Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 10/2013, 08.10.2013

Die guten und die schlechten Seiten unserer Nahrung

Um das Potenzial unserer Nahrung optimal auszuschöpfen, bedarf es einer feinen Balance gesundheitsfördernder und potenziell schädlicher Inhaltsstoffe. Das Forscherteam des Labors für Lebensmittel- und Ernährungstoxikologie an der ETH Zürich erarbeitet fundamentiertes Basiswissen für Krebsprävention und Krebsbehandlung.

Dr. Katrin Hecht
Wissenschaftliche Mitarbeiterin, katrin.hecht@hest.ethz.ch

Professor Dr. Shana J. Sturla
Leiterin Labor für Lebensmittel- und Ernährungstoxikologie,
shana.sturla@hest.ethz.ch

Chronische Krankheiten sind ein zunehmendes Problem unserer Gesellschaft. Ihre Entstehung ist zu einem grossen Teil auf Reaktionen mit Chemikalien, denen wir in unserer Umwelt ausgesetzt sind oder die wir über unsere Nahrung zu uns nehmen, bedingt. Zum Beispiel nehmen Wissenschaftler an, dass bestimmte Nahrungsmittel, Alkohol oder Tabakkonsum für etwa zwei Drittel aller Krebserkrankungen verantwortlich sind. Chemikalien, einschliesslich krebserregender Substanzen, sind – wenn auch oft in kleinen Mengen – ein natürlicher Bestandteil unserer Nahrungsmittel. Sie stammen aus Verunreinigungen des Wassers, von Pestiziden, von Kontaminationen durch Pilze oder Bakterien oder diffundieren aus Verpackungsmaterialien. Darüber hinaus können bei der Verarbeitung von Lebensmitteln toxische Substanzen entstehen. Ein besseres Verständnis, wie und ab welchen Mengen diese gesundheitsschädigenden Stoffe ein Problem für die Lebensmittelsicherheit darstellen, wird uns helfen, den negativen Einfluss unserer Nahrung zu minimieren und noch mehr von ihren Vorteilen zu profitieren.

Das Labor für Lebensmittel- und Ernährungstoxikologie an der ETH Zürich erforscht mithilfe von Methoden aus dem Bereich der organischen Chemie, der Biochemie und der analytischen Chemie den Zusammenhang zwischen der chemischen Struktur einer bestimmten Substanz in der Nahrung, seiner Biotransformation in der Zelle und die daraus resultierende zelluläre Antwort. Dazu werden chemische Analysen (Massenspektrometrie, Absorptions- und Emmisionsspektroskopie, Phosphorimaging), Synthesen, enzymatische Analysen und Zellkulturarbeiten durchgeführt, um dringliche toxikologische Fragestellungen in Angriff zu nehmen.

Welche Stoff-Lebensmittel-Kombinationen bergen die bedeutendsten gesundheitlichen Risiken? Wir sind täglich Stoffen ausgesetzt, die ein potenzielles Gesundheitsrisiko darstellen. Obwohl das karzinogene Potenzial eines Grossteils dieser Stoffe bekannt ist, bleibt zu klären, ab welchen Verzehrmengen eine Gefahr für die Gesundheit bestehen könnte. Substanzen aus unserer Nahrung können Biomoleküle, zum Beispiel Proteine, oder Nukleinsäuren in der Erbsubstanz (DNS) in unserem Körper mutieren und damit eine Änderung im zellulären Gleichgewicht der Zelle verursachen. Zur Gewährleistung einer hohen Lebensmittelsicherheit ist eine effiziente Lebensmittelüberwachung notwendig. Deshalb entwickeln Wissenschaftler der ETHZ in Zusammenarbeit mit dem Bundesamt für Gesundheit (BAG) ein Modell, um Stoff-Lebensmittel-Kombinationen risikobasiert zu priorisieren. Dieses Modell berücksichtigt die Toxizität von Substanzen, deren Gehalt in Lebensmitteln und angenäherte Verzehrdaten der Schweizer Bevölkerung. Das Modell wird eine relative Einschätzung der Risiken verschiedener Stoff-Lebensmittel-Kombinationen untereinander trotz bestehender Unsicherheiten und Variabilitäten erlauben.

Wie kann eine Zelle eine Mutation reparieren oder unschädlich machen? Beispiele für krebserregende Stoffe in unserer Nahrung sind heterozyklische Amine, wie sie beim starken Erhitzen von Fleisch, Fleischextrakt oder Fisch entstehen können, oder Nitrosamine, wie sie im geräucherten oder gepökelten Fleisch vorkommen. Diese Karzinogene können die Erbinformation schädigen, indem sie Nukleinsäuren alkylieren. Wird eine derartige Mutation nicht rechtzeitig von der Zelle erkannt und repariert, kann sich die betroffene Zelle zur Krebszelle entwickeln und bei der nächsten Zellteilung falsche Erbinformationen an ihre Tochterzelle weitergeben.

Säugetierzellen haben verschiedene Möglichkeiten, um Veränderungen am Erbgut zu beheben. Der Reparaturprozess ist jedoch nicht fehlerfrei, hängt vom Ausmass der Störung des Zellmetabolismus durch das Karzinogen ab und ist zudem von der individuellen, genetischen Prädisposition abhängig. Der genetische Faktor spielt zum Beispiel eine Rolle, wenn eine bestimmte Menge an Karzinogen bei manchen Menschen zu Krebs führt, während andere gesund bleiben.

Das Ziel der Forscher ist es, zu verstehen, wie Mutationen entstehen, wie sie sich vermeiden lassen und welche Faktoren, zum Beispiel bioaktive Substanzen aus der Nahrung, den Gehalt und die Effizienz dieser Enzyme in der Zelle beeinflussen können. Ein Teil dieser Arbeit wird durch einen renommierten European Research Council Award gefördert, in dessen Rahmen Forscher versuchen, chemisch motiviert, neuartige, synthetisch hergestellte Nukleoside als chemische Proben einzusetzen, um Mutations- und Reparaturvorgänge verfolgen zu können.

Welche Rolle spielen Darmbakterien bei der Metabolisierung von karzinogenen Substanzen aus unserer Nahrung? Die Mikrobiota im Darm ist individuell verschieden und ihre Zusammensetzung wird durch die Ernährung beeinflusst. Allerdings wissen wir wenig, welchen Einfluss Darmbakterien auf die Toxizität von Karzinogen in unserer Nahrung haben. PhiP ist ein heterozyklisches Amin, welches beim starken Anbraten von Fleisch entsteht. Die Wissenschaftler haben einzelne Bakterienstämme auf ihre Fähigkeit, PhiP zu metabolisieren, getestet und neue Metabolite identifiziert und quantifiziert. Künftige Studien werden zeigen, ob damit das kanzerogene Potenzial der Ausgangsstoffe verstärkt oder vermindert wurde, was dies für das Risiko, an Darmkrebs zu erkranken, bedeutet und welche Substanzen aus der Nahrung die Präsenz von Bakterien mit positiver Wirkung beeinflussen können. Diese Arbeiten werden in Kollaboration mit dem Labor für Lebensmittelbiotechnologie der ETHZ durchgeführt.

Welche neuen Strategien sind denkbar, um Veränderungen im Erbgut von Zellen zu quantifizieren? Um die Toxizität eines Moleküls beurteilen zu können, müssen Veränderungen im Erbgut einer Zelle, der DNS, aufspürbar sein. Dazu braucht es eine zuverlässige, empfindliche, zeiteffiziente Methode. Die ETHZ-Experten entwickeln zu diesem Zweck Nanoproben. Diese synthetischen Biokonjungate basieren auf Gold-Nanopartikeln und ändern ihre Farbe, wenn sie mit Modifikation im Erbgut, wie sie zum Beispiel durch Nitrosamine aus geräuchertem oder gepökeltem Fleisch verursacht werden, hybridisieren.

Diese Art von Nanoproben könnten Wissenschaftler in der Zukunft benutzen, um kleinste Mengen an DNA-Addukten in krebsrelevanten Genen kolorimetrisch nachzuweisen, was mit den derzeitigen Methoden nur in geringem Masse oder überhaupt nicht möglich ist.

Haben Chemikalien aus unserer Nahrung auch ihre positiven Seiten? Lebensmitteltoxikologie hat nicht nur ihre Schattenseiten. Zum Beispiel haben einige Nahrungskomponenten das Potenzial, die Wirkung von Medikamenten zu verbessern.
Einige DNS-alkylierende Krebsmedikamente werden erst im Körper mittels Bioreduktion aktiviert. Das Labor für Lebensmittel- und Ernährungstoxikologie arbeitet zum Beispiel seit Längerem mit Acylfulvenen, einer Gruppe semisynthetischer Moleküle, welche auf der Struktur von Giftstoffen beruhen, die ursprünglich aus den Jack-O’Lantern-Pilzen isoliert wurden und in der Zelle durch Enzyme (Oxidoreduktasen) aktiviert werden. Dadurch entstehen reaktive Intermediate, die mit Nukleinsäuren und Proteinen in einer Zelle reagieren und die Zelle nachhaltig schädigen können. Im Rahmen eines multidisziplinären, vom schweizerischen Nationalfonds geförderten Projekts, untersucht das Team um Professor Sturla in Kollaboration mit Forschern aus Zürich und Basel sowie dem Universitätsspital Zürich den Einfluss verschiedener Nahrungskomponenten auf die Wirkung derartiger Medikamente. Dabei haben sie entdeckt, dass Darmkrebszellen, die mit Sulforaphane, einer Chemikalie aus Brokkoli, vorbehandelt wurden, sehr viel sensitiver auf diese Art von Krebsmedikamenten reagieren als unbehandelte Zellen.

Eines der Ziele ist es, eine wissenschaftlich fundierte Basis zu schaffen, aufgrund der Ernährungsempfehlungen für Krebspatienten formuliert werden können oder Anreize zur Entwicklung neuer Nahrungsmittelprodukte gegeben werden, mit dem Ziel, Nebenwirkungen sowie den Schaden einer Krebstherapie auf gesunde Zellen zu reduzieren. ¡

Weitere Informationen:
www.toxicology.ethz.ch
Dieser Artikel ist der siebte von zehn Beiträgen, welche die Forschungsgruppen am Institut für Lebensmittel, Ernährung und Gesundheit der ETHZ vorstellen.