Biologische Wirkanalyse

Für die Lebensmittelindustrie ist BioTeSys zu einem wichtigen Dienstleister geworden. Mit hochspezifischen Analyse-Systemen (Fluoroscan-Verfahren, HPLC, LC-MS) kann BioTeSys quantitative Aussagen zur Bioverfügbarkeit verschiedener Substanzen treffen. Evaluierte Analyseverfahren für Carotinoide, Vitamine, Polyphenole, Flavonoide, Retinoide und Konservierungsmittel ermöglichen die Bestimmung verschiedenster Substanzen auch aus komplexen biologischen Matrices, wie sie bei Lebensmitteln vorliegen. Wirkungen von Lebensmittelinhaltsstoffen auf Zellen und erste Einschätzungen einer Substanz hinsichtlich Zytotoxizität, Wachstumsverhalten und Differenzierung, können je nach Fragestellung von BioTeSys an einfachen oder komplexen (organotypischen) Zellsystemen untersucht werden. Verschiedene Modelle (Haut, Schleimhaut, Lunge) stehen zur Verfügung, die die physiologischen Interaktionen zwischen verschiedenen Zelltypen berücksichtigen. Sie ermöglichen somit eine gute Annäherung an in vivo-Situationen. In einem weiteren Schritt führt BioTeSys in Kooperation mit verschiedenen Kliniken Studien durch, die die physiologischen Effekte von Wirksubstanzen ermitteln.

Der Anspruch der Verbraucher an moderne Lebensmittel ist in den letzten Jahren stetig gewachsen und wächst weiter. Neben dem Geschmack werden auch die Haltbarkeit, das Aussehen und vor allem gesundheitliche Zusatzeffekte, wie beispielsweise die Stärkung des Immunsystems, immer wichtiger. Die Lebensmittelindustrie reagiert darauf u.a. mit dem vermehrten Einsatz von Zusatzstoffen.

Natürlich ist der technologische Nutzen zunächst die primäre und wichtigste Begründung für den Einsatz solcher Zusatzstoffe. Gleichzeitig ist wissenschaftlich belegt, dass viele Zusatzstoffe eine ernährungsphysiologische Wirkung auf den menschlichen Organismus haben. Und diese ist nicht zu unterschätzen – zum einen, was den gewollten „Added Value“, aber auch mögliche Störpotentiale betrifft – zum anderen, was hinsichtlich der Marketingstrategie umsetzbar ist. Daraus ergibt sich zwangsläufig, dass jeder Aspekt, der ein Alleinstellungsmerkmal darstellt oder einen Vorsprung gegenüber dem Wettbewerb begründet, zunächst einmal klar erkannt werden muss, bevor er vermarktet werden kann. Um hierbei Risiken für die Hersteller oder Scharlatanerie zu verhindern, muss jede zusätzliche Wirkung nach den geltenden EU-Richtlinien wissenschaftlich nachgewiesen sein.

Am Beispiel der Antioxidantien wird deutlich, dass Zusatzstoffe neben ihrer lebensmitteltechnologischen Bedeutung einen gesundheitlichen Mehrwert für den Verbraucher haben können. Die Vitamine E (E306-309) und C (E300-302, E304) sind als Antioxidantien ohne Höchstmengenbeschränkungen für Lebensmittel zugelassen. Sie verhindern das Ranzigwerden von Fett, Farbveränderungen, sowie die Zerstörung luftempfindlicher Vitamine und Aromastoffe. Ernährungsphysiologisch schützen Antioxidantien den menschlichen Organismus vor der Wirkung freier Radikale. Die Entstehung letzterer ist praktisch nicht zu verhindern: Sie entstehen beim Sport ebenso wie beim Rauchen, Alkoholgenuss oder beim Atmen.

Vitamin E gehört zu den fettlöslichen Antioxidantien und ist Bestandteil aller Membranen tierischer Zellen. Die Forschung geht davon aus, dass seine wichtigste Funktion darin besteht, die mehrfach ungesättigten Fettsäuren der Lipide vor einer Zerstörung durch Lipidperoxidation zu schützen. Lipide sind Bestandteile der Zellmembranen, deren Oxidation durch freie Radikale ausgelöst wird. Bestimmte Krankheitsbilder und auch Alterungsprozesse sind auf derartige Vorgänge im Körper zurückzuführen. Das Antioxidans Vita-min C wirkt synergistisch zu Vitamin E beim Schutz der Membranen gegen die Lipidperoxidation. Darüber hinaus ist Vitamin C an weiteren wichtigen Prozessen im Körper, beispielsweise an der Kollagensynthese oder diversen Entgiftungsreaktionen, beteiligt. Die als Zusatzstoffe deklarierten Antioxidantien tragen erheblich zu physiologischen Reaktionen wie beispielsweise der Reduktion freier Radikale und damit zur Verminderung der durch oxidative Prozesse induzierten Schäden bei.

Die entscheidende Frage, ob es einen gesundheitlichen Nutzen der Zusatzstoffe gibt, ist jedoch mit der Darreichungsform der zugesetzten Antioxidantien verknüpft. Denn Antioxidantien liegen zwar natürlicherweise in Lebensmitteln vor – hier aber in der Regel in einer komplexen Matrix. Bei der Verarbeitung von Lebensmitteln vereinfacht sich häufig die Struktur der Matrix. Im Fall von Lebensmittelzusätzen werden die Wirksubstanzen schwach an eine Matrix assoziiert dem Körper angeboten. Setzt man Antioxidantien als Zusatzstoffe unter derart veränderten Umständen ein, kann sich das wiederum auf die Bioverfügbarkeit und in Folge auf bioaktive Prozesse im menschlichen Organismus auswirken. Somit ist die antioxidative Schutzwirkung als ernährungsphysiologischer Vorteil zu prüfen.

Um die tatsächliche biologische Wirkung nachzuweisen, bedarf es besonderer Analyseverfahren. Diese müssen in der Lage sein, die Menge und die biologische Wirkung auf einzelne Zellen bzw. ausgewählte Gewebe zu erfassen. Und genau das ist das Manko bei vielen gängigen Methoden. In der Regel werden nasschemische Verfahren zum Testen eingesetzt, die rein quantitativ arbeiten: Sie erfassen das gesamte antioxidative Potenzial einer Substanz (oder aller Substanzen eines Gemisches) – prüfen jedoch nicht, ob die Antioxidantien zellulär verfügbar und damit biologisch relevant sind. Folglich eignen sich diese Verfahren nicht oder nur sehr eingeschränkt zum Testen der biologischen Verfügbarkeit.

BioTeSys hat hierfür ein effizientes Testverfahren entwickelt, mit dem die antioxidative Wirkung von Substanzen unter physiologischen Bedingungen untersucht wird und nicht – wie bei den nasschemischen Verfahren – im Reagenzglas. Mit Hilfe eines Fluoreszenz-Farbstoffs wird die intrazelluläre Bildung freier Radikale nachgewiesen.

Das Testverfahren funktioniert folgendermaßen: Zellen werden mit einem nicht fluoreszierenden Farbstoff beladen. Dieser zeichnet sich durch geringe Toxizität, hohe Sensitivität und einfache Handhabung aus. Durch Induktion von oxidativem Stress (H2O2, Hypoxanthin/Xanthinoxidase, Eisen/ADP) werden in der Zelle reaktive Sauerstoffverbindungen generiert. Die intrazelluläre Bildung freier Radikale führt zur Oxidation des Farbstoffes, der dadurch zur Fluoreszenz angeregt wird. Dabei ist die Fluoreszenz das Maß für die Quantität der freien Radikale. Je höher die antioxidative Kapazität der Zellen ist, desto mehr Radikale können abgefangen werden, bevor es zur Oxidation des Farbstoffes kommt. Somit liefert das fluoreszenzspektroskopische Verfahren qualitative Aussagen zur antioxidativen Kapazität der Testsubstanzen.

Lebensmittel, bei denen Vitamin E und Vitamin C, aber auch Gemische aus bekannten oder unbekannten Substanzen (Naturextrakte) aus technologischen Gründen als Zusatzstoffe eingesetzt werden, können beispielsweise mit diesem Verfahren auf ihre antioxidative Wirkung hin untersucht werden. Durch eine nachgewiesene Wirkung (hier: der zusätzliche Schutz vor freien Radikalen) ergeben sich Vorteile, die sich im Wettbewerbsumfeld nutzen lassen. Das jeweilige Lebensmittel wird zu Functional Food oder zu einem Lifestyle-Produkt. Ohne relevante Zusatzkosten in der Produktverarbeitung eröffnen sich im Marketing neue Möglichkeiten, um weitere Verbrauchergruppen anzusprechen und Marktpositionen zu verbessern.

Mit den Fluoroscan-Verfahren hat BioTeSys ein Testsystem entwickelt, das sich durch hohe Empfindlichkeit auszeichnet und zudem ein zuverlässiges und schnelles Screening großer Prüfgruppen ermöglicht. Es liefert erste Einschätzungen, ob eine Substanz von lebenden Zellen aufgenommen bzw. ob eine antioxidative Wirkung im Organismus entfaltet wird. Für tiefergehende Tests werden weitere zellbiologische Parameter wie Zytotoxizität, metabolische Aktivität, Proliferation und Aufnahmekinetiken eingesetzt.

E dei 202