Höhentraining  

Höhentraining

Spätestens nach den Olympischen Spielen 1968 in Mexiko City (2300 m über Normal-Null [üNN]) entstand großes Interesse über die Auswirkungen von Sauerstoffmangel (Hypoxie) auf die sportliche Leistungsfähigkeit. Es wurde deutlich, dass Höhentraining zur Leistungssteigerung bei Wettkämpfen im Flach- wie auch Hochland in einigen Sportarten positiv sein können. Mittlerweile ist das Training unter Sauerstoffmangelbedingung in der Vorbereitung von Ausdauerwettkämpfen etabliert.

Der prozentuale Anteil von Sauerstoff (O2) in der Luft bleibt auch in großen Höhen unverändert bei 20,93%, allerdings verringert sich mit zunehmender Höhe der Luftdruck und damit auch der arterielle Sauerstoffpartialdruck (pO2). Aus diesem Grund wird diese Umweltbedingung als hypobare Umgebung bezeichnet. Der verringerte pO2 erschwert die Diffusion von O2 von der Lunge ins Gewebe und führt zu einem Sauerstoffdefizit in Gewebsorganen. Auf Meeresniveau beträgt der pO2 bedingt durch den Luftdruck von 760mmHg ca. 159mmHg (0,2093 x 760mmHg = 159mmHg).

Auch wenn der sinkende pO2 mit Abstand den höchsten Einfluss auf akute und chronische körperliche Anpassungen in Höhe hat, sind noch weitere Umwelteinflüsse in der Höhe von Bedeutung. Zum einen ist in Höhe mit einer Abnahme der Temperatur um ca. 1°C pro 150m Höhe zu rechnen. Aufgrund der abnehmenden Temperaturen in Höhe ist die Luftfeuchtigkeit ebenfalls niedriger. Der Wasserdampfdruck (pH2O) nimmt ab und durch einen stark erhöhten Gradienten zwischen Haut und Luft dehydriert der Körper in Höhe entsprechend schneller.

Basierend auf internationalem Konsens werden fünf Zonen von Meeresspiegel bis hin zu extremen Höhen mit den spezifischen Einflüssen auf physiologische und mentale Reaktionen definiert [1].

Tabelle 1. Definition verschiedener Höhenzonen [modifiziert nach [1].

Höhe [m] Bezeichnung Akute physiologische Effekte
0-500 Nahe Meeresniveau
> 500-2000 Geringe Höhe Erste leichte Einschränkungen der aeroben Leistungsfähigkeit bemerkbar.
> 2000-3000 Moderate Höhe Es können erste Anzeichen der Höhenkrankheit können. Akklimatisierung ist wichtig, um die körperliche Leistungsfähigkeit aufrechterhalten zu können
> 3000-5500 Große Höhe Akute Höhenkrankheit und Akklimatisation werden klinisch relevant. Die körperliche Leistungsfähigkeit ist erheblich beeinträchtigt.
> 5500 Extreme Höhe längerer Exposition führt zu zunehmenden Schädigungen.

Physiologische Reaktion in Hypoxie

Mit steigender Hypoxie, d.h. abfallendem pO2, und körperlicher Belastung sinkt die Sättigung des arteriellen Hämoglobins mit Sauerstoff (SaO2). Durch die Verringerung des pO2 in Höhe kann weniger Hämoglobin (Hb) in der Lunge mit O2 gesättigt werden. Während auf NN ~97% des Hb mit O2 gesättigt sind, wird in einer Höhe von 4300m nur noch eine Sättigung von ~80% erreicht. Den Abfall an SaO2 versucht der Körper unmittelbar durch akute Reaktionen zu kompensieren:

Bereits wenige Sekunden nachdem der Körper Höhenbedingungen ausgesetzt ist, unabhängig davon, ob körperliche Arbeit verrichtet werden muss oder nicht, ist der Atemantrieb (Ventilation) gesteigert [2] [3]. Der Auslöser hierfür ist der verringerte pO2, der durch Chemorezeptoren im Aortenbogen und der Karotis (Halsschlagader) detektiert wird und zentralnervös über das Atemzentrum im Gehirn (Medulla oblongata) den Atemantrieb (Atemfrequenz und Atemzugvolumen) erhöht [4]. Der erhöhte Atemantrieb bleibt beim Höhenaufenthalt über mehrere Tage erhalten.

Durch die erhöhte Ventilation kommt es zu einem ähnlichen Phänomen wie während Hyperventilation auf NN. Durch die intensivierte Atmung wird der Kohlendioxidanteil (CO2) in den Alveolen reduziert. Dadurch kommt es zu einem Anstieg des Blut-pH, was als respiratorische Alkalose bezeichnet wird. Um die Alkalose wieder auszugleichen wird vermehrt Bikarbonat über die Nieren ausgeschieden (Diurese). Durch die respiratorische Alkalose wird die O2-Bindungskurve jedoch links verschoben, was die verringerte O2-Bindung leicht kompensiert [5].

Bereits in den ersten Stunden nach Ankunft in Höhe beginnt das Blutplasmavolumen abzunehmen, hat jedoch nach ca. drei Wochen wieder Normalwerte erreicht [6] [7]. Die Reduktion an Plasmavolumen ist das Resultat aus dem Verlust von Flüssigkeit über die Atmung und der Urinproduktion [8]. Diese Vorgänge können zu einem Verlust an Plasmavolumen von bis zu 25% führen [8]. Das Ergebnis des Flüssigkeitsverlusts ist eine Konzentrationserhöhung der roten Blutkörperchen (Erythrozyten), wodurch es zur Erhöhung des Hämatokrit (Hkt) [8] und verbessertem O2-Transport bei einem gegebenen Herzminutenvolumen kommt.

Eine weitere Möglichkeit der Muskulatur mehr Sauerstoff für Stoffwechselprozesse zur Verfügung zu stellen, ist eine größere Menge an Blut zur arbeitenden Muskulatur zu transportieren. Dafür muss entweder die Herzfrequenz oder das Schlagvolumen des Herzens erhöht werden. Bei einem Aufstieg in Höhe, wird das sympathische Nervensystem stimuliert, was zu einer Ausschüttung von Norepinephrin und Epinephrin führt, die Haupthormone, die für die Herzfunktion verantwortlich sind [9] [10] [11]. In den ersten Stunden nach Höhenexposition ist bei submaximaler Belastung das Schlagvolumen (SV) reduziert (in erster Linie aufgrund des im Vergleich zu NN reduzierten Plasmavolumens). Gleichzeitig ist die Herzfrequenz jedoch erhöht, was nicht nur zu einer Kompensation des reduzierten Schlagvolumens beiträgt, sondern sogar für eine leichte Erhöhung des Herzminutenvolumens sorgt [12]. Diese Kompensationsvorgänge reichen jedoch nicht aus, um längere Belastungen durchhalten zu können. Daher beginnt nach einigen Tagen die Muskulatur mehr O2 aus dem Blut zu extrahieren und die arterio-venöse Sauerstoffdifferenz zu erhöhen.

Die bereits erwähnte Hyperventilation [13] und eine erhöhte Herzfrequenz in Ruhe bzw. bei submaximaler Belastung sind die am häufigsten erfahrenen Reaktionen bei geringer und moderater Höhenexpositionen. Beide Akutreaktionen erhöhen die O2-Verfügbarkeit in der arbeitenden Muskulatur.

Bei maximalen Belastungen in großen Höhen, sind Schlagvolumen (aufgrund des verringerten Plasmavolumens) und Herzfrequenz erniedrigt [14]. Es wird angenommen, dass der Grund für die verringerte maximale Herzfrequenz die Aktivität des sympathischen Nervensystems ist. Diese Faktoren führen insbesondere zu einer verringerten VO2max und Leistungsfähigkeit in Höhe.

Laktat-Paradox

Durch die oben beschriebenen Akutreaktionen in Höhe und dadurch, dass eine bestimmte Leistung in Höhe immer bei einem höheren prozentualen Anteil der VO2max als auf NN absolviert werden muss, würde man annehmen, dass anaerobe Stoffwechselprozesse in Höhe erhöht sind, was wiederum zu einer erhöhten Laktatkonzentration bei Belastungen insbesondere über dem maximalen Laktat-steady-state führen müsste. Dies ist auch so, wenn körperliche Belastungen direkt nach Ankunft in der Höhe durchgeführt werden. Jedoch nimmt die Blutlaktatkonzentration bei submaximaler und maximaler Belastung mit zunehmendem Höhenaufenthalt ab, obwohl die VO2max nach der Gewöhnung an die Höhe unverändert bleibt. Bislang gibt es für dieses Phänomen keine akzeptierte Erklärung, was als Laktat-Paradox bezeichnet wird [15] [16] [17].

Langfristige Anpassungen an Höhe: Akklimatisierung

Der geringere pO2 in Höhe führt zu einer Stimulation der Bildung von Erythropoetin (Epo), einem Hormon, das die Bildung roter Blutkörperchen (Erythrozyten) aus Vorgängerzellen im Knochenmark (Erythropoese) steuert [6] [7]. Bereits drei Stunden nach Höhenexposition, kann eine gesteigerte Epo-Konzentration im Blut nachgewiesen werden, welche in den ersten 24 – 48 Stunden weiter ansteigt und nach ca. einer Woche wieder auf das Ausgangsniveau abfällt [18]. Um eine Ausschüttung von Epo durch einen Höhenaufenthalt zu provozieren, muss die Höhe > 2000m betragen [19]. In Höhen über 2100m ist die Epo-Konzentration im Blut negativ korreliert mit der arteriellen Sauerstoffsättigung (SaO2) [20]. Obwohl die Epo-Konzentration nach ca. 28 Tagen wieder auf das Ausgangsniveau zurückgeht, kann eine erhöhte Anzahl an Erythrozyten im Blut (sogenannte Polyzythämie) für mehr als drei Monate nachgewiesen werden. Mit der erhöhten Anzahl an Erythrozyten steigt auch der Hämoglobingehalt im Blut und damit die O2-Transportkapazität.

Auch in der Muskulatur finden durch einen Höhenaufenthalt strukturelle und metabolische Anpassungen statt. Es kommt zu einer Abnahme des Muskelquerschnitts und zu einer Kapillarisierung, was die Versorgung des Muskels mit O2 verbessert [21]. Weiterhin ist nach vier Wochen in Höhe die Mitochondrienfunktion sowie die Aktivität glykolytischer Enzyme signifikant reduziert [21].

Eine Übersicht über die akuten Reaktionen und chronischen Adaptationen auf einen verringerten barometrischen Druck sind in Tabelle 2 aufgelistet.

Tabelle 2. Übersicht über die wichtigsten akuten und chronischen Reaktionen und Anpassungsvorgänge in/auf Höhe.

Zeitdauer Parameter Quelle
Reaktionen nach wenigen Minuten bis Tagen ↑Ruhe-HMV durch ­↑Herzfrequenz
Diurese ↑=> ↓ Plasma- und Blutvolumen [24]
↑ Ventilation in Ruhe und unter (sub) maximaler Belastung =>­ Wasserverlust durch Respiration [2] [25] [26] [27] [28] [29] [30]
↑ Erythropoetin; geht nach ca. 1 Woche auf Ausgangswert zurück [18] [31]
↓ VO2max (ca. 7%/1000m bei gut-trainierten Athleten) [2] [32]
↓ Plasmavolumen resultiert in:­ ↑Hämoglobinkonzentration­ ↑Hämatokrit↑Erythrozytenkonzentration [33] [34]
Bei submaximaler Belastung: ↓ Schlagvolumen durch ↓ SV [14] [22] [23]
Blutlaktat bei submax. Belastung↔ Lamax
↓ Schlafqualität [35]
↓ Appetit
↓ Herzminutenvolumen bei submaximaler und maximaler Belastung [36]
↔ Erythropoetin;­ Hämoglobinmasse ↑­ Erythrozytenkonzentration ↑↔ Blutvolumen [7] [31] [37]
Tage bis Wochen bis Monate VO2max erholt sich wieder, bleibt aber im Vergleich zu NN erniedrigt (↓ 13% beginn auf 2340m, nach 2Wochen nur noch ↑6% auf dieser Höhe) [38]
↑ Ventilation während submaximaler und maximaler Belastung/Arbeit [36]
↑ Mitochondrienkapazität↔ Oxidative Enzymaktivität↑ Diffusionsdistanz von den Kapillaren zu Muskelfasern [21] [39][40]
↑Pufferkapazität↓ Pufferkapazität [40] [41]
↓ Muskelmasse [21]
↓ Blutlaktat während submaximaler und maximaler Belastung/Arbeit (=> Laktatparadox) [42]

Auch wenn es während einem längeren Aufenthalt in Höhe zu Gewöhnungseffekten und Anpassungen kommt, wird die Leistungsfähigkeit und VO2max in Höhe immer geringer sein als auf NN. Nach 7-10 Tagen Aufenthalt in einer Höhe von 1800-2500m ist die Akklimatisierungsphase abgeschlossen und es kann mit intensiverem Training begonnen werden [43]. Die leistungssteigernden Anpassungen durch Hypoxieexposition gehen innerhalb eines Monats nach Rückkehr auf NN wieder verloren [43].

Höhentrainingskonzepte

In den letzten Jahrzehnten wurden mehrere Konzepte entwickelt, mit denen das Höhentraining möglichst effektiv gestaltet werden sollte, um vor allem die Leistung von Ausdauersportlern auf NN zu verbessern und/oder die Akklimatisierung vor Wettkämpfen in Höhenlagen zu optimieren [44]. Athleten nutzen dafür Konzepte, wie „Live High – Train High (HiHi)“ oder Strategien mit intermittierender Höhe, wie „Live High – Train Low (HiLo)“ oder „Live Low – Train High (LoHi)“ [44]. Diese Konzepte können entweder in natürlichen Umgebungen durchgeführt werden oder in Höhenkammern oder -zelten oder -häusern mit “künstlichen“ Manipulation des pO2. Die Vor- und Nachteile der verschiedenen Strategien werden im Folgenden erläutert.

Live High – Train Low – Konzept

Bei diesem Konzept wird versucht, durch das Wohnen in mittleren Höhen (1800-2500m) und das Training in niedrigeren Höhen (< 1300m) eine „optimale“ „Hypoxiedosis“ zu erreichen. Das Ziel ist es, durch das Training in niedrigeren Höhen eine höhere Trainingsintensität durchführen zu können, als in mittleren Höhen.

Das größte Problem in der Trainingssteuerung in Höhe ist die Kontrolle der Trainingsintensität. Der verringerte pO2 führt zu veränderten Bedingungen für das Training: 1) die für die Trainingssteuerung genutzte Biomarker, wie bspw. Herzfrequenz oder Blutlaktat, reagieren verändert in Höhe, 2) die, bekannte NN-Trainingsintensität muss aufgrund der Hypoxie reduziert werden und 3) langfristige Hypoxie kann zu Muskelmassenverlust, verringerter Schlafqualität und Appetitlosigkeit führen. Um diese „Nebeneffekte“ von Höhetraining zu umgehen, favorisieren viele Trainer und Athleten das Live High – Train Low – Konzept. Trotz hoher Trainingsqualität können bei diesem Konzept die folgenden positiven Aspekte des Höhentrainings genutzt werden: 1) erhöhte Epo-Konzentrationen [45][6], 2) eine erhöhte Bewegungs-/Arbeitsökonomie [46][47], 3) erhöhte Pufferkapazität und 4) erhöhte aerobe und anaerobe Leistungsfähigkeit [44][6][48].

Um dieses Konzept erfolgreich durchführen zu können, müssen einige Details beachtet werden. Es wird davon ausgegangen, dass die applizierte „Hypoxiedosis“ pro Tag so lange wie möglich sein soll (bspw. 22 h∙Tag-1, mit einer „Minimaldosis“ von 12 h∙Tag-1). Die Höhe sollte optimalerweise in einem Bereich von 2200-2500m liegen und mind. für 3-4 Woche appliziert werden [44].

Die Durchführung dieses Konzeptes stellt die Athleten und Trainer in der Praxis vor einen großen organisatorischen Aufwand. Die An- und Abreise zum Trainingsort (Ab- bzw. Aufstieg) ist mit viel Reisestress, unterschiedliche Wetterbedingungen in unterschiedlichen Höhen, hoher finanzieller Aufwand, etc. verbunden. Aktuell werden daher Geräte genutzt um künstliche Höhen herzustellen (normobare Hypoxie in Häusern, Zelten, Schlafkammernm etc.), um den positiven Effekte des „live high“ ohne extrem hohen organisatorischen Aufwand umsetzen zu können.

Intermittierende Höhenexposition

Bei diesem Konzept wird der Höhenreiz wenigen Sekunden bis zu mehreren Stunden, wiederholt über Tage bis Wochen angwendet. In den Pausen zwischen den Höhenexpositionen wird auf NN oder niedrigen Höhen zurückgekehrt [49]. Hier sind verschiedene Konzepte denkbar. Entweder es wird Training in Höhenlagen durchgeführt (intermittierendes Höhentraining) oder es wird innerhalb einer Trainingseinheit zwischen Hypoxie und Normoxie gewechselt (intermittierendes Höhenintervalltraining) [50]. Künstliche Höhenexposition (3000 m; O2 = 13.8 %) kombiniert mit sechs Einheiten hoch-intensivem Intervalltrainings scheint ein vielversprechende Alternative zur Leistungssteigerung bei Ausdauerathleten zu sein [54].  Da die kurz Höhenexpositionszeiten ausreichen um eine Steigerung der Epo-Konzentration zu erzielen [51][52] [53] könnte diese Art des Höhentrainings ähnlich positive Effekte und Leistungsverbesserungen bewirken wie „normales“ Höhentraining, allerdings gibt es zwei Hauptkritikpunkte [44]: 1) Die Zeit, die unter Höhenbedingungen verbracht wird, ist meistens zu kurz, um hämatologische Anpassungen hervorzurufen um damit den O2-Transport zu verbessern. 2) Die Trainingsqualität, gemessen an der durchführbaren Intensität während des Trainings, ist deutlich niedriger als auf NN.

Der Vorteil dieses Konzepts ist, dass es zu weniger Nebeneffekten (keine Abnahme der Muskelmasse, bessere Schlafqualität, keine Appetitlosigkeit) kommt.

Es stellt sich natürlich die Frage, in welcher Höhe, für wie lange  die Exposition stattfinden muss, um positive leistungsförderliche Effekte zu erfahren, welche derzeit stark diskutiert und aktuell noch nicht eindeutig beantwortet werden können.

Einzelnachweise

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