Nr. 3/2022

Die Wissenschaftler*innen der Sporthochschule interessiert besonders, wie unterschiedliche körperliche Belastungscharakteristiken den Stoffaustausch im Knorpel beeinflussen. Um das herauszufinden, untersuchen sie verschiedene Knorpel-Biomarker im Blut von gesunden Proband*innen. Knorpel-Biomarker sind Substanzen, die bei Belastung aus dem Knorpel ins Blut abgegeben werden. Das können Proteine, zum Beispiel COMP (Cartilage oligomeric matrix protein, ausgesprochen Komp) sein, die die Struktur und die mechanischen Eigenschaften des Knorpels beeinflussen. Oder das Protein Resistin, ein Hormon, das Entzündungen fördert. Auch Enzyme wie das sogenannte MMP-3 (Matrix-Metalloproteasen-3) gehören zu den Biomarkern. MMP-3 fördert biochemische Reaktionen innerhalb des Knorpels, die an Abbauprozessen von Bestandteilen des Gewebes beteiligt sind. Mittels Diffusion gelangen dann die Stoffe vom Knorpel in die Gelenkflüssigkeit und von der Gelenkkapsel in den Blutkreislauf. Auch ohne Bewegung findet dieser Stoffaustausch statt. Mit Bewegung geht er schneller – so wie wenn man den Tee mit einem Löffel umrührt. Der Knorpel wird durch die Bewegung mechanisch belastet, zusammengedrückt und wieder entlastet. Das regt den Stoffaustausch an.

Schon unmittelbar nach einer Belastung können sich im Blut Veränderungen bei den verschiedenen Markern zeigen. Bei Menschen mit Arthrose sind die Werte auch im Ruhezustand auffällig. „Man hofft, anhand der Biomarker zu erkennen, ob im Knorpel ein gesunder Stoffwechsel stattfindet, der zu einer funktionellen Anpassung führt oder ob schon Abbauprozesse eingesetzt haben“, erklärt Dreiner. Auch um die Auswirkungen von Sport auf die Gesundheit und den Stoffwechsel des Knorpels zu untersuchen, könnten die Biomarker genutzt werden. Die Vermutung: Je höher die Werte der Biomarker nach dem Sport sind, desto besser hilft eine Aktivität dabei, den Knorpelstoffwechsel anzuregen. Die Begründung: Schädliche Enzyme werden durch die Belastung aus dem Knorpel ausgespült und die Produktion knorpelerhaltender Substanzen wird angeregt.

Um den Stoffwechsel durch Bewegung und die Wechselwirkungen der Biomarker untereinander genauer zu untersuchen, ließen die Forschenden in einer aktuellen Studie 15 junge und gesunde männliche Versuchspersonen an zwei Untersuchungstagen die zwei unterschiedlichen Bewegungsinterventionen „Laufen“ und „Springen“ von gleicher Dauer ausführen. Die Aufgabe beim „Laufen“: 30 Minuten lang bei moderatem Tempo auf dem Laufband laufen. Geschwindigkeit: 2,2 Meter pro Sekunde, also etwa acht Stundenkilometer. Beim „Springen“ sollten die Probanden in den 30 Minuten 15 mal 15 Reaktivsprünge durchführen. Das sind Sprünge, die eine möglichst kurze Bodenkontaktzeit haben und hauptsächlich im Sprunggelenk ausgeführt werden. Vor und zu drei verschiedenen Zeitpunkten nach der Bewegungsintervention wurde den Versuchspersonen Blut abgenommen, um später die Knorpel-Biomarker auch im Zeitverlauf untersuchen zu können. „Wir haben vorher schon ähnliche Studien durchgeführt. Diesmal haben wir aber zum ersten Mal sieben Biomarker auf einmal gemessen und miteinander korreliert“, sagt Dreiner. Das Ziel der Forschenden: mehr darüber erfahren, wie die Marker akut auf die Belastung reagieren, wie sie sich zueinander verhalten und wie sie sich gegenseitig beeinflussen.

„Laufen ist eine kontinuierliche moderate mechanische Belastung, Springen beinhaltet hohe Belastungsamplituden mit Unterbrechungen. Beim Springen wirken höhere Kräfte auf den Knorpel. Deswegen hätten wir vermutet, dass Springen zu höheren Werten bei den Biomarkern führt“, sagt Dreiner. Die Studienergebnisse legen aber einen anderen Schluss nahe. Denn überraschenderweise stieg die Konzentration der Biomarker im Blutserum überwiegend nach dem Laufen stärker an. Im Blut der Läufer war direkt nach und im Verlauf der Belastung mehr COMP, MMP-3 und mehr Resistin zu finden als nach dem Springen. „Dieses Ergebnis war für uns überraschend. Wir interpretieren das so, dass durch das Laufen umfangreichere Umbauprozesse passieren, die nach dieser kurzen moderaten Belastungsdauer eher als eine positive Anpassung einzuschätzen sind“, so Dreiner. Aus den Ergebnissen der Studie könne man ableiten, dass moderates Laufen etwas förderlicher für die Knorpelgesundheit sein könnte, als Intervallsprünge. Dies sei zum jetzigen Zeitpunkt aber noch Spekulation und müsse durch weitere Studien genauer untersucht werden.

Gerade analysieren die Wissenschaftler*innen den Effekt von reduzierter mechanischer Belastung auf die Knorpel-Biomarker in einer Immobilisationsstudie (Dry Immersion), also einem Modell um Schwerelosigkeit zu simulieren. Hier finden die Untersuchungen mit Frauen als Versuchspersonen statt, wozu es in der Forschung bisher nur wenige Ergebnisse gibt. Die Biomarker – so bestätigen die Analysen – könnten aber schon heute genutzt werden, um den Zustand des Knorpels besser zu untersuchen, denn sie zeigen Umbauprozesse an. Nicht vollständig geklärt ist, wann diese als positiv oder negativ einzuordnen sind. Der Vorteil von Biomarker-Blutanalysen: Sie könnten günstiger und weniger aufwendig als bildgebende Verfahren wie die Magnetresonanztomographie (MRT) oder Röntgenuntersuchungen sein und umfangreiche Informationen zur Zusammensetzung des Gelenkknorpels liefern.

Den laut Deutscher Arthrose-Hilfe e.V. etwa fünf Millionen Menschen mit Arthrose in Deutschland kann das Wissen aus der Studie schon jetzt dabei helfen, dem Fortschreiten ihrer Erkrankung vorzubeugen. Damit ihr Gelenkknorpel möglichst gut erhalten bleibt, sollten sie so lange wie möglich körperlich aktiv sein. Bewegung – das zeigen die Studienergebnisse – hilft schließlich in beiden Testszenarien, den Stoffaustausch anzukurbeln und somit auch, Verschleiß vorzubeugen. Und für einen messbaren Effekt müssen es nicht einmal Sprünge sein. Schon regelmäßiges Spazierengehen hilft, die Knorpelgesundheit zu fördern.

Text: Marilena Werth