Effekte einer Nährstoffsupplementation (Molkenprotein und Kaliumbicarbonat) in Kombination mit Kraft- und Ganzkörpervibrationstraining auf den Knochenabbau in Bettruhe

Abstract

Immobilisationsbedingte Veränderungen des muskuloskeletalen Systems führen auf Grund von fehlender Belastung zu Inaktivitätsatrophie und –osteoporose. Bereits nach kurzer Zeit wird dies durch einen verstärkten Knochenabbau und somit gesteigerte Exkretion der Knochenresorptionsmarker ersichtlich. Kraft- und Vibrationstraining senkt den immobilisationsbedingten Knochenabbau, jedoch nicht vollständig. Eine muskelaufbauende Wirkung bedingt durch eine erhöhte Zufuhr von Protein, vornehmlich Molkenprotein, wird zunehmend diskutiert. Gleichzeitig scheint eine erhöhte Zufuhr von tierischem Protein, auf Grund des hohen Gehalts an schwefelhaltigen Aminosäuren und des geringen Gehalts an Basenvorläufern die Knochenresorption zu steigern, während die Supplementation eines Alkalisalzes dies kompensiert. In welcher Form die Kombination von Kraft- und Vibrationstraining sowie eine Nährstoffsupplementation (Molkenprotein und Kaliumbicarbonat (KHCO₃)) den durch Bettruhe induzierten Knochenabbau verhindert, soll in der vorliegenden Arbeit untersucht werden. <br /> Hierfür wurde eine randomisierte, cross-over Interventionsstudie an gesunden, männlichen Versuchspersonen im Stoffwechsellabor des Instituts für Raumfahrtmedizin und Physiologie (Toulouse) durchgeführt. Die Studie unterteilte sich in drei Studienkampagnen. Jede Kampagne bestand aus einer siebentägigen Adaptationsphase, einer 21-tägigen Interventionsphase in 6° Kopftieflage, gefolgt von einer sechstägigen Erholungsphase. Die Interventionsphase unterteilte sich in eine Trainingskampagne mit Kraft- und Vibrationstraining, eine Kampagne in der das Training mit der Supplementation von Molkenprotein (0,6 g/kg Körpergewicht pro Tag) und KHCO₃ (90 mmol/d) kombiniert wurde und eine Kontrollkampagne ohne Supplementation und Training. Zwischen den Kampagnen lag eine Auswaschphase von 126 Tagen. Während der gesamten stationären Aufenthalte erfolgte eine standardisierte Nährstoffzufuhr, die den Einfluss anderer als der supplementierten Nährstoffe minimieren sollte und streng kontrolliert wurde. Der Einfluss auf den Calcium- und Knochenstoffwechsel wurde durch die Bestimmung von Knochenresorptions- (Carboxyterminales Kollagen-Typ-I-Telopeptid, Aminoterminales Kollagen-Typ-I-Telopeptid) und Knochenformationsmarkern (knochenspezifische alkalische Phosphatase, Aminoterminales Propeptid des Typ 1 Prokollagens), sowie der Calciumexkretion, bestimmt. Zur Erfassung des systemischen Säuren-Basen-Status wurde die Netto-Säureausscheidung im 24h-Urin bestimmt sowie die potentielle renale Säurelast der Diät berechnet. Anhand der Stickstoffbilanz, berechnet aus Stickstoffaufnahme und –ausscheidung, wurden Veränderungen des Gesamtkörper-Proteingehalts erfasst. <br /> Beide Interventionen während Bettruhe, Kraft- und Vibrationstraining alleine sowie in Kombination mit Nährstoffsupplementation in Form von Molkenprotein und KHCO₃, führten zu einer niedrigeren Knochenresorptionsrate in Immobilität als in der Kontrollkampagne. Die Kombination mit der Nährstoffsupplementation konnte diesen Effekt nicht verstärken. Das alleinige Kraft- und Vibrationstraining bewirkte eine gesteigerte Knochenformationsrate in Immobilität. Gleichzeitig verhinderten beide Interventionen während Bettruhe immobilisationsbedingte Stickstoffverluste, wenngleich die Kombination mit der Nährstoffsupplementation diesen Effekt nicht verstärken konnte. Die erhöhte Säurelast bedingt durch die Aufnahme von 1,8 g Protein pro Tag (1,2 g Protein + 0,6 g Molkenprotein) wurde durch die Gabe von 90 mmol KHCO₃ kompensiert, was sich in der reduzierten Netto-Säureausscheidung aufzeigt. <br /> Die Ergebnisse führen zu folgenden Schlussfolgerungen:<br /> 1.Kraft- und Vibrationstraining führt zu einer niedrigeren Knochenresorptionsrate in Immobilität und senkt immobilisationsbedingte Proteinverluste. Gleichzeitig wird die Knochenformationsrate gesteigert.<br /> 2.Die Supplementation von 90 mmol/d KHCO₃ kompensiert die erhöhte Säurelast der Diät bei erhöhter Proteinzufuhr von 1,8 g/kg/d. Dies wirkt einer Steigerung der Knochenresorptionsrate sowie Steigerung der Calciumexkretion entgegen.

<strong>Effect of a supplementation with whey protein and potassium bicarbonate in combination with resistive vibration exercise on bone resorption in bed rest</strong><br /> Immobilization-induced changes of the musculoskeletal system lead to disuse atrophy and osteoporosis due to reduced mechanical loading. Already after a short time, these changes will be seen by an increased bone resorption and thus increased excretion of bone resorption markers. A combination of resistive and vibration training reduces immobility-induced bone loss, however no full compensation of muscle and bone loss could be obtained. On the other hand promotion of muscle mass due to a high protein intake, especially in whey protein, is currently under discussion. At the same time a high intake of animal protein in combination with low intake of base precursors seems to increase bone resorption due to a high content of sulfur-containing amino acids, whereas a supplementation with an alkaline salt seems to compensate these effects. The purpose of this study is to examine the effect of a combination of resistive vibration exercise with supplementation of whey protein and potassium bicarbonate (KHCO₃) on bone resorption in bed rest. <br /> Therefore a randomized, three-campaign crossover intervention study in healthy male subjects in the metabolic laboratory of the Institute for Space Medicine and Physiology (Toulouse) was performed. All campaigns consisted of a seven-day pre-bed rest ambulatory period, a 21-day intervention period in 6° head-down tilt bed rest, followed by a six-day post-bed rest recovery period. The intervention period was divided into a resistive and vibration exercise campaign, a campaign in which the training with the supplementation of whey protein (0.6 g/kg body weight per day) and KHCO₃ (90 mmol/d) was combined and a control campaign without supplementation and training. The washout period between campaigns was 126 days. Nutrient supply was standardized across the campaigns to minimize the influence of other nutrients than the supplemented and has been strictly controlled. The effect on calcium and bone metabolism has been determined by bone resorption markers (carboxy- and amino-terminal collagen crosslinks) and bone formation markers (bone alkaline phosphatase, procollagen 1 N-terminal propeptide), as well as calcium excretion. To detect the systemic acid-base status, the net acid excretion was determined in 24h-urine, and the potential renal acid load of the diet was calculated. Changes of whole body protein content were measured by nitrogen balance, calculated from nitrogen intake and excretion in 24h-urine. <br /> Both interventions during bed rest, resistive vibration exercise alone, as well as in combination with supplementation of whey protein and KHCO₃ lead to a lower rate of bone resorption in immobility than in the control campaign. The combination of whey protein and KHCO₃ could not further increase this effect. The sole resistive vibration exercise increased bone formation rate in immobility. At the same time both interventions prevented disuse-induced nitrogen losses, although the combination of whey protein and KHCO₃ could not amplify this effect. The increased acid load due to the ingestion of 1.8 g of protein per day (1.2 g protein + 0.6 g whey protein) was compensated by the administration of 90 mmol KHCO₃. This effect was also shown in the reduced net acid excretion.<br /> To conclude:<br /> 1.Resistive and vibration exercise leads to a lower bone resorption rate in immobility and reduces disuse-induced protein losses. Contemporarily bone formation rate is increased.<br /> 2.Supplementation with 90 mmol KHCO₃ per day compensates the increased acid load of a diet consisting of 1.8 g protein/kg body weight per day. This counteracts an increase in bone resorption and an increase in calcium excretion.