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Hintergrund: Schlafstörungen gehören zu den Erkrankungen mit der weltweit höchsten Prävalenz. Circa 30 % aller Erwachsenen weltweit leiden an insomnischen Beschwerden. Obgleich Schlaf eine essenzielle Rolle für diverse Prozesse des menschlichen Organismus einnimmt, ist die durchschnittliche Schlafdauer in den letzten Jahrzenten weltweit aufgrund von Lebensstilfaktoren gesunken. Es wurde gezeigt, dass Schlafstörungen und Mangel an suffizientem Schlaf mit einer Reihe gesundheitlicher Einschränkungen wie Adipositas, Depression, Diabetes mellitus, kardiovaskulären und neurologischen Erkrankungen einhergehen und als Konsequenz zu einer höheren Gesamtmortalität führen. Es gibt eine Vielzahl an in- und extrinsischen Faktoren, welche durch ihr Zusammenspiel zu einer Veränderung der Schlafqualität führen. Die Ernährung (v. a. die mediterrane Diät) bildet einen dieser Faktoren ab und scheint über die Darm-Hirn-Achse in bidirektionalem Zusammenhang mit Schlaf zu stehen. Das Wissen um die suffiziente Verbesserung von Schlaf durch die Ernährung könnte zukünftig als Therapieansatz für schlafbezogene Erkrankungen dienen. Als mögliche Mediatoren der Darm-Hirn-Achse untersuchten wir deshalb den Einfluss von Ballaststoffen (habituell und explorativ interventionell) auf das Darm-Mikrobiom, auf SCFAs als deren ZNS-gängige Metabolite und auf die subjektive Schlafqualität. Zudem wurde der Einfluss der diätetischen Tryptophan-Einnahme (habituell) als Vorstufe von Serotonin und Melatonin auf die Darm-Mikrobiomvielfalt und den Schlaf analysiert. Methoden: Im Rahmen einer Querschnittsanalyse wurde der Einfluss der Ernährung von gesunden, mäßig übergewichtigen (25-30 kg/m²) Erwachsenen (18-45 Jahre) auf Schlafparameter untersucht. Zudem erfolgte die Analyse der Zusammensetzung des Darm-Mikrobioms und SCFA-Konzentrationen in Faeces und Serum als mögliche Mediatoren dieser Verbindung. Beurteilt wurde die mittels FFQ-Fragebogen erhobene habituelle Zufuhr von Ballaststoffen und Tryptophan (n = 60). Die Testungen erfolgten mit identischer Testbatterie (medizinische Anamnese, anthropometrische Messungen, Laboranalysen (Tryptophan [μmol/l, Serum] und SCFAs [μmol/g, Faeces und Serum]), Mikrobiom-Analysen (16s rRNA Gen Sequenzierung mit Taxonomie-Auflösung der Darm-Mikrobiota sowie Messung von Diversitätsparametern (i.e. Richness, Shannon Index)) und Fragebögen (FFQ mit Quantifizierung von habitueller Ballaststoff- und Tryptophan-Einnahme der letzten 7 Tage und 24 h und Schlaffragebögen SF-A/R, SF-B/R mit Erhebung diverser schlafbezogener Parameter der letzten Nacht bzw. letzten 14 Nächte)). Die statistische Auswertung erfolgte mittels R-Studio. Zur Darstellung der Zusammenhänge wurden Korrelationen nach Pearson bzw. Spearman gerechnet. Für die Haupthypothesen wurden zusätzlich multiple lineare Regressionsmodelle erstellt und mittels ANOVA miteinander verglichen, um für den Einfluss eventuell vorliegender Kovariaten zu kontrollieren. Explorativ wurden geschlechtsspezifische Unterschiede mittels unabhängigem t-Test bzw. Mann-Whitney-U-Test und Interventionsunterschiede mittels gepaartem t-Test analysiert. Weiterhin wurden die Interventionsdaten der RCT-Studie (Within-Subject, Cross-over-Design, FU-1 vs. FU-2, n = 46) bezüglich signifikanter Unterschiede nach Ballaststoff-Supplementierung (i.e. 2 x 15 g Inulinpulver täglich) und Einnahme eines Placebos (Maltodextrin) über einen Zeitraum von 14 Tagen miteinander vergleichen. Hierzu wurden gepaarte T-Tests durchgeführt, um den Einfluss der Intervention auf Schlaf- und Darm-Mikrobiomparameter zu untersuchen. Explorativ wurden zudem Korrelationen zwischen Schlafparametern und SCFA-Konzentrationen bzw. den Darm-Mikrobiom Daten berechnet. Ergebnisse: Die Studienpopulation zeigte bei BL-1 Untersuchung eine unterdurchschnittliche Ballaststoff- (16,5 ± 6,2 g/d) und durchschnittliche Tryptophan-Einnahme (763 ± 306 mg/d) bei guter Schlafqualität. Die Ergebnisse zeigen, dass die vermehrte habituelle Einnahme von Ballaststoffen unter Berücksichtigung der Störvariablen Alter und Geschlecht mit signifikant erhöhten SCFA-Konzentrationen in der Faeces (p = 0,042), nicht jedoch im Serum korreliert. Ein signifikanter Zusammenhang mit der Darm-Mikrobiomdiversität (i.e. Richness, Shannon Index) und dem Auftreten spezifischer Genera konnte nicht gezeigt werden. Entgegen den Erwartungen zeigten sich signifikante Korrelationen zwischen habitueller Ballaststoffzufuhr und Durchschlafschwierigkeiten in der Nacht vor der Untersuchung (p = 0,0063), nicht aber bezogen auf einen längeren Zeitraum. Gleichzeitig hing die Ballaststoffeinnahme jedoch signifikant mit psychischer Ausgeglichenheit nach dem Erwachen zusammen (p < 0,05). Die habituelle Tryptophan-Einnahme korrelierte nicht signifikant mit den messbaren Tryptophan-Leveln im Serum, der Tryptophan/LNAA Ratio, den Parametern der Darm-Mikrobiomdiversität oder guter Schlafqualität. Das Geschlecht wurde in beiden Varianzanalysen als statistisch signifikante Einflussvariable für die Richness des Darm-Mikrobioms identifiziert. In der Sekundäranalyse führte die 14-tägige Einnahme von Inulin im Vergleich zum Placebo zu niedrigeren Werten für Richness und Shannon Index (p ≤ 0,0001) bei gleichzeitiger Zunahme der Bifidobakteria (p ≤ 0,0001) und Collinsella (p = 0,0017) sowie einer Abnahme diverser Genera des Phylums Firmicutes auf signifikantem Niveau. Zudem korrelierten in der BL-1 Analyse Bifidobakterien, Collinsella und Eubakterien mit Parametern guter Schlafqualität und positiver Stimmung, während Bakterien des Phylums Bacteriodota einen entgegengesetzten signifikanten Trend zeigten. Die fäkalen SCFA-Level korrelierten signifikant positiv mit guter Schlafqualität (p < 0,05), während die Inulin-Einnahme weder zu erhöhten SCFA-Leveln noch zu Änderungen der Schlafparameter führte. Schlussfolgerung: Zusammenfassend konnte im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass die habituelle Einnahme von Ballaststoffen und Tryptophan nicht mit verbesserter Schlafqualität einherging. Gründe hierfür könnten neben einer zu geringen Fallzahl und der quantitativ zu geringen habituellen Ballaststoffeinnahme die fehlende Subspezifizierungen von Ballaststoffarten und SCFAs sein. Gleichzeitig liefert die Studie jedoch Hinweise darauf, dass die Supplementation von Ballaststoffen zu einem Shift des Darm-Mikrobioms mit einer Zunahme von gesundheitsfördernden Bifidobakterien bei gleichzeitiger Diversitätsabnahme führt. Zudem zeigten sich Genera, die einerseits positiv mit Parametern guter mentaler Gesundheit und andererseits mit guter Schlafqualität korrelierten. Eine Zunahme dieser Bakterien finden wir u. a. bei vermehrter Einnahme von Ballaststoffen. Mögliche Mediatoren könnten anti-inflammatorisch wirkende SCFAs darstellen, welche in dieser Studie einen positiven Zusammenhang zu guter Schlafqualität zeigten. Kausale Zusammenhänge sollten anhand von gut designten Studien mit längerer Interventionsdauer und höheren Fallzahlen überprüft und die entwickelten Hypothesen weitergehend untersucht werden. Obgleich funktionelle Mikrobiom-Forschung am Menschen diffizil ist, sollten zukünftige Studien die Messungen von SCFAs im Serum den fäkalen Bestimmungen vorziehen, die Tryptophan-Einnahme auf die Kohlenhydratzufuhr normieren und sowohl alters- als auch geschlechterspezifische Unterschiede beachten. Die Ergebnisse legen eine erste Grundlage für das Verständnis des Zusammenhangs von Ernährung, Darm-Mikrobiom, Psyche und Schlaf und könnten somit einen weiteren Schritt zur Entwicklung präventiver oder kurativer Therapiestrategien für Insomnien darstellen.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1. Einleitung 1.1. Wechselbeziehungen von Schlaf und Gesundheit 1.2. Schlafmedizin 1.2.1. Schlafphysiologie und -phasen 1.2.2. Funktionen von Schlaf 1.2.3. Klinische Aspekte der Schlafmedizin und Schlafdiagnostik 1.3. Schlafassoziierte Erkrankungen 1.3.1. Adipositas und Body-Maß-Index 1.3.2. Kardiovaskuläre Erkrankungen 1.3.3. Neurologische Erkrankungen 1.4. Ernährung und Schlaf 1.4.1. Schlaffördernde Ernährungsstile und Nahrungsmittel 1.4.2. Schlafhemmende Ernährungsstile und Nahrungsmittel 1.5. Mediatoren und mögliche Wirkmechanismen 1.5.1. Darm-Mikrobiom 1.5.1.1. Zusammensetzung und Funktionen des Darm-Mikrobioms 1.5.1.2. Darm-Hirn-Achse 1.5.1.3. Darm-Mikrobiom und chronische Erkrankungen 1.5.1.4. Darm-Mikrobiom und Schlaf 1.5.2. Ballaststoffe und Short Chain Fatty Acids 1.4.3. Tryptophanmetabolismus 1.4.3.1. Serotonin und Melatonin als schlafregulierende Transmitter 1.4.3.2. Tryptophan als Vorstufe von Melatonin 2. Aufgabenstellung 3. Untersuchungskollektiv und Methoden 3.1. Studiendesign 3.2. Studienpopulation 3.2.1. Ein- und Ausschlusskriterien 3.2.2. Rekrutierung 3.3. Untersuchungsablauf und -instrumente 3.3.1. Food-Frequency-Questionnaire (FFQ) 3.3.2. Analyse von SCFAs und Tryptophan aus Serum 3.3.3. Darm-Mikrobiom- und SCFA-Analyse aus Faeces 3.3.4. Bristol Stool Scale und Stuhlfrequenz 3.3.5. Schlaffragebögen SF-A/R und SF-B/R 3.3.6. Anthropometrische Messungen 3.4. Statistische Analyse 4. Ergebnisse 4.1. Deskriptive Statistik der Querschnittsdaten 4.1.1. Demographie und Kovariaten 4.1.2. FFQ- und Tryptophan-Werte 4.1.3. Darm-Mikrobiom und SCFAs 4.1.4. Parameter der Schlafqualität 4.2. Zusammenhang von Ballaststoffen, Darm-Mikrobiom und Schlafqualität im Querschnitt 4.3. Zusammenhang von Tryptophan, Darm-Mikrobiom und Schlafqualität im Querschnitt 4.4. Explorative Analysen 4.4.1. Zusammenhang von Tryptophan (Serum) und Schlaf 4.4.2. Geschlechtsspezifische Unterschiede in den Querschnittsdaten 4.4.3. Ergebnisse der zweiwöchigen Intervention 4.4.4. Weitere Ergebnisse der Sekundäranalyse 5. Diskussion 5.1. Zusammenfassung der Hauptergebnisse 5.2. Diskussion der Hauptergebnisse 5.2.1. Habituelle Ballaststoffeinnahme und SCFAs 5.2.2. Habituelle Ballaststoffeinnahme und Darm-Mikrobiom 5.2.3. Habituelle Ballaststoffeinnahme und Schlafparameter 5.2.4. Tryptophanmetabolismus 5.2.4.1. Systemische Verfügbarkeit von Tryptophan 5.2.5. Habituelle Einnahme von Tryptophan und Darm- Mikrobiom-Zusammensetzung 5.2.6. Einfluss der Tryptophan-Einnahme auf Psyche und Schlaf 5.3. Gesundheitsförderung und Lebensmittelvielfalt 5.4. Diskussion der explorativen Ergebnisse 5.4.1. Einfluss Inulin-Supplementation auf Darm-Mikrobiom und SCFAs 5.4.1.1. SCFA-Produktion, Inflammation und Schlaf 5.4.2.1. Darm-Mikrobiota und Schlaf 5.4.3. Ausblick: Beziehung von Schlaf und mentaler Gesundheit 5.5. Stärken und Limitationen der Studie 5.5.1. Proband*innenauswahl 5.5.2. Verwendete Parameter 5.5.3. Untersuchungsablauf und Tests 5.5.4. Compliance 5.5.5. Statistische Limitationen 5.6. Schlussfolgerungen und Ausblick 6. Zusammenfassung Literaturverzeichnis Anhang Selbstständigkeitserklärung Lebenslauf Publikationen Danksagung |
