Neue Methode der Eisenverabreichung
Molkeprotein-Nanofasern bestückt mit Eisen-Nanopartikeln: ETH-Forschende entwickeln eine neue wirksame Darreichungsform, um Nahrungsmittel mit Eisen zu ergänzen.
Essbare Molkeprotein-Nanofasern binden auf ihrer Oberfläche Eisen-Nanopartikel (schwarze Punkte). Dieses Präparat könnte Eisenmangel auf effiziente und günstige Weise bekämpfen.
TEM-Bild: ETH Zürich / Yi Shen
Weltweit leiden rund 1,2 Milliarden Menschen an Eisenmangel. Betroffen sind in erster Linie Frauen. Jede fünfte europäische Frau um die 20 hat Eisenmangel. Die Folgen: verminderte Leistungsfähigkeit, Müdigkeit, Blutarmut oder Kopfschmerzen.
Doch die Eisenergänzung über die Nahrung oder mit Medikamenten ist schwierig, da für deren Erfolg das Eisen in einer für den Körper verfügbaren Form vorliegen muss. Das Spurenelement kann zudem die Farbe, den Geschmack und den Geruch von damit angereicherten Lebensmitteln verändern, sodass diese nicht mehr munden.
Hybrid aus Proteinfasern und Eisen-Nanopartikeln
Die beiden ETH-Professoren Raffaele Mezzenga und Michael B. Zimmermann vom Departement Gesundheitswissenschaften haben eine neue Form der Eisenergänzung von Nahrungsmitteln entwickelt: ein Hybridmaterial aus essbaren Molkeprotein-Nanofasern und Eisen-Nanopartikeln. Die entsprechende Studie, die von Mezzengas Doktorandin Yi Shen in Kollaboration mit Zimmermanns Doktorandin Lidija Posavec durchgeführt wurde, ist soeben in der Fachzeitschrift «Nature Nanotechnology» erschienen.
Die Protein-Nanofasern (sogenannte Amyloidfibrillen) bestehen aus denaturierten Molkeproteinen, die bei 90°C in einer starken Säure «gekocht» (hydrolysiert) werden bis sie sich vollständig ausstrecken. Mehrere solcher Proteinfäden lagern sich selbstorganisierend zu dickeren Protein-Nanofasern zusammen.
Solche Nanofasern kombinierten die Forschenden mit Eisen-Nanopartikeln, die der Körper gut verwerten kann. Um diese Nanopartikel herzustellen, mischten die Forscherinnen ein Eisensalz (FeCl3) direkt mit den Nanofasern in derselben sauren Lösung. Dabei entstanden 20 Nanometer grosse Eisen-Nanopartikel, die sich sofort an die Oberfläche der Nanofasern anlagerten und von ihnen stabilisiert wurden. Normalerweise sind Eisen-Nanopartikel nicht stabil: Sie bilden Aggregate und eignen sich damit nicht als Nahrungsmittelzusatz.
Eisenmangel rasch behoben
Um die Wirksamkeit des neuartigen Eisenpräparats zu testen, verfütterten es die Wissenschaftlerinnen an Ratten, die zuvor mit eisenarmer Nahrung gefüttert wurden und deshalb an Eisenmangel litten. Das neuartige Präparat behob bei den Tieren den Eisenmangel und die damit einhergehende Blutarmut genauso gut wie Eisensulfat (FeSO4). Letzteres ist der derzeitige Standard bei der Eisenergänzung bei Menschen, ändert bei Nahrungsmitteln jedoch oft Geschmack oder Farbe in unerwünschter Weise.
Auch war das Präparat leicht verdaulich. Die Forscherinnen und Forscher zeigten im Reagenzglas, dass Enzyme aus dem Magen der Tiere die Molkeprotein-Nanofasern vollständig verdauten. Zudem lösten die sauren Bedingungen, wie sie auch im Magen herrschen, die Eisen-Nanopartikel in Eisen-Ionen auf. Diese Ionen könnten im Körper rasch ins Blut aufgenommen und zur Bildung neuer roter Blutkörperchen verwendet werden.
Die eisenbesetzten Molkeprotein-Nanofasern können entweder als Pulver oder in flüssiger Form verabreicht werden, und die neue Verbindung kann direkt in unterschiedliche Nahrungsmittel gegeben werden. Dabei ändert der Zusatz die Sensorik von Lebensmitteln nicht.
Keine Nebenwirkungen aufgetreten
Um mögliche Risiken und Nebenwirkungen aufzuspüren, untersuchten die Forscherinnen und Forscher Hirn, Herz, Nieren und andere Organe der Ratten, nachdem die Tiere zwei Wochen lang Nanofasern verzehrt hatten. Die Forscher richteten ihr Augenmerk insbesondere auf die Nanofasern, da diese noch nie in Lebensmitteln oder Nahrungsergänzungsmitteln eingesetzt wurden. Deren Struktur gleicht darüber hinaus Amyloidfibrillen, die sich im Gehirn anreichern und die Alzheimer-Demenz verursachen können. Allerdings unterscheiden sich für dieses neue Eisenpräparat verwendeten Nanofasern von den krankheitsverursachenden Amyloidfibrillen dadurch, dass erstere aus essbaren Nahrungsproteinen bestehen.
Die ETH-Forschenden wollten daher sicher sein, dass sich möglicherweise unverdaute Proteinfasern aus ihrem Eisenpräparat nicht im Körper anreichern und nicht zu Gewebeanomalien führen könnten. «Wir haben in den untersuchten Organen und Geweben der Tiere nicht einen Hinweis darauf gefunden, dass sich Nanofasern oder Eisen-Nanopartikel anreichern oder Organveränderungen auslösen könnten», freut sich Mezzenga. Damit steht für ihn fest: «Unser neues Eisenpräparat bietet ein sehr hohes Potenzial, Eisenmangel auf eine günstige und effiziente Weise erfolgreich zu bekämpfen.»
Alternative zu bisherigen Präparaten
Die Ausgangsprodukte für diese neu entwickelte Nahrungsergänzung sind sehr günstig. Molkeproteine sind ein Nebenprodukt der Milchwirtschaft. Eisensalze sind ebenfalls leicht verfügbar und billig. Weil das Verfahren und die Zutaten so leicht zu handhaben sind, wäre ein solches Eisenpräparat auch eine Alternative für Menschen in armen Ländern, die vom Eisenmangel noch stärker betroffen sind als Leute in den westlichen Industrienationen.
Die Forschenden haben auf ihre Entwicklung ein Patent angemeldet und freuen sich darauf, mit Industriepartnern ins Gespräch zu kommen, um die Technologie weiterzuentwickeln.
Diese Studie wurde vom Schweizerischen Nationalfonds im Rahmen des Nationalen Forschungsprogramms Gesunde Ernährung und nachhaltige Lebensmittelproduktion (NFP 69) finanziert.
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