Die ständige Neubildung von Darmzellen aller Arten aus Darmstammzellen ist entscheidend für die natürliche Anpassungsfähigkeit unseres Verdauungsorgans. Eine dauerhaft zu stark zucker- und fettreiche Ernährung beeinträchtigt diese Anpassung.
Die ständige Neubildung von Darmzellen aller Arten aus Darmstammzellen ist entscheidend für die natürliche Anpassungsfähigkeit unseres Verdauungsorgans. Eine dauerhaft zu stark zucker- und fettreiche Ernährung beeinträchtigt diese Anpassung.
Bild: iStockphoto.com / Yuliya Apanasenka

Zusammenhang zwischen Ernährung, Darmstammzellen und KrankheitenWie ungesunde Ernährung krank macht

Adipositas, Diabetes und Magen-Darm-Krebs stehen oft mit einer ungesunden Ernährung in Verbindung. Welche molekularen Mechanismen dafür verantwortlich sind, ist bisher nicht vollständig geklärt. Forschende der Technischen Universität München und bei Helmholtz Munich haben neue Erkenntnisse gewonnen, die helfen, diesen Zusammenhang besser zu verstehen und neue Therapieoptionen zu entwickeln.

Der Darm ist essentiell für die Aufrechterhaltung unseres Energiehaushaltes und ein Meister darin, schnell auf Veränderungen in der Ernährung und im Nährstoffhaushalt zu reagieren. Dies macht er mithilfe von Darmzellen, die unter anderem spezialisiert sind auf die Absorption der Nahrungsbestandteile oder die Sekretion von Hormonen.

Beim erwachsenen Menschen bilden sich die Darmzellen alle fünf bis sieben Tage neu. Die Fähigkeit zur ständigen Erneuerung und zur Ausbildung jeglicher Darmzellarten aus Darmstammzellen ist entscheidend für die natürliche Anpassungsfähigkeit des Verdauungsorgans.

Eine dauerhaft zu stark zucker- und fettreiche Ernährung stört jedoch diese Anpassung und kann zur Entwicklung von Adipositas, Typ-2-Diabetes und Magen-Darm-Krebs beitragen.

Besondere Rolle der Darmstammzellen

Die molekularen Mechanismen hinter dieser Fehlanpassung gehören zum Forschungsgebiet von Heiko Lickert und seiner Gruppe bei Helmholtz Munich; gleichzeitig ist er Professor für Diabetesforschung und ß-Zellbiologie an der Technischen Universität München.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gehen davon aus, dass Darmstammzellen eine besondere Rolle bei der Fehlanpassung spielen. Mithilfe eines Mausmodells untersuchten sie daher die Auswirkungen einer zucker- und fettreichen Ernährung und verglichen sie mit einer Kontrollgruppe.

Von der hochkalorischen Diät zum erhöhten Risiko für Magen-Darm-Krebs

„Als erstes stellten wir fest, dass sich der Dünndarm bei der hochkalorischen Diät stark vergrößert, sagt Studienleiterin Anika Böttcher. „Gemeinsam mit Fabian Theis‘ Team für Computational Biology haben wir ein Profil von 27.000 Darmzellen von Mäusen erstellt. Mittels neuer Machine-Learning-Techniken fanden wir so heraus, dass sich Darmstammzellen bei den Mäusen mit ungesunder Diät deutlich schneller teilen und differenzieren.“

Die Forschenden gehen davon aus, dass dies auf eine Hochregulierung der entsprechenden Signalwege zurückzuführen ist, die bei vielen Krebsarten mit einer Beschleunigung des Tumorwachstums in Verbindung steht. „Dies könnte ein wichtiger Zusammenhang sein: Die Ernährung beeinflusst die Stoffwechselsignale, was zu einem übermäßigen Wachstum von Darmstammzellen und schließlich zu einem erhöhten Risiko für Magen-Darm-Krebs führt“, so Böttcher.

Mithilfe ihrer hochauflösenden Technik konnten die Forschenden auch seltene Zellarten im Darm untersuchen, zum Beispiel hormonabsondernde Zellen. So konnten sie unter anderem zeigen, dass eine ungesunde Diät zu einer Verringerung der serotonin-produzierenden Zellen im Darm führt. Das kann unter anderem eine Trägheit des Darms zur Folge haben (typisch für Diabetes mellitus) oder auch den Appetit erhöhen. Des Weiteren zeigte die Studie, dass sich die absorbierenden Zellen an die fettreiche Diät anpassen und ihre Funktionalität erhöhen und so direkt eine Gewichtszunahme begünstigen.

Wichtige Grundlagenforschung für nicht-invasive Therapien

Diese und weitere Erkenntnisse aus der Studie führen zu einem neuen Verständnis von Krankheitsmechanismen im Zusammenhang mit einer hochkalorischen Diät. „Was wir herausgefunden haben, ist von entscheidender Bedeutung, um alternative nicht-invasive Therapien zu entwickeln“, fasst Studienleiter Heiko Lickert die Ergebnisse zusammen.

Bisher gibt es noch keinen pharmakologischen Ansatz um Übergewicht und Diabetes zu verhindern, aufzuhalten oder rückgängig zu machen. Nur bariatrische Operationen bewirken einen dauerhaften Gewichtsverlust und können sogar zu einer Remission von Diabetes führen. Diese Operationen sind jedoch invasiv, nicht reversible und kostspielig für das Gesundheitssystem.

Neue, nicht-invasive Therapien könnten beispielsweise auf hormoneller Ebene geschehen durch gezielte Regulation des Serotoninspiegels. Diesen und weitere Ansätze wird die Forschungsgruppe in nachfolgenden Studien überprüfen.

Publikationen:

Alexandra Aliluev, Sophie Tritschler, Michael Sterr, Lena Oppenländer, Julia Hinterdobler, Tobias Greisle, Martin Irmler, Johannes Beckers, Na Sun, Axel Walch, Kerstin Stemmer, Alida Kindt, Jan Krumsiek, Matthias H. Tschöp, Malte D. Luecken, Fabian J. Theis, Heiko Lickert and Anika Böttcher
Diet-induced alteration of intestinal stem cell function underlies obesity and prediabetes in mice
Nature Metabolism vol. 3, pages 1202–1216 (2021) – DOI: 10.1038/s42255-021-00458-9

Mehr Informationen:

Die Forschungsarbeiten wurden gefördert durch die Helmholtz Gemeinschaft, die Deutsche Forschungsgemeinschaft, das Deutsche Zentrum für Diabetesforschung, die Alexander von Humboldt Gesellschaft und das European Research Council.

Technische Universität München

Corporate Communications Center Verena Schulz (HZM) / Andreas Battenberg (TUM)
battenberg(at)zv.tum.de

Kontakte zum Artikel:

Prof. Dr. Heiko Lickert
Technische Universität München
Professur für Diabetesforschung und Beta-Zell-Biologie sowie
Direktor des Instituts für Diabetes- und Regenerationsforschung
am Helmholtz Diabetes Center München
Tel.: + 49 89 3187 3760 – heiko.lickert@helmholtz-muenchen.de

Prof. Dr. Dr. Fabian J. Theis
Technische Universität München
Professur für Mathematische Modellierung biologischer Systeme und
Direktor des Instituts für Computational Biology am Helmholtz Munich
Tel.: +49 89 3187 2211 – theis@mytum.de

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