Bioverfügbarkeit

Bioverfügbarkeit, E bioavailability, Bezeichnung für das Ausmaß, in dem eine Substanz aus ihrer Lebensmittelmatrix freigesetzt und resorbiert bzw. am Wirkort verfügbar wird. Die B. lässt sich durch Messung der Stoffkonzentration in den Körperflüssigkeiten und / oder durch die Messung der akuten Effekte bestimmen.

Die absolute Bioverfügbarkeit beschreibt die Bioverfügbarkeit eines Stoffes aus einem Lebensmittel mit Bezug auf die intravenöse Applikation der zu untersuchenden Substanz in isolierter Form als Referenz.

Die relative Bioverfügbarkeit wird durch den Bezug der Substanz auf einen Vergleichsstoff ermittelt. Faktoren, die die Bioverfügbarkeit beeinflussen sind die Denaturierung während der Lebensmittelzubereitung und der Verdauung (Freisetzung aus der zellulären Matrix), die Anwesenheit von Stoffen, die um den gleichen Absorptionsweg konkurrieren (Kupfer und Eisen hemmen die Zinkabsorption), Komplexbildner (Phytat bildet mit Eisen Komplexe und hemmt so die Eisenabsorption), sowie Stoffe, die die Komplexbildung hemmen (Vitamin C fördert die Eisenresorption, indem es die Bildung von Eisen-Phytat-Komplexen verhindert).

Fettlösliche Substanzen (Vitamine A, D, E, K, Carotinoide) benötigen zur Aufnahme die Anwesenheit von Fett in der Speisezubereitung. Ihre Bioverfügbarkeit kann durch mittelkettige Fettsäuren (z. B. in Formula-Diäten) oder die gleichzeitige Einnahme von Fettersatzstoffen (z. B. Saccharose-Polyester) stark beeinträchtigt werden.

Bioverfügbarkeit von Nährstoffen – was die Nahrungsverwertung bestimmt

Wenn wir eine Speise oder ein Getränk zu uns nehmen, werden die darin enthaltenen Nährstoffe im Rahmen der Verdauung aus der Nahrungsmatrix herausgelöst, gelangen in das Blut und werden in der Folge ihren jeweiligen Zielgeweben zugeführt. Nicht alle Nährstoffe können jedoch in gleichem Maße verwertet werden. Mit anderen Worten, sie haben eine unterschiedliche Bioverfügbarkeit. Das Wissen um die Bioverfügbarkeit von Nährstoffen hilft, Speisepläne zu optimieren und adäquate Zufuhrempfehlungen zu formulieren.

Definition der Bioverfügbarkeit von Nährstoffen

Für die Bioverfügbarkeit von Nährstoffen gibt es mehrere Definitionen. Im weitesten Sinn versteht man darunter den Anteil eines Nährstoffs, der aus der Nahrung absorbiert wird und dem Körper für seine normale Funktionsfähigkeit zur Verfügung steht.Die folgenden Komponenten beschreiben die einzelnen Schritte im Stoffwechsel, bei denen sich Veränderungen in der Bioverfügbarkeit der Nährstoffe ergeben können:

Freisetzung des Nährstoffs aus der chemisch-physikalischen Nahrungsmatrix
Wirkung der Verdauungsenzyme im Magen-Darm-Trakt
Bindung an und Aufnahme durch die Darmschleimhaut (Absorption)
Transport durch die Darmwand (durch die Zellen, zwischen ihnen hindurch oder beides) in den Blutkreislauf oder das Lymphsystem
systemische Verteilung
Speicherung der Nährstoffe im Körper (Einlagerung)
metabolische oder funktionelle Verwendung
Ausscheidung (mit Harn oder Stuhl)

Wie aus dieser Liste zu erkennen ist, wird die Bioverfügbarkeit von externen und internen Faktoren beeinflusst. Zu den externen Faktoren zählen unter anderem die Nahrungsmatrix und die chemische Struktur eines bestimmten Nährstoffs, während Geschlecht, Alter, Ernährungszustand und Lebensphase (z.B. Schwangerschaft) zu den internen Faktoren gehören. Da Aspekte wie der Ernährungszustand auch darüber entscheiden, ob und in welcher Menge ein Nährstoff tatsächlich verwertet oder eher gespeichert bzw. ausgeschieden wird, beschränken sich viele Definitionen der Bioverfügbarkeit auf jenen Anteil eines Nährstoffs, der absorbiert wird.

Die Bioverfügbarkeit der Makronährstoffe – Kohlenhydrate, Proteine und Fette – ist in der Regel mit mehr als 90% der aufgenommenen Menge sehr hoch. Demgegenüber kann der absorbierte und verwertete Anteil der Mikronährstoffe, d.h. Vitamine und Mineralstoffe, und Phytochemikalien (z.B. Flavonoide, Carotinoide) stark variieren. Aus diesem Grund wird in den folgenden Abschnitten anhand der Mikronährstoffe und Phytochemikalien beispielhaft beschrieben, wie in den einzelnen Stadien der Verdauung die Bioverfügbarkeit von Nährstoffen beeinflusst werden kann.

Bedeutung der Nahrungsmatrix und der chemischen Struktur der Nährstoffe

Der erste Schritt, um einen Nährstoff für den Körper verfügbar zu machen, besteht in dessen Freisetzung aus der Nahrungsmatrix und der Umwandlung in eine chemische Form, die an die Darmzellen binden und diese passieren kann. Dieser Vorgang wird pauschal als Verfügbarmachung eines Nährstoffs (Bioaccessibility) bezeichnet. Die Nährstoffe werden für den Körper durch folgende Prozesse verfügbar gemacht: Kauen und erste enzymatische Vorverdauung im Mund, Vermischen mit Säure und weiteren Enzymen im Magensaft, und schließlich Übergang in den Dünndarm, dem wichtigsten Absorptionsort von Nährstoffen. Hier wird die Aufspaltung der Nahrungsmatrix durch weitere Enzyme, die vom Bauchspeicheldrüsensaft bereitgestellt werden, fortgesetzt.

Diese körpereigenen Mechanismen der Verdauung werden, insbesondere bei pflanzlicher Nahrung, durch Kochen oder Pürieren der Speisen unterstützt. So sind rohe Karotten und Spinat zwar gute Ballaststofflieferanten, doch ermöglicht erst der Kochvorgang, dass der menschliche Körper gleichzeitig auch größere Mengen der enthaltenen Carotinoide verwerten kann.

Mineral- und andere Nährstoffe können in verschiedenen chemischen Formen vorliegen, wodurch ihre Bioverfügbarkeit ebenfalls beeinflusst wird. Ein klassisches Beispiel dafür ist Eisen. Generell unterscheidet man zwei Arten von Nahrungseisen: Häm-Eisen und Nicht-Häm-Eisen. Häm-Eisen ist ausschließlich in Fleisch, Fisch und Geflügel enthalten, während das Nicht-Häm-Eisen in pflanzlicher und tierischer Nahrung vorkommen kann. Häm-Eisen stammt vorwiegend aus Hämoglobin und Myoglobin, den Proteinen für Sauerstofftransport und -speicherung im Blut bzw. in der Muskulatur. Nach Freisetzung aus der Nahrungsmatrix agiert das Häm-Molekül wie ein schützender Ring um das zentrale Eisenatom. Dadurch wird das Eisen vor Wechselwirkungen mit anderen Nahrungskomponenten bewahrt und im Darm in löslichem Zustand erhalten, sodass es intakt über ein spezielles Transportsystem an der Oberfläche der Darmzellen absorbiert werden kann. Im Gegensatz dazu ist Nicht-Häm-Eisen im Darmmilieu nur schlecht löslich und kann zudem in seiner Bioverfügbarkeit durch andere Nahrungskomponenten leicht beeinträchtigt werden. In der Folge wird nur ein kleiner Anteil von den Zellen aufgenommen.

Manchmal werden Vitamine und Mineralstoffe Speisen hinzugefügt, um deren Nährwert zu erhöhen. Dieser Prozess der Anreicherung wird als „Fortifikation” bezeichnet. Im Fall des B-Vitamins Folsäure, das häufig Frühstückszerealien, Mehl oder bestimmten Aufstrichen zugesetzt wird, weist die zusätzliche Folsäure in der Regel eine höhere Bioverfügbarkeit auf als die natürlich in der Nahrung enthaltene, die üblicherweise als Nahrungsfolat bezeichnet wird. Studien zufolge ist die Bioverfügbarkeit von Nahrungsfolat (aus Obst, Gemüse oder Leber) um 20-70% geringer als jene von synthetischer Folsäure. Dies bedeutet jedoch nicht, dass man nur mit Folsäure fortifizierte Lebensmittel zu sich nehmen sollte; vielmehr können sie die natürlichen Folatlieferanten wie grünes Blattgemüse ergänzen, um die individuelle Bedarfsdeckung sicherzustellen.

Förderer der Bioverfügbarkeit von Nährstoffen

Zwischen den mit der Nahrung aufgenommenen Nährstoffen oder sonstigen Nahrungskomponenten kann es am Absorptionsort zu Wechselwirkungen kommen, die die Bioverfügbarkeit entweder verändern oder, falls sich fördernde und hemmende Effekte gegenseitig aufheben, gleichbleibend lassen. Fördernde Faktoren können auf unterschiedliche Weise die Bioverfügbarkeit erhöhen, unter anderem, indem sie den Nährstoff in Lösung halten oder ihn vor der Wechselwirkung mit hemmenden Faktoren schützen. So lässt sich z.B. die Bioverfügbarkeit der fettlöslichen Carotinoide dadurch verbessern, dass man eine geringe Menge Fett oder Öl (3-5 g pro Mahlzeit) hinzufügt. In ähnlicher Weise fördern Fleisch, Fisch und Geflügel, die selbst reich an gut bioverfügbarem Eisen sind, die Absorption von Eisen aus allen anderen Nahrungsmitteln. Obwohl dieser sogenannte „Fleischfaktor” noch nicht eindeutig identifiziert ist, wird ein Einfluss des Muskeleiweißes vermutet. Auch Vitamin C ist ein guter Förderer der Bioverfügbarkeit und kann die Eisenabsorption aus der Nahrung um das Zwei- bis Dreifache steigern. Das bedeutet, dass z.B. ein Glas Orangensaft zu einer Schüssel Frühstückszerealien den Körper dabei unterstützt, das im Getreide enthaltene Eisen zu verwerten.

Hemmung der Bioverfügbarkeit von Nährstoffen

Hemmende Faktoren können die Bioverfügbarkeit auf verschiedene Art und Weise herabsetzen: i) durch Bindung des Nährstoffs in einer Form, die von den Rezeptoren an der Oberfläche der Darmzellen nicht erkannt wird; ii) durch Überführen des Nährstoffs in eine unlösliche Form, wodurch die Substanz nicht mehr absorbiert werden kann; iii) durch Konkurrieren um dasselbe Aufnahmesystem. Phytinsäure, die reichlich in pflanzlicher Nahrung (z.B. Hülsenfrüchte, Vollkornzerealien, Samen, Nüsse) enthalten ist, bindet Mineralstoffe wie Calcium, Eisen und Zink in löslichen oder unlöslichen Komplexen, sodass diese nicht mehr zur Absorption zur Verfügung stehen. Eine Möglichkeit, den Phytinsäuregehalt in Speisen zu reduzieren, ist unter anderem die Fermentation (z.B. langes Aufgehenlassen von Vollkornbrotteig) oder das Einweichen und Keimen von Hülsenfrüchten.

Ein Beispiel für das Konkurrieren um dasselbe Aufnahmesystem ist die Interaktion zwischen Calcium und Nicht-Häm-Eisen. Beide Mineralstoffe binden an denselben Transporter auf der Oberfläche der Darmzellen, doch während Nicht-Häm-Eisen über diesen Weg in die Zelle gelangt, bleibt Calcium sozusagen im Durchgang stehen und behindert den weiteren Eintritt von Eisen. Dieser Effekt ist vor allem dann relevant, wenn Produkte zur Calcium- oder Eisensupplementierung außerhalb der Mahlzeiten genommen werden. Um hier eine unerwünschte Wechselwirkung zu vermeiden, wird empfohlen, die beiden Nahrungsergänzungsmittel zu unterschiedlichen Tageszeiten zu sich zu nehmen.

Der hemmende Effekt mancher Nahrungskomponenten kann aber auch vorteilhaft genutzt werden, wie z.B. im Fall der Phytosterine. Diese natürlichen Substanzen werden aus bestimmten pflanzlichen Lebensmitteln extrahiert und in höherer Dosis (etwa 2 g pro Portion) verschiedenen anderen Nahrungsmitteln (z.B. Brotaufstrichen, fermentierten Milchgetränken) zugesetzt, um die Cholesterinabsorption – egal, ob Nahrungscholesterin oder vom Körper selbst produziertes Cholesterin – zu reduzieren.

Interne Faktoren

Interne oder wirtsbezogene Faktoren lassen sich in gastrointestinale und systemische Faktoren einteilen. Die Rolle der gastrointestinalen Faktoren wird am Beispiel des Absorptionsweges von Vitamin B₁₂ illustriert. Dieses Vitamin benötigt zur Lösung aus der Nahrungsmatrix Magensäure und unterliegt danach einer Abfolge von Bindung an das R-Protein, Freisetzung vom R-Protein, Bindung an den „Intrinsic Factor” (IF) und schließlich Absorption des intakten IF-Vitamin-B₁₂-Komplexes im unteren Darmabschnitt. R-Protein, IF und Magensäure werden von der Magenschleimhaut produziert, und eine Verminderung der Funktionsfähigkeit der Schleimhaut, wie dies bei älteren Menschen oder im Falle von bestimmten Erkrankungen vorkommt, kann deren Produktion beeinträchtigen, sodass die Bioverfügbarkeit von Vitamin B₁₂ vermindert ist.

Systemische, also den gesamten Organismus betreffende Faktoren umfassen unter anderem den Mangel an einem bestimmten Nährstoff oder Veränderungen im physiologischen Zustand (z.B. Schwangerschaft). In beiden Fällen reagiert der Körper mit einer Intensivierung der Absorptionsmechanismen bzw. mit einer gesteigerten Verwertung des Nährstoffs, um den erhöhten Bedarf decken zu können. Zu den Nährstoffen, die auf diese Weise reguliert werden, zählen z.B. Calcium und Zink. Andererseits können entzündliche Erkrankungen oder Infektionen die Absorptionskapazität des Darms beeinträchtigen. So kommt es bei Menschen mit akuten Infektionen wie z.B. einer normalen Erkältung zu einer Absenkung der Eisenabsorption.

Bedeutung für Ernährungsempfehlungen

Für bestimmte Nährstoffe – vor allem Calcium, Magnesium, Eisen, Zink, Folsäure und Vitamin A – ist das Wissen um deren Bioverfügbarkeit erforderlich, um physiologische Bedarfszahlen in praktische Zufuhrempfehlungen umzusetzen. Das Ausmaß nötiger Anpassungen variiert je nach Nährstoff, Ernährungsgewohnheiten und verschiedenen wirtsspezifischen Faktoren, von denen die meisten nur schwer zu erfassen sind. Angesichts all dieser Einflüsse überrascht es nicht, dass Empfehlungen zur Nährstoffaufnahme je nach Land oder Einrichtung variieren. Das europäische Kompetenznetzwerk EURRECA arbeitet allerdings derzeit daran, die Beurteilungsmethoden europaweit zu vereinheitlichen.

Weitere Informationen:

Kompetenznetzwerk EURRECA: www.eurreca.org

Bioverfügbarkeit

Als Bioverfügbarkeit wird das Ausmass und die Geschwindigkeit bezeichnet, mit welchen ein Wirkstoff aus einer Arzneiform in den Blutkreislauf gelangt.
Definition und EigenschaftenWenn wir eine Tablette einnehmen, enthält diese eine definierte Menge eines pharmazeutischen Wirkstoffs, zum Beispiel 400 mg Ibuprofen. In der Regel gelangt nicht die vollständige Dosis in den Blutkreislauf. Einige Wirkstoffe werden nicht ganz aus der Arzneiform freigesetzt (Liberation), andere nur teilweise aus dem Darm aufgenommen (Absorption) und einige werden bei der ersten Leberpassage metabolisiert (First-Pass-Metabolismus).

Die orale Bioverfügbarkeit F bezeichnet diejenige Fraktion der Dosis, welche im systemischen Blutkreislauf erscheint. Sie variiert zwischen 0 (0%) und 1 (100%) und wird wie folgt berechnet:
Absolute orale Bioverfügbarkeit F = AUC_oral / AUC_i.v.

Die AUC (Area Under the Curve) bezieht sich auf die Fläche unter der Plasmakonzentrationskurve bei intravenöser oder peroraler Gabe. Als Referenz wird die AUC_i.v. verwendet. Sie liegt immer bei 100%, weil bei einer intravenösen Verabreichung die ganze Dosis im Blut erscheint.

In die Definition der Bioverfügbarkeit geht in der Regel nicht nur das Ausmass (AUC) sondern auch die Geschwindigkeit (z.B. t_max, Kurvenverlauf) ein.

Abhängigkeit von der FormulierungDie Bioverfügbarkeit ist nicht ausschliesslich eine Substanzeigenschaft. Sie hängt auch wesentlich von der Formulierung des Arzneimittels ab. Eine Tablette aus Stahl, die sich im Magen und Darm nicht auflöst, hat eine Bioverfügbarkeit von 0%. Deshalb müssen → Generika auch einen Test auf die sogenannte Bioäquivalenz erfüllen.

Arzneimittel-WechselwirkungenArzneimittel mit einer tiefen Bioverfügbarkeit sind anfällig für Arzneimittel-Wechselwirkungen. So hat beispielsweise das Bisphosphonat Ibandronat, welches zur Osteoporosetherapie verwendet wird, eine tiefe Bioverfügbarkeit von nur gerade 0.6%. Wird zeitgleich Calcium eingenommen, verschlechtert sich diese noch weiter bis hin zum Wirkungsverlust.

Wirkstoffe mit einem hohen First-Pass-Metabolismus, welcher die Bioverfügbarkeit wie gesehen ebenfalls reduzieren kann, sind ebenfalls anfällig für Interaktionen. Wird die Biotransformation gehemmt, kann sich die Dosis, welche den Kreislauf erreicht, erhöhen. Und dies begünstigt unerwünschte Wirkungen.

Tiefe orale BioverfügbarkeitManche Wirkstoffe haben eine derart tiefe Bioverfügbarkeit, dass sie nicht peroral verabreicht werden können. Dies gilt beispielsweise für Nitroglycerin, welches deshalb sublingual gegeben wird. Auch viele moderne Arzneimittel wie Antikörper sind nicht oral verfügbar und werden deshalb häufig als Infusion gegeben.

Arzneimittel-Fachinformation
Lehrbücher der Pharmakologie
Vögtli A., Ernst B. Moderne Pharmakokinetik. Transport durch Membranen. Weinheim: Wiley-VCH, 2010

AutorInteressenkonflikte: Keine / unabhängig. Der Autor hat keine Beziehungen zu den Herstellern und ist nicht am Verkauf der erwähnten Produkte beteiligt.

Andrea´s Warenkunde

Dienstag, 7. Juni 2016