Die Darm-Leber-Achse bei nichtalkoholischer Fettlebererkrankung: molekulare Mechanismen und neue Targets

Gallensäuren sind Hauptbestandteil der Galle und erfüllen zahlreiche Funktionen, die weit über ihre Rolle bei der Bildung von Mizellen, der Verdauung und Nährstoffaufnahme hinausgehen [19]. Als Endprodukt des Cholesterinstoffwechsels werden sie in der Leber in einem mehrschrittigen enzymatischen Prozess synthetisiert und anschließend als mit Glyzin oder Taurin konjugierte primäre Gallensäuren über die kanalikuläre Membran des Hepatozyten in das Gallensystem transportiert. Über die Gallenkanälchen (Canaliculi biliferi) gelangen sie schließlich mit der Gallenflüssigkeit in das Duodenum [19]. Sobald Gallensäuren das Darmlumen erreichen, unterliegen sie dem mikrobiellen Gallensäurestoffwechsel, in dem sie zunächst dekonjugiert und anschließend enzymatisch in sekundäre Gallensäuren umgewandelt werden. Im terminalen Dünndarm werden 95 % der Gallensäuren resorbiert und sie zirkulieren bis zu 6‑mal täglich im enterohepatischen Kreislauf [20].

Durch die stetige Zirkulation zwischen Leber und Darm sind Gallensäuren wichtige Mediatoren, steuern spezifische Stoffwechselwege des Wirts und modulieren Entzündungsreaktionen über G‑Protein-gekoppelte und nukleare Rezeptoren wie den G‑Protein-gekoppelten Gallensäurerezeptor 5 (TGR5) bzw. den Farnesoidrezeptor (FXR; [10]). Durch diese immunregulatorischen Funktionen und ihre intrinsischen antimikrobiellen Eigenschaften beeinflussen Gallensäuren die Zusammensetzung der Darmmikrobiota [21]. Umgekehrt beeinflussen Veränderungen in der Zusammensetzung der Darmmikrobiota den mikrobiellen Gallensäurestoffwechsel und verändern wiederum die Signalübertragung über Gallensäurerezeptoren [22, 23].

Die Wechselwirkung zwischen Mikrobiota und Gallensäuren ist somit bidirektional. Zum einen werden Gallensäuren von Darmbakterien direkt enzymatisch modifiziert. Andererseits können enzymatische Modifikationen (z. B. Dekonjugation) die aktive Wiederaufnahme von Gallensäuren aus dem Dünndarm über den natriumabhängigen apikalen Gallensäuretransporter (ASBT) beeinflussen und die Signaleigenschaften von Gallensäuren modulieren [20, 24].

Im terminalen Ileum können Gallensäuren mit unterschiedlicher Rezeptoraffinität an den FXR-Rezeptor binden und dadurch die Gallensäuresynthese in der Leber beeinflussen. Eine Aktivierung des FXR-Rezeptors im Ileum führt zu einer verstärkten Synthese des Hormons „fibroblast growth factor 19“ (FGF 19), das anschließend über das Pfortaderblut zur Leber gelangt und dort den Fibroblast-growth-factor-Rezeptor 4 (FGFR4) aktiviert. Hierdurch wird die Expression der Cholesterol-7α-Monooxygenase (Cyp7A1) – des geschwindigkeitsbestimmenden Enzyms der Gallensynthese – supprimiert [10]. Auch die Aktivierung von FXR in der Leber führt zu einer Suppression von Cyp7A1, wobei interessanterweise Daten darauf hindeuten, dass die FXR-Aktivierung im Darm einen stärkeren Einfluss auf den Gallensäurepool hat als in der Leber. Über den Gallensäuremetabolismus hinaus stellt der FXR-Signalweg einen zentralen Regulationsweg dar, der am Lipid- und Glukosemetabolismus beteiligt ist.

Eine Aktivierung von FXR-Agonisten zeigte in präklinischen Modellen paradoxe Effekte bei NAFLD und Fettleibigkeit [25, 26]. Eine Defizienz des intestinalen FXR-Rezeptors sowie eine Antagonisierung von FXR schützte im Mausmodell über eine verstärkte Gallensäuresynthese vor Fettleibigkeit und Insulinresistenz [26]. Im Gegensatz dazu führte allerdings auch eine darmspezifische Aktivierung von FXR mit dem Agonisten Fexaramin zu einer Verbesserung der Insulinresistenz [25]. Diese zunächst widersprüchlich erscheinenden Ergebnisse könnten durch Unterschiede im mikrobiellen Gallensäuremetabolismus erklärt werden [10]. Patienten mit NAFLD weisen ein deutlich verändertes Gallensäureprofil mit erhöhten Konzentrationen von primären und sekundären Gallensäuren im Serum auf [27]. Zusätzlich zeichnen sich diese Patienten durch eine herabregulierte FXR-Achse mit erhöhter CYP7A1-Aktivität und einer Vermehrung der Taurin und Glyzin metabolisierenden Bakterien aus [28].

Das Wechselspiel zwischen Mikrobiota und Gallensäuren bei NAFLD ist bisher nur unvollständig verstanden, schon jetzt offenbaren sich allerdings vielversprechende therapeutische Angriffspunkte.

Neben mikrobiellen Metaboliten haben auch mikrobielle Bestandteile (MAMP) einen großen Einfluss insbesondere auf das Immunsystem des Wirts. Spezifische Rezeptoren auf Zellen vor allem des angeborenen Immunsystems („pathogen recognition receptors“, PRR) können mikrobielle Moleküle (z. B. bakterielle Zellwandbestandteile wie Lipopolysaccharid, LPS) detektieren und daraufhin eine Immunreaktion aktivieren. Dies spielt sowohl lokal für das mukosale Immunsystem im Darm als auch in der Leber eine Rolle. Die Voraussetzung für eine solche Translokation bakterieller Bestandteile ist eine gestörte intestinale Barriere.

Im Zusammenhang mit dem metabolischen Syndrom kommt es häufig zu einer Störung der Darmbarriere und dadurch zur Translokation von MAMP über die Pfortader in die Leber. Dieser Mechanismus spielt nicht nur eine entscheidende Rolle für die Progression von NAFLD zur NASH, sondern ist gleichzeitig Auslöser der beim metabolischen Syndrom häufig beobachteten niedrigschwelligen systemischen Entzündungsreaktion. Wie neueste Forschungsarbeiten demonstrieren, scheint Hyperglykämie selbst die Funktion der intestinalen Barriere entscheidend zu beeinflussen [37]. Dieser Befund erklärt das erhöhte Risiko für systemische Infektionen bei schlecht eingestelltem Diabetes mellitus und hebt gleichzeitig eine gute Einstellung des Blutzuckerspiegels als Therapieziel bei Patienten mit NAFLD hervor. Es könnten so die Translokation von MAMP verhindert und konsekutive Entzündungsreaktion in der Leber reduziert werden.

In einer aktuellen Studie wurde gezeigt, dass Gallensäuren über die Aktivierung des intestinalen FXR-Rezeptors die intestinale Barriere verbessern können [38]. Die Mikrobiota-FXR-Achse ist bei Patienten mit NAFLD beeinträchtigt, sodass dieser Mechanismus auch bei Patienten zur gestörten Darmbarriere beitragen könnte [28]. Eine Therapie mit FXR-Agonisten könnte somit nicht nur einen günstigen Einfluss auf die Leber, sondern auch den Darm haben.

Eine ungünstige Mikrobiota selbst kann aber auch einen direkten Einfluss auf die Darmbarriere haben. In präklinischen Arbeiten verstärkte in einem NAFLD-Modell die intestinale Dysbiose mit Zunahme von Bakterien der Gattung Prevotella über vermehrte Aktivierung einer Toll-like-Rezeptor-vermittelten angeborenen Immunantwort die Steatohepatitis. Interessanterweise war dieser Phänotyp über den Transfer der Mikrobiota übertragbar [23]. Während eine ungünstige Mikrobiota die Krankheitsprogression antreiben kann, konnte für bestimmte bakterielle Spezies auch eine protektive Wirkung auf die Darmbarriere demonstriert werden. So kann das Bakterium Akkermansia muciniphila die Anzahl der mukusproduzierenden Becherzellen im Darm erhöhten. In einem Modell der alkoholischen Steatohepatitis führte dies zur Wiederherstellung intestinaler Tight Junctions, Verminderung der Darmdurchlässigkeit und Abnahme systemischer LPS-Spiegel. In einer aktuellen klinischen Studie wurde auch bei adipösen Patienten ein positiver Effekt auf verschiedene metabolische Parameter demonstriert [39].

Die frühe Diagnose von NAFLD-Patienten, die eine hohe entzündliche Aktivität und Leberfibrose aufweisen, ist von zentraler Bedeutung für die hepatologische Versorgung und stellt weiterhin eine große Herausforderung dar. In klinischen Studien wurden Assoziationen bestimmter Mikrobiotasignaturen mit dem Krankheitsstadium bei NAFLD-Patienten demonstriert. In einer aktuellen Arbeit konnten Patienten mit NALFD-Zirrhose allein basierend auf der Mikrobiotasignatur detektiert werden [13].

Insgesamt ist die Studienlage allerdings uneinheitlich und eine studienübergreifende Zirrhose-Mikrobiom-Signatur gibt es bisher nicht, sodass vor dem Einsatz in der klinischen Praxis noch weitere Grundlagenforschung erforderlich ist.

Die intestinale Mikrobiota weist eine erstaunliche Plastizität auf und ist grundsätzlich einer therapeutischen Modulation zugänglich. Bei therapierefraktärer pseudomembranöser Kolitis ist der fäkale Mikrobiomtransfer (FMT) ein extrem wirkungsvolles Therapieverfahren, mit dem studienübergreifend in etwa 90 % der Fälle eine vollständige Krankheitsremission erzielt werden kann [40]. Die Komposition der intestinalen Mikrobiota bei Empfängern mit gutem Ansprechen zeigte nach FMT eine erhöhte mikrobielle α‑Diversität und ähnelte der Spendermikrobiota. Basierend auf diesen Befunden wurde der FMT bei verschiedenen anderen Erkrankungen mit zum Teil sehr vielversprechenden Ergebnissen erprobt. In den letzten Jahren wurde eine eindeutige Assoziation zwischen Veränderungen der Mikrobiota und NALFD hergestellt. Präklinische Daten deuten zudem darauf hin, dass die Mikrobiota eine kausale Rolle in der Krankheitsentstehung und -progression spielt [23, 41]. In mehreren klinischen Phase-I- und -II-Studien wird daher der FMT bei NAFLD und NASH erprobt (NCT02469272, NTR4339). Jüngste Daten demonstrieren, dass der FMT bei Zirrhosepatienten mit hepatischer Enzephalopathie (HE) gut vertragen wird und zu einer Verbesserung der HE sowie reduzierter Hospitalisierung führte [42].

Die Ergebnisse laufender Studien sind abzuwarten, um den Stellenwert der FMT in der Behandlung von NASH-Patienten zu bewerten. Auch gibt es weiterhin einige offene Fragen vor der Anwendung in der klinischen Routine. Es gibt zwar eine klare Assoziation zwischen Mikrobiotaveränderungen und NAFLD, allerdings ist bisher keine eindeutige studienübergreifende Mikrobiotasignatur gefunden worden. Es ist daher unklar, bei welchen Patienten die Indikation zur FMT gestellt werden sollte: Welche Patienten profitieren von dem Verfahren und kann dies basierend auf der Mikrobiotasignatur vorhergesagt werden? Wer ist der richtige Spender und gibt es eine „optimale“ Mikrobiota?

Die Mikrobiota spielt eine fundamentale Rolle in einer Vielzahl physiologischer Prozesse und interagiert mit verschiedenen Organsystemen. Dieses komplexe Wechselspiel ist bisher nur bruchstückhaft verstanden. Der Transfer einer ungünstigen Mikrobiota könnte langfristige Nebenwirkungen haben und Folgeerkrankungen hervorrufen, die bisher nicht absehbar sind. Eine gründliche Diskussion über die Indikationsstellung, eine wohl überlegte Spenderauswahl und eine gute Patientenaufklärung sind daher von entscheidender Bedeutung.

Während der FMT auf den Austausch des gesamten mikrobiellen Ökosystems abzielt, ist auch eine direkte und möglicherweise gezieltere Einflussnahme auf die Mikrobiota durch Supplementation bestimmter Nahrungsbestandteile (Präbiotika), einzelner bakterieller Spezies (Probiotika) oder einer Kombination mehrerer Mikroorganismen (z. B. Laktobazillen, E.-coli-Stämme, Bifidobakterien oder auch Hefepilze) möglich. Als Synbiotika werden Kombinationspräparate aus Prä- und Probiotika bezeichnet. All diese Ansätze zielen darauf ab, die Mikrobiota auf eine günstige Art zu beeinflussen, um so die intestinale Barrierefunktion zu verbessern, die Freisetzung antiinflammatorischer Metaboliten, wie SCFA durch die Mikrobiota zu fördern oder andere Stoffwechselwege (z. B. Gallensäuremetabolismus) zu beeinflussen.

Die Nahrungssupplementation mit Prä‑, Pro- und Synbiotika ist in den letzten Jahren sehr populär geworden und immer wieder werden diesen Nahrungsergänzungsmitteln von der Allgemeinbevölkerung auch bei Gesunden verschiedene gesundheitsförderliche Effekte zugeschrieben. Große, gut durchgeführte klinische Studien gibt es aber nur wenige, die methodisch uneinheitlich sind und keine harten Endpunkte enthalten. Innovative Technologien der Mikrobiologie ermöglichen neue Einblicke, inwiefern Präbiotika oder Probiotika die Darmkolonisierung modulieren, die Stoffwechselaktivität der Mikrobiota beeinflussen und mit dem endogenen Mikrobiom interagieren. Nur durch sorgfältig durchgeführte Grundlagen- und klinische Forschung könnten so in den nächsten Jahren das tatsächliche therapeutische Potenzial und mögliche medizinische Indikationen, aber auch Kontraindikationen dieser Ansätze herausgearbeitet werden. Auch bestehen aktuell noch viele grundlegende Fragen, die vor dem zielgerichteten Einsatz im klinischen Kontext dringend geklärt werden müssen. So ist z. B. bis heute unklar, ob eine Kolonisierung mit probiotischen Bakterien für die gewünschte Wirkung erfolgen muss oder die Wirkung rein über bakterielle Bestandteile wie MAMP vermittelt wird. Auch ist nicht bekannt, welche Voraussetzungen durch den Wirt erfüllt werden müssen, damit es zu einer Kolonisierung kommen kann. Die molekularen Wirkmechanismen sind bisher für die meisten Probiotika nur unvollständig verstanden. Grundsätzlich kann die Wirkung über eine Veränderung des mikrobiellen Stoffwechsels und damit freigesetzter mikrobieller Metaboliten vermittelt sein, aber auch eine rein immunologische Interaktion über PRR des Wirts mit bakteriellen Zellbestandteilen ist denkbar.

Erste präklinische und klinische Studien sind durchaus vielversprechend. So führte bei übergewichtigen Patienten die Supplementation mit Akkermansia muciniphila in einer aktuellen Studie zu einer Verbesserung metabolischer Parameter. Hier zeigte sich bei pasteurisierten und damit nichtreplikativen Bakterien eine ebenso große therapeutische Wirkung wie bei lebenden Bakterien [39]. Basierend auf diesen sowie präklinischen Daten könnte eine probiotische Therapie mit Akkermansia muciniphila auch bei NASH-Patienten wirkungsvoll sein. Metaanalysen weisen auf einen positiven Effekt von Probiotika auf Surrogatparameter der NASH hin. Die Studienlage ist allerdings sehr heterogen bezüglich der verwendeten Einschlusskriterien, Probiotikaformulierungen, Behandlungsdauer und Endpunkte.

Präbiotika bestehen meist aus unverdaulichen Kohlenhydraten, zu denen verschiedene selektiv fermentierte Inhaltsstoffe, darunter Fruktane und Galaktane vom Inulintyp, zählen. Diese induzieren eine Veränderung der Komposition und Aktivität der Mikrobiota [43]. Präbiotika fördern die bakterielle Bildung von SCFA, begünstigen das Wachstum endogener Bifidobakterien und Laktobazillen, verbessern die intestinale Barrierefunktion, senken den luminalen pH-Wert und hemmen dadurch das Wachstum von Krankheitserregern [44, 45]. In einer aktuellen Metaanalyse wurde insgesamt ein günstiger Effekt auf Surrogatparameter der NAFLD festgestellt. Die untersuchten Studien unterschieden sich methodisch jedoch erheblich und enthielten keine harten Endpunkte, sodass basierend auf diesen Daten eine abschließende Bewertung kaum möglich ist [46]. Aktuelle präklinische Daten rufen zudem zu Vorsicht vor starker Anreicherung der Diät mit fermentierbaren Ballaststoffen wie Inulin auf.

Die mikrobiotavermittelte Fermentierung des supplementierten löslichen Ballaststoffes Inulin führte in einem Mausmodell mit gestörter Mikrobiota zur Cholestase und zur Entstehung von hepatozellulären Karzinomen [47]. Diese überraschenden Daten demonstrieren, dass die Wirkung und Nebenwirkungen löslicher Ballaststoffe hochgradig kontextabhängig sind. Da Prä- und Probiotika als Nahrungsergänzungsmittel frei verkäuflich sind und gesundheitsfördernde Wirkungen als „Lifestyleprodukte“ stark beworben werden, erfolgt die Einnahme oft leichtfertig außerhalb von klinischen Studien und ohne Wissen über molekulare Wirkmechanismen und mögliche Nebenwirkungen.

Die zielgerichtete Modulation der Mikrobiota bei NAFLD birgt große Chancen, die durch sorgfältig durchgeführte Studien dank neuer Techniken der Mikrobiomforschung eröffnet werden können. Für die ungezielte Einnahme von Prä‑, Pro- oder Synbiotika außerhalb von klinischen Studien gibt es bei NAFLD aufgrund eines fehlenden klaren Wirkungsnachweises und unzureichenden Verständnisses der molekularen Mechanismen bisher keine wissenschaftliche Evidenz.

Patienten mit NAFLD zeigen erhöhte Gallensäurespiegel im Lebergewebe, Serum und auch Urin. Insbesondere zeigte sich ein erhöhtes Verhältnis eher hydrophober und zellschädigender Gallensäuren [28]. Durch ihren mikrobiellen Stoffwechsel trägt die intestinale Mikrobiota entscheidend zur Zusammensetzung des Gallensäurepools bei. Durch eine gezielte Modulation der Mikrobiota wäre es damit theoretisch möglich, den Gallensäurepool so zu verändern, dass weniger zytotoxische Gallensäuren vorliegen oder eine stärkere intestinale Aktivierung des FXR-Rezeptors erreicht wird. Ähnliche Ansätze befinden sich allerdings noch in der experimentellen präklinischen Entwicklung.

Neben einer Modulation der Mikrobiota bieten sich allerdings verschiedene direkte Angriffsmöglichkeiten in der FXR-/FGF19-Achse. So befinden sich aktuell verschiedene Agonisten des FXR-Rezeptors in der klinischen Erprobung in Phase-II- und -III-Studien. Es wurden kürzlich erste Ergebnisse von REGENERATE, einer Phase-III-Studie zu dem FXR-Agonisten Obeticholsäure bei NASH, vorgestellt. Hier wurde der primäre Endpunkt einer Abnahme der Leberfibrose um ≥1 Stufe erreicht [48]. Es zeigte sich zudem eine Verbesserung serologischer Parameter. Der therapeutische Effekt von FXR-Agonisten könnte auch über die Aktivierung intestinaler FXR-Rezeptoren und damit einer Verbesserung der Darmbarriere vermittelt werden [38]. Hier sind weitere translationale Forschungsarbeiten notwendig. Auch FGF19 ist eine attraktive Zielstruktur. Zwar zeigten frühere Studien eine Hepatokarzinogenität von FGF19 im Mausmodell, es wurde mittlerweile aber mit NGM282 eine nichttumorigene Variante von FGF19 entwickelt [49]. Dieser Wirkstoff befindet sich aktuell in der klinischen Erprobung. Erste Ergebnisse einer placebokontrollierten Phase-II-Studie bei 82 NASH-Patienten bezüglich der Wirkung auf die Steatose waren vielversprechend [50].