Nanopartikel in Lebensmitteln
Neue Forschungen zu Nanopartikeln in Lebensmitteln haben zu neuen Erkenntnissen über ihre Auswirkungen auf Darmbakterien geführt.
Forscher des Universitätsklinikums Mainz in Deutschland und Kollegen aus anderen Zentren in Deutschland, Österreich und den USA haben entdeckt, dass die ultrafeinen Partikel an Darmbakterien binden können.
In einem Studienpapier über ihre Arbeit – das in der Zeitschrift npj Science of Food erschien – erklären die Autoren, wie die Bindung an Nanopartikel den Lebenszyklus von Darmbakterien und ihre Wechselwirkungen mit dem Körper ihres Wirtes verändern kann. (1)
Die Ergebnisse sollten sowohl für die Medizin als auch für die Lebensmittelindustrie von Nutzen sein. Sie könnten beispielsweise zur Erforschung der Verwendung von Nanopartikeln in Probiotika führen.
Ein Beispiel dafür ist die Beobachtung der Wissenschaftler, dass synthetische Nanopartikel eine Infektion durch Helicobacter pylori verhindern können.
H. pylori ist ein Bakterium, das in der Auskleidung des menschlichen Magens wächst. Es ist für viele Wissenschaftler wegen seiner komplexen Beziehung zu Krebs von großem Interesse. (2)
” Vor Beginn unserer Studien”, sagt Studienleiter Roland H. Stauber, Professor an der Klinik für Hals-, Nasen- und Ohrenheilkunde des Universitätsklinikums Mainz, “hat sich niemand wirklich gefragt, ob und wie Nanopartikel die Magen-Darm-Flora direkt beeinflussen”.
Die Verwendung von Nanopartikeln nimmt rasant zu
Die Nanotechnologie manipuliert Materialien im Nanometerbereich, der etwa gleich groß ist wie der von Atomen und Molekülen. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter, was bedeutet, dass es 25.400.000 davon auf einem Zoll gibt. (3)
Prof. Stauber und Kollegen beschreiben in ihrem Erfahrungsbericht, wie der Einsatz von Nanopartikeln in vielen Bereichen rasant zunimmt. Diese reichen von Medizin und Landwirtschaft über die Herstellung von Körperpflegeprodukten bis hin zur Lebensmittelverarbeitung.
In der Lebensmittelindustrie beispielsweise werden synthetische Nanopartikel eingesetzt, um Lebensmittel aufzuhellen und zu färben, Nährstoffe zu liefern und Infektionen zu verhindern.
All dies kann in den menschlichen Darm gelangen “als Teil von nanobasierten Lebensmitteln und Getränken”, berichten die Studienautoren.
Nanopartikel sind nicht nur deshalb von Interesse, weil sie sehr klein sind, sondern auch, weil die Materialien, aus denen sie bestehen, einzigartige Eigenschaften im Nanobereich aufweisen.
Im Vergleich zu größeren Partikeln, die aus den gleichen Materialien stammen, haben Nanopartikel eine im Verhältnis zu ihrer Größe viel größere Oberfläche, haben “größere Brownsche Bewegung” und sind in der Lage, biologische Barrieren zu überwinden.
Zu diesen Barrieren gehört die Schleimschicht, welche das Gewebe wie beispielsweise den Darm auskleidet.
Aus diesen Gründen wird sich ihr Schicksal im menschlichen Darm wahrscheinlich stark von dem größerer Pendants unterscheiden, die aus den gleichen Materialien stammen.
Laut den Autoren der Studie ist es daher wichtig, sicherzustellen, dass alle nanobasierten Lebensmittelzutaten für die Anwendung in Lebensmitteln sicher sind”.
Der menschliche Darm und sein Mikrobiom
Der menschliche Darm oder Magen-Darm-Trakt verdaut im Laufe des durchschnittlichen Lebens rund 60 Tonnen Nahrung. Über Jahrtausende haben der menschliche Darm und die riesigen Kolonien von Mikroben, die ihn besetzen, eine Beziehung entwickelt, die sowohl komplex als auch für beide Seiten vorteilhaft ist. (4)
Im Laufe der Entwicklung der Partnerschaft haben Darmmikroben eine Schlüsselrolle bei der menschlichen Gesundheit und Krankheit gespielt.
Die Mikroorganismen des Darms umfassen hauptsächlich Bakterien. Dazu gehören auch Pilze, Viren und einzellige Organismen, sogenannte Protozoen. (5)
Wissenschaftler verwenden den Begriff Darm-Mikrobiom, um die Summe aller Genome der Billionen von Mikroorganismen im Darm zu bezeichnen.
Die 3 Millionen Gene im Darmmikrobiom sind weitaus zahlreicher als die 23.000 im menschlichen Genom. Sie produzieren auch Tausende von kleinen Molekülen, die viele Funktionen im menschlichen Wirt erfüllen.
Auf diese Weise helfen Darmbakterien, Lebensmittel zu verdauen, Energie zu gewinnen, die Immunität zu kontrollieren und vor Krankheitserregern zu schützen.
Ungleichgewichte im Darmmikrobiom können jedoch diese wichtigen Funktionen stören, um Krankheiten auszulösen oder nicht davor zu schützen.
Studien haben ein Ungleichgewicht im Mikrobiom mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Allergien, Krebs, Übergewicht und psychiatrischen Erkrankungen in Verbindung gebracht.
Alle Nanopartikel binden an Darmbakterien
Prof. Stauber und seine Kollegen stellten Experimente auf, in denen sie die Auswirkungen einer Vielzahl von synthetischen Nanopartikeln untersuchen konnten.
Diese Experimente simulierten die Reisen, die die verschiedenen Partikel auf ihrem Weg durch die verschiedenen Teile des Darms und auf verschiedene Bakterien machen könnten.
Das Hauptergebnis war, dass alle “derzeit verwendeten oder potenziell zukünftigen nanoskaligen Lebensmittelzusatzstoffe” die Fähigkeit zeigten, sich an Bakterien im Darm zu binden.
Die Nanopartikel sind an alle Arten von Bakterien gebunden, einschließlich der “probiotischen” Arten, die sich in Milchprodukten wie Joghurt vermehren können.
Während alle synthetischen Nanopartikel, die sie getestet hatten, an Bakterien anhaften konnten, bemerkten die Forscher Unterschiede in ihren Bindungseigenschaften.
Wenn sie an Nanopartikel gebunden sind, haben die Bakterien ihr Verhalten in irgendeiner Weise verändert, was sich als vorteilhaft erweisen könnte, und in anderer Weise nicht.
Ein mögliches Ergebnis, das von Nutzen sein könnte, ist die Hemmung von Infektionen, zum Beispiel durch H. pylori. Diese Entdeckung machte das Team bei Experimenten mit Silica-Nanopartikeln in Zellkulturen.
Eine potenziell störende Perspektive, die sich in anderen Experimenten ergab, war jedoch, dass die Bindung an Nanopartikel einige unfreundliche Bakterien für das Immunsystem weniger sichtbar machen könnte. Ein solches Ergebnis könnte z.B. Entzündungsreaktionen verstärken.
Ein wichtiger Punkt der Autoren ist, dass Lebensmittel auch natürlich vorkommende Nanopartikel enthalten – einige davon können bei der Zubereitung in das Lebensmittel gelangen.
Das Team führte auch Experimente mit natürlichen Nanopartikeln durch und war überrascht, ähnliche Ergebnisse zu finden wie die Experimente mit synthetischen Nanopartikeln.
“Es war rätselhaft, dass wir auch natürlich vorkommende Nanopartikel aus Lebensmitteln wie Bier isolieren konnten, die ähnliche Effekte zeigten.”
