A. Koller, W. Schobersberger Extreme körperliche Belastungen: Vom Muskelkater bis zum „Herzmuskelkater

Arnold Koller, Wolfgang Schobersberger

Extreme körperliche Belastungen: Vom Muskelkater bis zum „Herzmuskelkater“

Extreme Physical Exercise: Skeletal Muscle and Heart Muscle Injuries

SUMMARY

Disruption of proteins within the myofiber after unaccustomed eccentric exercise (postexercise release of skeletal troponin and myosin heavy chain fragments has been reported) is hypothesized to induce delayed onset of muscle soreness and to be associated with an activation of satellite cells (stem cells). Similarly, the increase in cardiac troponin after strenuous endurance exercise is suggested to be due to the true breakdown of the cardiomyocyte, not to the cytosolic release of the biomarker, as confirmed by histology and cardiac magnetic resonance imaging. Moreover, the human heart contains stem cells capable of generating cardiomyocytes. At this time, there is not enough evidence to implicate strenuous endurance exercise in the development of a dangerous substrate for coronary events in apparently healthy subjects. The true breakdown of the cardiomyocyte has been proposed either as pathognomic of cardiac necrosis or might reflect part of a remodeling process. Interestingly, completion of a marathon is associated with correlative biochemical and echocardiographic evidence of cardiac dysfunction and injury, and the risk is increased in those participants with less training. Keywords: delayed onset of muscle soreness, cardiac troponin, cardiac stem cell, cardiac magnetic resonace imaging

ZUSAMMENFASSUNG

Untersuchungen zeigen, dass vor allem nach exzentrischen Belastungen Zerreissungen der Sarkomere auftreten, die sich als Muskelkater äußern. Proteine der Sarkomere (z. B. Myosinschwerketten, Troponine) können nach diesen Belastungen im Blut nachgewiesen werden. Den Satellitenzellen, den Stammzellen der Skelettmuskeln, wird bei den

Adaptations- bzw. Reparaturprozessen nach diesen Belastungen eine besondere Bedeutung zugeschrieben. Ähnlich und durch histologische und kernspintomographische Untersuchungen belegt, wird der Anstieg kardialer Troponine im Blut nach extremen Ausdauerbelastungen der irreversiblen Schädigung von Kardiomyozyten (nicht der Freisetzung dieser kardialen Marker aus dem zytosolischen Pool) zugeschrieben. Es ist zu früh eine Aussage darüber zu machen, ob die irreversible Schädigung von Herzmuskelzellen als Folge extremer Ausdauerbelastungen für gesunde Sportler gefährlich sein kann. Da der Herzmuskel über Stammzellen verfügt, ist es durchaus möglich, dass irreversibel geschädigte Kardiomyozyten durch diese Stammzellen ersetzt werden. Interessant ist, dass nach einem Marathon ein Anstieg von kardialem Troponin und eine mittels Echokardiographie gemessene Dysfunktion des Herzens bei jenen Teilnehmern besonders ausgeprägt waren, die weniger trainiert haben. Schlüsselwörter: Muskelkater, kardiales Troponin, kardiale Stammzellen, Magnetresonanztomographie

EINLEITUNG

Jeder kennt Muskelkater und viele glauben zu wissen, dass er durch Milchsäure verursacht wird. Diese Vorstellung hat sich auch in der Sportmedizin lange gehalten, da über die Pathophysiologie des Muskelkaters bis 1980 nur wenig bekannt war (1). Die Entstehung von Muskelkater wurde von der Forschung längst beschrieben: Feine Risse der Muskulatur, hervorgebracht durch eine Überbelastung, lösen den lähmenden Muskelschmerz aus (1).

DER BEWEGTE MUSKEL IST STÄNDIG GESTRESST

Mit der Fähigkeit zur Kontraktion, d. h. sich zusammenzuziehen, bestimmen die Skelettmuskeln über sehnige Verbindungen mit den beweglichen Teilen des Skeletts Bewegungsabläufe dynamisch mit. Die aktive Muskulatur ist dabei auf „Schritt und Tritt“ Kräften ausgesetzt, die das Gewebe zu verletzen drohen: Die Muskelfasern des belasteten Muskels erleiden so mikroskopisch definierte Verletzungen, die u.a. die Kontraktionskraft der Muskelfasern hemmen. Diese Erscheinung tritt besonders bei mechanisch hoch belastenden Bewegungsformen (exzentrischen Belastungen) auf, etwa nach einer Wanderung (vor allem bergab) - und äußert sich als Muskelkater (1).

EFFEKTE EXZENTRISCHER BELASTUNGEN

Exzentrische Belastungen (äußere Muskeldehnung bei gleichzeitiger Verkürzung durch aktive Kontraktion; z. B. beim Bergabgehen) induzieren Zerreissungen der Sarkomere

(1). Proteine der Sarkomere (z.B. Myosinschwerketten, Troponine) können im Blut nachgewiesen werden (2, 3). Da die Myosinschwerketten über keinen zytosolischen Pool verfügen (sie kommen nur in den Sarkomeren vor), sind erhöhte Myosinschwerkettenwerte ein sicherer Hinweis auf Zerreissungen der Sarkomere (2). Nach 8 Tagen ist der Reparatur- bzw. Anpassungsprozess (neue Sarkomere werden in Längsrichtung aufgebaut) weitgehend abgeschlossen (4). Zweck dieser Anpassung ist es, kommende exzentrische Belastungen durch einen adaptierten, „verlängerten“ Muskel mit weniger Sarkomerverletzungen zu überstehen (5). Der mit den Rupturen der Z-Scheiben im Sarkomer verbundene Muskelkater ist meist schon nach 3 Tagen verschwunden oder reduziert, Regeneration und Superkompensation der Sarkomere nehmen dagegen mehr als 7 Tage in Anspruch. Nicht unerwähnt darf allerdings bleiben, dass in einer neuen Studie einige unserer Vorstellungen über den Muskelkater, die auf Resultaten im Tierexperiment am elektrisch stimulierten Muskel beruhen, in Zweifel gestellt wurden (6). So konnte in dieser Studie nach willkürlichen, maximalen (exzentrischen) Kontraktionen des humanen Muskels im Unterschied zum elektrisch stimulierten Muskel keine signifikante Zerstörung zytoskelletärer Proteine (z. B. Desmin), keine Erhöhung von myogenen Wachstumsfaktoren (z. B. Myogenin) und keine irreversible Schädigung der Muskelfasern festgestellt werden (6). Einem Forscherteam ist es mit einer Kombination von mikroskopischen Methoden und moderner Gentechnologie vor kurzem gelungen, erste Hinweise zur zellulären Steuerung der Genesung des überbelasteten Muskels zu erhalten (7). Die Forscher konnten in experimentellen Studien zeigen, dass das Bindegewebsprotein Tenascin-C bei der Muskelheilung eine entscheidende Rolle spielt. Seine Produktion wird nach Überbelastung des Muskels am Ort des Faserschadens ausgelöst (7). Bei Mangel an Tenascin-C konnte eine Schrumpfung der Muskelfasern nachgewiesen werden, welche die Muskelkontraktion verlangsamt (7). Diese Ergebnisse liefern erste Hinweise, dass wiederholt unverheilte Mikroblessuren der Muskeln eine Rolle bei altersabhängigem Muskelabbau spielen (7). Während dieser Zeit der Genesung können in den belasteten Muskeln Ödeme nachgewiesen werden (2).

BETEILIGUNG DER SATELLITENZELLEN AN REPARATUR- UND ANPASSUNGSPROZESSEN

Muskuläre Aktivität oder Sarkomerrisse können zur Teilung der Satellitenzellen, den Stammzellen des Muskels führen, die mit der angrenzenden Muskelfaser fusionieren (bei Muskelfaserhypertrophie) (8) oder eine irreversibel geschädigte Muskelfaser ersetzen (8). Im Vergleich zu Untrainierten haben Sportler mit hohem Umfang an Krafttraining neben einem höheren Fasertyp-IIA-Anteil und einem größeren Faserquerschnitt, mehr Myonuklei und Satellitenzellen. Auch bei älteren Menschen führt körperliches Training zur Aktivierung der Satelittenzellen. So wurde bei 76-Jährigen nach 12 Wo-

chen Krafttraining eine signifikante Proliferation der Satelittenzellen beschrieben (9). Die Satelittenzellaktivierung ist allerdings im älteren Muskel (10) sowie bei Sportlern mit FAMS („fatigued athlete myopathic syndrome“) erniedrigt (11).

EFFEKTE NICHTSTEROIDALER ANTIPHLOGISTIKA AUF ANPASSUNGSPROZESSE

Der Gebrauch nichtsteroidaler Antiphlogistika ist trotz zahlreicher Nebenwirkungen im Sport zur Verhinderung des Muskelschmerzes sowie zur „Behandlung“ des Muskelkaters im Einsatz. In einer neuen Studie wurde der Einfluss von Indomethacin auf die Satellitenzellaktivierung untersucht (12). Während die Sportler ohne IndomethacinEinnahme Anstiege der Satellitenzellmarker um 27% nach dem 8. Tag zeigten, blieben die mit Indomethacin behandelten Sportler ohne Satellitenzellanstieg. Die entsprechende Trainingsanpassung blieb aus. Die Einnahme nichtsteroidaler Antiphlogistika durch den Sportler sollte sowohl wegen möglicher gesundheitlicher Nebenwirkungen als auch wegen möglicher negativer Auswirkungen in der Trainingsanpassung nur nach eindeutiger Indikationsstellung, aber keinesfalls zur „Schmerzprävention“ erfolgen.

„HERZMUSKELKATER“

Es ist heute gängige Meinung aber nicht unumstritten (6), dass Skelettmuskeln, die überbelastet sind, mikroskopisch definierte Verletzungen bis hin zu irreversiblen Schäden von Muskelfasern erleiden. Bis zum Jahre 1992 galt es als ausgeschlossen, dass körperliche Belastungen, wie extrem auch immer, einen gesunden Herzmuskel schädigen (irreversible Schädigung von Myokardzellen; „Herzmuskelkater“) können. In diesem Jahr veröffentlichte Rowe eine viel zitierte Hypothesen-Arbeit, in der mögliche Mechanismen, die bei gesunden Sportlern zu einer irreversiblen Schädigung von Herzmuskelzellen nach extremem Ausdauersport führen können, vorgestellt wurden (13). Noch im selben Jahr versuchte unsere Arbeitsgruppe mit Hilfe der Bestimmung kardialer Troponine im Blut erstmals diese möglicherweise vorhandenen Myokardschäden nachzuweisen (14).

KARDIALE TROPONINE

Die Entwicklung von Tests zum Nachweis der kardialen Troponine T (cTnT) und I (cTnI) war eine bedeutende Neuerung in der Labordiagnostik kardiovaskulärer Erkrankungen der letzten Jahrzehnte. Die Troponinbestimmung ist mittlerweile der „goldene Standard“ in der Labordiagnostik von akuten Myokardschädigungen geworden. Die Troponine gehören zu den regulatorischen Proteinen des quergestreiften Muskels und

bilden den Troponinkomplex der dünnen Filamente des Sarkomers, bestehend aus TnT, TnI und Troponin C (TnC). Der Troponinkomplex vermittelt die Kalziumaktivierung der Kontraktion und moduliert die kontraktile Funktion des quergestreiften Muskels. Ein kleiner Teil der Troponine liegt als freier Pool im Zytosol vor (cTnT: ca. 6 - 8%; cTnI: ca. 3 - 4% (15)). Es gibt jeweils drei TnI- und TnT-Isoformen, eine in den langsamen, eine in den schnellen Skelettmuskelfasern und eine im Myokard. Die unterschiedlichen funktionellen Eigenschaften der Troponinisoformen sind für die unterschiedlichen kontraktilen Eigenschaften der verschiedenen Muskelfasertypen mitverantwortlich. Unterschiede in der Struktur der Isoformen ermöglichten die Entwicklung von hochspezifischen Antikörpern zur Bestimmung der kardialen TnT- und TnI-Isoformen. Wegen ihrer überlegenen Spezifität sind die Troponine die Labormarker der Wahl bei allen Fragestellungen einer Myokardschädigung bei tatsächlicher oder möglicherweise vorhandener gleichzeitiger Skelettmuskelschädigung, z. B. nach extremem Ausdauersport (15). Belastungsinduzierte Konzentrationserhöhungen dieser Marker wurden sowohl bei Hochleistungs- als auch Breitensportlern meist nach längeren Ausdauerbelastungen beschrieben (15). Die Einführung einer neuen Troponintestgeneration mit hoher analytischer Sensitivität und einer hohen Messgenauigkeit an der Entscheidungsgrenze bei gleichbleibender hoher analytischer Spezifität ist sicherlich ein neuerlicher Durchbruch in der Labordiagnostik von Myokardschädigungen nach extremem Ausdauersport (16).

Erhöhte Troponinwerte - reversible oder irreversible Schädigung von Myokardzellen Eine weit verbreitete Meinung ist, dass bei gesunden Sportlern ein Anstieg der Troponinwerte nach extremem Ausdauersport keine Schädigung der Sarkomere bzw. keine

Foto: von mc2alpin

irreversible Schädigung von Myokardzellen widerspiegelt (15), ein „Herzmuskelkater“ daher nicht möglich ist. Vielmehr führt eine belastungsinduzierte passagere Erhöhung der Membranpermeabilität der Myokardzellen zu einer reversiblen Freisetzung der Troponine aus dem zytosolischen Pool (15, 17). Als Ursachen werden Änderungen der intrazellulären Kalzium-Konzentration mit Aktivierung von intrazellulären Proteasen, Einflüsse freier Radikale und erhöhter Katecholamin-Konzentrationen, belastungsbedingte Veränderungen im Glukose- und Fettstoffwechsel sowie die mechanische Beanspruchung der kardiomyozytären Zellmembran diskutiert (15). Oft wird als Argument für eine reversible Myokardschädigung die unterschiedliche Kinetik des Troponinanstiegs nach extremem Ausdauersport im Vergleich zum Myokardinfarkt verwendet (17). Interessant mag in diesem Zusammenhang sein, dass die Kinetik des Troponinanstiegs nach Zerreißung der Sarkomere von Skelettmuskelfasern (nach exzentrischer Belastung) mit der Kinetik des Troponinanstiegs nach Schädigung der Herzmuskelzellen nach extremem Ausdauersport weitestgehend übereinstimmt (3, 17). In neueren Studien konnte gezeigt werden, dass eine reversible Freisetzung der Troponine aus den Kardiomyozyten nach mechanischem Stress, nicht jedoch nach metabolischem Stress oder reversibler Ischämie wahrscheinlich ist (16, 18, 19). Mechanischer Stress als Ursache der Troponinfreisetzung nach extremem Ausdauersport scheint aber eher unwahrscheinlich zu sein (20). Einem Forscherteam ist es in einer experimentellen Studie mit mikroskopischen Methoden gelungen, erste Hinweise auf eine irreversible myokardiale Zellschädigung nach Ausdauerbelastungen zu erhalten (21). In Übereinstimmung mit dieser experimentellen Studie wurden mit Hilfe der Kernspintomographie bei 12% der untersuchten 102 Teilnehmer eines Marathons Hinweise auf eine irreversible myokardiale Schädigung gefunden (22). Wenngleich auch diese Studie kritisch hinterfragt werden muss (23), nimmt doch die Zahl der Untersuchungen, die auf eine irreversible Schädigung von Herzmuskelzellen nach extremem Ausdauersport hindeuten, zu.

MYOKARDIALE STAMMZELLEN

Führt extremer Ausdauersport tatsächlich zu irreversibler myokardialer Zellschädigung und nicht nur zu einer belastungsinduzierten passageren Erhöhung der Membranpermeabilität der Kardiomyozyten, stellt sich die Frage nach möglichen Heilungsmechanismen. Ebenso wie die Skelettmuskeln verfügt auch der Herzmuskel über Stammzellen (24), die irreversibel geschädigte Herzmuskelzellen ersetzen können (25). Es darf daher spekuliert werden (25), dass das Auftreten irreversibler myokardialer Zellschäden nach extremem Ausdauersport, im Allgemeinen ohne „negative Folgen“ bleibt. Allerdings muss auch darauf hingewiesen werden, dass auf solche „negative Folgen“ bei Ausdauersportlern in der Literatur hingewiesen wird (22, 26).

SCHLUSSFOLGERUNG

Studien weisen darauf hin, dass irreversible myokardiale Zellschäden („Herzmuskelkater“) bei gesunden Sportlern nach extremem Ausdauersport nicht auszuschließen sind. Es gilt als gesichert, dass Stammzellen irreversibel geschädigte Myokardzellen ersetzen können. Ob allerdings unter bestimmten Umständen auch bei gesunden Sportlern extremer Ausdauersport „a dangerous substrate for coronary events“ (22, 23, 26) sein kann, bedarf weiterer Untersuchungen. Da eine Studie zeigt, dass adäquates Training dazu führt, dass es nach Ausdauerbelastungen zu keiner oder nur geringfügigen Troponinfreisetzung kommt (27) - ein möglicher irreversibler Schaden von Kardiomyozyten verhindert werden kann - ist jedem Sportler zu raten, nur nach sorgfältiger Vorbereitung (ausreichendem Training) (extreme) Ausdauerbelastungen in Angriff zu nehmen.

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