Aktuelle Forschungsschwerpunkte der Arbeitsgruppe von Herrn Prof. Dr. Hans-Ulrich Humpf sind Untersuchungen zur thermischen Stabilität von Mykotoxinen bei der Lebensmittelverarbeitung, zur Biosynthese, zur Toxizität und zum (intestinalen) Metabolismus von Mykotoxinen. Weitere Schwerpunkte sind die Entwicklung von humanen Biomonitoringmethoden (HBM) zur Expositionsabschätzung von Mykotoxinen und Metabolomics-basierte Ansätze zur Charakterisierung von Ernährungsformen. Weiterhin wird der Transfer von Lebensmittelinhaltsstoffen an der intestinalen Barriere (Caco-2-Modell) und an der Blut-Hirn-Schranke untersucht. Einige der Forschungsprojekte werden in den nachfolgenden Tabs etwas weiter ausgeführt und einzelne Veröffentlichungen verknüpft.
Humanes Biomonitoring - Methodenentwicklung und Datenerhebung
Mittels Urin und Blutuntersuchungen verlässliche Aussagen zur Ernährung und zur Exposition gegenüber Kontaminanten zu erhalten – das ist das Fernziel dieses Forschungsbereiches im Arbeitskreis Humpf. Um dieses zu erreichen, arbeiten wir parallel an unterschiedlichen Teilprojekten. Eines der Teilprojekte war die Bestimmung von validen Biomarkern für den Verzehr von bestimmten Lebensmitteln wie z. B. Äpfeln, Paprika oder Tomaten. Weitergehende Studien sollen diese in einer Multimethode zusammenführen und um weitere Biomarker erweitern.
Im Bereich der Mykotoxine ist die Forschung schon einen Schritt weiter: Viele aber noch längst nicht alle relevanten Metaboliten von Mykotoxinen sind bekannt. In diesem Bereich konzentriert sich unsere Forschung darauf neue Methoden zum empfindlicheren Nachweis von Mykotoxinen in physiologischen Proben, z.B. durch Verwendung von online-SPE-UHPLC-MS-Kopplungen, zu entwickeln. Parallel dazu untersuchen wir bereits mit verschiedenen Kooperationspartnern die Exposition von bestimmten Bevölkerungsgruppen in Deutschland aber auch weltweit gegenüber Mykotoxinen. Ziel ist es dabei u.a. einen möglichen Zusammenhang zwischen einer hohen Mykotoxinexposition und dem Auftreten von Entwicklungsverzögerungen (Stunting) bei Kindern in Entwicklungsländern zu untersuchen.Aktuelles von uns zu diesem Thema:
Lebensmittelkontaminanten im Säugetierstoffwechsel: Toxizität, Metabolismus und zelluläre Effekte
Während der Produktion und Lagerung können unerwünschte Stoffe, wie z. B. Mykotoxine durch Schimmelpilze, in Lebensmittel eingetragen werden. Durch immer empfindlichere Analysemethoden werden zunehmend neue Lebensmittelkontaminanten identifiziert, die auch natürlicherweise in der Nahrung vorhanden sein können. Für Verbraucherinnen und Verbraucher kann so der Eindruck entstehen, zunehmend einer stetig wachsenden Anzahl giftiger Stoffe ausgesetzt zu sein, obwohl höchstwahrscheinlich das Gegenteil die Realität besser wiedergibt.
In der Arbeitsgruppe von Herrn Prof. Dr. Hans-Ulrich Humpf werden eine Reihe von Verfahren angewandt, um das Risiko solcher Lebensmittelkontaminanten zukünftig besser einschätzen zu können. Dabei kommen verschiedene moderne zellkulturbasierte Modelle zum Einsatz.
Menschliche Zelllinien aus verschiedenen Organen werden kultiviert, um toxische Verbindungen zu identifizieren. Dazu werden die Zellen unter sterilen Arbeitsbedingungen verschiedenen Konzentrationen der potenziellen Giftstoffe für mehrere Stunden oder Tage ausgesetzt und schließlich ihre Überlebensrate bestimmt. Hier kommen Farbreaktionen oder automatisierte Zellzählverfahren zum Einsatz. Mit ähnlichen Versuchsaufbauten wird die Aufnahme der Stoffe in das Zellinnere oder die Fähigkeit der Zellen zur Verstoffwechselung der Verbindungen gemessen. Die dazu erforderlichen Analysen werden mit nachweisstarken Kopplungen chromatografischer und spektrometrischer Verfahren erreicht. Die Kopplung aus Flüssigkeitschromatographie und Massenspektrometrie (LC-MS) ist dabei die meistverbreitete Technik, die auch genutzt wird, um stoffliche Veränderungen in anderen Modellsystemen nachzuweisen.Untersuchungen zu den Struktur-Wirkungsbeziehungen einzelner funktioneller Gruppen am Mykotoxin Ochratoxin A zeigen, dass der Phenylalanin-Substituent für die Toxizität besonders wichtig ist DOI: 10.1007/s00204-016-1799-3
Weiterhin ist das Schweine-Caecum-Modell besonders erwähnenswert, welches Darmbakterien von Schweinen dazu benutzt, die Stoffwechselreaktionen menschlicher Darmmikroben nachzuahmen, um den intestinalen Metabolismus von Lebensmittelinhaltsstoffen zu untersuchen.
Die Mikrobiota der Schweine baut Glucoside von T-2- und HT-2-Toxin ab DOI: 10.1021/acs.jafc.0c00576
Um eine Gefahr für den menschlichen Körper oder spezifische Organe darzustellen, müssen die Stoffe aus der Nahrung zelluläre Barrieren überwinden. Zwei Zellkulturmodelle werden dazu genutzt derartige Zellschichten zwischen Darm und Blutkreislauf sowie Blutkreislauf und Gehirn nachzubilden. Der Durchtritt der Stoffe durch diese Barrieren lässt sich mittels LC-MS analysieren und so die Bioverfügbarkeit oder etwaige Effekte auf das Gehirn abschätzen. Impedanzspektroskopie wird parallel genutzt, um zu überprüfen, ob die Substanzen den Organismus durch Beeinträchtigung dieser Barrieren schädigen.
Enniatin B und Enniatin B1 passieren die Blut-Hirn-Schranke schnell und sind ein mögliches Gesundheitsrisiko DOI: 10.1371/journal.pone.0197406
Drei Mykotoxine, die von Pilzen der Gattung Fusarium produziert werden, können die Blut-Hirn-Schranke überwinden. Eines der Toxine schädigt die Barrierefunktion DOI: 10.1371/journal.pone.0143640
Die Entwicklung immer leistungsfähigerer Massenspektrometer hat zu Verfahren geführt, die zelluläre Metaboliten und Proteine nachweisstark messbar machen. Die sogenannten Metabolomics- und Proteomics-Methoden kommen dabei für die gleichzeitige Analyse einer Vielzahl unterschiedlicher Effekte auf den Stoffwechsel von Zellen zum Einsatz.
Untersuchung zellulärer Effekte ausgewählter Mykotoxine auf HepG2-Zellen mittels Metabolic Profiling Posterbeitrag
Mykotoxine in Hausstaub
Schimmelpilze sind in der Umwelt ubiquitär verbreitet und können neben Lebensmitteln auch Innenräume kontaminieren. Ein Wachstum findet dabei insbesondere nach Wasserschäden statt und wird generell durch eine erhöhte Raumluftfeuchte begünstigt. In Deutschland ist nahezu jede zehnte Wohnung betroffen. Menschen, die in Wohnungen mit Schimmelpilzbefall leben, zeigen eine erhöhte Inzidenz von (Atemwegs-)Erkrankungen. Vor allem Personen mit einem geschwächten Immunsystem sowie Kinder sind betroffen. Konkrete Gesundheitsbeschwerden mit einem auftretenden Schimmelpilzbefall im Innenraum in einen direkten ursächlichen Zusammenhang zu bringen ist bisher kaum möglich. Häufig besteht jedoch der Verdacht, dass die Erkrankungen durch die Schimmelpilze und insbesondere ihre toxischen Sekundärmetaboliten (Mykotoxine) hervorgerufen werden.
In der Arbeitsgruppe von Herrn Prof. Dr. Hans-Ulrich Humpf wird derzeit ein Forschungsprojekt zur Schimmelpilz- und Myotoxinbelastung in Innenräumen durchgeführt. Dabei soll die Menge an Mykotoxinen, denen Menschen in kontaminierten Räumen ausgesetzt sind, abgeschätzt werden (Expositionsabschätzung). Hierzu werden mittels modernster massenspektrometrischer Methoden befallene Materialien wie Tapeten oder Gipskartonplatten untersucht und der Gehalt an Mykotoxinen bestimmt. Daneben werden auch Hausstaubproben untersucht, die Auskunft über eine Verbreitung der Schimmelpilze und Mykotoxine durch die Raumluft geben sollen.Reduzierung der Bildung von Furan und Alkylfuranen in Frühstückscerealien
© K. Bassen Müsli, Corn Flakes oder gepuffte Getreideprodukte sind für viele Verbraucherinnen und Verbraucher ein beliebter Start in den Tag. Gerade wenn der Zuckergehalt in diesen Frühstückscerealien vergleichsweise gering ist und ein hoher Vollkornanteil vorhanden ist, handelt es sich auch um ein gesundes Frühstück.
Bei der Herstellung dieser Produkte werden thermische Prozesse angewandt, die neben den gewünschten Eigenschaften wie Textur und Aroma auch unerwünschte, sogenannte Prozesskontaminanten entstehen lassen. Eine Gruppe an Kontaminanten sind dabei die Furane, insbesondere Furan und Methylfuran.
Um einen möglichst geringen Gehalt an diesen Substanzen zu erreichen, arbeiten wir in einem aktuellen Forschungsprojekt daran, herauszufinden, welche Verarbeitungsbedingungen und welche Zutaten für die Furanbildung verantwortlich sind. Unser Ziel ist es zusammen mit unseren Projektpartnern diese Ergebnisse zu nutzen um neue Verfahren oder Rezepturen zu entwickeln, die zu einem möglichst geringen Furangehalt führen.
In der Praxis bedeutet dies, dass wir unter anderem Herstellungsprozesse im Labor simulieren und dabei verschiedenen Zutaten wie, z.B. unterschiedliche Zucker oder Fette einsetzen. Zudem werden die Temperatur und weitere Verarbeitungsbedingungen systematisch variiert.Erste Ergebnisse des Projekts wurden open access in der Zeitschrift European Food Research and Technology mit dem DOI 10.1007/s00217-023-04374-y veröffentlicht.