Bestimmung von kurzkettigen Fettsäuren und von Gallensäuren im Stuhl – diagnostische Relevanz Kompetenzzentrum für komplementärmedizinische Diagnostik Labor Dr. Bayer im synlab MVZ Leinfelden Max-Lang-Straße 58 D-70771 Leinfelden-Echterdingen Telefon +49(0)711-16418-0 Telefax +49(0)711-16418-18 [email protected] www.labor-bayer.de 2 Bestimmung von kurzkettigen Fettsäuren und von Gallensäuren im Stuhl – diagnostische Relevanz Diagnostische Bedeutung kurzkettiger Fettsäuren im Stuhl Kurzkettige Fettsäuren, vorwiegend Acetat, Propionat und Butyrat, werden ganz überwiegend im proximalen Dickdarm durch bakterielle saccharolytische Fermentation unverdaulicher Kohlenhydrate der Nahrung gebildet. Nach übereinstimmenden Studiendaten liegen die molaren Verhältnisse von Acetat : Propionat: Butyrat im Stuhl im Mittel bei circa 60 : 20 : 20 Prozent mit großen Schwankungsbreiten. Die in den experimentellen und klinischen Studien nachgewiesenen erheblichen Unterschiede in den Konzentrationen der verschiedenen kurzkettigen Fettsäuren in den Faeces gehen beispielsweise • auf Unterschiede im Anteil unverdaulicher Kohlenhydrate in der Nahrung • auf Unterschiede in der Zusammensetzung der Mikrobiota • auf Unterschiede in den Passagezeiten des Darminhaltes • auf Unterschiede in den Resorptionszeiten der Fettsäuren zurück. Unverdauliche Kohlenhydrate in der Nahrung Auf der Basis der durchschnittlichen Ernährung in den westlichen Industrieländern werden pro Tag zwischen 20 und 60 g der aufgenommenen Kohlenhydrate nicht verdaut und im Dünndarm resorbiert, sondern gelangen unverdaut in den Dickdarm und bilden das Substrat für die saccharolytische Fermentation durch die Mikrobiota. Dabei werden unverdauliche, lösliche und gut fermentierbare Kohlenhydrate wie z. B. Inulin (natürliches Nahrungskohlenhydrat in Bananen, Zwiebeln etc.), Oligofructose (Hydrolysate) oder Lactulose (synthetisches Kohlenhydrat) etc., die eine positive Wirkung auf die Darmschleimhaut ausüben, auch als Präbiotika bezeichnet. Präbiotika führen ihre positive Wirkung insbesondere durch eine Veränderung der intestinalen Mikrobiota herbei (Gibson G.R. et al., 1995). Die Anwendung von Präbiotika hat sich insbesondere bei entzündlichen Veränderungen der Darmschleimhaut sowie bei Dysbiosen als therapeutisch wirksam erwiesen (Szilagyi A., 2005). Neben den Präbiotika sind in der Nahrung auch unlösliche Pflanzenfasern (Polysaccharide) enthalten, die zu einem Teil der Fermentierung durch die Mikrobiota zugänglich sind und zu einem Teil unverändert den Dickdarm passieren. Diese unlöslichen Ballaststoffe haben zusätzliche positive Effekte, da sie aufgrund ihres Volumens die Peristaltik unterstützen. In Abhängigkeit vom individuellen Ernährungsregime, insbesondere dem Angebot an unverdaulichen Kohlenhydraten und der dadurch bestimmten individuellen Zusammensetzung der Mikrobiota kommt es im Gefolge der bakteriellen Fermentierung zur Bildung charakteristischer Stoffwechselprodukte. Zum einen werden gasförmige Reaktionsprodukte gebildet wie Wasserstoff, Kohlendioxid und Methan, zum anderen entstehen kurzkettige Fettsäuren wie Acetat, Propionat und Butyrat. Bestimmung von kurzkettigen Fettsäuren und von Gallensäuren im Stuhl – diagnostische Relevanz 3 Hinsichtlich der Produktion kurzkettiger Fettsäuren besteht eine enge Wechselwirkung mit der individuellen Zusammensetzung der Mikrobiota. Beispielsweise unterscheiden sich die beiden dominierenden Bakterienstämme der Mikrobiota hinsichtlich der Fermentierung der unverdaulichen Kohlenhydrate, indem Firmicutes zur Bildung von Butyrat führen, während Bacteriodetes die Produktion von Acetat und Propionat bestimmen (Macfarlane S. et al., 2003). Nachstehende Abbildung ergibt einen Überblick über wichtige fäkale Biomarker einschließlich der kurzkettigen Fettsäuren. Modifiziert nach Pang, T. et. al.: Frontiers in Pediatrics, 2014; 2:6 Funktionen der kurzkettigen Fettsäuren In Gegenwart kurzkettiger Fettsäuren wird im Dickdarm zunächst ein saures Milieu geschaffen, das der Vermehrung anaerober Bakterien entgegenwirkt. Der ganz überwiegende Teil der durch die Fermentation von Kohlenhydraten gebildeten kurzkettigen Fettsäuren wird rasch aus dem Lumen des Dickdarms resorbiert und steht dem Organismus als zusätzliche Energiequelle zur Verfügung. Zirka 10 % der gesamten Stoffwechselenergie eines gesunden Menschen können auf diesem Weg zusätzlich zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere werden auch die Zellen der Darmschleimhaut durch die gebildeten kurzkettigen Fettsäuren mit Energie versorgt. Acetat gelangt ganz überwiegend über die Pfortader in die Leber, wird dort zu Acetyl-CoA metabolisiert und dient der Glukoneogenese sowie der Lipogenese. Auch Propio nat gelangt via Pfortader in die Leber und scheint im Gegensatz zu Acetat die Lipogenese und die Glukoneogenese zu hemmen (Wolever T. M. et al., 1991). Butyrat Von größter Bedeutung für die Energieversorgung der Darmschleimhaut ist das aus unverdaulichen Kohlenhydraten gebildete Butyrat. Etwa 70 % des Energiebedarfs der Dickdarm-Schleimhaut werden durch das gebildete Butyrat gedeckt (Scheppach W., 1994). Darüber hinaus entfaltet Butyrat im Dickdarm zahlreiche weitere positive Funktionen, sodass die analytische Erfassung sowie die Sicherstellung einer ausreichenden Butyrat-Produktion im Kolon von großer gesundheitlicher Bedeutung ist. 4 Bestimmung von kurzkettigen Fettsäuren und von Gallensäuren im Stuhl – diagnostische Relevanz Aufgrund der raschen Resorption von ca. 90 % des im proximalen Kolon gebildeten Butyrats wird bei der analytischen Bestimmung in den Faeces nur noch ein repräsentativer Anteil von 10 bis 25 mM Butyrat als Normalwert gefunden, während im Darminhalt von Colostomie-Patienten etwa zehnmal höhere Werte ermittelt werden. Dementsprechend findet sich im proximalen Colon ein pH-Wert von im Mittel 5.6, der im distalen Colon auf 6.3 ansteigt. Die Resorption in die Colonocyten der Darmschleimhaut erfolgt überwiegend in der undissoziierten, lipidlöslichen Form als Buttersäure mittels membranständiger Monocarboxylat-Transporter Proteine. Gleichzeitig wird Wasser und Natrium resorbiert, sodass das gebildete Butyrat eine antidiarrhoische Wirkung entfaltet. Der überwiegende Teil des resorbierten Butyrats wird bereits in der Darmschleimhaut metabolisiert, sodass beispielsweise im Pfortaderblut nur noch sehr geringe Spiegel an Butyrat gefunden werden etwa im Vergleich zu Propionat und Acetat, die überwiegend in der Leber verstoffwechselt werden. Über seine Bedeutung für die Energieversorgung der Darmschleimhaut hinaus hat Butyrat zahlreiche weitere sehr bedeutsame Funktionen. So ist beispielsweise in einer Vielzahl epidemiologischer, experimenteller und klinischer Studien ein inverser Zusammenhang zwischen der Aufnahme von Ballaststoffen und der Inzidenz von Colon-Carcinomen gezeigt worden, wobei der protektive Effekt der unverdaulichen Kohlenhydrate auf die vermehrte Bildung von Butyrat zurückgeführt wird. Bereits 1988 wurde an Patienten nach Sigmoidoskopie gezeigt, dass erhöhte Acetat- und erniedrigte ButyratSpiegel mit dem Auftreten von adenomatösen Polypen und Coloncarcinomen assoziiert sind (Weaver G.A. et al., 1988). In einer jüngsten tierexperimentellen Studie konnte gezeigt werden, dass durch eine Erhöhung der Butyrat Produktion im Colon bei Ratten, die mit einem Carcinogen behandelt worden waren, die Apoptose-Rate der Epithelzellen im distalen Colon signifikant gesteigert wird (Clarke J.M. et al., 2012). Die exakten Mechanismen der anticarcinogenen Wirkung von Butyrat sind derzeit noch nicht völlig aufgeklärt. Butyrat zeigt darüber hinaus auch positive Wirkungen bei entzündlichen Darmerkrankungen. Aufgrund der Tatsache, dass Butyrat der dominierende Energieträger für das Kolon-Epithel ist, wurde ein Zusammenhang zwischen niedrigem Butyrat und einer durch Energie-Defizit bedingten Colitis hergestellt (Roediger W.E., 1990). Insbesondere bei der sogenannten Diversions-Colitis finden sich im Lumen der stillgelegten Kolon-Abschnitte extrem tiefe Butyrat Konzentratio nen. In dieser Situation zeigte eine Spülung mit kurzkettigen Fettsäuren (SCFA = short chain fatty acids) eine signifikante Besserung der Colitis (Mortenson F. V. et al., 1991). Auch bei der Strahlen-Proctitis und bei der Colitis ulcerosa zeigten einige Interventionsstudien sehr positive Wirkungen kurzkettiger Fettsäuren auf die Entzündungsaktivität. Angesichts der geringen Compliance längerfristiger Lokalbehandlungen der Darmschleimhaut sind unterschiedliche orale Verfahren entwickelt worden. Offenbar ist die Behandlung mit SCFA dann besonders effektiv, wenn die Spiegel vor der Behandlung sehr niedrig lagen. Insofern kann die Bestimmung der SCFA wichtige Hinweise für die Therapie geben. Eine ganze Reihe von Mechanismen der antientzündlichen Wirkung von Butyrat ist bekannt, wobei zunächst die Hemmung der NF-kappa B Aktivierung im Vordergrund steht. Darüber hinaus wirkt Butyrat auch gegen oxidativen Stress, insbesondere gegen durch Wasserstoffperoxid verursachte DNA Schäden und stärkt die Barrierefunktion der Schleimschicht durch verstärkte Mucin-Produktion. Schließlich scheint Butyrat durch Wirkung auf die Sekretion intestinaler Peptide auch den Appetit zu beeinflussen. Indikationen zur Fettsäure-Bestimmung im Stuhl • Beurteilung der Energieversorgung der Darmschleimhaut • Hinweise auf das Firmicuten /Bacteroidetes-Verhältnis • Beurteilung der anti-entzündlichen und anti-carcinogenen Wirkung von Butyrat Folgende kurzkettige Fettsäuren werden erfasst: Acetat, Propionat, Butyrat, Isobutyrat, Valerianat, Isovalerianat, Capronat. Bestimmung von kurzkettigen Fettsäuren und von Gallensäuren im Stuhl – diagnostische Relevanz 5 Gallensäuren und Mikrobiota Bei Gallensäuren und ihren Salzen handelt es sich chemisch um Steroide mit einer sauren Carboxylgruppe. Im basischen Milieu der Gallenflüssigkeit und im Darm liegen die Gallensäuren in Form ihrer Salze vor. Häufig werden die Gallensäuren und ihre Salze über eine Säureamidbindung als Konjugate mit der Aminocarbonsäure Glycin oder der Aminosulfonsäure Taurin unter Katalyse durch das Enzym Gallensäure CoA : Aminosäure-N-Acyltransferase verbunden. Die Gallensäuren werden in der Leber als wichtige Stoffwechselendprodukte des Cholesterins gebildet (ca. 500 mg pro Tag), in die Gallenkanäle sezerniert (ca. 4.000 mg pro Tag) und mit der Gallenflüssigkeit (ca. 1.000 ml pro Tag) in den Dünndarm abgegeben. Aufgrund ihrer amphiphilen Eigenschaften wirken Gallensäuren bzw. ihre Salze im Darm als wichtige Emulgatoren für fettlösliche Nahrungsbestandteile (z. B. Cholesterin, Triglyceride, fettlösliche Vitamine etc.) und erleichtern deren Resorption. Je nach der Zahl der Hydroxylgruppen weisen die Gallensäuren unterschiedliche hydrophile bzw. lipophile Eigenschaften und damit auch unterschiedliche Emulgierungs-Fähigkeiten auf. Cholsäure (drei Hydroxylgruppen) sehr hydrophil Desoxycholsäure (zwei Hydroxylgruppen) weniger hydrophil Lithocholsäure (eine Hydroxylgruppe) lipophil Cholansäure (keine Hydroxylgruppe) sehr lipophil Der größte Teil der in den Darm abgegebenen Gallensalze wird zusammen mit den emulgierten Nahrungsfetten aus dem Dünndarm (Ileum) resorbiert und über die Pfortader wieder der Leber zugeführt und dort mit Glycin oder Taurin konjugiert. Dieser Prozess wiederholt sich für 90 – 95 % der in der Leber neugebildeten Gallensäuren acht- bis zehnmal pro Tag (enterohepatischer Kreislauf ). Nebenstehende Abbildung stellt den enterohepatischen Kreislauf dar. Nur ein Bruchteil der Gallensäuren bzw. ihrer Salze (ca. 500 mg pro Tag) unterliegt im Dickdarm der Biotransformation durch die intestinale Mikrobiota oder wird über den Darm ausgeschieden und muss in der Leber neu gebildet werden. Die Transformation der Gallensäuren im Lumen des Dickdarms erfolgt vorwiegend durch Anaerobier wie z. B. Clostridien oder Bacteroides Stämme, wobei einerseits Glycin und Taurin abgespalten werden, sodass die freien Gallensäuren und ihre Salze sowie nachfolgend durch Dehydroxylierung sekundäre Gallensäuren wie Desoxycholsäure und Lithocholsäure gebildet werden. Modifiziert nach Ridlon, J. M. et al.: J. Lipid Res. 2006; 47: 241–259 6 Bestimmung von kurzkettigen Fettsäuren und von Gallensäuren im Stuhl – diagnostische Relevanz Warum Bestimmung der Gallensäuren im Stuhl Die analytische Bestimmung der Gallensäuren im Stuhl ist von erheblicher Bedeutung im Hinblick auf verschiedene Krankheitsbilder. Bei niedrigen Gallensäure-Spiegeln kommt es zu einer unzureichenden Resorption lipophiler Nahrungskomponenten mit der Folge eines Malabsorptions-Syndroms sowie zu gesteigerter Fettausscheidung mit entsprechender Symptomatik. Auch beim Morbus Crohn sind diese Mechanismen von Bedeutung, wobei hier die primäre Resorptionsstörung im Vordergrund steht. Bei überschießender Bildung von sekundären Gallensäuren scheint ein erhöhtes Risiko für die Entwicklung colorectaler Carcinome zu bestehen. Andererseits wurde insbesondere von der Lithocholsäure gezeigt, dass sie das wichtige Tumor-Suppressor-Protein p53 vor dem Abbau durch die Ubiquitin-Ligase MDM2 schützt sowie die Inaktivierung von p53 durch MDM4 hemmt. Die Proteine MDM2 und MDM4 werden auch als Sensoren für die Lithocholsäure betrachtet. Lithocholsäure scheint damit der natürliche endogene Ligand für MDM2 und MDM4 zu sein und kann durch Aktivierung der p53 vermittelten CaspaseInduktion die Apoptose von Tumorzellen begünstigen (Vogel S. M. et al., 2012). In den letzten Jahren wurden Gallensäuren darüber hinaus auch als wichtige Signalstoffe systemischer endokriner Funktionen erkannt, die in die Regulation des Stoffwechsels von Lipiden und Kohlenhydraten und damit auch in den Energiehaushalt einbezogen sind. Besonders hervorzuheben ist schließlich auch die Wechselwirkung der Gallensäuren mit dem nukleären Farnesoid-XRezeptor (FXR) als einem wesentlichen Modulator der angeborenen intestinalen Immunität (Vavassori P. et al., 2009). Das Gallensäure-Profil umfasst folgende Gallensäuren: • Cholsäure, Desoxycholsäure, Chenodeoxycholsäure, Lithocholsäure • Glycinderivate: Glycocholsäure, Glycodesoxycholsäure, Glycochenodeoxycholsäure • Taurinderivate: Taurocholsäure, Taurodeoxycholsäure, Taurochenodeoxycholsäure, Taurolithocholsäure Bestimmung von kurzkettigen Fettsäuren und von Gallensäuren im Stuhl – diagnostische Relevanz 7 Literatur a) Fettsäuren Clarke J. M. et al.: Butyrate delivered by butyrylated starch increases distal colonic epithelial apoptosis in carcinogen treated rats. Carcinogenesis 2012; 33, 197– 202 Gibson G.R. et al.: Dietary modulation of the human colonic microbiota: introducing the concept of prebiotics. J. Nutr. 1995; 125, 1401 –1412 Macfarlane S. et al.: Regulation of short chain fatty acid production. Proc. Nutr. Soc. 2003; 62, 67–72 Mortenson F. V. et al.: Microcirculatory and trophic effects of SCFA in the human rectum after Hartmanns procedure. Br. J. Surg. 1991; 78, 1208 –1211 Roediger W. E.: The starved colon-diminished mucosal nutrition, diminished absorption and colitis. Dis. Colon Rectum 1990; 33, 858 – 862 Scheppach W.: Effects of short chain fatty acids on gut morphology and function. Gut 1994; 35, 35–38 Szilagyi A.: Use of prebiotics for inflammatory bowel disease. Can. J. Gastroenterol. 2005; 19, 505 – 510 Weaver G. A. et al.: Short chain fatty acid distributions of enema samples from a sigmoidoscopy population: an association of high acetate and low butyrate ratios with adenomatous polyps and colon cancer. Gut 1988; 29, 1539 –1543 Wolever T. M. et al.: Interaction between colonic acetate and propionate in humans. Am. J. Clin. Nutr. 1991; 53, 681– 687 b) Gallensäuren Vogel S.M. et al.: Lithocholic acid is an endogenous inhibitor of MDM4 and MDM2. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2012; 109, 16906 – 16910 Vavassori P. et al.: The bile acid receptor FXR is a modulator of intestinal innate immunity. J. Immunol. 2009; 183, 6251– 6261 Impressum Herausgeber Laboratorium für spektralanalytische und biologische Untersuchungen Dr. Bayer Zweigniederlassung der synlab MVZ Leinfelden-Echterdingen GmbH Max-Lang-Straße 58 D-70771 Leinfelden-Echterdingen Telefon+49(0)711-1 64 18-0 Telefax +49(0)711-1 64 18-18 [email protected] www.labor-bayer.de Autoren Dr. rer. nat. Wolfgang Bayer, Prof. Dr. Dr. med. Karlheinz Schmid © 2014 synlab Services GmbH Bildnachweise www.doc-stock.com // Abbildungen Seite 2–4 www.shotshop.com // Abbildung Seite 6 Gestaltung und Satz Himbeerrot GmbH www.himbeerrot-design.de Kompetenzzentrum für komplementärmedizinische Diagnostik Diagnostic Center of Complementary Medicine Mineralstoffe Spurenelemente Schwermetalle Vitamine Fettsäureprofil Aminosäureprofil Säure-Basen-Haushalt kardiovaskuläre Risikofaktoren Hormone/ Neurotransmitter Immundiagnostik Nahrungsmittelunverträglichkeiten Candida-/ Schimmelpilz-Serologie Stuhldiagnostik
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