Koffein. Geschichte, Wirkung, Effekte und gesellschaftliche Diskussion

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung
1.1 Das schwarze Gold - eine kurze Geschichte

2. Neurochemie von Koffein
2.1 Allgemeine neurochemische Wirkung
2.2 Das Mesostriatale Dopaminsystem und Koffein
2.3 Die Adenosin-Dopamin-Rezeptorverschaltung

3. Effekte von Koffeinkonsum
3.1 Kurz- und mittelfristige Effekte
3.2 Effekte langfristigen Konsums
3.3 Energy Drinks und Gesundheit
3.4 Gesundheitliche und rechtliche Bedenken
3.5 Koffeinhaltige Konsumgüter und Gesundheit
3.6 Koffein und Abhängigkeit
3.7 Gesellschaftliche Bedenken

4. Schlusswort

5. Literatur

1. Einführung

1.1 Das schwarze Gold - eine kurze Geschichte

Was haben Tee, Schokolade, Energy Drinks und Kaffee gemeinsam? Sie alle enthalten Koffein, die weltweit am meisten genutzte psychoaktive Substanz (Smith, Osborne, Mann, Jones, & White, 2004). 87% aller Kinder und Erwachsenen in den Vereinigten Staaten konsumieren regelmäßig Koffein (Frary et al, 2005). In Deutschland sind es 84% Millionen aller Menschen ab dem Alter von 14 Jahren, die regelmäßig Kaffee trinken, andere koffeinhaltige Getränke nicht mit eingerechnet (Kaffee in Zahlen, 2018). Weltweit werden jährlich sechs Millionen Tonnen Kaffee pro Jahr gehandelt, wodurch Koffein die weltweit meistgehandelte Droge wird (International Coffee Organization [ICO], 2006).

Die Wirkung von Koffein ist bereits seit Jahrtausenden bekannt - es fördert Wachheit, Konzentration und Antrieb. Der historische Ursprung der Substanz ist nicht ganz eindeutig, eine gute Möglichkeit ist der arabische und ostafrikanische Raum (The Roast and Post Coffee Company, 2006; National Geographic Society, 2006). Von dort aus durfte die als Droge und Heilmittel verkaufte Substanz durch den transkontinentalen Handel ihre positive Wirkung durch über ganz Eurasien hinweg beweisen (Weinberg & Bealer, 2002, p. 1-7).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1. Arabische Bauern an einer Kaffeeplantage in Ghaza, ca. 1885-1901. Bild aus: Album von Fotographien geschossen von Bonfils. Die Verarbeitungstechnik der Kaffeebohnen ist hier zu sehen. (Weinberg & Bealer, 2002, p. 23).

Es ist demnach nicht verwunderlich, dass die Begriffe Koffein oder Kaffee, sowie all ihre Formen in den europäischen Sprachen, ihren Ursprung im arabischen qahwa finden (übersetzt etwa: jemandes Verlangen verringern) – ein Begriff, der auf die Müdigkeit verringernde Wirkung der Substanz abspielt (Weinberg & Bealer, 2002, p.23).

Die Ernte von Kaffeebohnen erfolgt jährlich, wobei verschiedene Methoden der Kaffeeverarbeitung existieren (ICO, 2006), auf die hier nicht weiter eingegangen wird. Wichtig ist, dass die Menge des Wirkstoffs Koffein von der Methode der Bohnenverarbeitung abhängig ist, sowie von Art der Kaffeebohne. Sie macht etwa einen Anteil von 1.01 bis 1.42% des Gesamtgewichts einer Kaffeebohne aus.

Koffein findet sich auch in den Blättern von Teepflanzen, dessen Nutzen seinen geschichtlichen Ursprung in China und Indien findet (Smith, Gupta, & Gupta, 2007, p. 21). Teeblätter beinhalten prozentuell weniger Koffein als Kaffeebohnen und Tee wird weltweit weniger konsumiert als Kaffee (Smith et al, 2007, p.22-23).

Durch die Verarbeitung der in Mittelamerika wachsenden Kakaobohnen wird koffeinhaltiges Kakaopulver produziert, woraus Schokolade hergestellt wird. Die ersten europäischen Schokoladehersteller, darunter Nestle, Mars, und Herschey, entstanden im 19. Jahrhundert und 20. Jahrhundert (Smith et al, 2007, p. 36-38). Der Koffeinanteil in Kakao ist um einiges geringer als in Kaffee oder Tee, wobei der genaue Anteil wegen der Geheimhaltung der Rezepte unbekannt bleibt (Barone & Roberts, 1984).

Soft und Energy Drinks beinhalten ebenfalls Koffein, welches durch die künstliche Beigabe verschiedener pflanzlicher Substrate ins Getränk kommt, wie beispielsweise die Kolanuss (Smith et al, 2007, p.31). Jedoch enthalten Energy Drinks eine Reihe von Substanzen, die auf unterschiedliche Weise psychoaktiv wirken können, darunter verschiedene Zucker, Ginseng, und Taurin.

Es ist offensichtlich, dass Koffein im Verlauf der Menschheitsgeschichte eine besondere Rolle als Konsummittel genommen hat, hergerührt aus seiner aktivierenden Wirkung. Um die neurochemischen Grundlagen zu verstehen, betrachten wir im nächsten Teil die molekulare Struktur von Koffein, die relevanten neuronalen Systeme sowie seine Wirkung in den besagten Systemen. Im Anschluss erkunden wir die verschiedenen kognitiven und psychomotorischen Effekte im Koffein und diskutieren rechtliche Implikationen im Kontext seiner psychischen Konsequenzen für den Konsumenten.

2. Neurochemie von Koffein

2.1 Allgemeine neurochemische Wirkung

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Abbildung 2. Chemische Zusammensetzung des Koffeinmoleküls. (Quelle: www.Wikiversity.org)

Koffein (Abbildung 2 zeigt die molekulare Zusammensetzung) ist der potenteste Wirkstoff aus der Gruppe der Xanthine, eine Gruppe natürlich vorkommender Alkaloide. Nach dem Konsum wird Koffein schnell in den gastrointestinalen Trakt absorbiert (Magkos & Kavouras, 2005) und kann die Blut-Hirn-Schranke ohne weiteres passieren (Chen et al, 2010). Im Zentralnervensystem wirkt Koffein vor allem als Adenosinantagonist – es blockiert die Adenosinrezeptoren (genauer die Rezeptoren A1 und A2A), ohne sie zu aktivieren, und reduziert so die Wirkung des Neurotransmitters (Chen et al, 2010).

A1-Rezeptoren sind im gesamten Gehirn zu finden, vor allem im Hippocampus, im Cortex, und im Thalamus (Ochiishi et al, 1999), und die A1-Rezeptoren in den Basalganglien sind mit Dopamin-D1-Rezeptoren colokalisiert (Chergui & Fredholm, 2005) – die Aktivierung von A1-Rezeptoren blockiert hier die stimulierenden Effekte aktiver D1-Rezeptoren (Ferré et al, 1998), und A1-Rezeptor-Blockade erhöht die Effekte der D1-Rezeptoren (Popoli et al, 1996).

A2A-Rezeptoren befinden sich vor allem in verschiedenen Nuclei der Basalganglien, colokalisiert mit D2-Rezeptoren (Johansson et al, 1993). Erhöhte A2A-Rezeptoraktivität reduziert den Effekt der D2-Rezeptoren und führt so zu einem erhöhten GABA-Ausstoß (Ferré et al, 1991).

Die blockierende Wirkung von Koffein auf die Adenosinrezeptoren fördert demnach die Aktivität der Dopaminrezeptoren – ein Punkt, der im Verlauf des Textes besonders relevant wird.

Die Wirkung von Koffein auf Adenosinrezeptoren wird auch durch eine mögliche, von den Autoren vorgeschlagene Interpretation der Ergebnisse von Lu et al (2016) bestätigt. In ihrer Studie nutzten sie eine fortgeschrittene Technik der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT), um regionale Unterschiede cerebralen Blutflusses nach Koffeinkonsum zu untersuchen. Dabei haben die Autoren regionale Unterschiede in der Veränderung des cerebralen Blutflusses nach Koffeinkonsum gefunden – posteriore Areale wie der posteriore cinguläre Cortex oder der superiore temporale Cortex wiesen dabei einen langsameren Abstieg der Blutflusswerte im Vergleich zum Gesamtgehirn auf. Anteriore Regionen zeigten das gegenteilige Muster. Da A2A-Rezeptoren in posterioren Arealen möglicherweise gehäuft auftreten, könnte dies mit den regionalen Unterschieden des cerebralen Blutflusses zusammenhängen. Andere Erklärungsansätze, wie zum Beispiel bezüglich der kognitiven Effekte des Koffeins, wurden jedoch auch vorgeschlagen – so sind die posterioren Areale Teile des Default Mode Networks (einem Netzwerk von Gehirnregionen, die im passiven Zustand aktiv sind), welche nach den Autoren mit den Effekten von Koffein auf die Vigilanz erklären könnte.

Im Hypothalamus ausgeschüttetes Adenosin wirkt schlafinduzierend, indem es über GABA die Weck- und Wachzentren des Gehirns hemmt (Cajochen, 2009). Durch die antagonistische Wirkung von Koffein wird dieser schlafinduzierende Effekt reduziert und im Umkehrschluss die Wachheit aufrechterhalten bzw. erhöht. Die somit erzeugte generelle Wirkung von Koffein auf den Organismus lässt sich in den folgenden vier Punkten einteilen (Smith, 2002; Giesbrecht et al 2010):

1. Erhöhte Wachheit, reduzierte Müdigkeit
2. Erhöhte Performanz in Aufgaben, die Vigilanz benötigen
3. Fähigkeit, Koffeinkonsum abhängig der Notwendigkeit seiner positiven Effekte zu kontrollieren
4. Verbesserte Gedächtnisfähigkeiten

Um der Unteraktivität der Adenosinrezeptoren entgegenzusteuern, erhöht der Organismus mit der Zeit und bei langhaltigem, regelmäßigen Koffeinkonsum die Anzahl der Rezeptoren – so kommt es zur Koffeingewöhnung (Ferré, 2016). Bei anschließender Abstinenz zeigt sich die Wirkung von Adenosin aufgrund der erhöhten Rezeptorzahl verstärkt, und übliche Symptome sind neben Erschöpfung und Müdigkeit auch Kopfschmerzen, Stress, verringerte Wachheit, Depression, und Ängstlichkeit (Sigmon et al, 2009), wobei diese Symptome nach etwa einer Woche in der Regel verschwinden. In dem gleichen Zeitraum reduziert sich die Adenosinrezeptorzahl ebenfalls wieder zum Normalzustand (Ferré, 2016).

2.2 Das Mesostriatale Dopaminsystem und Koffein

Wie bereits im vorherigen Abschnitt erörtert, spielt Koffein eine Rolle im Zusammenhang mit dem (striatalen) Dopamin. Die generelle Funktion des Striatums im Zusammenhang mit nigrostriatalem Dopamin ist die Erhöhung der Erregung und motorischen Aktivität zur Durchführung zielgerichteten Verhaltens (Ungerstedt, 1971). Läsionen der nigrostriatalen Dopaminbahn führen hierbei (unter anderem) zu verringertem motivationalem Antrieb im Zusammenhang mit externen Stimuli, zum Beispiel in Bezug zur Nahrungsaufnahme (Ungerstedt, 1971; Marshall, Berios, & Sawyer, 1980). Weiterhin führt die Zunahme vieler psychoaktiver Substanzen – darunter Koffein und Kokain – zu einer erhöhten psychomotorischen Aktivität (Wise & Bozarth, 1987). Wise und Bozarth (1987) schlagen in diesem Kontext vor, dass die addiktive Wirkung psychoaktiver Substanzen mit einer Beeinflussung des nigrostriatalen Dopaminsystems zusammenhängt. Dopamin wird dann ausgeschüttet, wenn (z.B. auf einen Stimulus) ein positives, nicht vorhergesehenes Ereignis folgt – dieses ausgeschüttete Dopamin ist dabei assoziiert mit dem verstärkenden Effekt des Ereignisses (Schultz, 2002) und führt zu der Entwicklung von Annäherungsverhalten bezogen auf den Stimulus (Ferré, 2016). Psychoaktive Substanzen, welche die Dopaminaktivität positiv beeinflussen, führen somit zu einer psychomotorischen Aktivierung und Verstärkung von Annäherungsverhalten bezüglich des Konsums der Substanzen.

2.3 Die Adenosin-Dopamin-Rezeptorverschaltung

Es ist bereits einige Male angeklungen, dass die Aktivität der Adenosin- und Dopaminrezeptoren miteinander interagieren. Die Rezeptoren sind in Form eines Heterotetramers an den GABAergen striato-pallidalen Neuronen colokalisiert und modulieren somit simultan die Funktion dieser Neuronen (Ferré et al, 1993). Für die Interaktion ist eine allosterische Hemmung zwischen A2A-Agonisten und -Antagonisten von Bedeutung, welche gleichzeitig an den Rezeptor binden (Ferré, 2016), wobei Koffein die entscheidende Antagonistenrolle übernehmen kann. Die Interaktion der Rezeptoren spielt sich dabei in der Relation ihrer Aktivitäten ab: eine stärkere relative A2A-Aktivität führt zu erhöhter, eine stärkere relative D2-Aktivität zu verringerter neuronaler Aktivität. Durch die inhibitorische Wirkung dieser GABAergen Neurone verringert sich die psychomotorische Aktivität. Dieser Prozess scheint eine zentrale neurophysiologische Grundlage der Wirkung des Koffeins zu sein (Ferré, 2016). Eine bildhafte Zusammenfassung dieser Mechanismen ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3. Die Abbildung zeigt die Aktivität des A2A-D2-Rezeptor-Heterotetramers abhängig der relativen Aktivitäten der jeweiligen Rezeptoren zueinander. A) Bei erhöhter Adenosin- im Vergleich zur Dopaminaktivität sind die A2A-Rezeptoren im relativ zu D2-Rezeptoren stärker aktiv (dargestellt am Dreieck zwischen den Rezeptoren). Dies führt zu Adenyl-Cyclase-Aktivität innerhalb der Zelle, welche die D2-Rezeptorenakvitiät weiter unterdrückt. Gleichzeitig erhöht sich so die generelle Aktivität der Nervenzelle und damit der GABA-Projektion, welche inhibierend auf die generelle psychomotorische Aktivität führt. B) Durch die Wirkung von Koffein als A2A-Rezeptor-Antagonist wirkt die Aktivierung der Rezeptoren durch Adenosin blockiert. Dies führt zu einer relativ stärkeren D2-Rezeptoraktivität, welche (unter anderem) durch G-Protein-Mechanismen zu weiterer Inhibiton der A2A-Rezeptoren führt. Außerdem wird dadurch die Aktivität der GABAergen Neuronen inhibiert, weniger GABA wird projiziert und die psychomotorische Aktivität wird nicht unterdrückt. Auf diese Weise führt Koffein zu erhöhter psychomotorischer Aktivität (nach den Informationen von Ferré, 2016).

3. Effekte von Koffeinkonsum

Nachdem wir die Wirkung von Koffein untersucht haben, betrachten wir im Folgenden die Vielfalt der kognitiven, affektiven und behavioralen Konsequenzen des Koffeinkonsums. Eine Zusammenfassung der Effekte ist in Tabelle 1 zu finden.

3.1 Kurz- und mittelfristige Effekte

Neben den oben beschriebenen generellen wachheitserhöhenden Effekten des Koffeins gibt es eine Reihe spezifischer Effekte, die in diesem Abschnitt genauer erörtert werden.

Koffein und Aufmerksamkeit. Bei geringen Dosen Koffein (bis zu 200mg) wirkt Koffein mit steigender Dosierung zunehmend die Aufmerksamkeit und exekutive Prozesse fördernd (Brunyé, Mahoney, Lieberman, & Taylor, 2010), in sowohl einfachen wie komplexen Aufgaben (Einöther & Giesbrecht, 2012). Franca, Takahashi, Cunha, & Prediger (2018) schlagen weiterhin vor, dass Koffein ein förderliches Mittel bei Aufmerksamkeits-Defizit-Hyperaktivitäts-Störung (ADHS) sein kann.

Koffein und Schlaf. Adenosin hat eine schlafinduzierende Wirkung, welche durch Koffein unterdrückt wird. Indirekt führt Koffein so zu einer Erhöhung der Aktivität noradrenerger Neurone im locus coeruleus, welche über das aufsteigende retikuläre aktivierende System (ARAS) eine zentrale Rolle in der Aufrechterhaltung des Wachheitszustands spielen (Grant & Redmond, 1982). Interessanterweise führt der kurzfristige Konsum koffeinhaltigen Kaffees auch in größeren Mengen jedoch nicht zu erwarteten reduzierten Schlafzeit assoziiert (Sanchez-Ortuno et al, 2005).

Koffein, Stimmung und Ängstlichkeit. Geringe Koffeindosen (bis zu 200mg) führen zu einer Erhöhung der Stimmung und Arbeitsmotivation (Casas et al, 2004), und können sogar die Effekte 36 Stunden langer Schlafdeprivation auf die Stimmung negieren (Patat et al, 2000) – diese Wirkung zeigt sich also auch in aversiven Situationen. Höhere Koffeindosen erzeugen jedoch Angstsymptome und Ängstlichkeit (Hughes, 1996). Dieser Effekt ist verstärkt bei Probanden, die nicht regelmäßig Koffein konsumieren (Uhde, 1990), sowie in Probanden mit höherer Trait-Ängstlichkeit (Nehlig & Debry, 1994).

3.2 Effekte langfristigen Konsums

Die meisten koffeinrelevanten Laborstudien untersuchen lediglich die kurzfristigen Effekte des Koffeinkonsums. Der Großteil der Gesellschaft konsumiert Koffein jedoch regelmäßig. Da regelmäßiger Koffeinkonsum zu neurophysiologischen Veränderungen in den Wirkregionen führt (Ferré, 2016), ist zu erwarten, dass er auch langfristige Effekte auf die Kognition und Gesundheit des Organismus hat. Diese werden hier zusammengefasst:

Koffein und Depression. Koffeinkonsum korreliert positiv mit depressiven Symptomen (Rihs, Muller, & Baumann, 1996) und negativ mit Suizidalität (Kawachi et al, 1996). Eine aktuelle Metaanalyse von observationalen Studien findet hingegen eine negative Korrelation zwischen Koffein und Depressionsrisiko (Wang, Shen, Wu, & Zhang, 2016). Die kausalen Zusammenhänge zwischen Koffein und Depression sind jedoch unklar. Außerdem sind Zusammenhänge mit anderen Substanzen als Koffein und Derpressionsrisiko möglich – beispielsweise haben in Kaffee beinhaltete Säuren antiinflammatorische Wirkungen (Dos Santos et al, 2006), während Entzündungen mit Depression assoziiert werden (Bufalino et al, 2013).

Koffein und Herzkreislaufstörungen. Kurzfristige Effekte von Koffeinkonsum auf die kardiovaskuläre Funktion umfassen in erster Linie sympathische Erregung in Form von erhöhter Herzrate (Palatini, Benetos, & Julius, 2006). Daher ist die Annahme naheliegend, dass langfristiger Konsum auch mögliche Folgen auf die kardiovaskulären Funktionen hat. Nach einem systematischen Review sowie einer Metaanalyse von Ding et al (2014) kann ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen dem Risiko von Herzkreislaufstörungen und Koffeinkonsum beobachtet werden – dabei ist moderater Koffeinkonsum mit verringertem Risiko assoziiert, während niedriger und hoher Konsum jeweils nicht mit dem Risiko korrelieren.

Koffein und Krebsrisiko. Ein negativer Zusammenhang besteht zwischen regelmäßigem Koffeinkonsum und dem Risiko von Brustkrebs (Ganmaa et al, 2008), Gebärmutterhalskrebs (Jordan, Purdie, Green, & Webb, 2004), und zwischen verschiedenen Formen von Krebs und dem Konsum von Tee, nicht aber Kaffee (Hashibe et al, 2015). Andere Studien finden jedoch auf positive Zusammenhänge, wie ein erhöhtes Brustkrebsrisiko durch Koffeinkonsum bei Frauen mit leichter Brusterkrankung (Ishtani et al, 2008). Eine aktuelle Metaanalyse von Bamia et al (2019) findet keinen Zusammenhang zwischen Koffeinkonsum und Krebsrisiko. Im Großen und Ganzen ist der Zusammenhang zwischen Koffeinkonsum und Krebsrisiko also unklar.

Koffein und Stress. Kurzfristiger Koffeinkonsum führt, wie oben beschrieben, zu körperlicher Erregung und kann Ängstlichkeitssymptome erzeugen bzw. fördern. Langfristiger Koffeinkonsum kann in Laborratten hingegen eine antidepressive Wirkung bei chronischem unvorhersehbarem Stress (CUS) induzieren – also depressiven Symptome bei sechswöchiger CUS-Aussetzung entgegendrücken (Pechlivanova et al, 2012). Die Effekte von regulärem Koffeinkonsum auf Stress beim Menschen ist unklar, wobei akuter Koffeinkonsum den Abfall des Stresshormons Cortisol behindern kann (Gavrieli et al, 2011).

Koffein und psychotische Symptomatik. Einzelfälle deuten darauf hin, dass akuter Konsum großer Mengen von Koffein psychotische Symptome hervorrufen kann (koffein-induzierte Psychose; Hedges, Woon, & Hoopes, 2014; Jones & Fernyhough, 2009; Wang, Woo, Bahk, 2015). Außerdem kann Koffeinkonsum die psychotische Symptomatik schizophrener Patienten erhöhen (Lucas et al, 1990). Eine Langzeitstudie fand jedoch einen möglichen konfundierenden Effekt durch Nikotinkonsum von Koffein auf schizophrene Symptomatik (Arrojo-Romero, Barbazán, Morinigo, Ramos-Rios, & Gurpegui, 2015). Der Zusammenhang zwischen Koffein und Psychose ist daher nicht eindeutig.

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