Die Bedeutung der ECM verstehen

Die große Mehrheit der Sportler, unabhängig von ihrem Leistungsniveau, sucht wegen Verletzungen des Bewegungsapparats einen Arzt auf. Diese Verletzungen, die Muskeln, Sehnen, Bänder, Knochen und Knorpel betreffen, sind häufig auf Schwachstellen in der extrazellulären Matrix (ECM) des Körpers zurückzuführen. Vereinfacht ausgedrückt ist die ECM wie die Stahlstäbe in Stahlbeton, die den Strukturen des Körpers, insbesondere den Knochen, Festigkeit und Flexibilität verleihen. Eine Stärkung der ECM kann möglicherweise das Risiko von Sportverletzungen verringern. Darüber hinaus spielt das ECM eine wichtige Rolle für die Leistung, da es die Geschwindigkeit der Kraftentwicklung verbessert, die eine wichtige Determinante für Geschwindigkeit und Leistung ist.

Die dynamische Natur der ECM und ihre Funktionen

Lange Zeit wurde die ECM als statische, gelartige Substanz angesehen, die das Gewebe lediglich zusammenhält. Jüngste Experimente haben diese Vorstellung jedoch in Frage gestellt und gezeigt, dass die ECM ein dynamisches Gewebe ist, das für die ordnungsgemäße Funktion des Bewegungsapparats entscheidend ist. Im Zusammenhang mit Sportlern erfüllt die ECM zwei Hauptaufgaben:  

1. Die effiziente Übertragung von Kräften, um Geschwindigkeit und Leistung zu maximieren, und
2. Die Absorption von Stößen, um Verletzungen zu vermeiden. Die ECM von Muskeln und Sehnen trägt in erster Linie zur ersten Aufgabe bei, während die ECM von Bändern, Knorpeln und Knochen an der zweiten Aufgabe beteiligt ist. In den folgenden Abschnitten werden wir untersuchen, wie Bewegung und Ernährung diese beiden Funktionen optimieren können.

Einfluss von Kollagen und Quervernetzung auf die ECM-Funktionalität

Die Funktionalität der ECM hängt von der Menge und der Vernetzung des Kollagens sowie vom Wassergehalt des Gewebes ab. Während der Wassergehalt während des Trainings relativ stabil bleibt, erfordert die Erhöhung der Steifigkeit und Festigkeit der ECM eine Steigerung der Kollagenmenge oder der Anzahl der Vernetzungen, die die Kollagenproteine miteinander verbinden. Die Vernetzung kann auf enzymatischem Wege (unter Beteiligung spezifischer Enzyme wie Lysyloxidase und Prolyl-4-Hydroxylase) oder auf nicht-enzymatischem Wege (unter Beteiligung von aus Glukose gewonnenen Vernetzungen) erfolgen. Im Allgemeinen sind enzymatische Vernetzungen vorteilhaft und können durch Bewegung und Ernährung reguliert werden, während von Glukose abgeleitete Vernetzungen nachteilig sind und zu negativen Folgen führen können, die mit Krankheiten wie Diabetes verbunden sind, wie z. B. Bluthochdruck, ein erhöhtes Risiko für Sehnenrisse und Katarakte.

Optimierung der Leistung: Hochgeschwindigkeitsbewegungen und Plyometrics

Zur Optimierung von Schnelligkeit und Kraft bauen Trainer Hochgeschwindigkeitsbewegungen mit einem plyometrischen Element in das Training ein. Diese Art von Training hat zwei Auswirkungen auf die ECM:  

1. Es erhöht die Menge an Kollagen und die Vernetzung in der ECM der Muskeln, und  
2. Es verbessert die Vernetzung in der ECM am Muskelende der Sehnen. Infolgedessen kann die Kraft schneller von den Muskeln auf die Knochen übertragen werden, was zu einer verbesserten Geschwindigkeit und Leistung führt.

Vorbeugung von Muskelverletzungen: Langsame Bewegungen und Schutzmechanismen

Um Muskelverletzungen vorzubeugen, setzen Trainer und Physiotherapeuten langsame Bewegungen ein, wie z. B. schweres Krafttraining, langsame exzentrische Bewegungen oder langes isometrisches Halten. Diese Art von Training hat leicht unterschiedliche Auswirkungen auf die ECM:  

1. Es erhöht immer noch die Kollagenmenge und die Vernetzung in der ECM der Muskeln, aber im Gegensatz zu schnellen Bewegungen,
2. Reduziert es die Vernetzung in der ECM am Muskelende der Sehnen. Diese Verringerung der Steifigkeit am Muskelende der Sehne wirkt wie ein Schutzmechanismus, der die zugehörigen Muskeln vor Verletzungen bewahrt.

Fortschritte bei der Verletzungsprävention für Bänder, Knorpel und Knochen

Während Trainer über einige Hilfsmittel verfügen, um die Leistung von Muskeln und Sehnen zu verbessern und die Verletzungsrate zu senken, gibt es weniger Möglichkeiten, um Verletzungen von Bändern, Knorpeln und Knochen vorzubeugen. Diese Einschränkung ist in erster Linie darauf zurückzuführen, dass wir noch nicht genau wissen, wie diese Gewebe auf Belastung und Ernährung reagieren. Jüngste Fortschritte geben jedoch Anlass zur Hoffnung auf neue Techniken zur Vorbeugung von Stressfrakturen und zur Verlangsamung der Degeneration von Bändern und Knorpeln.

Gelatine, Kollagen und Verletzungen

Einen bedeutenden Durchbruch brachten Forschungen an Nagetieren und Menschen, die zeigten, dass kurze Belastungsprotokolle (bestehend aus 5 und 40 Belastungen) mit Ruhepausen von über 6 Stunden ausreichen, um die Knochensyntheseraten zu maximieren. Ebenso haben unsere eigenen Forschungen gezeigt, dass die Kollagensynthese in den Bändern ihren Höhepunkt bei kurzen Belastungsphasen (5-10 Minuten) erreicht, die von 6 Stunden Ruhezeit unterbrochen werden. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass unsere ECM im Gegensatz zur Muskelanpassung, die während des gesamten Trainings anhält, nur für eine begrenzte Zeit auf den Reiz reagiert, bevor die Zellaktivität nachlässt. Jede Übung, die über diesen Zeitraum hinausgeht, führt nur zu mechanischer Ermüdung und Schädigung, ohne einen weiteren Anreiz zur Anpassung und Kraftsteigerung zu bieten.

Einbindung von Schutzmaßnahmen und Förderung der ECM-Produktion

Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse empfiehlt es sich, kurze Belastungseinheiten (von 5 Minuten Dauer) einzubauen, die auf die für eine bestimmte Sportart relevanten Sehnen, Bänder, Knochen oder Knorpel abzielen. So können Läufer beispielsweise Seilspringen, Basketballspieler Bankdrücken und Baseball-/Wasserball-/Cricketspieler Übungen für die Rotatorenmanschette durchführen. Es ist wichtig, dass diese schützenden Einheiten nach Möglichkeit mindestens 6 Stunden von anderen Trainingseinheiten entfernt stattfinden. Auf diese Weise wird die ECM-Produktion angeregt, was die Wahrscheinlichkeit von Verletzungen durch wiederholte Belastungen für Knochen, Bänder, Sehnen und Knorpel verringert.

Optimierung der ECM-Produktion durch Ernährung: Gelatine-Studie

Darüber hinaus wissen wir jetzt, dass die ECM-Produktion durch die Ernährung verbessert werden kann. In unserer jüngsten Studie kombinierten wir intermittierendes Training mit Gelatine, einer Nahrungsquelle, die reich an Aminosäuren ist, die reichlich in Kollagen vorkommen (Shaw et al., 2017). In einer randomisierten Doppelblindstudie im Cross-over-Design erhielten die Teilnehmer entweder ein Placebo, 5 Gramm oder 15 Gramm Gelatine gemischt mit etwa 500 ml Vitamin-C-reichem Johannisbeersaft (der etwa 50 mg Vitamin C liefert). Wir analysierten die Auftretensrate von Aminosäuren und die Kollagenproduktion innerhalb der ersten 4 Stunden nach der Intervention.

Um die Kollagensynthese anzukurbeln, führten die Teilnehmer eine Stunde nach Einnahme der Nahrungsergänzungsmittel ein 6-minütiges Seilspringen durch. Im Einklang mit der Bedeutung kurzer Belastungszeiten für die Kollagensynthese verdoppelte sich die Kollagensynthese durch das 6-minütige Seilspringen sowohl in der Placebo- als auch in der 5-g-Gelatine-Gruppe. Wenn die Teilnehmer die höhere Gelatinedosis (15 g) zu sich nahmen, erhöhte sich die Kollagensynthese um das Zweifache, verglichen mit der Kollagensynthese, die allein durch das Seilspringen erreicht wurde.

Einbindung von Gelatine zur Verletzungsprävention und Regeneration

Für Trainer und Athleten bedeutet dies, dass der Verzehr von Gelatine eine Stunde vor einer 5-minütigen schützenden Trainingseinheit, die mindestens 6 Stunden vor einem anderen Training stattfindet, die Gesundheit von Knochen, Knorpeln, Sehnen und Bändern verbessern kann. Dieser Ansatz hilft bei der Verletzungsprävention und beschleunigt die Rückkehr zum Spiel.

Die Zukunft der ECM-Forschung und ihre Auswirkungen auf Athleten

Das Forschungsgebiet in diesem Bereich wächst schnell und bietet das Potenzial, die sportliche Leistung zu verbessern und Verletzungen zu minimieren, da sich unser Verständnis der ECM weiter entwickelt.

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Wissenschaftliche Referenzen

1. Shaw G, Lee-Barthel A, Ross ML, Wang B, Baar K. 2017. Vitamin C-enriched gelatin supplementation before intermittent activity augments collagen synthesis. Am J Clin Nutr 105: 136-143.