Bioaktive Verbindungen in Chlorella-Algen und ihre Bedeutung

Chlorella-Algen sind einzellige, eukaryotische Mikroorganismen, die sich asexuell vermehren und sich sowohl autotroph als auch heterotroph bzw. mixotroph ernähren können. Sie stellen eine Quelle für eine breite Palette von Nährstoffen dar. So enthalten sie Proteine, Polysaccharide, mehrfach ungesättigte Fettsäuren (PUFA) vom Typ Omega-3 und Omega-6, Carotenoide, Phycobiliproteine, Polyphenole, Phycotoxine sowie bestimmte Vitamine und Mineralien. Diese Substanzen entfalten eine ganze Reihe biologischer Eigenschaften, die im Folgenden kurz beleuchtet werden.

1. Proteine

Mikroalgen haben einen relativ hohen Proteingehalt, der bis zu 71% ihrer Trockenmasse betragen kann; bei Chlorella vulgaris sind es 58%. Das Aminosäureprofil von Chlorella-Spezies unterscheidet sich vorteilhaft von jenem des WHO/FAO-Referenzstandards von 1973 und von anderen Nahrungsmittelproteinen; dies betrifft auch nahezu alle essenziellen Aminosäuren, die etwa 35% des Proteingehalts von Chlorella-Algen ausmachen. Allerdings muss die Zellwand durchbrochen werden, um eine entsprechende Bioverfügbarkeit der Proteine und Aminosäuren aus den Mikroalgen zu gewährleisten.

Über ihre Rolle als Quelle von Aminosäuren hinaus, können einzelne bioaktive Peptide aus Chlorella-Algen auch direkte biologische Funktionen ausüben. Diese Peptide bestehen aus zwei bis 20 Aminosäuren und können – in vitro oder in Tierexperimenten – antioxidative, immunmodulatorische, antineoplastische und antihypertensive Wirkungen ausüben. Studien im menschlichen Bereich fehlen hier noch.

2. Kohlenhydrate

Die Zellwand von Mikroalgen besteht zu 80% aus Kohlenhydraten, die aus Sicht der menschlichen Ernährung nicht nur als Ballaststoffe oder Energiequellen dienen, sondern auch direkte biologische Wirkungen aufweisen. In Tierversuchen sowie in vitro zeigten bestimmte wasserlösliche Polysaccharide aus Mikroalgen antiinflammatorische, immunmodulatorische, antioxidative und antineoplastische Eigenschaften.

So konnten drei Polysaccharide mit hohem Molekulargewicht aus drei unterschiedlichen Mikroalgenspezies die mRNA für Interleukin 1β und TNF-α, die zu einer Makrophagen/Monozytenaktivierung führen, signifikant erhöhen. Allerdings fehlen auch auf diesem Gebiet noch Humanstudien.

3. Lipide

Mikroalgen enthalten bis zu 30% Lipide und sind eine gute Quelle für langkettige, mehrfach ungesättigte Fettsäuren (PUFA) vom Omega-3- bzw. Omega-6-Typ. Die Lipidprofile sind von Spezies zu Spezies verschieden. Sie hängen zudem davon ab, ob sich die Alge autotroph oder heterotroph ernährt. Im letzteren Fall ist der Lipidgehalt deutlich höher.

Zu den Omega-6-Fettsäuren gehören Linolsäure, γ-Linolsäure und Arachidonsäure (ARA). ARA ist der Ausgangspunkt für die Biosynthese wichtiger Signalmoleküle wie Eicosanoide und Prostaglandine, die eine Vielzahl biologischer Wirkungen entfalten, unter anderem auf den Gefäßtonus, die glatte Muskulatur des Bronchialapparats oder die Blutgerinnung. ARA hat auch einen Einfluss auf das Wachstum der Skelettmuskulatur und beeinflusst – zusammen mit der Omega-3-PUFA Docosahexaensäure (DHA) – die mentale Entwicklung von Kindern.

Zu den Omega-3-Fettsäuren gehört neben DHA u.a. auch Eicosapentaensäure; beide sind u.a. in fettem Fisch, wie z.B. Lachs, Hering oder Makrele, zu finden. Chlorella ist, auch im Vergleich mit anderen Mikroalgen, eine gute Quelle für PUFA, insbesondere für Omega-3-Säuren. Diese sind der biochemische Ausgangspunkt für Resolvine und Protectine, die potente antiinflammatorische Wirkungen entfalten können.

Studien beim Menschen zur Wirkung der Supplementation von Omega-Fettsäuren aus Chlorella-Spezies stehen leider noch aus.

4. Carotenoide

Carotenoide sind eine Hauptklasse der Mikroalgen-Pigmente. Sie lassen sich weiter in Carotene und Xantophylle unterteilen. Die biologische Rolle von Carotenoiden besteht in der Absorption von Licht in Wellenlängen, die von Chlorophyllen nicht erfasst werden. Xanthophylle sind imstande, Energie auf die Chlorophylle zu übertragen.

Carotenoide lassen sich auch in primäre und sekundäre unterteilen. Primäre Carotenoide, wie Beta-Caroten und Lutein, sind unter Normalbedingungen in den Chloroplasten – den Organellen der Photosynthese – der Mikroalgen enthalten, während sekundäre Carotenoide wie Astha- oder Canthaxanthin von der Alge erst unter Stressbedingungen in höheren Konzentrationen gebildet werden. Sie dienen u.a. als Photoprotektoren.

4.1 Beta-Caroten

Beta-Caroten (das auch als Beta-Carotin bezeichnet wird) ist eine Vorstufe von Vitamin A, zu dem es im menschlichen Darm auch umgewandelt werden kann. Beta-Caroten hat starke antioxidative Eigenschaften. Allerdings konnte in zwei großen Studien mit insgesamt fast 50.000 rauchenden Teilnehmern kein günstiger Effekt auf die Mortalität nachgewiesen werden. Die Raten an Lungenkarzinomen waren in den Gruppen, die Beta-Caroten erhielt, sogar höher als in den Plazebogruppen. Dieser Effekt wurde in mehreren Hypothesen interpretiert. Eine besagt, dass es durch die hohe Sauerstoffspannung in der Lunge durch Schadstoffe aus Zigaretten zu einer Oxidation von Beta-Caroten und damit zu einem prooxidativen Effekt kommt. Eine andere meint, dass Beta-Caroten die Lungenfunktion verbessert, was paradoxerweise dann zu einem tieferen Einatmen von Schadstoffen aus Zigarettenrauch führt.

Diese Studien stehen allerdings im Widerspruch zu epidemiologischen Daten, die einen günstigen Effekt von Beta-Caroten fanden.

In einer gepoolten Analyse von 13 Studien zeigte sich eine Reduktion des Risikos für Nierenzellkarzinome von 18% durch die Einnahme höherer Mengen von Beta-Caroten. Insgesamt ist die Studienlage zur Wirkung von Beta-Caroten auf Krebserkrankungen beim Menschen derzeit inkonklusiv.

Es gibt Studien beim Menschen, die auf eine günstige Wirkung von Carotenoid-reichen Nahrungsmitteln in Bezug auf kardiovaskuläre Erkrankungen hindeuten. Allerdings wurde Beta-Caroten hier zusammen mit heterogenen Gruppen anderer Antioxidanzien beurteilt oder es wurden Plasmaspiegel von Beta-Caroten gemessen.

Spezifische Studien zur Supplementierung von Beta-Caroten aus Chlorella beim Menschen gibt es nicht. Es gibt allerdings Studien mit Mikroalgen, die eine günstige Wirkung auf das Lipidprofil beim Menschen – und somit auf einen der wichtigsten kardiovaskulären Risikofaktoren – ausüben. Hier sind zweifellos noch weitere klinische Studien erforderlich.

4.2 Astaxanthin

Dieses sekundäre Carotenoid kann von Tieren und Menschen nicht synthetisiert werden. Es weist keine Provitamin-A-Aktivität, aber eine starke antioxidative Wirkung auf. Es ist imstande, die Lipidperoxidation und die Wirkung des Radikals NO und seiner Metaboliten in Gefäßen zu hemmen und somit eine protektive Wirkung auf das kardiovaskuläre System auszuüben.

Im Tierversuch war Astaxanthin mit einer reduzierten Thromboseinzidenz, einer signifikanten Reduktion des Blutdrucks und einer Verkleinerung von Myokardinfarkt-Arealen assoziiert. Weiters reduzierte Astaxanthin den Blutzucker- und den Insulinspiegel sowie die Triglyzeride bei gleichzeitiger Erhöhung des HDL-Cholesterins bei Ratten. Auch die Insulinsensitivität konnte verbessert werden. Der Zusammenhang könnte darin bestehen, dass eine Hyperglykämie zu verstärkter Lipidperoxidation und Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies führt, was wiederum verschiedene Gewebe und auch die pankreatischen Betazellen schädigt.

Eine Studie mit 56 gesunden Freiwilligen zeigte, dass Astaxanthin die Proliferation von Monozyten im peripheren Blut stimuliert, die Aktivität der natürlichen Killerzellen erhöht und den CRP-Spiegel sowie die Biomarker der DNA-Schädigung reduziert. Der immunstimulierende Effekt lässt sich durch die antioxidative Wirkung erklären: Immunzellen enthalten in ihren Zellmembranen sehr viele PUFAs und sind daher empfindlich auf oxidativen Stress.

4.3 Canthaxantin

Canthaxanthin ist ebenfalls ein sekundäres Carotenoid, das nur in einigen Chlorella-Spezies vorkommt und in der Nahrungsmittelindustrie u.a. als Farbstoff eingesetzt wird. Auch diese Substanz kann nur von Pflanzen und Mikroorganismen synthetisiert werden. Canthaxanthin kann durch seine starke antioxidative Wirkung den cholesterininduzierten oxidativen Stress reduzieren und die Bildung von Cholesterin-Oxidationsprodukten (COP), wie sie bei der Herstellung, Verarbeitung und Lagerung von Nahrungsmitteln aus tierischen Quellen entstehen können, hemmen. COP haben mutagene und karzinogene Eigenschaften, sie schädigen Makrophagen und Endothelzellen und fördern die Plaquebildung am Gefäßendothel.

In vitro entfaltete Canthaxanthin einen neuroprotektiven und antiinflammatorischen Effekt, u.a. durch die Hemmung der Produktion von IL-1, IL-6 und TNF-α. Hier wären weitere Studien wünschenswert.

4.4 Lutein

Lutein ist ein wichtiges Carotenoid und kann für den menschlichen Organismus als essenziell betrachtet werden. Es kommt in grünem Blattgemüse und in einigen Chlorella-Spezies vor. In der Alge hat es photoprotektive Eigenschaften und ist ein akzessorisches Pigment der Photosynthese.

Lutein und sein Isomer Zeaxanthin können die Blut-Retina-Barriere durchdringen und sind essenzielle Komponenten der Macula lutea. Man geht davon aus, dass die beiden Carotenoide eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Sehfunktion und dem Schutz der Netzhaut vor Schädigungen spielen.

In einer Studie mit 34 gesunden männlichen Freiwilligen verbesserten sich nach sechs Monaten Supplementierung mit Lutein und/oder Zeaxanthin die Pigmentdichte in der Macula und der Visus. In einer anderen Studie konnte mittels Lutein der Visus bei Patienten mit altersbedingter Katarakt verbessert werden.

Lutein wird auch in vielen menschlichen Hirnregionen gefunden und dürfte eine wichtige Rolle in der kognitiven Entwicklung spielen. In kindlichen Gehirnen ist der relative Anteil an Lutein unter den Gesamt-Carotenoiden höher als beim Erwachsenen. Zudem gibt es eine Korrelation zwischen der Konzentration von Lutein/Zeaxanthin in der Retina und im Gehirn.

Eine Studie mit 51 gesunden Erwachsenen zeigte eine Verbesserung bestimmter visuell-kognitiver Funktionen nach einem Jahr Supplementierung mit Lutein und Zeaxanthin. Dieser Effekt wird auf die antioxidative Wirkung zurückgeführt.

In einer anderen Studie konnte mittels Lutein über zwölf Wochen der CRP-Spiegel gesenkt, die Lipid-Peroxidation im Plasma gehemmt und die antioxidative Gesamtkapazität erhöht werden.

In einer Metaanalyse von 71 Studien mit mehr als 387.000 Teilnehmern zeigte sich eine Korrelation zwischen höherer Luteinaufnahme und geringerem Risiko für KHK und Schlaganfall, aber nicht mit der kardiovaskulären Mortalität. Zudem war Lutein mit niedrigeren CRP-Spiegeln assoziiert.

Die Bioverfügbarkeit von Lutein aus Chlorella-Produkten ist besser als jene aus Spinat oder Broccoli.

5. Polyphenole

Phenole sind eine heterogene Gruppe aromatischer Verbindungen, die von Pflanzen und Mikroalgen synthetisiert werden und sich in Subgruppen wie Flavonoide, Phenolsäure, Tannine, Kumarine, Lignane, Stilbene, Curcuminoide und Chinone einteilen lassen.

Im Vergleich zu anderen Mikroalgen enthalten Chlorella-Spezies relativ hohe Konzentrationen an Phloroglucinol und Apigenin

5.1 Phloroglucinol

Phloroglucinol ist ein Benzentriol mit starken antioxidativen Eigenschaften. Diese wurden sowohl in Tierversuchen als auch in vitro bestätigt. So wurde z.B. an HepG2-Zellen gezeigt, dass Phloroglucinol indirekt die Aktivität antioxidativer Enzyme beeinflusst, direkt freie Radikale abfängt und die Lipidperoxidation verhindert.

5.2 Apigenin

Apigenin gehört zur größten Gruppe der Phenole, den Flavonoiden. Es besitzt starke antiinflammatorische Eigenschaften, die in vitro bestätigt wurden. Im Tierversuch schützte Apigenin Mäuse vor einer sonst tödlichen Dosis von Lipopolysaccharid-Endotoxinen. Dieser Effekt kam über die Hemmung der Sekretion proinflammatorischer Zytokine zustande.

In anderen Tierversuchen wirkte Apigenin auch gegen depressives Verhalten. Diese Wirkung kommt möglicherweise über eine Förderung der Ausschüttung von „Brain-Derived Neurotrophic Factor“ (BDNF) im Hippocampus zustande.

Zudem verbesserte Apigenin bei Ratten mit Typ-2-Diabetes den Glukose- und Lipidmetabolismus. Leider gibt es zu Apigenin noch keine humanen Studien.

Apigenin aus Chlorella hat jedenfalls für Menschen eine gute Bioverfügbarkeit.

Fazit: Das Spektrum der in Mikroalgen wie Chlorella enthaltenen bioaktiven Substanzen reicht von Proteinen und Aminosäuren über Kohlenhydrate, Lipide und Carotenoide bis hin zu Phenolverbindungen.

Die in vitro und in vivo gezeigten Wirkungen umfassen antioxidative, antiinflammatorische, antihypertensive, antineoplastische, neuroprotektive, antiatherosklerotische, visusverbessernde, antidepressive und prokognitive Effekte. Auch eine Verbesserung des Glukose- und Fettstoffwechsels kann beobachtet werden.

Viele dieser Wirkungen sind allerdings bisher noch nicht oder nicht ausreichend beim Menschen nachgewiesen. Hier sollten weitere Studien folgen.

nh

Quelle: Besenyei D: „Bioactive compounds in Chlorella algae species and their importance as nutritional supplements“. Bachelor-Arbeit am Institut für Ernährungswissenschaften der Universität Wien, 2020.