Einfluss von Krafttraining auf die muskuloskeletale Morphologie und Funktion während Bettruhe

Abstract

Schwerelosigkeit und längere Bettruhe führen zu Muskelatrophien im posturalen System und vermindern dessen neuromuskuläre Leistungsfähigkeit und lokomotorische Kompetenz. Morphologische Anpassungen an die reduzierten muskulären Kräfte führen zudem zu Schmerzen, zumeist im Lumbalbereich. Muskel- und Knochenabbau sind erhebliche Limitationen geplanter Langzeitmissionen im All. Bisher auf der ISS eingesetzte Laufbänder und Fahrradergometer konnten diese Probleme nicht lösen. Die Untersuchung von Effekten eines neu entwickelten Krafttrainings auf Veränderungen der Skelettmuskulatur und alltagsrelevante Funktionen war Ziel der durchgeführten Bedrest-Studien. In die Berliner Bedrest-Studie 1 (BBR 1) wurden 20 männliche Probanden eingeschlossen. Während 56- tägiger Bettruhe trainierten 10 Probanden 2-mal täglich liegend mit einem Vibrationstrainingsgerät bei submaximaler Intensität. 10 Probanden der Kontrollgruppe trainierten nicht. Vor und nach der Liegephase wurden die isometrischen Kräfte der Plantarflexion (IPFF) sowie die maximale Leistung und Sprunghöhe beim counter-movement jump getestet. Gleichzeitig wurden Spannungszustände der eingesetzten Muskulatur mittels Elektromyographie (EMG) gemessen und ein EMG/Kraft- Quotient ermittelt. Die IPFF (-17,1%), die maximale Sprungleistung (-24,1%) und die Sprunghöhe (-28,5%) nahmen in der Kontrollgruppe ab (p<0,05). Für die Abnahme des EMG/Kraft Quotienten (-20%) gab es einen Trend (p=0,051). In der Interventionsgruppe konnte das Vibrationstraining die IPFF erhalten und Verluste der Sprungleistung (-12,2%) und Sprunghöhe (-14,2%) reduzieren. In der Berliner Bedrest-Studie 2 (BBR 2) lagen 24 Probanden 60 Tage in 6° Kopftieflage. Die Probanden der Interventionsgruppen führten ein hochintensives Widerstandstraining ohne (RE; n=8), beziehungsweise mit Ganzkörpervibration (RVE; n=7) durch. Zur Erhöhung von Compliance und Effizienz wurde im Gegensatz zur BBR 1 die Belastungszeit auf drei mal 6 Minuten pro Woche reduziert. Die Kontrollgruppe (CTR; n=9) trainierte nicht. Die intervertebrale Morphologie und die vertebralen Muskelquerschnittsflächen (CSA) wurden in 28-tägigen Intervallen mittels Magnetresonanztomographie gemessen. Ein neuromuskuläres Assessment auf einer Kraftmessplatte, Kurzsprints über 15m und 30m sowie ein Maximalkrafttest auf einer Beinpresse wurden vor und direkt nach der Immobilisation durchgeführt. Das Training verhinderte den Leistungsverlust bei Aufstehtests aus 30cm (p<0,001) und 45cm (p=0,034) Sitzhöhen, den Anstieg der Sprintzeiten über 15m (p=0,037) und 30m (p=0,005), sowie Verluste der Maximalkraft (p<0,001), maximalen Sprungleistung und Sprunghöhe (p<0,001). Die Interventionsgruppen zeigten eine geringere Abnahme der CSA in den Mm. multifidii, M. erector spinae und M. quadratus lumborum, sowie Zunahmen in den Mm. psoas major und minor (p≤0,004). Die Trainingsinterventionen zeigten keine Effekte auf Veränderungen der spinalen Morphologie (p≥0,22). Die in diesem Zusammenhang erstmals untersuchten Trainingsinterventionen konnten die muskulären Atrophien und Funktionsverluste während Immobilisation deutlich verringern. Die Integration der Trainingsregime in den klinischen Alltag und bemannte Weltraummissionen werden Ziele weiterer Forschung sein.

Weightlessness and prolonged bed-rest result in postural muscle atrophy and decreases in neuromuscular performance. Adaptations to the reduced muscular forces during bed-rest can also lead in lower back pain. Muscle and bone loss are particular concerns for planned long term spaceflight missions. Presently on the International Space Station treadmills and bicycle ergometers are implemented, but cannot prevent all the detrimental effects of spaceflight. The aim of the bed-rest studies implemented by the Center of Muscle and Bone Research was investigation of effects of resistive exercise with and without whole-body vibration during prolonged immobilization (bed-rest). In the 1st Berlin BedRest Study (BBR1) 20 male subjects were included. During 56-day bed- rest 10 subjects conducted resistive vibration exercise two times daily in the supine position near maximal intensity. 10 subjects in the control group did not exercise. Isometric plantar flexion forces (IPFF), maximum power and jump height during countermovement jumping (CMJ) were tested before and after bed- rest. During CMJ, electromyography (EMG) of the lower-limb muscles and a EMG/Force quotient was calculated. IPFF (-17.1%), jump peak power (-24.1%) and jump height (-28.5%) decreased in the control group (p<0,05) and there was a trend (p=0,051) for decreased in EMG/Force-Quotient (-20%) in this group. In the RVE group IPFF was preserved and losses in peak jump power (-12.2 %) and jump height (-14.2%) were reduced. In the 2nd Berlin BedRest Study (BBR2) 24 subjects underwent in 60-day 6° head down tilt bed-rest. Subjects in intervention groups conducted a high load resistant training without (RE, n=8) or with whole body vibration (RVE, n=7). To assess efficiency, the training frequency was reduced to 3 times per week each with 6 minutes of actual loading. Control group (CTR, n=9) did not exercise. Intervertebral morphology and vertebral muscle- cross sectional area (CSA) was measured with magnetic resonance imaging before, at mid- and end-bed-rest. Neuromuscular assessments on a ground reaction force platform, 15m and 30 m sprints, and a one repetition maximum leg-press test were performed before and after immobilisation. Training (RE and RVE pooled) prevented losses in sit-to-stand tests from 30cm (p<0,001) and 45cm (p=0,034) sitting heights, increases in 15m (p=0,037) and 30m (p=0,005) sprint time, as well as loss in CMJ peak force (p<0,001), power (p<0,001) and height (p<0,001). The intervention groups shows less decreases in size of the multifidus, lumbar erector spinae and quadratus lumborum muscles, with greater increases in psoas major and minor muscles (p≤0,004). The exercise interventions had no effects to changing in spinal morphology (p≥0,22). The current studies represent the first implementations of resistive vibration exercise in bed-rest and these regimes were able to reduce muscle atrophy and losses in function due to immobilisation. Integration in clinical practice and manned spaceflight will be an aim of further research.