Geheimnisse des Darms gelöst mit einem Gerät, das die Darmumgebung simuliert
Der 1. November ist der Tag des Bifidus-Joghurts. Dieser Tag wurde von der Morinaga Milk Industry Co., Ltd. ins Leben gerufen, einem Unternehmen, das Milch, Milchprodukte und andere Produkte herstellt und vertreibt.
Die Darmbakterien in unserem Darm stehen in enger Beziehung zu den in Joghurt enthaltenen Bifidus- und Milchsäurebakterien. Diese Darmbakterien erfüllen vielfältige positive Funktionen in unserem Körper und beeinflussen, wie neuere Erkenntnisse zeigen, sogar kognitive und immunologische Funktionen. Gleichzeitig ist noch vieles über Darmbakterien unerforscht. Daher sind Experimente und Forschungen in einer Umgebung notwendig, die dem menschlichen Darm möglichst nahekommt.
Daher begann die Shimadzu Corporation im Juni 2023 mit dem Testverkauf eines „Darmbakterien-Kokulturgeräts“, das die Darmflora simulieren kann. Das Folgende stammt aus einem Interview mit Akira Sen, Mitarbeiter der Abteilung für Mikrobiomforschung im Innovationsforschungsinstitut der Forschungs- und Entwicklungsabteilung der Morinaga Milk Industry Co., Ltd.
- *Testverkäufe sind nur in Japan möglich.
Ist im Darm kein Sauerstoff vorhanden?
„Obwohl Sauerstoff für die meisten menschlichen Aktivitäten unerlässlich ist, befindet sich im Darm, insbesondere im Dickdarm, tatsächlich fast kein Sauerstoff. Die meisten Darmbakterien sterben ab, wenn sie Sauerstoff ausgesetzt werden.“
Als Herr Sen zu Morinaga Milk kam, war er zunächst für klinische Studien im Bereich der Materialforschung zuständig und untersuchte die funktionellen Eigenschaften von Bifidobakterien und Milchsäurebakterien. Aktuell beschäftigt er sich mit der Beobachtung der gesamten Darmmikrobiota und der Suche nach neuen funktionellen Eigenschaften und den entsprechenden Mechanismen. Sein Ziel ist es, die Frage zu beantworten: „Sind Bakterien im menschlichen Darm lebendig?“
Der menschliche Darm enthält Berichten zufolge über 100 Billionen Bakterien, die sich auf über 1000 Arten verteilen. * Es wird angenommen, dass die Darmbakterien und die Zellen der Darmschleimhaut (Epithelzellen des Darmtrakts) sich gegenseitig beeinflussen und dabei eine Vielzahl von Stoffwechselprodukten produzieren. Die Erforschung der zugrundeliegenden Mechanismen erfordert die gleichzeitige Kultivierung von Bakterien und Zellen (Kokultivierung). Die Epithelzellen des Darmtrakts benötigen Sauerstoff zum Überleben, während Darmbakterien bei Sauerstoffkontakt absterben. Es ist daher äußerst schwierig, Zellen und Bakterien künstlich und gleichzeitig unter Bedingungen zu kultivieren, die einem natürlichen Darmtrakt ähneln. Eines Tages, während er an solchen Forschungen arbeitete, erzählte ihm ein Kollege aus dem Labor, in dem Herr Sen tätig war, von Shimadzus „Kokultivierungsgerät für Darmbakterien“.
„Als ich zum ersten Mal von dem Gerät hörte, war ich sehr überrascht. Die Kokultivierung wäre eine sehr nützliche Technologie zur Erforschung der Wechselwirkung zwischen Menschen und ihren Darmbakterien, aber ich hatte die Hoffnung aufgegeben, dass eine solche Technologie jemals verfügbar sein würde, da die Kokultivierung selbst so schwierig ist. Ich hätte mir nie vorstellen können, dass ein spezielles Gerät dafür auf den Markt kommen würde.“
Die Kokultivierung ist nun möglich, indem ein sauerstoffhaltiges Kulturmedium in einem Behälter versiegelt wird, sodass das Medium nur mit den Darmepithelzellen in Kontakt kommt.
Veröffentlichung eines ursprünglich nicht vorgesehenen Artikels
Herr Sen begann die Verwendung des Geräts in Zusammenarbeit mit der Entwicklung des Testgeräts zur Kokultur von Darmbakterien.
In dem Gerät werden Behälter mit Darmepithelzellen und darin eingeschlossenen Darmbakterien platziert. Das Bakterienkulturmedium wird regelmäßig ausgetauscht, um übermäßiges Bakterienwachstum zu verhindern. Durch diese Simulation des Darmmilieus gelingt die Kokultivierung von Zellen und Bakterien innerhalb von etwa drei Tagen. Herr Sen meinte: „Die Testvorrichtung konnte das Darmmilieu viel genauer nachbilden, als ich es mir vorgestellt hatte.“ Nach und nach kam ihm der Gedanke: „Vielleicht könnte man damit auch die Wechselwirkungen zwischen den von den Darmepithelzellen und den Darmbakterien produzierten Stoffwechselprodukten untersuchen.“
Die Untersuchung der Kulturlösung des Geräts ergab, dass die Menge an Metaboliten mit immunregulatorischer Wirkung (wie z. B. Indomilchsäure) aufgrund der Wirkung von Darmbakterien (Bifidobakterien) auf von den Darmepithelzellen produzierte Metaboliten angestiegen war. Dies zeigte einen deutlicheren Zusammenhang zwischen den Darmepithelzellen und den Darmbakterien als erwartet. Die Ergebnisse wurden in einem Artikel der Fachzeitschrift „Frontiers in Microbiology“ (Ausgabe April 2023) veröffentlicht.
„Nach der Veröffentlichung des Artikels empfand ich vor allem Dankbarkeit. Ich war sehr glücklich über die große Unterstützung, die ich von Menschen innerhalb und außerhalb des Unternehmens erhalten habe.“
Die Kokultivierung wird erreicht, indem in Bereichen, die mit den Darmepithelzellen in Kontakt stehen, aerobe Bedingungen und in Bereichen, die mit den Darmbakterien in Kontakt stehen, anaerobe Bedingungen geschaffen werden.
Herr Sen interessiert sich seit seiner Studienzeit für Metaboliten. Da er bereits Analysegeräte und Messgeräte von Shimadzu verwendete, war er überrascht, von der Existenz eines solchen Co-Kultivierungsgeräts zu erfahren.
„Ich hatte den Eindruck, dass Shimadzu-Geräte hauptsächlich in der Chemie eingesetzt werden, und mir war nicht bewusst, dass Shimadzu auch im Bereich der Biowissenschaften aktiv ist. Im Laufe dieses Projekts konnte ich durch die vielen Gespräche mit Shimadzu-Ingenieuren deren kontinuierlichen Verbesserungsprozess miterleben, selbst bei detaillierten Spezifikationen. Das bestärkte meinen Eindruck von Shimadzu als Hersteller, dem die Zufriedenheit der Anwender mit seinen Produkten am Herzen liegt.“
Produkte auf überzeugende Weise anbieten
Herr Sen sagt, sein Ziel sei es, herauszufinden, wie die experimentellen Ergebnisse auf die Produkte von Morinaga Milk angewendet werden können.
„Die Funktionen von Darmbakterien, die im Reagenzglas nachgebildet werden, unterscheiden sich noch deutlich von den tatsächlichen Vorgängen im Körper. Selbst wenn beispielsweise im Labor gesundheitsfördernde Komponenten entdeckt werden, bleibt ungewiss, ob diese im Körper, wo komplexe, miteinander verwobene Faktoren eine Rolle spielen, tatsächlich von Nutzen sein werden. Wir müssen daher noch eine In-vivo-Methode entwickeln, um zu überprüfen, wie genau solche Laborbedingungen den tatsächlichen Bedingungen im Darm entsprechen. Darüber hinaus müssen wir diese Forschungsergebnisse so schnell wie möglich in die Produktentwicklung einfließen lassen.“
Die Darmmikrobiota als ein veränderbares Organ behandeln
Da die Darmflora verschiedene Aspekte der Gesundheit beeinflussen kann, kann man sie als Organ betrachten. Unsere Darmflora verändert sich ständig aufgrund der starken Einflüsse unserer Nahrung. Normalerweise muss ein Organ, das nicht richtig funktioniert oder von einer angeborenen Erkrankung betroffen ist, medikamentös behandelt werden. Ähnlich verhält es sich mit unserer Darmflora: Sie lässt sich durch die Anpassung unserer Ernährungs- und Lebensgewohnheiten verändern. Dieser Gedanke hat mich sehr fasziniert und ist der Grund, warum ich meine Forschungsarbeit fortsetze.
Herr Sens Wissensdurst ist ungebrochen. Gemeinsam mit seinen Kollegen möchte er einen Beitrag zur Gesundheit der Menschen leisten. Deshalb unterstützt Shimadzu, dessen Managementprinzip „Wir verwirklichen unsere Wünsche für das Wohl der Menschheit und der Erde“ lautet, Herrn Sen bei seinem Vorhaben, die Geheimnisse der Darmbakterien zu entschlüsseln.
Herr Sen (links) und sein Kollege Herr Nishimura, die am Interview teilnahmen.
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