MitoFit Traunsee-Bergmarathon

Probandeninformation für Teilnehmer an der Studie

"Effects of ultramarathon performance on mitochondrial respiration in human platelets"

Wissenschaftliche Forschung beim Bergmarathon rund um den Traunsee

Wissenschaftlicher Hintergrund:

Mitochondrien sind allgemein bekannt als die "Energiekraftwerke" der Zelle und liefern über komplexe enzymatische Vorgänge Adenosintriphosphat (ATP), welches als einziger unmittelbarer Energieträger von Zellen unter anderem für Sport und Bewegung eine essentielle Rolle spielt. Diese Verbindung aus komplexen Mechanismen ist unter dem Begriff "aerobe Energiebereitstellung" allgemein bekannt. Im Zuge der stattfindenden chemischen Abläufe zur Gewinnung von ATP werden zellschädigende Verbindungen - so genannte reaktive Sauerstoffspezies (H2O2; O2-) - produziert, welche grundsätzlich von zellulären Abwehrmechanismen wieder abgebaut werden.

Kommt es jedoch zu einer Überproduktion dieser reaktiven Verbindungen, ist dieses Gleichgewicht gestört und führt zu sogenanntem oxidativen Stress, welcher mit Zellalterung und in Folge dessen mit altersbedingten degenerativen Erkrankungen, wie beispielsweise Krebs, in Verbindung gebracht wird. Laut Untersuchungsergebnissen früherer Studien führt langfristiges Training zu einer Verminderung von oxidativem Stress in Belastungssituationen. Wie sich jedoch intensive Langzeitbelastungen, wie z.B. Ultramarathons, auf die mitochondriale Energiebereitstellung und die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies auswirken, ist bislang jedoch kaum bekannt.

Erhoffter Studiennutzen liegt in der Erkenntnisgewinnung hinsichtlich akuter Adaption mitochondrialer Energiebereitstellung bei akuten körperlichen Stresssituationen und anschließenden Regenerationsprozessen.

Studienablauf:

Es wurden 10 männliche Teilnehmer des Gesamtmarathons (Gmunden - Gmunden; 67 km, 4500 hm) als Probanden herangezogen. Es wurde an drei Zeitpunkten durch Venenpunktion in der Armbeuge Vollblut entnommen, die Thrombozyten durch verschiedene Zentrifugationsschritte gewonnen und im Oxygraph-2k von Oroboros Instruments mit Hilfe eines speziellen Titrationsprotokolls hinsichtlich ihres mitochondrialen Sauerstoffverbrauchs untersucht.

Zeitpunkte zur Blutabnahme:

• am Tag vor dem Marathonstart (Freitag 03.07.2015; untertags)

• direkt nach dem Zieleinlauf (Samstag 04.07.2015)

• 24 oder 48 h nach Zieleinlauf (dies wird noch fixiert)

Alle Blutabnahmen erfolgten in einem Gebäude beim Start/Zielbereich und wurden von Medizinern durchgeführt. An allen drei Zeitpunkten wurden weiters ein etwa 2-minutiger Reaktionstest am PC und weitere Parameter hinsichtlich muskulärer Schädigung und Entzündungsparameter erhoben.

Erhobene Parameter:

Aus dem entnommenen Blut wurden verschiedene Parameter erhoben, wie z.B.:

• respirometrische und fluorometrische Werte der Thrombozyten: Mitochondriale Atmung und Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS)

• kleines Blutbild: Konzentration von Erythrozyten, Thrombozyten, Leukozyten; Hämatokrit- und Hämoglobinwerte

• verschiedene Leber und Nierenwerte zur Erhebung muskulärer Schädigung und Entzündungsparameter (Kreatinkinase; Laktatdehydrogenase, Kreatinin, Konzentrationen verschiedener Elektrolyte)

• Joice Reaction Time Test: Messung psychomotorischer Geschwindigkeit und Reaktionszeit vor/nach Belastung. Das Messprinzip beruht auf einer möglichst schnellen und korrekten Reaktion bei mehreren möglichen Auswahloptionen (http://www.cogtest.com/tests/cognitive_int/crtflash1.html)

Ergebnisse:

Daten, welche an allen drei Messzeitpunkten erhoben worden sind, wurden hinsichtlich ihrer Veränderung vor vs. direkt nach Belastung (Messzeitpunkt 1 und 3: PRE-POST) bzw. vor vs. nach 24 h Regeneration (Messzeitpunkt 1 und 3: PRE-REC) ausgewertet und dargestellt. Dies gibt Einblick in akute Veränderung bzw. wie weit sich der Parameter nach 24 h Regeneration wieder dem Ausgangswert angepasst hat.

Probandendaten:

	Durchschnitt	Minimum	Maximum
Alter [a]	39,9	26	45
Gewicht [kg]	79,8	67	93
BMI [kg/m²]	24,9	20,7	31,4
Ruheherzfrequenz [bpm]	56	44	72
Training/Woche [h]	8	4	15

Abb. 1: Alter (Jahre), Gewicht (kg), BMI (kg/m²), Ruheherzfrequenz (Schläge/min), Trainingsstunden pro Woche (Stunden) der Teilnehmer, dargestellt im Durchschnitt, Minimum und Maximum.

Wettkampfdaten:

	Durchschnitt	Minimum	Maximum
Zeit [h]	12,9	9,7	16,1
Geschw. avg. [km/h]	5	3,2	6,5
Frequenz avg. [bpm]	134	121	145
Frequenz max. [bpm]	172	160	183

Tab. 2: Gesamtlaufzeit (Stunden), Durchschnittsgeschwindigkeit (km/h), durchschnittliche Herzfrequenz im Wettkampf (Schläge/min), maximal erreichte Herzfrequenz (Schläge/min) der Teilnehmer während des Wettkampfes, dargestellt im Durchschnitt, Minimum und Maximum.

Joice Reaction Time Test

	PRE	POST	REC
Änderung TTR [%]	0	+11,5	+0,2

Tab. 3: Änderung der mittels des Joice Reaction Time Tests erhobenen Reaktionszeiten [ms] (TTR = total reaction time) im Vergleich. Messung 1 und 2 (PRE-POST) bzw. Messung 1 und 3 (PRE-REC) tabellarisch und graphisch dargestellt.

Die Reaktionszeit war im Vergleich vor dem Wettkampf (PRE) vs. direkt nach dem Wettkampf [POST] stark erhöht (+11,5% Reaktionszeit). Dieser Wert ist 24 Stunden nach dem Zielfinish (REC) wieder nahezu am Ausgangswert. Die psychomotorische Leistungsfähigkeit ist demnach direkt nach dem Wettkampf eingeschränkt aber bereits nach 24 h wiederhergestellt.

Ergebnisse Blutbild

Die Zusammensetzung der zellulären Bestandteile des Blutes war durch die Belastung stark beeinflusst. Während die Erythrozyten- (rote Blutkörperchen) und Thrombozytenkonzentration (Blutplättchen) weitgehend an allen drei Erhebungszeitpunkten gleich geblieben ist, hat sich die Zahl der Leukozyten (weiße Blutkörperchen) stark verändert. Die Gesamtanzahl der Leukozyten war direkt nach dem Zieleinlauf um +134,2% erhöht, erreichte nach 24 h Regeneration aber nahezu wieder den Ausgangswert (+2.2 % im Vergleich PRE-REC).

Abb. 1: Leukozytenkonzentration vor und nach dem Wettkampf bzw. 24 h nach der Belastung.

Leukozyten kann man grob in Lymphozyten, Monozyten und Neutrophile einteilen, wobei diese Untergruppen sehr divers auf die langfristige Belastung reagiert haben. Während die Lymphozyten einen Rückgang ihrer Konzentration direkt nach dem Finish gegenüber vor dem Wettkampf aufzeigen (-19,5 %), ist die Monozytenkonzentration (+170 %) und Zahl der Neutrophilen (+213 %) stark erhöht. Mit Ausnahme der Monozyten sind die Werte 24 h nach Belastungwieder auf den Ausgangswert gesunken (Vergleich PRE-REC: Lymphozyten: +4,6 %; Neutrophile: -1,5%; Monozyten: +35,9 %). Dieses Muster wurde bereits in früheren Untersuchungen aufgezeigt und zeugt von einer massiven aber vorübergehenden Beeinträchtigung des Immunsystems, welche mit deutlich erhöhter Infektwahrscheinlichkeit einhergeht.

Abb. 2: Konzentration von Lymphozyten, Monozyten und Neutrophilen vor und nach dem Wettkampf bzw. 24 h nach Belastung

Die Kreatinkinase ist ein Marker für muskuläre Schädigung, wobei der Grad der Schädigung direkt mit der Erhöhung der Werte korreliert. Kreatinkinase ist ein in der Zelle befindliches Enzym, welches bei mikroskopisch kleinen Muskelverletzungen in die Blutbahn ausgespült wird und dort gemessen werden kann. Der stark gesteigerte Wert nach Zielfinish (PRE-POST: +1286 %) deutet auf erhebliche Schädigung des Muskelgewebes hin, wobei der Wert nach 24 h Regenerationszeit weiter gesteigert war (PRE-REC: +1444 %). Erklärung findet sich im längerfristigen Heilungsprozess von mikroskopischen Verletzungen und im langsamen Ausschwemmen von Kreatinkinase in das Blut.

Laktatdehydrogenase ist ebenfalls ein körpereigenes Enzym, welches durch lysierende Zellen (Schädigung oder Auflösung der äußeren Zellmembran) freigesetzt wird und damit ebenfalls einen Marker für muskuläre Schädigung darstellt. Dieser Wert war direkt nach Wettkampfende (PRE-POST: +73,2 %) deutlich erhöht, auch nach 24 Regeneration findet sich noch eine deutliche Erhöhung (PRE-REC: +46,6 %)

Abb. 3: Konzentration von Kreatinkinase und Laktatdehydrogenase vor und nach dem Wettkampf bzw. 24 h nach Belastung (Enzymmenge in Einheiten/Liter [Units/l])

Der Elektrolythaushalt (Kalium, Natrium, Kalzium, Magnesium) war direkt nach Belastungsende unerwartungsgemäß etwas erhöht. Dies könnte auf intensiven Konsum von elektrolythaltigen Sportgetränken während des Laufes zurückzuführen sein.

Änderung Elektrolytkonzentration

	PRE-POST	PRE-REC
Kalium [%]	+7,8	+12,1
Natrium [%]	-1,6	-0,4
Calcium [%]	+12,1	-3,7
Magnesium [%]	+7.3	+7,7

Tab. 4: Konzentration von Kalium, Natrium, Calcium und Magnesium im Vergleich PRE-POST und PRE-REC

Ergebnisse der mitochondrialen Respirometrie

Die Ergebnisse der respirometrischen Analysen menschlicher Thrombozyten mit dem Oxygraph-2k (Oroboros Instruments, Innsbruck) sind bisher nicht eindeutig erklärt. Nach derzeitigem Stand sind aus statistischer Sicht keine signifikanten Unterschiede PRE-POST so wie PRE-REC zu finden. Die ROUTINE-Atmung der Thrombozyten ist im Vergleich PRE-POST um 9,17 % erhöht, was auf eine erhöhte Aktivität der Mitochondrien der Thrombozyten schließen lässt. Die maximale oxidative Phosphorylierung (OXPHOS) war nach dem Zieleinlauf um -12 % verringert und reduziert sich nach 24 h Stunden Regeneration weiter auf -23%. Dies könnte auf eine Schädigung auf mitochondrialer Ebene durch während der Belastung erzeugte reaktive Sauerstoffspezies hindeuten.

Abb. 4: ROUTINE-Atmung (Routine resp.) und oxidative Phosphorylierung (OXPHOS) an allen drei Messzeitpunkten

Auch wenn die mitochondriale Energiebereitstellung Veränderungen aufzeigt, werden diese nicht von statistischen Unterschiedstests als relevant erachtet. Auch bei Miteinbeziehung von zusätzlichen Variablen (Trainingszeit/Woche, Alter, BMI) konnten in der mitochondrialen Energiebereitstellung keine statistischen Unterschiede aufgezeigt werden.

Bezieht man jedoch die Laufzeit bzw. die durchscnittliche Laufgeschwindigkeit als Kovariablen in die Statistik mit ein, kann ein Effekt aufgezeigt werden. Eine gesteigerte Laufgeschwindigkeit wirkt sich somit direkt auf die mitochondriale Energiebereitstellung der Thrombozyten aus. Eine Interpretation der Ergebnisse der mitochondrialen Respirometrie auf Basis der bisherigen Auswertung ist nicht eindeutig möglich. Es werden weitere Analysen durchgeführt, um ein besseres Verständnis der vorliegenden Daten zu gewährleisten.