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Nanopartikel im Magen-Darm-Modell

(12.03.2019) Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Duisburg-Essen entwickelten eine Reihe von Experimenten, um die möglichen Wirkungen von Nanopartikeln im Magen-Darm-Trakt abzuschätzen. Das wichtigste Ergebnis: Nanopartikel bleiben nicht allein. Aussagen zu Lebensmitteln oder Gesundheitswirkungen sind jedoch nicht möglich.

 
Auch wenn bisher in Europa keine „Nano-Zutaten“ in Lebensmitteln eingesetzt werden, ist die Sorge groß: Könnten die Nanopartikel, die in einigen pulverförmigen Zusatzstoffen unbeabsichtigt enthalten sind, die Darmflora beeinflussen? Welche Auswirkungen haben sie möglicherweise auf krankheitserregende Bakterien im Darm? Müsste man diese Wirkung also künftig berücksichtigen, wenn irgendwann vielleicht wirklich neue, absichtlich nano-fein hergestellte Zusatzstoffe auf ihre Sicherheit überprüft werden sollen? Und wie verhalten sich jene Nano-Teilchen, die im Laufe der Herstellung ganz von selbst im Lebensmittel entstehen? Um das untersuchen zu können, entwickelten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Zentrums für Medizinische Biotechnologie (ZMB) der Universität Duisburg-Essen eine Reihe von Experimenten. Im Fokus der Untersuchung stand die Frage ob und in welcher Form es eine Interaktion zwischen Bakterien und Nanopartikeln gibt.
 

Modell mit verschiedenen Milieus

Bevor ein Nanopartikel, der über den Mund aufgenommen wird, im Darm ankommt, hat er die enzymreiche Umgebung des Mundes passiert, ist durch die Speiseröhre gerutscht und war im Magen starker Säure ausgesetzt. Das Forscherteam stellte daher in verschiedenen Experimenten den Weg einiger Nanopartikel durch die Stationen des Verdauungstraktes mit ihren jeweils typischen Bedingungen im Labor nach. Sie nutzten dafür verschiedene Siliciumdioxid-Nanopartikel, die als Referenzmaterialien oder Industrieprodukte gut bekannt und beschrieben sind, jedoch keine, die derzeit in Lebensmitteln eingesetzt werden. Darüber hinaus extrahierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen Kohlenstoffbasierten Nanopartikel aus Bier, der dort während des Brauvorgangs entsteht. Unter standardisierten Labor-Bedingungen konnten sie so Zeit, Temperaturen, pH-Wert, die Konzentration von Ionen und die Anwesenheit von Biomolekülen steuern.

Als Vertreter des natürlichen Mikrobioms im Magen-Darm-Trakt dienten dem Forscherteam probiotische Milchsäurebakterien sowie die Krankheitserreger Helicobacter pylori und Listeria moncytogenes.
 

Ergebnisse

In ihren Experimenten zeigten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des ZMP, dass sich Bakterien und Nanopartikel sehr schnell und sehr fest zusammenlagerten. Die Nanopartikel bedeckten dabei große Teile der Oberfläche der Bakterien. Kleine Silica-Partikel (30 nm) lagerten sich stärker an als größere (140 nm). Dieser Effekt lässt sich jedoch durch entsprechende Ummantelungen der Nanopartikel unterbinden.

Nanopartikel, die durch den Magen-Darm-Trakt wandern, treffen dort auf eine Fülle sehr verschiedener Biomoleküle, zum Beispiel Eiweiße, kurzkettige Kohlenhydrate oder auch Gallensalze, die sich an die Nanopartikel anlagern. Auch diesen Prozess simulierten und berücksichtigten die Forscherinnen und Forscher in ihren Experimenten. Dabei zeigte sich, dass die Anlagerung von Nanopartikeln an Bakterien durch die angelagerten Biomoleküle in beinahe allen Umgebungen deutlich reduziert wurde. Nur in der sehr sauren Umgebung künstlicher Magensäure verstärkte sich die Bindung von Nanopartikeln und Bakterien.

Das Forscherteam konnte weiterhin beobachten, dass die Nanopartikel nicht in die Zellen eindrangen. Selbst große Dosen des eingesetzten Silicas hatten zudem keinen Einfluss auf die Vitalität oder das Wachstum der untersuchten Bakterien.

Im Zellmodell zeigte sich außerdem, dass die pathogenen Helicobacter pylori weniger aggressiv waren, wenn sie eine „Hülle“ aus Siliciumdioxid-Nanopartikeln hatten.
 

Keine Aussagen zu Gesundheit möglich.

Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass Bakterien schnell Nanopartikel anlagern, bzw. Nanopartikel sich schnell an die Oberfläche von Bakterien anlagern. Sie belegten einmal mehr die bekannte Beobachtung, dass Nanopartikel in biologischen Systemen eine Hülle von Biomolekülen erhalten. Ob und welche Effekte dies möglicherweise auf den weiteren Weg der Bakterien oder die Antwort des Immunsystems darauf hat, wurde in der Veröffentlichung nicht gezeigt.
 

Keine Aussagen zu Lebensmitteln möglich.

Die Nanopartikel, die in diesen Experimenten eingesetzt wurden, waren entweder eigens für die Forschung hergestellt, als internationale Referenzmaterialien sehr gut beschrieben oder werden industriell in großem Stil hergestellt. Keines dieser Materialien ist jedoch irgendwo auf der Welt für den Einsatz in Lebensmitteln zugelassen.

Da bisher in Europa weder eine reine Nano-Zutat noch ein Nano-Zusatzstoff zugelassen ist, hätten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf jene zugelassenen Zusatzstoffe zurückgreifen können, die zwar selbst keine Nanomaterialien sind, aber bekanntermaßen in geringem Umfang Nanopartikel enthalten können: Titandioxid (E 171) oder Siliciumdioxid (E 551), zum Beispiel. Das haben sie jedoch nicht getan. Aus den Untersuchungsergebnissen lassen sich daher keine Aussagen über das Verhalten oder die Wirkung von Nanopartikeln aus Lebensmitteln ableiten.
 

Die Veröffentlichung im Original:
Siemer et al:  Nanosized food additives impact beneficial and pathogenic bacteria in the human gut: a simulated gastrointestinal study
Unter https://doi.org/10.1038/s41538-018-0030-8 ist die Original-Publikation frei zugänglich.
 

Mehr erfahren

Unter welchen Voraussetzungen Nanomaterialien in Lebensmitteln eingesetzt werden könnten, haben wir Ihnen hier zusammengestellt.
Was man bisher über die Nano-Anteile der zugelassenen Zusatzstoffe weiß, finden Sie hier.
Ob und welche Nanotechnologien im Lebensmittelbereich derzeit tatsächlich eingesetzt werden, erläutert Dr. Ralf Greiner vom Max-Rubner-Institut: "Die gesetzliche Regelung bietet viel Raum für Interpretationen.“
Warum es so schwer ist, Nanomaterialien in Lebensmitteln oder im Körper zu untersuchen und was gute Studien von schlechten unterscheidet, erläutert der Toxikologe Prof. Harald Krug: „Gute Toxikologie braucht Selbstkritik.“


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