Um ein gesundes Gleichgewicht zwischen Nährstoffaufnahme und Bakterienpopulationen aufrechtzuerhalten, wechselt der menschliche Darm laut einer Studie von Forschern in Deutschland und den USA wahrscheinlich zwischen zwei unterschiedlichen Mustern der Muskelkontraktion. Durch Simulationen hat ein Team unter der Leitung von Karen Alim im Technische Universität München zeigten, dass diese Muster eng mit der Geschwindigkeit der Flüssigkeit, die durch den Darm fließt, zusammenhängen.
Die Art und Weise, wie unser Verdauungssystem Nährstoffe aufnimmt, wird stark von Muskelkontraktionen in unserem Darm beeinflusst. Dies kann auf zwei Arten geschehen: Bei der Peristaltik ziehen sich die den Dünndarm umgebenden Muskeln radial zusammen und entspannen sich. Diese Kontraktionen breiten sich wellenförmig aus und treiben schnelle Ströme der verdauten Nahrung durch die Röhre. Der schwächere Transport wird durch die Segmentierung vorangetrieben – wobei sich die Muskeln an den Innenwänden des Darms in einem Muster zusammenziehen und entspannen, das einem welligen Schachbrett ähnelt.
Ein weiterer entscheidender Faktor für die Nährstoffaufnahme im Darm ist die große Anzahl der im Darm lebenden Bakterien, die zusammen als „Mikrobiota“ bezeichnet werden. Diese Mikroben konkurrieren mit dem Darm um die Aufnahme von Nährstoffen und spielen eine entscheidende Rolle für die Funktion und allgemeine Gesundheit des Darms – können aber auch gefährliche Nebenwirkungen auslösen, wenn ihre Dichte zu hoch wird.
Jedes dieser drei Phänomene wurde unabhängig voneinander ausführlich untersucht – aber bisher haben Forscher noch nicht darüber nachgedacht, wie sie zusammenhängen könnten. Um diese Frage zu beantworten, modellierte Alims Team den Dünndarm als einen hohlen, verformbaren Zylinder, durch den eine nährstoffreiche Flüssigkeit fließt. Anschließend untersuchten sie mithilfe von Strömungsdynamiksimulationen die Unterschiede zwischen den durch Peristaltik und Segmentierung erzeugten Strömungsgeschwindigkeiten und konnten so die daraus resultierenden Auswirkungen auf die durch den Darm fließenden Bakterienpopulationen überwachen.
Das Modell zeigte, dass die mit der Segmentierung verbundenen langsameren Flussgeschwindigkeiten dazu führten, dass Nährstoffe länger im Darm verblieben. Dies würde es dem Körper ermöglichen, Nährstoffe effizienter aufzunehmen, indem ungleichmäßig verteilte Nährstoffe in gleichmäßigere Konzentrationen gemischt werden. Gleichzeitig würde es der Mikrobiota ermöglichen, größer zu werden, bevor sie aus dem Darm ausgespült wird. Im Gegensatz dazu beschleunigte die Peristaltik die Fließgeschwindigkeit durch den Darm – was zu einer geringeren Nährstoffaufnahme führte und gleichzeitig Bakterien schneller ausspülte.
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Aus ihren Ergebnissen geht Alims Team davon aus, dass der Darm zwischen den beiden Kontraktionsmustern wechselt, um die Effizienz der Nährstoffaufnahme zu optimieren und gleichzeitig das Wachstum der Mikrobiota zu regulieren. Ihre Entdeckung bietet ein neues Verständnis der komplexen Dynamik, die die Mikrobiota mit Muskelkontraktionen im Darm verbindet, und liefert außerdem wichtige Einblicke in die Funktionsweise unseres Verdauungssystems. Mithilfe dieser Ergebnisse könnten Forscher neue Wege zur Diagnose und Behandlung von Darmerkrankungen entwickeln.
Das Team beschreibt die Studie in Physical Review Letters.
