Wie Lactobacillus rhamnosus GG mit unseren Darmzellen kommuniziert, sich an Darmschleim festhält und möglicherweise die Arbeit anderer Darmbakterien unterstützt.
Was wäre, wenn ein winziges Bakterium unserem Körper Nachrichten schicken könnte?
Nicht über Nerven oder Hormone, sondern über Proteine, die es an seine Umgebung abgibt. Proteine, auf die Darmzellen mit der Aktivierung eigener Schutzprogramme reagieren können.
Und was wäre, wenn dasselbe Bakterium anderen Mikroorganismen dabei helfen könnte, einen Stoff herzustellen, den unsere Darmzellen als Energiequelle nutzen?
Genau solche Fähigkeiten erforschen Wissenschaftler an Lacticaseibacillus rhamnosus GG, früher Lactobacillus rhamnosus GG, kurz LGG. Der Stamm wurde 1983 von Sherwood Gorbach und Barry Goldin aus dem menschlichen Darm isoliert; ihre Initialen gaben ihm den Namen GG.
LGG gehört heute zu den am intensivsten untersuchten probiotischen Bakterienstämmen. Seine Geschichte reicht weit über die Frage hinaus, ob ein Probiotikum bei Durchfall helfen kann.
1. Ein Bakterium mit winzigen Greifarmen
Der menschliche Darm ist kein ruhiger Lebensraum. Nahrung, Flüssigkeit und Schleim bewegen sich ständig weiter. LGG besitzt besondere Oberflächenstrukturen, um mit dieser Umgebung in Kontakt zu treten: SpaCBA-Pili.
Diese haarähnlichen Proteinfortsätze können an Bestandteile des Darmschleims binden. Besonders das Protein SpaC trägt zur Haftung bei. Man kann sich die Pili wie molekulare Haltegriffe vorstellen, die den Kontakt zur Schleimschicht erleichtern. [1, 2]
Die Schleimschicht ist weit mehr als ein Gleitfilm. Sie bildet eine wichtige Grenzzone zwischen dem Darminhalt, seinen Mikroorganismen und den Zellen unserer Darmwand.
Haftfähigkeit bedeutet allerdings nicht, dass LGG den Darm dauerhaft besiedelt. Nach dem Ende einer Einnahme ist der Stamm häufig nicht mehr nachweisbar.
Muss ein Bakterium überhaupt dauerhaft bei uns wohnen, um etwas in unserem Körper zu bewirken?
2. Die geheimen Botschaften von LGG
Hier beginnt einer der faszinierendsten Teile der LGG-Forschung. LGG kann Proteine an seine Umgebung abgeben. Zwei davon heißen p40 und p75.
Besonders p40 wurde mechanistisch untersucht. In Zell- und Tiermodellen kann es eine Signalkette anstoßen, die normalerweise durch körpereigene Wachstumsfaktoren reguliert wird. Im Mittelpunkt steht der Epidermal Growth Factor Receptor (EGFR), ein Rezeptor, der unter anderem an Zellüberleben und Reparatur beteiligt ist.
Der Weg ist erstaunlich präzise: p40 kann über das Enzym ADAM17 die Freisetzung des körpereigenen Botenstoffs HB-EGF auslösen. HB-EGF aktiviert anschließend EGFR und nachgeschaltete Signalwege wie PI3K/Akt. [3]
In experimentellen Modellen kann diese Signalkette Prozesse unterstützen, die für das Überleben von Darmepithelzellen und den Erhalt der Darmbarriere wichtig sind.
Das Bakterium übermittelt ein Signal; die menschliche Zelle führt ihr eigenes Schutzprogramm aus.
Ob diese spezifische Signalkette die klinischen Wirkungen oral eingenommener LGG-Präparate erklärt, ist bisher nicht nachgewiesen.
3. Unsere Darmbarriere: eine lebendige Grenze
Die Darmbarriere wird häufig wie eine Mauer beschrieben. Tatsächlich ist sie ein dynamisches System: Die Zellen erneuern sich, nehmen Nährstoffe auf und kommunizieren mit Immunzellen. Zwischen ihnen regulieren Tight Junctions, wie durchlässig die Zwischenräume sind.
Die p40-Forschung zeigt, dass mikrobielle Proteine in experimentellen Modellen solche epithelialen Schutzprozesse beeinflussen können. Das ist noch kein klinischer Nachweis dafür, dass LGG eine geschädigte Darmbarriere beim Menschen repariert. Es zeigt aber, wie spezifisch die Kommunikation zwischen Mikroorganismus und Wirt sein kann. [3]
4. Ein Bakterium, das anderen Bakterien helfen könnte
LGG lebt nicht isoliert. Der Darm ist ein Ökosystem, in dem Mikroorganismen Nährstoffe teilen, miteinander konkurrieren und Stoffwechselprodukte anderer Arten weiterverarbeiten.
Besonders spannend ist die mögliche Beziehung zu Butyratbildnern. Butyrat (Buttersäure) ist eine kurzkettige Fettsäure, die im Dickdarm bei der mikrobiellen Fermentation unverdaulicher Kohlenhydrate entsteht. Für Dickdarmepithelzellen ist Butyrat eine wichtige Energiequelle; außerdem beeinflusst es Stoffwechsel- und Immunprozesse.
Zu den Butyratproduzenten gehören bestimmte Vertreter von Roseburia, Anaerostipes, Eubacterium und Faecalibacterium. LGG selbst ist kein klassischer Butyratbildner.
Das Prinzip Cross-Feeding
LGG kann bei der Fermentation von Kohlenhydraten unter anderem Laktat bilden. Bestimmte andere Bakterien können Laktat (häufig zusammen mit Acetat) als Ausgangsstoff für die Butyratproduktion verwenden.
Dieses Zusammenspiel heißt Cross-Feeding: Was ein Mikroorganismus ausscheidet, kann einem anderen als Substrat dienen.
Ein Ex-vivo-Experiment mit Darmmikrobiota von sechs Erwachsenen liefert dafür einen interessanten Hinweis: In einem Modell mit Tributyrin erhöhte die Zugabe von LGG die gemessene Butyratmenge und begünstigte Coprococcus catus, einen Laktat-verwertenden Butyratbildner. Die Autoren vermuten eine Vermittlung über Laktat. Da Tributyrin selbst Butyrat freisetzt, die Untersuchung außerhalb des Körpers stattfand und der Laktatweg nicht abschließend kausal bewiesen wurde, lässt sich daraus keine Wirkung einer gewöhnlichen LGG-Einnahme beim Menschen ableiten. [7]
Interessanterweise kann die Zusammenarbeit auch in die andere Richtung verlaufen: In einer Kokultur spaltete der Butyratbildner Anaerostipes hadrus bestimmte Fructooligosaccharide und stellte dabei Abbauprodukte bereit, die LGG zum Wachstum nutzen konnte. Das ist ein besonders anschauliches Beispiel dafür, wie gegenseitige mikrobielle Unterstützung aussehen kann. [8]
Ob und wie stark LGG im lebenden menschlichen Darm die Butyratbildung über Cross-Feeding erhöht, bleibt offen.
Was wurde beim Menschen beobachtet?
Eine kleine Studie an Säuglingen mit Kuhmilchallergie untersuchte eine spezielle extensiv hydrolysierte Säuglingsnahrung mit oder ohne LGG. Die Forscher beschrieben in der LGG-Gruppe Veränderungen der Darmmikrobiota, darunter Bakteriengruppen mit Butyrat-produzierenden Vertretern. Auch Zusammenhänge zwischen Butyratkonzentrationen im Stuhl, bestimmten Bakterien und der Entwicklung einer Toleranz gegenüber Kuhmilch wurden beobachtet. [4]
Die Studie war klein und betraf eine besondere Patientengruppe. Sie beweist weder, dass LGG bei gesunden Erwachsenen zuverlässig Butyrat erhöht, noch, dass Butyrat die beobachtete Immuntoleranz verursacht hat.
Dennoch eröffnet sie eine bemerkenswerte Perspektive: Die Wirkung eines Darmbakteriums könnte auch darin bestehen, die Fähigkeiten anderer Mikroorganismen zu unterstützen.
5. Winzige Pakete voller Informationen
Bakterien können kleine, membranumhüllte Partikel abgeben: extrazelluläre Vesikel. Solche Partikel können Proteine und andere biologische Moleküle transportieren. Für LGG-eigene Vesikel liegen inzwischen konkrete experimentelle Befunde vor: Eine Studie von 2024 untersuchte sie an Haut- und Gefäßzellen sowie in einem Mausmodell der Wundheilung. Dabei wurden Effekte auf Zellmigration und Gefäßneubildung beobachtet und die Rolle von miR-21-5p untersucht. Diese Ergebnisse betreffen Wundheilung, nicht den Nachweis einer Wirkung auf die menschliche Darmbarriere. [9]
Besonders faszinierend ist die umgekehrte Kommunikation: Eine Arbeit von 2019 zeigte in Zell- und Mausmodellen, dass Vesikel aus Darmepithelzellen die p40-Produktion von LGG steigern können. Auch unsere Zellen können dem Bakterium also Signale senden. [10]
Damit entsteht eine neue Frage: Können Bakterien biologische Signale weitergeben, ohne selbst unmittelbar an einer Wirtszelle zu haften? Für LGG ist die Forschung dazu bislang überwiegend experimentell. Ein klinischer Nutzen solcher Vesikel beim Menschen ist nicht belegt.
Mechanistischer Kern
Drei Wege, auf denen LGG mit seiner Umgebung interagieren kann
- Kontakt: SpaCBA-Pili: Haftung an Bestandteilen des Darmschleims.
- Zellkommunikation: p40: ADAM17 → HB-EGF → EGFR → PI3K/Akt; experimentell untersuchte epitheliale Schutzsignale.
- Mikrobielle Kooperation: Cross-Feeding: Laktat und weitere Stoffwechselprodukte können bestimmten anderen Bakterien als Substrate dienen; eine dadurch erhöhte Butyratbildung durch LGG beim Menschen ist noch nicht gesichert.
Zusätzlicher Forschungsweg: LGG-abgeleitete extrazelluläre Vesikel als mögliche Träger biologischer Botschaften.
Die molekularen Mechanismen sind unterschiedlich gut untersucht. Eine direkte Vermittlung klinischer LGG-Wirkungen durch p40, Pili, Vesikel oder Cross-Feeding ist in Humanstudien nicht nachgewiesen.
6. Was kann LGG nachweislich beim Menschen bewirken?
LGG wurde in zahlreichen klinischen Studien untersucht. Besonders gut erforscht ist die Vorbeugung antibiotikaassoziierter Durchfälle bei Kindern. Randomisierte Studien und Metaanalysen zeigen in diesem Bereich einen Nutzen, auch wenn die Ergebnisse von Population, Dosis und Studienbedingungen abhängen. [5]
Bei der Behandlung einer bereits bestehenden akuten Gastroenteritis ist das Bild weniger eindeutig. Einige zusammenfassende Analysen älterer Studien legen eine moderate Verkürzung der Durchfalldauer nahe; eine große, methodisch hochwertige US-amerikanische Studie bei Kindern zeigte dagegen keinen entsprechenden Nutzen. [6]
Das ist kein Widerspruch zur molekularen Forschung: Die Fähigkeit eines Bakteriums, Signale auszusenden, garantiert nicht, dass daraus unter jeder klinischen Bedingung ein messbarer gesundheitlicher Effekt entsteht.
Klinische Studien zeigen, ob LGG in bestimmten Situationen hilft. Mechanistische Studien untersuchen, wie es biologisch wirken könnte. Die direkte Verbindung beider Ebenen ist noch nicht ausreichend geklärt.
Moment of Wonder
Vielleicht ist ein Bakterium nicht deshalb wertvoll, weil es bleibt. Sondern weil es etwas in Bewegung setzt.
Ein winziger Mikroorganismus heftet sich an die Schleimschicht unseres Darms. Er setzt ein Protein frei. Eine menschliche Zelle empfängt das Signal und aktiviert eigene Regulationsmechanismen.
Gleichzeitig entstehen Stoffwechselprodukte, die andere Mikroorganismen weiterverwenden können.
Und irgendwann verlässt das Bakterium möglicherweise wieder unseren Darm.
Was bleibt, könnte mehr sein als seine bloße Anwesenheit: eine vorübergehend veränderte Kommunikation innerhalb eines lebendigen Ökosystems.
7. Warum diese Entdeckungen unseren Blick auf Probiotika verändern
Lange stand die Vorstellung im Vordergrund, nützliche Bakterien müssten sich im Darm ansiedeln und unerwünschte Mikroorganismen verdrängen. LGG zeigt, warum dieses Bild zu einfach ist.
Ein Bakterienstamm kann auch während eines vorübergehenden Aufenthalts mit Schleimstrukturen interagieren, Signalmoleküle freisetzen und möglicherweise mikrobielle Stoffwechselprozesse beeinflussen.
Dabei zählt der konkrete Stamm: Nicht jedes Bakterium der Art Lacticaseibacillus rhamnosus besitzt automatisch dieselben Eigenschaften wie LGG (ATCC 53103).
Die Geschichte von LGG zeigt, dass die Beziehung zwischen Mensch und Mikrobiom weit mehr ist als das bloße Zusammenleben verschiedener Organismen. Sie ist ein ständiger Austausch von Stoffen und Signalen.
Take-home Message
- LGG besitzt SpaCBA-Pili, mit denen es an Bestandteile des Darmschleims binden kann.
- Sein Protein p40 kann in experimentellen Modellen epitheliale Schutzsignalwege aktivieren, unter anderem über ADAM17, HB-EGF und EGFR.
- LGG könnte Butyratbildner indirekt unterstützen. Das ist biologisch plausibel und durch begrenzte Humanbeobachtungen angeregt, aber nicht allgemein klinisch belegt.
- Extrazelluläre Vesikel sind ein weiterer, noch überwiegend experimentell erforschter Kommunikationsweg.
- Klinische Wirkungen sind kontextabhängig. Besonders für die Vorbeugung antibiotikaassoziierter Durchfälle bei Kindern liegen unterstützende Daten vor.
Darmbakterien beeinflussen ihre Umgebung nicht nur durch das, was sie produzieren, sondern auch durch die Signale, die sie senden, und die Zusammenarbeit, die sie ermöglichen.
Wissenschaftliche Referenzen
- von Ossowski I et al. Mucosal Adhesion Properties of the Probiotic Lactobacillus rhamnosus GG SpaCBA and SpaFED Pilin Subunits. Applied and Environmental Microbiology. 2010. PubMed.
- Reunanen J et al. Characterization of the SpaCBA pilus fibers in the probiotic Lactobacillus rhamnosus GG. Applied and Environmental Microbiology. 2012. PubMed.
- Yan F et al. A Lactobacillus rhamnosus GG-derived soluble protein, p40, stimulates ligand release from intestinal epithelial cells to transactivate epidermal growth factor receptor. Journal of Biological Chemistry. 2013. PubMed.
- Berni Canani R et al. Lactobacillus rhamnosus GG-supplemented formula expands butyrate-producing bacterial strains in food allergic infants. The ISME Journal. 2016;10:742–750. DOI.
- Szajewska H et al. Systematic review with meta-analysis: Lactobacillus rhamnosus GG in the prevention of antibiotic-associated diarrhoea in children and adults. Alimentary Pharmacology & Therapeutics. 2015. PubMed.
- Schnadower D et al. Lactobacillus rhamnosus GG versus Placebo for Acute Gastroenteritis in Children. New England Journal of Medicine. 2018. PubMed.
- Lacticaseibacillus rhamnosus ATCC 53103 and Limosilactobacillus reuteri ATCC 53608 Synergistically Boost Butyrate Levels upon Tributyrin Administration Ex Vivo. 2023. PubMed.
- Extracellular fructooligosaccharide degradation in Anaerostipes hadrus for co-metabolism with non-fructooligosaccharide utilizers. 2022. Originalarbeit.
- Lactobacillus rhamnosus GG-derived extracellular vesicles promote wound healing via miR-21-5p-mediated re-epithelization and angiogenesis. Journal of Nanobiotechnology. 2024. PubMed.
- Production of a Functional Factor, p40, by Lactobacillus rhamnosus GG Is Promoted by Intestinal Epithelial Cell-Secreted Extracellular Vesicles. 2019. PubMed.
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