Резюме

Американската епидемия от затлъстяване наскоро събра голямо внимание от медиите. Нарастването на процента на населението със затлъстяване съвпада с нарастването на широкото използване на некалорични изкуствени подсладители, като аспартам (например диетична кока-кола) и сукралоза (например Pepsi One), в хранителните продукти (Фигура 1 ). Предложени са както причинно-следствени връзки, така и обратни [1,2]. Докато хората често избират „диетични“ или „леки“ продукти, за да отслабнат, изследователските изследвания показват, че изкуствените подсладители могат да допринесат за увеличаване на теглото. В този мини-преглед, вдъхновен от дискусия с д-р Дана Смол на конференцията на Yale’s Neuroscience 2010 през април, първо разглеждам развитието на изкуствените подсладители в исторически контекст. След това обобщавам епидемиологичните и експериментални доказателства относно тяхното въздействие върху теглото. И накрая, опитвам се да обясня тези ефекти в светлината на невробиологията на възнаграждението за храна.

натрупайте

Времева линия на използването на изкуствени подсладители и тенденциите в затлъстяването в Съединените щати. Синя линия: промени в процента на населението с наднормено тегло (ИТМ> 30) от 1961 до 2006 г. Източник: Национално изследване на здравните и хранителни изследвания [57]. Оранжева линия: промени в процента от населението, които редовно използват изкуствени подсладители от 1965 до 2004 г. Източник: Национално проучване на домакинствата [2]. Лилава линия: промени в броя на новите изкуствени подсладители, съдържащи хранителни продукти, въведени на американския пазар от 1999 до 2004 г. Източник: Анализ на пазара на Mintel [14]. Лентите под оста на времето показват вида и наличността на изкуствени подсладители в Съединените щати с течение на времето. Източник: Kroger et al [9].

Подсладители

Въпреки че захаринът остава на пазара в САЩ, редовните потребители на изкуствени подсладители са сравнително малко, докато не пристигне следващото поколение съединения (Фигура 1, оранжева линия) [2]. Строгите тестове за безопасност предшестваха одобрението на FDA за тези нови изкуствени подсладители. През 1965 г. Джеймс Шлатер в Серл открива аспартам [10]. Опитваше се да направи нови лекарства за язва. Аспартамът се състои от две аминокиселини, фенилаланин и аспартат, свързани с метанолов скелет (Фигура 2). За разлика от другите изкуствени подсладители, които обикновено се екскретират непроменени, аспартамът може да се метаболизира. Следователно, той не е строго некалоричен (4 Kcal/g) и забранен при хора с фенилкетонурия [9]. Аспартамът е около 200 пъти по-сладък от захарозата. Поради малкото количество, погълнато в даден момент, неговият калориен принос е незначителен. FDA одобри аспартама първо за употреба в сухи храни през 1981 г., след това като основен подсладител през 1996 г. Монсанто купи Searle и го преобразува в NutraSweet през 1984 г. Патентът за аспартам изтече през 1992 г. На фона на конкуренцията от генерични производители, NutraSweet проектира неотама, която беше одобрена през 2002 г. [11]. Neotame е най-мощният подсладител на пазара, със 7000 пъти сладост на захарозата.

Структури от захароза, естествен калоричен подсладител и различни изкуствени подсладители. Източник: Kroger et al. [9] и Браун и сътр. [25].

Калият ацесулфам наподобява захарин и цикламат по структура и вкус (Фигура 2). Карл Клаус от Хохст го открива през 1967 г. [12]. FDA одобри използването му в сухи храни през 1988 г. и като основен подсладител през 2003 г.

Най-новият структурен напредък настъпи през 1979 г., когато Шашикант Фаднис, студент, работещ за Tate & Lyle, откри сукралоза [3]. Той се синтезира от захароза чрез заместване на хлора с три от неговите хидроксилни групи, генерирайки 600 пъти сладостта (Фигура 2). Той е одобрен през 1999 г. Продажбите на сукралоза възлизат на 148 милиона британски лири през 2008 г., генерирайки 23 процента от общата оперативна печалба на Tate & Lyle [13].

През последното десетилетие се наблюдава експлозивно нарастване на броя на хранителните продукти, съдържащи некалорични изкуствени подсладители. Повече от 6 000 нови продукта бяха пуснати на пазара в Съединените щати между 1999 и 2004 г. (Фигура 1, лилава линия) [14]. В момента при търсене на съставки на foodfacts.com се получават 3648 продукта, съдържащи един или повече от петте одобрени от FDA изкуствени подсладители. Сукралозата е най-популярна (1500 продукта), следвана от ацесулфам калий (1103 продукта) и аспартам (974 продукта). Изкуствените подсладители най-често се използват в газираните напитки. Те се срещат и в различни други продукти, от бебешка храна (напр. Pedialyte) до замразена храна (напр. Постни джобове). С такъв разнообразен избор е по-вероятно хората да се сблъскат с изкуствено подсладени предмети, когато правят ежедневен избор на храни и напитки. Националното проучване на хранителните нужди на домакинствата изчислява, че към 2004 г. 15% от населението редовно използва изкуствен подсладител [2]. IRI Consumer Report посочва, че 65 процента от американските домакинства са закупили поне един продукт, съдържащ сукралоза през 2008 г. Следователно общият брой на потребителите на изкуствени подсладители, както редовни, така и спорадични, вероятно е много по-голям.

Влияят ли изкуствените подсладители на теглото?

Интуитивно хората избират некалорични изкуствени подсладители пред захарта, за да отслабнат или да поддържат теглото си. Захарта осигурява голямо количество бързо усвоими въглехидрати, което води до прекомерен енергиен прием, наддаване на тегло и метаболитен синдром [15,16,17]. Захарта и други калорични подсладители, като царевичен сироп с високо съдържание на фруктоза, са главни виновници за епидемията от затлъстяване. Дали поради успешни маркетингови усилия от страна на индустрията за диетични напитки или не, обществеността, която съзнава теглото, често смята изкуствените подсладители за „здравословна храна“ [6]. Но дали изкуствените подсладители всъщност помагат за намаляване на теглото?

Изненадващо епидемиологичните данни показват обратното. Няколко широкомащабни проспективни кохортни проучвания установиха положителна връзка между употребата на изкуствен подсладител и наддаването на тегло. Проучването на сърцето в Сан Антонио изследва 3 682 възрастни за период от седем до осем години през 80-те години [18]. Когато се съпоставят с първоначалния индекс на телесна маса (ИТМ), пол, етническа принадлежност и диета, пиещите на изкуствено подсладени напитки постоянно имат по-високи ИТМ по време на проследяването, като зависимостта от дозата зависи от количеството на консумацията. Средният прираст на ИТМ е +1,01 kg/m 2 за контрол и 1,78 kg/m 2 за хората в третия квартил за изкуствено подсладена консумация на напитки. Проучването на Американското общество за борба с рака, проведено в началото на 80-те години, включва 78 694 жени, които са били силно хомогенни по отношение на възрастта, етническата принадлежност, социално-икономическия статус и липсата на предварително съществуващи условия [19]. При едногодишно проследяване, 2,7% до 7,1% по-редовни потребители на изкуствени подсладители натрупаха тегло в сравнение с не-потребителите, съпоставени с първоначалното тегло. Разликата в натрупаното количество между двете групи беше по-малко от два килограма, макар и статистически значима. Употребата на захарин също е свързана с осемгодишно наддаване на тегло при 31 940 жени от Проучването за здравето на медицинските сестри, проведено през 70-те години [20].

Подобни наблюдения са докладвани при деца. Въпреки това, детските проучвания често се усложняват от по-динамичните промени в диетата, свързани с растежа. Консумацията на подсладена със захар и изкуствено подсладена сода се увеличава, а консумацията на мляко намалява с възрастта [21]. Не беше възможно строго разграничаване между потребители на изкуствени подсладители и потребители, които не ги използват. Двугодишно проспективно проучване, включващо 166 училищни деца, установи, че повишената консумация на сода в диетата е свързана с по-високи BM-Z-резултати при проследяване, което показва наддаване на тегло [22]. Изследването Growing Up Today, включващо 11 654 деца на възраст от 9 до 14 години, също отчита положителна връзка между диетичната сода и наддаването на тегло при момчетата [23]. За всяка дневна порция диетична напитка ИТМ се увеличава с 0,16 kg/m 2. Корелацията не е била значима за момичетата. Националното проучване за растеж и здраве на Института за сърдечни, белодробни и кръвни изследвания проследи 2371 момичета на възраст от 9 до 19 години в продължение на 10 години [24]. Както диетата, така и редовното пиене на сода са свързани с увеличаване на общия дневен енергиен прием. Приемът на сода също прогнозира най-голямото увеличение на ИТМ, въпреки че корелацията между диетичната сода и ИТМ не е значителна. Проучване в напречно сечение, разглеждащо 3111 деца и младежи, установи, че пиещите сода с диети имат значително повишен ИТМ [21].

В допълнение, консенсусът от интервенционни проучвания предполага, че изкуствените подсладители не помагат за намаляване на теглото, когато се използват самостоятелно [2,25]. ИТМ не намалява след 25 седмици на заместване на диетични напитки с подсладени захари при 103 юноши в рандомизирано контролирано проучване, с изключение на най-тежките участници [26]. Двойно сляпо проучване подлага 55 младежи с наднормено тегло на 13 седмици на диета от 1000 Kcal, придружена от ежедневни капсули аспартам или лактоза плацебо. И двете групи отслабнаха и разликата не беше значителна. Загубата на тегло се дължи на ограничаването на калориите [27]. Подобни резултати бяха отчетени за 12-седмична програма с 1500 ккал, използваща обикновена или диетична сода [28]. Интересното е, че когато захарта е била тайно превключена на аспартам в метаболитно отделение, е постигнато незабавно намаляване на енергийния прием с 25% [29]. И обратно, съзнателното поглъщане на аспартам е свързано с повишен общ енергиен прием, което предполага свръхкомпенсация за очакваното намаляване на калориите [30]. Бдителният мониторинг, ограничаването на калориите и упражненията вероятно са участвали в загубата на тегло, наблюдавано в мултидисциплинарни програми, включващи изкуствени подсладители [31,32].

Експериментални изследвания върху изкуствени подсладители и енергия

Експериментите с предварително зареждане обикновено установяват, че сладкият вкус, независимо дали се доставя от захар или изкуствени подсладители, подобрява човешкия апетит. Подсладената с аспартам вода, но не и капсулата с аспартам, повишава субективния апетит при възрастни мъже с нормално тегло [33]. Аспартамът също така повишава субективните оценки на глада в сравнение с глюкозата или водата [34]. Предварителното натоварване с глюкоза намалява възприеманата приятност на захарозата, но аспартамът не [34]. В друго проучване аспартамът, ацесулфамът калий и захаринът са свързани с повишена мотивация за ядене и повече елементи, избрани в списъка с предпочитания към храната [35]. Аспартамът имаше най-силно изразен ефект, вероятно защото няма горчив послевкус. За разлика от глюкозата или захарозата, които намаляват енергийния прием по време на изпитваното хранене, предварително заредените изкуствени подсладители или не са имали ефект [33,35], или са увеличили последващия енергиен прием [36,37]. Тези открития предполагат, че калориите, съдържащи се в естествените подсладители, могат да предизвикат реакция, за да се запази общата консумация на енергия постоянна.

Човешките изследвания трябва да разчитат на субективни оценки и доброволен хранителен контрол. Моделите на гризачи помогнаха да се изясни как изкуствените подсладители допринасят за енергийния баланс. Плъховете, обусловени със захаринова добавка, са имали значително повишен общ енергиен прием и са натрупали повече тегло с повишено телесно затлъстяване в сравнение с контроли, обусловени с глюкоза [38]. Плъховете, обусловени от захарин, също не успяха да ограничат приема на чау след сладко преди хранене. Когато вкусът е бил произволно свързан с високо или ниско калорично съдържание, плъховете са яли повече чау след предварително хранене с предсказване на вкуса за ниско калорично съдържание [39]. Тези изследвания поставят хипотеза: Непоследователното свързване между сладък вкус и калорично съдържание може да доведе до компенсаторно преяждане и положителен енергиен баланс.

Невронални реакции на изкуствени подсладители

Какво движи желанието за ядене? Наградата за храна споделя мозъчната верига с други приятни дейности като секс и администриране на лекарства [40,41]. Той също така споделя една и съща поведенческа парадигма с други форми на пристрастяване: склонност, отнемане, жажда и кръстосана сенсибилизация [41]. Период на въздържание значително увеличи самостоятелното прилагане на захароза при плъхове, подобно на поведението при хора с прививка [42].

Наградата за храна се състои от два клона: сензорен и постингестивен [41]. При хората вкусовата информация, възприемана от вкусовите рецептори на езика, се издига през таламуса и в крайна сметка завършва в предната инсула/фронтален оперкулум и орбитофронталната кора [43,44]. Амигдала прави взаимни връзки по всички нива на вкусовия път. Мезолимбичната допаминова система също е от решаващо значение за хедоничното разпознаване на стимула и чувството на удовлетворение след поглъщане на храна с приятен вкус [41,45,46,47].

Постингестиалният компонент зависи от метаболитните продукти на храната [48]. Когато са лишени от храна, плъховете предпочитат разтвор на глюкоза пред разтвор на захарин, независимо от вкуса, който може да се маскира чрез добавяне на хинин [49]. Постихестиалните ефекти съдържат както положителни, така и отрицателни невронални сигнали, отделно от механичното насищане [48]. За умерено концентрирани хранителни вещества плъховете се научиха да предпочитат храната, свързана с редовното хранене, отколкото „фиктивното хранене“, при което погълнатата храна изтичаше от тялото през стомашна фистула. Плъховете обаче не проявяват предпочитание, ако се използват силно концентрирани хранителни вещества [48]. Доказано е, че хипоталамусът посредничи при изпращането на наградата за храна [41,50]. Хипоталамусът отделя различни невропептиди за регулиране на енергията, осмотичния баланс и поведението при хранене.

Разделянето на мозъчните зони при награждаване с храна не е изключително, тъй като допаминергичното активиране е свързано с предпочитание към захарозата при мишки без липса на възприятие за сладък вкус [51].

Все повече доказателства показват, че изкуствените подсладители не активират пътищата за възнаграждение на храната по същия начин като естествените подсладители. Липсата на калориен принос обикновено елиминира постингестивния компонент. Функционалното магнитно изобразяване при мъже с нормално тегло показва, че поглъщането на глюкоза води до продължителна депресия на сигнала в хипоталамуса. Този отговор не се наблюдава при поглъщане на сукралоза [50]. Естествените и изкуствени подсладители също активират вкусовия клон по различен начин. Рецепторът за сладък вкус, хетеродимер на два трансмембранни рецептора, свързани с G протеин, съдържа няколко места за свързване на лиганд. Например, аспартамът и цикламатът, съответно, се свързват с всеки от двата мономера [52]. На функционално ниво поглъщането на захароза, в сравнение с поглъщането на захарин, е свързано с по-голямо активиране на областите с по-висок вкус като инсулата, орбитофронталната кора и амигдалата [53].

Тези пилотни проучвания са в съответствие с преразгледана хипотеза: Сладостта, отделена от калоричното съдържание, предлага частично, но не пълно активиране на пътищата за награждаване с храна. Активирането на хедоничния компонент може да допринесе за повишен апетит. Животните търсят храна, за да задоволят присъщата жажда за сладост, дори при липса на енергийна нужда. Липсата на пълно удовлетворение, вероятно поради неуспеха да се активира постингестивният компонент, допълнително подхранва поведението, търсещо храна. Намаляването на отговора на наградата може да допринесе за затлъстяването. Нарушено активиране на мезолимбичните пътища след поглъщане на млечен шейк се наблюдава при затлъстели юноши [45].

И накрая, изкуствените подсладители, точно защото са сладки, насърчават желанието за захар и зависимостта от захар. Повтарящата се експозиция обучава предпочитанията за вкус [54]. Съществува силна връзка между обичайния прием на вкус на човек и предпочитаната от него интензивност за този вкус. Систематичното намаляване на хранителната сол [55] или мазнините [56] без никаква ароматна замяна в продължение на няколко седмици доведе до предпочитание към по-ниски нива на тези хранителни вещества в изследваните субекти. В светлината на тези констатации може да се използва подобен подход за намаляване на приема на захар. Подслаждането на диетата в света [15] може да е ключът към обръщането на епидемията от затлъстяване.

Благодарности

Тази статия е вдъхновена от дискусия с д-р Дана Смол на конференцията Neuroscience 2010, която се проведе в Йейлския университет на 10 април 2010 г. Авторът благодари на Михаела Пантер за редакционната подкрепа и на Стив Бронер за полезни предложения с ръкописа.