Auf der Suche nach neuen Biomarkern für Ernährungs- und Gesundheitsstudien, hat ein Forschungsteam vom Leibniz-Institut für Lebensmittel- Systembiologie an der Technischen Universität München (LSB) drei Stoffwechselprodukte identifiziert und strukturell charakterisiert, die als spezifische Marker für den individuellen Kaffeekonsum in Frage kämen. Es handelt sich um Abbauprodukte einer Substanzgruppe, die bei der Kaffeeröstung in größeren Mengen entsteht, sonst aber nur selten in anderen Nahrungsmitteln vorkommt. Dies und die Tatsache, dass sich die potenziellen Biomarker bereits in sehr geringen Urinmengen nachweisen lassen, machen sie für künftige Humanstudien interessant.
Mit rund 168 Litern pro Jahr und Person ist Kaffee laut Statista das mit Abstand beliebteste Heißgetränk Deutschlands. Dabei ist es nicht nur ein Genussmittel, sondern weist auch gesundheitlich positive Eigenschaften auf. So sprechen zahlreiche Beobachtungsstudien dafür, dass ein moderater Kaffeekonsum mit einem verminderten Risiko für Alterszucker oder Lebererkrankungen assoziiert ist.
Biomarker statt Selbstauskunft
Hinsichtlich der getrunkenen Kaffeemengen sind solche Beobachtungsstudien jedoch auf die Selbstauskünfte der Teilnehmenden angewiesen, die schwer zu überprüfen sind. „Ergänzende Untersuchungen wären daher wünschenswert, bei denen sich der Kaffeekonsum objektiv anhand von Biomarkern überprüfen ließe, um den Gesundheitswert von Kaffee noch verlässlicher bestimmen zu können“, sagt Dr. Roman Lang, der am LSB die Arbeitsgruppe Biosystems Chemistry & Human Metabolism leitet.
Obwohl frühere Studien bereits auf Biomarker-Kandidaten hingewiesen hatten, waren die Forschungsarbeiten hierzu jahrelang ins Stocken geraten. Bei den ehemals nachgewiesenen Substanzen handelte es sich um Stoffwechsel-Zwischen- oder Abbauprodukte (Metaboliten) verschiedener Kaffeeinhaltsstoffe, deren Urin-Konzentrationen stark mit der Höhe des Kaffeekonsums korrelierten. Den Forschenden war es damals jedoch nicht gelungen, die molekulare Struktur der Metaboliten eindeutig zu identifizieren.
Einsatz analytischer Hochleistungstechnologien
Daher untersuchte das Team um Dr. Roman Lang im Rahmen einer Pilotstudie die Urinproben von sechs Personen, nachdem sie drei Stunden zuvor 400 ml Kaffee konsumiert hatten. Mit Hilfe analytischer Hochleistungstechnologien sowie unter Zuhilfenahme selbst hergestellter Referenzsubstanzen ist es dem Team gelungen, drei infrage kommende Biomarker-Kandidaten im Urin zu identifizieren und erstmals deren chemische Struktur eindeutig zu bestimmen. Bei diesen handelt es sich um ein Glucuronsäure-Konjugat von Atractyligenin, dessen Glykoside in relativ hohen Konzentrationen in Kaffeegetränken enthalten sind, sowie zwei Glucuronsäure-Derivate eines Atractyligenin-Oxidationsproduktes.
„Unsere Erkenntnisse tragen dazu bei, die Biomarkerforschung voranzubringen“, sagt Dr. Roman Lang. Es müssten nun Dosis-Wirkungs-Studien, Studien zur Pharmakokinetik sowie Humanstudien mit deutlich größeren Probandenzahlen folgen, um die Biomarker-Tauglichkeit der identifizierten Substanzen zu prüfen, so der Wissenschaftler weiter. Prof. Dr. Veronika Somoza, Direktorin des Freisinger Leibniz-Instituts ergänzt: „Lebensmittelspezifische Biomarker sind wichtige Werkzeuge, um die gesundheitlichen Wirkungen von Nahrungsmitteln zu erforschen. Daher ist ein Teil unserer wissenschaftlichen Arbeiten am LSB auch auf die Suche nach Biomarkern für den Lebensmittelkonsum ausgerichtet.“
Hintergrundinformation:
Funktion von Glucuronsäure-Konjugaten
Im menschlichen Stoffwechsel dient Glucuronsäure insbesondere der sogenannten „Entgiftung“ von unpolaren Substanzen. Zu letzteren zählen zum Beispiel aufgenommene Arznei- oder Pflanzenstoffe, aber auch körpereigene Steroidhormone. Der Körper wandelt die Stoffe in der Leber durch die Bindung an Glucuronsäure zu Glucuroniden um. Diese Glucuronsäure-Konjugate sind deutlich wasserlöslicher als die Ursprungsstoffe und lassen sich so leicht über die Nieren mit dem Urin ausscheiden.
Informationen zum Institut:
Das Leibniz-Institut für Lebensmittel-Systembiologie an der Technischen Universität München (LSB) besitzt ein einzigartiges Forschungsprofil an der Schnittstelle zwischen Lebensmittelchemie & Biologie, Chemosensoren & Technologie sowie Bioinformatik & Maschinelles Lernen. Weit über die bisherige Kerndisziplin der klassischen Lebensmittelchemie hinausgewachsen, leitet das Institut die Entwicklung einer Systembiologie der Lebensmittel ein. Sein Ziel ist es, neue Ansätze für die nachhaltige Produktion ausreichender Mengen an Lebensmitteln zu entwickeln, deren Inhaltsstoff- und Funktionsprofile an den gesundheitlichen und nutritiven Bedürfnissen, aber auch den Präferenzen der Verbraucherinnen und Verbraucher ausgerichtet sind. Hierzu erforscht es die komplexen Netzwerke sensorisch relevanter Lebensmittelinhaltsstoffe entlang der gesamten Wertschöpfungskette mit dem Fokus, deren physiologische Wirkungen systemisch verständlich und langfristig vorhersagbar zu machen.
Das Leibniz-Institut ist ein Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft, die 97 selbständige Forschungseinrichtungen verbindet. Ihre Ausrichtung reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts-, Raum- und Sozialwissenschaften bis zu den Geisteswissenschaften. Leibniz-Institute widmen sich gesellschaftlich, ökonomisch und ökologisch relevanten Fragen. Sie betreiben erkenntnis- und anwendungsorientierte Forschung, auch in den übergreifenden Leibniz-Forschungsverbünden, sind oder unterhalten wissenschaftliche Infrastrukturen und bieten forschungsbasierte Dienstleistungen an. Die Leibniz-Gemeinschaft setzt Schwerpunkte im Wissenstransfer, vor allem mit den Leibniz-Forschungsmuseen. Sie berät und informiert Politik, Wissenschaft, Wirtschaft und Öffentlichkeit. Leibniz-Einrichtungen pflegen enge Kooperationen mit den Hochschulen – u.a. in Form der Leibniz-WissenschaftsCampi, mit der Industrie und anderen Partnern im In- und Ausland. Sie unterliegen einem transparenten und unabhängigen Begutachtungsverfahren. Aufgrund ihrer gesamtstaatlichen Bedeutung fördern Bund und Länder die Institute der Leibniz-Gemeinschaft gemeinsam. Die Leibniz-Institute beschäftigen rund 20.000 Personen, darunter 10.000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Der Gesamtetat der Institute liegt bei mehr als 1,9 Milliarden Euro.
In search of new biomarkers for nutrition and health studies, a research team from the Leibniz Institute for Food Systems Biology at the Technical University of Munich (LSB) has identified and structurally characterized three metabolites that could be considered as specific markers for individual coffee consumption. These are degradation products of a group of substances that are formed in large quantities during coffee roasting but are otherwise rarely found in other foods. This and the fact that the potential biomarkers can be detected in very small amounts of urine make them interesting for future human studies.
According to Statista, coffee is by far the most popular hot beverage in Germany. On average, around 168 liters are consumed per person per year. It is not only a stimulant, but also has positive health properties. For example, numerous observational studies indicate that moderate coffee consumption is associated with a reduced risk of type 2 diabetes or liver disease.
Biomarkers instead of self-reporting
However, with regard to the amounts of coffee drunk, such observational studies rely on participants’ self-reports, which are difficult to verify. “Complementary studies would therefore be desirable in which coffee consumption could be objectively verified using biomarkers in order to determine the health value of coffee even more reliably,” says Dr. Roman Lang, who heads the Biosystems Chemistry & Human Metabolism research group at LSB.
Although earlier studies had already pointed to biomarker candidates, research on this had stalled for years. The substances previously detected were metabolic intermediates or breakdown products (metabolites) of various coffee compounds whose urine concentrations correlated strongly with the level of coffee consumption. At the time, however, the researchers had not succeeded in clearly identifying the molecular structure of the metabolites.
Use of high-performance analytical technologies
Therefore, as part of a pilot study, Dr. Roman Lang’s team examined the urine samples of six people after they had consumed 400 ml of coffee three hours earlier. With the help of high-performance analytical technologies and self-produced reference substances, the team succeeded in identifying three candidate biomarkers in the urine and, for the first time, in clearly determining their chemical structure. These are a glucuronic acid conjugate of atractyligenin, whose glycosides are present in relatively high concentrations in coffee beverages, and two glucuronic acid derivatives of an atractyligenin oxidation product.
“Our findings help advance biomarker research,” says Dr. Roman Lang. Dose-response studies, pharmacokinetics and human studies with much larger numbers of subjects must now follow to test the biomarker suitability of the identified compounds, he adds. Professor Veronika Somoza, director of the Freising-based Leibniz Institute adds, “Food-specific biomarkers are important tools to explore the health effects of food. Therefore, part of our scientific work at LSB is also focused on finding biomarkers for food consumption.”
More Information:
Function of glucuronic acid conjugates
In human metabolism, glucuronic acid serves in particular the so-called “detoxification” of nonpolar substances. The latter include, for example, ingested drugs or plant substances, but also endogenous steroid hormones. The body converts the substances to glucuronides in the liver by binding them to glucuronic acid. These glucuronic acid conjugates are much more water-soluble than the original substances and can thus be easily excreted in the urine via the kidneys.
Information about the Institute:
The Leibniz Institute for Food Systems Biology at the Technical University of Munich (LSB) comprises a new, unique research profile at the interface of Food Chemistry & Biology, Chemosensors & Technology, and Bioinformatics & Machine Learning. As this profile has grown far beyond the previous core discipline of classical food chemistry, the institute spearheads the development of a food systems biology. Its aim is to develop new approaches for the sustainable production of sufficient quantities of food whose biologically active effector molecule profiles are geared to health and nutritional needs, but also to the sensory preferences of consumers. To do so, the institute explores the complex networks of sensorically relevant effector molecules along the entire food production chain with a focus on making their effects systemically understandable and predictable in the long term.
The LSB is a member of the Leibniz Association, which connects 97 independent research institutions. Their orientation ranges from the natural sciences, engineering and environmental sciences through economics, spatial and social sciences to the humanities. Leibniz Institutes devote themselves to social, economic and ecological issues. They conduct knowledge-oriented and application-oriented research, also in the overlapping Leibniz research networks, are or maintain scientific infrastructures and offer research-based services. The Leibniz Association focuses on knowledge transfer, especially with the Leibniz Research Museums. It advises and informs politics, science, business and the public. Leibniz institutions maintain close cooperation with universities – among others, in the form of the Leibniz Science Campuses, industry and other partners in Germany and abroad. They are subject to a transparent and independent review process. Due to their national significance, the federal government and the federal states jointly fund the institutes of the Leibniz Association. The Leibniz Institutes employ around 21,000 people, including almost 12,000 scientists. The entire budget of all the institutes is more than two billion euros.