Smart Nutrition: Ernährung & Gesundheit digital erfassen  

Interview und Text: JULIA VOGT | IGZ

Dr. Daniela Weber ist Projektleiterin in der Abteilung Molekulare Toxikologie am Deutschen Institut für Ernährungsforschung Potsdam-Rehbrücke (DIfE). Nach ihrer Promotion zum Thema „Biomarker der Ernährung und des Redox- Status“ untersucht die Ernährungswissenschaftlerin aktuell Blutproben aus Humanstudien, um die Zusammenhänge zwischen dem Status fettlöslicher Mikronährstoffe und dem Alter zu erforschen.

Bisher verfügbaren ernährungsunterstützenden Anwendungen (Apps) fehlt in der Regel eine objektive Erfassung des Ernährungszustandes, so dass keine individuellen und bedarfsgerechten Ernährungsvorschläge möglich sind. Gemeinsam mit Experten der Fachgruppe Telematik der Technischen Hochschule Wildau möchten Dr. Daniela Weber und Prof. Tilman Grune daher im food4future-Teilprojekt „Smart Nutrition & tragbare Sensoren und Digitalisierung I“ Lösungen für dieses Problem finden.

Was versteht man unter dem Begriff Smart Nutrition und wie erfasst man den Ernährungszustand eines Menschen?

Für uns ist Smart Nutrition die Verknüpfung von Ernährung bzw. Ernährungsgesundheit mit digitalen Hilfsmitteln. Obwohl es inzwischen viele zuverlässige Sensoren zur Erfassung allgemeiner Gesundheitsparameter wie z. B. Herzfrequenz und Puls gibt, sind Sensoren oder Tools für die Erfassung des Ernährungszustands bisher leider nur wenig bis gar nicht verfügbar. Muskelkraft, Knochendichte, Blutzucker, Insulinspiegel und Gewicht – das sind beispielsweise Parameter, um den Ernährungszustand eines Menschen zu erfassen. Bisher mussten sich die Probanden dafür jedoch stationär untersuchen lassen. Die Verknüpfung von Ernährung und nicht-invasiv zu messenden Parametern ist nicht einfach. Wir suchen im Projekt daher nach verfügbaren Sensoren, die dies können und werden diese in Humanstudien validieren.

In unserer Arbeit fokussieren wir uns auf Aussagen, die eindeutige und zuverlässige Rückschlüsse auf die Ernährung zulassen. Daher konzentrieren wir uns in food4future auf Carotinoide, also eine bestimmte Klasse von fettlöslichen Mikronährstoffen, die in Obst und Gemüse enthalten sind. Die Konzentration von β-Carotin oder Lycopin im Blut steht eindeutig im Zusammenhang mit dem Verzehr carotinoidhaltiger Lebensmittel. Mittels dem Chromatographie-Verfahren HPLC (High Performance Liquid Chromatography) können wir den Carotinoidgehalt im Blutplasma in unserem Labor bestimmen. Diese Werte vergleichen wir dann mit den erhobenen Daten aus so genannten Food Frequency-Fragebögen (FFQ) zur durchschnittlichen Verzehrhäufigkeit in einem Jahr und aus der tatsächlichen Zufuhrmenge (24h-Ernährungsprotokoll) der relevanten Lebensmittel. Wir wollen im Projekt zusätzlich einerseits kommerziell verfügbare, andererseits noch im Prototyp-Stadium befindliche Sensoren implementieren, welche die Carotinoidkonzentration nicht-invasiv über Reflexions- bzw. Raman-Spektrometrie in der Haut messen. Diese Sensoren erfassen den Gesamtcarotinoidgehalt. Diesen validieren wir dann anhand der Ergebnisse aus den Blut-Analysen und den FFQ-Fragebögen und schauen, wie gut die Korrelation ist. Interessant ist, dass die Konzentration von Carotinoiden in der Haut eine Form der Speicherung ist, also die Aufnahme eines länger zurückliegenden Zeitraumes anzeigt, während sie im Blut die Aufnahme der letzten Tage anzeigt und der Verteilung im Körper dient.

Wie laufen ernährungswissenschaftliche Studien ab?

Man unterscheidet in der Ernährungswissenschaft zwischen Beobachtungs- und Interventionsstudien. In Beobachtungsstudien werden Fragebögen eingesetzt und/oder Blutproben genommen. Man greift so wenig wie möglich in den Alltag der Teilnehmenden ein. Anders sieht es bei Ernährungs-Interventionsstudien aus, bei denen – wie der Name schon sagt – die Auswirkungen eines Eingriffs in die Ernährung untersucht werden soll.
Im Fall unseres food4future-Projekts werden die Proband*innen in der ersten Studie, einer Beobachtungsstudie, neben des Führens eines Ernährungstagebuchs auch Sensoren zur Erfassung von Gesundheitsparametern tragen, z.B. eine Smart Watch. In der zweiten Studie, eine Interventionsstudie, soll eine App, die von unseren Projektpartnern der TH Wildau gemeinsam mit uns entwickelt wird, mit Feedbackoption für die Nutzenden eingesetzt werden. Diese App soll auf eine gesunde Ernährung in Hinblick auf die bereits erwähnten Carotinoide abzielen und individuelle Ernährungsvorschläge unterbreiten.

Vor der Durchführung unserer Studien müssen wir einen Ethikantrag stellen. Hier werden das Forschungs- und Studiendesign mit möglichen Auswirkungen auf die Teilnehmenden sowie das Datenschutzkonzept erläutert. Außerdem müssen Studienteilnehmerinformationen und das Probandeneinladungsschreiben eingereicht werden. Über den Antrag berät und entscheidet in unserem Fall die Ethikkommission der Universität Potsdam. Als Antragstellende hat man nach der Begutachtung die Gelegenheit, auf die Bedenken der Kommission einzugehen bzw. den Antrag entsprechend der Empfehlungen zu ergänzen. Zum Beispiel könnte im Fall der food4future-Studie ein Einwand sein, dass die Proband*innen, die normalerweise keine Uhren tragen, durch das Tragen einer Smart Watch beeinträchtigt oder abgelenkt werden.
Auch die einzelnen Parameter, die im Blut analysiert werden sollen, müssen im Vorfeld sehr detailliert beschrieben werden. Nachträgliche Änderungs- oder Ergänzungsanträge sind auch noch möglich, um wertvolle Humanproben und -daten eventuell noch für spätere Untersuchungen zu verwenden.

Ist die Studie genehmigt, können sich Interessierte beim Humanstudienzentrum des DIfE anmelden. Nach einem Informations- und Aufklärungsgespräch, in dem Ein- und Ausschlusskriterien abgefragt werden, können sich die potentiellen Proband*innen nach einer Bedenkzeit für eine Studienteilnahme entscheiden. Wenn sie in unser Studienzentrum am DIfE in Potsdam-Rehbrücke kommen, werden anthropometrische Parameter wie Gewicht, Größe, Körperfett und die Handgreifkraft ermittelt, Blut abgenommen und je nach Studie Ernährungsfragebögen ausgefüllt, die Informationen für das Führen eines Ernährungsprotokolls weitergegeben und sonstige Interventionen besprochen.

Und wie sieht es im konkreten Fall für die food4future-Studie aus?

Zunächst validieren wir innerhalb der NutriAct Ernährungsinterventionsstudie die Carotinoid-Sensoren, welche die Bioverfügbarkeit von Carotinoiden ermitteln sollen. Dazu führen wir zusätzlich zu den entnommenen Blutproben Messungen auf der Haut vor und nach Aufnahme von Carotinoiden durch. In der food4future Vorstudie werden 20 Studienteilnehmer*innen Sensoren, also Schritt- und Pulsmesser über einen Zeitraum von 10 Tagen tragen und eine App zur Erfassung des Carotinoidverzehrs nutzen. In der zweiten Studie, der Interventionsstudie mit 20 Proband*innen, wird dann die f4f-App mit Ernährungsvorschlägen getestet, während die Teilnehmenden eine bestimmte Ernährungsweise verfolgen müssen. Wir planen eine Diät zu implementieren, die reich an pflanzlichem Protein und Carotinoiden ist. Bei beiden Studien werden Fragebögen zur Ernährung eingesetzt und Blutproben genommen, um die Sensordaten zu validieren.

Nach der Datenerfassung der ersten Studie werden alle Sensordaten durch die f4f-Partner der Telematik (TH Wildau) ausgewertet und für das Machine Learning der App-Entwicklung eingesetzt. Die entnommenen Blutproben werden im Labor auf ihren Gehalt an Cholesterol, Triglyceride, Insulin, Glucose, Vitamin E und Carotinoiden wie beispielsweise Lycopin, α- und β-Carotin, analysiert. Die Blutwerte werden dann zusammen mit den Fragebögen, Ernährungsprotokollen, den Daten aus der App und von den Carotinoid-Sensoren ausgewertet und auf Korrelation geprüft. Die Auswertung betrachtet einerseits Änderungen der jeweiligen Individuen über den zeitlichen Verlauf der Studie. Andererseits können auch Gruppen miteinander verglichen werden.

Der standardisierte Food Frequency Questionnaire (FFQ), den die Proband*innen ausfüllen, fragt insgesamt 126 Lebensmittel ab, die entweder einzeln ausgewertet oder in Gruppen wie z.B. Cerealien, Obst, Gemüse zusammengefasst werden können. Portionsgrößen sind hier wichtig und werden mitberücksichtigt. Für unsere Studie ist es natürlich sinnvoll, die carotinoidhaltigen Lebensmittel genauer aufzuschlüsseln. Wir schauen uns daher Karotten, Orangen, Tomaten, Tomatensoße, Tomatenmark usw. einzeln an. Andere Kategorien wie Öle oder Getreide untersuchen wir als kumulierte Nahrungsmittelgruppen. Eine Ausnahme bilden jedoch Pommes frites: Aus vorherigen Studien wissen wir, dass Lycopin, also das Carotinoid aus Tomaten, mit der Verzehrhäufigkeit von Pommes korreliert.

Ihr Forschungsprojekt stellt die Klasse der Carotinoide in den Mittelpunkt. Warum ist die Forschung hierzu wichtig?

Unser Forschungsschwerpunkt am DIfE ist die gesunde Ernährung im Alter, im Zuge dessen untersuchen wir auch Altersbiomarker. In unserer Abteilung interessieren uns vor allem für die Vitamine A, E, D, K und Folsäure. Auch wenn in Industrienationen wie Deutschland mehr als genug Nahrung zur Verfügung steht, ist eine Mangelernährung in Bezug auf Mikronährstoffe nicht selten. Dies kann verschiedene Gründe haben, zum Beispiel durch einseitige Ernährungsgewohnheiten. Es kann im Alter aber auch zu physiologischen Veränderungen kommen, sodass Nährstoffe schlechter resorbiert werden. Oder der Geschmack kann sich ändern und entsprechende Lebensmittel werden seltener oder gar nicht mehr gegessen. Mikronährstoffe sind für viele Körperfunktionen essentiell. Eine schlechte Versorgung mit Mikronährstoffen steht u.a. in Zusammenhang mit dem Auftreten von Krebserkrankungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen oder altersabhängiger Makuladegenration. Der Vitaminbedarf älterer Menschen könnte aufgrund einer verminderten Bioverfügbarkeit möglicherweise sogar höher sein, als man heute noch empfiehlt. Die Forschung zu Mikronährstoffen und Vitaminen ist heute also nach wie vor relevant und aktuell.

Die aktuelle ältere Generation ist wahrscheinlich eine der letzten, die noch als „Digital Immigrant“ oder als wenig technikaffin bezeichnet werden kann. Die nachfolgenden Generationen gehen aller Voraussicht nach ganz intuitiv mit dem Smartphone und anderen Geräten um. Insofern ist eine App, die den tatsächlichen Ernährungsstatus erfassen und angepasste Vorschläge zur Korrektur einer Unterversorgung machen kann, vielleicht genau der richtige Weg, um zukünftig auch im Alter eine gesunde und bedarfsgerechte Ernährung sicher zu stellen.

Das food4future-Konsortium ist interdisziplinär aufgestellt und Sie arbeiten eng mit den Partnern aus der Arbeitsgruppe Telematik der TH Wildau zusammen, die für die technische Entwicklung der food4future App verantwortlich sind. Wie gestaltet sich die Zusammenarbeit?

Zu Beginn unserer gemeinsamen Arbeit haben wir gemerkt, dass wir erst einmal eine gemeinsame Sprache finden müssen: Was meinen wir, wenn wir von Nahrung, Ernährung, Lebensmittelinhaltsstoffen, Mikro- und Makronährstoffen sprechen, was bedeutet Ernährungsintervention? Seit dem wir das geklärt und eine gemeinsame Wissensgrundlage geschaffen haben, funktioniert die Zusammenarbeit sehr gut, auch wenn wir uns pandemiebedingt nur virtuell treffen können.

Warum sind Sie Ernährungswissenschaftlerin geworden und was fasziniert Sie an Ihrer Arbeit?

Ich komme aus Baden-Württemberg und habe nach Abschluss der Realschule ein ernährungswissenschaftliches Gymnasium besucht. Ich fand es besonders spannend: von Biochemie und Ernährungsphysiologie und medizinische Zusammenhänge bis zur Psychologie umfasst die Ernährungswissenschaft ein breites Themenspektrum. Nach dem Abitur kam dann das Studium der Ernährungswissenschaft und schließlich bin ich nach meiner Promotion an das Deutsche Institut für Ernährungsforschung gegangen. Die Begeisterung ist also ungebrochen. Ich liebe die Abwechslung meiner Arbeit, die von Laborexperimenten, Kooperationen mit anderen Wissenschaftsdisziplinen, Reisen zu Konferenzen oder Gastaufenthalten in anderen Einrichtungen bis hin zur Kommunikation meiner Forschung reicht. Wobei letztere nicht immer einfach ist, weil Ernährungsforschung extrem komplex ist. Man muss immer sehr genau hinschauen, unter welchen Bedingungen Studien durchgeführt wurden und ob die Ergebnisse auch für andere Bevölkerungsgruppen gelten. Auch sind Erkenntnisse, die am Tiermodell gewonnen wurden, nicht einfach auf den Menschen übertragbar. Es ist daher nicht immer leicht, Forschungsergebnisse und den aktuellen Kenntnisstand korrekt in einer Schlagzeile als Take-Home-Message zu komprimieren.

Eine Frage zum Schluss – Ernährung ist ein Thema, das auch im Alltag eine große Relevanz hat. Hat Ihre Arbeit einen großen Einfluss auf Ihre eigene Ernährung?

Ich würde sagen, die Dosis macht das Gift. Ich ernähre mich eigentlich relativ „normal“ (lacht): Am DIfE wird überraschenderweise sehr viel Schokolade gegessen!

„food4future – Nahrung der Zukunft“ ist ein vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördertes und von Prof. Monika Schreiner, Leibniz-Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau (IGZ), koordiniertes Verbundprojekt im Rahmen der Förderlinie „Agrarsysteme der Zukunft“.

Ausgehend von den zwei extremen Zukunftsszenarios No Land und No Trade, die von einem drastischen Rückgang der verfügbaren Agrarfläche bzw. des Agrarhandels ausgehen, arbeiten mehr als neun Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft in den vier Forschungsfeldern inter- und transdisziplinär an Innovationen für eine gesunde und ausreichende Ernährung von morgen und in sozioökonomischen und anthropologischen Studien werden die Konsequenzen der food4future-Szenarien auf die Gesellschaft, Institutionen und Individuen analysiert.

Neben der Entwicklung einer Smart Health App zur Ermittlung des Ernährungsstatus sollen geschlossene Systeme unter Verwendung von Salzwasser für die Einzel- und Co-Kultivierung Makroalgen, Salzpflanzen, Quallen sowie die Reststoffverwerter Grillen entwickelt. Sie werden in flexiblen, aus innovativen polymerbasierten Leichtbaumaterialien konstruierten Einheiten für die urbane Nahrungsmittelproduktion eingesetzt, also möglichst nah an den Verbraucher*innen. Diese sogenannten urbanen Bioräume sollen – um nicht in Nutzungskonkurrenz mit dem ohnehin schon knappen städtischen Wohnraum zu treten – in nicht oder nicht mehr benötigten Flächen wie beispielsweise in alten Industrieanlagen oder Verkehrsbegleitbauwerken eingerichtet werden.

Weiterführende Informationen

Projekt food4future: https://www.food4future.de