Einfluss von Ausdauertraining und Tryptophangabe auf das serotonerge Neurotransmittersystem, die körperliche Leistungsfähigkeit und die psychische Befindlichkeit

Dissertation / Doktorarbeit von Ronny Wöstmann

Zusammenfassung:

Es wurde eine Untersuchung durchgeführt zum Einfluss von Ausdauertraining und Tryptophangabe auf das serotonerge Neurotransmittersystem. Da sich die Synthese von Serotonin (5-HT) und die Aktivität des serotonergen Systems im Gehirn nur schwer beim Menschen abprüfen lassen, wurden das Aminosäurenprofil im Plasma, die 5-HT2A Rezeptoren (5-HT2AR) und 5-HT Transporter (5-HTT) des Thrombozyten sowie die Prolaktinkonzentration in Ruhe und nach Stimulation durch einen partiellen 5-HT1A Agonisten als indirekte periphere Indikatoren für zentrale Veränderungen herangezogen und in bezug zu der körperlichen Leistungsfähigkeit und der psychischen Befindlichkeit gesetzt.

An der Untersuchung nahmen 25 Probanden teil. Bei 19 Probanden handelte es sich um nicht spezifisch trainierte Sportstudenten. Sie wurden randomisiert den Gruppen I (n=6; Alter: 30.7 ± 7.2 J, Gewicht: 73.2 ± 4.8 kg, Größe: 177.5 ± 8.6 cm; alle Werte x ± SD), II (n=6; Alter: 27.3 ± 2.7 J, Gewicht: 75.5 ± 4.9 kg, Größe: 180.0 ± 6.9 cm) und III (n=7; Alter: 25.4 ± 1.8 J, Gewicht: 75.9 ± 5.4 kg, Größe: 177.1 ± 3.0 cm) zugewiesen. Zusätzlich wurden ausdauertrainierte Radsportler (IV; n=6; Alter: 24.3 ± 2.1 J, Gewicht: 71.5 ± 7.5 kg, Größe: 179.8 ± 5.0 cm) akquiriert. Jeder Proband unterzog sich einer Eingangsuntersuchung, die je nach Gruppenzugehörigkeit aus allen oder einigen der nachfolgend aufgeführten Untersuchungsabschnitten bestand:

1. Spiroergometrie (I-IV) und Lauffeldstufentest (III), 2. venöse Blutabnahme nüchtern (I-IV), 3. Prolaktin-Stimulationstest (I, III, 3 Probanden aus IV) und 4. psychologische Evaluation (I-IV).

ad 1: Ein Fahrradergometer-Test mit stufenförmig ansteigender Belastungsintensität wurde zur Erfassung der körperlichen Leistungsfähigkeit eingesetzt. Es wurde die Leistung bei 4 mmol/l Blutlaktat sowie die maximale O2-Aufnahme ermittelt. In einem Lauffeldstufentest auf einer 400 m-Rundbahn wurde in Gruppe III zusätzlich die Laufgeschwindigkeit bei 4 mmol/l Blutlaktat erhoben.

ad 2: Nach zwei belastungsfreien Tagen wurde bei den nüchternen Probanden eine venöse Blutabnahme durchgeführt. Sie diente zur Bestimmung der Plasmakonzentrationen von Prolaktin, freiem Tryptophan (TRP) und großen neutralen Aminosäuren (LNAA) sowie der 5-HT2AR und 5-HTT am Thrombozyten.

ad 3: Nach einer venösen Blutabnahme wurde ein neuroendokriner Test der Funktionsfähigkeit des serotonergen Systems durchgeführt. Jedem Probanden wurden 60 mg Buspironhydrochlorid (Bespar 10 mg; BRISTOL-MYERS SQUIBB, München) oral appliziert. Es erfolgten über 150 min alle 30 min venöse Blutabnahmen zur Bestimmung der Prolaktinkonzentration im EDTA-Plasma.

ad 4: Zur Erfassung der Stimmungslage wurden zwei Befindlichkeitsskalen eingesetzt. Die Tests enthielten jeweils eine Liste von Adjektiven. Die Probanden wurden beauftragt zu bewerten, inwieweit das Adjektiv den eigenen augenblicklichen Zustand adäquat beschreibt.

Im Anschluss an die Eingangsuntersuchung erhielt Gruppe I über einen Zeitraum von 3 Wochen zur oralen Einnahme Plazebotabletten. Gruppe II wurde 3 Wochen 3 mal täglich eine Tablette mit 0.5 mg L-Tryptophan (Ardeytropin; ARDEYPHARM, Herdecke) oral verabreicht. Gruppe III absolvierte über 3 Wochen ein moderates Ausdauertraining. Drei mal pro Woche wurde ein extensiver Dauerlauf durchgeführt. Die Belastungsintensität wurde individuell bei 75 % der 4 mmol/l Blutlaktat entsprechenden Laufgeschwindigkeit im Feldstufentest festgelegt. Die Laufdauer betrug in der ersten Woche 40 min und wurde jede Woche um 10 min gesteigert.

Gruppe IV absolvierte ein 4wöchiges Trainingslager mit exzessiv hohen Belastungsumfängen. Der durchschnittliche wöchentliche Trainingsumfang der Athleten wurde von 454 ± 100 min im Trainingslager auf 1958 ± 357 min erhöht. In der Ausgangsuntersuchung nach der Intervention absolvierten alle Probanden erneut die Untersuchungen der Eingangsuntersuchung. Die wesentlichen Befunde lauteten:

- Die in der Eingangsuntersuchung (v) während der Fahrradergometrie bei 4 mmol/l Blutlaktat erbrachte Leistung (I: 181.9 ± 35.1; II: 243.2 ± 18.8; III: 217.4 ± 21.0;IV: 277.6 ± 26.8; alle Werte in Watt) und die maximale Sauerstoffaufnahme pro kg Körpergewicht (I: 43.6 ± 8.0; II: 49.8 ± 3.4; III: 50.0 ± 4.6; IV: 60.3 ± 7.2; alle Werte in ml/min/kg) lagen in Gruppe IV signifikant (p<0.01) höher als in den Gruppen I-III. Die Trainingsprogramme sowie die Tryptophangabe führten zu keiner Veränderung der bei 4 mmol/l Blutlaktat erbrachten Leistung. In Gruppe III stieg die Laufgeschwindigkeit bei 4 mmol/l Blutlaktat signifikant (p<0.01) von 3.64 ± 0.24 m/s auf 3.74 ± 0.26 m/s an.

- Die basale Konzentration der großen neutralen Aminosäuren (LNAA; Leucin, Isoleucin, Valin, Phenylalanin und Tyrosin) differierte in der Eingangsuntersuchung nicht zwischen den Untersuchungsgruppen. Die Interventionen führten nicht zu signifikanten Veränderungen in den Konzentrationen der LNAA im Plasma.

- In der Eingangsuntersuchung wurden zwischen den Untersuchungsgruppen keine Unterschiede in den Konzentrationen von TRP (I: 89.3 ± 17.2; II: 94.0 ± 23.7; III: 76.0 ± 9.0; IV: 73.0 ± 8.6; alle Werte in pmol/µl) und freiem TRP (I: 6.2 ± 1.5; II: 6.3 ± 1.9; III: 6.4 ± 0.9; IV: 5.2 ± 0.7; alle Werte in pmol/µl) im Plasma festgestellt. Moderates und exzessives Ausdauertraining beeinflußten nicht die basale Plasmakonzentrationen von TRP und freiem TRP. TRP-Gabe führte zu einem signifikanten (p<0.01) Anstieg der basalen Konzentrationen von TRP auf 125.3 ± 26.4 pmol/µl und freiem TRP auf 9.4 ± 2.7 pmol/µl. Die Werte lagen in der Ausgangsuntersuchung (n) signifikant (p<0.01) höher als in den anderen Gruppen.

- Zwischen den Gruppen wurden in der Eingangsuntersuchung keine signifikanten Unterschiede in der Anzahl der [3H] Ketanserin Bindungsstellen (Bmax) an 5- HT2AR des Thrombozyten festgestellt (I: 79.5 ± 35.8; II: 83.8 ± 37.0; III: 86.4 ± 32.7; IV: 100.0 ± 30.6; alle Werte in fmol/mg Protein). Moderates Ausdauertraining über 3 Wochen führte zu einem signifikanten (p<0.05) Anstieg (16.4 ± 14,9 %) der [3H] Ketanserin Bindungsstellen während nach 4wöchigem exzessivem Ausdauertraining eine signifikante (p<0.05) Reduktion (-8.4 ± 5.5 %) der Bindungsstellen erhoben wurde. Die Affinität der Bindung von [3H] Ketanserinan die spezifischen Bindungsstellen (Kd-Werte) differierte bei keiner Gruppe zwischen den Messzeitpunkten.

- Die Bmax-Werte der [3H] Paroxetin-Bindung an 5-HTT des Thrombozyten unterschieden sich bei den Ausdauerathleten nicht von der Kontrollgruppe (I: 753.3 ± 135.1 vs. IV: 646.8 ± 117.9 fmol/mg Protein). Moderates Ausdauertraining führte zu einem signifikanten (p<0.01) Anstieg (9.6 ± 5.9 %) der [3H] Paroxetin Bindungsstellen am Thrombozyten, während die anderen Interventionen keine Veränderung bewirkten. Die Affinität der Bindung von [3H] Paroxetin an die Bindungsstellen der 5-HTT differierte nicht zwischen den Gruppen und veränderte sich nicht im Untersuchungszeitraum.

- Tryptophangabe führte zu keiner veränderten Anzahl der Bindungsstellen für [3H] Ketanserin an 5-HT2AR und [3H]Paroxetin an 5-HTT des Thrombozyten. Analog dazu wurden auch keine modifizierten basalen Prolaktinkonzentrationen im Plasma festgestellt.

- In der Eingangsuntersuchung lagen die Prolaktinkonzentrationen in Gruppe IV (5.1 ± 1.1 ng/ml) signifikant (p<0.01) niedriger als in den Gruppen I (10.1 ± 2.3 ng/ml), II (9.8 ± 2.1 ng/ml) und III (11.0 ± 2.5 ng/ml). Nach moderatem Ausdauertraining wurde eine signifikante (p<0.01) Abnahme (16.3 ± 9.7 %) der basalen Prolaktinkonzentration im Plasma auf 9.1 ± 1.8 ng/ml festgestellt. Vierwöchiges exzessives Ausdauertraining führte zu einem signifikanten (p<0.01) Anstieg (35.3 ± 19.9 %) der basalen Prolaktinkonzentration im Plasma auf 6.7 ± 0.7 ng/ml.

- In der Prolaktinsekretion nach Gabe von Buspironhydrochlorid wurden zu beiden Messzeitpunkten keine signifikanten (p=0.067) Unterschiede festgestellt. Die Betrachtung der Einzelwerte verdeutlicht jedoch, dass die 3 ausdauertrainierten Probanden der Gruppe IV in der Eingangsuntersuchung mit einer geringeren Prolaktinsekretion auf Buspironhydrochlorid reagierten und später die maximalen Prolaktinwerte erreichten als die Probanden der Gruppen I und III (PRLv60: I: 39.0 ± 5.0; III: 42.2 ± 13.8; IV: 19.7 ± 4.4; PRLv90: I: 29.4 ± 5.8; III: 34.4 ± 6.3; IV: 24.5 ± 9.5; alle Werte in ng/ml). Nach 4wöchigem exzessivem Training waren die Differenzen in Gruppe IV nicht mehr auffällig (PRLn60: I: 35.6 ± 4.7; III: 37.2 ± 12.8; IV: 31.2 ± 8.5; PRLn90: I: 29.9 ± 4.2; III: 35.3 ± 11.3; IV: 31.5 ± 8.3; alle Werte in ng/ml).

- Moderates Ausdauertraining führte zu einem signifikanten (p<0.01) Anstieg der subjektiv empfundenen „Ruhe“ und einer signifikanten (p<0.01) Abnahme der „Erregtheit“ sowie tendenziell zu einer verbesserten Stimmungslage (5 von 7 Probanden). Exzessives Ausdauertraining induzierte eine signifikante (p<0.01) Abnahme der „Erholtheit“.

Aus den Befunden wird geschlossen:

- Mehrjähriges Ausdauertraining führt zu keinen Veränderungen des basalen Aminosäurenprofils sowie der 5-HTT und 5-HT2AR des Thrombozyten. Die reduzierte Prolaktinkonzentration in Ruhe und nach Stimulation mit einem partiellen 5-HT1A Agonisten deutet jedoch auf eine „down“-Regulation der entsprechenden serotonergen Rezeptoren hin.

- Die Befunde der vorliegenden Untersuchung zeigen, dass 3wöchiges moderates Ausdauertraining bzw. 4wöchige exzessive Erhöhung des Trainingsumfanges Veränderungen in der serotonergen Aktivität induzieren und nachfolgend die 5- HTT und 5-HT2AR des Thrombozyten in ihrer Regulation beeinflusst werden. Durch moderates und exzessives Ausdauertraining werden dabei gegenläufige regulatorische Prozesse an den 5-HT2AR des Thrombozyten ausgelöst. Moderates Ausdauertraining bei nicht spezifisch Ausdauertrainierten wirkt sich stärker auf die Ligandenbindungstellen der 5-HTT des Thrombozyten aus, als die exzessive Erhöhung des Trainingsumfanges bei bereits an hohe Belastungsreize und die damit verbundene Aktivierung des 5-HT Systems adaptierten Ausdauersportlern. In zukünftigen Untersuchungen sollte geklärt werden, ob diese Veränderungen am Thrombozyten die Verhältnisse am serotonergen Neuron widerspiegeln. Reduzierte basale Prolaktinspiegel im Plasma nach moderatem Ausdauertraining und erhöhte Konzentrationen nach exzessiven Belastungen können als Hinweise auf modifizierte Sensibilität zentraler 5-HT1AR gedeutet werden.

- Wiederholte medikamentöse und belastungsinduzierte Erhöhungen der Konzentration des freien TRP im Plasma induzieren unterschiedliche Auswirkungen auf das serotonerge System. Bezüglich Veränderungen an 5-HT2AR und 5-HTT des Thrombozyten sowie der Prolaktinkonzentration im Plasma zeigte nur körperliche Aktivität einen Einfluss.

Zusammenfassend sind jedoch weitere Untersuchungen notwendig, um kausale Beziehungen zwischen Modifikationen im serotonergen System und der körperlichen Leistungsfähigkeit, z.B. bei Ausdauerbelastungen, bzw. der subjektiven Befindlichkeit nach Ausdauertraining zu verifizieren.

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