Knorpelbiomarker bei Extrembelastungen
Trans Europe Foot Race – 4486 km von Bari zum Nordkapp
Ultramarathonläufe (>42 km) stellen eine Extrembelastung für den menschlichen Körper dar—nicht nur wegen der Länge der körperlichen Belastung sondern auch aufgrund von Umweltbedingungen wie Wetter und Terrain. Die Literatur zu den Auswirkungen von Multistage Ultramarathonläufen (mehrere Tagesetappen) auf die Gesundheit beschränkt sich weitgehend auf die Auswirkungen auf das Herz-Kreislauf-System, die Atem- und Skelettmuskulatur und das Gastrointestinalsystem. Interessanterweise gibt es bis heute nur wenige Informationen über die Auswirkungen von Ultramarathonläufen auf Gelenkknorpel.
In einer Studie zu einem Transkontinental-Multistage Ultramarathonlauf über 4486 km wurde ein initialer Anstieg im T2*-Signal während der ersten 1000 km des Rennens gefolgt von einer leichten Abnahme während des verbleibenden Rennens, jedoch ohne morphologische oder Dickeänderungen beobachtet7. Diese Änderungen können als Zunahme von Glykosaminoglykanen interpretiert werden und weisen auf eine mögliche Anpassung des Gelenkknorpels an Extremlaufbelastungen—vor allem mit kurzen Unterbrechungen wie während eines Multistage Ultramarathonlaufs—hin.
Knorpelstoffwechsel und belastungsinduzierte Änderungen des Gewebes werden häufig durch Knorpelbiomarker (z.B. Strukturproteine oder Enzyme) im Serum bestimmt. Zum Beispiel sind erhöhte Konzentrationen von Cartilage Oligomeric Matrix Protein (COMP) mit einem höheren Inzidenzrisikos von Gonarthrose verbunden5 und belastungsinduzierte Änderungen in COMP prognostizieren Änderungen der Knorpeldicke bei Patienten mit Gonarthrose1. Ausserdem reagieren COMP-Werte auf körperliche Inaktivität während Bettruhestudien und auf Aktivitäten wie Gehen, Laufen aber nicht auf tiefe Kniebeugen, und steigen während Singlestage Ultramarathonläufen stetig an3, 4. Somit sind COMP-Werte nicht nur sensitiv gegenüber der Belastungshöhe sondern auch gegenüber der Anzahl der Belastungszyklen. Weitere Knorpelbiomarker sind Enzyme wie Metalloproteasen (MMP) sowie Fragmente von Kollagen II (z.B. C2C, CPII).
Hypothese
Serumkonzentrationen von COMP, MMP-1, 3, 9, C2C, CPII und C2C:CPII nehmen während eines Multistage Ultramarathons stetig zu.
Methodik
Von 67 Teilnehmern des Trans Europe Foot Race von Bari zum Nordkapp (Abb. 1) nahmen 36 Läufer (4 Frauen; Alter, 49,0 ± 10,7 Jahre; Körpergröße, 174 ± 8 cm; Gewicht Start, 70,2 ± 10,2 kg, Gewicht Ziel, 65,2 ± 8,5 kg; wöchentliche Trainingszeit, 7 bis 20 Stunden; wöchentliche Trainingsdistanz, 50 bis 220 km) an dieser Studie teil6. Das Rennen dauerte 64 Tage ohne Ruhetag mit einer durchschnittlichen täglichen Distanz von 70,1 km (44,0 bis 95,1 km).
Alle Läufer verbrachten die Nacht jeweils am gleichen Tagesziel. Blutproben wurden 4 Tage vor dem Rennen (t0) sowie an den Tagen 15 (t1: 1002 km), 31 (t2: 2132 km), 47 (t3: 3234 km), und 58 (t4: 4039 km) jeweils nach der Tagesetappe entnommen und eingefroren. Durchschnittliche Laufgeschwindigkeit und tägliche Laufzeit wurden für jedes Messinterval (MI: MI1: t1-t0; MI2: t2-t1; MI3: t3-t2; MI4: t4-t3) zwischen den Blutproben berechnet. Serumkonzentrationen der Biomarker wurden mit kommerziellen ELISAs bestimmt.
Änderungen der Serumkonzentrationen in allen Biomarkern sowie Interaktionen zwischen den Änderungen der verschiedenen Biomarker wurden untersucht.
Ergebnisse
Die Teilnehmer liefen mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 8,2 ± 1,4 km/h und verloren im Durchschnitt 5,3 ± 2,7 kg Gewicht. Sechs Läufer stiegen in MI2, ein Läufer in MI3 und vier Läufer in MI4 aus. Alter, Größe, Gewicht, Laufgeschwindigkeit und Biomarkerkonzentrationen nach MI1 und MI2 nicht zwischen Finishern und Non-Finishern (P>0,029).
Serumkonzentrationen von COMP, MMP-9 und MMP-3 änderten sich signifikant während des Rennens (Abb. 2). Im Durchschnitt stiegen diese Konzentrationen in MI1 um 22,3 bis 95,6% an und änderten sich nicht weiter während MI2, MI3 und MI4. Diese Änderungen unterschieden sich nicht zwischen Finishern und Nicht-Finishern (time×finishing group interaction: P=0,387, P=0,620 bzw. P=0,945). Serumkonzentrationen von MMP-1, C2C, CPII und C2C:CPII änderten sich nicht während des Rennens.
Die zeitabhängige Kovariate Gewicht war signifikant assoziiert mit Änderungen von COMP, MMP-3 und MMP-9 während des Rennens (COMP: Wald Z=3,411, P=0,002; MMP-3: Wald Z = 2,472, P=0,013; MMP-9: Wald Z = 2,226, P=0,026). Die zeitabhängigen Kovariaten Laufgeschwindigkeit und tägliche Laufzeit hatten keinen Einfluss auf Änderungen der Serumkonzentrationen.
Änderungen von MMP-3 waren assoziiert mit Änderungen in COMP während des Rennens (MMP-3: Wald Z=3,476, P=0,001) wobei bei 68% der Läufern die ultramarathon-induzierten Änderungen von MMP-3 mehr als 30% der ultramarathon-induzierten Änderungen von COMP erklärten.
Diskussion
Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass nur einige Knorpelbiomarker auf extreme Laufbelastung reagieren und dass die Änderungen von einzelnen Biomarkern interkorrelieren. Die gleichen Marker, die hier bei Extrembelastung anstiegen, nahmen bei langanhaltender Inaktivität während Bettruhestudien ab2. Die Assoziation von Änderungen in COMP und MMP-3 deutet darauf hin, dass MMP-3 im Abbau von COMP involviert sein könnte. Dieser Zusammenhang wird in aktuellen Studien weiter untersucht.
In Studien über den Effekt von körperlicher Aktivität mit unterschiedlicher Intensität auf Gelenkknorpel wurde COMP von den bekannten potentiellen Knorpelbiomarkern am häufigsten als Surrogat für Knorpeldegeneration gewählt. Interessanterweise war die Höhe der Zunahme von COMP in unserer Studie mit +22,5% nicht höher als entsprechende Werte für Marathon und Single Stage Ultramarathonläufe, wo COMP während des Rennens um bis zu 300% anstieg. Im Gegensatz zu diesen Single Stage Studien ruhten die Athleten in unserer Studie nach jeder Tagesetappe. Unsere Ergebnisse bestätigen Ergebnisse für T2* Werte und legen nahe, dass Knorpel während täglichen Ruhephasen zumindest teilweise regeneriert und nach den initialen 1000 km ein Steady State erreicht.
Autoren
PD Dr. Annegret Mündermann PhD1,2, Dr. phil. Corina Nüesch1,2, Dr. med. Christopher Klenk3, PD Dr. med. Christian Billich4, PD Dr. med. Thomas Nickel5, PD Dr. med. Geert Pagenstert1, Prof. Dr. med. Arno Schmidt-Trucksäss3, PD Dr. med. Uwe Schütz4,6
Email: annegret.muendermann@unibas.ch
1Klinik für Orthopädie und Traumatologie, Universitätsspital Basel, 2Department of Biomedical Engineering, Universität Basel, 3Departement für Sport, Bewegung und Gesundheit, Universität Basel, 4Klinik für diagnostische und interventionelle Radiologie, Universitätsklinikum Ulm, 5Klinikum 1, Ludwig-Maximilians-Universität München, 6 Orthopädie am grünen Turm, Ravensburg
Abb. 2: Streckenverlauf des Trans Europe Foot Race von Bari (Italien) zum Nordkapp (Schweden).
Abb. 2: Änderungen in COMP, MMPs und Knorpelbiomarkern während des Trans Europe Foot Race normalisiert zum Baseline Niveau. Signifikante Unterschiede zur Baseline sind durch einen Stern gekennzeichnet.
Literatur
1. Erhart JC, Mündermann A, Mündermann L, Andriacchi TP. Predicting changes in knee adduction moment due to load-altering interventions from pressure distribution at the foot in healthy subjects. J Biomech. 2008;41(14):2989-2994.
2. Liphardt A-M, Mündermann A, Koo S, et al. Relevance of immobility for serum levels of biomarkers for cartilage health. Paper presented at: 19th IAA Human in Space Conference 2014; June 2014, 2014; Waterloo, Canada.
3. Mündermann A, Dyrby CO, Andriacchi TP, King KB. Serum concentration of cartilage oligomeric matrix protein (COMP) is sensitive to physiological cyclic loading in healthy adults. Osteoarthritis Cartilage. 2005;13(1):34-38.
4. Mündermann A, Geurts J, Hugle T, et al. Marathon performance but not BMI affects post-marathon pro-inflammatory and cartilage biomarkers. J Sports Sci. 2016;May 11:1-8.
5. Saberi Hosnijeh F, Runhaar J, van Meurs JB, Bierma-Zeinstra SM. Biomarkers for osteoarthritis: Can they be used for risk assessment? A systematic review. Maturitas. 2015.
6. Schütz UH, Billich C, Konig K, et al. Characteristics, changes and influence of body composition during a 4486 km transcontinental ultramarathon: results from the TransEurope FootRace mobile whole body MRI-project. BMC Med. 2013;11:122.
7. Schütz UH, Ellermann J, Schoss D, Wiedelbach H, Beer M, Billich C. Biochemical cartilage alteration and unexpected signal recovery in T2* mapping observed in ankle joints with mobile MRI during a transcontinental multistage footrace over 4486 km. Osteoarthritis Cartilage. 2014;22(11):1840-1850.