Sportmedizin
ORIGINALIA
KRAFTTRAINING UND METABOLISCHES SYNDROM

Einfluss von Krafttraining auf das metabolische Syndrom – Bedeutung einer veränderten Muskelmorphologie

Effects of Strength Training on the Metabolic Syndrome –
Relevance of Changes in Muscle Morphology

ZUSAMMENFASSUNG

Dieser Artikel soll die Auswirkungen eines Krafttrainings auf das metabolische Syndrom klären. Bei der durchgeführten Studie nahmen 13 Frauen und 7 Männer mit entsprechender Pathogenese (55 ±4 Jahre) 2mal wöchentlich 14 Wochen lang an einem Ganzkörpertraining mit submaximalen Krafteinsätzen teil. Die Parameter Gesamtcholesterin, LDL, HDL, Triglyceride, Nüchternglucose und Insulin wurden vor und nach dem Training analysiert. 5 Frauen und 5 Männer der Gruppe (55±5 Jahre) unterzogen sich einer Muskelbiopsie am M. vastus lateralis. Die HDL-Cholesterinwerte waren nach der Krafttrainingsperiode für das Gesamtkollektiv erhöht (von 45,80±9,79 mg/dl auf 51,35±10,54 mg/dl), wobei in einer Kontrollmessung zudem trainingsunabhängige Schwankungen der HDL-Werte detektiert wurden. Bei allen anderen Stoffwechselparametern ergaben sich keine signifikanten Veränderungen der Mittelwerte. Eine Reduktion des Blutdrucks oder BMI wurde nicht bewirkt. Es zeigte sich nach dem Training eine Hypertrophie der Muskelfasern (Längenzunahme der ellipse minor axis von 57,9 ±8,7 µm auf 66,0 ±10,7 µm). Eine Veränderung der Muskelfaserzusammensetzung ergab sich nicht. Das in der Studie durchgeführte Krafttraining induziert im Skelettmuskel Wachstumsimpulse. Es scheint jedoch noch kein ausreichender Stimulus zu sein, um nach 3 Monaten – trotz bewirkter morphologischer Veränderungen des Muskelgewebes – auch einen deutlich positiven Einfluss auf kardiometabolische Risikofaktoren zu nehmen.

Schlüsselwörter: Krafttraining, metabolisches Syndrom, Stoffwechselparameter, Muskelmorphologie

SUMMARY

Effects of strength training on the metabolic syndrome are discussed in this article. 13 women and 7 men (55 ± 4 years old), who are seriously affected by the metabolic syndrome, took part in our investigation and completed the 14-week submaximal resistance training for the whole body twice a week. Total cholesterol, LDL, HDL, triglycerides, fasting glucose value and insulin were analysed before and after the training period. Additionally, muscle biopsies were obtained from vastus lateralis muscle of 5 women and 5 men (55 ± 5 years old). On average, the training caused a significant increase in HDL for the whole group (from 45.80 ± 9.79 mg/dl to 51.35 ± 10.54 mg/dl). Besides, training-independent variations in HDL were detected at a control-measurement. None of the other blood-parameters changed significantly. A reduction of blood pressure or BMI was not observed. A significant hypertrophy of muscle fibres was detected after the training period (increase in ellipse minor axis: 57.9 ± 8.7 µm to 66.0 ± 10.7 µm). Muscle fibre composition did not change. Strength training performed as in our study induces hypertrophic impulses on skeletal muscle. In spite of morphological changes in muscle cells, the training does not seem to have a remarkable effect on cardio metabolic risk factors at least not after 3 months of performance.

Key Words: strength training, metabolic syndrome, metabolic parameters, muscle morphology

PROBLEM- UND ZIELSTELLUNG

Das metabolische Syndrom bezeichnet ein Cluster verschiedener Risikofaktoren für die Entstehung kardiovaskulärer Erkrankungen. Diabetes mellitus Typ 2 tritt im Zusammenhang mit dem metabolischen Syndrom verstärkt auf (17). Störungen des Fettstoffwechsels, Hyperglykämie und eine Insulinresistenz, Bluthochdruck sowie Übergewicht können Symptome des Krankheitsbildes sein. Exakte Kriterien zur Diagnostik wurden vom National Cholesterol Education Program (NCEP) 2001 festgelegt (10). Die positive Wirkung von Ausdauertraining auf Blutfette, Körpergewicht, Insulinsensitivität und Blutdruck konnte bereits erschlossen werden (8, 14, 27). Verschiedene Studien lassen vermuten, dass Krafttraining ebenfalls einen wichtigen Beitrag in der Therapie leisten kann (6, 7, 11, 21).
Durch die Generierung morphologischer Veränderungen des Muskelgewebes beim Krafttraining sind positive Effekte denkbar. Im menschlichen Muskel finden sich drei verschiedene Muskelfasertypen mit unterschiedlichen Stoffwechsel- und Kontraktionseigenschaften (24). Ein umgekehrter Zusammenhang von der Anzahl an Typ IIX Fasern und der Insulinempfindlichkeit kann vermutet werden (16, 20). Eine positive Wirkung könnte sich für Patienten mit Insulinresistenz ergeben, wenn man annimmt, dass durch Krafttraining eine Muskelfasertransformation von Typ IIX in Richtung zu Typ IIA bzw. Typ I Fasern bewirkt 1, 2, 18, 24). Zudem wäre vorstellbar, dass sich eine entsprechende Transformation durch den höheren Fettstoffwechsel und eine höhere oxidative Kapazität von Typ I und Typ IIA Fasern im Vergleich zu Typ IIX Fasern positiv auf das Blutlipidprofil auswirkt. Durch Induktion einer Muskelhypertrophie und immanent einer gesteigerten Verstoffwechselung freier Fettsäuren aus ektopen Triglyceridablagerungen oder einer Mehraufnahme und Verwertung von Blutglucose im Muskelgewebe, könnte ein weiterer Beitrag zur Bekämpfung des metabolischen Syndroms geleistet werden.
Mit der von uns durchgeführten Studie sollten die Auswirkungen eines Krafttrainings auf kardio-metabolische Risikofaktoren bei Patienten mit metabolischem Syndrom untersucht werden. Ziel der Pilotstudie war es vor allem, Hinweise auf Zusammenhänge zwischen möglichen Änderungen in der Muskelmorphologie und Veränderungen der Stoffwechselparameter zu gewinnen.

MATERIAL UND METHODEN

Versuchspersonen
Durch eine Zeitungsannonce wurden sportlich inaktive, übergewichtige Teilnehmer mittleren Alters (>40 Jahre) rekrutiert. Es konnten 20 Probanden (vgl. Tab. 1) mit metabolischem Syndrom (Diagnostik erfolgte nach den Kriterien des NCEP (10)) für die Studie ausgewählt werden.

Studienablauf
Alle Probanden trainierten 2mal wöchentlich 14 Wochen lang und nahmen mindestens an 90% der Trainingseinheiten teil. Die Stoffwechselparameter wurden an den Zeitpunkten T1 (8 Wochen vor Trainingsbeginn), T2 (wenige Tage vor Trainingsbeginn) und T3 (wenige Tage nach Trainingsende) analysiert. 10 Probanden unterzogen sich vor und nach der Trainingsperiode bei T1 und T3 einer Muskelbiopsie, alle Probanden bei T2 und T3 einer Maximalkraftdiagnostik.

Trainingsdesign
Das Training gliederte sich in drei direkt aufeinander folgende Phasen. Der Gesamtumfang der Trainingseinheiten variierte in den unterschiedlichen Trainingszeiträumen.
1. Phase (2 Wochen): Pro Übung 3 Sätze á 20-25 Wiederholungen bei Lasten von etwa 50% des Maximalgewichts. Übungen an Trainingsgeräten der Firma Gym80 (Gelsenkirchen, Deutschland): „Beinpressen liegend“, „Beinbeugen“, „Latziehen“, „Bankdrücken sitzend“. „Crunches“ auf der Bauchbank und „Rückenstrecken“ am Gerät wurden mit dem eigenen Körpergewicht ausgeführt, 3 Sätze mit maximaler Wiederholungszahl jeweils bis zur muskulären Ausbelastung.
2. Phase (4 Wochen): Bei jeder Übung der 1. Trainingsphase, an der sich das Gewicht verstellen ließ, ein Aufwärmsatz mit 20-25 Wiederholungen bei Lasten von etwa 50% des Maximalgewichts, dann 2 Sätze á 10-15 Wiederholungen bei Lasten von 65-75% des Maximalgewichts. Die Übung „Beinstrecken“ wurde mit gleicher Trainingsanweisung zusätzlich durchgeführt. Die Übungen „Crunches“ und „Rückenstrecken“ erfolgten weiter entsprechend den Anweisungen aus der 1. Trainigsphase.
3. Phase (8 Wochen): Bei jeder Übung der 2. Trainingsphase, an der sich das Gewicht verstellen ließ, ein Aufwärmsatz mit 20-25 Wiederholungen bei Lasten von etwa 50% des Maximalgewichts, dann 3 Sätze á 10-15 Wiederholungen bei Lasten von 65-75% des Maximalgewichts. Die Übung „Rudern“ wurde mit gleicher Trainingsanweisung zusätzlich durchgeführt. Die Übungen „Crunches“ und „Rückenstrecken“ erfolgten weiter entsprechend den Anweisungen aus der 1. Trainigsphase.

Bestimmung der Stoffwechselparameter, des Blutdrucks und Körpergewichts
Nüchternglucose- und Cholesterinwert wurden aus dem Blutserum mit dem Analysegerät COBAS MIRA PLUS der Firma Hoffmann-La Roche AG (Basel, Schweiz) ermittelt. Die Datenanalyse des HDL konnte mit dem Reagenzsystem ABX PENTRA HDL DIRECT CP der Firma ABX Diagnostics (Montpellier, Frankreich) erfolgen. Mit Hilfe der FRIEDWALD-Formel (26) wurde die LDL-Konzentration berechnet. Die Bestimmung des Nüchterninsulins geschah mit Hilfe des Geräts ELECSYS 2010 der Firma Roche (Mannheim, Deutschland). Die Insulinsensitivität wurde mit dem HOMA-Index (25) beschrieben. Der Blutdruck konnte mit dem System HDI/PulswaveTM CR-2000 der Firma Hypertension Diagnostics Inc. (Eagan, USA) festgestellt werden. Das Körpergewicht wurde auf der Waage SECA 862 der Firma Seca (Hamburg, Deutschland) erfasst.

Muskelbiopsie und histologische Analyse
Die Gewebeentnahme am M. vastus lateralis erfolgte nach lokaler Anästhesie mit einer Biopsienadel, wie sie EVANS et al. (9) verwenden. Die Gewebeproben wurden in Tissue-Tek-Fixierkleber der Firma Sakura (Zoeterwoude, Niederlande) in einem Isopentan-Bad auf flüssigem Stickstoff heruntergekühlt und schließlich in flüssigen Stickstoff überführt. Nach dem Schneiden der Gewebeproben am Kryostat erfolgte eine Muskelfasertypisierung nach der Methode von BROOKE & KAISER (4). Bei der bioinformatischen Auswertung der Präparate mittels der Software „Scion Image for Windows Beta 4.0.2.“ der Firma Scion Corporation (Maryland, USA) wurde die ellipse minor axis gemessen, die einen schnittwinkel-unabhängigen Wert für den Muskelzelldurchmesser angibt. Sie ist die längste Senkrechte zur längst möglichen Strecke innerhalb der Zelle. Pro Schnittpräparat konnten 203±82 Zellen analysiert werden.

Kraftmessung
Die Messung der isometrischen Maximalkraft der Kniestrecker wurde an der Beinpresse „Desmotronic“ der Firma Schnell (Peutenhausen, Deutschland) bei einem Knieinnenwinkel von 130 Grad durchgeführt. Die Probanden wurden immer zur gleichen Tageszeit getestet und sollten vor der Testung tagsüber keinen Sport treiben.

Statistik
Die statistische Auswertung erfolgte mit dem Programm „SPSS 2005 12.0“ der Firma SPSS Inc. (Chicago, USA). Mit Varianzanalysen und dem t-Test wurden Unterschiede der erhobenen Mittelwerte und geschlechtsspezifische Veränderungen der gemessenen Werte auf Signifikanzen geprüft. Bei einer Irrtumswahrscheinlichkeit p von p≤5% wird von einer signifikanten Entwicklung gesprochen, bei p≤1% von einem hochsignifikanten Ergebnis. Die graphische Darstellung der Ergebnisse erfolgte mit dem Programm „Microsoft Excel 2000“ der Firma Microsoft Corporation (Redmond, USA).

ERGEBNISSE

Die Werte der gemessenen Stoffwechselparameter, des Blutdrucks und BMI sind in Tab. 2 dargestellt. Bei den HDL-Werten kam es zu signifikanten Veränderungen vom T1 zu T2 und von T2 zu T3. In der Muskelfaserverteilung zeigten sich keine signifikanten Veränderungen bei den Mittelwerten der Anteile der verschiedenen Fasertypen (vgl. Abb. 1). Eine signifikante Längenzunahme der ellipse minor axis konnte nach der Trainingsintervention im Mittel für alle Fasern (von 57,9±8,7 µm auf 66,0±10,7 µm) und im Besonderen für die Fasern des Typs IIX (von 52,8±7,3 µm auf 60,3±10,1 µm) und des Typs I (von 58,4±7,6 µm auf 69,2±9,4 µm) ausgemacht werden (vgl. Abb. 2). Im Durchschnitt stiegen die Maximalkraftwerte von 3506±1164 N vor auf 4338±1320 N nach der Trainingsperiode an. Es kam bei keinem gemessenen Parameter zu geschlechtsspezifischen Veränderungen der Mittelwerte.

DISKUSSION

Ein 14-wöchiges Training, das wie beschrieben durchgeführt wird, scheint kein ausreichender Stimulus zu sein, um einen deutlich positiven Einfluss auf die untersuchten Stoffwechselparameter zu nehmen. Lediglich die HDL-Werte waren nach der Trainingsphase signifikant erhöht. In anderen Studien konnte gezeigt werden, dass sich sowohl Gesamtcholesterin- als auch HDL-, LDL- und Triglyceridwerte durch regelmäßiges Krafttraining verbessern lassen (6, 11, 21). Es muss aber beachtet werden, dass die CholesterinWerte zeitlichen Schwankungen unterliegen (3), worauf auch die Veränderung des HDL-Wertes vom Zeitpunkt T2 im Vergleich zu T1 (beide Messzeitpunkte lagen vor der Trainingsintervention, um generelle Schwankungen der Stoffwechselparameter zu detektieren) hinweisen könnte. Eine Reduktion des Blutdrucks durch Krafttraining – wie von COLLIER et al. (7) berichtet – konnte bei den Probanden unserer Studie trotz Anstiegs des HDL-Cholesterins, das gefäßprotektiv wirkt und dem eine vasodilatative Wirkung zukommt (19), nicht beobachtet werden. Es ist denkbar, dass eine Muskelhypertrophie, wie sie in der vorliegenden Studie (gemessen an der Zunahme der ellipse minor axis der Muskelzellen des M. vastus lateralis) nachgewiesen wurde, über einen erhöhten Kalorien-Grundumsatz zu einer Gewichtsreduktion beitragen kann (22). FENKCI et al. (12) zeigen, dass regelmäßiges Krafttraining bei Übergewichtigen zu einem Gewichtsverlust führt. In unserer Studie wurde eine Verringerung des BMI nach 14 Wochen Training (noch) nicht erzielt. Möglicherweise kompensiert das Gewicht der neuen Muskelmasse das Gewicht eines reduzierten Fettanteils. Eine Messung der Körperkomposition hätte an dieser Stelle zusätzlich Aufschlüsse geben können und soll für zukünftige Untersuchungen berücksichtigt werden. Durch Krafttraining kann eine Muskelfasertransformation in Richtung Typ IIX → Typ IIA / Typ I begünstigt werden (1, 2, 18, 24). Die Hypothese, dass ein möglicher „switch“ einen positiven Einfluss auf das metabolische Syndrom nimmt, wurde durch unsere Studie weder bestätigt noch widerlegt (da eine Muskelfasertransformation bei den Probanden nicht angezeigt wurde). Geschlechtsspezifische Veränderungen der Stoffwechselwerte und morphologischen Daten konnten nicht festgestellt werden. Letzteres steht im Einklang mit der Tatsache, dass sich die hormonelle Antwort auf Krafttrainingsbelastungen, welche strukturelle Veränderungen im Muskel induziert, bei älteren Frauen im Vergleich zu älteren Männern ähnelt (15). Es bleibt auf limitierende Faktoren der Studie hinzuweisen. 7 Probanden nahmen während des Trainings Medikamente ein (L-Thyroxin/ L-Thyroxin/ ASS, Metoprolol, Irbesartan/ Metoprolol/ Atenolol/ ASS, Atenolol/ Pravastatin), welche als mögliche Fehlerindikatoren beachtet werden müssen. Dass keine Verbesserungen der Werte der Nüchternglucose und Insulinsensitivität festgestellt wurden, kann darin begründet sein, dass einzelne Probandenwerte von Nüchternglucose und des HOMA-Index zum Zeitpunkt T1/T2 im Normalbereich lagen. Es sei auf die Studie von CAUZA et al. (6) verwiesen, welche mit ähnlichem Trainingsdesign Diabetes Typ 2 Patienten trainierten, die vor dem Training im Mittel deutlich höhere Blutzucker-Werte und eine Insulinresistenz aufwiesen. Hier konnte eine signifikante Verringerung des Nüchternglucose-Wertes und eine Verbesserung der Insulinsensitivität nach der Trainingsperiode verzeichnet werden. Bei der von uns durchgeführten Studie handelt es sich um eine Pilotstudie mit relativ geringer Probandenzahl, die bei der Betrachtung der Ergebnisse berücksichtigt werden muss. Sich daran anschließend sollen zukünftig weitere Untersuchungen den Zusammenhang von morphologischen Veränderungen der Muskulatur und Stoffwechselparametern bei Probanden mit metabolischem Syndrom und Diabetes Typ II eruieren.
In unserer Studie ließen sich Größenzunahmen der Muskelfasern und Kraftzuwächse nach der Trainingsperiode konstatieren. Möglicherweise ist die Dauer, der Umfang, bzw. die Intensität des Trainings anders zu wählen oder eine Kombination mit einem Ausdauertraining/einer Ernährungsumstellung zu empfehlen (5, 13, 23), um einen besseren Effekt im Hinblick auf die kardiometabolischen Risikofaktoren zu erzielen.

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PD Dr. Klara Brixius
Molekulare und zelluläre Sportmedizin
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