Körperzusammensetzung
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Modul 12 Energie Praktisch Wissenschaftliches Arbeiten Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung Institut für Physiologie /Zentrum für Weltraummedizin Berlin Dr. A. Stahn, Dr. O. Opatz, Dr. M. Steinach, Prof. Dr. H.-­‐Chr. Gunga Kontakt: Sekretariat ZWMB Tel: 450-­‐528512 Email: [email protected] Stand: 07. Januar 2013 Hinweise zum Praktikum In diesem Praktikum sollen Sie unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung der Körperzusammensetzung und des Energieumsatzes selber erfahren. Hierfür ist es erforderlich, dass sich in jeder Kleingruppe mindestens eine Studentin/Student für die Teilnahme an den Messungen bereit erklärt. Die Messungen finden in „minimaler Bekleidung“ (Unterwäsche) bzw. während des Untertauchens in Wasser (ca. 36 ° C) in einem Immersionsbecken statt, so dass es erforderlich ist, dass die ProbandInnen Badebekleidung und Badelatschen zum Praktikum mitbringen! Natürlich stehen Ihnen Umkleidekabinen, Duschen und Fön zur Verfügung. Ebenso stellen wir Ihnen einen Bademantel zur Verfügung, damit Sie sich zwischen den Messungen nicht unterkühlen. Es finden parallel zwei Kleingruppenpraktika statt. Idealerweise können wir in jeweils einer Gruppe eine Frau, in der anderen einen Mann messen und anschließend die Ergebnisse auch austauschen. Sofern die Zeit es ermöglicht können natürlich auch mehrere Personen gemessen werden. Das Praktikum wird an Stationen durchgeführt an denen Sie dann ‚rotieren‘. 2-­‐3 Studenten werden jeweils die „Verantwortung“ für eine Station übernehmen. Zu Beginn bzw. gegen Ende der Lehrveranstaltung findet eine theoretische Besprechung statt. Je nach zeitl. Aufwand und aktueller Situation werden ggf. einige der im Skript genannten Messwerte nicht bestimmt. Bitte übertragen Sie die während des Praktikums gewonnenen Messdaten für Ihren Probanden in die entsprechenden Tabellen während Sie von Station zu Station rotieren und tragen Sie zum Schluss alle Messwerte aller Probanden Ihrer Seminargruppe zum Vergleich in die Tabelle ein. Zusätzlich zu dieser Skripte und den im Praktikum durchgeführten Messungen wäre es wünschenswert, dass die Probanden (also die Studierenden, die im Praktikum vermessen werden sollen) unter: https://www.uni-­‐hohenheim.de/wwwin140/info/interaktives/foodfreq.htm den angebotenen Fragebogen zum Ernährungsverhalten ausfüllen (die Körpergröße muss auf „cm“ basierend eingegeben werden). Die Ergebnisse zum ermittelten BMI, zum täglichen Energiebedarf etc. dokumentieren Sie bitte. Da dieses Skript recht umfangreich gestaltet wurde, haben wir die wichtigsten Passagen für den „schnellen Leser“ mit einem Ausrufezeichen markiert. Die Markierung bezieht sich dann auf den entsprechenden Abschnitt. Die Durchführungen der einzelnen Versuche -­‐ ebenfalls markiert -­‐ sollten Sie in jedem Fall gelesen haben. Wir wünschen Ihnen ein interessantes und erfolgreiches Praktikum und bedanken uns im Voraus für Ihre aktive Teilnahme und Mitarbeit! M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung ii Institut für Physiologie, CCO, Charitéplatz 1, 10117 Berlin Inhalt: 1 Vorwort ....................................................................................................................................... iii 2 Einleitung .................................................................................................................................... 1 3 Hintergrund: Körperzusammensetzung, Übergewicht und metabolisches Syndrom ..................... 2 4 Einfluss der Ernährung auf die Körperzusammensetzung: ............................................................ 4 5 Ruheenergieumsatz ..................................................................................................................... 6 5.1 Vorbereitung: Lernziele und Grundkenntnisse ............................................................................. 6 5.2 Einführung: der Ruheenergieumsatz ............................................................................................ 6 Körperzusammensetzung ................................................................................................................. 12 5.3 Vorbereitung: Lernziele und Grundkenntnisse ........................................................................... 12 5.4 Der Body Mass Index (BMI) – eine sinnvolle Größe? .................................................................. 13 5.5 Bestimmung der Körperzusammensetzung ................................................................................ 14 5.7 Kalipermetrie .............................................................................................................................. 17 5.8 Körperzusammensetzung – Bioelektrische Impedanz Analyse (BIA) .......................................... 19 5.9 Körperzusammensetzung – DXA ................................................................................................. 23 5.10 Körperzusammensetzung – Densitometrie: Unterwasserwägung vs. Ganz-­‐ körperplethysmographie (BodPod) ...................................................................................................... 24 5.11 Stereophotogrammetrie / Whole-­‐Body Scanning .................................................................... 26 6 Zusammenfassung ...................................................................................................................... 27 7 Messergebnisse Praktikumsversuch ........................................................................................... 28 7.1 Messergebnisse – Anthropometrische Indizes /Stereophotogrammetrie ................................. 28 7.2 Messergebnisse – Ruheumsatz ................................................................................................... 28 7.3 Messergebnisse – BIA ................................................................................................................. 28 7.4 Messergebnisse – BodPod .......................................................................................................... 28 7.5 Messergebnisse – Unterwasserwägung ..................................................................................... 29 7.6 Messergebnisse – Zusammenfassung ........................................................................................ 29 7.7 Diskussion Ruheumsatz .............................................................................................................. 30 7.8 Diskussion Körperzusammensetzung ......................................................................................... 30 8 Schlussbemerkung ..................................................................................................................... 31 9 Literaturauswahl ........................................................................................................................ 32 M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 1 iii Vorwort Liebe Studentinnen und Studenten, dieses Praktikum integriert Wissen aus verschiedenen Bereichen Physiologie. Sie werden verschiedene Messverfahren anwenden, die Ihnen integrativ die Zusammenhänge von Ernährung auf den Stoffwechsel, den Energieumsatz und die Körperzusammensetzung vermitteln sollen. Eine systematische Vorbereitung und insbesondere die Rekapitulation der vorherigen Modulinhalte werden Ihnen eine gewinnbringende Praktikumsteilnahme ermöglichen. Es geht weniger um Detailwissen von „Kommastellen“ – viel wichtiger sind die Anwendung des bisherigen Wissens, Verstehen der verschiedenen Messtechniken und das Nachvollziehen, wie sehr der Energiestoffwechsel, der Energieumsatz und die Körperzusammensetzung miteinander verknüpft sind. Auch die Besprechung der erhobenen Messwerte und die kritische Diskussion der unterschiedlichen Verfahren z.B. für die Messung der Körperzusammensetzung, deren Anwendungsgebiete und Einschränkungen, sollen Sie zum selbständigen Hinterfragen anregen. Viel Erfolg und viel Spaß! M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 2 1 Einleitung Ausreichende physische Aktivität und adäquates Körpergewicht reduzieren das Risiko praktisch sämtlicher zivilisatorisch bedingter Erkrankungen. Eine seit Jahrzehnten bekannte Erkenntnis, die vor allem im Hinblick auf die kardio-­‐vaskulären Erkrankungen und den Herzinfarkt eine breite Öffentlichkeit fand. Beherzigt und im täglichen Leben umgesetzt wurden die Empfehlungen jedoch kaum. Im Gegenteil, Übergewicht und Diabetes Typ 2 haben panepidemische Ausmaße erreicht. Inadäquater Lebensstil, eine ungute Kombination aus Bewegungsmangel kombiniert mit schlechter Ernährung -­‐ d.h. überwiegend industriell verarbeiteter Nahrung, mit hohem Brennwert bei hohem Zucker-­‐ und Fettanteil -­‐ breitet sich in beängstigendem Maße gerade auch bei Jugendlichen und Kindern aus. Insbesondere für Sie als angehende Ärztin bzw. Arzt, ist es wichtig um diese Zusammenhänge zu wissen, um sie später in der Praxis anwenden zu können, möglichst bevor die Auswirkungen unseres weltlichen Lebensstils mit Bewegungsmangel und Überernährung zum Tragen kommen. Dieses Praktikum baut auf Ihrem Wissen der vorhergehenden Praktika auf – so haben Sie z.B. im Modul 6 bereits Einblicke in die Messung der Körperzusammensetzung erhalten, die Sie in diesem Praktikum vertiefen und ergänzen. Im Modul 10 haben Sie im Praktikum Leistungserfassung erfahren, dass die maximale Sauerstoffaufnahme einer der wichtigsten Parameter im Rahmen der Bestimmung der Ausdauerleistungsfähigkeit darstellt und dass der Parameter der Sauerstoffaufnahme direkt mit der Bestimmung des Energieumsatzes gekoppelt ist. Hieran wird dieses Praktikum anknüpfen in dem Sie über die Sauerstoffaufnahme den Ruheenergieumsatz bestimmen werden. Dieses Praktikum soll Sie auch zur Diskussion um Messverfahren, Indizes und Normwerte anregen und in wie weit die verschiedenen Verfahren ihre Gültigkeit, aber auch ihre Einschränkungen haben. Dieser Hintergrund hat auch für Ihren weiteren Studien-­‐ und Arbeitsweg seine Relevanz, so dass Sie lernen, kritisch mit unterschiedlichen Verfahren und den gewonnen Messwerten umzugehen. Lernziele Nach Abschluss dieser Veranstaltung können Sie... • ...die Auswirkung einer hyper-­‐ bzw. hypokalorischen Ernährungsweise auf die Körperzusammensetzung (Fettmasse, fettfreie Masse, Fettgewebsverteilung) beschreiben. • ...die Einflüsse auf den Ruheenergieumsatz und Bestimmung des Ruheenergieumsatzes mittels indirekter Kalorimetrie beschreiben. • ...einfache Verfahren der Körperzusammensetzung (Kalipermetrie, anthropometrische Indices, bioelektrische Impedanzanalyse) und innovative Verfahren (z.B. BodPod) zur Körperzusammensetzung hinsichtlich ihrer Genauigkeit, ihres Nutzens und ihrer Anwendbarkeit zueinander einschätzen. • ...einfache, nicht-­‐invasive Verfahren zur Erfassung der Körperkomposition (z.B. Kalipermetrie, bioelektrische Impedanz Analyse) anwenden. M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 2 3 Hintergrund: Körperzusammensetzung, Übergewicht und metabolisches Syndrom Relevanz Die Körperzusammensetzung ist ein Spiegel des Ernährungszustands und steht in unmittelbaren Zusammenhang mit erhöhten Erkrankungs-­‐ und Sterblichkeitsraten an Herzinfarkt, Schlaganfall und Herzinsuffizienz. In westlichen Ländern haben Übergewicht, Adipositas und ihre Folgeerkrankungen mit Diabetes mellitus und metabolischen Syndrom haben weltweit epidemiehafte Ausmaße erreicht und werden zunehmend zu einem gesundheitspolitischen Problem (Abb. 1). Abb. 1. Übergewicht in Europa – Spitzenreiter Deutschland (International Assocation for the Study of Obesity) Auch in Deutschland die Rolle der Körperzusammensetzung und ihre Analyse auch in der präventiven und kurativen Gesundheitsversorgung zunehmend an Bedeutung. Aktuelle Ergebnisse der Nationalen Verzehrstudie II (NVS II 2008) dokumentieren, dass 51% deutscher Frauen und 66% deutscher Männer übergewichtig sind. 20% der Bevölkerung sind adipös. Laut Angaben des Berliner Robert-­‐Koch-­‐Instituts aus dem Jahre 2006, „hat sich die Prävalenz von Übergewicht bei deutschen Kindern allein in den letzten 10 Jahren [1996-­‐2006] verdoppelt“. Bei Jugendlichen im Alter zwischen 13 und 17 Jahren hat sich die Zahl sogar verdreifacht. Vor dem Hintergrund der klinischen und gesundheitspolitischen Relevanz – Adipositas gilt als maßgeblicher Risikofaktor für zahlreiche klinische Funktionsstörungen und Erkrankungen, ist mit einer erhöhter Mortalität im Erwachsenenalter verknüpft und stellt eine zunehmende Herausforderung für das deutsche Gesundheitssystem dar (gemäß der Trendberechnungen der WHO entstehen dadurch allein in Deutschland Behandlungskosten von mindestens 25,7 Mrd. € jährlich. – erscheint die Diagnose von überschüssigem Körperfett mittels einer präzisen und nicht-­‐invasiven Technologie sowohl im klinischen als auch im epidemiologischen Setting zwingend erforderlich. Adipositas M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 3 Die Weltgesundheitsorganisation bezeichnet Übergewicht bzw. Adipositas als chronische Erkrankung (ICD-­‐Diagnoseschlüssel E66). Unstrittig ist das mit Übergewicht und Adipositas erhöhte Morbiditäts-­‐ und Mortalitätsrisiko. Häufig entwickelt sich infolge einer Adipositas auch ein metabolisches Syndrom, charakterisiert durch abdominelle Fettleibigkeit, Bluthochdruck (Hypertonie), veränderte Blutfettwerte (Dyslipidämie) und Insulinresistenz. Metabolisches Syndrom Voraussetzung für das Vorhandensein des metabolischen Syndroms ist das Vorliegen einer bauchbetonten (sogenannten zentralen) Adipositas (s.a. 5.4 Body Mass Index). Eine klare Definition des metabolischen Syndroms gibt es bisher nicht, so dass es auch hierfür gegenwärtig auch keinen gültigen ICD-­‐Code. In Deutschland ist eine Erfassung mit dem Code E.88.9 „Stoffwechselstörung, nicht näher bezeichnet“ hilfsweise möglich. Eine Behandlung erfolgt meist durch eine Kombination aus körperlicher Aktivität, Gewichtsreduktion, Ernährungsumstellung, und Therapie der Insulinresistenz. Insulinresistenz durch Fehlernährung und Bewegungsmangel bewirkt eine bis zu 40%ige Abnahme der Insulinwirksamkeit. Wird die Insulinresistenz nicht rechtzeitig behandelt kann Sie zum Typ-­‐2-­‐Diabetes mellitus Typ 2 (T2DM) voranschreiten. Je nach Abb. 2. Metabolisches Syndrom Organisation werden weitere ähnliche Kriterien herangezogen. Laut WHO zählen hierzu Diabetes Mellitus, eine gestörte Glukosetoleranz, Insulinresistenz/pathologischer Nüchternblutzucker und Bluthochdruck. Häufig angewandt ist auch die Definition der International Diabetes Foundation (IDF), wenn neben dem erhöhten Taillenumfang mindestens zwei der folgenden Risikofaktoren bestehen: • Nüchternblutzuckerwerte von > 100 mg/dl oder diagnostizierter T2DM, • erhöhte Triglyceride > 150 mg/dl oder bereits eingeleitete Therapie zur Senkung der Triglyzeride, • niedriges HDL-­‐Cholesterin: < 40 mg/dl bei Männern und < 50 mg/dl bei Frauen oder bereits eingeleitete Therapie zur Erhöhung des HDL • Bluthochdruck (ab > 130 mmHg systolisch und > 85 mmHg diastolisch) oder bereits behandelte Hypertonie T2DM Insbesondere der T2DM ist dabei eine Erkrankung mit weltweit wachsender Bedeutung an der schon heute mehr als 171 Millionen Menschen leiden. Bis zum Jahr 2030 ist mit einem weiteren Anstieg auf >360 Millionen Betroffene zu rechnen. Dieser Zuwachs der Diabetesinzidenz geht einher mit einer deutlichen Zunahme der Adipositas, d.h. Fettleibigkeit, mit einem Body-­‐Mass-­‐Index (BMI) > 30, so dass auch hier künftig mit weltweit wachsenden Zahlen von Betroffenen gerechnet werden muss. Es ist bekannt, dass ca. 85 % der Menschen mit T2DM übergewichtig sind. Interessanterweise entwickelt jedoch ein Anteil der übergewichtigen Menschen zunächst keine Folgeerkrankungen – diese besitzen aber dennoch ein erhöhtes Risiko für die verschiedenen Erkrankungen mit ihren Spätschäden. Im Rahmen des T2DM können gravierende Spätschäden über einen Zeitraum von vielen Jahren entstehen. Sie bleiben häufig zunächst asymptomatisch und somit vom Patienten selbst unbemerkt. Hierzu zählen Mikro-­‐ und Makroangiopathien sowie Neuropathien. Im Verlauf steigt das Risiko an Arteriosklerose, bzw. an Herzinfarkten, Schlaganfällen, Schädigungen der Nieren und der Netzhaut, M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 4 Wundheilungsstörungen sowie dem Diabetischen Fußsyndrom zu erkranken, wodurch wiederum Lebensqualität und -­‐erwartung der Patienten erheblich beeinflusst werden. Beim Diabetes haben sich neben medikamentöser Therapie mit oralen Antidiabetika und, falls erforderlich, Insulin-­‐Substitution, vor allem Lifestyle-­‐Interventionen im Sinne einer Ernährungsumstellung, Gewichtsreduktion und Steigerung der körperlichen Aktivität als sinnvoll und erfolgversprechend herausgestellt. Die Behandlung von Diabetes und Adipostitas beinhalten eine hinreichende Aufklärung der Patienten über ihre Erkrankung. Im Interesse einer langfristig guten Compliance und Motivationsförderung zur aktiven Mitarbeit der Patienten hat es sich als sinnvoll herausgestellt, in Diabetesschulungen den Nutzen der Umstellung von Lebensgewohnheiten aufzuzeigen. Dies bedeutet im Detail das Erlernen einer diabetesgerechten Ernährung, sowie das Erstellen einer Ernährungsanamnese bzw. eines Ernährungsplans, die Durchführung von moderatem Sport mehrmals pro Woche und nicht zuletzt die Reduktion von Nikotin-­‐ und Alkoholkonsum. Erst wenn mit Hilfe dieser Maßnahmen keine hinreichende Besserung der Blutzuckerwerte zu erreichen sind, ist eine medikamentöse Therapie anzuraten. an der Muskelzelle können die Glucosetransporter [GLUT4] insulinabhängig und insulinunabhängig exprimiert werden Aktivität ebenso wie Adiponektin scheinen über den selben Mechanismus (AMP-­‐Kinase) insulinunabhängig GLUT4 zu translozieren. Bereits eine einzige(!) Trainingseinheit (30-­‐60 min bei 60-­‐70% VO2max) hat einen sofortigen positiven Effekt auf die Insulinresistenz und den Blutzuckerspiegel. Dieser Effekt ist bis zu 20 h messbar nachzuweisen. Ebenso führt regelmässige körperliche Aktivität führt zu nachhaltiger Verbesserung der Insulinsensitivität, wobei die Regelmässigkeit dabei wichtiger ist als die Intensität. 4 Einfluss der Ernährung auf die Körperzusammensetzung: Grundsätzlich gilt, dass wenn die mit der reicht theoretisch für: Nahrung zugeführte Energie diejenige des 15 kg Fett (Lipide) 50-60 Tage Energieumsatzes übersteigt, die Fettgewebe Nahrungsenergie gespeichert wird. Der größte Speicher ist das Fettgewebe. Bei 6 kg Protein (10-12 Tage) einem 70 kg schweren Menschen mit einem Muskel Körperfettanteil von 20% reicht die Energie des Fettgewebes theoretisch für 50-­‐60 Tage, Muskel 450 g Glycogen 18-24 Stunden während die Glykogenspeicher schon nach + Leber einem Tag ausgeschöpft sind. Die Gründe dafür für die hohe Speicherkapazität von 12 g Glukose 30 Minuten Fett beim Menschen sind evolutionär Blutplasma bedingt: Nahrung zur Zeit unserer menschlichen Vorfahren war sehr rar, im Abb. 3. Energiespeicher des Menschen Gegensatz zu unserer heutigen westlichen Konsumgesellschaft, d.h. dass es einen evolutionären Vorteil darstellte, wenn man in der Lage war, verfügbare überschüssige Energie aus der Nahrung für schlechte Zeiten speichern zu können. Dies ist ein möglicher Grund dafür, warum uns süßes und fettes so gut schmeckt, da der evolutionäre Vorteil erst dadurch entstand, wenn man in der Lage war Nahrung mit hoher Energiedichte identifizieren und verzehren zu können. Ein Überschuss an Fettsäuren kann als Speicherfett im Fettgewebe gespeichert werden. Kohlenhydrate können aus dem entstehenden Acetyl-­‐Co-­‐A in der Fettsäuresynthese (siehe Lehrbücher der Biochemie) zu Palmitin (C16) umgewandelt und somit ebenfalls als Speicherfett gelagert werden. Kohlenhydrathaltige Lebensmittel können (im Gegensatz zu fetthaltiger Nahrung) zu einem erheblichen Anstieg des Blutzuckerspiegels und damit des Insulinspiegels führen. Das anabol wirkende Insulin bewirkt neben der Aufnahme von Glucose in Muskel-­‐ und Fettgewebszellen auch eine Steigerung der M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 5 Fettsäuresyntheserate. Insb. dieser Anstieg des Insulins kann, wenn eine Ernährung mit kurzkettigen Kohlenhydraten über einen langen Zeitraum durchgeführt wird zu einem erheblichen Grad zur gesteigerten Aufbau einer Fettgewebsschicht über den beschriebenen Weg der Fettsäuresynthese aus Kohlenhydraten führen. Somit hat nicht nur der Betrag der zugeführten Energie, sondern auch die Art der Nährstoffe, die die Energie zuführen einen Einfluss auf den Stoffwechsel und damit auf die Körperzusammensetzung. Bei Sportlern nach einem entsprechend intensiven Training ist die Zufuhr von kurzkettigen Kohlenhydraten (in Verbindung mit längerkettigen Kohlenhydraten und Proteinen) durchaus sinnvoll, da dabei die Kohlenhydratspeicher schnell wieder aufgefüllt werden können und die anabole Wirkung des Insulins auch zu einer gesteigerten Proteinbiosynthese in der Muskulatur führt – grundsätzliche Voraussetzung dafür ist jedoch die adäquate (also ausreichend intensive) körperliche Betätigung – ohne diese wird überschüssige Energie in Form von Speicherfett abgelegt. M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 5 Ruheenergieumsatz 5.1 Vorbereitung: Lernziele und Grundkenntnisse Lernziele: • Durchführung einer Ruheumsatzmessung mittels Spirometrie • Ermittlung des Ruheumsatzes aus gemessener Sauerstoffaufnahme • Einflussgrößen auf den Ruheumsatz (u.A. Veränderung des Ruheumsatzes bei Veränderung der Körperzusammensetzung und nach körperlicher Belastung) Grundkenntnisse • Sauerstoffaufnahme und Kalorisches Äquivalent • Atemphysiologie (statische und dynamische Größen wie Volumina, Kapazitäten...) • Zusammensetzung der Umgebungsluft, Atemgase • Nährstoffe (Fette, Eiweiße, Kohlenhydrate) • Energiebereitstellung (Energiesysteme und –Speicher, ATP-­‐Gewinnung, b-­‐Oxidation aerobe/anaerobe Glycolyse, Laktat, Respiratorischer Quotient) Verständnisfragen: • Wie definieren Sie den Begriff „Ruheenergieumsatz“? • Zu welchem Anteil ist er im täglichen Energieumsatz enthalten? • Welche anderen Anteile beinhaltet der tägliche Energieumsatz? • Wie unterscheiden sich direkte und indirekte Kalorimetrie? • Warum sind die Begriffe Sauerstoffaufnahme, Kalorisches Äquivalent und Respiratorischer Quotient dabei von Wichtigkeit? • Aufgrund welcher äußeren Reize ändert sich der Ruheenergieumsatz? Denken Sie z.B. an Kälte. • Warum ist der Ruheenergieumsatz nach einer intensiven körperlichen Aktivität erhöht? 5.2 Einführung: der Ruheenergieumsatz Der Grundumsatz (Basal Metabolic Rate, BMR) bezeichnet den Energieumsatz des menschlichen Organismus • morgens, • nüchtern • liegend in Ruhe • bei normaler Körpetemperatur ohne zu frieren oder zu schwitzen. Er entspricht damit den „basalen Kosten des Lebens“ und hängt von mehreren Faktoren ab, wovon die wichtigsten sind: • • • • • • Geschlecht, Alter, Größe, Körperzusammensetzung, Hormonlage, Supplementen, Medikation. Wärmeproduktion bzw. -­‐abgabe aufgrund der Umgebungsbedingungen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck) 6 M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 7 Obwohl Hirn, Leber und GI-­‐Trakt nur jeweils ca. 2% der Körpermasse ausmachen, haben Sie einen ähnlichen bzw. sogar höheren Anteil am Grundumsatz als die Muskulatur mit ca. 42% der Körpermasse (Abb. 4). Muskel Organ Hirn Herz Niere Leber GI-Trakt Muskel Lunge Haut Rest GI-Trakt Hirn Leber Niere % Gewicht Herz % BMR 2 0,5 0,5 2,2 1,7 41,5 0,9 7,7 43,1 16,1 10,7 7,7 18,9 14,8 14,9 4,4 1,7 10,8 Abb. 4. Verhältnis von Organmasse und Anteil am Grundumsatz (LC Aiello, Br J Genetics, 1997) Der Gesamtenergieumsatz setzt sich neben dem Grundumsatz zusätzlich aus der nahrungsinduzierten Thermogenese (Anstieg durch Verdauungstätigkeit und Stoffwechselprozesse) und der aktivitätsinduzierten Thermogenese zusammen (Anstieg mit körperlicher oder geistiger Tätigkeit) (Abb 5.). Ebenso variiert er im Tagesverlauf (Anstieg am Vormittag, Abfall in der Nacht), mit, Verdauungstätigkeit, mit den Umgebungsbedingungen. Abb. 5. Anteile des Gesamtenergieumsatzes Tab. 1. Grundumsatz und Leistungsumsatz bei Männern und Frauen Männer Frauen [kcal/Tag] [kJ/Tag] [W] [kcal/Tag] [kJ/Tag] [W] Grundumsatz 1700 7100 82 1500 6300 73 Ruheumsatz 2000 8400 97 1750 7300 84 Freizeitumsatz 2300 9600 111 2000 8400 97 2400 10100 117 2100 8800 102 leichte Arbeit 3000 12600 146 2600 10900 126 mittelschwere Arbeit 3600 15100 175 3100 13000 150 schwere Arbeit 4200 17600 204 3600 15100 175 sehr schwere Arbeit 4800 20100 233 Der Ruheumsatz wird üblicherweise in kcal/d (Kilokalorien pro Tag) oder in METs angegeben, wobei M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 8 1 MET = 1 kcal pro Stunde und pro kg Körpergewicht (1 kcal/kg KG/h) bedeutet. Dabei steht das MET gleichzeitig für einen Sauerstoffverbrauch von 3,5 ml O2 / kg KG / min, dem Wert wie er während einer indirekten Kalorimetrie im Ruheumsatz gemessen werden würde. (Durch Multiplikation des Wertes von 3,5 ml O2 / kg KG / min mit dem Kalorischen Äquivalent und Multiplikation mit 60, um auf die Stunde hochzurechnen, ergibt sich die Faustformel von 1kcal/kg KG/h) Der Ruheumsatz ist die metabolische Basisgröße unseres Körpers. Er wird im Wesentlichen von der bioaktiven Zellmasse, also von der Muskelmasse und der Masse der anderen Organe bestimmt. Die nachfolgende Tabelle zeigt eine Einteilung der metabolischen Typen: Tab. 2. Metabolischer Typ und MET. Typ MET Hypometabolischer Zustand, Adipositas 0,7 – 0,9 Normalperson 1.0 (0,9 – 1,1) Hypermetabolischer Zustand, Mangelernährung, Kachexie Athlet, Body Builder 1,1 – 1,3 1,3 – 1,7 In diesem Zusammenhang korrespondiert die Messung des Ruheumsatzes somit auch eng mit den Messungen zur Körperzusammensetzung (Bioelektrische Impedanzanalyse, BIA), da die mittels BIA erhobene Körperzellmasse (BCM) eng mit dem ermittelten Ruheumsatz zusammen hängt. Bei einem gesunden normalgewichtigen Mann macht die Körperzellmasse ca. 50 % des Körpergewichts aus, bei einer Frau nur unwesentlich weniger. In der Regel findet sich jedoch bei Übergewichtigen eine verringerte Zellmasse, bis hin zur adipösen Sarkopenie, also einer Erhöhung des Fettanteils bei stark erniedrigter Zell-­‐ und Muskelmasse, entsprechend sinkt bei diesen Patienten somit noch der Energieverbauch, was im Sinne eines Circulus vitiosus die Krankheitslage – z.B. des Metabolischen Syndroms – weiter verschlimmert. Eine Normalperson hat einen Ruheumsatz von 1 MET. Abweichungen hiervon lassen sich leicht erkennen und gewähren uns eine einfache Beurteilung der metabolischen Konstitution der zu beurteilenden Person. Ausgehend vom MET-­‐Wert kann man eine normale, hypermetabolische und vor allem hypometabolische Situation klar erkennen. Während der Energieumsatz in kcal, egal ob in Ruhe oder Belastung, für jede Person unterschiedlich ist, ist der MET-­‐Wert eine von Zeit, Körpergewicht (und Geschlecht) unabhängige, standardisierte Größe (da er sich auf das Kilogramm Körpergewicht bezieht). Unterschiedliche Aktivitäten sind dabei mit unterschiedlichen MET-­‐Werten assoziiert – diese reichen von 1.0 für „Aktivität in Ruhe“ über 4 MET beim ruhigen Gehen, über 10 MET für Joggen bei 9-­‐11km/h bis hin zu 20 MET bei Hochleistungssportlern. (Auch hier existiert eine grobe Faustformel: die MET-­‐Zahl entspricht in etwa der Geschwindigkeit in km/h, mit der der Sportler sich beim Laufen fortbewegt). Da die in der Nahrung enthaltene Energie oft noch in der alten Einheit kcal angegeben wird, kann auf einfache Weise eine individuelle Umrechnung eines Nahrungsprodukts oder einer Mahlzeit in ein persönliches Belastungsäquivalent erfolgen. Nimmt man als Beispiel folgendes an: ein Schokoriegel mit einem Energieinhalt von 200 kcal und eine Versuchsperson mit einem Körpergewicht von 80 kg. Der kalorische Verbrauch dieser Person bei 5 km/h Gehen in der Ebene beträgt ca. 4 MET. Daraus errechnet man einen Verbrauch von 4 MET x 80 kg = 320 kcal/h (aus der Faustformel von 1 kcal/kg KG/h bei einem MET, siehe oben). Die Person muss also 200 kcal/320 kcal x 60 min = 37,5 Minuten, also eine gute halbe Stunde gehen, um den Schokoriegel zu verbrennen. Wie gerade beschrieben, und wie Sie aus dem Praktikum Leistungserfassung Modul 10 wissen, können die Energieumsätze durch körperliche Aktivität (also z.B. 10 MET beim Joggen) zu einer sehr nachhaltigen Steigerung des Energieumsatzes führen – eine Stunde M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 9 Jogging entspricht dabei ca. zehn Stunden in Ruhe! Hinzu kommt noch der gesteigerte Energieumsatz nach dem Sport: so führt eine ausreichend intensive körperliche Aktivität zu einer gesteigerten Proteinbiosynthese in der anschließenden Ruhephase. Des weiteren kommt es zu einer gesteigerten Aktivität der Na+-­‐K+-­‐ATPase, hervorgerufen durch minimale Membranschäden der Muskelzellen, sowie zu einer katecholaminbedingten Entkopplung der Atmungskette (vergleichbar zur Funktion des braunen Fettgewebes), was in der Summe zu einem gesteigerten Energiebedarf in der Ruhephase führt. Zusammenfassend wird der Ruheumsatz zum einen durch die metabolische Konstitution beeinflusst, wodurch der Ruheumsatz etwas höhere oder etwas niedrigere Werte als 1 MET annehmen kann. Hinzu kommt die zuletzt beschriebene Steigerung des Ruheumsatzes nach intensiver körperlicher Belastung. Hierin liegt auch ein Grund für die pathophysiologischen Zusammenhänge unserer westlichen „Wohlstandskrankheiten“, da es keine Notwendigkeit mehr gibt sich körperlich zu betätigen! Das Problem dabei ist, dass unser Organismus nach wie vor die genetische Ausstattung unser Vorfahren von vor 1-­‐2 Mio Jahren in sich trägt, deren Evolution in einer Umgebung stattfand, in der Nahrung rar war uns es eine große Notwendigkeit für tägliche Bewegung gab. Die unten stehende Grafik zeigt die täglichen Ruhe-­‐ und Leistungsenergieumsätze (Quadrate und Kreise). Der geringe Ruheumsatz des „modernen Büroarbeiters“ resultiert aus der hypometabolischen Konstitution seines Stoffwechsels (weniger Muskelmasse, keine gesteigerte Proteinbiosyntheserate, keine katecholaminbedingte Entkopplung der Atmungskette), was eine direkte Folge geringer körperlicher Aktivität ist, was sich entsprechend auch an dem sehr geringen Leistungsumsatz zeigen lässt. Körperliche Aktivität (z.B. schlicht aus Notwendigkeit beim Amazonas-­‐Indianer oder „freiwillig“ beim Sportler) führt zu gesteigerten Leistungsumsätzen (Kreise) und über die trainingsbedingt gesteigerte Körperzellmasse und – über die oben beschriebenen Mechanismen nach körperlicher Aktivität – auch zu gesteigerten Ruheumsätzen. Abb. 6. Evolution und Energieumsatz (Quadrate = Ruheumsatz, Kreise = Leistung-­‐ bzw. Gesamtenergieumsatz). Es ist diese Diskrepanz: zwischen Millionen Jahre währender Anpassung an wenig Nahrung und der Notwendigkeit an täglicher Bewegung auf der einen Seite – und – unseres heutigen westlichen Lebensstils mit einem Überangebot vorwiegend industriell verarbeiteter Nahrung mit hoher Energiedichte und praktisch nicht vorhandenen Notwendigkeit sich körperlich anstrengen zu müssen auf der anderen Seite, die zum Großteil für zivilisatorische Krankheiten wie Diabetes mellitus Typ II, Hypertonus, Hyperlipidämien, zusammengefasst im Metabolischen Syndrom, verantwortlich ist. M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 10 Unter einfachen Laborbedingungen lässt sich der Grundumsatz praktisch nicht bestimmen, da die üblichen Labormethoden die Voraussetzungen zu „basalen Bedingungen“ nicht erfüllen. Deshalb wird heute der Ruheenergieumsatz (RU bzw. Resting Energy Expenditure, REE oder Resting Metabolic Rate, RMR) ermittelt. Als Standardmethode gilt die indirekte Kalorimetrie, die den Gasaustausch des Probanden bestimmt. Prinzip: Über den Sauerstoffverbrauch pro Zeiteinheit wird hierbei auf die umgesetzte Energie im Stoffwechsel zurückgeschlossen. Der Energieverbrauch im Schlaf (Sleeping Energy Expenditure, SEE) entspricht in etwa dem Grundumsatz. Abb. 7. Indirekte Kalorimetrie Ob der Grund-­‐ oder der Ruheumsatz bestimmt und verwendet wird, ist eher eine akademische Entscheidung. In der Praxis bieten beide Werte die Basis zur Beurteilung des Metabolismus eines Menschen und sind somit von grundlegender Bedeutung für die Beurteilung und ggf. Verbesserung des Aktivitätsgrades und der Ernährung. Durchführung: Die Voraussetzungen zur Herstellung von Ruheumsatzbedingungen sind: • • • • • • • Liegende Position, wach, Ruhige, abgedunkelte Umgebung, angenehme Zimmertemperatur, Keine Nahrungsaufnahme (4 Stunden), Keine (anstrengende) physische Aktivität (4 Stunden), Kein Konsum von Koffein, Alkohol (4 Stunden), Nikotin, (1 Stunde), Keine aufputschenden Supplemente (Ephedrin, Amphetamin), Keine Akutmedikamente, ärztlich verordnete Dauermedikation ist zulässig, sollte jedoch in der Auswertung berücksichtigt werden. Die Probandin bzw. der Proband wird mit den technischen Geräten wie Atemmaske etc. verbunden und liegt auf einer Liege um entsprechend der o.g. Voraussetzungen in den Zustand der Ruheumsatzbedingungen versetzt zu werden; arbeiten Sie entsprechend der Arbeitsanweisung für das jeweilige Gerät-­‐Setup (im Praktikum sind u.U. unterschiedliche Geräte im Gebrauch).. Während des gesamten Versuchs wird durch eine Turbine geatmet (Spirometrie), die an der Gesichtsmaske befestigt ist. Durch sie wird die Atemstromstärke (V) gemessen, woraus VT, AF und somit VE bestimmt und angezeigt werden können. Aus der Exspirationsluft wird ein Probevolumen zur Bestimmung der prozentualen Gasanteile von Sauerstoff (FEO2) und Kohlendioxid (FECO2) abgezogen. Hieraus werden dann berechnet: M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 11 die O2-­‐Aufnahme VO2 = VE ·∙ (FIO2 – FEO2) die CO2-­‐Abgabe VCO2 = VE ·∙ FECO2 und Diese beiden Parameter werden vom Gerät ebenfalls automatisch bestimmt und angezeigt. Aus dem Verhältnis von VCO2 zu VO2 errechnet sich der „Respiratorische Quotient“ (RQ). Da bei der Verstoffwechselung von Fetten, Kohlenhydraten und Proteinen mit Sauerstoff jeweils unterschiedliche Energiemengen frei werden, muss für die korrekte Analyse der Stoffwechselrate, auch auf die Zusammensetzung der dafür herangezogenen Nährstoffe bekannt sein. Aus den chemisch-­‐ stöchiometrischen Gegebenheiten der Verbrennung ergeben sich unterschiedliche Verhältnisse in der Menge des abgegebenen Kohlendioxids und der dabei benötigten Sauerstoffmenge – somit ändert sich auch der respiratorische Quotient. Er nimmt für die Nährstoffe folgende Werte an: • Fetten: 0,7 • Kohlenhydraten: 1,0 • Proteinen: 0,8 Unter Annahme eines konstanten Anteils des Proteinstoffwechsels von ≈10% bis 15% kann allein – ohne zusätzliche Bestimmung des Harnstoffs – der Anteil der Kohlenhydrate und der Fette differenziert werden. Im Mittel werden dabei pro Liter Sauerstoff ≈20 kJ (≈5 kcal) frei – dieser Wert wird auch als das kalorische Äquivalent bezeichnet. Die Kenntnis des RQ erlaubt nun eine genaue Bestimmung des kalorischen Äquivalentes über die Softwareberechnung oder manuell anhand des unten dargestellten Diagramms. Mit guter Näherung kann somit die umgesetzte Stoffwechselenergie durch die VO2 bestimmt werden. kalorisches O2-­‐Äquivalent [kJ ·∙ l ] -­‐1 Abb. 8. Kalorisches Ä quivalent und RQ (modifiziert nach: DE MARÉES H „Sportphysiologie, 2002; S. 383) 21,2$ $ $ $ $ $ $ $ $ 21,0$ $ $ $ $ $ $ $ $ 20,8$ $ $ $ $ $ $ $ $ 20,6$ $ $ $ $ $ $ $ $ 20,4$ $ $ $ $ $ $ $ $ 20,2$ $ $ $ $ $ $ $ $ 20,0$ $ $ $ $ $ $ $ $ 19,8$ $ $ $ $ $ $ $ $ 19,6$ $ $ $ $ $ $ $ $ 0,75$ 0,80$ 0,85$ 0,90$ 0,95$ 1,00$ Respiratorischer Quotient (RQ): CO2-­‐Abgabe O2-­‐Aufnahme 19,4$ $ 0,70$ $ RQ M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung Körperzusammensetzung 5.3 Vorbereitung: Lernziele und Grundkenntnisse Lernziele: • einfache, nicht-­‐invasive Verfahren zur Erfassung der Körperkomposition (Kalipermetrie, bioelektrische Impedanz Analyse) anwenden können. • Einfache Kalipermetrie, anthropometrische Indices, bioelektrische Impedanzanalyse) und innovative Verfahren zur Körperzusammensetzung hinsichtlich ihrer Genauigkeit, ihres Nutzens und ihrer Anwendbarkeit zueinander einschätzen können. Grundkenntnisse • Grundlegende physikalische Kenntnisse (elektromagnetischer Felder und Mechanik) • Einfache anatomische Kenntnisse zum generellen Körperaufbau • Anatomisch/histologische Unterschiede zwischen verschiedenen Körperkomponenten Verständnisfragen: • Auf welchen Prinzipien basieren die Verfahren: Kalipermetrie, BIA, BodPod und Unterwasserwägung? • Welche Voraussetzungen müssen bei der Durchführung der BIA berücksichtigt werden? • Welche einfachen Verfahren zur Bestimmung Übergewicht und Adipositas kennen Sie? • Worin liegen die Vor-­‐ und Nachteile der verschiedenen Verfahren? • Wann ist welches Verfahren am geeignetsten? • Gibt es eine direkte Möglichkeit zur Erfassung der Körperzusammensetzung? • Was versteht man unter indirekter und „doppelt“ indirekter Messung? • Warum kann nicht mit jedem Gerät / jedem Algorithmus jeder Patient gemessen? • Können Sie sich erklären, wie die Normwerte zustande kommen? 12 M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 5.4 13 Der Body Mass Index (BMI) – eine sinnvolle Größe? Während gegenwärtig der Body Mass Index (BMI) zur Festlegung von bundesweiten Referenznormen zur Körperkonstitution herangezogen wird, gerät dieser Ansatz zunehmend in die Kritik. Die mit dem BMI verbundene Kritik als indirektes Maß der Körperkonstitution erscheint nicht überraschend, wenn man beachtet, dass der BMI als Körpergewicht zur quadrierten Körpergröße definiert ist. Veränderungen des BMI spiegeln demzufolge sowohl Abweichungen bei der Fett-­‐ als auch der fettfreien Masse wider; für einen definierten Körperfettanteil ist somit eine große Spannweite an verschiedenen BMI-­‐Werten möglich. Dies erklärt nicht nur die ungenügende Aussagekraft des BMI bei der Bestimmung der Körperzusammensetzung von Individuen, sondern auch bei bestimmten ethnischen Bevölkerungsgruppen, Menschen verschiedener Altersgruppen, Sportlern oder Kranken. Ein BMI zwischen 18.5 und 24.9 kg/m2 kennzeichnet Normalgewicht. Ab 25 kg/m2 definiert der BMI Übergewicht, ab 30 kg/m2 Adipositas (s. Tabelle). Tab. 3. Klassifikationsschema zur Bewertung der Körperzusammensetzung auf Grundlage des BMI (WHO 2004) 2 Klassifikation BMI (kg/m ) Untergewicht < 18,5 Normalgewicht 18,5 – 24,9 Übergewicht 25,0 – 29,9 Adipositas Grad I 30,0 – 34,9 Adipositas Grad II 35,0 – 39,9 Adipositas Grad III > 40 Ein sinnvoller Ersatz für den BMI stellt die Bestimmung der fettfreien Masse und Fettmasse dar. Dabei kann die Angabe absolut oder prozentual erfolgen. Zum einen hängen sowohl die Fettmasse als auch die fettfreie Masse vom Alter sowie von der Körpergröße ab. Die Etablierung „normaler“ Referenznormen ist deshalb schwierig. Zum anderen liefert die relative Angabe der fettfreien Masse keinen Informationsgewinn gegenüber der relativen Fettmasse. Zudem kann die Angabe relativer Werte zu Fehlinterpretationen führen, wenn eine ungleich verteilte Veränderung der beiden Kompartimente vorliegt. Wenn bspw. sowohl Fettmasse als auch fettfreie Masse abnehmen, die Fettmasse aber stärker abnimmt, nimmt entsprechend die relative fettfreie Masse zu. Infolgedessen wird die Reduktion der fettfreien Masse unterschätzt. Andererseits kann ebenso eine Betrachtung der relativen Fettmasse allein eine Gewichtsabnahme verschleiern, da sich der relative Anteil der Fettmasse bei gleichmäßiger Reduktion der fettfreien Masse und Fettmasse nicht verändert. Bauch-­‐zu-­‐Hüftumfang (Waist-­‐to-­‐Hip-­‐Ratio): Der Bauchumfang wird in der Mitte zwischen Beckenkamm und Rippenbogen parallel zum Boden gemessen. Der Hüftumfang ist das größte Maß über dem Gesäß. Der berechnete Quotient ergibt den Index: Tab. 4. Waist-­‐to-­‐Hip ratio (nach den Leitlinien „Vorsorge-­‐ untersuchung im Sport“ der Deutschen Gesellschaft für Sport-­‐ medizin und Prävention) Frauen Männer Normalgewicht < 0,8 < 0,9 Übergewicht 0,8 – 0,85 0,9 – 1 Adipositas > 0,85 > 1,0 M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 14 Für das kardiovaskuläre Risiko ist die Verteilung wesentlich entscheidender als die der Körperfettanteil (androide vs. gynoide Adipositas). Die stammbetonte „Apfelform“ (android) kommt eher bei Männern vor und ist verstärkt mit metabolischen Erkrankungen: • Diabtetes mellitus • Arteriosklerose • KHK • Cholelithiasis Die peripher-­‐femorale „Birnenform“ (gynoid) kommt eher bei Frauen vor und ist weniger mit metabolischen, dafür vermehrt mit Wasserretention Abb. 9. Fettverteilung: androide vs. gynoide und Veneninsuffizienz assoziiert. Eine Abschätzung Adipositas. des Bauchfetts (viszeralen Fettgewebes) kann einfach über Messung des Taillen – bzw. Bauchumfangs erfolgen. Bei Männern gilt ein Taillenumfang (Bauchumfang) ≥ 94 cm (> 102 cm), bei Frauen ≥ 80 cm (> 88 cm) bzw. ein Verhältnis von Taillen-­‐ zu Hüftumfang („Waist-­‐to-­‐Hip-­‐Ratio“) > 0,9 (bei Männern) bzw. > 0,85 (bei Frauen) als Risiko (gilt für Menschen europäischer Herkunft). Diese Indices und deren Interpretation erlauben eine prädiktive Einschätzung bzgl. bestimmter Krankheitsbilder. So ist Übergewicht häufiger vergesellschaftet mit Hypertonus, gestörter Glucose-­‐ Toleranz, Diabetes mellitus, Hyperlipidämien, zusammengefasst im Krankheitsbild des Metabolischen Syndroms. Untergewicht führt häufiger zu verminderter Immunabwehr (Proteinmangel) und somit zu einer erhöhten Inzidenz von Infektionskrankheiten. Jedoch sollten diese Indizes stets im Zusammenhang mit dem gesamten Probanden bzw. Patienten gesehen werden – insb. das Beispiel des BMI zeigt, dass bei großer Skelettmuskelmasse ein Proband als adipös/übergewichtig fehlinterpretiert würde, da der Index des BMI schlicht nicht zwischen Fettmasse und Skelettmuskelmasse unterscheiden kann. 5.5 Bestimmung der Körperzusammensetzung Das einfachste Möglichlichkeit zur Erfassung der Körperzusammensetzung ist eine Differenzierung der Körpermasse in zwei Kompartimente. Kompartimente sind Körperräume, für die eine konstante Körperzusammensetzung angenommen wird. Das bekannteste dieser Modelle ist die Unterscheidung zwischen Fettmasse (FM) und fettfreier Masse (FFM), wobei die sich aus Lipiden, die FFM aus Muskelprotein, Mineralien, Glykogen und Körperwasser zusammensetzt. Teilweise wird dabei zwischen der Magermasse (Lean body mass, LBM) und FFM unterschieden. Die Differenzierung besteht darin, dass bei der LBM der komplementäre Fettanteil neben Lipiden auch einen Wasser-­‐ und Proteinanteil enthält. Tab. 5 Fettmasse (FM) vom Körpergewicht Alter (Jahre) Männer Frauen < 30 30 -­‐ 50 > 50 15-­‐20% 18-­‐22% 20-­‐25% 17-­‐25% 20-­‐28% 23-­‐30% Zahlreiche Kompartimente des menschlichen Körpers zeichnen sich durch relative konstante Verhältnisse aus. Ein hinreichend bekanntes Verhältnis ist die Hydrierung der fettfreien Masse (FFM) von 73%. Folglich gilt mittels des Kehrwertes von 0,73: FFM = 1.37 x TBW (Total Body Water) M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 15 Mehrkompartimentmodelle unterscheiden sich hiervon durch eine zunehmende Differenzierung der einzelnen Kompartimente. So kann bspw. die FFM weiter in ihr Gesamtkörperwasser (total body water, TBW), in die Körperzellmasse (body cell mass, BCM) und Extrazellulärmasse (ECM)1 unterteilt werden. Ferner kann auch TBW in seine extra-­‐ und intrazelluären Bestandteile untergliedert werden. Neben diese Unterscheidung auf zellulärer Ebene ist eine Bestimmung der Körperzusammensetzung auch auf atomarer (Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff) und molekularer (Wasser, Lipide, Proteine, Mineralien) Ebene sowie hinsichtlich verschiedener Gewebe möglich (Blut, Knochen, Skelettmuskulatur, Fettgewebe). Ferner ist es möglich zur Differenzierung der Körperzusammensetzung die verschiedenen Ebene je nach Zielstellung zu kombinieren. So kann bspw. sinnvoll sein sowohl die Skelettmuskelmasse als auch die FM und TBW zu bestimmen. In der folgenden Abbildung sind die Möglichkeiten die Körperzusammensetzung dieser Möglichkeiten schematisch dargestellt. 3 Other ECS Mineral Other Protein ECF Hydrogen Blood Bone 1 Lipid Adipose Tissue Carbon Cell Mass Skeletal Water Muscle Oxygen Whole-Body Tissue-System Cellular 2 Molecular Atomic Abb. 10. Fünf-­‐Ebenen-­‐Modell der Körperzusammensetzung. Five-­‐level model of human body composition (modifiziert nach Wang et al. (1992). ECS, extrazelluäre feste Bestandteile; ECF, extrazelluäre Flüssigkeit. 1: 17% nonessential lipids (fat) and 2.1% essential lipids. 2: Glykogen wird bei der Referenzperson nicht berücksichtigt. 3: Organe. Grundsätzlich erhöht sich die Genauigkeit der Bestimmung der Körperzusammensetzung zunehmender Anzahl bestimmter Kompartimente. Zwar erhöhen sich auch die Anzahl potenzieller Messfehler, anderseits wird dieser Nachteil dadurch kompensiert, dass zunehmend weniger Grundannahmen verletzt werden können. Wenn bspw. bei der Hydrodensitometrie eine konstante Dichte der fettfreien Masse 1 Aktive Körperzellmasse (BCM): Die Körperzellmasse (Body Cell Mass, BCM) ist die Summe der stoffwechselaktiven Zellen. Sie ist eine Teilkomponente der fettfreien Masse. Den größten Anteil haben die Zellen der Skelettmuskulatur. Hinzu kommen die Zellen des Herzmuskels, der glatten Muskulatur, der inneren Organe, des Gastrointestinaltraktes, des Blutes und des Nervensystems. Die BCM ist die zentrale Größe bei der Beurteilung des Ernährungszustandes eines Individuums, da sämtliche Stoffwechselvorgänge in der Zelle geleistet werden. Die BCM ist somit auch Regelgröße des Energieverbrauchs – je größer die BCM, desto größer ist auch der Energieumsatz, in Ruhe und insb. unter. Die individuelle BCM wird mitbestimmt durch Faktoren wie Lebensalter, Trainingszustand, Konstitutionstyp (genetische Faktoren). ECM/BCM: Dieser Index beschreibt das Verhältnis von Extrazellulärmasse zu Körperzellmasse. Beim Gesunden ist die BCM grundsätzlich größer als die ECM, d.h. der Index ist < 1. Bei Mangelernährung nimmt die ECM zu, bei gleichzeitiger Abnahme der BCM, wobei die Körpermasse gleich bleiben kann. Ein steigender ECM/BCM Index deutet auf eine Verschlechterung des Ernährungszustandes hin. M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 16 angenommen wird, könnte eine Knochendichtemessung zusätzlich zur Korrektur dieser Dichte herangezogen werden. Darüber können verschiedene Ebenen der Kompartimente unterschieden werden, sogenannte Levels. Die gegenwärtige kleinste Ebene ist die atomare Kompartimentanalyse, gefolgt von Analysen auf molekularer, zellulärer und Gewebsebene. Dabei können die verschiedenen Ebenen zur Gesamtanalyse der Körperzusammensetzung auch miteinander verknüpft werden. So ist z.B. sie die Bestimmung der Skelettmuskelmasse (Gewebsebene) gemeinsam mit der Differenzierung der intra-­‐ und extrazellulären Flüssigkeitsvolumina bedeutsam. M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 5.7 17 Kalipermetrie Die Kalipermetrie ist ein Verfahren zur näherungsweisen Bestimmung des Fettanteils und somit der Körperzusammensetzung im Zweikompartimentmodell. Prinzip: Das Prinzip basiert auf der Annahme, dass das subkutane Fettgewebe mit dem Gesamtkörperfett korreliert und das subkutane Fettgewebe ferner mit einem Kaliper („Zange“ zur Erfassung der Hautfaltendicke) bestimmt werden kann. Hierfür werden Hautfaltendicken an mehreren Körperstellen ermittelt und mithilfe eines Algorithmus zur Abschätzung der FM verwendet. Abb. 11. Kalipermetrie Durchführung: Mittels eines Hautfaltenmessgeräts (Kaliper) werden Messwerte an standardisierten Stellen erhoben. Das zangenartige Gerät ist auf einen bestimmten Zangendruck kalibriert, der unabhängig von der Zangenöffnung bzw. der Hautfaltendicke ausgeübt wird. Es existieren unterschiedliche Verfahren der Bestimmung aus 2, 3, 4 oder 10 Messpunkten. Aus der Summe dieser Messpunkte wird der prozentuale Körperfettgehalt mittels entsprechender Tabellen bzw. Berechnungsmodellen und Formeln ermittelt. Die Messung kann bspw. anhand folgender Punkte erfolgen: • • • • • Bizeps, Trizeps, Bauch, suprailiakale Falte (SIF) subskapulare Falte (SSF) Abb. 12. Hautfaltendickemessung. M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 18 Zur Minimierung des Einflusses von Messfehlern werden drei Messungen vorgenommen und das Ergebnis gemittelt. • • Gleichung nach Siri: Fettgewebsanteil (%) = ((4,95/Dichte) – 4,50) × 100 Gleichung nach Brozek und Lohman: Fettgewebsanteil (%) = [(4,57/D) – 4,142] × 100 Bestimmung der Dichte (nach Durnin & Womersley): Männer = 1,1765 – 0,0744 x log10 (Summe Bizeps-­‐, Trizeps-­‐, Suprailiakal-­‐ und Subskapularfalte) Frauen = 1,1567 – 0,0717 x log10 (Summe Bizeps-­‐, Trizeps-­‐, Suprailiakal-­‐ und Subskapularfalte) Es existieren für die Dichte verschiedene Berechnungskonzepte. Der Oberarmmuskelumfang (OAM) ergibt sich aus dem Oberarmumfang (OAU in cm) und der Trizepshautfalte (TSF in mm). Folgende Berechnungen führen zur approximierten Gesamtmuskelmasse: • OAM = OAU – (π x TSF) Normalwerte liegen bei 25,3 cm für Männer und 23,2 cm für Frauen. Die Armmuskelfläche (AMA; »Normalwerte« 54 cm2) berechnet sich aus OAM wie folgt: • AMA = ((OAM)2 / 4 x π ) -­‐ “x” x = 10 für Männer, x = 6,5 für Frauen. Die Gesamtmuskelmasse (kg) des Körpers kann zudem auf Grundlage einer Formel von Heymsfield berechnet werden: • Gesamtmuskelmasse (kg) = Größe (cm) x [0,0264 + (0,0029 x AMA)] Kritik: Das Verfahren ist besonders kostengünstig, kann an ortunabhängig durchgeführt werden und erfordert eine geringen Zeitaufwand, so dass es häufig auch in in vielen nationalen und internationalen (vor allen DIngen auch epidemiologischen) Studien zum Einsatz kommt. Zunehmend wird die Kalipermetrie jedoch durch die BIA abgelöst, die sich als am meisten eigesetztes Verfahren zur Bestimmung der Körperzusammensetzung etabliert hat. Weitere Kritikpunkte sind: • Verhältnis von subkutanem Fett und Gesamtkörperfett: nicht immer proportinal und bei allen Menschen gleich • Lokalisation und Palpation der Hautfalten (insbesondere suprailiakale Falte) • Compliance • Doppelt indirektes Verfahren: Abschätzung erfolgt auch aufgrund „Kalibrierung“ mit indirektem Verfahren wie z.B. der Densitometrie • Populationsabhängigkeit: der Algorithmus, der für die Hautfaltenmessung entwickelt wurde ist auf Grundlage einer bestimmten Stichprobe entwickelt, so dass dieser Algorithmus auch nur Gültigkeit für eine bestimmte Population haben kann. Diskutieren Sie: • Entspricht die gemessene Körperzusammensetzung Ihren Erwartungen? • Welche Einflussfaktoren könnten die Messung gestört haben? • In wie weit unterscheiden sich diese Werte von denen aus der BIA-­‐Messung? • Woran könnte dies liegen? M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 5.8 19 Körperzusammensetzung – Bioelektrische Impedanz Analyse (BIA) Für den klinischen, flächendeckenden Einsatz eines Verfahrens zur Analyse der Körperzu-­‐ sammensetzung sollte dies idealerweise • nicht-­‐invasiv, • schnell, • einfach zu handhaben, • kostengünstig sowie • platzsparend und transportabel sein. Die BIA wird all diesen Kriterien gerechnet und zählt aus diesen Gründen mittlerweile zu dem am weitesten verbreiteten Verfahren zur Bestimmung der Körperzusammensetzung. Körperwasser-­‐ und verteilung: Die Messung mit der BIA ist auch für verschiedene andere Fragestellungen interessant, bei denen die Verteilung des Körperwassers eine bedeutende Rolle spielt, z.B. in der Nephrologie. Die Messung des Gesamtkörperwassers, sowie die weitere Differenzierung in Extra-­‐ und Intrazellulärwasser (ECW bzw. ICW), ist integraler Bestandteil bei der Messung der Körperzusammensetzung mittels Bioelektrischer Impedanzanalyse. Wie bereits beschrieben können hohe Frequenzen verwendet werden, um das Gesamtkörperwasser zu erfassen. Abb. 13. TBW, ECW und ICW Bzgl. der Wasserverteilung existieren folgende Normwerte: Tab. 6. Gesamtkörperwasser (TBW) und Extrazelluläres Wasser (ECW) Alter (Jahre) Männer Frauen < 30 30 -­‐ 50 > 50 65% (davon 41-­‐44% ECW) 60% (davon 41-­‐44% ECW) 58% (davon 43-­‐46% ECW) 62% (davon 43-­‐47% ECW) 58% (davon 43-­‐47% ECW) 55% (davon 45-­‐48% ECW) ECW: Lymphflüssigkeit, interstitielle und transzelluläre Flüssigkeit, Plasma Prinzip: M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 20 Bei der BIA wird ein Wechselstrom unterhalb der Wahrnehmungsgrenze durch den Körper geleitet – üblicherweise zwischen Hand und Fuß – und an zwei wenige Zentimeter weiter proximal platzierten Elektroden die Spannung gemessen. Aus diesen Größen wird der Widerstand des Wechselstroms berechnet. Der gemessene Widerstand gegenüber dem Wechselstrom wird als Impedanz bezeichnet, da er sich aus einem rein resistiven bzw. ohmschen Widerstand und einem imaginären Widerstand zusammensetzt. Der resistive Widerstand ist auf die leitenden intra-­‐ und extrazellulären Körperflüssigkeiten zurückzuführen, die Elektrolyte. Der imaginäre Widerstand (Reaktanz) ist primär auf die Zellmembranen zurückzuführen. Aufgrund ihrer Lipid-­‐Doppelschicht verhält sich die Abb. 14. Kapazitiver (Xc) Widerstand (Zellmembran) Zellmembran gegenüber einem Wechselstrom wie ein und resistiver (R) Widerstand (Elektrolyte) bei der Kondensator und entwickelt einen kapazitiven bioelektrischen Impedanzanalyse. Widerstand. Da sich der Strom immer den Weg des geringsten Wiederstands sucht und die extra-­‐ und intrazelluläre Flüssigkeit im Verhältnis zu anderen Kompartimenten wie Fettgewebe oder Knochen eine sehr hohe Leitfähigkeit besitzen, können somit die Flüssigkeitskompartimente des Körpers bestimmt werden. Aus dem TBW (Gesamtkörperwasser) kann wiederum die FFM (Annahme konstanter Hydrierung der FFM von 73%) wie oben dargestellt berechnet werden. Durch Umformung einfacher physikalischer Gesetze kann durch Kenntnis der Leiterlänge – in der Regel durch die Körperlänge einfachheitshalber approximiert wird – das Körpervolumen bestimmt werden. l2 V = ρ R [m3 ] wobei V Volumen (m3), R (Ω) Widerstand (manchmal wird aufgrund des relativen geringen Anteils des kapazitiven Widerstands auch die Impedanz Z verwendet) und l (m) die Länge (bzw. Körpergröße) repräsentieren. Der spezifische Widerstand wird jedoch i.d.R. mathematisch bestimmt (Regressionsanalyse), indem die Zielgröße (z.B. FFM oder TBW) mit einem Referenzverfahren „kalibriert“ werden. Des weiteren werden für die Entwicklung dieser Formeln häufig auch weitere Größen wie das Körpergewicht, Alter und Geschlecht verwendet, um die Genauigkeit der Abschätzung zu verbessern. Eine typische Gleichung zur Berechnung der Fettmasse basiert auf einer recht repräsentativen Untersuchung von Sun et al. 2003: Männer: FFM (kg) = -­‐10.68 + 0.65 x [Größe (cm)]2 / Widerstand (Ohm) + 0.26 x Gewicht (kg) + 0.02 x Widerstand (Ohm) Männer: FFM (kg) = -­‐9,53 + 0.69 x [Größe (cm)]2 / Widerstand (Ohm) + 0.17 x Gewicht (kg) + 0.02 x Widerstand (Ohm) Zwar basiert die Herleitung dieser Gleichung auf über 1,800 Personen und ist von einigen auch in Deutschland kommerziell verfügbaren BIA-­‐Geräten fest implementiert, dennoch sollte berücksichtigt werden, dass die Gleichung auf einen amerikanischen Stichprobe beruht, deren Übertragbarkeit auf die deutsche Population in Frage gestellt werden kann. M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 21 Durchführung: • • • • • • • • • • • • Die Messung sollte möglichst morgens und nach Blasenentleerung in Ruhe erfolgen. Insbesondere bei Verlaufsmessungen ist auf die gleiche Tageszeit zu achten. 2-­‐4 h vor der Messungen sollten keine großen Mahlzeiten eingenommen werden, 8 h (besser 12 h) vor Messbeginn sollte starke körperliche Aktivität vermieden werden. Ebenso sollte 8 h vorher kein Kaffee oder Alkohol (besser 24-­‐48 h vorher) mehr konsumiert werden. Die Flüssigkeitszufuhr sollte ferner nich 1% der Körpermasse vor Messbeginn überschreiten. Die Messung erfolgt nach einer 5 bis 10-­‐min Ruhephase im Liegen. Arme und Beine sind um 10 bis 15 Grad bzw. um 15 bis 20 Grad abduziert. Eine exakte Platzierung der Messelektroden ist entscheidend für die Messgenauigkeit (s.u.) Direkt vor der Messung sollte das Körpergewicht auf 0,1 kg genau bestimmt werden. Elektrische Geräte sollten einen Mindestabstand von 50 cm zum BIA-­‐Gerät haben. Metallischer Schmuck sollte vor der Messung abgelegt werden. Während der Schwangerschaft oder bei Personen mit Herzschrittmachern darf aus Gründen der Sicherheit keine Messung der BIA erfolgen! Die Einprägung des Wechselstroms und die Erfassung des Spannungsabfalls erfolgt mittels Klebeelektroden. Bei dem typischen Ableitungsverfahren erfolgen sowohl die Stromzufuhr als auch die Spannungsmessung zwischen den Hautoberflächen des Hand-­‐ und ipsilateralen Fußrückens der rechten Körperseite. Die Messelektroden (Spannung) werden am Hand-­‐ und Fußgelenk dorsal auf einer Mittellinie von Processus styloidei von Ulna und Radius bzw. einer Mittellinie zwischen lateralen und medialen Malleoli geklebt, während die Signalelektroden (Strom) von Hand und Fuß dorsal auf einer Linie positioniert werden, die die Metacarpo-­‐ bzw. Metatarsophalangealgelenke schneidet. Vor Applizierung der Elektroden werden die entsprechenden Hautoberflächen mit einer Desinfektionslösung kurz gereinigt. In wenigen Fällen müssen die Kontaktstellen der Elektroden zusätzlich rasiert werden. Abb. 15. Beispielhafter Anschluss der Elektroden für die BIA-­‐Messung Kritik: Die meisten Geräte verwenden jedoch spezifische Regressionsalgorithmen für die FFM, die empirisch ermittelt wurden, indem in einer Validierungsstudie die FFM gemessen wurden und die FFM gegen die Kerngröße der BIA, dem Impedanzindex (Körpergröße zum Quadrat / Impedanz) regressiert wurden („Doppelt“ indirektes Verfahren und populationsabhängigkeit). Es existiert eine ständig wachsende Anzahl an Regressionsgleichungen zur Bestimmung der Körperzusammensetzung auf Basis der Rohdaten der BIA. Diese Algorithmen werden häufig durch zusätzliche Prädiktoren ergänzt, so dass diesen Verfahren ein rein deskriptiver bzw. statischer Modellcharakter zu geschrieben werden kann. Gleichzeitig erklärt dies die starke Populationsabhängigkeit dieser Modelle und die ständige Neuentwicklung und Publikation weiterer Regressionsgleichungen für neue Subpopulationen. So erfasst bspw. eine monofrequente Messung bei 50 kHz nur einen geringen Teil des Intrazellulärraums, so dass die Qualität dieser Messung zur Bestimmung des Wasserhaushalts allein auf dem stark regulierten Verhältnis von Extrazellulärwasser und Gesamtkörperwasser beruht. Die Problematik einer Messung bei 50 kHz ist darauf zurückzuführen, dass aufgrund der kapazitiven Eigenschaften der Zellmembran das Gesamtkörperwasser erst bei sehr hohen Frequenzen erfasst wird. M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 22 Abb. 16. Bioelektrische Impedanzanalyse: nieder-­‐ (< 5 kHz) versus hochfrequente (> 100 kHz) Ströme zur Bestimmung der Körperzusammensetzung. Neuere Gerätegenerationen verwenden deshalb sogenannte multifrequente Verfahren, bei denen bei mindestens zwei Frequenzen eine Messung erfolgt. So kann bei ein niederfrequentem Wechselstrom (1 kHz bis 5 kHz) der Extrazellulärraum erfasst werden und dessen Flüssigkeitsvolumen bestimmt werden. Bei hohen Frequenzen (500 kHz) dagegen erfolgt dagegen die Polarisation und Repolarisation der Zellmembran so rasch, das der Strom „virtuell“ auch den Intrazellulärraum penetriert. Folglich können hohe Frequenzen verwendet werden, um das TBW zu erfassen. Noch genauer sind aktuelle technische Entwicklungen, bei denen innerhalb kürzester Messungen bei bis zu 500 Frequenzen zwischen 1 kHz und 1 MHz durchgeführt werden. Diesen Ansatz bezeichnet man als sogenannte Bioimpedanzspektroskopie. Mit dieser Technik können die entscheidenden Kerngrößen der BIA bzw. BIS, nämlich der intra-­‐ und extrazelluläre Widerstand exakt bestimmt werden. Ein wesentlicher Nachteil der gegenwärtig handelsüblichen Messung bei einer einzelnen Frequenz von 50 kHz (nur teileweise Erfassung des TBW und damit starker Einfluss des ECW auf die Gesamtmessung) kann damit kompensiert werden. M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 5.9 23 Körperzusammensetzung – DXA DXA (Dual-­‐Röntgen-­‐Absorptiometrie) wird heute routinemäβig zur Untersuchung der Knochendichte bzw. des Knochenmineralgehaltes im Rahmen der Osteoporosediagnostik angewendet. Dabei werden gezielt Referenzpunkte (z. B. Lendenwirbelkörper, Schenkelhals, Calcaneus) gemessen. Als Ganzkörpermessung kann mit DXA eine differenzierte Untersuchung der Körperzusammensetzung durchgeführt werden. Prinzip: Bei der DXA wird der gesamte Körper oder einzelne Körpersegmente mit einer Röntgenquelle aus zwei verschiedenen Energiestufen (ca. 40 keV und 80 keV) bestrahlt. Beim Durchdringen der Körpergewebe verliert die Röntgenstrahlung je nach Gewebeart (Knoche, Fett, und FFM) unterschiedlich an Energie. Die Abschwächung der Photonen dient zur Ermittlung eines Gewebe-­‐ spezifischen R-­‐Wertes. Der R-­‐Wert ergibt sich aus dem Verhältnis der Photonenabschwächung bei niedriger gegenüber hoher Energie. Jeder Bildpunkt (Pixel) hat einen gemessenen R-­‐Wert (z. B. R-­‐Wert für Fett, R-­‐Wert für Weichteile, sog. lean tissue, R-­‐Wert für Knochenmineralien). Die R-­‐Werte sind abhängig von der Gewebezusammensetzung, z. B. 1,21 für Triglyceride, 1,37–1,38 für extra-­‐ und intrazelluläre Flüssigkeiten und 2,68 für Knochenmineralien. Der Anteil der Abb. 17. DXA (Dual X-­‐Ray Absorptiometry) Komponenten wird durch den gemessenen R-­‐Wert berechnet. Die Reststrahlung wird von dem Detektorsystem (DXA) erfasst. Eine Ganzkörpermessung dauert zwischen 5 und 20 min und ist nur mit einer geringen Strahlenbelastung verbunden (5–7 μSv). Allerdings verbiete sich die Anwendung bei Kindern, Jugendlichen und Schwangeren. Die Analyse der Messdaten setzt die Trennung der »pixels« zwischen »weichem« Gewebe (= soft tissue) der FFM und FM sowie zwischen soft tissue und Knochenmasse voraus. Dies bedeutet in der Praxis eine aufwendige Prozessierung der Messdaten. Die Computer-­‐gestützte Bildanalyse erfolgt mit Hilfe spezifischer R-­‐Werte für Fett, Magermasse ohne Knochen und Knochenmineralien. Die DXA-­‐Methode unterteilt so den menschlichen Körper in 3 Kompartimente: die Fettmasse, die Knochenmasse und die fettfreie Masse (ohne Knochen). Bei der Auswertung können mehrere Körperkompartimente getrennt erfasst werden: Mineralien, Fett, Muskelmasse und mineral-­‐ und fettfreies Gewebe. Die Skelettmuskelmasse kann aufgrund der FFM, z.B. nach Kim et al. unter zusätzlicher Berücksichtigung des Geschlechts und des Alters: Skelettmuskelmasse = 1,13 × lean soft tissue (Arme + Beine in kg) – (0,02 × Alter in Jahre) + 0,61 × Geschlecht, (M = 1, F = 0) + 0,97. Kritik: Die Grenzen der DXA-­‐Methode ergeben sich aus dem der Auswertung zugrundeliegenden Annahmen wie ein konstantes Verhältnis von Knochen-­‐ zu Nicht-­‐Knochen-­‐ Mineralien, die konstante Dichte der Fettmasse (0,9 g/cm3) und der Knochenmineralien (3,037 kg/cm3). Ferner ist die Genauigkeit der Messung für die FM und FFM ist nicht so hoch wie für die Knochendichte und wird für einzelne Zielgröβen unterschiedlich angegeben: Für Fett und fettfreie Masse beträgt der Messfehler <1 kg. Bei Gewebetiefen von >20 cm (z. B. bei der Bestimmung des intra-­‐abdominellen Fettgewebes) kommt es durch Überlagerungen mehrerer Gewebe zu Ungenauigkeiten. DXA kann nicht zwischen viszeralem und subkutanem Fettgewebe differenzieren. Allerdings findet sich eine enge Korrelation zwischen dem mit DXA quantifizierten Fettgehalt des Stammes in Höhe der 2.–4. Lendenwirbelkörper und der mittels Computertomographie bestimmten intraabdominalen Fettmasse. M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 24 5.10 Körperzusammensetzung – Densitometrie: Unterwasserwägung vs. Ganz-­‐ körperplethysmographie (BodPod) Während die Kalipermetrie und die BIA doppelt indirekte Verfahren sind, da ihre Rohwerte erst mit einem Goldstandard „kalibriert“ werden müssen, basiert die Densitometrie, also die Dichtebestimmung des menschlichen Körpers, auf einem stärker biophysikalisch orientiertem Modell. Prinzip: Unter Annahme konstanter Dichten für die FM (0,9 g/cm3) und FFM (1,1 g/cm3) kann auf Grundlage der Gesamtdichte des menschlichen Körpers auch der jeweilige Anteil der FM und FFM berechnet werden. Zur Bestimmung der Körperdichte sind Körpermasse und Körpervolumen erforderlich. Während die Körpermasse unproblematisch mit einer Waage ermittelt werden kann, ergeben sich für das Körpervolumen verschiedene Möglichkeiten. Die denkbare simple Messung der Wasserverdrängung wird aufgrund seiner Messunsicherheit allerdings kaum praktiziert. Stattdessen wird üblicherweise das Archimedische Prinzip (Auftriebskraft eines Körpers in einem Medium ist genauso groß wie die Gewichtskraft des vom Körper verdrängten Mediums). herangezogen. Dabei wird das gasfreie Volumen einer Person bestimmt, indem deren Körpermasse unter Wasser gemessen wird. Da die unter Wasser verringerte Gewichtskraft der Messperson der Gewichtskraft des verdrängten Wassers entspricht, kann (unter Kenntnis der Dichte von Wasser) so das Volumen der Person bestimmt werden. Aus diesem Volumen kann unter Annahme konstanter Dichten von Fettgewebe und fettfreiem Gewebe, das Gesamtkörperfett und die fettfreie Masse ermittelt werden. Abb. 18. Unterwasserwägung Durchführung: Nach maximaler Expiration (es tauchen keine Luftblasen mehr auf) wird mittels einer Waage unter Wasser die Körpermasse bestimmt. Dieser Vorgang wird wiederholt bis 2 bis 3 wenig abweichende Messergebnise erzielt werden. Die Auftriebskraft FA kann aus der Differenz der Gewichtskräfte ausserhalb und innerhalb des Wasser berechnet werden. Ferner kann unter Annahme einer konstanten Erdbeschleunigung (d.h. 9,81 m/s2) FA durch die Masse m ersetzt werden. Folglich kann die Masse des verdrängten Wassers durch mWasser verdrängt (kg) = mKörpermasse Trocken –mKörpermasse Wasser berechnet werden. Unter Kenntnis der Dichte des Wassers (temperaturabhängig!) kann das Volumen des verdrängten Wassers ermittelt werden: VKörper (m3) = mWasser verdrängt (kg) / DichteWasser (kg/m3) Die Körperdichte dann anschließend aus der Körpermasse und –volumen bestimmt werden: DichteKörper (kg/m3) = mKörper (kg) / VKörper (m3) M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 25 Ferner wird das Residualvolumen und das Volumen des Gastrointestintaltrakts abgezogen. Es folgt: DichteKörper (kg/m3) = mKörper (kg) / [VKörper (m3) - Residualvolumen (L) – 0,1 L] Unter Annahme konstanter Dichten für die FM (0,9 g/cm3) und FFM (1,1 g/cm3) ergibt sich folgende Gleichung für die anschließende Bestimmung der FM: FM (%) = [(4,95 / Body Density) – 4,50] x 100 (Siri, 1961) Besonders bei älteren Menschen und kleinen Kindern erweist es sich jedoch als schwierig, den gesamten Körper nach maximaler Exspiration vollständig unter Wasser zu tauchen. Ferner ist eine Bestimmung des Residualvolumens (mittels Einwaschverfahren mittels Helium oder Auswaschen von Stickstoff) erforderlich, um das Gesamtvolumen entsprechend zu korrigieren (das Volumen des Gastrointestinaltrakts wird mit 100 ml als konstant angenommen). Alternativ kann das Residualvolumen aufgrund der Vitalkapazität VC (VC x 0,24 für Männer bzw. VC x 0,28 für Frauen) oder anthropometrischen Größen, Geschlecht und Alter geschätzt werden. Eine „trockene“, neuere Entwicklung ist deshalb die Air Window Displacement Plethysmography (ADP). Häufig wird dieses Reference System auch als BodPod bezeichnet. Bei diesem Verfahren chamber handelt es sich um eine Ganzkörperdensitometrie, die auf einer Bestimmung der Luftverdrängung der Measurement chamber Untersuchungsperson basiert. Hierfür wird in einer Diaphragm Testkammer die durch die Person in minimaler Bekleidung system Electronics (Badebekleidung) induzierte Luftdruckveränderung gemessen. Auf Grundlage des Poisson’schen Gesetzes kann das Kammervolumen sowie – aus der Differenz zum Lung volume Leerkammervolumen – das Körpervolumen berechnet werden. measurement Computer Anschließend erfolgt unter Berücksichtigung des Scale Residualvolumens und Gasen des Gastrointestinaltrakts die Bestimmung der Körperdichte als Quotient aus Körpermasse und -­‐volumen. Während der Messung wird kontinuierlich das 5.0 Diagrammatic representation of the Bod Pod Atemzugsvolumen bei normaler Ventilation bestimmt. Das Figure Abb. 19. Schematische Darstellung des thorakale Gasvolumen wird während Description des Messvorgang of Prior measurement the volume of the chamber is calibrated with a known BodPod method kann standard plethysmographisch ermittelt. Aus diesem Grund auf (49.550 l) and the weighing scales are also calibrated against a known weight (20kg). Subjects are asked to wear minimal clothing such as a eine aufwendige Dilutionsbestimmung des Residualvolumens im Gegensatz zu einer Unterwasserwägung swimsuit as it is thought that hair and clothing show apparent negative volume effects altering body surface area calculations. The Bod Pod is housed in a verzichtet werden. Zudem zeichnet sich die ADP durch eine ausgezeichnete Reproduzierbarkeit aus (CV = room with a constant temperature (24-26 OC), with barometric pressure and relative humidity recorded on the zur day ofBestimmung measurement. Before 1.7%) und hat sich als nicht-­‐invasiver und kostengünstiger Goldstandard der entering the Bod Pod an accurate measurement of body weight is taken, using the scales Körperzusammensetzung etabliert. Die Messung benötigt eine Gesamtdauer von ca. 10 Minuten, erfolgt attached to the Pod Bod system. The subject then enters the Bod Pod chamber and asked towerden sit in a standardised way, with back straight and not touching the trocken, nicht-­‐invasiv, kann bei normaler Atmung durchgeführt und ist deshalb eine attraktive back wall of the machine, feet slightly apart and hands placed in a relaxed Alternative zur Unterwasserwägung. manner on their lap. The subject can viewed by the investigator though the clear perspex window during the measurement. The subject’s age, height and sex are also entered in the computer and 4 estimates of body volume are then obtained using predicted lung volume. Percentage body fat is then estimated using the Siri formula (1961). See photo of bod pod system below. M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 26 5.11 Stereophotogrammetrie / Whole-­‐Body Scanning Ursprünglich für die Textilindustrie entwickelt erhalten sogenannten Whole-­‐Body Scanner zunehmend Bedeutung zur Vermessung von Körperlängen und -­‐umfängen. Prinzip: Das Messprinzip basiert auf einer Stereophotogrammetrie. Hierfür werden in einer abgedunkelten Messkammer Weißlichtstrahlen auf den stehenden Probanden (minimaler Bekleidung) projiziert, die mittels zahlreichen Kameras abgetastet werden. Aufgrund der Brechungswinkel der Lichtquellen auf der Hautoberfläche kann durch Zusammenführung der Bilder aus verschiedenen Kamerawinkeln ein Modell der Körperoberfläche berechnet werden. Aus diesem Körperoberflächenmodell wiederum Umfangs-­‐ und Längenmessungen an beliebig definierten Referenzpunkten durchgeführt werden. Eine Identifikation und Speicherung im Sinne eines Gesichts-­‐ Lichtbildes ist nicht Bestandteil dieses Verfahrens. Ein gesonderter Augenschutz ist nicht notwendig. Die Gesamtmessung ist innerhalb von 2 Minuten abgeschlossen (Scandauer: ca. 15 Sekunden). Damit ist mit diesem Verfahren ein nicht-­‐invasives, schnelles und umfangreiches Monitoring der Körpermorphologie möglich. Gegenwärtig werden diverse Studien durchgeführt, ob und inwieweit dieses Verfahren alternativ zu einer Air-­‐Displacement-­‐Plethysmography genutzt werden kann bzw. das Verfahren in Kombination mit verschiedenen BIA/BIA-­‐Technologien verknüpft werden kann. Abb. 20. Stereophotgrammetrie (Whole-­‐Body Scanning): A – Originaldaten, B – Volumenmodell, C – Avatar M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 6 27 Zusammenfassung Bei allen Verfahren handelt es sich deshalb um indirekte Abschätzungen der jeweiligen Kompartimente, mit einem wesentlichen Messfehler behaftet sein können. Die einzelnen Verfahren unterscheiden sich stark hinsichtlich ihrer Praktikabilität und Genauigkeit. Lange Zeit galt die Densitometrie als „Goldstandard“ und auch nach wie vor in zahlreichen Einrichtungen als Referenz zur Bestimmung der FM und FFM herangezogen. Dennoch kann die Dichte der FM und FFM starken schwanken unterliegen (Alter, Geschlecht, ethnische Zugehörigkeit, Trainingszustand). Um eine genauere Bestimmung zu erzielen, kann deshalb die FFM zusätzlich durch eine Messung der Knochendichte mittels DXA und des TBW (mittels Indikatorverdünnungsverfahren, schweres Wasser) bestimmt werden sollte insbesondere im Rahmen von Forschungsfragen für der transversale MRT bzw. CT-­‐Schnittbilder als „Goldstandard“ herangezogen werden können, sind diese Verfahren aufgrund ihrer Kosten, Zeitaufwand für Messung und Bildanalyse(!) und Strahlenbelastung (CT) i.d.R. wissenschaftlichen Fragestellungen vorbehalten. Es existiert deshalb nicht ein einziges Idealverfahren, das für alle Einsatzbereiche empfohlen werden kann. Vielmehr geht es darum eine Sensibilität für den Umgang mit verschiedenen Verfahren zu entwickeln und einzuschätzen, wann und in welcher Situation ein Verfahren vor Hintergrund von Aufwand, Kosten und Nutzen (und natürlich Möglichkeiten) am geeignetsten ist. M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 7 28 Messergebnisse Praktikumsversuch 7.1 Messergebnisse – Anthropometrische Indizes /Stereophotogrammetrie Proband Tab. 1 Messergebnisse Anthropometrie Alter Größe (cm) m/w (Jahre) Gewicht (kg) BMI (kg/m²) Taillen-­‐ umfang (cm) Hüftumfang (cm) W-­‐H-­‐ratio 1 2 Proband Tab. 1.1 Messergebnisse Kalipermetrie (fakultativ) HF Bizeps (cm) HF Trizeps (cm) HF SS (cm) HF SI (cm) HF Abdom (cm) %FM 1 2 7.2 Messergebnisse – Ruheumsatz Tab. 2. Messergebnisse Ruheumsatz Proband Nährstoffzusammensetzung VO2 (ml/min) 1 2 RQ (KH / Fett / Protein) MET 7.3 Messergebnisse – BIA Proband Tab. 3. Messergebnisse BIA Resistanz R (Ohm) Reaktanz Xc (Ohm) TBW (L) FFM (Kg) FM (%) 1 2 7.4 Messergebnisse – BodPod Grundumsatz (kcal/Tag) Leistung (W) M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung Tab. 4. Messergebnisse BodPod Proband Dichte Thorakales 2 Gasvolumen (L) (kg/m3) Volumen (L) Grundumsatz (kcal/Tag) FM (%) 1 2 FM (%) = [(4,95 / Body Density) – 4,50] x 100 (Siri, 1961) Grundumatz geschätzt aus Alter, Geschlecht, Gewicht, Größe und FFM. 7.5 Messergebnisse – Unterwasserwägung Proband Tab. 5. Messergebnisse Ruheumsatz 1 2 Temp. Wasser Gewicht unter Wasser (kg) Residual-­‐ 2 volumen (L) (kg/m3) (° C) 3 Dichte FM (%) 3 DichteKörper (kg/m ) = mKörper (kg) / [VKörper (m ) -­‐ Residualvolumen (L) – 0,1 L], 3 3 wobei VKörper (m ) = mKörpermasse Trocken –mKörpermasse Wasser (kg) / DichteWasser (kg/m ). FM (%) = [(4,95 / Body Density) – 4,50] x 100 (Siri, 1961) 7.6 Messergebnisse – Zusammenfassung Proband Tab. 7. Zusammenfassung Messergebnisse I GU Kalorimetrie (kcal/Tag) GU geschätzt mittels FFM BodPod (kcal/Tag) GU geschätzt mittels Fragebogen bzw. Harris Benedict (kcal/Tag) 1 2 Tab. 8. Zusammenfassung Messergebnisse II 2 Geschätzt mittels Formel auf Grundlage von Alter, Geschlecht, Körpergröße und Gewicht. 29 Proband M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung FM (%) BIA (Sun et al.) FM (%) FM (%) FM (%) BodPod UWW Scanner 1 2 30 Scanner FM (%) geschätzt nach Hodgdon und Friedl mittels Bauchumfang, Halsumfang, Größe und Hüftumfang. 7.7 • • • • • • • • • • Diskussion Ruheumsatz Wie definieren Sie den Begriff „Ruheenergieumsatz“? Zu welchem Anteil ist er im täglichen Energieumsatz enthalten? Welche anderen Anteile beinhaltet der tägliche Energieumsatz? Wie unterscheiden sich direkte und indirekte Kalorimetrie? Warum sind die Begriffe Sauerstoffaufnahme, Kalorisches Äquivalent und Respiratorischer Quotient dabei von Wichtigkeit? Aufgrund welcher äußeren Reize ändert sich der Ruheenergieumsatz? Denken Sie z.B. an Kälte. Warum ist der Ruheenergieumsatz nach einer intensiven körperlichen Aktivität erhöht? Entspricht der gemessene Energieumsatz Ihren Erwartungen? Ziehen Sie dazu auch die Werte zu Rate, die die Probandin /der Proband in der Ernährungsanalyse (siehe Website unter „Hinweise“ am Anfang des Skripts) erhalten hat. Welche Einflussfaktoren könnten die Messung gestört haben? Sind die Werte in Einklang zu bringen mit denen aus der Körperzusammensetzung (Stichwort metabolische Konstitution)? 7.8 • • • • • • • • • • • • • Diskussion Körperzusammensetzung Gibt es eine direkte Möglichkeit zur Erfassung der Körperzusammensetzung? Was versteht man unter indirekter und „doppelt“ indirekter Messung? Warum kann nicht mit jedem Gerät / jedem Algorithmus jeder Patient gemessen? Auf welchen Prinzipien basieren die Verfahren: Kalipermetrie, BIA, BodPod und Unterwasserwägung? Welche Voraussetzungen müssen bei der Durchführung der BIA berücksichtigt werden? Welche einfachen Verfahren zur Bestimmung Übergewicht und Adipositas kennen Sie? Worin liegen die Vor-­‐ und Nachteile der verschiedenen Verfahren? Entspricht die gemessene Körperzusammensetzung Ihren Erwartungen? Stimmen die einzelnen Messergebnisse miteinander überein? Wie erklären Sie sich eventuelle Unterschiede? Welche Einflussfaktoren könnten die Messung gestört haben Wann ist welches Verfahren am geeignetsten? Können Sie sich erklären, wie die Normwerte zustande kommen? M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 8 31 Schlussbemerkung Liebe Studierende, Sie haben in diesem Praktikum verschiedene Verfahren zur Messung der Körperzusammensetzung sowie zum Ruheenergieumsatz kennen gelernt und selbst angewendet. Dabei wurden Ihnen die verschiedenen Einflüsse, die die Ernährung (Energiezufuhr) und der Energieumsatz (Energieabfuhr) auf die Körperzusammensetzung haben, deutlich gemacht. Insbesondere die heute vorherrschende Diskrepanz zwischen unserem „Evolutionären Erbe“ – mit Anpassung an einen hohen Leistungsumsatz durch körperliche Aktivität bei geringem Nahrungsangebot – und dem heutigen Lebensstils eines Großteils der Bevölkerung, kommt ursächlich für eine Vielzahl von zivilisatorischen Erkrankungen in Betracht. All die aufgezeigten Aspekte sollen aber nicht dazu verleiten, ein idealisiertes und vereinheitlichtes Menschenbild propagieren zu wollen. Genauso wie Überernährung und Bewegungsmangel zu den genannten Erkrankungen führen, können auch überidealisierte Körperbilder zu einem äußeren Druck, falscher Selbstwahrnehmung mit Essstörungen (Bulimie und Anorexie) sowie zu Depressionen führen. Ebenso sollte nicht vergessen werden, dass Essen ein freudebringender Faktor ist -­‐ bzw. sein sollte. Auch hierin liegt ein Teil unseres heutigen Problems: viele Mahlzeiten sind keine mehr, ein Großteil der Nahrung wird „im Vorbeigehen“ zu sich genommen, während der nächste Arbeitstermin ansteht. Es kommt zu einer Diskrepanz zwischen dem parasympathischen (Nahrungsaufnahme) und sympathischen (Stress, Termindruck) Teil des vegetativen Nervensystems mit negativen Auswirkungen auf Verdauung, Stoffwechsel und Psyche. Darüber hinaus sind diese Fast-­‐Food-­‐Mahlzeiten meist industriell verarbeitet und haben eine sehr hohe Kohlenhydrat-­‐ und Energiedichte, mit den uns bekannten Auswirkungen auf den Stoffwechsel und die Körperzusammensetzung. Eine angemessene Balance zu finden zwischen Zeiten für die Nahrungsaufnahme, der Arbeitszeit und täglicher Bewegung sowie für Entspannung, sollte für jeden aus diesen Überlegungen folgen. Wenn Sie – auch für sich persönlich – diese Aspekte neben den theoretischen Hintergründen für sich übernehmen können, dann hat dieses Praktikum ein wesentliches Ziel erreicht. M12 -­‐ Energie – Einfluss der Ernährung auf Stoffwechsel und Körperzusammensetzung 9 Literaturauswahl Vor-­‐ und Nachbereitung: Ernährungsmedizin in Claasen : Innere Medizin, Kapitel 15 Ernährungsmedizin (5. Auflage S 1415-­‐1430) Energiehaushalt und Ernährung in: Deetjen P, Speckmann EJ, Hescheler J: Physiologie, Kapitel 14 München: Elsevier, 5. Auflage 2008: Seite 583-­‐614. Energie-­‐ und Wärmehaushalt, Thermoregulation in: Schmidt RF, Lang F, Thews G: Physiologie des Menschen, Kapitel 39 Berlin: Springer, 29. Auflage 2005: Seite 808-­‐908. Energiehaushalt und Ernährung in: Klinke R, Pape HC, Silbernagl S: Lehrbuch der Physiologie, Kapitel 14 Stuttgart: Thieme, 5. Auflage 2005: Seite 407-­‐492. Individuelle Vertiefung: Heymsfield SB, Lohman TG, Wang Z: Human Body Composition. Human Kinetics Pub Inc., Revised Edition 2005 Stange R, Leitzmann C: Ernährung und Fasten als Therapie Heidelberg: Springer, 2010 Diagnosis and classification of diabetes mellitus. Diabetes Care. 2011 Jan;34 Suppl 1:S62-­‐9. Leitlinien Deutsche Diabetes Gesellschaft http://www.deutsche-­‐diabetes-­‐gesellschaft.de/redaktion/mitteilungen/leitlinien/leitlinien.php 32