Mikrobiom und Muskelwachstum: Wie Butyrat und SCFAs die Muskelfunktion beeinflussen

Zwei Trainingseinheiten pro Woche, ausreichend Protein, guter Schlaf und trotzdem stagniert der Aufbau der Muskelmasse. An einen möglichen Faktor wird dabei selten gedacht: das Mikrobiom. Bestimmte mikrobielle Stämme produzieren kurzkettige Fettsäuren (SCFAs), insbesondere Butyrat, die direkt in muskelrelevante Stoffwechselwege eingreifen. Präzisions-Mikroorganismen und Muskelwachstum sind über diese Metabolite biologisch verknüpft. Dieser Artikel erklärt, welche Mechanismen dabei eine Rolle spielen und was die aktuelle Forschung dazu zeigt.

Die Darm-Muskel-Achse beschreibt die wechselseitige Kommunikation zwischen Darmmikrobiom und Skelettmuskulatur. Das Mikrobiom ist kein passiver Mitbewohner, sondern produziert aktiv Metabolite, die über den Blutkreislauf Muskelgewebe erreichen und dort biologische Prozesse modulieren können. Wer regelmäßig trainiert und dabei stagnierende Fortschritte bemerkt, sollte wissen, dass der Darm als metabolisches Organ direkten Einfluss auf Muskelmasse und Erholungskapazität haben kann.

Kurzkettige Fettsäuren (SCFAs) sind die zentralen Botenstoffe dieser Kommunikation. Zu den SCFAs zählen Butyrat, Acetat und Propionat. Sie entstehen durch mikrobielle Stoffwechselaktivität und gelangen über die Darmbarriere in den systemischen Kreislauf. Butyrat aktiviert dabei spezifische Signalwege, die Muskelmasse und Muskelproteinhaushalt regulieren.

Der Darm ist mehr als ein Verdauungsorgan. Seine Epithelzellen nutzen Butyrat als primäre Energiequelle und erhalten damit die Integrität der Darmbarriere aufrecht. Eine stabile Darmbarriere verhindert, dass proentzündliche Moleküle wie Lipopolysaccharide (LPS) in den Blutkreislauf gelangen. Chronisch erhöhte LPS-Spiegel sind mit einem erhöhten Abbau von Muskelprotein assoziiert.

Butyrat wirkt darüber hinaus als Regulator entzündungsrelevanter Signalwege. Anhaltende Phasen mit gestörtem Schlaf oder beruflichem Stress korrelieren häufig mit einer veränderten Mikrobiomzusammensetzung und verringerten SCFA-Spiegeln. Diese Veränderungen können die metabolische Ausgangslage für Muskelregeneration beeinflussen.

Klassische Probiotika zeigen auf Populationsebene statistisch messbare Effekte, berücksichtigen aber individuelle Mikrobiomunterschiede nicht. Ob ein bestimmter Stamm unter den Bedingungen eines individuellen Mikrobioms die gewünschten Metabolite produziert, bleibt dabei unvorhersagbar. Präzisions-Mikroorganismen setzen genau an diesen Grenzen an.

Präzisions-Mikroorganismen sind stammspezifisch charakterisiert und produzieren definierte Metabolite wie Butyrat eigenständig, unabhängig davon, wie das individuelle Mikrobiom zusammengesetzt ist. Diese Eigenschaft unterscheidet sie grundlegend von breit angelegten mikrobiologischen Ansätzen. Wirkung und Vorhersagbarkeit sind klar beschrieben, weil der Mechanismus auf Stammebene dokumentiert ist.

Lahiri et al. verglichen die Skelettmuskulatur keimfreier Mäuse ohne Darmmikrobiom mit jener pathogenfreier Mäuse mit intaktem Mikrobiom.¹ Die Autoren stellten fest, dass keimfreie Tiere eine reduzierte Muskelmasse, verringerte Muskelfunktion und eine verminderte Expression von Genen der neuromuskulären Synapse zeigten.

In einer Humankohorte untersuchten Lv et al. 482 gesunde chinesische Frauen nach der Menopause mittels Ganzkörper-Knochendichtemessung, Metagenomsequenzierung und Serum-SCFA-Messung.² Die Autoren fanden mithilfe von Mendelscher Randomisierung einen kausalen Zusammenhang zwischen der mikrobiellen Butyratproduktion und der appendikulären Muskelmasse.

Liu et al. gaben Mäusen mit beginnender altersbedingter Muskelschwäche (Präsarcopenie) über drei Monate täglich ein Gemisch aus drei kurzkettigen Fettsäuren: Acetat, Butyrat und Propionat.³ Die Autoren dokumentierten eine erhöhte Muskelmasse, verbesserte Griffstärke und einen größeren Muskelquerschnitt. Gleichzeitig wurde der mTOR-Signalweg aktiviert. mTOR (mammalian target of rapamycin) ist ein intrazelluläres Steuerungsprotein, das reguliert, ob eine Muskelzelle Protein aufbaut oder abbaut. Wenn mTOR aktiv ist, produziert die Zelle mehr Muskelprotein.

Die Forschung zur Darm-Muskel-Achse befindet sich in einem frühen Stadium. Bisherige Humanstudien liefern erste Hinweise auf einen kausalen Zusammenhang zwischen mikrobieller Butyratproduktion und Muskelmasse, aber weitere Interventionsstudien am Menschen sind notwendig. Die stammspezifische Charakterisierung von Mikroorganismen ermöglicht künftig eine gezieltere Auswahl von Präzisions-Mikroorganismen für muskelphysiologische Fragestellungen. Mechanistisches Verständnis und individuelle biologische Profile werden dabei eine zunehmend wichtige Rolle spielen.

¹ Lahiri S, Kim H, Garcia-Perez I, Reza MM, Martin KA, Kundu P, Cox LM, Selkrig J, Posma JM, Zhang H, Padmanabhan P, Moret C, Gulyás B, Blaser MJ, Auwerx J, Holmes E, Nicholson J, Wahli W, Pettersson S. 2019. The gut microbiota influences skeletal muscle mass and function in mice. Science Translational Medicine 11(502):eaan5662. doi: 10.1126/scitranslmed.aan5662.
Zurück

² Lv WQ, Lin X, Shen H, Liu HM, Qiu X, Li BY, Shen WD, Ge CL, Lv FY, Shen J, Xiao HM, Deng HW. 2021. Human gut microbiome impacts skeletal muscle mass via gut microbial synthesis of the short-chain fatty acid butyrate among healthy menopausal women. Journal of Cachexia, Sarcopenia and Muscle 12(6):1860–1870. doi: 10.1002/jcsm.12788.
Zurück

³ Liu C, Wong PY, Wang Q, Wong HY, Huang T, Cui C, Zhang N, Cheung WH, Wong RMY. 2024. Short-chain fatty acids enhance muscle mass and function through the activation of mTOR signalling pathways in sarcopenic mice. Journal of Cachexia, Sarcopenia and Muscle 15:2387–2401. doi: 10.1002/jcsm.13573.
Zurück