Impact of altered muscle perfusion through lower body negative pressure on acute cardiovascular, physiological and molecular responses to resistive leg press exercise

Raumfahrt setzt den menschlichen Körper besonderen physiologischen Herausforderungen aus, darunter einem Verlust der Muskelmasse und -kraft, welcher insbesondere die Haltungs- und Beinmuskulatur betrifft und bislang von Gegenmaßnahmen nicht adäquat adressiert werden konnte. Über das Fehlen der gewohnten gravitationsbedingten Muskelbelastung hinaus wird diese Dekonditionierung potenziell auch durch die verminderte Durchblutung der Beinmuskulatur gefördert, welche durch die kopfwärts gerichtete Flüssigkeitsverschiebung unter Schwerelosigkeit entsteht und in einer geringeren Verfügbarkeit von Sauerstoff und Nährstoffen resultiert. Eine adäquate Lösung für diese Herausforderung könnte sich daher in der Kombination aus einem geeigneten Training und Unterkörper-Unterdruck (Englisch: “lower body negative pressure”, LBNP) finden, welcher eine Flüssigkeitsverschiebung in Richtung der unteren Extremitäten hervorruft. LBNP kann somit der Schwerelosigkeit-bedingten Reduktion des Blutvolumens in den Beinen entgegenwirken und physiologische Reaktionen ähnlich wie bei einer Orthostase herbeiführen, unabhängig von der Körperposition oder Präsenz der Schwerkraft. Eine Kombination aus körperlicher Übung und LBNP würde erwartungsgemäß die Muskelbelastung und den kardiovaskulären Stimulus gewährleisten, welche für die Aufrechterhaltung einer gravitationsähnlichen Adaptation notwendig sind, und wurde bereits als Gegenmaßnahme für die Dekonditionierung bei Langzeit-Raumflügen vorgeschlagen.
Vorteilhafte Effekte eines Trainings mit LBNP als Gegenmaßnahme für den Verlust an Muskelkraft und -ausdauer sind aus erdbasierten Simulationen der Raumfahrt-assoziierten Dekonditionierung, etwa aus Bettruhestudien, bekannt. Allerdings hätte die Einführung derartiger Gegenmaßnahmen bei Langzeit-Raumflügen als Voraussetzung, dass die zugehörige Apparatur für die Nutzung unter Schwerelosigkeit geeignet ist, sowie dass der angewandte Trainingsstimulus eine geeignete Muskeladaptation wirksam auslösen kann. Krafttraining kann bekannterweise dem Kraftverlust und der Atrophie chronisch unbelasteter Beinmuskulatur vorbeugen, sogar mit Anzeichen für eine mögliche Förderung deren Hypertrophie. In Bezug auf Gegenmaßnahmen für die Dekonditionierung bei Astronauten wurde bereits empfohlen, dass diese idealerweise konzentrische und exzentrische Übungen mit einer hohen Intensität einbeziehen sollten. Ferner kann durch ein Krafttraining ausgelöste Muskeladaptation nachgewiesenermaßen von einer verminderten Kontraktionsgeschwindigkeit profitieren, und ein Training mit konstanter Kraft kann dem Bettruhe- bedingten isokinetischen Kraftverlust nicht entgegenwirken. In der vorliegenden Promotionsarbeit werden diese relevanten Aspekte adressiert, indem mögliche Vorteile einer Anwendung von LBNP bei intensiven Kraftübungen mit reduzierter Geschwindigkeit und variierender Kraft an einer neuartigen, Robotik-gesteuerten Beinpresse (Englisch: „robotically controlled leg press“, RCL) erforscht werden. Die RCL wurde bei dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Köln entwickelt und wird ohne gravitationsabhängige Energiespeicherung bedient. Es wurde von der Hypothese ausgegangen, dass LBNP das Blutvolumen und die Sauerstoffverfügbarkeit in der Beinmuskulatur erhöhen würde, resultierend in einer Stimulation des oxidativen Energiestoffwechsels und potenziell in einer positiven Auswirkung auf den Energiezustand und die Leistung der Muskulatur. Darüber hinaus wurde angenommen, dass diese physiologischen Effekte mit molekularen Akutreaktionen seitens des Energiesensors AMPK und der Angiogenese-Faktoren einhergehen würden.
Zwei Studien mit gesunden männlichen Probanden wurden im Rahmen der vorliegenden Promotionsarbeit durchgeführt. In der ersten Studie haben 9 Probanden 15 konzentrische und exzentrische Kontraktionen in einem langsamen Tempo von jeweils 4 s geleistet, bei einem permutierten Crossover-Studiendesign ohne oder mit 40 mmHg LBNP und 4 s Pause zwischen den Wiederholungen. Neben der Erforschung von LBNP-bedingten Akutreaktionen war ein weiteres Ziel dieser Studie, mögliche Vorteile von zusätzlichen Relaxationsperioden zwischen den Wiederholungen für die Muskelperfusion zu untersuchen. Die Übungen waren von einer variierenden Kraft gekennzeichnet, beginnend mit 6% der maximalen Kraft für eine Wiederholung (Englisch: „one-repetition maximum“, 1-RM) bei der Kniebeugung. Daraufhin wurde die Kraft in der ersten Hälfte der individuellen Bewegungsdistanz allmählich auf 60% des 1-RM gesteigert und schließlich bis in die volle Beinextension konstant gehalten. Zur Charakterisierung der akuten kardiovaskulären Reaktionen sowie der Oxygenierung und Leistung der Beinmuskulatur wurden nicht-invasive Messmethoden angewandt. Da das Übungsprotokoll ohne Pausen zwischen den Wiederholungen vielversprechendere Effekte zeigte, wurde dieses daraufhin in einer Parallelgruppenstudie mit 18 Probanden angewandt, in welcher zusätzlich molekulare Akutreaktionen des Energiesensor-Proteins AMPK im Musculus vastus lateralis und der Angiogenese-Faktoren im Blutserum untersucht wurden.
Die Ergebnisse der Crossover-Studie zeigten, dass diverse akute physiologische und kardiovaskuläre Reaktionen auf die Anwendung von LBNP von der genauen Durchführung der Beinpressübungen (ohne oder mit Pausen zwischen den Wiederholungen) bedeutsam beeinflusst werden. So waren die Erhöhung der Herzfrequenz und die Reduktion des Schlagvolumens im Laufe einer durchgehenden Leistung unter Umgebungsdruck oder LBNP auffälliger als bei respektiven Übungen mit Pause. Zudem wurden eine Verminderung des Herzminutenvolumens sowie eine Erhöhung des totalen peripheren Widerstands nur bei den Übungen ohne Pause beobachtet. LBNP förderte offenbar den Bluteinstrom im Laufe von geringeren Kräften gekennzeichneter Kontraktionsphasen, nachgewiesen als Erhöhung des Total- und Oxyhämoglobins im Vastus lateralis, und zwar mit einer bemerkenswert höheren Differenz zwischen den Maximalwerten unter LBNP vs. Kontrolle während ununterbrochener Arbeit im Vergleich zu den Übungen mit Pausen. Höhere Sauerstoffaufnahme durch die Atmung und höhere Laktatspiegel nach den Übungen mit LBNP deuteten auf einen erhöhten Energieumsatz der Muskulatur hin, mit potenzieller Beteiligung des oxidativen sowie des anaeroben Stoffwechsels. Der Anstieg der EMG-Amplitude war wesentlich höher bei den Übungen mit LBNP und Pausen zwischen den Wiederholungen. Im Gegensatz hierzu zeigte durchgehende Muskelleistung mit LBNP (ohne Pausen) einen gegenüber der Kontrolle tendenziell geringeren Anstieg der EMG-Amplitude, als Anzeichen möglicher Vorteile für die Muskelermüdung, die sich potenziell im Laufe einer längeren Beinpressübung manifestieren könnten. Die oben dargestellten Ergebnisse zu den Beinpressübungen ohne Pausen konnten in der Parallelgruppenstudie zum Teil reproduziert werden, insbesondere in Bezug auf die Erhöhung der Herzfrequenz, der Sauerstoffaufnahme und des Totalhämoglobins in der Muskulatur. Allerdings zeigte der Oxyhämoglobinspiegel im Laufe der Beinpressübungen mit LBNP nun eher eine allmähliche Abnahme, begleitet von einer fortschreitenden Zunahme des Desoxyhämoglobingehalts. Angesichts der höheren Sauerstoffaufnahme und der tendenziell niedrigeren Laktatspiegel nach den Übungen mit LBNP deuteten diese Ergebnisse insgesamt auf einen erhöhten Sauerstoffverbrauch und höhere Leistung des oxidativen Metabolismus unter LBNP. Nichtsdestotrotz zeugte der höhere Anstieg der EMG-Amplitude unter LBNP von einer unzureichenden Energieversorgung und daraus

resultierender, metabolisch bedingter Muskelermüdung. LBNP steigerte zusätzlich die nach den Beinpressübungen aufgetretene Reduktion des MMP-2 Spiegels im Blutserum. Zudem wirkte LBNP der Endostatin-Erhöhung und der Reduktion von AMPK, P-AMPK und des Verhältnisses von P- AMPK zu AMPK entgegen, die folglich nur ohne LBNP beobachtet wurden.
Zusammenfassend wurde festgestellt, dass die Anwendung von LBNP während ununterbrochener, von einer hohen Intensität und einem verhältnismäßig langsamen Tempo gekennzeichneter Beinpressübungen das Blutvolumen und die Oxygenierung des Vastus lateralis fördern kann, die als Anzeichen für eine erhöhte Muskelperfusion gelten. Weiterhin modifizieren die erhöhte periphere Blutzufuhr und der höhere Sauerstoffverbrauch unter LBNP durch Kraftübungen ausgelöste Akutreaktionen, mit Aktivierung des Energiesensors AMPK und geänderter Regulation an der Remodellierung des Muskelgewebes und an dem Wachstum von Kapillaren beteiligter Angiogenese- Faktoren als Folge. Adäquate LBNP-Toleranz und auf individuelle Bedürfnisse ausgerichtete Übungsbedingungen vorausgesetzt, könnte die Kombination aus LBNP und Kraftübungen die oxidative Energieproduktion stimulieren und unter Umständen die Muskelleistung fördern. Somit könnte LBNP vorteilhafte strukturelle Adaptationen der Skelettmuskulatur während eines Krafttrainings begünstigen und zusammen mit entsprechenden Gegenmaßnahmen für die Dekonditionierung unter Schwerelosigkeit der Erreichung einer höheren Muskelkraft und -ausdauer bei Astronauten beitragen. Forschung an mittels LBNP simulierter Orthostase bleibt von hoher Relevanz für die Optimierung von Gegenmaßnahmen zur Bekämpfung der Muskeldekonditionierung in der Raumfahrt.