Hízni azzal, hogy „diétázik?” Mesterséges édesítőszerek és a cukor utáni vágyakozás neurobiológiája

Absztrakt

Amerika elhízási járványa a közelmúltban nagy figyelmet kapott a médiában. Az elhízott népesség százalékos növekedése egybeesik a nem kalóriatartalmú mesterséges édesítőszerek, például az aszpartám (pl. Diet Coke) és a szukralóz (pl. Pepsi One) élelmiszertermékekben való elterjedésével (1. ábra) ). Mind az előrejelzett, mind a fordított okozati összefüggéseket javasolták [1,2]. Míg az emberek gyakran „diétás” vagy „könnyű” termékeket választanak a fogyáshoz, kutatási tanulmányok szerint a mesterséges édesítőszerek hozzájárulhatnak a súlygyarapodáshoz. Ebben a mini-áttekintésben Dr. Dana Smalldal folytatott beszélgetés ihlette a Yale áprilisi Neuroscience 2010 konferenciáján, először a mesterséges édesítőszerek fejlődését vizsgálom történelmi összefüggésekben. Ezután összefoglalom a súlyra gyakorolt hatásuk epidemiológiai és kísérleti bizonyítékait. Végül megpróbálom elmagyarázni ezeket a hatásokat az ételjutalom neurobiológiájának fényében.

A mesterséges édesítőszerek használatának időbeli vonala és az elhízás alakulása az Egyesült Államokban. Kék vonal: az elhízott (BMI> 30) népesség százalékos arányának változása 1961 és 2006 között. Forrás: Országos Egészségügyi és Táplálkozási Vizsgálat [57]. Narancssárga vonal: a mesterséges édesítőszereket rendszeresen használó lakosság százalékos arányának változása 1965 és 2004 között. Forrás: Országos háztartási felmérés [2]. Lila vonal: az amerikai piacra bevezetett új mesterséges édesítőszereket tartalmazó élelmiszerek számának változása 1999 és 2004 között. Forrás: Mintel Market Analysis [14]. Az idő tengely alatti sávok jelzik a mesterséges édesítőszerek típusát és elérhetőségét az Egyesült Államokban az idő múlásával. Forrás: Kroger és mtsai [9].

Édesítők

Annak ellenére, hogy a szacharin maradt az amerikai piacon, a mesterséges édesítőszereket rendszeresen kevesen használták a vegyületek következő generációjának megérkezéséig (1. ábra, narancssárga vonal) [2]. Az új mesterséges édesítőszerek szigorú biztonsági vizsgálata előzte meg az FDA jóváhagyását. 1965-ben James Schlatter a Searle-ben felfedezte az aszpartámot [10]. Új fekélygyógyszereket próbált készíteni. Az aszpartám két aminosavból, fenilalaninból és aszpartátból áll, amelyek metanol gerinchez kapcsolódnak (2. ábra). A többi mesterséges édesítőszertől eltérően, amelyek általában változatlan formában ürülnek, az aszpartám metabolizálható. Ezért nem szigorúan nem kalóriatartalmú (4 Kcal/g), és tilos fenilketonuriában szenvedő embereknél [9]. Az aszpartám körülbelül 200-szor édesebb, mint a szacharóz. Az egyszerre elfogyasztott kis mennyiség miatt a kalóriabevitel elhanyagolható. Az FDA először 1981-ben hagyta jóvá az aszpartámot száraz élelmiszerekben való felhasználásra, majd 1996-ban általános édesítőszerként. A Monsanto megvásárolta a Searle-t és 1984-ben NutraSweet-vé alakította. amelyet 2002-ben hagytak jóvá [11]. A neotám a legerősebb édesítőszer a piacon, a szacharóz édességének 7000-szerese.

Szacharóz, természetes kalóriatartalmú édesítőszer és különféle mesterséges édesítőszerek szerkezete. Forrás: Kroger et al. [9] és Brown és mtsai [25].

Az aceszulfám-kálium szerkezetében és ízében szacharinra és ciklamátra hasonlít (2. ábra). Karl Clauss a Hoechstnél 1967-ben fedezte fel [12]. Az FDA 1988-ban jóváhagyta száraz élelmiszerekben való felhasználását, 2003-ban pedig általános édesítőszerként.

A legutóbbi strukturális előrelépés 1979-ben történt, amikor Shashikant Phadnis, a Tate & Lyle-nál dolgozó végzős hallgató felfedezte a szukralózt [3]. Szacharózból szintetizálják úgy, hogy három hidroxilcsoportját klórral helyettesítik, ami az édesség 600-szorosát eredményezi (2. ábra). 1999-ben hagyták jóvá. A szukralóz értékesítése 2008-ban 148 millió fontot tett ki, ami a Tate & Lyle teljes üzemi eredményének 23 százalékát hozta létre [13].

Az elmúlt évtizedben robbanásszerűen megnőtt a nem kalóriatartalmú mesterséges édesítőszereket tartalmazó élelmiszertermékek száma. Több mint 6000 új terméket dobtak piacra az Egyesült Államokban 1999 és 2004 között (1. ábra, lila vonal) [14]. Jelenleg az foodfacts.com webhelyen az összetevők keresése 3648 terméket eredményez, amely az FDA által jóváhagyott öt mesterséges édesítőszer közül egyet vagy többet tartalmaz. A legnépszerűbb a szukralóz (1500 termék), ezt követi az aceszulfám-kálium (1103 termék) és az aszpartám (974 termék). A mesterséges édesítőszereket leggyakrabban szénsavas italokban használják. Számos más termékben is megtalálhatók, a bébiételektől (pl. Pedialyte) a fagyasztott élelmiszerekig (pl. Lean Pockets). Ilyen sokfélék választék mellett valószínűbb, hogy az emberek mesterségesen édesített termékekkel találkoznak, amikor mindennap választanak az ételekre és italokra. Az Országos Háztartási Táplálkozási Felmérés becslése szerint 2004-től a lakosság 15 százaléka rendszeresen használt mesterséges édesítőszert [2]. Az IRI fogyasztói jelentése szerint az amerikai háztartások 65 százaléka vásárolt legalább egy szukralóztartalmú terméket 2008-ban. Ezért a mesterséges édesítőszer-fogyasztók - akár rendszeres, akár szórványos - fogyasztók száma valószínűleg sokkal nagyobb.

A mesterséges édesítőszerek befolyásolják-e a súlyt?

Intuitív módon az emberek nem kalóriatartalmú mesterséges édesítőszereket választanak a cukor helyett, hogy lefogyjanak vagy fenntartsák a súlyukat. A cukor nagy mennyiségű gyorsan felszívódó szénhidrátot biztosít, ami túlzott energiafogyasztáshoz, súlygyarapodáshoz és metabolikus szindrómához vezet [15,16,17]. A cukrot és más kalóriatartalmú édesítőszereket, például a magas fruktóztartalmú kukoricaszirupot az elhízás-járvány fő bűnöseként vetették be. Akár a diétás italgyártó üzlet sikeres marketing-erőfeszítései miatt, akár nem, a súlytudatos közönség gyakran a mesterséges édesítőszereket „egészséges tápláléknak” tekinti [6]. De a mesterséges édesítőszerek valóban segítenek-e csökkenteni a súlyt?

Meglepő módon az epidemiológiai adatok ennek ellenkezőjét sugallják. Számos nagyszabású prospektív kohorszvizsgálat pozitív összefüggést talált a mesterséges édesítőszerek felhasználása és a súlygyarapodás között. A San Antonio Heart Study 3682 felnőttet vizsgált meg egy nyolc-nyolc éves időszakban az 1980-as években [18]. A kezdeti testtömeg-index (BMI), a nem, az etnikum és az étrend alapján a mesterségesen édesített italok fogyasztói következetesen magasabb BMI-vel rendelkeztek a nyomon követés során, a dózis függ a fogyasztás mennyiségétől. Az átlagos BMI-növekedés +1,01 kg/m 2 volt a kontrollnál és 1,78 kg/m 2 a harmadik negyedben élőknél a mesterségesen édesített italfogyasztáshoz. Az American Cancer Society 1980-as évek elején végzett tanulmányába 78 694 nő vett részt, akik életkoruk, etnikai hovatartozásuk, társadalmi-gazdasági helyzetük és a meglévő állapotok hiánya tekintetében rendkívül homogének voltak [19]. Egy éves nyomon követéskor 2,7-7,1 százalékkal több rendszeres mesterséges édesítőszer-fogyasztó hízott, mint a nem használók a kezdeti súly szerint. A két csoport között a nyert mennyiség különbsége kevesebb, mint két font volt, bár statisztikailag szignifikáns. Az 1970-es években végzett ápolói egészségügyi tanulmányból a szacharinhasználat 31 940 nő nyolcéves súlygyarapodásával is összefüggésben volt [20].

Hasonló megfigyelésekről számoltak be gyermekeknél is. A gyermekkori tanulmányokat azonban gyakran bonyolították a dinamikusabb növekedéshez kapcsolódó étrend-változások. A cukorral édesített és a mesterségesen édesített szóda fogyasztása az életkor előrehaladtával nőtt, a tejfogyasztás pedig csökkent [21]. Szigorú különbségtétel a mesterséges édesítőszerek és a nem használók között nem volt lehetséges. Kétéves prospektív tanulmány, amelyben 166 iskolás gyermek vett részt, megállapította, hogy a megnövekedett étrendes szódafogyasztás magasabb BMI Z-pontszámokkal jár együtt a nyomon követés során, ami súlygyarapodásra utal [22]. A „Growing Up Today” tanulmány, amely 11 654 9–14 éves gyermeket érintett, szintén pozitív összefüggést jelentett a diétás szóda és a fiúk súlygyarapodása között [23]. A diétás italok minden egyes adagjára a BMI 0,16 kg/m2-rel nőtt. Az összefüggés a lányok esetében nem volt szignifikáns. Az Országos Szív-, Tüdő- és Vérintézet Növekedési és Egészségügyi Tanulmánya 2371 lányt követett 9 és 19 év között 10 éven át [24]. Az étrend és a rendszeres szódásivás mind a teljes napi energia bevitel növekedésével járt. A szódabevitel szintén a BMI legnagyobb növekedését jósolta, bár a diétás szóda és a BMI közötti összefüggés nem volt szignifikáns. Egy 3111 gyermeket és fiatalt vizsgáló keresztmetszeti tanulmány szerint a diétás szódásivóknál a BMI jelentősen megemelkedett [21].

Ezenkívül az intervenciós vizsgálatok konszenzusa azt sugallja, hogy a mesterséges édesítőszerek önmagukban nem segítenek csökkenteni a súlyt [2,25]. A BMI nem csökkent 25 hét után, miután egy randomizált, kontrollált vizsgálatban 103 serdülőnél 25 diétás italt helyettesítettek cukros édesített italokkal, kivéve a legnehezebb résztvevőket [26]. Kettős vak vizsgálat 55 túlsúlyos fiatalt vetett alá 13 héten keresztül 1000 Kcal-os étrend mellett, napi aszpartám- vagy laktóz-kapszula kapszulával. Mindkét csoport lefogyott, és a különbség nem volt szignifikáns. A testsúlycsökkenést a kalória-korlátozásnak tulajdonították [27]. Hasonló eredményekről számoltak be egy 12 hetes, 1500 Kcal-os program esetében, akár szokásos, akár diétás szódával [28]. Érdekes módon, amikor egy anyagcsere-osztályon a cukrot titokban aszpartámra váltották, az energiafogyasztás 25% -os azonnali csökkenését sikerült elérni [29]. Ezzel ellentétben, az aszpartám tudatos bevitele a megnövekedett teljes energiafogyasztáshoz kapcsolódott, ami a várható kalóriacsökkenés túlkompenzációjára utal [30]. Az éber monitorozás, a kalória-korlátozás és a testmozgás valószínűleg részt vett a mesterséges édesítőszereket tartalmazó multidiszciplináris programokban tapasztalt fogyásban [31,32].

Kísérleti vizsgálatok mesterséges édesítőszerekkel és energiával

Az előzetes terheléssel végzett kísérletek általában azt találták, hogy az édes íz, akár cukor, akár mesterséges édesítőszerek adják, fokozza az ember étvágyát. Az aszpartámmal édesített víz, de nem az aszpartám kapszula, növelte a szubjektív étvágy besorolását normál testsúlyú felnőtt férfiaknál [33]. Az aszpartám emelte a szubjektív éhségértékeket a glükózhoz vagy a vízhez képest [34]. A glükóz előterhelése csökkentette a szacharóz észlelt kellemességét, de az aszpartám nem [34]. Egy másik tanulmányban az aszpartám, az aceszulfám-kálium és a szacharin mind fokozott étkezési motivációval és több étel-preferencia listán szereplő termékkel voltak kapcsolatban [35]. Az aszpartámnak volt a legkifejezettebb hatása, valószínűleg azért, mert nincs keserű utóíze. Ellentétben a glükózzal vagy a szacharózzal, amelyek csökkentették az energiafogyasztást a tesztétkezés során, a mesterséges édesítőszerek előterhelései vagy nem voltak hatással [33,35], vagy pedig növelték a későbbi energiafogyasztást [36,37]. Ezek a megállapítások azt sugallják, hogy a természetes édesítőszerekben található kalória reakciót válthat ki az általános energiafogyasztás állandó szinten tartása érdekében.

Az emberi kutatásnak szubjektív értékeléseken és önkéntes étrendi kontrollon kell alapulnia. A rágcsáló modellek segítettek tisztázni, hogy a mesterséges édesítőszerek hogyan járulnak hozzá az energiaegyensúlyhoz. A szacharin-kiegészítéssel kondicionált patkányok jelentősen megnövelték az összes energiafogyasztást, és nagyobb testtömegre tettek szert a test megnövekedett zsírossága mellett, mint a glükózzal kondicionált kontrollok [38]. A szacharin-kondicionált patkányok egy édes előétel után sem tudták megfékezni a chow-bevitelüket. Amikor egy íz önkényesen társult magas vagy alacsony kalóriatartalommal, a patkányok több ételt ettek az étkezés előtti, alacsony kalóriatartalmú prediktív ízt követően [39]. Ezek a tanulmányok hipotézist vetnek fel: Az édes íz és a kalóriatartalom ellentmondásos kapcsolata kompenzációs túlevéshez és pozitív energiamérleghez vezethet.

A mesterséges édesítőszerekre adott neuronális válaszok

Mi hajtja az étvágyat? Az ételjutalom megosztja az agyi áramköröket más kellemes tevékenységekkel, például a szexuális és a gyógyszeradagolással [40,41]. Ugyanazt a viselkedési paradigmát osztja meg a függőség más formáival is: az elhúzódás, a visszahúzódás, a vágy és a keresztérzékenység [41]. Az absztinencia időszaka jelentősen megnövelte a szacharóz önadagolását patkányokban, hasonlóan az emberben elidegenedő magatartáshoz [42].

Az ételjutalom két ágból áll: érzékszervi és posztesztív [41]. Az embereknél a nyelv ízreceptorai által érzékelt ízlelési információk felemelkednek a thalamuson keresztül, és végül az elülső inzulában/frontális operulumban és az orbitofrontális kéregben fejeződnek be [43,44]. Az Amygdala kölcsönös kapcsolatokat létesít az ízlelési út minden szintjén. A mezolimbikus dopaminrendszer szintén kulcsfontosságú az inger hedonikus felismerése és az elégedettség érzése szempontjából a kellemes ízű ételek fogyasztása után [41,45,46,47].

A postesztesztív komponens az élelmiszer metabolikus termékeitől függ [48]. Élelmezés hiányában a patkányok a cukoroldatot részesítették előnyben a szacharinoldattal szemben, függetlenül attól, milyen ízt lehet kinin hozzáadásával elfedni [49]. A postesztesztív hatások pozitív és negatív idegsejteket egyaránt tartalmaznak, külön a mechanikus jóllakottságtól [48]. Mérsékelten koncentrált tápanyagok esetében a patkányok megtanulták előnyben részesíteni a rendszeres táplálkozással járó táplálékot, mint az „ál-etetést”, amelyben a bevitt táplálék a gyomorhuruton keresztül áramlott ki a testből. A patkányok azonban nem mutatták előnyben, ha erősen koncentrált tápanyagokat használtak [48]. Kimutatták, hogy a hipotalamusz közvetíti a postesztesztív táplálékért járó jutalmat [41,50]. A hipotalamusz különféle neuropeptideket választ ki az energia, az ozmotikus egyensúly és az etetési viselkedés szabályozására.

Az agyterületek elkülönítése az ételjutalomban nem kizárólagos, mivel az édes ízérzékelés hiányában szenvedő egereknél a dopaminerg aktiváció összefüggésbe hozható a szacharóz-preferenciával [51].

Egyre több bizonyíték utal arra, hogy a mesterséges édesítőszerek nem ugyanúgy aktiválják az élelmiszer-jutalom útjait, mint a természetes édesítőszerek. A kalóriatartalom hiánya általában kiküszöböli a postesztesztív komponenst. A funkcionális mágneses képalkotás normál testsúlyú férfiaknál kimutatta, hogy a glükóz lenyelése hosszan tartó jel depressziót eredményezett a hipotalamuszban. Ezt a választ nem figyelték meg szukralóz lenyelésével [50]. A természetes és mesterséges édesítőszerek másképp aktiválják az ízlelő ágat is. Az édes ízreceptor, amely két G-fehérjéhez kapcsolt transzmembrán receptor heterodimerje, számos ligandumkötő helyet tartalmaz. Például az aszpartám és a ciklamát a két monomer mindegyikéhez kötődik [52]. Funkcionális szinten a szacharóz lenyelése a szacharin lenyeléséhez képest a magasabb ízlési területek nagyobb aktivitásával járt együtt, mint például az inzula, az orbitofrontális kéreg és az amygdala [53].

Ezek a kísérleti vizsgálatok összhangban vannak egy felülvizsgált hipotézissel: A kalóriatartalomtól elválasztott édesség az élelmiszer-jutalom útjainak részleges, de nem teljes aktiválását kínálja. A hedonikus komponens aktiválása hozzájárulhat az étvágy növekedéséhez. Az állatok táplálékot keresnek az édesség iránti vágy kielégítésére, még energiaigény hiányában is. A teljes elégedettség hiánya, valószínűleg a posztesztív komponens aktiválásának elmulasztása miatt, tovább táplálja az ételkeresési magatartást. A jutalom csökkentése hozzájárulhat az elhízáshoz. A mezolimbikus utak károsodott aktiválódását a tej turmixolása után kövér serdülő lányoknál figyelték meg [45].

Végül a mesterséges édesítőszerek, éppen azért, mert édesek, ösztönzik a cukor utáni vágyat és a cukorfüggőséget. Az ismételt expozíció vonzza az ízpreferenciát [54]. Szoros összefüggés van az ember szokásos íz-bevitele és az adott íz számára előnyös intenzitása között. Az étrendi só [55] vagy zsír [56] szisztematikus csökkentése, ízesítés nélkül, néhány hét leforgása alatt az alacsonyabb tápanyagszintet részesítette előnyben a kutatási alanyokban. Ezen megállapítások fényében hasonló megközelítést lehet alkalmazni a cukorbevitel csökkentésére. A világ étrendjének édesítetlenítése [15] lehet a legfontosabb az elhízási járvány visszafordításához.

Köszönetnyilvánítás

Ezt a cikket Dr. Dana Small-nal folytatott beszélgetés ihlette a Neuroscience 2010 konferencián, amelyre a Yale Egyetemen került sor 2010. április 10-én. A szerző köszönetet mond Michaela Panternek a szerkesztőségi támogatásért, és Steve Bronernek a kézirattal kapcsolatos hasznos javaslatokért.