungen auf die Genexpression im Darm zu untersuchen. Ein großer Teil des im Dickdarm (Kolon) produzierten Propionats wird über das Blut zur Leber transportiert. Hier wird es unter anderem für die ATP-Produktion, die Regulation der Glukoneogenese und die Bildung von Ketonen verwendet. Acetat wird zu verschiedenen Organen transportiert, wo es als Substrat bei der Fettsäuresynthese, der Cholesterinproduktion und der Regulation der Immunantwort eine Rolle spielt.​(6,7)​ 

Kurzkettige Fettsäuren haben eine günstige lokale Wirkung auf die Barrierefunktion des Darms, indem sie die Expression von Tight-Junction-Proteinen erhöhen, die Schleimproduktion anregen und die Integrität der Darmwand stärken. Präbiotische Ballaststoffe haben auch über die kurzkettigen Fettsäuren hinaus eine günstige Wirkung auf die Darmbarrierefunktion. Durch den direkten Kontakt mit Immunzellen und Epithelzellen im Darm modulieren Präbiotika das intestinale Immunsystem, verbessern die Barrierefunktion der Epithelzellen und stärken die Schleimschicht.​(8)​  

Kurzkettige Fettsäuren beeinflussen im gesamten Körper Zellen des Immunsystems wie Makrophagen und Lymphozyten. Sie können die Immuntoleranz* fördern, die Funktion regulatorischer T-Zellen kontrollieren und die Produktion entzündungshemmender Zytokine stimulieren.​(6)​ Präbiotische Ballaststoffe fördern das Wachstum und die Aktivität von Bakterienarten, die mit dem GALT*, dem darmassoziierten lymphatischen Gewebe, eine Interaktion eingehen können. Dies trägt zur Regulation des Immunsystems bei und reduziert entzündliche Prozesse im Darm.​(9)​  

Kurzkettige Fettsäuren haben einen direkten Einfluss auf physiologische Prozesse, die an der Integrität der Blut-Hirn-Schranke und dem zellulären Energiestoffwechsel entlang der Darm-Hirn-Achse beteiligt sind. Butyrat kann den Durchtritt entzündungsfördernder Substanzen durch die Blut-Hirn-Schranke verhindern, indem es deren Integrität verbessert. Acetat spielt eine wichtige Rolle im Energiestoffwechsel des zentralen Nervensystems, denn es erhöht die Acetyl-CoA- und ATP-Spiegel im Gehirn.​(6)​ Eine geringe Konzentration kurzkettiger Fettsäuren im Darm steht mit verschiedenen (chronischen) Erkrankungen wie Multipler Sklerose (MS), entzündlichen Darmerkrankungen, chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) und steatotischer* Lebererkrankung in Zusammenhang. 

* Siehe Erläuterung der Begriffe

Der Begriff „Ballaststoffe“ ist eine Sammelbezeichnung für polymere Kohlenhydrate, die aus pflanzlichen Quellen stammen und im menschlichen Dünndarm weder verdaut noch absorbiert werden. Ballaststoffe werden nach ihrer Funktionalität oder physiologischen Wirkung und insbesondere nach ihrer Viskosität und Fermentierbarkeit kategorisiert.​(10,11)​ Es ist wichtig, über eine ausgewogene und abwechslungsreiche Ernährung genügend Ballaststoffe zu sich zu nehmen, da dies positive Auswirkungen auf die Gesundheit hat. Angesichts der unterschiedlichen Eigenschaften und gesundheitlichen Auswirkungen der verschiedenen Ballaststoffe ist es wichtig, dafür mehrere Quellen zu nutzen.​(11,12)​ Die empfohlene Ballaststoffmenge für Erwachsene beträgt 30 bis 40 Gramm pro Tag.​(11,13,14)​ In den Niederlanden liegt die durchschnittliche Ballaststoffzufuhr pro Tag jedoch bei nur 20 Gramm, in Belgien bei 17 Gramm und in Deutschland bei 25 Gramm. Mehr als 75 % der Bevölkerung erreichen die empfohlene Ballaststoff-Einnahmemenge nicht.​(13,14)​ Ein höherer Verzehr von Ballaststoffen verändert die Umgebung im Darm, so dass nützliche Bakterien ihre Populationen vergrößern können. Menschen, die sich ballaststoffarm ernähren, weisen oft eine geringere mikrobielle Vielfalt auf. 

Verschiedene Metaanalysen bestätigen, dass eine hohe Ballaststoffzufuhr mit einem geringeren Risiko für eine Vielzahl (chronischer) Erkrankungen verbunden ist. Eine ausreichende Zufuhr von Ballaststoffen ist wichtig für die Vorbeugung von Infektionen, Darmerkrankungen, Fettleibigkeit, Typ-2-Diabetes, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und bestimmten Krebsarten. Die positiven Auswirkungen von Ballaststoffen mit präbiotischer Wirkung bei der Behandlung einer Reihe von Beschwerden und Erkrankungen wurden ebenfalls untersucht. Es ist relativ einfach, die tägliche Ballaststoffzufuhr durch die Einnahme eines Ballaststoff-Ergänzungspräparats zu erhöhen, das vorzugsweise auch präbiotische Eigenschaften haben sollte. 

Die Wirksamkeit von Präbiotika hängt von der Art des präbiotischen Ballaststoffs ab, wird aber auch von individuellen Merkmalen beeinflusst. In einer dreiteiligen Crossover-Studie mit 28 gesunden Erwachsenen wurden drei verschiedene Präbiotika getestet. Dabei zeigte sich, dass die individuelle Reaktion auf die Präbiotika, insbesondere die Produktion kurzkettiger Fettsäuren, eher von der Person selbst als von der Art der Präbiotika bestimmt wurde. Die Studie zeigt somit die Bedeutung individueller Faktoren wie der Ernährung und der vorhandenen Zusammensetzung der Darmmikrobiota. In der Studie reagierten Testpersonen mit von Natur aus höheren Konzentrationen kurzkettiger Fettsäuren im Stuhl – oft als Folge einer ballaststoffreichen Ernährung – weniger stark auf eine präbiotische Nahrungsergänzung. Es liegt nahe, dass die Fähigkeit des Darmmikrobioms, kurzkettige Fettsäuren aus Ballaststoffen zu produzieren, begrenzt ist. Es zeigt sich auch, dass Menschen mit einer geringeren Ballaststoffzufuhr oder einer weniger vielfältigen Darmmikrobiota wahrscheinlich am meisten von einer präbiotischen Nahrungsergänzung profitieren. Für sie kann es sehr vorteilhaft sein, ihre Ballaststoffzufuhr zu erhöhen und die Produktion kurzkettiger Fettsäuren anzuregen, um so die Darmgesundheit zu unterstützen.​(15)​ 

Das Darmmikrobiom ist ein äußerst komplexes Ökosystem. Die Zusammensetzung der Darmmikrobiota ist bei jedem Menschen einzigartig. Die Forschung hat bereits viele Zusammenhänge zwischen Gesundheit und Krankheit auf der einen Seite und der Zusammensetzung und Funktionsweise des Mikrobioms auf der anderen Seite entdeckt. Es gibt immer mehr Belege dafür, dass bestimmte Darmbakterien den Stoffwechsel, das Immunsystem, die kardiovaskuläre Gesundheit, die Stimmung und die kognitive Gesundheit beeinflussen. Die Modulation des Darmmikrobioms zur Verbesserung der Gesundheit ist ein wichtiges Thema und zugleich eine große Herausforderung. Bisher weiß man noch relativ wenig darüber, wie dies auf vorhersehbare Weise erreicht werden kann. Die Wirkung eines präbiotischen Ballaststoffs wird weitgehend von den im Darm vorhandenen Bakterienarten sowie deren Populationsgröße und Interaktionen untereinander bestimmt. Um bedeutsame Veränderungen in der Zusammensetzung der Mikrobiota zu erreichen, muss man in der Lage sein, bestimmte Bakterienstämme oder Gemeinschaften kooperierender Bakterien präzise zu modulieren.  

Die Komplexität präbiotischer Ballaststoffe kann nicht einfach durch die Unterteilung in lösliche und nicht lösliche Ballaststoffe ausgedrückt werden. Weitere Eigenschaften präbiotischer Ballaststoffe wie z. B. molekularer Aufbau, Ladung, Matrix*, Fermentationsgeschwindigkeit und Wasserbindungsvermögen sind wichtig, um die physiologischen Wirkungen verschiedener Ballaststoffe besser verstehen und beschreiben zu können.​(16)​  

Die wichtigsten Kriterien für Präbiotika sind: 

• eine definierte Struktur und Zusammensetzung; 
• selektiv von der Wirtsmikrobiota genutzt, wie durch Mikrobiom-Modulation (Zusammensetzung und/oder Funktion) gemessen; 
• eine Hypothese, die beschreibt, wie die Modulation des Mikrobioms zu gesundheitlichen Vorteilen führt; 
• gleichzeitig gemessene gesundheitliche Vorteile und Mikrobiom-Modulation;  
• unbedenklich für den vorgesehenen Verwendungszweck.​(1)​  

Die Forschungsgruppe von Professor Bruce Hamaker wies erstmals 2014 darauf hin, dass die Spezifität eines präbiotischen Ballaststoffs eine sehr wichtige Rolle bei der Modulation der Zusammensetzung und der Funktionalität des Mikrobioms spielt.​(17)​ Die Spezifität eines präbiotischen Ballaststoffs wird hauptsächlich durch den Löslichkeitsgrad und die strukturelle Komplexität bestimmt. Die Fermentation von Präbiotika mit einer höheren Spezifität (komplexere Struktur und daher von einer kleinen Gruppe von Darmbakterien fermentiert) führt bei verschiedenen Personen zu viel einheitlicheren Ergebnissen, während Präbiotika mit einer geringeren Spezifität (strukturell einfach und von vielen Darmbakterien genutzt) bei verschiedenen Personen zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führen können. Mit anderen Worten: Die Spezifität des Ballaststoffs ist ein Schlüssel zur gezielten Modulation des Darmmikrobioms.  

Ballaststoffe mit geringer Spezifität (Beispiele hierfür sind Fructo-Oligosaccharide [FOS] und Inulin) werden von vielen verschiedenen Bakterienarten leicht fermentiert. Dies führt zwischen den verschiedenen Bakterienarten zu einem Wettbewerb um diese Nährstoffe. Die Auswirkungen von Ballaststoffen mit geringer Spezifität auf die Gesundheit des Wirtes hängen stark von der grundlegenden Zusammensetzung der Darmmikrobiota eines Individuums ab. Ballaststoffe mit einer sehr hohen Spezifität (z. B. Xanthan und nicht lösliche Beta-Glucane) werden nur von einer relativ kleinen Anzahl von Bakterien fermentiert, die möglicherweise nur bei wenigen Menschen vorhanden sind, was ihre gesundheitlichen Auswirkungen begrenzt. Ballaststoffe mit einer mittleren Spezifität (wie Rhamnogalacturonan-I, Guarbohnenfaser, Akazienfaser und Baobabfaser) regen selektiv Bakterien oder eine Gruppe von Bakterien an, die häufig im Darm gesunder Erwachsener vorkommen.​(18)​ 

Dieser Ansatz legt nahe, dass durch die Verwendung von Ballaststoffen mit mittlerer Spezifität ein starkes Wachstum nützlicher Bakterien gefördert werden kann. Dadurch dass spezifische Ballaststoffe verwendet werden, reduziert diese Herangehensweise den Wettbewerb um Nährstoffe und bietet eine Möglichkeit, Bakteriengemeinschaften gezielt und vorhersehbar zu beeinflussen.​(19)​ Im Folgenden werden die präbiotischen und gesundheitlichen Auswirkungen von Guarbohnenfaser, Rhamnogalacturonan-I, Akazienfaser und Baobabfaser erörtert.  

Die meisten Forschungsarbeiten zu Präbiotika konzentrieren sich auf den Einfluss einzelner Ballaststoffe auf das Darmmikrobiom und die Produktion kurzkettiger Fettsäuren. Andererseits wurde bisher nur wenig über die Kombinationseffekte von Präbiotika geforscht. Frühere Untersuchungen deuten darauf hin, dass Präbiotika-Mischungen die Fermentationsgeschwindigkeit im Dickdarm verlangsamen können, was sich positiv auf die Verringerung der Gasbildung auswirken kann. Eine langsamere Fermentation sorgt dafür, dass Bakterien die Ballaststoffe langsamer abbauen, wodurch die Produktion und Ansammlung von Gasen besser reguliert wird.​(20)​  

Eine Studie der TNO (Niederländische Organisation für Angewandte Naturwissenschaftliche Forschung) in Zusammenarbeit mit der Purdue University (USA) zeigt, dass eine Mischung aus präbiotischen Ballaststoffen nicht nur zu einer größeren mikrobiellen Vielfalt führt, sondern im Vergleich zu einzelnen Ballaststoffen auch zu einer allmählicheren und länger anhaltenden Produktion kurzkettiger Fettsäuren. Darüber hinaus wurden Synergieeffekte beobachtet: Bestimmte bakterielle Taxa* wurden durch die Mischungen stärker stimuliert als durch die einzelnen Ballaststoffe. Bemerkenswerterweise wurden einige Bakterienarten nur durch die Kombinationen und nicht durch einzelne Ballaststoffe beeinflusst.  

Außerdem scheinen Präbiotika-Mischungen beständigere und besser vorhersehbare Veränderungen im Mikrobiom zu bewirken als einzelne Ballaststoffe, selbst wenn diese für sich genommen eine höhere Spezifität aufweisen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Kombination von Präbiotika eine effektivere Strategie sein könnte, um das Darmmikrobiom auf breiterer und nachhaltigerer Basis zu modulieren, was zu einer verbesserten Darmgesundheit und Gesundheit insgesamt beitragen könnte.​(21)​ 

* Siehe Erläuterung der Begriffe

Teilfermentierte Guarbohnenfasern 
Guargummi besteht aus Galaktomannan-Polysacchariden und wird aus der indischen Guarbohne (Cyamopsis tetragonoloba) gewonnen (Abbildung 1). Teilfermentierte Guarbohnenfasern entstehen, indem Guargummi mit einem Enzym aus dem Schimmelpilz Aspergillus niger teilweise fermentiert wird. Dadurch werden die Guarbohnenfasern vollständig durch Darmbakterien fermentierbar, was ihnen eine stärkere präbiotische Wirkung verleiht. Garbohnenfasern haben eine mittlere Spezifität und werden aufgrund ihrer Viskosität und ihres Fermentationsprofils als funktionelle präbiotische Ballaststoffe angesehen. Funktionelle Ballaststoffe sind für den Verzehr geeignete Kohlenhydrat-Polymere aus Pflanzen (oder synthetische Kohlenhydrat-Polymere wie Methylcellulose) mit wissenschaftlich nachgewiesenen physiologischen Wirkungen. Um die spezifischen Auswirkungen der Fermentation durch Darmbakterien zu untersuchen, wird häufig die SHIME-Technologie* eingesetzt. „In-vitro“ durchgeführte Studien nach dem SHIME-Modell („Simulator of the Human Intestinal Microbial Ecosystem“) und klinische Studien zeigen, dass Guarbohnenfasern die Vermehrung und Aktivität von Bifidobakterien, Milchsäurebakterien wie Lacticaseibacilli*, Bacteroides, Parabacteroides, Faecalibacterium, Akkermansia und Ruminococcus stimulieren können und das Wachstum von Clostridium, Proteobakterien, Desulfovobrio spp. und externen Pathogenen wie Salmonellen und Campylobacter hemmen können.​(22–28)​ Die gesundheitlichen Auswirkungen von Garbohnenfasern werden im Artikel Teilfermentierte Garbohnenfasern, ein überlegenes Präbiotikum ausführlich beschrieben. 

Abbildung 1: Chemische Struktur von Guargummi 

Rhamnogalacturonan-I, ein Pektin aus Karottentrester 
Rhamnogalacturonan-I (RG-I) ist ein komplexes Polysaccharid und ein wichtiger Pektinbestandteil, der in den Zellwänden von Pflanzen vorkommt (Abbildung 2). Es handelt sich um einen wasserlöslichen Ballaststoff mit gesundheitlichen Vorteilen für den Menschen.​(29)​ Die spezifische Struktur und Zusammensetzung von RG-I kann je nach Pflanzenquelle variieren. Forschungsergebnisse zeigen, dass RG-I verschiedene positive Auswirkungen auf die Gesundheit hat, darunter die Unterstützung eines gesunden Darmmikrobioms und Immunsystems. Verschiedene Studien haben gezeigt, dass RG-I eine besser vorhersehbare Wirkung auf das Darmmikrobiom hat als Ballaststoffe mit geringer Spezifität wie z. B. Inulin. 

Abbildung 2: Chemische Struktur von Rhamnogalacturonan-I​(30)​ 

Präklinische und klinische Studien zeigen, dass aus Karotten gewonnenes (carrot-derived) Rhamnogalacturonan-I „cRG-I“ das Darmmikrobiom positiv beeinflussen kann. Karotten-RG-I wird aus dem Pressrückstand (Trester)hergestellt, der nach dem Auspressen von Karotten für Saft oder Konzentrat übrigbleibt. Die wichtigsten Ergebnisse sind, dass cRG-I das Wachstum verschiedener gesundheitsassoziierter Bakterienarten stimulierte, darunter Bifidobacterium longum, Bifidobacterium adolescentis, eine Reihe nützlicher Bacteroidetes spp. wie Bacteroides dorei, Firmicutes wie Acidaminococcaceae, Lachnospiraceae und Ruminococcaceae, Prevotella sp., Roseburia hominis, Butyrat-bildende Bakterien wie Faecalibacterium prausnitzii und Blautia sp. sowie Anaerobutyricum hallii. Die Aktivität dieser Bakterienarten nahm ebenfalls zu, was sich an der Zunahme der Produktion kurzkettiger Fettsäuren ablesen lässt. Andere Bacteroidetes, die als pathogen gelten wie B. fragilis, bildeten sich zurück.​(18,31–35)​ Diese Effekte wurden bereits mit einer sehr niedrigen Dosierung von cRG-I erzielt, die 300 mg pro Tag entspricht.  

Die Ergebnisse aus In-vitro-Fermentationsstudien wurden in einer klinischen Studie mit gesunden Erwachsenen bestätigt, die über einen Zeitraum von acht Wochen täglich 0,3 oder 1,5 g cRG-I einnahmen. Die Menge an Bifidobacterium stieg bei beiden cRG-I-Dosierungen signifikant an. Außerdem gab es eine Zunahme der kurzkettige Fettsäuren produzierenden Firmicutes und der Acetat-produzierenden Holdemania.​(36)​ Die Gasbildung während der Fermentation von cRG-I ist deutlich geringer als die bei Inulin.​(18,32)​ 

Die Stimulierung verschiedener gesundheitsfördernder Bakterienarten und die gleichzeitige Zunahme günstiger Metabolite deuten darauf hin, dass cRG-I für den Wirtsorganismus wertvolle Eigenschaften besitzt. In Studien am Menschen können die beobachteten Veränderungen in der Zusammensetzung des Mikrobioms und der Metabolitenproduktion mit den potenziellen gesundheitlichen Auswirkungen von cRG-I in Verbindung gesetzt werden.  

Verschiedene präklinische und klinische Studien haben gezeigt, dass RG-I das angeborene Immunsystem modulieren kann. Immunzellen, die mit RG-I-Fragmenten in Kontakt kommen, produzieren mehr Zytokine, darunter Tumornekrosefaktor (TNF)-a, IL (Interleukin)-1b und IL-10.​(31,37,38)​ Außerdem wird die Produktion proinflammatorischer Proteine wie IL-4 und IL-9 verringert.​(32)​ 

Die tägliche Einnahme einer niedrigen Dosis cRG-I kann die Immunantwort auf eine Virusinfektion beschleunigen und die Schwere von viralen Atemwegsinfektionen verringern. In einer klinischen Studie wurde die Wirkung einer täglichen Nahrungsergänzung mit cRG-I bei 146 gesunden Erwachsenen untersucht. Zwei verschiedene Dosierungen (0,3 Gramm und 1,5 Gramm) wurden mit einem Placebo verglichen. Nach achtwöchiger Einnahme von cRG-I oder einem Placebo wurden die Testpersonen einem Erkältungsvirus ausgesetzt. In den darauffolgenden zwei Wochen wurde sorgfältig auf auftretende Erkältungssymptome geachtet. Im Vergleich zu den Gruppen, die kein cRG-I oder eine hohe Dosis (1,5 g/Tag) einnahmen, verzeichnete die Gruppe, die 0,3 g/Tag einnahm, eine deutlichere Verringerung der Schwere (33 %) und Dauer (43 %) der Erkältungssymptome. Um die Schwere der Erkältungssymptome zu beurteilen, wurde der Average Peak Symptom Score (APSS) in der Fragenliste WURSS-21 (Wisconsin Upper Respiratory Symptom Survey-21) verwendet. Die WURSS-21 erfasst 21 Symptome, darunter Schnupfen, Halsschmerzen, Husten und Müdigkeit, auf einer Skala von 0 (kein Symptom) bis 7 (sehr schwer). Ein höherer APSS-Wert steht für schwerwiegendere Symptome. Der Höhepunkt der Symptome trat in der Gruppe mit niedriger Dosis früher nach der Virusexposition (Tag 3) auf als in den anderen Gruppen (Tag 4). Eine Post-hoc-Analyse* zeigte, dass die Zeit, die benötigt wurde, um die Symptome um 50 % zu reduzieren (Halbwertszeit der Symptomeliminierung), in der niedrigdosierten Gruppe (4,7 Tage) deutlich kürzer war als in der Placebogruppe (6,5 Tage) und in der hochdosierten Gruppe (6,1 Tage). Die niedrige Dosierung führte auch zu einer schnelleren Virus-Clearance als die hohe Dosierung. cRG-I führte außerdem zu einem erhöhten Zustrom von Immunzellen wie Neutrophilen, Makrophagen, Lymphozyten und Eosinophilen in die Nase. Diese Reaktion war allgemein am schnellsten und stärksten in der Gruppe, die 1,5 g/Tag erhielt. Eine Ausnahme bildeten Makrophagen und Lymphozyten, die am Tag 6 in der Gruppe mit 0,3 g/Tag am häufigsten auftraten. Ein weiteres wichtiges Ergebnis war, dass cRG-I die Interferonantwort beschleunigte. Interferone sind Proteine, die eine entscheidende Rolle bei der Bekämpfung von Virusinfektionen spielen. Eine beschleunigte Interferonantwort wurde insbesondere bei der niedrigen Dosis von 0,3 g/Tag beobachtet. Obwohl sich die höhere Dosis von 1,5 g/Tag stärker auf die Beschleunigung der lokalen zellulären und humoralen angeborenen Immunreaktionen auswirkte, war die Dosis von 0,3 g/Tag cRG-I bei der Reduzierung der wahrgenommenen Symptome der Rhinovirusinfektion am wirksamsten.​(39,40)​  

Toxizitätsstudien an Ratten ergaben einen NOAEL-Wert für cRG-I von mindestens 6,9 g pro kg Körpergewicht pro Tag.​(41)​ In klinischen Studien wurden keine unerwünschten Wirkungen von cRG-I beobachtet und cRG-I wurde gut vertragen.​(39,40)​ 

Akazienfaser, ein einzigartiger Ballaststoff für einen regelmäßigen Stuhlgang 
Akazienfaser (auch bekannt als Gummi arabicum) ist das harzige Gummi* des Akazienbaums (Acacia seyal), das zu mehr als 90 % aus löslichen Fasern besteht. Akazienfaser ist ein komplexes, verzweigtes Arabinogalactan-Polysaccharid, das hauptsächlich aus den Monosacchariden Arabinose, Galactose, Rhamnose und Glucuronsäure aufgebaut ist (Abbildung 3). Akazienfaser ist einer der wenigen Ballaststoffe, die im transversalen und distalen Teil des Dickdarms (Colon descendens) fermentiert werden.​(42)​ Die Fermentation der meisten Ballaststoffe findet im proximalen Teil des Dickdarms statt. Da sich die Fermentation von Akazienfaser auf den gesamten Dickdarm auswirkt, handelt es sich um einen wichtigen Ballaststoff, den man zu sich nehmen sollte. Der distale Teil des Dickdarms ist häufig der Ort, an dem Probleme wie Colitis ulcerosa, Polypen und Tumore auftreten.  

Abbildung 3: Chemische Struktur von Akazienfaser​(43)​ 

Akazienfaser wird mit einer deutlichen Zunahme von Bacteroides, Bifidobakteria, Milchsäurebakterien wie Lacticaseibacilli, Faecalibacterium prausnitzii, Prevotella ruminicola und anderen sowie einer Abnahme von Clostridium in Verbindung gebracht.​(44–49)​ Akazienfaser kann Durchfall bei Babys und Kindern lindern.​(50)​ Bei Erwachsenen mit Reizdarmsyndrom und überwiegender Verstopfung kann Akazienfaser (10 g/Tag über 4 Wochen) die Stuhlfrequenz signifikant erhöhen.​(51)​ Gesunde Testpersonen, die im Rahmen einer Studie 12 Wochen lang täglich 20 Gramm Akazienfaser zu sich nahmen, berichteten von einer Verbesserung ihrer Verdauung. Sie hatten einen besseren Stuhlgang und litten weniger unter Völlegefühl und Bauchschmerzen.​(52)​ Akazienfaser -- zu oder nach einer Mahlzeit eingenommen (10–40 Gramm täglich) -- erhöht das Sättigungsgefühl und reduziert die Kalorienzufuhr.​(52–54)​ 

Die tägliche Einnahme von Akazienfaser kann dazu beitragen, den Körperfettanteil und den Body-Mass-Index (BMI) zu senken.​(55)​ Studien an Menschen mit Typ-2-Diabetes, metabolischem Syndrom, Adipositas oder Dyslipidämie zeigen vorteilhafte Auswirkungen von Akazienfaser. Die tägliche Einnahme von Akazienfaser geht unter anderem mit einer Senkung des BMI, des Blutdrucks, des Nüchternblutzuckerspiegels und des HbA1c-Wertes (als Maß für die langfristige Blutzuckerkontrolle) einher.​(52,56–58)​ Darüber hinaus kann sich Akazienfaser günstig auf das Blutlipidprofil auswirken.​(57,59,60)​ Einer Meta-Analyse zufolge ist Akazienfaser das wirksamste Präbiotikum zur Erhöhung des HDL-Cholesterins.​(61)​   

Akazienfaser kann die Aktivität von Granulozyten stimulieren und die intrazelluläre Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies erhöhen, wodurch die antimikrobielle Aktivität der Granulozyten verstärkt wird (In-vitro-Studie).​(62)​ Bei Menschen mit rheumatoider Arthritis, die 12 Wochen lang täglich 30 Gramm Akazienfaser zu sich nahmen, sank der Serumspiegel von TNF-α, das bei Entzündungsprozessen eine wichtige Rolle spielt.​(63)​ Ein weiterer Hinweis auf eine entzündungshemmende Wirkung stammt aus Studien, in denen die Supplementierung mit Akazienfaser (30 g/Tag) bei Personen mit Sichelzellenanämie oder Hämodialysepatienten zu einer Verringerung des C-reaktiven Proteins (CRP) führte.​(64)​ In Mäusen erhöht Akazienfaser die Produktion von Cathelicidinen. Cathelicidine sind Peptide mit antimikrobiellen und immunmodulierenden Eigenschaften. Sie werden unter normalen Umständen in geringen Mengen von Darmepithelzellen und Immunzellen gebildet; als Reaktion auf eine Infektion wird die Produktion erhöht.​(65)​ Akazienfaser hat antioxidative Wirkungen, unter anderem durch die Erhöhung der antioxidativen Gesamtkapazität (TAC).​(66)​  

Akazienfaser ist im Allgemeinen sehr gut verträglich.​(67)​ Dosierungen von bis zu 30 g/Tag verursachen keine Beschwerden wie Blähungen, Krämpfe oder Durchfall.​(45)​ Eine kleine Studie an Frauen mit einer verzögerten Magenentleerung (Gastroparese) zeigte, dass Akazienfaser auch von dieser Gruppe gut vertragen wird und keine Beschwerden wie Übelkeit, Aufstoßen oder Völlegefühl verursacht.​(68)​ In einigen Fällen können leichte Magen-Darm-Beschwerden auftreten. Diese Beschwerden klingen in der Regel innerhalb von zwei Wochen von selbst ab. 

Baobabfaser, Mischung aus fermentierbaren und nicht löslichen Ballaststoffen 
Die Früchte des Baobab- oder Afrikanischen Affenbrotbaums (Adansonia digitata L.) sind reich an löslichen und unlöslichen Ballaststoffen, darunter Pektine (insbesondere Homogalacturonan und Xylogalacturonan), Hemizellulose, Zellulose, Stärke und FOS (Abbildung 4).​(42)​ Zu den präbiotischen Wirkungen von Baobabfaser gibt es bisher nur wenige Untersuchungen. In einer Studie mit 20 gesunden Erwachsenen reduzierte eine einmalige Einnahme von Baobab-Fasern (15 Gramm Extrakt, davon 11 Gramm Ballaststoffe) das Hungergefühl.​(69)​ Eine andere Studie zeigte, dass sich Baobab-Fasern nach einer kohlenhydratreichen Mahlzeit günstig auf den Blutzuckerspiegel auswirken.​(70)​ Baobabfaser (10 Gramm) regt das Wachstum von Bifidobakterium, Milchsäurebakterien wie Lacticaseibacilli, Bacteroides und Firmicutes an (In-vitro-Studie). Außerdem führt Baobabfaser zu einer Zunahme von Akkermansia im distalen Dickdarm.​(71)​ Des Weiteren fördert Baobabfaser die Produktion kurzkettiger Fettsäuren, insbesondere von Acetat und Propionat.​(42,71)​ 

Abbildung 4: Chemische Struktur von zwei Polysacchariden, die aus Baobab-Früchten isoliert wurden​(72)​ 

Synergieeffekt von Akazienfaser und Baobabfaser 
Akazienfaser hat bei einer Dosierung von 10 Gramm pro Tag eine nachgewiesene präbiotische Wirkung im Darm.​(45)​ Durch die Kombination von Akazien- und Baobabfaser ist jedoch bereits eine wesentlich geringere Dosierung von zusammen 5 Gramm Akazien- und Baobabfaser wirksam. Die Ergebnisse einer In-vitro-Studie zeigen, dass die Kombination aus Akazien- und Baobabfaser vielversprechende präbiotische Eigenschaften aufweist, die auf komplementäre und synergistische Effekte auf das Darmmikrobiom zurückzuführen sind. Die kombinierte Wirkungen von Akazien- und Baobabfaser sorgen unter anderem für eine hohe Produktion kurzkettiger Fettsäuren in allen Teilen des Dickdarms. Die starke präbiotische Wirkung der Kombination führte auch zu einer stärkeren Zunahme von Akkermansia im distalen Teil des Dickdarms.​(42)​ 

* Siehe Erläuterung der Begriffe

Die vorstehend besprochenen Präbiotika sind für Erwachsene und Kinder geeignet und sehr sicher. Da diese präbiotischen Ballaststoffe langsam fermentieren, führen sie im Allgemeinen nicht zu übermäßiger Gasbildung, Blähungen und Völlegefühl. Durch Kombination dieser Ballaststoffe kann die Fermentationsgeschwindigkeit noch weiter gesenkt werden. Sollten diese Begleiterscheinungen dennoch auftreten, ist es am besten, mit einer niedrigeren Dosierung zu beginnen und diese dann allmählich zu erhöhen. Die langfristige Einnahme von Präbiotika hat keinen negativen Einfluss auf die Aufnahme von Nährstoffen. In einigen Fällen kann die Aufnahme von Medikamenten durch die Einnahme von Präbiotika beeinflusst werden (siehe Wechselwirkungen). Eine Mischung verschiedenartiger präbiotischer Ballaststoffe hat zusammen synergistische Wirkungen, so dass bei der Einnahme pro Präbiotikum oft eine geringe Dosis ausreicht.  

Für die meisten Anwendungen ist eine Dosierung von etwa 10 Gramm pro Tag (für Kinder die halbe Dosis) ausreichend. Die Mischung aus Guarbohnenfasern, Akazienfasern, cRG-I und Baobabfasern kann heißen und kalten Getränken oder Speisen zugesetzt werden, ohne dass Geschmack, Geruch, Farbe oder Konsistenz (wesentlich) beeinflusst werden.  

Personen, die sich kohlenhydratarm ernähren, und insbesondere Personen, die eine ketogene Diät einhalten, laufen Gefahr, nicht genügend Ballaststoffe zu sich zu nehmen.​(73)​ Präbiotika sind eine hervorragende Ergänzung zu einer ketogenen Ernährung und eine gute Möglichkeit, um genügend Ballaststoffe zu sich zu nehmen, die Darmperistaltik zu fördern und das Darmmikrobiom zu unterstützen.  

• Rhamnogalacturonan-I (RG-I) kann die Absorption von Digoxin, Statinen und Tetracyclinen verringern.​(74,75)​  
• Akazienfaser hat eine positive Wirkung auf die Speicheldrüsen bei Mundtrockenheit, die durch Methotrexat verursacht wird.​(76)​ 
• Akazienfaser hat möglicherweise eine antimikrobielle Wirkung gegen Staphylococcus aureus und Escherichia coli (In-vitro-Studie).​(62,77)​ 
• Akazienfaser kann die Aufnahme von Amoxicillin verringern. Nehmen Sie die Akazienfasern mindestens 2 Stunden vor oder nach der Medikation ein.​(78)​ 
• Akazienfaser kann die Wirksamkeit von Ranitidin erhöhen (Tierversuch).​(79)​  
• Akazienfaser kann theoretisch bei Menschen, die allergisch auf Seifenrinde (Quillaja saponaria) reagieren, eine allergische Reaktion auslösen.​(80)​ 
• Akazienfaser kann vor einer durch Cyclophosphamid verursachten Blasentoxizität schützen (Tierstudie).​(81)​ 
• Weitere Informationen über die Wechselwirkungen von Guarbohnenfasern finden Sie im Übersichtsartikel „Guarbohnenfasern“.  

Koprostase, eine sehr schwere Verstopfung, bei der eine Masse von trockenem, hartem Stuhl im Dickdarm oder Enddarm festsitzt. 

Cross-Feeding: ein Prozess, bei dem das Stoffwechselprodukt einer Mikrobenart von anderen Arten genutzt wird. Dies verstärkt die präbiotische Wirkung, da so ein breiterer Einfluss auf das Mikrobiom erzielt wird. 

Darmmicrobiota: bezieht sich auf die Gemeinschaft von Mikroorganismen, darunter Bakterien, Pilze und Viren, die im Darm leben. Das Mikrobiom umfasst die Mikroorganismen (Mikrobiota) sowie deren genetisches Material und deren Interaktionen mit dem Wirt und der Umwelt. Einfacher ausgedrückt: Der Begriff „Mikrobiota“ wird verwendet, wenn es um bestimmte Arten von Mikroorganismen geht. Wenn auch die Funktionsweise dieser Mikroorganismen gemeint ist, wird im Allgemeinen der Begriff „Mikrobiom“ verwendet. 

GALT: (gut-associated lymphoid tissue), lymphatisches Gewebe, das lose im Bindegewebe des Verdauungstrakts vorkommt wie z. B. die Peyer-Plaques und Lymphfollikel im Blinddarm. Es ist Bestandteil der lokalen Immunabwehr. Der wichtigste Abwehrmechanismus des GALT ist das sekretorische IgA (sIgA). 

Gummi: Polysaccharide, die auf natürliche Weise von Pflanzen produziert werden, in Wasser leicht löslich sind und oft als Verdickungsmittel oder präbiotische Ballaststoffe verwendet werden. Ein bekanntes Beispiel ist Gummi arabicum, das technisch gesehen ein Gummi ist, aber auch harzige Eigenschaften hat. Harze sind ausgehärtete, klebrige Substanzen, die von Pflanzen (in der Regel Bäumen) als Reaktion auf Schädigungen abgesondert werden. 

Immuntoleranz: der Mechanismus, der sicherstellt, dass das Immunsystem die körpereigenen Zellen, körpereigene und unschädliche Stoffe und kommensale Mikroorganismen nicht angreift. Die Immuntoleranz lehrt das Immunsystem, zwischen körpereigen und körperfremd zu unterscheiden. Wenn die Immuntoleranz versagt, können Autoimmunerkrankungen und Allergien entstehen.  

Lacticaseibacilli: Die Bakteriengattung Lactobacillus wurde 2020 in 23 neue Gattungen aufgeteilt. Beispielsweise wurde der Gattungsname von Lactobacillus rhamnosus in Lacticaseibacillus rhamnosus geändert. 

Matrix: der strukturelle und funktionelle Kontext, in dem die präbiotischen Ballaststoffe in einem bestimmten Lebensmittel oder Nahrungsergänzungsmittel vorkommen. Er beschreibt die Art und Weise, wie Ballaststoffe organisiert sind, wie sie selektiv von Darmbakterien fermentiert werden und wie diese Struktur ihre Wirksamkeit im Körper beeinflusst. 

Modulieren: Im Zusammenhang mit dem Darmmikrobiom bedeutet „modulieren“, die Zusammensetzung und Aktivität von Darmbakterien zu beeinflussen oder anzupassen. Dies kann durch Ernährung, Präbiotika, Probiotika oder andere Substanzen erreicht werden, die das Wachstum bestimmter Bakterien stimulieren oder hemmen und so das Gleichgewicht und die Funktion des Mikrobioms verändern. 

Nutrigenomik: ein Forschungsgebiet, das sich mit der Interaktion zwischen bioaktiven Bestandteilen von Lebensmitteln und der Genexpression auf verschiedenen Ebenen befasst.  

Post-hoc-Analyse: statistische Analyse, die nach Abschluss einer Studie durchgeführt wird, um aus den gesammelten Daten zusätzliche Erkenntnisse zu gewinnen.  

Rhamnogalacturonan-I: (RG-I) ein komplexes Polysaccharid, das in Pektin vorkommt, einer Substanz, die in den Zellwänden von Pflanzen vorhanden ist. Es besteht aus einem Rückgrat aus Rhamnose- und Galacturonsäure-Einheiten und spielt eine Rolle für die Struktur und Funktion von Pflanzenzellen. RG-I ist wasserlöslich und gilt als präbiotischer Ballaststoff. 

SHIME: (Simulator of the Human Intestinal Microbial Ecosystem - Simulator des menschlichen intestinalen mikrobiellen Ökosystems), ein fortschrittliches In-vitro-Modellsystem, das das Magen-Darm-System simuliert. Das Modell ermöglicht die Messung von Fermentationsprozessen und der Produktion kurzkettiger Fettsäuren, Gase und anderer Stoffwechselprodukte. Mit SHIME können Ergebnisse innerhalb von nur 1-2 Tagen gewonnen werden, während für dieselben Ergebnisse wochenlange klinische Forschung mit wiederholter Einnahme von Präbiotika erforderlich ist. 

Steatotische Lebererkrankung: (früher: nichtalkoholische Fettlebererkrankung, NAFLD) ist eine Erkrankung, bei der sich überschüssiges Fett in der Leber ansammelt, ohne dass übermäßiger Alkoholkonsum die Ursache ist. Sie kann von einer einfachen Fettleber (Steatose) bis hin zu schwerwiegenderen Formen wie Steatohepatitis reichen, die mit Entzündungen und Leberschäden einhergeht und letztlich zu Leberfibrose, Leberzirrhose oder Leberversagen führen kann. 

Symbionten: Mikroorganismen, die eine für beide Seiten vorteilhafte Beziehung mit dem Wirt eingehen. Das bedeutet, dass sowohl der Mikroorganismus als auch der Wirt von der Interaktion profitieren. Viele Darmbakterien, so z. B. Bifidobakterien und Milchsäurebakterien, sind Symbionten, da sie bei der Verdauung von Nahrung und der Produktion nützlicher Substanzen helfen, während sie selbst von Nährstoffen und einer stabilen Umgebung profitieren.  

Syntrophie: eine Form der Zusammenarbeit zwischen mindestens zwei Mikroorganismen, bei der die eine Art von den Stoffwechselprodukten der anderen Art abhängig ist, um zu überleben und zu wachsen. Dies wird auch als Cross-Feeding bezeichnet.  

Taxon: (Plural: Taxa) eine Gruppe von Organismen, die eine von anderen Gruppen unterscheidbare Einheit bilden. Bei Bakterien kann dies von breiten Gruppen wie einer Klasse oder Ordnung bis hin zu spezifischen Gruppen wie einer Gattung oder Art gehen. 

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