Metabolische und endokrine Auswirkungen einer 12-wöchigen allulosereichen Diät
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Diese Publikation erschien am 10. Juni 2024 in der Sonderausgabe 'Diabetes, Ernährung und Gesundheitszustände'.
Quelle: MDPI
Autoren: Kevin B. Cayabyab 1, Marley J. Shin 1, Micah S. Heimuli 1, Iris J. Kim 1, Dominic P. D'Agostino 2 ORCID, Richard J. Johnson 3, Andrew P. Koutnik 4, Nick Bellissimo 5, David M. Diamond 6 ORCID, Nicholas G. Norwitz 7, Juan A. Arroyo 1, Paul R. Reynolds 1, ORCID und Benjamin T. Bikman 1 *
1.) Abteilung für Zellbiologie und Physiologie, Brigham Young University, Provo, UT 84602, USA
2.) Abteilung für Molekulare Pharmakologie und Physiologie, University of South Florida, Tampa, FL 33602, USA
3.) Abteilung für Medizin, University of Colorado, Aurora, CO 80045, Vereinigte Staaten von Amerika
4.) Sansum Diabetes Research Institute, Santa Barbara, CA 93105, USA
5.) Fakultät für Ernährungswissenschaften, Toronto Metropolitan University, Toronto, ON M5S 1A8, Kanada
6) Abteilung für Psychologie, University of South Florida, Tampa, FL 33602, USA
7.) Harvard Medical School, Boston, MA 02115, Vereinigte Staaten von Amerika
* Korrespondenzautor.
Abstrakt
Der weltweite Anstieg von Typ-2-Diabetes (T2D) und Fettleibigkeit erfordert innovative diätetische Interventionen.
Diese Studie zeigte, dass Allulose den Blutzuckerspiegel in einem ernährungsinduzierten Fettleibigkeits-T2D-Rattenmodell senkt.
Wir stellten die Hypothese auf, dass eine Allulose-Supplementierung über 12 Wochen das Körpergewicht, die Insulinsensitivität und die glykämische Kontrolle verbessert.
Unsere Ergebnisse zeigten, dass Allulose die schädlichen Auswirkungen einer fett- und zuckerreichen Ernährung milderte, einschließlich einer verringerten Gewichtszunahme und einer verbesserten Insulinresistenz.
Die Allulose-Gruppe zeigte eine geringere Nahrungsaufnahme und einen Anstieg des Spiegels an Glucagon-like Peptid-1 (GLP-1), was die Glukoseregulation und Appetitkontrolle verbesserte.
Darüber hinaus verhinderte Allulose die Ansammlung von Leber-Triglyzeriden und förderte die mitochondriale Entkopplung im Fettgewebe.
Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Allulose-Supplementierung Marker für die metabolische Gesundheit verbessern kann, was sie zu einer vielversprechenden diätetischen Komponente bei der Behandlung von Fettleibigkeit und T2D macht.
Weitere Forschungen sind erforderlich, um die langfristigen Vorteile und Mechanismen von Allulose bei der Vorbeugung und Behandlung von Stoffwechselerkrankungen zu erforschen.
Diese Studie untermauert das Potenzial von Allulose als sichere und wirksame Intervention zur Verbesserung der metabolischen Gesundheit im Kontext von diätetischer Überernährung.
Schlüsselwörter: Insulinresistenz ; Diabetes ; Fettleibigkeit ; Mitochondrien ; Allulose
1. Einleitung
Die wachsende weltweite Prävalenz von Typ-2-Diabetes (T2D) und Fettleibigkeit stellt eine bedeutende Herausforderung für die öffentliche Gesundheit dar, was es notwendig macht, innovative Ernährungsstrategien zu erforschen, um diese Krankheiten zu lindern.
Die weltweit grassierende Epidemie von Typ-2-Diabetes (T2D) und Fettleibigkeit erfordert eine unermüdliche Suche nach innovativen und wirksamen Interventionen.
Allulose (D-Psicose) ist ein seltener natürlicher Zucker, der in geringen Mengen natürlich in bestimmten Früchten vorkommt.
Allulose bietet die Süße von Fruktose, unterscheidet sich jedoch metabolisch; sie ist ein C-3-Epimer der Fruktose, das im Gegensatz zu Fruktose keinen Einfluss auf Glukose oder Insulin hat.
Darüber hinaus ist Allulose im Gegensatz zu Fruktose kein Substrat für die De-novo-Lipogenese und übt keine hemmende Wirkung auf die Fettsäureoxidation aus [ 1 ].
Zusammengenommen machen diese Gründe Allulose zu einem attraktiven Kandidaten für die diätetische Behandlung von Stoffwechselstörungen, sowohl durch die Verdrängung von diätetischer Fruktose als auch durch die Bereitstellung vermuteter metabolischer Vorteile [ 1 , 2 , 3 ].
Im Gegensatz zu herkömmlichen Zuckern wird Allulose weitgehend im Dünndarm aufgenommen und ausgeschieden, ohne vollständig metabolisiert zu werden [ 4 ], wodurch sie neben anderen kalorienarmen oder kalorienfreien Süßungsmitteln eine kalorienarme Alternative zu Saccharose und Maissirup mit hohem Fruktosegehalt bietet [ 5 ].
Jüngste Studien am Menschen haben die potenziellen Vorteile von Allulose hervorgehoben, einschließlich einer verbesserten glykämischen Kontrolle und reduzierter Fettleibigkeit, ohne die mit herkömmlichen Zuckern verbundenen schädlichen metabolischen Auswirkungen [ 1 , 6 , 7 , 8 ].
Obwohl sie die Freisetzung von endogenem Glucagon-like Peptid-1 (GLP-1) eindeutig steigert [ 9 ], was bei Abnehmmedikamenten stark genutzt wird [ 10 , 11 ], sind die Mechanismen, die diesen wohltuenden Wirkungen zugrunde liegen, noch nicht vollständig geklärt.
Während Studien am Menschen von entscheidender Bedeutung sind, bieten Tiermodelle, insbesondere Nagetiermodelle für Typ-2-Diabetes und Fettleibigkeit, eine wertvolle Gelegenheit, die physiologischen, metabolischen und molekularen Reaktionen auf Allulose in einer kontrollierten Umgebung zu untersuchen.
Diese 12-wöchige Studie untersuchte die Auswirkungen einer diätetischen Allulose-Supplementierung in einem Rattenmodell für ernährungsinduzierte Fettleibigkeit und Typ-2-Diabetes.
Wir stellten die Hypothese auf, dass eine Allulose-Supplementierung zu signifikanten Verbesserungen bei Körpergewicht, Insulinsensitivität und glykämischer Kontrolle im Vergleich zu Kontrolltieren führt, die mit einer Standarddiät ohne Allulose gefüttert wurden.
Zudem untersuchten wir die potenziellen Mechanismen, durch die Allulose ihre Wirkung entfaltet, einschließlich ihrer Auswirkungen auf den Adipozyten-Stoffwechsel und die Adipokinproduktion, das Nährstoffmanagement in der Leber sowie Entzündungsmarker.
Indem wir die metabolischen Wirkungen von Allulose in einem gut etablierten Tiermodell für Typ-2-Diabetes und Fettleibigkeit erforschten, trägt diese Studie zur wachsenden Literatur bei, die den Einsatz von Allulose als sichere und wirksame diätetische Intervention zur Behandlung dieser Zustände unterstützt.
Die Forschungsergebnisse könnten erhebliche Auswirkungen auf diätetische Empfehlungen, Praktiken der Lebensmittelindustrie und die Entwicklung neuer therapeutischer Strategien zur Bekämpfung der Ätiologie von Typ-2-Diabetes und Fettleibigkeit haben.
Das Ziel der Studie war es, frühere Erkenntnisse über den Effekt von Allulose bei der Milderung bestimmter metabolischer Auswirkungen der westlichen Ernährung zu bestätigen und diese durch die Berücksichtigung von Ergebnissen zur Physiologie des Fettgewebes und zur mitochondrialen Bioenergetik zu ergänzen.
2. Materialien und Methoden
2.1. Tiere
Zwölfwöchige weibliche und männliche Wistar-Ratten wurden von Jackson Laboratories (Bar Harbor, ME, USA) bezogen und bei 22 ± 1 °C in einem 12-Stunden-Licht-Dunkel-Zyklus gehalten.
Die Tiere wurden randomisiert in vier Gruppen eingeteilt und während einer 12-wöchigen Studie einzeln untergebracht ( n = 10; 5 weiblich, 5 männlich): Standard-Laborfutter mit Stevia (Stevita Naturals, Kennendale, TX, USA), westliches Diätfutter mit Stevia, Standard-Laborfutter mit Allulose oder westliches Diätfutter mit Allulose.
Die Allulose (allSWEET® ) wurde von Anderson Advanced Ingredients (Irvine, CA, USA) bereitgestellt.
Die Tiere hatten freien Zugang zu Futter und Wasser.
Die westliche Diät war Research Diets D12266B (New Brunswick, NJ, USA), die Saccharose, gesättigte Fette (Butter) und mehrfach ungesättigte Fette (Maisöl) enthielt.
Stevia und Allulose wurden im Trinkwasser verabreicht, wobei jedes Tier täglich 30 ml steriles Wasser erhielt, das entweder 0,1 ml Stevia (mit einer an Allulose angepassten Süße) oder 3 % Allulose (zur Erreichung einer täglichen Dosis von ca. 1,9 g/kg/Tag) enthielt, wie bereits früher praktiziert [ 12 ].
Während des Protokolls wurde alle vier Wochen nach einer 8-stündigen Fastenperiode Blut aus der Schwanzvene zur kontinuierlichen Hormon- (Insulin und GLP-1) und Glukoseanalyse entnommen.
Nach dem 12-wöchigen Protokoll wurden die Tiere für Toleranztests verwendet und anschließend zur Gewebeentnahme für weitere Analysen getötet (siehe unten).
Alle Arbeiten wurden vom Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC; 23-1222) der Brigham Young University genehmigt und gemäß den in den "Guide for the Care and Use of Laboratory Animals" der National Institutes of Health beschriebenen Verfahren und Vorschriften durchgeführt.
2.2. ATP-Quantifizierung
Die ATP-Konzentration ( n = 8 pro Gruppe) wurde mittels ATPlite Luminescence Assay Kit (Perkin Elmer; Waltham, MA, USA) gemessen. Die Gewebe wurden in ATP-Stabilisierungspuffer homogenisiert (drei Volumenteile eiskalte PBS mit 20 mM Glycin, 50 mM MgSO4 und 4 mM EDTA).
Die Homogenisate wurden dann 1:5 in ddH2O verdünnt. Insgesamt 100 μL ATP-Stabilisierungspuffer und 50 μL Lysis-Puffer für Säugetierzellen wurden in eine undurchsichtige, weiße 96-Well-Platte für die Standardwells gegeben und dann 5 Minuten lang bei 25 °C und 700 U/min auf einem Schüttler geschüttelt.
Anschließend wurden 100 μL der verdünnten Proben in offene Wells gegeben und 10 μL der Standards wurden zum oben genannten ATP-Stabilisierungspuffer hinzugefügt.
Die Platte wurde dann 5 Minuten lang bei 25 °C und 700 U/min auf einem Schüttler geschüttelt. Danach wurden 50 μL Substrat in jedes Well (im Dunkeln) gegeben und 5 Minuten lang bei 25 °C und 700 U/min geschüttelt. Die Lösungen in den Wells wurden 10 Minuten lang zur Dunkeladaptation stehen gelassen. Die Lumineszenz wurde anschließend mittels Victor Nivo Multimode Plate Reader (Perkin Elmer) gemessen und die ATP-Konzentration auf die Proteinkonzentration normalisiert, die mit dem BCA Protein Assay (Thermo Fisher Scientific; Waltham, MA, USA) gemessen wurde.
2.3. Mitochondriale Atmung
Die mitochondrialen Sauerstoffverbrauchsraten wurden bei 37 °C aus frisch isoliertem Gewebe mit einem Oroboros O2K Oxygraph (Oroboros, Innsbruck, Österreich) unter Verwendung von MiR05-Respirationspuffer bestimmt, wie zuvor beschrieben [ 13 ].
Bevor die Gewebeproben aus dem Fettgewebe in die Kammern des Oxygraph-Respirometers gegeben wurden, wurden die Proben 30 Minuten lang bei 4 °C in 0,05 mg/ml Saponin (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) in MiR05 permeabilisiert.
Nach Zugabe des permeabilisierten Gewebes wurden die Kammern des Respirometers auf ~350 nmol/ml hyperoxygeniert. Die Sauerstoffverbrauchsraten wurden mit dem folgenden Protokoll bestimmt: Der Elektronenfluss durch die Komplexe I und II wurde durch Zugabe von Glutamat + Malat + Succinat (10 mM, 2 mM und 10 mM) zur Bestimmung des Leck-Sauerstoffverbrauchs (GMS) unterstützt. Nach der Stabilisierung wurde Adenosindiphosphat (ADP) (2,5 mM) zur Bestimmung des oxidativen, mit der Phosphorylierung verbundenen Sauerstoffverbrauchs zugegeben. Nach Abschluss des Respirationsprotokolls wurden die Proben aus den Kammern gesammelt und bei -20 °C für weitere Analysen gelagert.
Die Proteinkonzentrationen wurden mittels BCA-Assay (Perkin Elmer) gemessen und die Respirationsraten auf die Proteinkonzentration normalisiert.
2.4. Plasmaproteinanalyse
Die Proteinisolierung erfolgte durch Homogenisierung in RIPA-Puffer mit Proteaseinhibitoren (Fisher Scientific). Das Gesamtprotein wurde mittels BCA Protein Assay Kit (Fisher Scientific) quantifiziert, und 20 µg Protein wurden für aktive Immunoblot-Analysen oder zur Proteincharakterisierung verwendet.
Die Proben wurden auf Membranen von individuellen Nagetier-Antikörper-Arrays (Abcam, Cambridge, Vereinigtes Königreich) gegeben, die spezifische Antikörper gegen C-reaktives Protein, aktives GLP-1, Insulin, Adiponektin und Leptin enthielten, und über Nacht inkubiert, bevor sie zurückgewonnen und erneut mit einer zweiten Antikörper-Array-Membran inkubiert wurden.
Anschließend wurden biotinylierte Antikörper zu jeder Membran gegeben und über Nacht inkubiert, gefolgt von einer Inkubation mit einem Streptavidin-konjugierten Fluoreszenzmarker zum Nachweis der Zytokinexpression.
Die Membranen wurden mit dem zuvor genannten Fluoreszenz-Bildgebungssystem (LI-COR; Lincoln, NE, USA) untersucht und dann mit der ImageJ-Version 1.54h (US National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA) quantifiziert.
Die Signalintensitäten wurden mit den Positivkontrollen auf den jeweiligen Membranen verglichen, wie dies zuvor geschehen ist [ 14 ].
2.5. Toleranztests
Der Toleranztest wurde in drei Hauptverfahren unterteilt, die an verschiedenen Tagen mit einer Erholungszeit von mindestens 48 Stunden zwischen den Tests durchgeführt wurden:
Pyruvat-Toleranztest (PTT), Glukose-Toleranztest (GTT) und Insulin-Toleranztest (ITT).
Für jeden Test wurden nach der Injektion Blutproben aus der Schwanzvene zum 0. (Basiswert), 15., 30., 60. und 120. Zeitpunkt entnommen, um den Blutzuckerspiegel mit einem manuellen Glukometer (Bayer Contour; Whippany, NJ, USA) zu messen.
Nach 8-stündigem Fasten erhielten die Ratten eine intraperitoneale Natriumpyruvat-Injektion (2 g/kg Körpergewicht) zur Messung des Plasma-Pyruvatspiegels mittels enzymatischer Analyse.
Eine Woche nach dem PTT wurde der GTT nach ähnlichem Fasten durchgeführt, woraufhin eine intraperitoneale Glukoseinjektion (2 g/kg Körpergewicht) erfolgte.
Der ITT wurde eine Woche nach dem GTT durchgeführt, wobei den Ratten intraperitoneal Insulin (0,75 U/kg) injiziert wurde.
2.6. Leberuntersuchung
Nach der Euthanasie wurden Lebergewebeproben gesammelt, sofort gewogen und in eiskaltem Puffer zur Bestimmung des Triglyzerid- und Glykogengehalts homogenisiert.
Die Lebertriglyzeride wurden mittels Triglyzerid-Assay-Kit (ab65336; Abcam, Cambridge, Vereinigtes Königreich) gemäß dem Protokoll des Herstellers quantifiziert.
Die Glykogenspiegel wurden mit einem Leberglykogen-Assay-Kit (ab169558; Abcam) bewertet.
Der Triglyzerid- und Glykogengehalt wurde auf das Leuchtgewicht der Leber normalisiert.
Zur Bewertung der Leberfunktion wurden die Plasmaspiegel von Alanin-Aminotransferase (ALT) und Aspartat-Aminotransferase (AST) gemessen.
Die Blutproben wurden unmittelbar nach der Euthanasie durch Herzpunktion entnommen; das Plasma wurde durch Zentrifugation bei 3000 g für 10 Minuten gewonnen.
Die Plasma-ALT- und AST-Aktivität wurde mit handelsüblichen Assay-Kits (ab263883 und ab285264; Abcam) bestimmt.
2.7. Statistische Analyse
Die Durchschnittswerte ± SEM wurden mittels einfacher (für Einzelmessungen) oder zweifacher (für zeitliche Messungen) ANOVA und anschließendem Student-t-Test bewertet.
Die Ergebnisse sind repräsentativ, und p-Werte unter 0,05 wurden als signifikant betrachtet.
Die statistische Analyse wurde mit der Software GraphPad Prism 7.0 durchgeführt.
3. Ergebnisse
Ein zentrales Ergebnis der Studie war das Verständnis der Auswirkungen von Allulose auf Gewichtsveränderungen und Nahrungsaufnahme, einschließlich der Ergänzung der vermittelnden Mechanismen für solche Veränderungen.
Das Körpergewicht ( Abb. 1A ; durchschnittliches Ausgangsgewicht der Männchen: 328 ± 17 g; durchschnittliches Ausgangsgewicht der Weibchen: 245 ± 12 g) nahm bei den Tieren in der westlichen Diätgruppe (WD) mit Stevia signifikant zu.
Die Gewichtszunahme war jedoch in den WD+Allulose-Gruppen im Vergleich zur WD+Stevia-Gruppe signifikant geringer.
Es ist wichtig zu beachten, dass kein Gewichtsunterschied zwischen den Ratten beobachtet wurde, die Stevia oder Allulose erhielten und die Standarddiät (SD) bekamen, was darauf hindeutet, dass die Auswirkungen der Allulose spezifisch für die westliche Diät waren.
Im Einklang mit diesen Ergebnissen war die Nahrungsaufnahme in der WD+Stevia-Gruppe im Vergleich zur SD+Stevia-Gruppe signifikant erhöht ( Abb. 1B ; durchschnittliche Ausgangsaufnahme der Männchen: 21 ± 3 g; durchschnittliche Ausgangsaufnahme der Weibchen: 16 ± 2 g).
Die WD+Allulose-Gruppe zeigte wiederum einen signifikanten Rückgang der Nahrungsaufnahme im Vergleich zur WD+Stevia-Gruppe.
- Abbildung. Körpergewicht, Nahrungsaufnahme und endokrine Veränderungen während einer 12-wöchigen Allulose-Einnahme.
Während der 12-wöchigen Studie zeigten die Ratten zahlreiche signifikante Veränderungen.
Erstens reduzierte die Allulose-Einnahme die Gewichtszunahme bei westlicher Ernährung, was sich in einer Verringerung der gesamten Nahrungsaufnahme widerspiegelte.
Die Insulin- (C) und Glukosewerte (D), die zur Berechnung des HOMA-IR (E) verwendet wurden, waren in der WD+Stevia-Gruppe signifikant erhöht, während sie in der WD+Allulose-Gruppe normal waren (n=8).
Der GLP-1-Spiegel war während der Studie in beiden Allulose-konsumierenden Gruppen signifikant erhöht ((F); n = 8). * p < 0,05; ** p < 0,005; *** p < 0,0005.
Im Einklang mit den Auswirkungen auf das Körpergewicht blockierte Allulose bei westlicher Ernährung auch die Entstehung von Hyperinsulinämie ( Abb. 1C ), Hyperglykämie ( Abb. 1D ) und Insulinresistenz (basierend auf dem Homeostatic Model Assessment for Insulin Resistance (HOMA-IR) Index; Abb. 1E ), die in der WD+Stevia-Gruppe beobachtet wurden.
Interessanterweise war der durch Allulose gewährte Schutz mit einem höheren Serumspiegel an aktivem Glucagon-like Peptid-1 (GLP-1; Abb. 1F ) verbunden.
Es ist zu beachten, dass in beiden Allulose-Gruppen höhere GLP-1-Spiegel beobachtet wurden, aber der Vorteil für das Körpergewicht und die Stoffwechselparameter nur in der WD+Allulose-Gruppe beobachtet wurde.
Um die metabolische Wirkung von Allulose auf den Stoffwechsel des gesamten Körpers besser zu verstehen, wurden Toleranztests durchgeführt, nämlich Glukose-, Insulin- und Pyruvat-Tests ( Abb. 2A–C ).
Bei intraperitonealer Glukosebelastung ( Abb. 2A ) zeigte die WD+Stevia-Gruppe die größte Glukoseantwort und behielt während des gesamten Tests eine signifikant höhere Antwort im Vergleich zu den anderen Gruppen bei (was mit der schlechteren Insulinresistenz übereinstimmt).
Im Gegensatz dazu rief die WD+Allulose-Gruppe eine moderate Antwort hervor.
Ein ähnliches Ergebnis wurde mit dem Insulin-Toleranztest erzielt ( Abb. 2B ).
Mit der Durchführung des Pyruvat-Toleranztests haben wir auch bestimmt, ob eine westliche Ernährung die Glukoneogenese verschlimmern kann.
Erwartungsgemäß zeigte die WD+Stevia-Gruppe eine signifikante Stimulation der Glukoneogenese mit einem ausgeprägten Anstieg des Serumglukosespiegels als Reaktion auf Pyruvat.
Es ist anzumerken, dass Allulose die Glukoneogenese bei Ratten, die eine westliche Ernährung erhielten, blockierte (Abbildung 2C).
Abbildung 2. Glukose-, Insulin- und Pyruvat-Toleranztests bei mit Allulose gefütterten Ratten.
Am Ende der 12-wöchigen Studie wurden bei den Tieren Toleranztests für Glukose ((A); 2 g/kg Körpergewicht), Insulin ((B); 0,75 IE/kg Körpergewicht) und Pyruvat ((C); 0,75 IE/kg Körpergewicht) durchgeführt (n = 6).
Basierend auf der Fläche unter der Kurve (AUC) zeigten die mit WD+Stevia behandelten Ratten die dramatischste Reaktion auf alle Reize; bei den Glukose- (A) und Insulin- (B) Toleranztests wurde eine abgeschwächte Reaktion bei WD+Allulose beobachtet, während sie auf Pyruvat (C) eine normale Reaktion zeigten. * p < 0,05; ** p < 0,005; *** p < 0,0005 vs. SD+Stevia; # p < 0,05 vs. WD+Stevia.
Das für Allulose primär interessante Gewebe ist die Leber und deren unterschiedliche Nährstoffverarbeitung, insbesondere im Hinblick auf Glykogen und Lebertriglyzeride.
Es wurde gezeigt, dass Allulose den Glykogengehalt in der Leber von Laborratten erhöht, was trotz fehlender Auswirkungen auf die Leberfunktion oder Histologie mit einer gewissen Gewichtszunahme einhergeht [15].
In Übereinstimmung mit diesem Bericht beobachteten auch wir einen signifikanten Anstieg der Lebergröße und des Glykogengehalts bei Tieren, die Allulose bei Standarddiät erhielten, im Vergleich zu den Tieren, die Stevia erhielten (Abbildung 3A,B).
Es ist bekannt, dass eine westliche Ernährung sowohl den Glykogen- als auch den Fettspiegel in der Leber erhöht, und erwartungsgemäß waren sowohl der Glykogen- als auch der Leberfettspiegel (Triglyzeride) in der WD+Stevia-Gruppe signifikant erhöht (Abbildung 3A–C).
Die WD+Allulose-Gruppe hingegen war, obwohl sie weiterhin einen hohen Glykogengehalt aufwies, weitgehend vor der Entwicklung einer Fettleber geschützt und wies weniger Leberhypertrophie (Gewichtszunahme) auf im Vergleich zur WD+Stevia-Gruppe (Abbildung 3A–C).
Tatsächlich wurde ein Anstieg der Leberfunktionswerte nur in der WD+Stevia-Gruppe beobachtet (Abbildung 3E).
Diese Studien zeigen, dass Allulose eine schützende Wirkung auf die Leberfunktionsergebnisse bei westlicher Ernährung hat.
In allen Gruppen blieb die mitochondriale Atmung der Leber unverändert (Abbildung 3D).
Abbildung 3. Charakterisierung nach 12 Wochen Allulosekonsum.
Die Lebermasse (A) wurde vor der Analyse von Glykogen (B) und Triglyzeriden (C) nach 12 Wochen westlicher Diät (WD) und Standarddiät (SD), ergänzt durch Stevia oder Allulose im Trinkwasser, gemessen.
Die mitochondriale Atmung (siehe Abschnitt 2) wurde gemessen, um die direkten Auswirkungen der Ernährung auf die Leberfunktion zu bestimmen.
Als Marker für die Lebergesundheit wurden im Plasma die Leberenzyme Alanin-Aminotransferase (ALT) und Aspartat-Aminotransferase (AST) quantitativ bestimmt (E). N = 8. * p < 0,05; ** p < 0,005; *** p < 0,0005 vs. SD+Stevia.
Aufgrund der Veränderungen des Körpergewichts strebten wir ein besseres Verständnis der bioenergetischen Prozesse des Fettgewebes an.
Wir hatten bereits zuvor festgestellt, dass verschiedene diätetische Eingriffe in der Lage sind, die Geschwindigkeit des Fettstoffwechsels zu erhöhen [16]. Obwohl wir bei der mitochondrialen Atmung (Abbildung 4A) oder den ATP-Spiegeln (Abbildung 4B) keine Unterschiede zwischen den Gruppen feststellen konnten, sahen wir, dass in den Allulosegruppen das Verhältnis von Atmung zu ATP-Spiegel signifikant niedriger war (Abbildung 4C), was auf eine stärkere mitochondriale Entkopplung hindeutet.
Abbildung 4. Analyse der mitochondrialen Funktion der Fettzellen nach 12 Wochen Allulosekonsum.
Die mitochondriale Atmung ((A); siehe Abschnitt 2) wurde im subkutanen Fettgewebe bei Ratten nach 12 Wochen westlicher Diät (WD) und Standarddiät (SD) mit Stevia oder Allulose im Trinkwasser gemessen.
ATP wurde ebenfalls bestimmt (B), und eine Kombination von Variablen wurde verwendet, um zu bestimmen, inwieweit die Gewebe ATP basierend auf der Atemfrequenz produzierten (C). N = 7. * p < 0,05 vs. SD+Stevia.
Ähnlich wie die Leber reagieren auch die Nieren einzigartig auf Allulose. Nach der 12-wöchigen Studie analysierten wir die Nierenmasse (Abbildung 5A) und die Glykogenspiegel (Abbildung 5B).
Obwohl es bei der Nierenmasse keine Unterschiede zwischen den Gruppen gab, war bei beiden Allulosegruppen ein leichter, aber signifikanter Unterschied im Glykogenspiegel der Niere zu beobachten.
Abbildung 5. Nierenanalyse nach 12 Wochen Allulosekonsum.
Die Nierenmasse (A) wurde vor der Glykogenanalyse (B) nach 12 Wochen westlicher Diät (WD) und Standarddiät (SD) mit Stevia oder Allulose im Trinkwasser gemessen. N = 10. * p < 0,05 vs. SD+Stevia.
Um ein tieferes Verständnis der Auswirkungen der Intervention auf den allgemeinen Entzündungs- und Stoffwechselzustand zu erlangen, maßen wir die Spiegel verschiedener metabolischer Marker, einschließlich C-reaktives Protein (CRP), Adiponektin und Leptin.
Bei den Tieren der WD+Stevia-Gruppe verdoppelte sich der CRP-Spiegel im Vergleich zu beiden SD-Gruppen mehr als (Abbildung 6A); dieser Effekt war in der WD+Allulose-Gruppe abgeschwächt.
Der Adiponektinspiegel war nur in der WD+Stevia-Gruppe signifikant gesenkt, während Leptin im Allgemeinen einen ähnlichen, wenn auch bescheideneren Trend wie bei CRP aufwies.
Das Adiponektin/Leptin-Verhältnis, das als Surrogat für die Adipozytengröße dient [17], zeigte nur in der WD+Stevia-Gruppe einen signifikanten Abfall (Abbildung 6B).
Abbildung 6. Hormonspiegel bei mit Allulose gefütterten Ratten.
Am Ende der 12-wöchigen Studie wurde Plasma von Nagetieren gesammelt, die bei westlicher Diät (WD) und Standarddiät (SD) gehalten wurden und deren Trinkwasser Stevia oder Allulose enthielt.
Zu den Analyten gehörten C-reaktives Protein (CRP), Adiponektin und Leptin (A). Adiponektin und Leptin wurden ferner verwendet, um ein Verhältnis zu erstellen, das die Größe der Adipozyten widerspiegelt (B). N = 6. * p < 0,05; ** p < 0,005; *** p < 0,0005 vs. SD+Stevia.
4. Bewertung
Die Ergebnisse dieser Studie tragen zum Verständnis der metabolischen Auswirkungen von Allulose bei, insbesondere im Kontext ernährungsbedingter Veränderungen von Körpergewicht, Nahrungsaufnahme, Insulinresistenz und gewebespezifischen Stoffwechselreaktionen.
Es ist anzumerken, dass unsere Ergebnisse die Resultate früherer Untersuchungen stützen, wonach die Ergänzung mit Allulose bei westlicher Ernährung die schädlichen Auswirkungen abmildert, die häufig mit fett- und zuckerreichen Diäten verbunden sind, wie z. B. erhöhtes Körpergewicht und Insulinresistenz, die weltweit von großer Bedeutung sind [18].
Darüber hinaus bietet diese Arbeit neue Einblicke in die GLP-1-Dynamik sowie in Adipozytenveränderungen und mitochondriale Funktionen.
Unsere ersten Beobachtungen stützen die in früheren Arbeiten gefundenen Ergebnisse.
Die Beobachtung, dass sowohl in der WD+Stevia- als auch in der WD+Allulose-Gruppe das Körpergewicht im Vergleich zu ihren Artgenossen, die eine Standarddiät (SD) erhielten, signifikant zunahm – wenn auch in unterschiedlichem Maße – verdeutlicht die komplexe Wechselwirkung zwischen Zucker in der Ernährung und der Körpergewichtskontrolle.
Die geringere Gewichtszunahme in der WD+Allulose-Gruppe deutet auf eine potenzielle Schutzwirkung der Allulose gegen ernährungsbedingte Adipositas hin.
Dies wird auch durch frühere Untersuchungen gestützt, die zeigen, dass Allulose eine Anti-Adipositas-Wirkung besitzt, sowohl in Tierversuchen, primär durch die Reduzierung von viszeralem Fett und die Verbesserung des Lipidstoffwechsels [5, 19, 20].
Ferner könnte die in der WD+Allulose-Gruppe im Vergleich zur WD+Stevia-Gruppe beobachtete moderatere Zunahme der Nahrungsaufnahme auf die appetitregulierende Wirkung der Allulose hindeuten.
Diese Feststellung steht im Einklang mit Studien, die darauf hindeuten, dass Allulose die Sättigungskaskade beeinflussen und die Gesamtkalorienaufnahme reduzieren kann [21].
Der signifikante Anstieg des Spiegels an aktivem Glucagon-like Peptid-1 (GLP-1) in den Allulosegruppen lenkt die Aufmerksamkeit auf einen weiteren Mechanismus, durch den Allulose ihre metabolischen Vorteile entfalten kann.
Es wurde gezeigt, dass GLP-1, ein Hormon, das an der Glukoseregulation und Appetitsteuerung beteiligt ist, durch die Zufuhr von Allulose ansteigt, was die Glukosetoleranz verbessert und die Gewichtszunahme reduziert [9, 22].
Während andere eine verstärkte GLP-1-Sekretion als Reaktion auf Allulose zeigten [23], glauben wir, dass unsere Ergebnisse die ersten sind, die über einen erhöhten GLP-1-Spiegel unter einem bestimmten Zustand berichten, was darauf hindeutet, dass Allulose eine anhaltende Wirkung auslöst, weit über den Zeitpunkt des Konsums hinaus.
Die unterschiedlichen Reaktionen der Insulin- und Glukosespiegel zwischen den Gruppen – wobei die WD+Stevia-Gruppe einen allmählichen Anstieg zeigte, die WD+Allulose-Gruppe jedoch nicht – unterstreicht zusätzlich die wohltuende Rolle der Allulose bei der Modulation der Glukose-Homöostase und der Insulinsensitivität.
Diese Daten stimmen mit der Vorstellung überein, dass Allulose die glykämische Kontrolle verbessern kann, sowohl durch Glukoseablagerung als auch durch deren Produktion, indem sie die Insulinsensitivität verbessert, um die Einlagerung in die Muskulatur zu verstärken und die Produktion aus der Glykogenese zu verringern [1, 20], sowie durch Substratwettbewerb die enterale Absorption positionsabhängig reduziert [18, 24].
Unsere Analyse von Leber- und Fettgewebe beleuchtet zudem die gewebespezifischen metabolischen Auswirkungen von Allulose, einschließlich neuer Erkenntnisse zu Veränderungen der mitochondrialen Funktion.
Während der Triglyzeridspiegel in der Leber nur in der WD+Stevia-Gruppe anstieg, was darauf hindeutet, dass Allulose die Ansammlung von Leberfett verhindern kann, könnte die signifikante Glykogenansammlung in allen Interventionsgruppen, insbesondere in den Allulosegruppen, eine Verschiebung der Mechanismen der Nährstoffverwertung oder -speicherung widerspiegeln.
Diese Feststellung könnte teilweise die Ergebnisse von Liu et al. [15] erklären, die über eine Verbesserung der Trainingskapazität von mit Allulose gefütterten Nagetieren berichteten.
In Anbetracht der Tatsache, dass wir und andere durch den Einsatz von Allulose Schutz gegen Adipositas bieten, haben wir unter Nutzung unserer früheren Erfahrungen mit der Analyse der mitochondrialen Bioenergetik des Fettgewebes die Relevanz von Allulose in diesem Prozess [13, 25] bestimmt.
Im Fettgewebe beider Allulosegruppen beobachteten wir eine stärkere mitochondriale Entkopplung, was auf eine neuartige Wirkung von Allulose in diesem Prozess hindeutet. Dieser Mechanismus könnte helfen, die beobachteten Auswirkungen auf die Gewichtskontrolle zu erklären.
Aufgrund gewebespezifischer Einschränkungen konnten wir die Entkopplungsproteinspiegel im Fettgewebe nicht direkt messen, um die Veränderung des Proteinspiegels zu bestätigen.
Diese Studie weist gewisse Einschränkungen auf. Eine Einschränkung der Studie ist die Verwendung von Stevia als Kontrolle.
Wir versuchten, ein Kontrollsüßungsmittel zu verwenden, das sowohl verbreitet als auch weitgehend inert ist.
Da sich diese Produkte stark unterscheiden, ist es unmöglich, sicher zu sein, dass die verwendeten Dosierungen von Allulose und Stevia „gleichwertig“ sind.
Dementsprechend verwendeten wir Dosierungen für beide, die bereits zuvor angewendet wurden [12, 26].
Es ist wichtig anzumerken, dass, während Stevia nachweislich die GLP-1-Sekretion in Zellkulturen stimuliert, uns keine solchen Beweise bei Nagetieren oder Menschen bekannt sind.
Dies deutet darauf hin, dass einige der Vorteile, die bei Allulose in dieser Studie beobachtet wurden, spezifisch für die GLP-1-Freisetzung sein könnten.
Ferner ist Stevia in dieser Studie eine ideale Kontrolle, angesichts früherer Beweise, die darauf hindeuten, dass Stevia im Vergleich zu Wasser keinen Einfluss auf die Indikatoren der Gewichtszunahme hat [27].
Es sollte jedoch das Fehlen einer Gruppe, die nur Wasser konsumiert, angemerkt werden.
Eine zweite Einschränkung ist das Fehlen histologischer Daten für Leber und Nieren.
Obwohl unsere Ergebnisse auf eine gutartige Wirkung der Allulose-Ergänzung im Hinblick auf die Nährstoffspeicherung in Niere und Leber sowie bei der Leber auf die Enzyme hindeuten, hätten histologische Vergleiche tiefere Einblicke in den Zustand dieser Gewebe gegeben.
Es ist äußerst wichtig, nach Lebensmittelzutaten zu suchen, die ungünstige Stoffwechselzustände lindern können, ohne die Zufriedenheit durch die Ernährung zu gefährden.
Durch die Bereitstellung neuer Daten und die Untermauerung früherer Arbeiten beweist unsere Studie, dass eine Allulose-Ergänzung im Kontext der Wasseraufnahme das Körpergewicht, die Nahrungsaufnahme und Stoffwechselparameter so modulieren kann, dass dies eine bessere Stoffwechselgesundheit fördert.
5. Schlussfolgerungen
Diese Ergebnisse verdeutlichen das Potenzial der Verwendung von Allulose als funktionelles Nahrungsergänzungsmittel, das die Stoffwechselgesundheit effektiv verbessern kann, wie z. B. Insulinresistenz, Körpergewicht und anderes, alles ohne die Erzwingung potenziell schwieriger Ernährungsumstellungen.
Weitere Forschung ist erforderlich, um die langfristigen Folgen der Alluloseaufnahme und deren Anwendung in Ernährungsstrategien zur Vorbeugung und Behandlung von Stoffwechselerkrankungen zu erforschen.
Autorenbeiträge
Konzeptualisierung, BTB, PRR, JAA, RJJ und KBC; Methodik, KBC, MJS, MSH, IJK, DPD, APK, NB, DMD, NGN, PRR und BTB; Software, KBC, MJS, MSH und IJK; formale Analyse, KBC, PRR, RJJ und BTB; Untersuchung, KBC, MJS, MSH, IJK, PRR und BTB; Ressourcen, PRR und BTB; Datenmanagement, KBC und BTB; Erstellung des ursprünglichen Entwurfs, BTB; Überprüfung und Bearbeitung, Alle Autoren; Aufsicht, PRR und BTB; Projektadministration, BTB; Einwerbung von Finanzmitteln, BTB. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und akzeptiert.
Erklärung des Institutionellen Review Boards
Das Tierversuchsprotokoll wurde vom Ethikausschuss der Brigham Young University genehmigt (23-1222; genehmigt am 13. Dezember 2023).
Erklärung zur Datenverfügbarkeit
Daten sind auf Anfrage erhältlich.
Finanzierungserklärung
Diese Forschung wurde durch eine von Anderson Advanced Ingredients an die Brigham Young University vergebene geförderte Forschungsvereinbarung Nr. R0602714 finanziert.
Fußnoten
Haftungsausschluss/Herausgebernotiz: Die in den Veröffentlichungen enthaltenen Behauptungen, Meinungen und Daten spiegeln ausschließlich die Meinung des jeweiligen Autors/der jeweiligen Autoren und Mitwirkenden wider und nicht die von MDPI und/oder des Herausgebers/der Herausgeber. MDPI und/oder der/die Herausgeber lehnen jegliche Verantwortung für Personenschäden oder Sachschäden ab, die aus den im Inhalt genannten Ideen, Methoden, Anweisungen oder Produkten resultieren.
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