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Belastungsergometrie in der Magnetresonanztomografie zur Untersuchung der Muskelphysiologie

Muskelleistung messen

von Prof. Dr. med. Michael Schocke

Die Belastungsergometrie in der Magnetresonanztomografie eröffnet neue Möglichkeiten zur Untersuchung der Muskelphysiologie und des Energiestoffwechsels in der Muskulatur. Für den Spitzensport stellt sie eine zukunftsweisende nichtinvasive Methode dar, die erstmals Einblicke in die Kraftwerke eines Sportlers gibt und eindeutige Erkenntnisse über die aktuelle
Leistungsfähigkeit von Muskeln liefert und die Effizienz von Trainingsmaßnahmen messbar macht.

Welche Vorgänge können gemessen werden?

Zu Beginn einer Muskelarbeit wird vermehrt Adenosintriphosphat (ATP) an den Myofibrillen gespalten. Dadurch fallen vermehrt Adenosindiphosphat (ADP) und Phosphor sowie [H+] Ionen an. Die Kreatinkinase überträgt nun ein Phosphat des Phosphatcreatins auf das ADP, das anfallende Kreatin wird an den Mitochondrien zu PCr rephosphoryliert. PCr ist somit ein „Shuttle“ von energiereichen Phosphaten von den Mitochondrien zu den Myofibrillen. Allerdings kann anfangs das anfallende Kreatin nicht vollkommen rephosphoryliert werden kann. Es kommt zu einem progredienten PCr-Abfall im Zytosol.
Man spricht hier auch von der anaeroben Phase, da die Muskelzelle versucht, den ATP- Bedarf teilweise durch anaerobe Glykolyse zu decken. Durch Enzymaktivierung und Verbesserung der Sauerstoffzufuhr mittels gesteigerter Durchblutung kann mehr ATP für die Phosphorylierung von Kreatin bereitgestellt werden. Es kommt zu einem Gleichgewichtszustand.

Wie kann der Energiestoffwechsel quantifiziert werden?

Dieses Gleichgewicht des PCr stellt sich gewöhnlich in einem monoexponentiellen Verlauf ein. Die Zeitkonstanten, die den Zeitpunkt des Umschlages des progredienten PCr-Abfalls zum Gleichgewichtszustand angeben, betragen bei gesunden Menschen zwischen 30 bis 60 Sekunden und korrelieren auch mit der Erhöhung des Blutflusses in den zuführenden Arterien. Zur korrekten Berechnung der Zeitkonstanten werden eine zeitliche Messauflösung von 5 bis 15 Sekunden sowie ein MR-kompatibles Ergometer benötigt, der eine definierte Leistung über ein konstantes Intervall von dem belasteten Muskel abverlangen kann. Die meisten verwendeten Systeme können aber während der Messung die Leistungsabgabe nicht regulieren, da die aktuelle Leistungsabgabe nicht angezeigt wird. Die Zeitkonstanten erlauben eine Abschätzung des mitochondrialen Sauerstoffumsatzes innerhalb des Muskels.
Dadurch ist die 31P- Magnetresonanzspektroskopie eine einzigartige Methode, um die Leistung der so genannten Kraftwerke der Zelle zu messen.

Was kann die 31P-MRS in der Sportmedizin leisten?

Aus der Sicht der Muskelphysiologie ist hier insbesondere die mitochondriale Funktion interessant, die durch die Berechnung der Zeitkonstante der PCr- Regeneration nach einer erschöpfenden Belastung bestimmt wird. So konnte nachgewiesen werden, dass Ausdauerathleten eine schnellere PCr-Regeneration im Vergleich zu Sprintern zeigen. Es wird vermutet, dass durch Ausdauertraining die mitochondriale Funktion aktiviert und gestärkt wird. Eine weitere Rolle spielt die Verteilung der unterschiedlichen Fasertypen im Muskel. Es werden aufgrund der Isoform der schweren Myosinkette Typ I, IIa und IIx Fasern unterschieden. Die Typ IIx- Fasern zeigen eine besonders hohe Kraftentwicklung bei allerdings relativ schneller Ermüdung, wodurch metabolische Veränderungen besonders intensiv sind. Die Typ I- und Iia-Fasern hingegen zeigen eine geringere Kraftentwicklung bei geringerer Ermüdbarkeit. Derzeit wird die 31P-MRS zur Erforschung der biochemischen Vorgänge, die zur Muskelermüdung führen, eingesetzt. Es werden im Moment zwei Theorien heiß diskutiert. Es steht die Acidose durch Akkumulation von [H+]-Ionen gegen die Akkumulation von anorganischem Phosphat, das in hoher Konzentration die Ca2+ Ausschüttung behindert.

Wie funktioniert die Methode in der klinischen Routine?

Zur dynamischen Belastung in der Magnetresonanzröhre ist ein standardisiertes Verfahren mithilfe eines MRkompatiblen Ergometers notwendig.

Eine entsprechende MR-Untersuchung dauert 25 Minuten und teilt sich in drei Phasen:

1. Phase: 5 Minuten Ruhemessung des unbelasteten Muskels.
2. Phase: 15 Minuten dynamische Belastung mit Belastungssteigerungen alle 3 Minuten.
3. Phase: 5 Minuten Messung der Muskelerholung.

Führende sportwissenschaftliche Institute setzten diese Untersuchungsmethode durch isometrische und isotonische Belastung bereits in unterschiedlichsten Sportdisziplinen ein.

Fazit

Die neuen technischen Möglichkeiten geben dem Sportler und seinen Betreuern die Möglichkeit, die Abläufe im arbeitenden Muskel zu quantifizieren und zu interpretieren. Mit dem Wissen der individuellen Muskelphysiologie des Sportlers können Training und begleitende Maßnahmen fallspezifisch geplant, gesteuert und kontrolliert werden, um dadurch einen entscheidenden Vorsprung im Sport zu erreichen.

michael.schocke@i-med.ac.at