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Vorwort

An der am 25. September 2018 in Molecules online unter der Lizenz CC BY publizierten Open Access Studie mit dem Titel „Messung der Toxizität künstlicher Süßstoffe mit einem biolumineszierenden Bakterienpanel“1 waren die Forscher Dorin Harpaz, Loo Pin Yeo, Francesca Cecchini, Trish H. P. Koon, Ariel Kushmaro, Alfred I. Y. Tok, Robert S. Marks und Evgeni Eltzov beteiligt. Sie arbeiteten dabei an zwölf verschiedenen Instituten in Singapur, Israel und Italien.

Die Studie wurde von uns aus dem Englischen übersetzt und dabei zur Verbesserung der Lesbarkeit um einige eher technische Abschnitte gekürzt und auch leicht, nicht den Sinn entstellend modifiziert. Die umfangreichen Quellenangaben wurden weggelassen, ebenso die angebotenen Graphiken. Sie finden die fehlenden Informationen im verlinkten Original.

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Zusammenfassung

Künstliche Süßstoffe sind aufgrund ihres fragwürdigen Einflusses auf die Gesundheit der Verbraucher immer umstrittener geworden. Sie werden den meisten Lebensmitteln hinzugefügt und viele konsumieren diese Zutat ohne ihr Wissen.

Derzeit gibt es noch keinen Konsens über die gesundheitlichen Folgen der Einnahme künstlicher Süßstoffe, da diese noch nicht vollständig untersucht wurden.

Der Verzehr von künstlichen Süßstoffen wurde mit unerwünschten Wirkungen wie Krebs, Gewichtszunahme, Stoffwechselstörungen, Typ-2-Diabetes und Veränderung der Darm-Mikrobiota-Aktivität in Verbindung gebracht.

Darüber hinaus wurden künstliche Süßstoffe als neu entstehende Umweltschadstoffe identifiziert und finden sich in Vorflutern, das heißt in Oberflächengewässern, Grundwasserleitern und im Trinkwasser.

In dieser Studie wurde die relative Toxizität von sechs zugelassenen künstlichen Süßstoffen (Aspartam, Sucralose, Saccharin, Neotam, Advantam und Acesulfam-Kalium-k (ace-k)) und die von zehn Nahrungsergänzungsmitteln für Sportler, die diese künstlichen Süßstoffe enthalten, mit gentechnisch veränderten biolumineszierenden Bakterien von Escherichia coli getestet.

Die biolumineszierenden Bakterien, die leuchten, wenn sie Giftstoffe nachweisen, fungieren als Sensormodell, das das komplexe mikrobielle System im Darm repräsentiert soll.

Es wurden sowohl induzierte Lumineszenzsignale als auch das Bakterienwachstum gemessen.

Toxische Effekte wurden festgestellt, wenn die Bakterien bestimmten Konzentrationen der künstlichen Süßstoffe ausgesetzt waren.

Im Biolumineszenz-Aktivitätstest wurden zwei Toxizitätsreaktionsmuster beobachtet, nämlich die Induktion und Hemmung des Biolumineszenzsignals.

Ein Hemmungsreaktionsmuster kann bei der Reaktion von Sucralose in allen getesteten Stämmen bei folgenden Konzentrationen beobachtet werden:

TV1061 (MLIC = 1 mg/ml),
DPD2544 (MLIC = 50 mg/ml)
DPD2794 (MLIC = 100 mg/ml).

Es wird auch durch Neotam im
DPD2544 (MLIC = 2 mg/ml) Bakterien-Stamm beobachtet.

Andererseits kann das Induktionsreaktionsmuster in seiner Reaktion auf Saccharin in

TV1061 (MLIndC = 5 mg/ml) und
DPD2794 (MLIndC = 5 mg/ml),

sowie bei Aspartam im
DPD2794 (MLIndC = 4 mg/ml) Stamm,

und Ace-k im
DPD2794 (MLIndC = 10 mg/ml) Stamm beobachtet werden.

Die Ergebnisse dieser Studie können helfen, die relative Toxizität von künstlichen Süßstoffen auf E. coli, einem Sensormodell, das für die Darmbakterien repräsentativ ist, zu verstehen.

Darüber hinaus kann das getestete biolumineszierende Bakterienpanel potenziell zum Nachweis künstlicher Süßstoffe in der Umwelt unter Verwendung eines bestimmten Wirkungsmusters verwendet werden.

Einführung

Künstliche Süßstoffe sind eine wichtige Klasse von Zuckeraustauschstoffen, die als hochintensive Süßstoffe bekannt sind, und auch als nicht-nährstoffhaltige Süßstoffe oder als nicht-kalorische Süßstoffe bezeichnet werden. Die Food and Drug Authority (FDA) hat die Verwendung von sechs künstlichen Süßstoffen, darunter Aspartam, Sucralose, Saccharin, Advantam, Neotam und Acesulfam, in Lebensmitteln und Getränken zugelassen. Auch die jüngsten EU-Rechtsvorschriften haben diese künstlichen Süßstoffe genehmigt. Künstliche Süßstoffe bieten einen süßeren Geschmack als Zucker und verbessern auch den Geschmack von Lebensmitteln, während sie sehr wenig zur Energieaufnahme beitragen. Diese Süßstoffe werden am häufigsten als Lebensmittelzusatzstoffe verwendet. Viele verschiedene Bevölkerungsgruppen konsumieren den Zusatzstoff, mit oder ohne Wissen. Dies ist besonders häufig bei Sportlern der Fall, die sich vollzeitlich ihrer Ernährung widmen, zu der oft Sportpräparate zur Verbesserung ihrer körperlichen Leistungsfähigkeit im Training und Wettkampf gehören. In mehreren Patenten für registrierte Produkte wird klargestellt, dass künstliche Süßstoffe Elektrolytgetränken und Nahrungsergänzungsmitteln zugesetzt werden. Infolgedessen ist der durchschnittliche Verzehr von künstlichen Süßstoffen bei Sportlern höher und alle potenziellen Gesundheitsrisiken wären ebenfalls größer.

Die gesundheitlichen Risiken des Konsums künstlicher Süßstoffe sind nach wie vor ein sehr umstrittenes Thema. Künstliche Süßstoffe sollen mit unerwünschten Wirkungen wie Krebs, Gewichtszunahme, Stoffwechselstörungen, Migräne, Typ-2-Diabetes, Gefäßerkrankungen, Frühgeburt, Nierenfunktionsstörungen, Leber-Antioxidans-System, Hepatotoxizität, Störungen des Immunsystems und Veränderung der Darm-Mikrobiota-Aktivität verbunden gewesen sein. Obwohl diese potenziellen Gesundheitsprobleme seit langem untersucht werden, ist aufgrund fehlender konsistenter Beweise noch keine gesicherte Schlussfolgerung zu diesen Behauptungen gezogen worden. Spätere Humanstudien zeigten keinen direkten Zusammenhang mit dem Krebsrisiko. Andere Studien haben jedoch einen Zusammenhang mit einem Rückgang der Nierenfunktion und vaskulären Risikofaktoren gezeigt. Der Verzehr von künstlichen Süßstoffen als Lebensmittelzusatzstoffe wurde als Präventionsstrategie gegen Fettleibigkeit sowie als Diät zur Gewichtsabnahme gefördert, da sie die kalorienreichen Süßstoffe ersetzen. Studien haben eine Ernährung mit künstlichen Süßstoffen mit keiner künstlichen Süßung und künstlichen Süßstoffen mit herkömmlichem Zucker verglichen, wobei die Ergebnisse eine größere Gewichtsabnahme und eine bessere Gewichtskontrolle bei einer künstlichen Süßstoffdiät zeigten. Aber auch das Gegenteil hat sich bestätigt. Es wurde gezeigt, dass der Verzehr von Diätsoda zu einer höheren Gewichtszunahme führt als der Verzehr von natürlich gesüßter Soda. In einer anderen Studie zeigten Ratten, die künstliche Süßstoffe erhielten, eine stetig steigende Kalorienzufuhr, ein erhöhtes Körpergewicht und eine erhöhte Fettleibigkeit. Seit den 1980er Jahren gibt es Studien, die über Assoziationen zwischen künstlichen Süßstoffen und Veränderungen in der Bakterienzusammensetzung berichten. In weiteren Studien, in denen die möglichen Auswirkungen künstlicher Süßstoffe auf das Darm-Mikrobiontensystem untersucht wurden, hat man kontroverse Ergebnisse festgestellt. Eine aktuelle Studie hat gezeigt, dass die Einnahme von künstlichen Süßstoffen wie Lactitol oder Maltitol einige nützliche Bakterien wie Lactobacillus im Darmsystem erhöhte. Eine zweite Studie kam zu dem Schluss, dass künstliche Süßstoffe eine Glukoseintoleranz auslösen. Mäuse wurden mit künstlichen Süßstoffen im Trinkwasser gefüttert und zeigten Darm-Mikrobiota-Veränderungen. Eine weitere verwandte Studie wurde an Schweinen durchgeführt, die mit künstlichen Süßstoffen gefüttert wurden, aber es wurde der Schluss gezogen, dass es eine selektive Wirkung auf die Darmmikrobiota gibt. Darüber hinaus wurden künstliche Süßstoffe als neu entstehende Umweltschadstoffe identifiziert. Sie sind resistent gegen Abwasserbehandlungsprozesse und werden daher kontinuierlich in die Wasserumgebung eingebracht. Mehrere Umweltstudien haben die weite Verbreitung von Ass-k, Saccharin und Sucralose im Wasserkreislauf bestätigt. Konzentrationen von Ace-k und Sucralose bis hin zum Bereich μg L-1 finden sich in Vorflutern, das heißt in Oberflächengewässern, Grundwasserleitern und Trinkwasser. Solche Konzentrationen gehören zu den höchsten bekannten anthropogenen Spurenschadstoffen.

Typischerweise stammen die toxikologischen Beweise aus Studien an geeigneten Tiermodellen und möglicherweise aus Humanstudien. Die Verbindungen können über einen breiten Bereich von Expositionen bewertet werden, einschließlich Dauer und Persistenz der Expositionen. Andere damit verbundene Manifestationen der Toxizität beim Menschen können aus den Fallberichten und epidemiologischen Studien nach der Vermarktung des Produkts entnommen werden. Alle diese Ansätze sind jedoch zeitaufwändig und teuer. Daher besteht Bedarf an schnellen und einfachen Ansätzen, die eine Bewertung der Toxizität der künstlichen Süßstoffe ermöglichen. Der Fortschritt in der Gentechnik ermöglicht nicht nur die „Anpassung“ von Mikroorganismen zur Bestimmung der Identität des Zielanalytikums, sondern auch die Überwachung der biologischen Aktivität dieser Chemikalien durch die Analyse verschiedener Zellreaktionen (zum Beispiel Genexpression, metabolische Aktivität, Lebensfähigkeit). In dieser Studie wurden Bakterien verwendet, die nach Exposition gegenüber bestimmten Belastungen zur Lumineszenz entwickelt wurden. Die biolumineszierenden Bakterien, die lumineszieren, wenn sie Giftstoffe nachweisen, fungieren als Sensormodell, das das komplexe mikrobielle System repräsentiert. Die relative Toxizität der sechs von der FDA zugelassenen reinen künstlichen Süßstoffe (Aspartam, Sucralose, Saccharin, Neotam, Advantam und Ace-k) und 10 Sportergänzungsmittel mit künstlichen Süßstoffen wurden mit drei verschiedenen E. coli-Stämmen (TV1061, DPD2544 und DPD2794) von gentechnisch veränderten biolumineszierenden Bakterien getestet, die auf die verschiedenen Belastungen (zum Beispiel Zytotoxizität, Verfügbarkeit von Aminosäuren, Genotoxizität, entsprechend) reagieren. Die Lumineszenz wurde einfach mit einem empfindlichen Fotodetektor gemessen, der nicht von variablen Hintergrundsignalen beeinflusst wurde. Die in dieser Studie entwickelten Bioreporterbakterien verwendeten Luziferase als Reportergen, das eine empfindliche und einfache Nachweismethode für die Genexpression und -regulation bot. Ein weiterer Vorteil eines bakteriellen, auf Luciferase basierenden Bioassays ist die Fähigkeit, eine ganze Luciferase-Operon zu exprimieren, die eine Leuchtzelle ohne Zusätze oder externe Quellen produziert, was eine Echtzeit-Überwachung der Genexpression ermöglicht. Das bakterielle Luxsystem, das in verschiedenen Stämmen effektiv exprimiert wird, wurde zum Erfassen verschiedener Verbindungen wie Schwermetalle, androgenähnlicher, aktiver Sauerstoff, endokrin wirkende Chemikalien, Phenole und andere Umweltschadstoffe verwendet. Die Einfachheit und biologische Relevanz von bakteriellen Bioreporter-Assays macht sie attraktiv als schnelle und kostengünstige Überwachungsmethode für das Vorhandensein von Schadstoffen in Wasser, Luft, Boden und Lebensmitteln.

Ergebnisse

Dieser mehr technische Abschnitt wurde von uns in der Übersetzung ausgelassen.

Diskussion

Toxizität und Viabilitätseffekt künstlicher Süßstoffe

Seit Jahrzehnten verwenden die Lebensmittel-, Getränke- und andere Industrien künstliche Süßstoffe als Zuckerersatz für Diabetiker und/oder Adipöse. Die Industrie hebt die positiven Aspekte der Verwendung künstlicher Süßstoffe hervor, wie Zahnfreundlichkeit, erhöhte Lebensqualität für Diabetiker und Gewichtskontrolle. Zusätzlich zu den Umweltverschmutzungsproblemen gibt es jedoch viele Hinweise auf die möglichen negativen Auswirkungen, die Zuckeraustauschstoffe auf die menschliche Gesundheit haben. Der Gesamtverbrauch an künstlichen Süßstoffen in Lebensmitteln hat bei Menschen jeden Alters zugenommen, 28% der Gesamtbevölkerung konsumieren sie. Für die Sicherheit der Verbraucher ist es notwendig, den Gehalt an Süßstoffen in Lebensmitteln zu kontrollieren. Verschiedene Analysemethoden (unter anderem Hochleistungsflüssigkeitschromatographie, Ionenchromatographie, Dünnschichtchromatographie, Gaschromatographie, Kapillarelektrophorese, Fließinjektionsanalyse, Elektroanalyse und Spektroskopie) können Süßstoffe einzeln und in Mischungen bestimmen. Es bleibt jedoch noch die Herausforderung, stabile, zuverlässige und robuste Methoden zur Bestimmung von künstlichen Süßstoffen in komplexen Lebensmittelmatrizen und deren vermeintlicher toxischer Wirkung zu entwickeln. Darüber hinaus hat unsere Ernährung einen direkten Einfluss auf das körpereigene Mikrobiom, das nicht nur eine wichtige physiologische Rolle spielt, sondern auch die Anfälligkeit für viele pathophysiologische Erkrankungen reduziert. So kann das Mikrobiom als Drehscheibe dienen und die Auswirkungen der eigenen Ernährung auf die Gesundheit und Krankheitsanfälligkeit des Wirtes lenken. Künstliche Süßstoffe, die häufig in Nahrungsergänzungsmitteln vorkommen, können den gleichen Wechselwirkungen mit dem Mikrobiom ausgesetzt sein und so ihre Wirkung auf den Wirt ausüben. Bisher wurden verschiedene Methoden (zum Beispiel qPCR, Trübung, selektive Kultivierung, Next-Generation-Sequenzierung (NGS)) für verschiedene Arten verwendet, um die möglichen Auswirkungen der künstlichen Süßstoffe auf das Mikrobiom zu bestimmen. Alle diese Technologien sind jedoch kompliziert, sehr teuer und zeitaufwändig. Vor diesem Hintergrund ist eine schnelle und einfache Anwendung zur Bewertung und Charakterisierung der Auswirkungen künstlicher Süßstoffe (z.B. Advantam, Neotam, Ace-K, Aspartam, Saccharin und Sucralose) auf die prokaryotischen Zellen erforderlich. Eine frühere Studie zeigte beispielsweise die Verwendung eines mikrobiellen amperometrischen Sensors für ganze Zellen unter Verwendung von immobilisierten Bacillus subtilis-Zellen für den Nachweis von Aspartam.

In dieser Studie zeigen wir die Verwendung eines Panels von Indikatorbakterien, das in der Lage ist, Wirkstoffe in subinhibitorischen Konzentrationen nachzuweisen und die Wirkungsweise dieser Chemikalien aus ihren Biolumineszenzreaktionen vorherzusagen. Wir verwenden die Expression des Lux-Gens unter der Kontrolle verschiedener Stress-Promotoren, die für regulatorische Netzwerke in den Indikatorbakterien verantwortlich sind. Drei verschiedene Stämme wurden den handelsüblichen künstlichen Süßstoffen ausgesetzt, um ihre mögliche toxische Wirkung zu bestimmen. Die Hemmwirkung auf das gesamte Bioreporterpanel wurde erst bei der Exposition gegenüber Sucralose beobachtet. Frühere Studien haben gezeigt, dass Bakterien Sucralose nicht als Kohlenstoffquelle nutzen und dass die Substitution von Glukose durch Sucralose im Agarmedium zu einer totalen Wachstumshemmung mehrerer Stämme führte. In dieser Studie induzierte Sucralose das Bakterienwachstum bei der höchsten getesteten Konzentration. Eine mögliche Erklärung ist, dass Sucralose, die dem Medium zugesetzt wurde, das alle für das Zellwachstum notwendigen Nährstoffe enthält, die bereits vorhandenen Kohlenstoffquellen nicht ersetzt hat. Es war also kein limitierender Faktor für die bakteriellen Wachstumsprozesse. Andererseits unterdrückte Sucralose jedoch die Lumineszenz in allen Bioreporterbakterien. Die MLIC-Werte waren nicht nur für jede geprüfte Dehnung unterschiedlich, sondern auch die kinetischen Reaktionen der Dehnungen. Im getesteten Konzentrationsbereich wurde die höchste Hemmwirkung bei TV1061-Stamm (1 mg/ml) und dann bei DPD2544 (50 mg/ml) und DPD2794 (100 mg/ml) beobachtet. Nur der TV1061-Stamm zeigte eine zunehmende Hemmwirkung bei höheren getesteten Konzentrationen. Ein solches Hemmmuster deutet darauf hin, dass der Sucralose-Wirkungsmodus die Zyto/Genotoxizität oder die Synthesewege der Fettsäuren nicht beeinflusst. Tatsächlich wurde Sucralose einer vollständigen Reihe von In-vitro- und In-vivo-Mutagenitäts- und Klastogenitätsstudien unterzogen, und kein Beweis deutete darauf hin, dass Sucralose das genotoxische Potenzial hat, genetische Effekte zu induzieren.

Neben Sucralose wurde der DPD2544-Stamm auch durch Neotam gehemmt, ein künstlicher Süßstoff mit einer sehr ähnlichen Struktur wie Aspartam, aber mit höherer Süßkraft. Die Toxizität von Neotam wurde zuvor in Dosen berichtet, die höher waren als die zulässige tägliche Aufnahme. In dieser Studie waren die getesteten Neotamkonzentrationen niedriger, aber sie induzierten TV1061 und hemmten DPD2544 immernoch Lumineszenzen. Der mögliche Grund für diese Ergebnisse ist die Fähigkeit der Bioreporterbakterien, von subaktiven Konzentrationen der Chemikalien beeinflusst zu werden. Es scheint, dass einige Verbindungen (zum Beispiel Antibiotika) bei Verwendung in subtoxischen Konzentrationen die Gen-Transkription aktivieren oder unterdrücken können, die sich von ihren biologischen Wirkungen unterscheidet. Ein weiterer möglicher Grund ist, dass die effektive Neotam-Konzentration in dieser Studie noch zweifach höher war als in realen Lebensmittelproben. Andere Toxizitätstests bewerteten die Toxizität bei solchen Konzentrationen nicht. Die Tatsache, dass Neotam keinen Einfluss auf das Bakterienwachstum hatte, bestärkte diese Ergebnisse.

Acesulfam K ist eines der am häufigsten verwendeten künstlichen Süßungsmittel der Welt und wird von der Food and Drug Administration der Vereinigten Staaten von Amerika „allgemein als sicher“ (GRAS) angesehen. Allerdings sind die Berichte über die Genotoxizitätstests von ace-K widersprüchlich. Es wurde festgestellt, dass es bei Mäusen genotoxisch und klastogen ist, bei Säugetieren nicht mutagen ist und dass es sowohl in „in vivo“ als auch in „in vitro“ Experimenten nicht zytotoxisch und nicht genotoxisch ist. In dieser Studie induzierte ace-K Lumineszenz nur bei genotoxisch empfindlichen Bakterien (DPD2794), was auf eine mögliche Genotoxizität hinweist.

Wie bei ace-K induzierte auch Aspartam die Lumineszenz nur beim genotoxizitätsempfindlichen Stamm. Aspartam ist ein kalorienarmer Süßstoff, der verwendet wird, um eine Vielzahl von kalorienarmen und kalorienreduzierten Lebensmitteln und Getränken zu versüßen, einschließlich kalorienarmer Tischsüßstoffe sowie in Gummis, Frühstückszerealien und anderen Trockenprodukten. Aspartam wurde umfassend auf genotoxische Effekte in mikrobiellen, Zellkultur- und Tiermodellen untersucht. Diese Studien haben Beweise für die Induktion von Chromosomenschäden in vitro gezeigt. Tatsächlich zeigte der DPD2794-Stamm in unserem Fall nicht nur Lumineszenzinduktionseffekte, sondern auch eine Dosisabhängigkeit (höhere Aspartamkonzentrationen führten zu einer stärkeren Zellreaktion). So verstärken diese Ergebnisse die bisherigen Daten über die Genotoxizität von Aspartam gegenüber den E. coli-Stämmen.

In dieser Studie wurde unter allen getesteten künstlichen Süßstoffen die stärkste Induktionswirkung bei Saccharin beobachtet. Saccharin ist der älteste chemische Zuckerersatz und der am besten erforschte aller Süßstoffe, aber es ist immer noch einer der umstrittensten Lebensmittelzusatzstoffe. Viele Studien haben gezeigt, dass Saccharin als schwaches Mutagen wirken kann oder zytotoxische Effekte hervorruft. Ähnlich wie in diesen Studien zeigten unsere Ergebnisse, dass Saccharin bei zytotoxischen und genotoxischen Bakterien die gleichen Lumineszenzreaktionen auslöste. Dennoch zeigte TV1061 nicht nur viel größere (dreimal mehr) Reaktionen als DPD2794, sondern auch die Wachstumsraten dieses Stammes wurden gehemmt. Die Ergebnisse deuten auf eine höhere zytotoxische als genotoxische Wirkung von Saccharin auf die Bakterien hin. Zusammenfassend lassen sich aus diesen Ergebnissen zwei Schlussfolgerungen ziehen. Erstens zeigen verschiedene künstliche Süßstoffe unterschiedliche Toxizitätstypen und erzeugen spezifische Reaktionsmuster. Die zweite Schlussfolgerung ist, dass die bakteriellen Reaktionen mit den Ergebnissen früherer Toxizitätsstudien korreliert waren und Bakterien als Instrument zur Bewertung der Toxizität verwendet werden können.

Nahrungsergänzungsmittel im Sport, Toxizität und Wirkung auf die Lebensfähigkeit

Ernährung wird seit jeher als integraler Bestandteil der körperlichen Leistungsfähigkeit im Sport wahrgenommen. Das Verständnis des menschlichen Stoffwechsels und der Sportphysiologie zeigt einen direkten Zusammenhang zwischen der Leistung im Sport und der Manipulation der Nährstoffaufnahme. So hat sich in den letzten zehn Jahren eine Vielzahl von Sportergänzungsmitteln durchgesetzt, die von den Sportlern routinemäßig verwendet werden. Die Nebenwirkungen dieser Sportpräparate sind jedoch noch nicht vollständig geklärt, da es keine zwingende Regulierung gibt und die Konzentrationen, die Terminologie und die Kombinationen dieser Produkte sehr unterschiedlich sind. Dennoch gibt es nach wie vor eine breite Palette von kommerziellen Sportpräparaten, von denen die meisten künstliche Süßstoffe enthalten. Zahlreiche Studien haben die Toxizität künstlicher Süßstoffe und ihre Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit bewertet. Im Allgemeinen geht es ihnen jedoch nur um die Beimischung zu Nahrungsmitteln, wobei nur wenige ihre Wirkung auf Sportpräparate untersuchen. In dieser Studie wurden zehn verschiedene handelsübliche Sportpräparate getestet. Sie wurden aufgelöst und dem Bioreporter-Bakterienpanel zur Beurteilung der Toxizität ausgesetzt. Jede Sportergänzungsmischung enthält eine Vielzahl von verschiedenen Verbindungen, aber alle beinhalten den Zusatz eines künstlichen Süßstoffs, entweder Sucralose oder/und Ass-k, um den Geschmack der Ergänzung zu versüßen.

Ähnlich wie bei der Toxizität der künstlichen Süßstoffe reagierte das Bioreporter-Panel unterschiedlich auf jedes getestete Sportpräparat. Nur wenn sie SS4, SS8 und SS10 Mischungen ausgesetzt waren, zeigte das Bioreporter-Panel ein ähnliches Reaktionsmuster. Aufgrund der Komplexität der kommerziellen Mischung ist es schwierig zu bestimmen, ob die Reaktionen durch den zugesetzten künstlichen Süßstoff beeinflusst wurden oder ob sie auf das Vorhandensein einer anderen Komponente zurückzuführen sind. Es ist jedoch nach wie vor wichtig, ihre Induktions- oder Hemmwirkung auf das Bioreporter-Panel zu untersuchen. So wurde beispielsweise die Biolumineszenz des DPD2544-Stammes durch alle Supplemente induziert und gehemmt, während die hemmenden Konzentrationen dreifach höher waren als die induzierenden Konzentrationen. Der DPD2544-Stamm zeigte eine ähnliche Hemmwirkung, wenn er Sucralose ausgesetzt war, dem gleichen künstlichen Süßstoff, der in den meisten der getesteten Sportergänzungsmittelgemische verwendet wird. Die Ähnlichkeit des Reaktionsmusters mit dem Sportergänzungsmittel SS6 (eine Mischung, die keine Sucralose enthält), das keine sichtbaren Auswirkungen auf die Wachstumsraten hat, deutet jedoch darauf hin, dass die mögliche Toxizitätswirkung durch eine andere Komponente erzeugt wurde. Zuvor wurde DPD2544 als Bioreporter zur Bestimmung der „allgemeinen Toxizität“ mehrerer Umweltkontaminanten eingesetzt, und seine Induktion deutete auf Unterbrechungen in den Biosynthesepfaden für Fettsäuren hin. Die dosisabhängige Wirkung (Induktion bei niedrigeren Konzentrationen und Hemmung bei höheren Konzentrationen) der Sportpräparate auf den DPD2544-Stamm deutet auf die gleichen Zytotoxizitätsmechanismen hin.

Ein solcher Effekt wurde auch beim TV1061-Stamm beobachtet, einem Bakterium, das auf allgemeine zytotoxische Schäden reagiert. Die Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit dieses Stammes wurde in vielen verschiedenen Anwendungen für die Überwachung der Toxizität von Luft, Boden und Wasser nachgewiesen. In dieser Studie zeigt die Induktionswirkung von SS1, SS5, SS7 und SS10 Nahrungsergänzungsmitteln auf TV1061 die Aktivierung der zytotoxischen Reparaturmechanismen in den Zellen und liefert daher Daten über ihre möglichen Toxizitätsmechanismen. Die größte Wirkung auf das Bakterienpanel wurde mit der SS7-Sportergänzungsmischung beobachtet, wo sie nicht nur Lichtreaktionen in allen Stämmen induzierte und hemmte, sondern auch die Wachstumsraten verringerte. Ähnlich wie bei früheren Ergebnissen wurde bei allen Stämmen das Biolumineszenz-Induktionsreaktionsmuster bei niedrigeren Konzentrationen beobachtet als das Hemmreaktionsmuster. So zeigt beispielsweise das Vorhandensein von SS7 induzierter Biolumineszenz schon bei dreifacher oder einfacher Unterschreitung der inhibitorischen Konzentrationen in DPD2544 beziehungsweise TV1061. DPD2544 hat für alle getesteten Mischungen ähnliche Reaktionsmuster gezeigt, auch wenn keine Wachstumseffekte beobachtet wurden (zum Beispiel SS9). Dieser Stamm beherbergt die Fusion Lux-Gene mit Operon fabA, einem Gen, das für die Bildung einer Doppelbindung in Fettsäuren verantwortlich ist, die in der Membran von E. coli verwendet werden. Die Aktivierung dieses Promotors wird durch Fettsäurehungerereignisse ausgelöst, die durch Zellmembranschäden verursacht werden. So kann DPD2544 als Werkzeug zur Überwachung interner zellulärer Mechanismen verwendet werden, die durch den Verzehr von Nahrungsergänzungsmitteln unterbrochen werden können. Die Tatsache, dass die Sportpräparate bakterielle Reaktionen ohne Beeinträchtigung der Zellwachstumsraten auslösten, trägt ebenfalls dazu bei, deren Toxizitätsgrad (in diesem Fall niedrig) zu bestimmen.

Im Gegensatz zu DPD2544 wurden Zytotoxizität oder Genotoxizität (dargestellt durch Wachstum und Lichtveränderungen) bei deutlich höheren Konzentrationen für alle getesteten Nahrungsergänzungsmittel in anderen Bakterienstämmen beobachtet. So wurden beispielsweise DPD2544-Bakterienzellen, die SS1, SS5 und SS8 ausgesetzt waren, in neunmal niedrigeren Konzentrationen induziert als beim TV1061-Stamm. Interessanterweise wurden die gleichen Stämme gleichzeitig induziert und gehemmt, während die Wachstumsraten aller Zellen in derselben Probe nie erhöht oder reduziert wurden. Die kinetischen Reaktionen von DPD2794 und TV1061 waren sehr ähnlich und zeigten das gleiche toxische Muster. In beiden Stämmen wurden die Reaktionsmuster der Zellen nur bei der höchsten getesteten Konzentration beobachtet, während jedes Sportergänzungsmittel das bakterielle Reaktionsmuster unterschiedlich beeinflusste. So wurde beispielsweise das Lumineszenzsignal im SS5 und SS7 gehemmt bzw. induziert. Solche Schwankungen der Zellreaktionen können durch die Unterschiede in der Zusammensetzung der Sportergänzungsmittel beeinflusst werden und zeigen an, dass beide Stämme empfindlich auf solche Veränderungen reagieren. Andererseits hat DPD2544 in allen getesteten Sportpräparaten immer das gleiche Muster gezeigt, zum Beispiel Induktion bei der niedrigeren Konzentration und Hemmung bei den höheren getesteten Konzentrationen. Die möglichen Gründe für diese einheitlichen Reaktionen können das Vorhandensein von spezifischen Schädigungsmitteln in allen Zusammensetzungen sein, die eine solche Wirkung in diesem Stamm hervorrufen können.

Materialien und Methoden

Dieser Abschnitt wurde von uns nicht übersetzt.

Schlussfolgerungen

Die Toxizitätswirkung von sechs künstlichen Süßstoffen und zehn Sportpräparaten wurde durch die Exposition gegenüber einem Bioreporter-Panel bewertet, das aus drei verschiedenen biolumineszierenden Bakterienstämmen (E. coli) besteht, d.h. zytotoxisch (TV1061), genotoxisch (DP2794) und empfindlich gegenüber Membranschadstoffen (DPD2544) ist. Die Unterschiede in den Reaktionsmustern der Zellen lieferten nicht nur Informationen über die mögliche Toxizitätswirkung dieser Zusatzstoffe, sondern ermöglichten auch die Erstellung eines spezifischen Reaktionsmusters, das in zukünftigen Studien verwendet werden kann. Darüber hinaus war die Art der Toxizität, die durch das vorgeschlagene System bestimmt wurde, ähnlich wie die in der Literatur gefundenen Informationen, was auf die Effizienz des vorgeschlagenen Systems für eine schnelle und empfindliche Bewertung der Toxizität hindeutet. Ähnlich wie bei den künstlichen Süßstoffen reagierte das Bioreporter-Panel mit unterschiedlichen Reaktionsmustern auf die zehn in dieser Studie getesteten Sportergänzungsmittel. Während einige Ähnlichkeiten in den Reaktionen der Zellen auf die künstlichen Süßstoffe festgestellt wurden, schränkt die komplizierte Zusammensetzung der Sportpräparate unser Verständnis und unsere Informationen über die tatsächliche Rolle der künstlichen Süßstoffzugabe ein. Die ausgelösten Leuchtstoff- und Wachstumsraten deuten jedoch darauf hin, dass alle getesteten Sportpräparate für die Bakterien toxisch sind. Die Induktions- und Hemmwirkungen auf den DPD2544-Stamm deuten darauf hin, dass die primäre Wirkungsweise dieser Mischungen die Zellmembran schädigte. Darüber hinaus ist E. coli ein einheimischer Magen-Darm-Mikroorganismus und dient als Modell für die Darmbakterien. Das menschliche Kolonmikrobiom ist eine komplexe mikrobielle Gemeinschaft, die einen signifikanten Einfluss auf die Gesundheit des Einzelnen hat. Dies ist eine vielfältige Gemeinschaft, die eine hohe Zelldichte erreicht und dominante Phyla einschließlich Bacteroidetes, Firmicutes, Actinobacteria und Proteobacteria beinhaltet. Die einheimische Mikroflora des Magen-Darm-Traktes hat tiefgreifende Auswirkungen auf die anatomische, physiologische und immunologische Entwicklung des Wirtes. In dieser Studie haben wir die Toxizitätswirkung auf E. coli in vitro nachgewiesen. Mit dieser Überlegung können wir spekulieren, dass die in unserer Studie beobachtete Reaktion für das Darmmikrobiom relevant sein könnte und somit die menschliche Gesundheit beeinflussen könnte. Da künstliche Süßstoffe gegen Abwasserbehandlungsprozesse resistent sind, wurden sie zudem als neu entstehende Umweltschadstoffe identifiziert. Mehrere Umweltstudien haben ihre Verteilung im Wasserkreislauf bestätigt, mit Ace-k- und Sucralosekonzentrationen von bis zu μg L-1-Bereich. In dieser Studie von Sucralose unterdrückte Lumineszenz in allen Bioreporter-Bakterien, wurde die höchste Hemmwirkung mit TV1061-Stamm (1 mg/ml), dann mit DPD2544 (50 mg/ml) und DPD2794 (100 mg/ml) beobachtet. Darüber hinaus induzierte ace-K Lumineszenz nur bei genotoxisch empfindlichen Bakterien (DPD2794), was auf eine mögliche Genotoxizität hinweist. Das getestete biolumineszierende Bakterienpanel kann potenziell zum Nachweis künstlicher Süßstoffe in der Umwelt eingesetzt werden.

Finanzierung

Diese Studie wurde von der National Research Foundation of Singapore im Rahmen des Campus for Research Excellence and Technological Enterprise (CREATE) und der Singapore-HUJ Alliance for Research and Enterprise (SHARE), dem Institute for Sports Research und dem Singapore International Graduate Award unterstützt.