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Non-nutritive sweeteners – also known as sugar substitutes or artificial sweeteners – are supposed to deliver all the sweetness of sugar without the calories. But a controlled trial conducted by Weizmann Institute of Science researchers, published today in Cell, suggests that contrary to previous belief, such sweeteners are not inert. 
They do have an effect on the human body. In fact, some can alter human consumers’ microbiomes – the trillions of microbes that live in our gut – in a way that can change a person’s blood sugar levels. And the effects these sweeteners produce vary greatly among different people.

In 2014, a Weizmann Institute study in mice had shown that some non-nutritive sweeteners might actually be contributing to changes in sugar metabolism that they are meant to prevent. In the new trial, a team of researchers headed by Prof. Eran Elinav of Weizmann’s Systems Immunology Department screened nearly 1,400 potential participants, selecting 120 who were found to strictly avoid any artificially sweetened foods or drinks. 
The volunteers were then divided into six groups. Participants in four of the groups were handed sachets of common non-nutritive sweeteners, containing amounts that were lower than the acceptable daily intake, one sweetener per group: saccharin, sucralose, aspartame or stevia. The two other groups served as controls.

The research was led by Dr. Jotham Suez, a former graduate student of Elinav’s and now principal investigator at the John Hopkins University School of Medicine, and Yotam Cohen, a graduate student in Elinav’s lab; it was conducted in collaboration with Prof. Eran Segal of Weizmann’s Computer Science and Applied Mathematics and Molecular Cell Biology Departments.
The researchers found that two weeks of consuming all four sweeteners altered the composition and function of the microbiome and of the small molecules the gut microbes secrete into people’s blood – each sweetener in its own way. They also found that two of the sweeteners, saccharin and sucralose, significantly altered glucose tolerance – that is, proper glucose metabolism – in the recipients. Such alterations, in turn, may contribute to metabolic disease. In contrast, no changes in either the microbiome or glucose tolerance were found in the two control groups.

The changes induced by the sweeteners in the gut microbes were closely correlated with the alterations in glucose tolerance. “These findings reinforce the view of the microbiome as a hub that integrates the signals coming from the human body’s own systems and from external factors such as the food we eat, the medications we take, our lifestyle and physical surroundings,” Elinav says.

To check whether changes in the microbiome were indeed responsible for impaired glucose tolerance, the researchers transplanted gut microbes from more than 40 trial participants into groups of germ-free mice that had never consumed non-nutritive sweeteners. 

In each trial group, the transplants had been collected from several “top responders” (trial participants featuring the biggest changes in glucose tolerance) and several “bottom responders” (those featuring the least changes in glucose tolerance). 

Changes in the composition and function of gut microbes were observed in all four groups of trial participants who consumed non-nutritive sweeteners. Each group consumed one of the following: saccharine, sucralose, stevia or aspartame. The diagram shows increases in glucose levels in the saccharin and sucralose groups (two graphs on the left), compared to the stevia and aspartame groups (middle) and to the two control groups (right). (CREDIT: Weizmann Institute of Science)
Strikingly, recipient mice showed patterns of glucose tolerance that largely reflected those of the human donors. Mice that received microbiomes from the “top responders” had the most pronounced alterations in glucose tolerance, compared to mouse recipients of microbiomes from “bottom responders” and from human controls. 
 

 

In follow-up experiments, the researchers determined how the different sweeteners affected the abundance of specific species of gut bacteria, their function and the small molecules they secrete into the bloodstream.
“Our trial has shown that non-nutritive sweeteners may impair glucose responses by altering our microbiome, and they do so in a highly personalized manner, that is, by affecting each person in a unique way,” Elinav says. “In fact, this variability was to be expected, because of the unique composition of each person’s microbiome.”


Adds Elinav: “The health implications of the changes that non-nutritive sweeteners may elicit in humans remain to be determined, and they merit new, long-term studies. In the meantime, it’s important to stress that our findings do not imply in any way that sugar consumption, shown to be deleterious to human health in many studies, is superior to non-nutritive sweeteners.”
 

 

Study participants included Dr. Rafael Valdés-Mas, Uria Mor, Dr. Mally Dori-Bachash, Dr. Sara Federici, Dr. Niv Zmora, Dr. Avner Leshem, Dr. Melina Heinemann, Raquel Linevsky, Maya Zur, Rotem Ben-Zeev Brik, Aurelie Bukimer, Shimrit Eliyahu Miller, Alona Metz, Ruthy Fischbein, Olga Sharov and Dr. Hagit Shapiro from Elinav’s lab; Drs. Sergey Malitsky and Maxim Itkin from Weizmann’s Life Sciences Core Facilities Department; Dr. Noa Stettner and Prof. Alon Harmelin from Weizmann’s Veterinary Resources Department; and Dr. Christoph K. Stein-Thoeringer from the Microbiome & Cancer Division, German Cancer Research Center (DKFZ).
다음 글을 10가지 요점으로 요약해 주세요:비영양 감미료(설탕 대용품 또는 인공 감미료라고도 함)는 칼로리 없이 설탕의 모든 단맛을 전달하는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 오늘 셀(Cell)에 발표된 와이즈만 과학 연구소 연구진의 통제된 실험에 따르면, 이전의 믿음과는 달리 이러한 감미료는 비활성 물질이 아닙니다. 감미료는 인체에 영향을 미칩니다. 실제로 일부 감미료는 사람의 혈당 수치를 변화시킬 수 있는 방식으로 장내에 서식하는 수조 개의 미생물인 마이크로바이옴을 변화시킬 수 있습니다. 그리고 이러한 감미료가 미치는 영향은 사람마다 크게 다릅니다.2014년에 생쥐를 대상으로 한 와이즈만 연구소의 연구에 따르면 일부 비영양 감미료가 실제로 예방해야 할 당 대사에 변화를 일으킬 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 와이즈만 시스템 면역학과의 에란 엘리나브 교수가 이끄는 연구팀은 약 1,400명의 잠재적 참가자를 선별하여 인위적으로 단 음식이나 음료를 철저히 피하는 것으로 밝혀진 120명을 선정했습니다. 그런 다음 지원자들을 6개 그룹으로 나누었습니다. 이 중 4개 그룹의 참가자에게는 사카린, 수크랄로스, 아스파탐 또는 스테비아 중 한 가지 감미료가 하루 허용 섭취량보다 적은 양이 들어 있는 일반적인 비영양 감미료 봉지를 나눠주었습니다. 다른 두 그룹은 대조군으로 사용했습니다.이 연구는 엘리나브의 전 대학원생이자 현재 존 홉킨스 대학교 의과대학의 수석 연구원인 조탐 수에즈 박사와 엘리나브 연구실의 대학원생인 요탐 코헨 박사가 주도했으며, 와이즈먼 컴퓨터 과학 및 응용수학, 분자 세포 생물학과의 에란 세갈 교수와 공동으로 수행했습니다.연구진은 4가지 감미료를 모두 2주 동안 섭취하면 장내 미생물이 사람의 혈액으로 분비하는 작은 분자와 마이크로바이옴의 구성과 기능이 각 감미료마다 고유한 방식으로 변화한다는 사실을 발견했습니다. 또한 사카린과 수크랄로스 두 가지 감미료가 피험자의 포도당 내성, 즉 적절한 포도당 대사를 크게 변화시킨다는 사실을 발견했습니다. 이러한 변화는 결국 대사 질환의 원인이 될 수 있습니다. 대조적으로, 두 대조군에서는 마이크로바이옴이나 내당능에 변화가 발견되지 않았습니다.감미료에 의해 유도된 장내 미생물의 변화는 내당능의 변화와 밀접한 상관관계가 있었습니다. "이러한 연구 결과는 마이크로바이옴을 인체 자체 시스템과 우리가 먹는 음식, 복용하는 약물, 생활 방식 및 물리적 환경과 같은 외부 요인에서 오는 신호를 통합하는 허브로 보는 관점을 강화합니다."라고 Elinav는 말합니다.연구진은 마이크로바이옴의 변화가 실제로 내당능 장애의 원인인지 확인하기 위해 40명 이상의 실험 참가자로부터 얻은 장내 미생물을 비영양 감미료를 섭취한 적이 없는 무균 마우스 그룹에 이식했습니다. 각 실험 그룹에서는 내당능에 가장 큰 변화를 보인 '최상위 반응자' 몇 명과 내당능에 가장 작은 변화를 보인 '최하위 반응자' 몇 명으로부터 이식을 채취했습니다. 비영양 감미료를 섭취한 네 그룹의 시험 참가자 모두에서 장내 미생물의 구성과 기능에 변화가 관찰되었습니다. 각 그룹은 사카린, 수크랄로스, 스테비아 또는 아스파탐 중 하나를 섭취했습니다. 이 다이어그램은 사카린과 수크랄로스 그룹(왼쪽의 두 그래프)의 포도당 수치가 스테비아와 아스파탐 그룹(가운데) 및 두 대조군(오른쪽)과 비교하여 증가한 것을 보여줍니다. (크레딧: 와이즈만 과학 연구소)놀랍게도, 수혜자 쥐는 인간 기증자의 내당능 패턴을 대부분 반영하는 포도당 내성 패턴을 보였습니다. "최상위 반응자"로부터 마이크로 바이옴을받은 마우스는 "최하위 반응자"와 인간 대조군으로부터 마이크로 바이옴을받은 마우스에 비해 포도당 내성에 가장 뚜렷한 변화가있었습니다.   후속 실험에서 연구진은 다양한 감미료가 특정 장내 세균 종의 풍부도, 기능 및 이들이 혈류로 분비하는 소분자에 어떤 영향을 미치는지 확인했습니다."우리의 실험은 비영양 감미료가 미생물 군집을 변화시켜 포도당 반응을 손상시킬 수 있으며, 이는 고도로 개인화된 방식으로, 즉 각 사람에게 고유한 방식으로 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다."라고 Elinav는 말합니다. "사실 각 사람의 마이크로바이옴이 고유하게 구성되어 있기 때문에 이러한 다양성은 예상할 수 있었습니다.""비영양 감미료가 인간에게 유발할 수 있는 변화의 건강 영향은 아직 밝혀지지 않았으며, 새롭고 장기적인 연구가 필요합니다. 한편, 이번 연구 결과가 많은 연구에서 인체에 해로운 것으로 밝혀진 설탕 섭취가 비영양 감미료보다 우월하다는 것을 의미하지는 않는다는 점을 강조하는 것이 중요합니다."