Ernährung in der Forschung
Forschungsthemen auf den Punkt gebracht
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Thermogene Nahrungsinhaltsstoffe
Die Aktivierung von Braunem Fettgewebe stellt eine neuartige Intervention zur Körpergewichtsregulation dar. Der bisherige Mangel an umsetzbaren Strategien, die eine Aktivierung dieses energieverbrauchenden Gewebes beim Menschen herbeiführen, verzögert jedoch die Erhebung aussagekräftiger Daten. Nahrungsinhaltsstoffe mit dieser Eigenschaft werden derzeit als Alternativen zu konventionellen Ansätzen untersucht.
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Übergewicht, Adipositas und deren zahlreiche Folgeerkrankungen stellen seit Jahren ein weltweit zunehmendes Gesundheitsproblem dar. Um dieser bedenklichen Entwicklung langfristig entgegenzuwirken, zielen neuartige Forschungsansätze darauf ab, das Braune Fettgewebe zur Erhöhung des Energieverbrauchs nutzbar zu machen. Im Gegensatz zum Weißen Fettgewebe, das große Mengen an Nahrungsenergie speichert, ist das Braune Fettgewebe imstande, gespeicherte Energie zu verbrennen und dabei in Wärme umzuwandeln. Bislang mangelt es an umsetzbaren und nebenwirkungsfreien Strategien zur gezielten Stimulation dieses energieverbrauchenden Gewebes.
Die Wärmeproduktion durch das Braune Fettgewebe ist ein physiologischer Mechanismus zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur und wird daher klassischerweise durch eine kalte Umgebungstemperatur stimuliert. Dabei dienen sogenannte TRP-Kanäle (englisch: transient receptor potential channels) der Haut als Temperatur‑Sensoren, die diese Information über afferente Neuronen (Nervenzellen, welche Signale an das Gehirn) weiterleiten, das über efferente (d.h. vom Gehirn wegführende) sympathische Signalwege eine Erhöhung der Braunfettaktivität veranlasst. TRP-Kanäle sind Ionenkanäle der Plasmamembran, die zelluläre Prozesse durch ihre Permeabilität für Kationen regulieren. Sie kommen in zahlreichen Geweben und Organsystemen vor, werden von einer Vielzahl unterschiedlicher Stimuli aktiviert und erfüllen so ein breites Spektrum physiologischer Funktionen. Neuste Studien deuten darauf hin, dass die Aktivierung bestimmter TRP‑Kanäle des Gastrointestinaltrakts (Magen-Darm-Trakts) eine Erregung des enterischen Nervensystems („Darmwandnervensytems“) hervorruft und so als alternative Route der Braunfettaktivierung dient [1]. Diese Aktivierung wird durch Nahrungsinhaltsstoffe hervorgerufen.
Unter der enormen Vielzahl an Nahrungsinhaltsstoffen, die als TRP-Aktivatoren bekannt sind, konnten bislang vor allem solche Stoffe mit einer Braunfettaktivierung beim Menschen in Verbindung gebracht werden, die in der Chilischote enthalten sind. Hierzu zählt Capsaicin, das ausschlaggebend für den stechend scharfen Geschmack der Schote ist, sowie Capsinoide, die als Capsaicin-ähnliche Stoffe in milderen Züchtungen enthalten sind. Sowohl die einmalige als auch die längerfristige Einnahme eines Capsinoid‑Konzentrats führt beim Menschen zu einer Erhöhung des Energieverbrauchs, der auf die spezielle Aktivierung des Braunen Fettgewebes zurückgeführt wird [2-4]. Tatsächlich ist die Capsinoid-induzierte Stimulation des Braunen Fettgewebes bei Nagetieren belegt [5, 6]. Beim Menschen konnte dieser Zusammenhang bislang jedoch nicht zweifelsfrei gezeigt werden [7, 8].
Obwohl eine hohe Capsinoid-Aufnahme über einen längeren Zeitraum mit geringfügigen Veränderungen der Körperfettmasse in Verbindung gebracht wird, scheint eine alleinige Capsinoid-Supplementation zur Körpergewichtsregulation beim Menschen nicht geeignet [9, 10]. Es gibt jedoch eine große Zahl weiterer Nahrungsinhaltsstoffe, die mit einer Steigerung des Energieverbrauchs durch Fettzellen in Verbindung gebracht werden [1, 11]. Hierzu zählen beispielsweise Fettsäuren und Pflanzenextrakte sowie bestimmte Inhaltsstoffe, die in Pfeffer, Ingwer, Grünem Tee, Minze oder Zimt enthalten sind. Die Wirkungsweise und das Wirkpotential dieser Stoffe bedarf sorgfältiger und individueller Prüfung, jedoch sollte grundsätzlich keine „pharmakologische Erwartungshaltung“ an Nahrungsinhaltsstoffe gestellt werden. Die Kombination verschiedener Nahrungsinhaltsstoffe mit thermogenem Potential könnte zu einer relevanten Steigerung des Energieverbrauchs führen und so als ergänzende Strategie zum pharmakologischen Ansatz der Braunfettaktivierung dienen.
Dr. Stefanie Maurer
Verwendete Literatur
[1] Yoneshiro T, Matsushita M, Saito M. Translational Aspects of Brown Fat Activation by Food-Derived Stimulants. In: Handbook of Experimental Pharmacology, Springer, Berlin, Heidelberg (2018).
[2] Yoneshiro T, Aita S, Kawai Y, Iwanaga T, Saito M. Nonpungent capsaicin analogs (capsinoids) increase energy expenditure through the activation of brown adipose tissue in humans. Am J Clin Nutr 95(4):p. 845-50 (2012).
[3] Yoneshiro T, Aita S, Matsushita M, Kayahara T, Kameya T, Kawai Y, Iwanaga T, Saito M. Recruited brown adipose tissue as an antiobesity agent in humans. J Clin Invest 123(8):p. 3404-8 (2013).
[4] Nirengi S, Homma T, Inoue N, Sato H, Yoneshiro T, Matsushita M, Kameya T, Sugie H, Tsuzaki K, Saito M, Sakane N, Kurosawa Y, Hamaoka T. Assessment of human brown adipose tissue density during daily ingestion of thermogenic capsinoids using near-infrared time-resolved spectroscopy. J Biomed Opt 21(9):091305 (2016).
[5] Ono K, Tsukamoto-Yasui M, Hara-Kimura Y, Inoue N, Nogusa Y, Okabe Y, Nagashima K, Kato F. Intragastric administration of capsiate, a transient receptor potential channel agonist, triggers thermogenic sympathetic responses. J Appl Physiol (1985) 110(3):p. 789-98 (2011).
[6] Kawabata F, Inoue N, Masamoto Y, Matsumura S, Kimura W, Kadowaki M, Higashi T, Tominaga M, Inoue K, Fushiki T. Non-pungent capsaicin analogs (capsinoids) increase metabolic rate and enhance thermogenesis via gastrointestinal TRPV1 in mice. Biosci Biotechnol Biochem 73(12):p. 2690-7 (2009).
[7] Sun L, Camps SG, Goh HJ, Govindharajulu P, Schaefferkoetter JD, Townsend DW, Verma SK, Velan SS, Sun L, Sze SK, Lim SC, Boehm BO, Henry CJ, Leow MK. Capsinoids activate brown adipose tissue (BAT) with increased energy expenditure associated with subthreshold 18-fluorine fluorodeoxyglucose uptake in BAT-positive humans confirmed by positron emission tomography scan. Am J Clin Nutr 107(1):p. 62-70 (2018).
[8] Ang QY, Goh HJ, Cao Y, Li Y, Chan SP, Swain JL, Henry CJ, Leow MK. A new method of infrared thermography for quantification of brown adipose tissue activation in healthy adults (TACTICAL): a randomized trial. J Physiol Sci 67(3):p. 395-406 (2017).
[9] Ludy MJ, Moore GE, Mattes RD. The effects of capsaicin and capsiate on energy balance: critical review and meta-analyses of studies in humans. Chem Senses 37(2):p. 103-21 (2012).
[10] Snitker S, Fujishima Y, Shen H, Ott S, Pi-Sunyer X, Furuhata Y, Sato H, Takahashi M. Effects of novel capsinoid treatment on fatness and energy metabolism in humans: possible pharmacogenetic implications. Am J Clin Nutr 89(1):p. 45-50 (2009).
[11] Bonet ML, Mercader J, Palou A. A nutritional perspective on UCP1-dependent thermogenesis. Biochimie 134:p. 99-117 (2017).
Einfluss der Darmmikrobiota auf den Energiehaushalt
Im Darm des Menschen leben ungefähr 38 Billionen Bakterien, genauso viele wie der gesamte menschliche Körper an Zellen besitzt [1]. Ein komplexes Ökosystem, dessen Bedeutung erst in den letzten Jahren intensiv erforscht wird. Spielt die Zusammensetzung der Bakterien im Darm (Mikrobiota) eine Rolle für den Energiebedarf des Menschen? Ein Ungleichgewicht könnte zu einer positiven Energiebilanz führen und die Entwicklung von Übergewicht fördern.
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Unser Energiehaushalt reguliert die Balance von Aufnahme, Speicherung und Umsatz von Energie, die wir uns täglich mit der Nahrung zuführen. Eine positive Energiebilanz entsteht, wenn wir regelmäßig über unsere Nahrung mehr Energie aufnehmen als wir verbrauchen. Überschüssige Kalorien werden dann im Fettgewebe gespeichert. Dies führt langfristig zu einem Ungleichgewicht und fördert die Entstehung von Übergewicht und Adipositas. Letztere ist ein Hauptrisikofaktor für die Entstehung schwerwiegender Krankheiten, wie nicht-alkoholbedingte Fettleber, Diabetes Typ II, und bestimmte Krebserkrankungen. Zur Ermittlung unseres täglichen Energiebedarfs ist vor allem der Ruheumsatz von Bedeutung. Er leistet mit 60-70 Prozent den größten Beitrag zu unserem täglichen Energieumsatz und spiegelt den Energiebetrag wider, den unser Körper für die Aufrechterhaltung lebensnotwendiger Funktionen benötigt. Interessanterweise zeigen Individuen eine erstaunliche Variation im Ruheumsatz. Diese Unterschiede zwischen Individuen sind zu einem großen Teil durch bekannte Einflussfaktoren wie Alter, Geschlecht und Körperzusammensetzung bedingt. Durch Berücksichtigung dieser Faktoren können ~70% der inter-individuellen Variation im Ruheumsatz erklärt werden [2]. Bisher ist ungeklärt, welche weiteren Einflussfaktoren für die verbleibende Variation verantwortlich sind.
Der Darm des Menschen ist durch eine Vielzahl an Bakterien besiedelt, die ein komplexes Ökosytem bilden. Die Bakterien erfüllen vielfältige Aufgaben und Funktionen, unter anderem die Unterstützung der Verdauung schwer verdaulicher Nahrungsbestandteile wie Ballaststoffe, Schutz vor pathogenen Erregern, Synthese von Vitaminen und Stimulation des Immunsystems. Zu den vier größten Bakterienstämme mit den lateinischen Namen Firmicutes, Bacteroidetes, Proteobacteria und Actinobacteria gehören 99% der Darmbakterien [3]. Kommt es zu einem Ungleichgewicht in diesem mikrobiellen Ökosytem, kann dies zu einer positiven Energiebilanz führen und die Entwicklung von Übergewicht fördern. Bei übergewichtigen Personen wurde ein erhöhter Anteil der Firmicutes und ein reduzierter Anteil der Bacteroidetes festgestellt [4]. Wird die Entstehung von Übergewicht und Adipositas durch Veränderungen in der Darmmikrobiota begünstig?
Die Darmmikrobiota könnten auf unterschiedlichste Art und Weise Einfluss auf den Ruheumsatz haben. So bildet die mikrobielle Biomasse durch ihre Stoffwechselaktivität selbst Wärme und könnte darüber den Wärmehaushalt unseres Körpers beeinflussen. Eine geringere mikrobielle Wärmeproduktion könnte zum Beispiel einen höheren Ruheumsatz erfordern. Auch die Zusammensetzung der Darmmikrobiota könnte den Ruheumsatz beeinflussen. Unterschiedliche Anteile der verschiedenen Bakterienstämme können die Effizienz bei der Verdauung und Absorption der Nahrung verändern. Der Bakterienstamm der Firmicutes produziert Enzyme, die es möglich machen auch unverdauliche Kohlenhydrate wie Zellulose zu spalten [5], wodurch mehr Energie aufgenommen werden kann [6]. Des Weiteren können auch Hormone einen Einfluss auf den Energieumsatz haben. Im Darmepithel gibt es spezialisierte Zellen, die nach der Nahrungsaufnahme Botenstoffe (Hormone) freisetzen, die unsere Verdauung und Absorption steuern und Hunger und Sättigung beeinflussen. Durch die Wechselwirkung der Darmbakterien mit dem Darmepithel könnte die Bildung und Sekretion dieser Hormone beeinflusst werden und so einen Einfluss auf den Energiebedarf des Menschen haben.
Es gibt also eine Reihe von Möglichkeiten, wie die Darmbakterien unseren Energiehaushalt beeinflussen könnten. Eine entscheidende Frage dabei ist, in welcher Weise wir als Wirt in der Lage sind, diese möglichen Einflüsse auf unseren Energiebedarf zu überwachen und zu steuern.
Gloria Keppner
Verwendete Literatur
[1] Sender, R., S. Fuchs, and R. Milo, Revised Estimates for the Number of Human and Bacteria Cells in the Body. PLoS Biol, 2016. 14(8): p. e1002533.
[2] Javed, F., et al., Brain and high metabolic rate organ mass: contributions to resting energy expenditure beyond fat-free mass. Am J Clin Nutr, 2010. 91(4): p. 907-12.
[3] Eckburg, P.B. and D.A. Relman, The role of microbes in Crohn's disease. Clin Infect Dis, 2007. 44(2): p. 256-62.
[4] Ley, R.E., et al., Microbial ecology: human gut microbes associated with obesity. Nature, 2006. 444(7122): p. 1022-3.
[5] Robert, C. and A. Bernalier-Donadille, The cellulolytic microflora of the human colon: evidence of microcrystalline cellulose-degrading bacteria in methane-excreting subjects. Fems Microbiology Ecology, 2003. 46(1): p. 81-89.
[6] Turnbaugh, P.J., et al., An obesity-associated gut microbiome with increased capacity for energy harvest. Nature, 2006. 444(7122): p. 1027-31.
Genbasierte Ernährungsempfehlungen
Genetische Faktoren beeinflussen das Körpergewicht. So kann eine bestimmte genetische Veranlagung Auswirkungen auf die Nahrungsmittelauswahl oder den Erfolg einer Gewichtsreduktion haben. Daher ist es naheliegend, in den Erbanlagen nach der Ursache für die unterschiedlichen Reaktionen auf bestimmte Ernährungsformen zu suchen. Beispielsweise könnte für die eine Person eine kohlenhydratarme (low-carb) Kostform das Mittel der Wahl zu einer erfolgreichen Gewichtsabnahme sein, während einer anderen Person vielleicht besser eine fettreduzierte Kostform empfohlen werden sollte.
Bis heute ist jedoch unklar, welchen Anteil die genetische Veranlagung bei der Ernährung und Gewichtsregulierung tatsächlich spielt.
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Um eine Ernährungsempfehlung auf Basis der erblichen Veranlagung geben zu können, bedarf es eines Gentests. Unterschiedliche Firmen bieten dazu auf ihren Homepages verschiedene Gentests zum Verkauf an. Die Durchführung bzw. Auswertung eines solchen Gentests läuft immer nach dem gleichen Prinzip ab. Mit Erhalt des Starterpakets sendet der Kunde eine Speichelprobe an den Anbieter seiner Wahl zurück. Dieser wertet die im Speichel enthaltene Erbsubstanz (Desoxyribonukleinsäure, kurz: DNA) aus und erstellt auf Basis des genetischen Profils einen individuellen Ernährungsplan für den Kunden.
Im Hinblick auf die steigende Rate an Übergewicht und Adipositas in der Bevölkerung nimmt das Interesse an individuellen, erfolgsversprechenden Ernährungsempfehlungen zu. Darin sehen im Besonderen kommerzielle Anbieter, die in den letzten Jahren zahlreich auf den Markt getreten sind, ein hohes Potential für Profit. Auch wenn diese Tests eine individuelle Ernährungsempfehlung und teilweise große Abnehmerfolge versprechen, ist die wissenschaftliche Grundlage, auf der diese Versprechen basieren, ungenügend. Bisher konnte der Nutzen dieser Tests in Studien nicht nachgewiesen werden. Aufgrund der Ergebnisse wissenschaftlicher Studien raten verschiedene Fachgesellschaften sogar vom Erwerb solcher Tests ab. Beispielsweise sprechen sich die Deutsche Gesellschaft für Humangenetik und die Amerikanische Gesellschaft für Diätetik und Ernährung gegen genbasierte Ernährungsempfehlungen aus [3,4]. Sie kritisieren neben der geringen Qualität der Testergebnisse eine mangelnde Aufklärung der Kunden über ihre genetische Ausstattung und die daraus gezogenen Ernährungsempfehlungen. Eine Beratung und Begleitung durch medizinisches Fachpersonal, wie einem Arzt, fehlen. Dies ist insbesondere kritisch zu sehen, da die meisten Kunden nicht über ausreichend Wissen verfügen, die Ergebnisse richtig zu interpretieren und einzuordnen. Zusätzlich bleibt die Frage offen, ob der Schutz der persönlichen Daten ausreichend gesichert ist.
Im Folgenden wird der aktuelle wissenschaftliche Stand hinsichtlich genbasierten Ernährungsempfehlungen im Überblick noch einmal kurz dargestellt. In einer großen europaweiten Studie (Food4Me) wurde untersucht, ob moderne, personalisierte Ernährungsempfehlungen zu einer größeren Gewichtsabnahme führen als konventionelle Ernährungsempfehlungen [1]. Über 1.500 Studienteilnehmer erhielten personalisierte Ernährungsempfehlungen, die auf unterschiedlichen individuellen Parametern beruhten. Genbasierte Ernährungsempfehlungen führten zu keiner größeren Gewichtsreduktion als Empfehlungen, die lediglich auf Parametern wie Körpergewicht, Ernährungsvorlieben, Sport und Blutparametern basierten. Im Vergleich zur Kontrollgruppe schnitten alle Gruppen mit einer speziellen Ernährungsempfehlung besser ab. Mit Hilfe dieser groß angelegten Studie konnte aufgezeigt werden, dass kein zusätzlicher Nutzen von genbasierten Ernährungsempfehlungen gegenüber konventionellen personalisierten Empfehlungen bezüglich der Gewichtsreduktion besteht. In der DIETFITS-Studie (Diet Intervention Examining The Factors Interacting with Treatment Success study) folgten circa 600 Erwachsene mit Übergewicht einer zwölfmonatigen fett- oder kohlenhydratreduzierten Kostform. Die Gewichtsreduktion nach 12 Monaten war unabhängig von der genetischen Ausstattung der Studienteilnehmer, der Kostform und der Insulinempfindlichkeit [2].
Zusammenfassend gilt, dass genbasierte Ernährungsempfehlungen zwar vielversprechend klingen, aber zum momentanen Forschungsstandpunkt keinen Vorteil gegenüber konventionellen, individuellen Ernährungsberatungen aufweisen. Fachgesellschaften raten von der Verwendung kommerzieller Gentests ab.
Dr. Christina Holzapfel
Verwendete Literatur
[1] Celis-Morales C, Marsaux CF, Livingstone KM et al.:Can genetic-based advice help you lose weight? Findings from the Food4Me European randomized controlled trial. Am J Clin Nutr 105(5) (2017b) 1204-1213
[2] Gardner CD, Trepanowski JF, Del Gobbo LC et al.: Effect of Low-Fat vs Low-Carbohydrate Diet on 12-Month Weight Loss in Overweight Adults and the Association With Genotype Pattern or Insulin Secretion: The DIETFITS Randomized Clinical Trial. JAMA 319(7) (2018) 667-679
[3] Rafiq M, Ianuale C, Ricciardi W et al.: Direct-to-consumer genetic testing: a systematic review of european guidelines, recommendations, and position statements. Genet Test Mol Biomarkers 19(10) (2015) 535-547
[4] Reis A: Stellungnahme der Deutschen Gesellschaft für Humangenetik (GfH) zu „Direct-to-Consumer“ (DTC)-Gentests. deutsche gesellschaft für humangenetik e.v. (2011)