Muskelkraft im Alter: Könnte das Darmmikrobiom eine Rolle spielen?

Eine Darmbakterienart namens Roseburia inulinivorans steht laut einer online in der Fachzeitschrift Gut veröffentlichten Studie in Zusammenhang mit einer höheren Muskelkraft bei Menschen und einer verbesserten Muskelleistung bei Mäusen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass R. inulinivorans die Stoffwechselaktivität im Muskel verändern und den Anteil an schnell zuckenden (Typ-II-)Fasern erhöhen kann, die für kurze, intensive Belastungen wie Sprinten und Gewichtheben wichtig sind.Forscher aus den Niederlanden und Spanien gehen davon aus, dass das Bakterium möglicherweise zu einem nutrazeutischen Probiotikum weiterentwickelt werden könnte, das gegen altersbedingten Muskelschwund eingesetzt wird.

Das Darmmikrobiom und die Muskelkraft

Der Verlust von Muskelmasse und -kraft kann erheblich zu Gebrechlichkeit, nachlassender Mobilität und körperlicher Funktionsfähigkeit sowie zu einem schlechteren Gesundheitszustand beitragen. Diese Probleme gewinnen mit zunehmendem Alter und bei Menschen mit chronischen Erkrankungen besonders an Bedeutung. Darmbakterien wurden bereits mit zahlreichen Aspekten der Gesundheit in Verbindung gebracht, darunter Stoffwechsel-, neurodegenerative und Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Immer mehr Hinweise deuten zudem auf eine mögliche Rolle des Darmmikrobioms bei der Steuerung von Muskelmasse und -funktion hin.

Die Forscher wollten daher herausfinden, ob bestimmte Arten von Darmmikroben mit der Muskelkraft in Verbindung stehen, und falls ja, untersuchen, wie diese Bakterien das Muskelgewebe beeinflussen könnten. Sie analysierten Stuhlproben von 90 gesunden jungen Erwachsenen (18–25 Jahre) und 33 älteren Erwachsenen (65+), um die in ihrem Darm lebenden Bakterien zu identifizieren. Die körperliche Fitness wurde anhand der Handgriffkraft, der Leistung bei der Beinpresse und beim Bankdrücken sowie anhand der VO₂-max (maximale Sauerstoffaufnahme bei Belastung) gemessen, einem Maß für die kardiorespiratorische Fitness.

Eine Bakteriengruppe stach besonders hervor

Von allen in den Stuhlproben nachgewiesenen Bakterien war Roseburia die einzige Gruppe (Gattung), die einen positiven Zusammenhang sowohl mit der Muskelmasse als auch mit der Muskelkraft aufwies. Allerdings zeigten nicht alle einzelnen Roseburia-Arten dieselben Zusammenhänge. R. faecis und R. intestinalis standen in keiner der beiden Altersgruppen in einem signifikanten Zusammenhang mit der Handgriffkraft oder der VO₂max.

Unter den älteren Teilnehmern wiesen diejenigen mit nachweisbaren Konzentrationen von R. inulinivorans eine um 29 % höhere Handgriffkraft auf als diejenigen, bei denen das Bakterium nicht nachgewiesen werden konnte. Dieser Unterschied trat ohne einen entsprechenden Anstieg der maximalen Sauerstoffaufnahme auf, was auf eine bessere Fitness hindeutet. Bei jüngeren Erwachsenen waren höhere Konzentrationen von R. inulinivorans sowohl mit einer stärkeren Handgriffkraft als auch mit einer höheren VO₂max verbunden. Eine größere relative Häufigkeit sowohl von R. inulinivorans als auch von R. intestinalis war zudem mit besseren Leistungen beim Beinpressen und Bankdrücken verbunden. Im Gegensatz dazu standen die Konzentrationen von R. faecis und R. hominis in keinem Zusammenhang mit den gemessenen Werten der Muskelkraft. Nach Ansicht der Forscher deutet dies darauf hin, dass verschiedene Roseburia-Arten unterschiedliche Komponenten der Muskelleistung beeinflussen könnten.

Roseburia-Konzentrationen nehmen mit zunehmendem Alter ab

Roseburia-Bakterien kamen bei jüngeren Teilnehmern im Allgemeinen häufiger vor. In dieser Gruppe lag der Anteil von R. faecis zwischen 0 % und 3,3 %, der von R. intestinalis zwischen 0 % und 5,5 % und der von R. inulinivorans zwischen 0 % und 6,6 %. Bei den älteren Erwachsenen waren die Werte niedriger. Der Anteil von R. faecis lag zwischen 0 % und 2,2 %, der von R. intestinalis zwischen 0 % und 0,7 % und der von R. inulinivorans zwischen 0 % und 1,3 %.

Um zu untersuchen, ob Roseburia die Muskelkraft möglicherweise direkt beeinflusst und nicht nur mit ihr assoziiert ist, führten die Forscher ein Experiment mit 32 Mäusen durch. Vor dem Experiment erhielten die Mäuse zwei Wochen lang einen Antibiotika-Cocktail, um ihr Darmmikrobiom zu dezimieren. Anschließend wurden ihnen acht Wochen lang einmal wöchentlich Roseburia-Arten verabreicht. Die Tiere wurden nach dem Zufallsprinzip in vier Gruppen eingeteilt. Drei Gruppen erhielten verschiedene Roseburia-Stämme, während die vierte Gruppe kein Roseburia erhielt und als Kontrollgruppe diente.

Erhöhte Muskelkraft bei Mäusen

Keine der Roseburia-Arten verlängerte die Laufdauer der Mäuse bis zur Erschöpfung. Bei der Muskelkraft sah es anders aus. Im Vergleich zu den Kontrolltieren zeigten Mäuse, die R. inulinivorans erhielten, eine Steigerung der Griffkraft der Vordergliedmaßen um etwa 30 %, was die Forscher als Maß für die Muskelfunktion heranzogen. Die Verbesserung wurde nach 4, 6 und 8 Wochen Behandlung beobachtet. Mäuse, die mit R. inulinivorans behandelt wurden, entwickelten zudem größere Muskelfasern und wiesen im Soleusmuskel der Wade einen signifikant höheren Anteil an Typ-II-Fasern („Schnellzupfer“) auf als die anderen Gruppen. Dieser Unterschied war jedoch nicht signifikant, wenn die R. inulinivorans-Mäuse speziell mit den mit R. intestinalis behandelten Mäusen verglichen wurden. Ein genauerer Blick auf die Größe der Muskelfasern zeigte eine relativ gleichmäßige Verteilung bei den Kontrollmäusen. Tiere, die mit R. inulinivorans behandelt wurden, wiesen hingegen einen höheren Anteil größerer Fasern auf als Mäuse, denen andere Roseburia-Arten oder gar keine Roseburia verabreicht wurden.

Die physischen Veränderungen in den Muskeln gingen mit Veränderungen bei Proteinen und Enzymen einher, die an den Stoffwechselprozessen beteiligt sind, durch die Energie für die Muskelaktivität erzeugt wird. Besonders auffällig waren Veränderungen in Stoffwechselwegen, die unter anderem mit dem Purinstoffwechsel und dem Pentosephosphatweg zusammenhängen. Diese Stoffwechselwege spielen eine wichtige Rolle bei der Energieversorgung und beim Schutz der Zellen vor oxidativem Stress. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass R. inulinivorans nicht nur die Struktur der Muskeln beeinflussen könnte, sondern möglicherweise auch die Art und Weise verändert, wie die Muskelzellen Energie bereitstellen und nutzen.

Die Forscher fanden außerdem Hinweise darauf, dass Aminosäuren an diesem Zusammenhang beteiligt sein könnten. Nach der Behandlung mit R. inulinivorans veränderten sich bestimmte Aminosäuren sowohl im Darminhalt als auch im Blut der Mäuse. Gleichzeitig zeigten sich Veränderungen in Stoffwechselwegen innerhalb des Muskelgewebes. Dies könnte darauf hindeuten, dass das Darmbakterium die Verfügbarkeit bestimmter Stoffwechselprodukte beeinflusst, die anschließend über den Blutkreislauf die Muskulatur erreichen. Welche einzelnen Stoffe oder Signalwege dabei für die beobachtete Zunahme der Muskelkraft verantwortlich sind, ist allerdings noch nicht geklärt.

Die Veränderungen bei den Muskelfasern könnten ebenfalls erklären, warum die behandelten Mäuse zwar kräftiger wurden, ihre Ausdauer beim Laufen aber nicht zunahm. Typ-I-Fasern sind vor allem für länger andauernde Belastungen geeignet, während Typ-II-Fasern schneller und kräftiger kontrahieren und bei kurzen, intensiven Bewegungen eine wichtige Rolle spielen. Der höhere Anteil an Typ-II-Fasern könnte deshalb zur gesteigerten Griffkraft beigetragen haben. Gleichzeitig stellten die Forscher fest, dass die mit R. inulinivorans behandelten Mäuse einen größeren Anteil besonders großer Muskelfasern aufwiesen. Größere Muskelfasern können grundsätzlich mehr Kraft entwickeln, sodass auch dieser Befund zu der beobachteten Verbesserung der Griffkraft passt.

Allerdings war der Unterschied beim Anteil der Typ-II-Fasern nicht in allen Vergleichen eindeutig. Insbesondere beim direkten Vergleich zwischen den mit R. inulinivorans und den mit R. intestinalis behandelten Mäusen war der Unterschied nicht statistisch signifikant. Die Ergebnisse sollten daher nicht so verstanden werden, dass R. inulinivorans nachweislich als einzige Roseburia-Art die Zusammensetzung der Muskelfasern verändert.

Die Darm-Muskel-Achse

Bemerkenswert ist außerdem, dass die Mäuse keine spezielle Form des Krafttrainings absolvieren mussten, um den beobachteten Anstieg der Griffkraft zu zeigen. Das Experiment sollte vor allem klären, ob R. inulinivorans selbst einen Einfluss auf die Muskulatur haben könnte. Der Befund bedeutet jedoch keinesfalls, dass ein Darmbakterium Bewegung oder Krafttraining ersetzen könnte. Vielmehr liefert er einen weiteren Hinweis darauf, dass der Zusammenhang zwischen Darmmikrobiom und Muskelkraft zumindest teilweise auf direkten biologischen Veränderungen im Muskel beruhen könnte.

Dass nicht alle untersuchten Roseburia-Arten denselben Effekt zeigten, ist dabei besonders interessant. Die deutlichste Verbesserung der Griffkraft wurde bei den Tieren beobachtet, die R. inulinivorans erhielten. Andere Roseburia-Arten führten nicht zu einer vergleichbaren Steigerung. Dies spricht dafür, dass bestimmte Eigenschaften einzelner Bakterienarten entscheidend sein könnten und nicht allein die Zugehörigkeit zur Gattung Roseburia.

Insgesamt ergibt sich daraus ein mögliches Bild der sogenannten Darm-Muskel-Achse: R. inulinivorans könnte bestimmte Stoffwechselprozesse im Darm beeinflussen, wodurch sich die im Blut verfügbaren Stoffwechselprodukte verändern. Diese könnten wiederum Signale an die Muskulatur liefern und dort den Energiehaushalt, die Größe der Muskelfasern oder deren Zusammensetzung beeinflussen. Die erhöhte Griffkraft der Mäuse könnte somit das Ergebnis mehrerer miteinander verbundener Veränderungen sein. Ob derselbe Mechanismus auch beim Menschen auftritt, muss allerdings noch durch weitere Untersuchungen geklärt werden.

Wichtige Fragen bleiben offen

Die Forscher weisen darauf hin, dass die Studie mehrere Einschränkungen aufweist. Im Mausversuch besiedelte keine der menschlichen Roseburia-Arten dauerhaft den Darm der Tiere. Außerdem untersuchten die Forscher bestimmte Signalwege, die mit Entzündungen oder neuromuskulären Signalübertragungen zusammenhängen, nicht direkt – beides hätte zu den beobachteten Effekten beitragen können. Langzeitstudien werden zudem erforderlich sein, um festzustellen, ob sich verändernde Konzentrationen von R. inulinivorans tatsächlich Veränderungen der Muskelfunktion bewirken oder ob sich die Häufigkeit des Bakteriums als Folge von Unterschieden in der Muskelfunktion verändert.

Trotz dieser Unsicherheiten kommen die Forscher zu folgendem Schluss: „Insgesamt liefern unsere Ergebnisse stichhaltige Belege für eine Darm-Muskel-Achse, in der R. inulinivorans den Muskelstoffwechsel und die Muskelkraft positiv beeinflusst.“ Sie kommen zu dem Schluss: „Zudem haben wir beobachtet, dass die relative Häufigkeit von R. inulinivorans bei älteren Erwachsenen geringer ist als bei jungen Erwachsenen. Seine Häufigkeit scheint mit zunehmendem Alter abzunehmen – einer Phase, in der die Prävalenz von Sarkopenie (Muskelschwund) zunimmt –, was auf eine potenzielle Rolle von R. inulinivorans als probiotischen Kandidaten für den Erhalt der Muskelkraft hindeutet.“