Bedeutung des Blutvolumens und seine Wechselwirkung mit kardiovaskulären Anpassungen

Hintergrund Es ist allgemein bekannt, dass ein hoher maximaler Sauerstoffverbrauch (VO2max) mit einer hervorragenden körperlichen Leistung in Ausdauersportarten verbunden ist. Um ein hohes V ̇O2max zu erreichen, müssen mehrere Dinge optimiert werden, wie gemäß der Fick-Gleichung. Einer der Hauptdeterminanten von VO2max ist die Sauerstofftransportkapazität des Blutes, die durch die Gesamthämoglobinmasse bestimmt wird und bei Ausdauersportlern deutlich höher ist als bei untrainierten Personen.

Natürlich ist dieses System streng reguliert, um eine stabile Blutzusammensetzung aufrechtzuerhalten und das Blutvolumen umgehend wiederherzustellen, wenn es z. B. aufgrund einer Blutung verloren geht, kann aber auch durch körperliche Betätigung und/oder extreme Umweltbedingungen verändert werden. Veränderungen im Blutvolumen und in der Zusammensetzung können bereits nach zwei Wochen konventionellem Training beobachtet werden, wobei PV-Anstiege in Kombination mit erhöhtem Erythropoetin (EPO) beobachtet werden, während das Volumen der roten Blutkörperchen unbeeinflusst bleibt. Dies unterstützt die vorgeschlagene Vorstellung, dass die Niere als „Kritmeter“ fungiert und dass ein verringerter Hämatokrit aufgrund der PV-Ausweitung dadurch die Erythropoese regulieren kann. Bei bereits trainierten Personen, z. B. Sportlern, können PV und Hbmass durch wiederholte und/oder längere Exposition gegenüber Höhen- oder heißen Umgebungsbedingungen weiter erhöht werden.

Forschungsfragen und Hypothese

1. Erkunden Sie geschlechtsspezifische und individuelle Unterschiede im zeitlichen Verlauf und Zusammenhang zwischen kardiovaskulären (zentralen und peripheren) Anpassungen an langfristiges Aerobic-Training und den damit einhergehenden Veränderungen des Blutvolumens.
2. Bewerten Sie Unterschiede zwischen den Geschlechtern und Faktoren, die individuelle Unterschiede beeinflussen (hohe vs. niedrige Responder) – unter der Hypothese, dass Frauen eine abgeschwächte kardiovaskuläre Reaktion auf langfristiges Aerobic-Training haben.
3. Welche relative Bedeutung haben Blutvolumen, Muskelstoffwechsel und Herz-Kreislauf-Anpassungen für die Leistung und die aerobe Kraft?

Es wird ein inkrementeller Belastungstest auf einem Fahrradergometer durchgeführt, um die maximale Arbeitsfrequenz und VO2max zu bestimmen. Während der Ruhezeit werden vier venöse Blutproben zu je 4 ml entnommen. Das Blutvolumen und die Körperzusammensetzung der Probanden werden nach einer kurzen Ruhephase nach dem Belastungstest mit einem DXA-Scan und einer CO-Rückatmungstechnik bewertet.

In den zweiten experimentellen Versuchen (Besuch 2) werden die Teilnehmer durch Radfahren in der halbliegenden Position mit dem experimentellen Protokoll vertraut gemacht. Für das Experiment werden die Teilnehmer einem standardisierten Test der orthostatischen Toleranz durch einen Unterkörperunterdruck (LBNP) von -15 mmHg für maximal 10 Minuten und -30 mmHg für maximal 10 Minuten unterzogen. Die ventrikuläre Funktion wird auf beiden LBNP-Ebenen gemessen. Nach dem orthostatischen Toleranztest führt der Proband halbliegendes Radfahren bei zwei submaximalen Intensitäten mit Euhydratation durch (Kontrolle). Mindestens 30 Minuten nach der ersten Trainingseinheit (nachdem die Testperson wieder das hämodynamische Ausgangsniveau erreicht hat) nehmen die Testpersonen ein hypertonisches Getränk zu sich, mit dem Ziel, den PV um ~15 % zu erhöhen (Intervention). Die ventrikuläre Funktion wird erneut gemessen, bevor der zweite Zyklus des halbliegenden submaximalen Zyklus mit den gleichen Intensitäten wie zuvor begonnen wird.

Beim dritten Besuch (Besuch 3) werden wir messen, ob das Trainingsprogramm Auswirkungen auf die Regulierung des peripheren (Arm-)Blutflusses hat. Die periphere Gefäßfunktion wird durch Messungen des Durchmessers der Arteria brachialis und der Blutgeschwindigkeit mittels Duplex-Sonographie vor und nach der flussvermittelten Dilatation (FMD) bestimmt, bei der eine um den Oberarm gelegte Manschette 5 Minuten lang auf 200 mmHg aufgepumpt und anschließend entleert wird. Die Gefäßempfindlichkeit und die Endothelfunktion werden dann mittels Ultraschall vor und nach der Infusion der vasoaktiven Arzneimittel Acetylcholin (Ach) (25 und 100 μg min-1 (kg Armmasse)-1), Natriumnitroprussid (SNP) (0,75, 1,5 und) gemessen 3,0 μmol min-1 L Arm-Masse-1). Zwischen all diesen Messungen liegt eine Pause von mindestens 15 Minuten. Bevor der Proband diesen Besuch zum ersten Mal verlässt (Grundlinie), werden außerdem zwei Muskelbiopsien von etwa 150 mg zur Kultivierung von Zellen und zur Beurteilung von Veränderungen der Kapillardichte, der Muskelfaserzusammensetzung sowie der Dichte und Funktion der Mitochondrien entnommen. Eine Muskelbiopsie wird außerdem während des ersten Besuchs an der Probenahmestelle nach 2 Wochen, 1, 2 und 6 Monaten nach Studienbeginn und mit zwei Muskelbiopsien 12 Monate nach der Studienbeginnrunde entnommen, was insgesamt acht Biopsien für jedes Subjekt ergibt.

Nach Abschluss der ersten Versuchsrunde absolvieren die Probanden 12 Monate lang ein Trainingsprogramm, das aus 3-4 beaufsichtigten und überwachten Fahrradtrainingseinheiten pro Woche besteht. Das Übungstraining wird überwacht und schrittweise strukturiert, um die Probanden an regelmäßiges und hochintensives Training zu gewöhnen. Die Probanden werden 2 Wochen, 1, 2, 6 und 12 Monate nach den Basismessungen erneut Studienverfahren unterzogen, um eine kontinuierliche Analyse der kurz- und langfristigen kardiovaskulären Anpassungen zu ermöglichen. Darüber hinaus wollen wir den koronaren Blutfluss, das mitochondriale Muskelvolumen und die Funktion messen, um die Auswirkungen zentraler und peripherer Anpassungen an Langzeittraining zu Studienbeginn, nach 2, 6 und 12 Monaten, zu bestimmen.

Um etwaige zentrale kardiovaskuläre Effekte von peripheren zu unterscheiden, wollen wir das Blutvolumen durch Aderlass beim letzten Besuch des 12-monatigen Trainingstrainings akut normalisieren. Vor und nach der Aderlass werden VO2max und Q̇max bestimmt, um etwaige zentrale kardiovaskuläre Anpassungen zu untersuchen.

Die Probanden in diesem Projekt werden folgenden Maßnahmen unterzogen: Herz- und Gefäßultraschall, Muskelbiopsien, Katheterisierung mit arteriellen und venösen Blutproben, CO-Rückatmungstechnik, DXA-Scan, Elektrokardiogramm (EKG), Flussvermittelte Dilatation, vasodilatatorische Reaktion auf intra -arterielle Infusion von Ach und SNP, LBNP, Leistungstest und Phlebotomie.