Polyphenole im Porträt

Grundlegendes zum Einsatz von Polyphenolen als Nahrungsergänzung

Zahlreiche Naturprodukte/Nutraceuticals aus Lebensmitteln, Pflanzen und anderen Organismen werden auf ihre gesundheitsfördernden Wirkungen hin untersucht. Polyphenole, organische Verbindungen, die reichlich in Pflanzen vorkommen, haben in den letzten Jahrzehnten das Interesse in der Ernährungswissenschaft auf sich gezogen. Eine wachsende Zahl von Forschungsergebnissen zeigt, dass der Konsum von Polyphenolen zu einer Modulation von Stoffwechsel, Gewicht und Zellproliferation und so zu einer Verringerung der Risiken für chronische und altersbedingter degenerativer Syndrome führt. Studien im Tier-, und Humanbereich sowie epidemiologische Untersuchungen zeigen, dass mehrere Polyphenole antioxidative und entzündungshemmende Fähigkeiten haben, die präventive und/oder therapeutische Wirkungen bei nicht übertragbaren Krankheiten wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen, neurodegenerativen Syndromen und Fettleibigkeit haben könnten.

Polyphenole

Ein Polyphenol ist eine chemisch nicht weiter charakterisierte organische Verbindung, die als strukturelles Merkmal mehrere (Vorsilbe Poly = viele) an einen aromatischen Ring gebundene Hydroxy-Gruppen (-OH) aufweist und damit der Substanzklasse der Phenole zugeordnet wird.

Zur Stoffklasse der Polyphenole zählen damit alle – nicht einmal im chemischen Sinne ähnliche - Substanzen, die mehrere phenolische OH-Funktionen aufweisen. Polyphenole stellen daher eine große und vielfältige Gruppe von mindestens 10.000 bekannten verschiedenen Verbindungen dar. Bei einigen Pflanzenprodukten, zum Beispiel einigen exotischen Früchten oder Getreide, ist die Zusammensetzung der Polyphenole noch wenig bekannt. In Bezug auf die diätisch verwendeten Polyphenole haben wir es zur Zeit mit etwa 8000 Varianten zu tun, die natürlicherweise in gewöhnlichem Obst, Gemüse und Getränken vorkommen. Diese können entsprechend der Anzahl der darin enthaltenen Phenolringe in vier Hauptunterklassen eingeteilt werden:

1. Die Flavonoide, einschließlich Flavonole, Flavone, Isoflavone, Flavanone, Anthocyanidine und Flavanole;
2. Die Unterklasse der Phenolsäuren, die unterteilt ist in solche Verbindungen, die von Hydroxybenzoesäuren, wie Gallussäure, abgeleitet sind, und solche, die von Hydroxyzimtsäure abgeleitet sind, wie Kaffee-, Ferula- und Cumarsäure;
3. die Stilbene und
4. die Lignane (Abbildung 1). Darüber hinaus gibt es weitere Unterklassen, die nicht zu den derzeit bekannten Phenolklassen gehören, d. h. Alkylphenole, Curcuminoide, Furanocumarine, Hydroxybenzaldehyde, Hydroxybenzoketone, Tyrosole usw.

Abbildung 1: Einteilung der Subklassen von diätetischen Polyphenolen

Funktionen von Polyphenolen

Polyphenolische Verbindungen haben Wissenschaftler international wegen ihrer besonderen Aktivitäten fasziniert, wie z. B. entzündungshemmende, antioxidative und antikarzinogene Eigenschaften.
 
Mehrere natürliche Polyphenole, die besonders intensiv auf ihre gesundheitsfördernden Fähigkeiten beim Menschen untersucht wurden, sind Curcumin aus der Knolle von Curcuma longa; die Epigallocathechine, insbesondere Epigallocatechin-3-Gallat (EGCG), das in grünem Tee entdeckte Favanol; Quercetin und Myricetin, Flavonole in Tee, Zwiebeln, Kakao, Rotwein und in Ginkgo biloba. Andere polyphenolische Verbindungen wurden ebenfalls mit unterschiedlichen Ergebnissen untersucht; diese umfassen Gerb-, Ferula-, Ellag-, Kaffeesäure, Rutin, Kaempferol, Apigenin, Fisetin, Baicalein, Luteolin, Piceatannol, Rotlerin, Silibinin und Malvidin.

Polyphenole als starke Antioxidantien

Polyphenole haben eine typische Molekülstruktur mit einem oder mehreren aromatischen Ringen. Im Molekül sind eine oder mehrere Doppelbindungen vorhanden. Diese Struktur garantiert eine antioxidative Wirkung über alle Klassen der Polyphenole, da es zu einer Delokalisierung des freien Radikals selbst mit entsprechender antioxidativer Aktivität kommt. Somit werden die wahrscheinlich wichtigsten Wirkungen von Polyphenolen bei der Regulierung und dem Management von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) und der Immunmodulation gesehen. Zahlreiche Studien, sowohl in vitro als auch in vivo, haben gezeigt, dass Polyphenole eine hervorragende Fähigkeit haben, bioregenerierende Reaktionen zu stimulieren. Dies ermöglicht die Produktion anderer endogener Antioxidantien. So regulieren Polyphenole die Expression von Superoxiddismutase (SOD), Katalase und Glutathionperoxidase (GPx) hoch.

Polyphenole in weiteren Funktionen – Darmflora

Kumulative Beweise unterstützen die Hypothese, dass die Darmmikrobiota am Fortschreiten menschlicher Syndrome wie Fettleibigkeit, Diabetes, metabolisches Syndrom, Krebs, kardiovaskuläres Syndrom und neurodegenerativer Erkrankungen beteiligt ist. Daher ist der Schluss zulässig, dass die Abwehr altersbedingter Syndromentwicklung und -progression , durch Moleküle erreicht werden kann, die die Mikrobiota positiv beeinflussen.  Die Darmmikrobiota kann in folge dessen epigenetische Variationen auslösen, wie dies bereits mittels Analyse von DNA-Methylierungen in Zellen des Immunsystems bestätigt werden konnte.
 
Die gastrointestinale Mikrobiota gesunder erwachsener Menschen umfasst vor allem Bakterien der Phyla Firmicutes und Bacteroidetes und in geringerem Maße Actinobakterien und Proteobakterien.  Eine Entzündung kann zu einem höheren Maß u.a.  zur Bildung von reaktivemn Sauerstoffradikalen (ROS) führen, die die streng anaeroben Firmicutes deaktivieren und die Vermehrung  fakultativ Aerobier fördern, die allgemein als "Pathobionten" bezeichnet werden. Es handelt sich dabei um einen Zustand, der bei älteren Menschen regelmäßig beobachtet wird. Die Fähigkeit bestimmter Flavonoide, wie Quercetin, Resveratrol und Catechin, die Darmmikrobiota zu kontrollieren, ist aus Tiermodellen bekannt. Interessanterweise wurden Äpfel, die reich an Flavonoiden sind, mit einer Verringerung bestimmter Entzündungsmarker und positiver Beeinflussung der Darmmikrobiota  in Verbindung gebracht.

Wirkung von Polyphenolen auf einige Kennzeichen des Alterns

Natürliche Polyphenole wurden als essentielle Pflanzenstoffe mit Anti-Aging-Eigenschaften identifiziert, wie z.B. Blaubeer-Polyphenole, Schwarztee-Theaflavine und Procyanidine aus Äpfeln, Resveratrol, Curcumin und Epigallocatechingallat. Aktuelle Studien haben gezeigt, dass Polyphenole eine Reihe von Phänomenen modulieren können, die im Alterungsprozess eine zentrale Rolle spielen. So können Polyphenole eine proentzündliche Signalübertragung dämpfen, Nährstoffsensorwege modulieren und die selektive Apoptose seneszenter (alternder) Zellen induzieren. Bezeichnenderweise werden diese biologischen Prozesse mit zunehmendem Alter dysfunktional und sind für die Pathogenese des Alterssyndroms relevant (Abbildung 2). Diese sekundären Pflanzenstoffe scheinen auch vorteilhafte Wirkungen auf die Stammzellfunktion zu zeigen und wurden sowohl in vitro als auch in vivo als wichtige lebenswichtige Promotoren der Geweberegeneration dokumentiert.

Abbildung 2: Hauptmerkmale des Alterns

Polyphenole und Mitochondrien

Es gibt Hinweise darauf, dass die Akkumulation von oxidativem mitochondrialen DNA-Schäden während des normalen Alterns  ein Risikofaktor für die Entwicklung von altersassoziierten neurodegenerativen Erkrankungen ist. Es hat sich gezeigt, dass die Häufigkeit von mtDNA-Punktmutationen während einer Lebensdauer von 80 Jahren etwa um das Fünffache anstieg. Die Entfernung von dysfunktionalen Mitochondrien, die als Mitophagie bezeichnet wird, ist für das Überleben und die Gesundheit von Zellen von entscheidender Bedeutung, insbesondere für Neuronen. Bezüglich der Mitochondrien belegen inzwischen eine Vielzahl von Untersuchungen, dass Polyphenole wie Resveratrol, Curcumin, Oleuropein und Hydroxytyrosol ihre positiven Fähigkeiten über eine Aktivierung der Mitophagie und den Abbau  geschädigter Mitochondrien sowie die Synthese neuer Mitochondrien ausüben.

Polyphenole und Telomere

Die Verkürzung der Telomere ist eine bekannte Theorie im Zusammenhang mit dem Altern. Die an Wachstum, Entwicklung und Fortpflanzung beteiligten Zellen (Stammzellen, Eizellen und Spermatozoen) synthetisieren große Mengen des Enzyms Telomerase, ein Enzym, das an der Erhaltung der Länge der telomeren DNA beteiligt ist. Stattdessen exprimieren die meisten adulten Zellen wenig oder gar nichts von diesem Enzyms, wodurch diese Zellen altern und schließlich sterben. Studien deuten darauf hin, dass Polyphenole mit ihren antioxidativen und entzündungshemmenden Eigenschaften die Telomerlänge beeinflussen und eine Verkürzung weitestgehend verhindern können.

Quellen von Polyphenolen

Natürliche Polyphenole sind eine breite Gruppe von sekundären Pflanzenstoffen (bisher über 8000 beschrieben), die nur im Pflanzenreich vorkommen. Sie werden von der Pflanze als Sekundärmetaboliten zur Abwehr des Angriffs durch Pilze, Bakterien und Insekten (Phytoalexine) synthetisiert. Sie sind für eine Vielzahl von Funktionen in Pflanzen essentiell und verantwortlich für die organoleptischen (Geschmack, Farbe, Adstringenz) und ernährungsphysiologischen Eigenschaften pflanzlicher Lebensmittel. Die qualitative und quantitative Bildung von Polyphenolen in den Pflanzen ist abhängig von den Umweltbedingungen, denen die Pflanzen während des Wachstums ausgesetzt sind.

Polyphenole in der Nahrung und in Supplementen

Seit der Antike nimmt der Mensch enorme Mengen polyphenolischer Verbindungen aus pflanzlichen Quellen auf. Polyphenolreiche diätetische Lebensmittel sind Obst (Trauben, Äpfel, Beeren, Birnen und Kirschen), Getreide, Tee, Rotwein, trockene Bohnen, Kaffee und Schokolade. Viele Früchte sind sehr reich an polyphenolischen Molekülen, die für ihren Geschmack, ihr Aroma und ihre Farbe verantwortlich sind.
 
In der heutigen Ernährung fehlen oft Obst und Gemüse, die Hauptquellen für Polyphenole. Daher sollte der Verzehr dieser Lebensmittelkategorien dringend empfohlen werden. Andererseits könnte die Verwendung von Polyphenolen als Nahrungsergänzungsmittel auch einen starken Einfluss auf die Gesundheit haben. Obwohl es viele In-vitro- und In-vivo-Studien gibt, sind die am Menschen durchgeführten Studien nur wenige und diese oft nicht systematisch organisiert. Da oft der Pflanzenextrakt als Ganzes  verwendet wird, ist es schwierig zu verstehen, welche der Verbindungen die vorherrschende Wirkung hatte, auch weil die Pflanzenbestandteile oft synergetisch wirken.
 
Über die weltweit täglich konsumierten Mengen an Polyphenolen liegen nur unvollständige Informationen vor. Diese Daten wurden durch die Analyse der wichtigsten Aglykone (nach Hydrolyse ihrer Glykoside und Ester) in den am häufigsten vom Menschen konsumierten Lebensmitteln gewonnen. So berechnete Kühnau 1978, dass die Nahrungsaufnahme von Flavonoiden in den Vereinigten Staaten ≈ 1 g/Tag betrug und wie folgt zusammengesetzt war: 16 % Flavonole, Flavone und Flavanone; 17% Anthocyane; 20% Catechine; und 45% „Biflavone“. Obwohl diese Zahlen unter wenig detaillierten Bedingungen gewonnen wurden, dienen sie weiterhin als Referenzdaten. Weitere Studien haben in der Folge genauere Einzeldaten zur Aufnahme verschiedener Klassen von Polyphenolen geliefert (Manach, C. et al.).

Aufnahme, Stoffwechselwege und Ausscheidung von Polyphenolen

Da Polyphenole bioaktive Verbindungen sind, ist es wichtig, ihre Verteilung im menschlichen Körper zu untersuchen. Um ihre therapeutische Wirkung zu entfalten, sollten Polyphenole insbesondere pharmakologische Stoffwechselreaktionen mit anschließender Umwandlung in löslichere Metaboliten und anschließender Ausscheidung durchlaufen.
 
Polyphenole werden hauptsächlich in konjugierter Form als O-Glykoside aufgenommen. Der Metabolismus glykosylierter Polyphenole wird in der Mundhöhle nach Kontakt mit den Glykosidaseenzymen der oralen Mikroflora initiiert. Die meisten Polyphenole bleiben jedoch entlang des Verdauungstraktes intakt. Im Magen und in der Dünndarmschleimhaut angekommen, werden die Glykoside durch eine Hydroxylierungsreaktion in die entsprechenden Aglykone umgewandelt (Phase-I-Wirkstoffmetabolismus). Diese Reaktion wird durch β-Glucosidase-Enzyme unterstützt, die von der Darmmikrobiota exprimiert werden. Auf diese Weise können Aglykone vom Darmlumen in das Zytosol der Enterozyten gelangen, hauptsächlich durch passive Diffusion oder durch Proteinträger wie P-Glykoprotein (P-gp) und Co-Transporter für Natrium-Glukose-Transporter (SGLT1). So kann nur eine geringe Menge an Polyphenolen aus der Nahrung (5–10 % der Gesamtaufnahme) durch Dekonjugationsreaktionen wie Deglykosylierung im Dünndarm leicht resorbiert werden.
 
Einige Hydroxyzimtsäuren wie Ellagitannine sind resistent gegenüber einer enzymatischen Verdauung im Dünndarm und gelangen daher direkt in den Dickdarm, wo sie von der Mikrobiota zu Aglykonen metabolisiert werden. Sobald die Aglykone in die Enterozyten oder Dickdarmzellen aufgenommen wurden, wandern sie durch die Pfortader in die Leber, wo sie weiter konjugiert werden (Phase-II-Wirkstoffmetabolismus), um zu O-Glucuroniden und O-Sulfaten zu werden. Ein variabler Teil der phenolischen Konjugate wird dann in die Galle ausgeschieden und gelangt wieder in den Dünndarm, um erneut den Stoffwechselzyklus zu durchlaufen. Schließlich werden die resultierenden phenolischen Konjugate (O-Glucoronide/O-Sulfate) durch Plasmaproteine in den Blutkreislauf transportiert, bis sie über den Urin ausgeschieden werden.
 
Metabolite von Polyphenolen können prinzipiell zwei Ausscheidungswegen folgen, d.h. über die Gallenwege oder den Harnweg. Große, extensiv konjugierte Metaboliten werden eher über die Galle ausgeschieden, während kleine Konjugate wie Monosulfate bevorzugt über den Urin ausgeschieden werden. Bei Versuchstieren variiert das relative Ausmaß der Ausscheidung über Urin und Galle von einem Polyphenol zum anderen.

Bioverfügbarkeit – Polyphenole

Bioverfügbarkeit ist ein Begriff, der in der pharmakokinetischen Sprache verwendet wird, um den Anteil des Arzneimittels anzugeben, der ohne chemische Modifikation in den systemischen Kreislauf gelangt. In letzter Zeit wird es auch für Nahrungsnährstoffe verwendet. Nach der aktuell akzeptierten Definition ist die Bioverfügbarkeit der Anteil des Nährstoffs, der auf normalen Wegen verdaut, absorbiert und metabolisiert wird.
Fast alle im Blutplasma vorkommende Phenole sind Produkte des Phase-II-Metabolismus, und diese Metaboliten bestimmen die biologische Aktivität der aufgenommenen Polyphenole mit der Nahrung. Diese umfangreichen metabolischen Veränderungen produzieren mehrere Metaboliten aus einem einzigen Polyphenol. Daher unterscheiden sich die Verbindungen, die die Zielzellen und -gewebe erreichen, wo sie ihre Bioaktivität entfalten, chemisch, biologisch und auf viele andere Arten stark von der ursprünglichen Form der Polyphenole, die in Lebensmitteln vorhanden ist.
Trotz geringer oraler Bioverfügbarkeit zeigen die meisten Polyphenole signifikante biologische Wirkungen, die das Paradoxon niedriger Bioverfügbarkeit/hoher Bioaktivität ins Blickfeld rücken. In den letzten Jahren haben die Polyphenol-Metabolite großes Interesse auf sich gezogen, da viele von ihnen im Vergleich zu den ursprünglichen Verbindungen im Nahrungsmittel  ähnliche oder höhere intrinsische biologische Wirkungen zeigen. Es gibt inzwischen zahlreiche Literatur über die biologischen Funktionen von Polyphenol-Metaboliten, die durch Stoffwechselreaktionen der Phasen I und II Enzyme und durch die Darmmikrobiota vermittelte Biotransformation erzeugt werden.