Auswirkungen von Carbohydrase-hemmenden Polyphenolen auf die glykämische Reaktion in vivo

Die Weltgesundheitsorganisation hat berichtet, dass weltweit über 220 Millionen Menschen an Diabetes leiden und dass sich diese Zahl bis zum Jahr 2030 verdoppeln wird. Die WHO berichtet außerdem, dass im Jahr 2004 etwa 3,4 Millionen Menschen an hohem Blutzucker starben (WHO-Informationsblatt Nr. 312, Januar 2011). Etwa 90 % aller Diabetesfälle sind auf Typ-II-Diabetes zurückzuführen. Typ-2-Diabetes ist größtenteils auf Übergewicht und mangelnde körperliche Aktivität zurückzuführen, die durch einen hohen Glukosespiegel (Hyperglykämie) gekennzeichnet sind.

In der menschlichen Ernährung sind Kohlenhydrate die Quelle für Blutzucker. Nahrungskohlenhydrate sind wichtig für die Aufrechterhaltung der glykämischen Homöostase und liefern den größten Teil der Energie in der Ernährung der meisten Menschen. Die Kontrolle des Blutzuckers ist ein hormoneller Prozess und für die menschliche Physiologie sehr wichtig. Hormonelle Prozesse beinhalten die Freisetzung von Insulin aus den β-Zellen der Bauchspeicheldrüsenzellen, was die Aufnahme von Glukose nach einer Mahlzeit in andere Gewebe stimuliert, entweder zur Nutzung (Glykolyse) oder zur Speicherung in der Leber als Glykogen (Glykogenese). Wenn der Blutzuckerspiegel unter den Normalwert fällt, wird Glucagon aus den α-Zellen der Bauchspeicheldrüse ausgeschüttet und fördert die Glukoseproduktion in der Leber, indem es die Bildung von Glukose aus Nicht-Kohlenhydrat-Substraten wie Amino- und Fettsäuren (Glukoneogenese) und die Bildung von Glukose aus Glykogen (Glykogenolyse) induziert ). Neben Insulin und Glucagon gibt es auch Darmhormone, die ebenfalls eine Rolle bei der Kontrolle der Plasmaglukosekonzentration im Körper spielen. Die beiden wichtigen Peptidhormone heißen Glucagon-ähnliche Peptide-1 (GLP-1) und Magen-inhibitorisches Polypeptid (GIP). Ihnen wird eine Inkretinaktivität (Förderung der glukoseabhängigen Insulinsekretion) zugeschrieben. GIP wird von den K-Zellen aus dem oberen Dünndarm ausgeschieden und seine Hauptfunktion besteht darin, die glukoseabhängige Insulinsekretion durch Einwirkung auf die Pankreasinseln zu stimulieren. Es stimuliert auch die Glucagonproduktion und soll auf das Vorhandensein von Nährstoffen reagieren (Seino et al., 2010). GLP-1 wird von den L-Zellen nach Kontakt mit aufgenommenen Nährstoffen aus dem unteren Darm und Dickdarm ausgeschüttet. Es stimuliert auch die Insulinsekretion und -biosynthese, hemmt jedoch Glucagon. GLP-1 soll weitere gesundheits- und krankheitsbezogene Funktionen haben (Marathe et al., 2013).

Wenn die hormonelle Kontrolle der Glukosehomöostase versagt, kommt es zu einem hohen Blutzuckerspiegel (postprandiale Hyperglykämie), der zu einem metabolischen Syndrom führen kann, das Fettleibigkeit, beeinträchtigte Glukosetoleranz (IGT), Bluthochdruck und Dyslipidämie umfasst. Eine Störung der Glukosehomöostase kann auch zu anderen Symptomen wie Entzündungen und oxidativem Stress auf der gesamten Körperebene sowie zu Funktionsstörungen mehrerer Organe und Diabetes führen (Hanhineva et al.). Obwohl der menschliche Körper Kohlenhydrate als Hauptenergiequelle benötigt, kann ein zu hoher Anteil in der Nahrung gesundheitsschädliche Auswirkungen haben, insbesondere wenn er eine hohe glykämische Wirkung hat.

Der vorgeschlagene, von (Aston, 2006) übernommene Mechanismus, wie Kohlenhydrate die menschliche Gesundheit beeinflussen können, besteht darin, dass das ständige Vorhandensein von Nahrungsmitteln mit hohem glykämischen Index in der Ernährung zu einem postprandialen Glukoseanstieg sowie einem hohen Insulinbedarf führt, auf den reagiert werden muss der hohe Blutzuckerspiegel im Blut. Dies geschieht durch die Wirkung der Hormone GIP und GLP-1, die die Insulinausschüttung stimulieren, wenn sie das Vorhandensein von Nährstoffen wahrnehmen. Ein postprandialer Glukoseanstieg und ein hoher Insulinbedarf können zu einer Insulinresistenz führen, die die Hauptkomponente des metabolischen Syndroms darstellt. Ein hoher Insulinbedarf kann auch zu einem Versagen der β-Zellen führen, was ebenfalls zu einer Hyperglykämie führen kann, die ebenfalls eine Ursache für eine Insulinresistenz ist. Insulinresistenz und Hyperglykämie sind Risikofaktoren für das metabolische Syndrom und Diabetes Typ 2.

Wissenschaftliche Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die postprandiale Hyperglykämie beim Menschen eine wichtige Rolle bei gesundheitlichen Prioritäten wie Typ-2-Diabetes und Blutzuckerkontrolle spielt. Berichten zufolge handelt es sich bei etwa 90 % aller Diabetesfälle um Typ-2-Diabetes. Neben Typ-I- und Typ-2-Diabetes gibt es weitere verwandte Erkrankungen, zu denen Prädiabetes (beeinträchtigte Glukosetoleranz (IGT) und beeinträchtigter Nüchternglukosespiegel (IFG) sowie das metabolische Syndrom (Fettleibigkeit, Bluthochdruck und Insulinresistenz) gehören. Es wurde berichtet, dass Prädiabetes und das metabolische Syndrom das Risiko für die Entwicklung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Diabetes mellitus erhöhen (Coutinho et al., 1999). Der glykämische Index wurde ursprünglich zur Behandlung von Diabetes vorgeschlagen. Neuere Studien haben jedoch gezeigt, dass der Gastrointestinaltrakt Potenzial für die Prävention von Typ-2-Diabetes sowie für die Behandlung des metabolischen Syndroms hat. Untersuchungen haben gezeigt, dass Diäten mit hohem GI mit einem erhöhten Risiko für die Entwicklung von Typ-2-Diabetes verbunden sind (Hodge et al., 2004) und (Steven et al., 2002). Weitere Untersuchungen von (Mckeown et al., 2004) und (Scaglioni et al., 2004) haben gezeigt, dass eine Ernährung mit hohem GI mit einer Reihe von Anomalien wie einem erhöhten metabolischen Syndrom und einer Insulinresistenz verbunden ist. Ebenso soll eine Diät mit niedrigem GI die Insulinsensitivität verbessern, es sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich, um dies zu untermauern. Einige Studien wie die von (Frost et al., 1996) haben gezeigt, dass dies der Fall ist. Es wurde jedoch festgestellt, dass es schwierig war zu sagen, ob dies auf eine verbesserte Insulinsensitivität, eine verbesserte Insulinsekretion oder eine verringerte Glukoseabsorptionsrate zurückzuführen war.

Alles in der Ernährung, das die Verdauung und Absorption von Kohlenhydraten verlangsamt, kann dazu beitragen, das Risiko zu verringern (Barclay et al., 2008). Zwei mögliche Lösungen sind unter anderem der Verzehr von Lebensmitteln mit niedrigem glykämischen Index oder die Verwendung von Inhaltsstoffen in der Ernährung, die den glykämischen Index von Lebensmitteln sowie den postprandialen Blutzuckerspiegel senken können. Das Vorhandensein hemmender Komponenten in der Ernährung, die den postprandialen Glukosespiegel senken können, kann ebenfalls eine Lösung zur Risikominderung sein. Medikamente wie Carbose werden derzeit in einigen Ländern zur Behandlung von Typ-2-Diabetes eingesetzt und wirken durch die Hemmung von Kohlenhydrat-Verdauungsenzymen. Allerdings hat die Einnahme von Acarbose Nebenwirkungen wie Übelkeit, Blähungen und Durchfall. Es wurde berichtet, dass Polyphenole auch das Potenzial haben, den Anstieg des Blutzuckers zu hemmen, indem sie die schnelle Absorption von Glukose behindern (Hanhineva et al., Williamson, 2013).

Eine Übersicht von (Hanhineva et al.) berichtete, dass Untersuchungen an Tiermodellen sowie eine begrenzte Anzahl von Studien am Menschen gezeigt haben, dass Polyphenole und polyphenolreiche Lebensmittel oder Getränke das Potenzial haben, postprandiale glykämische Reaktionen und Nüchternglykämien zu beeinflussen Verbesserung der akuten Insulinsekretion und -empfindlichkeit. Zu den weiteren möglichen Mechanismen, über die in der Übersicht von (Hanhineva et al.) berichtet wird, gehören die Stimulierung der β-Zellen der Bauchspeicheldrüse zur Insulinsekretion sowie die Aktivierung von Insulinrezeptoren, die Modulation der Glukosefreisetzung aus der Leber sowie intrazellulärer Signalwege usw Genexpression.

Eine aktuelle Untersuchung von (Williamson, 2013) kam zu dem Schluss, dass es sehr wahrscheinlich ist, dass die Auswirkungen von Polyphenolen in der Ernährung den glykämischen Index von Lebensmitteln sowie die postprandialen Glukosereaktionen beim Menschen beeinflussen. Die beiden hervorgehobenen Mechanismen, durch die dies erreicht werden kann, sind die Hemmung von Zucker metabolisierenden Enzymen und Transportern. Diese potenzielle Wirkung von Polyphenolen kann daher mit der von Acarbose verglichen werden, die nach demselben Mechanismus wirkt, und Untersuchungen in chronischen Interventionsstudien haben gezeigt, dass sie das Diabetesrisiko verringern (Chiasson J. et al., 2002). In der Übersicht von Williamson aus dem Jahr 2013 wurde auch die Möglichkeit erwähnt, dass die gleichzeitige Hemmung verschiedener Mechanismen die vielversprechendsten Effekte erzielen würde. Daher würde die stärkste Wirkung beobachtet werden, wenn mehr als einer der vorgeschlagenen Wege gehemmt würde.

Diese Forschung nutzte verfügbare Informationen aus der Literatur zu durchgeführten In-vitro-Studien und wir entwickelten eine polyphenolreiche Lebensmittelmischung (PRM), die Polyphenole enthält, die in verschiedenen Stadien die höchste Hemmung der Kohlenhydratverdauung und -absorption zeigten. Das polyphenolreiche Frühstücksnahrungsmittel, das als Testnahrung verwendet wird, besteht aus grünem Tee und einer Kombination aus vier Fruchtextrakten. Für den Test wird das PRM zusammen mit Brot verzehrt, das 50 g verfügbare Kohlenhydrate enthält, und die Kontrollmahlzeit besteht aus Brot, Zucker (Fructose, Saccharose und Glucose), die in den Fruchtextrakten enthalten sind, und Wasser. Die Bestandteile der polyphenolreichen Mischung wurden in unserem Labor auf ihren Gesamtpolyphenolgehalt, spezifische Polyphenole und ihr Hemmpotenzial analysiert, um sicherzustellen, dass die Testprobe die Fähigkeit zur Hemmung in vitro besitzt, bevor sie beim Menschen verwendet werden kann. Die erzielten Ergebnisse sind gut und rechtfertigen ihren Einsatz in der Humanstudie.

Die Studie wurde vom Ethikausschuss der University of Leeds Mathematical and Physical Sciences (MAPs) mit der Antragsnummer MEEC12-037 genehmigt. Insgesamt 16 Freiwillige müssen an der Studie teilnehmen und sollten gesund sein und ihr Nüchternblutzuckerspiegel im gesunden Bereich von 4,3–5,9 mmol/l liegen.

Die Freiwilligen sollen 4 Wochen lang einmal pro Woche an 4 Besuchen teilnehmen. Bei jedem der vier Besuche kommt der Freiwillige morgens nüchtern und der Nüchternblutzucker wird von einer ausgebildeten Krankenschwester gemessen. Anschließend erhält der Freiwillige eine Testmahlzeit und Blutproben werden 15, 30, 45, 60, 90, 120, 150 und 180 Minuten nach dem ersten Bissen der Testmahlzeit entnommen. Beim ersten und letzten Besuch werden sie mit der Referenzmahlzeit gerettet, die aus Brot, Wasser und Zucker besteht, um die in den Fruchtextrakten enthaltenen Zucker zu kompensieren. Am dritten und vierten Tag nehmen sie zusätzlich zu Brot Testmahlzeiten mit entweder niedriger oder hoher Dosis grünen Tees und Fruchtextrakten zu sich. Die Blutproben werden entsprechend zu Plasma verarbeitet und bei -80°C gelagert. Plasmaproben werden auf Konzentrationen von Glukose, Insulin, Glucagon, GIP und GLP-1 analysiert. Die Ergebnisse werden zur Darstellung der Fläche unter der Kurve verwendet und die nach dem Verzehr von Testmahlzeiten erhaltenen Ergebnisse werden mit denen nach dem Verzehr von Kontrollmahlzeiten verglichen.

NOTIZ:

1. An der Studie nahmen nur gesunde Teilnehmer teil (daher sind Teilnehmer mit metabolischem Syndrom nicht Teil der Studie).
2. Im Plasma wurden nur Glukose und Insulin analysiert (daher sind GIP, GLP-1 und Glucagon nicht Teil der Endpunkte).