Energie und Immunsystem – eine Wechselbeziehung in
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Energie und Immunsystem – eine Wechselbeziehung in Abhängigkeit von Bewegung, Übung, Training und Sport Univ.-Prof. Dr. med. Holger Gabriel Lehrstuhl für Sportmedizin und Gesundheitsförderung Friedrich-Schiller-Universität Jena, Deutschland Subjektiv erschöpfende und metabolisch hoch beanspruchende körperliche Belastungen sind auch für das Immunsystem besonders beanspruchend. Sie induzieren dosisabhängig eine belastungsinduzierte Stressreaktion mit pro- und antiinflammatorischen Komponenten. Körperliche Belastungen induzieren beispielsweise eine seit Ende des vorletzten Jahrhunderts bekannte biphasische Leukozytose. Zelluläre und lösliche Bestandteile des Immunsystems stehen in enger Wechselbeziehung mit dem Energiestoffwechsel und der dafür notwendigen hormonellen Regulation. Übertraining – und das häufig damit einhergehende energetische Defizit – vermindert Immunfunktionen. Durch Sport – auch bei einem bestehenden Übertrainingssyndrom – wird kein Immundefekt i.e.S. verursacht. Vorbestehende Erkrankungen, insbesondere solche, die mit einer (vorübergehenden) Beeinträchtigung der Immunfunktionen einhergehen, sind jedoch sehr wohl klinisch relevant, wenn energetisch beanspruchende Belastungen durchgeführt werden sollen. Durch eine angemessene körperliche Aktivität ist jedoch eine langfristige Stärkung des Immunsystems nachweisbar. Gerade im höheren Lebensalter können die positiven Effekte durch körperliche Aktivität jedoch die alternsbedingte Reduktion der Immunität vollständig kompensieren. Die energetischen Beanspruchungen durch körperliche Aktivität und Sport gemäß der Gesundheitssportempfehlungen sind von der Kindheit bis ins höhere Alter hinein für das Immunsystem gesundheitlich vorteilhaft – Kontraindikationen gemäß des über Jahrtausende und global immer noch gültigen medizinethischen Prinzips „primum nihil nocere“ (zunächst einmal nicht schädigen) eingeschlossen! Literatur zur Weiterbildung: 1. Gabriel, H. (2013). Leistungsoptimierung in der sportmedizinischen Gesundheitssprechstunde. In: N. Knoepffler (Eds.) Der optimierte Mensch. Kritisches Jahrbuch der Philosophie. 141-160 2. Gabriel, H. (2006). Auswirkungen von Sport auf das Immunsystem. Notfall & Hausarztmedizin, 32, 411-415 3. Gabriel, H. (2004). Sport und Immunsystem. In R. P. e. al. (Ed.), Kompendium der Sportmedizin (pp. 227-250). Wien: Springer-Verlag Weiterführende Originalliteratur 1. Scharhag, J., Meyer, T., Auracher, M., Gabriel, H., Kindermann, W. (2006). Effects of graded carbohydrate supplementation on the immune response in cycling. Medicine & Science in Sports & Exercise, 38(2), 286-292 2. Scharhag, J., Meyer, T., Gabriel, H., Schlick, B., Faude, O., Kindermann, W. (2005). Does prolonged cycling of moderate intensity affect immune cell function? British Journal of Sports Medicine, 39(3), 171-177; discussion 171-177 3. Meyer, T., Gabriel, H., Auracher, M., Scharhag, J., Kindermann, W. (2003). Metabolic profile of 4 h cycling in the field with varying amounts of carbohydrate supply. European Journal of Applied Physiology, 88(4-5), 431-437 4. Scharhag, J., Meyer, T., Gabriel, H., Auracher, M., Kindermann, W. (2002). Mobilization and oxidative burst of neutrophils are influenced by carbohydrate supplementation during prolonged cycling in humans. European Journal of Applied Physiology, 87(6), 584-587 5. Gabriel, H., Kindermann, W. (1997). The acute immune response to exercise: what does it mean? International Journal of Sports Medicine, 18(Suppl 1), S28-45 .noisses sisylaid a fo sruoh 2 tsrfi eht gnirud gnilcyc tneitap dlo-raey-ythgiE .1 .giF Energie und Immunsystem Eine Wechselbeziehung in Abhängigkeit von Bewegung, Übung, Training und Sport Holger Gabriel, Jena Wien, 19. September 2014 Univ.-Prof. Dr. med. Holger Gabriel Lehrstuhl für Sportmedizin und Gesundheitsförderung Friedrich-Schiller Universität Jena . Energie und VO2 sind lebensnotwendig. Anfang Wozu? .noisses sisylaid a fo sruoh 2 tsrfi eht gnirud gnilcyc tneitap dlo-raey-ythgiE .1 .giF Werte Deskription Begrenzungen, Endlichkeit, Angewiesenheit (Ressourcen), Gestaltungsmöglichkeit vorgegeben? konstruiert? offenbart? Vita maxima Leistung Altern Präskription Ende Menschsein dürfen Menschenwürde Selbstbestimmung Fürsorge Nichtschädigung Gerechtigkeit Selbstverantwortete Lebensführung (Letzte) Lebensziele Funktionsfähigkeit Umgangsfähigkeit Vita minima Rieger HM: Gesundheit - Erkundungen zu einem menschenangemessenen Konzept. ThLZ.F 29, Leipzig 2013 Gabriel H: Leistungsoptimierung in der sportmedizinischen Gesundheitssprechstunde. In: N. Knoepffler (Eds.) Der optimierte Mensch. Kritisches Jahrbuch der Philosophie. 141-160, 2013 Wien, 19. September 2014 Univ.-Prof. Dr. med. Holger Gabriel Lehrstuhl für Sportmedizin und Gesundheitsförderung Friedrich-Schiller Universität Jena Energie- zufuhr Energie- verbrauch .noisses sisylaid a fo sruoh 2 tsrfi eht gnirud gnilcyc tneitap dlo-raey-ythgiE .1 .giF Immunsystem Überwärmung Empfindungen Schmerz Schwellung Inflammation Verfärbung Verhaltens- änderung Funktionseinschränkung Gedanken Umgang Verhalten Wahrnehmungsfähigkeit Struktur Funktion Umgangsfähigkeit Funktionsfähigkeit Wien, 19. September 2014 Univ.-Prof. Dr. med. Holger Gabriel Lehrstuhl für Sportmedizin und Gesundheitsförderung Friedrich-Schiller Universität Jena Energie- zufuhr Mediatoren Immunsystem Ressourcen Nahrungszufuhr Verhalten (physisch, psychisch, sozial) Lebensführung Umwelt Wirkstoffe Krankheit Genetik Altern Mediatoren Botenstoffe Zellen Energie- verbrauch .noisses sisylaid a fo sruoh 2 tsrfi eht gnirud gnilcyc tneitap dlo-raey-ythgiE .1 .giF Grundumsatz Verhalten (physisch, psychisch, sozial) Inflammation Infektionen Arteriosklerose Adipositas Körperliche (In)Aktivität Autoimmunität Krebs Diabetes Rauchen Gesundheitsbezogene Lebensqualität Lebensführung Umwelt Wirkstoffe Krankheit Nahrungszufuhr Genetik Altern (DALY: Disability adjusted life years) Lebenserwartung Wien, 19. September 2014 Univ.-Prof. Dr. med. Holger Gabriel Lehrstuhl für Sportmedizin und Gesundheitsförderung Friedrich-Schiller Universität Jena Energie + Immunsystem Inflammation + Exercise .noisses sisylaid a fo sruoh 2 tsrfi eht gnirud gnilcyc tneitap dlo-raey-ythgiE .1 .giF • Krankheit? • Ressourcen? Risiken? • Leistungsfähigkeit und Trainingszustand? • Welche Leistung (Belastung, Beanspruchung), wie lange? • Woher kommt die Energie? • Wie stark ist die Stresshormonausschüttung? • Wie stark ist die Inflammation? • Sind Immunfunktionen verändert? • Subjektiver Anstrengungsgrad? → Erschöpfend? • Ergibt sich eine (minimale) klinische Relevanz? • Ergibt sich eine Relevanz für die Lebensführung (z.B. im Sport)? Wien, 19. September 2014 Univ.-Prof. Dr. med. Holger Gabriel Lehrstuhl für Sportmedizin und Gesundheitsförderung Friedrich-Schiller Universität Jena Zellkonzentration Biphasige Leukozytose .noisses sisylaid a fo sruoh 2 tsrfi eht gnirud gnilcyc tneitap dlo-raey-ythgiE .1 .giF Belastung Zeit 1. Energiebedarf (Menge, Dauer, Flussrate) 2. Verfügbarkeit der energieliefernden Nährstoffe (KH, F, AS; Sonderfall: C2H5OH) 3. Substitution (KH, BCAA) 4. Funktion der energieliefernden Stoffwechselprozesse 5. Inflammationsniveau (psycho-physische Regulationen, krankhafte Veränderungen) 6. Wirkstoffe 7. Krankheiten des Stoffwechsels und der regulierenden Organe bzw. Systeme 8. Krankheiten der blutbildenden Organe und des Immunsystems Wien, 19. September 2014 Univ.-Prof. Dr. med. Holger Gabriel Lehrstuhl für Sportmedizin und Gesundheitsförderung Friedrich-Schiller Universität Jena Neutrophile Blutgranulozyten Phagozytierende Zellen 8 [Zellen/µl] [Zellen/µl] 8 6 4 0 6 4 Belastung Infektion 0 Belastung Infektion Oxidativer Burst-Aktivität 2,0 10 10 1,5 [rel. FI-Einheiten] 10 Zellen mit oxidativer Burst-Aktivität 8 [Zellen/µl] 10 Phagozytoseaktivität I.z. FITC-konj. E. coli [1000 rel. FI-Einheiten] Gesamtkonzentration 1,0 0,5 0 6 4 Belastung Infektion 0 6 4 Belastung Infektion Gabriel H, Kindermann W: The acute immune response to exercise - what does it mean? Int J Sports Med 18(Suppl 1), S28-45, 1997 Wien, 19. September 2014 8 0 Belastung Infektion Belastungsinduzierte Leukozytose • • • • • • • • • • • • Infektionsinduzierte Leukozytose Dauer: 6-8 h (< 24 h) • Hohe Konzentrationsanstiege der Katecholamine, HVL-Hormone • und des Cortisols Stark erhöhter Energiebedarf • Katecholaminwirkung (sofortige Phase) • Cortisolwirkung (späte Phase) • Scherkräfte durch erhöhte Kardiozirkulation (alle Subpopulationen) • Mobilisation des marginalen Pools (alle Subpopulationen) • Rekrutierung von jungen Neutrophilen aus dem Knochenmark Erhöhte Zirkulationsdauer (Neutrophile) • Homing (Lymphozyten, NK-Zellen) • geringe Aktivierung der Granulozyten, Lymphozyten, NK-Zellen • gering erhöhte Konzentrationen gering aktivierter Zellen im Blut • • • Tage bis Wochen Geringe Konzentrationsanstiege der Katecholamine, HVL-Hormone und des Cortisols Gering erhöhter Energiebedarf Geringe Katecholamin- und Cortisolwirkung Geringer Einfluss der Scherkräfte durch erhöhte Kardiozirkulation Mobilisation des marginalen Pools (alle Subpopulationen) Starke Rekrutierung von jungen Neutrophilen aus dem Knochenmark Starke Induktion der Hämatopoese Starke Aktivierung des Endothels Verkürzte Zirkulationsdauer (Neutrophile) verstärktes Homing (Lymphozyten, NK-Zellen) Starke Aktivierung der Granulozyten, Lymphozyten, NK-Zellen je nach Art des Erregers, Pathogenität, Virulent und Immunitätslage stark erhöhte Konzentrationen massiv aktivierter Zellen im Blut und Geweben Wien, 19. September 2014 Beanspruchung durch körperliche Belastung Objektive Beobachtung Subjektive Wahrnehmung / Bewertung Hirnfunktionen Zentrale Aktivierung / Ermüdung Autonomes Nervensystem Temperaturerhöhung / Schwitzen HHA-Achse Atmung Bewegung / Funktion / Wirkung Ventilation / Dyspnoe Herz-Kreislaufsystem Herzschlag / Palpitationen Gastrointestinaltrakt Pulserhöhung / -rhythmus Zelluläre Immunfunktionen Inflammatorische Regulation Energiestoffwechsel Muskuläre Schädigung Reparaturprozesse Knochen / Knochenmark Wien, 19. September 2014 Schmerzen Verfärbungen Muskuläre Ermüdung Schwellungen DOMS (Delayed onset of muscle soreness) Konzentrische oder exzentrische Beanspruchung mit unterschiedlichem Energiebedarf Energie [kJ] [kJ] 4000 2000 1000 [ng/ml] 4 3000 3 2000 2 1000 n.b. Ruhe Lauf 0 Laktat [mmol/l] 4000 3000 0 Energie 1 [mg/l] n.b. Rad Sprung Ruhe Lauf 4 Rad Sprung C-reaktives Protein 0 Ruhe Lauf Rad Sprung Borgskala [] [1/min] 20 200 18 180 16 160 14 140 12 120 10 100 8 80 6 Ruhe Lauf Rad Sprung s Troponin-I [pg/ml] 3 2,0 Interleukin 6 20 2 1,5 15 1 1,0 10 0,5 0 0 Ruhe Lauf Ruhe Lauf Rad Sprung 5 Rad Sprung 0 n=18 männlich Alter: 20-41 (29) Jahre Gewicht: 59-84 (72) kg . VO2peak: 48-72 (60) ml/min/kg Ruhe Lauf Rad Sprung Gesundheitsbeurteilung, Leistungsdiagnostik; IAS-Bestimmungen Ruhe Kontrolltag Lauf Laufband, 90%IAS 60-90 min randomisiert Rad Fahrradergometer, 90%IAS 60-90 min Sprung Exzentrische Tiefsprünge, 60 min Wien, 19. September 2014 60 Herzfrequ Ruhe Lauf Konzentrische oder exzentrische Beanspruchung mit unterschiedlichem Energiebedarf Allgemeine aerobe metabolische Beanspruchung gering gering Muskulär- exzentrische + schnellkräftige Beanspruchung ○ ○ ○ +++ hoch ○ + hoch + + + + ++ ++ Wien, 19. September 2014 muskuläre Schädigung (Pro/Anti)Inflammation Reparaturprozesse muskuläre Schädigung (Pro/Anti)Inflammation Reparaturprozesse Zellkonz Lymphozyten Natürliche Killerzellen Zeit stoffen und Amino- oder Fettsäure präparaten erzielt diesen Effekt nich Das Ausmaß der biphasischen Leuko zytose und der Akute-Phase-Reaktio beeinflusst wesentlich den Ausdauer trainingszustand und entzündliche insbesondere infektiöse Erkrankun gen. Tab. 1 Besonders beanspruchende Belastungen für das Immunsystem .noisses sisylaid a fo sruoh 2 tsrfi eht gnirud gnilcyc tneitap dlo-raey-ythgiE .1 .giF ATP-Flussrate PRad [mmol ATP/s/kg w.w.] [W/kg] 20 2,25 Längere Belastungen mit anaerob-laktazider Energiebereitstellung Erschöpfende hochintensive Ausdauerbelastungen Ausdauerbelastungen oder metabolisch beanspruchende Spielsportarten mit hoher exzentrischer Komponente // 15 // 1,00 Art der Belastung Langandauernde Ausdauerbelastungen 0,75 Borg 20 6 Gabriel, 2006 Borg 20 // // Borg 20 412 0,50 Beispiel Marathonwettkampf, Ultraausdauerleistungen (Triathlon, Radfahren, Laufen u.ä.) Intensives Intervalltraining wie Leichtathletische Intervallprogramme oder Sprint-Pyramidenläufe Tempodauerlauf Längere Bergabläufe oder -wanderungen, Orientierungsoder Hindernisläufe, Wettkampfspiele im Fußball auf entsprechenden Spielpositionen Notfall & Hausarztmedizin 2006; 32 (8+9) 4 0,25 // Borg 20 // // Borg 20 // 2 Trainieren Üben 0,25 Passives Bewegen 0 0 2 // [min] 1 2 3 // 10 // 24 Zeit [h] Wien, 19. September 2014 Univ.-Prof. Dr. med. Holger Gabriel Lehrstuhl für Sportmedizin und Gesundheitsförderung Friedrich-Schiller Universität Jena „Stenogramm“ .noisses sisylaid a fo sruoh 2 tsrfi eht gnirud gnilcyc tneitap dlo-raey-ythgiE .1 .giF 1. Subjektiv erschöpfend + metabolisch beanspruchend → immunologisch beanspruchend 2. Dosisabhängigkeit der pro- und antiinflammatorischen Regulation 3. Belastungsinduzierte biphasige Leukozytose 4. Energiebedarf → hormonelle und proinflammatorische Regulation → Energiebereitstellung → antiinflammatorische Regulation → ggf. Reparaturprozesse → Adaptation 5. Energetisches Defizit → Katabolismus → veränderte hormonelle und immunologische Regulation → Immunität sinkt → ggf. sekundärer Immundefekt 6. Kein Immundefekt durch Sport 7. Erkrankung + Sport → potentielle gesundheitliche Gefahr 8. Gesundheitssport → chronische antiinflammatorische Wirkung → Morbidität + Mortalität sinkt 9. Sport bei Krankheit und im Alter → primum nihil nocere! Wien, 19. September 2014 Univ.-Prof. Dr. med. Holger Gabriel Lehrstuhl für Sportmedizin und Gesundheitsförderung Friedrich-Schiller Universität Jena Energie- zufuhr Mediatoren Immunsystem Ressourcen Nahrungszufuhr Verhalten (physisch, psychisch, sozial) Lebensführung Umwelt Wirkstoffe Krankheit Genetik Altern Mediatoren Botenstoffe Zellen Energie- verbrauch .noisses sisylaid a fo sruoh 2 tsrfi eht gnirud gnilcyc tneitap dlo-raey-ythgiE .1 .giF Grundumsatz Verhalten (physisch, psychisch, sozial) Inflammation Infektionen Arteriosklerose Adipositas Körperliche (In)Aktivität Autoimmunität Krebs Diabetes Rauchen Gesundheitsbezogene Lebensqualität Lebensführung Umwelt Wirkstoffe Krankheit Nahrungszufuhr Genetik Altern (DALY: Disability adjusted life years) Lebenserwartung Wien, 19. September 2014 Univ.-Prof. Dr. med. Holger Gabriel Lehrstuhl für Sportmedizin und Gesundheitsförderung Friedrich-Schiller Universität Jena .noisses sisylaid a fo sruoh 2 tsrfi eht gnirud gnilcyc tneitap dlo-raey-ythgiE .1 .giF Energie und Immunsystem Eine Wechselbeziehung in Abhängigkeit von Bewegung, Übung, Training und Sport Holger Gabriel, Jena Wien, 19. September 2014 Univ.-Prof. Dr. med. Holger Gabriel Lehrstuhl für Sportmedizin und Gesundheitsförderung Friedrich-Schiller Universität Jena
