Eisen ist für Sportler und insbesondere beim Einsatz des Höhentrainings ein bedeutendes Spurenelement. Als Komponente des Hämoglobins und Myoglobins trägt Eisen maßgeblich zum Sauerstofftransport zur Muskulatur und in alle Zellen des Organismus bei (Sim et al., 2019). Als lebensnotwendiges Spurenelement ist es nicht nur für den Sauerstofftransport, sondern für den Zellstoffwechsel, die DNA-Synthese, die angeborene Immunität, Wachstum und Entwicklung notwendig. Die Verfügbarkeit des Eisens erfolgt in zwei stabilen Oxydationszuständen: zweiwertiges-Eisen (II) Fe2+ (Hem-Eisen) in Fleischprodukten und als dreiwertiges-Eisen (III) Fe3+ (Non-Hem-Eisen) in Pflanzenprodukten. Täglich kommt es zu einem Eisenverlust von 1–2 mg/dl über Schweiß, Urin und Stuhl (Hastka, Heimpel, Metzgeroth, & Wollmer, 2018; Malyszko, Tesař, & Macdougall, 2010; Kassebaum et al., 2014; Brune, Magnusson, Persson, & Hallberg, 1986). Bei Frauen erfolgt ein zusätzlicher Eisenverlust über die Menstruation. Das aus der Nahrung resorbierte Eisen kompensiert diese Verluste oder das Eisen wird in nichttoxischer Menge aus den Körperspeichern geholt. Die Weiterverwertung des vom Dünndarm über die Enterozyten aufgenommenen Eisens erfolgt über die Zufuhr mit dem Blut zur Leber und zu den Makrophagen. Etwa 60 % des Eisens sind im roten Blutfarbstoff, dem Hämoglobin, gespeichert. Weitere 25 % sind als Depoteisen an Ferritin oder Hämosiderin gebunden, und etwa 3,5–5 % sind im Sauerstoffspeicher der Herz- und Skelettmuskulatur als Myoglobin eingelagert (Ganz, 2013; Sangkhae & Nemeth, 2017). Insgesamt speichert der Körper 4–5 g Eisen oder 35–55 mg Eisen pro Kilogramm Körpergewicht. Der große Eisenspeicher in der Leber (400–1000 mg) ist bedeutsam für einen beschleunigten Eisenbedarf (Andrews, 1999; Sim et al., 2019).

Regulation des Eisenstoffwechsels

Das auf der Erde vierthäufigste Element Eisen kann durch bestimmte Formen der Nahrungsaufnahme zur Eisenunterversorgung und damit Störungen in der Leistungsfähigkeit bis hin zum Krankheitsbild der Anämie führen (Malyszko et al., 2010; Kassebaum et al., 2014). Die Eisenaufnahme wird über die duodenalen Enterozyten und Makrophagen durch den Plasma-Membrantransporter Ferroportin reguliert (Abboud & Haile, 2000; McKie et al., 2000). Die Verfügbarkeit von Eisen in den Zellen ist abhängig von der Bindung an das Plasmaprotein Transferrin. Mit Hilfe von Plasma-Transferrin wird das Eisen zu den heranreifenden Erythroblasten im Knochenmark und den Retikulozyten transportiert. Das an Transferrin gebundene Eisen kommt überwiegend von den Makrophagen des retikuloendothelialen Systems (RES) und der Leber. Von dem aus dem Duodenum und Jejunum resorbierten Eisen kommt nur ein kleiner Teil direkt in das Blutplasma.

Die seneszenten Erythrozyten werden nach ihrer Lebenszeit von etwa 120 Tagen in den Makrophagen des RES abgebaut und ihr Eisen in einer Menge von 20–25 mg/Tag anschließend zur Wiederverwertung über das Blut dem Knochenmark zur Hämoglobinbildung zugeführt (Andrews, 1999). Daneben wird auch eine bestimmte Eisenmenge in den Zellen des RES als Hämosiderin und Ferritin gespeichert. In Abhängigkeit von der Menge des zugeführten Eisens unterliegen die Speicher starken Schwankungen. Die enterale Aufnahme von Eisen wird von dem in der Leber gebildeten Hormon Hepcidin gesteuert. Das Hepcidin kontrolliert die Bildung des Ferroportins in den eisenexportierenden Zellen, den Enterozyten, Makrophagen und Hepatozyten (Ganz, 2013; Sangkhae & Nemeth, 2017). Das Hepcidin schützt den Organismus vor Eisenüberladung. Die Regulation der Eisenspeicher ist vom Hepcidin abhängig. Die Anpassungsmechanismen der Eisenverfügbarkeit werden im Fall einer Anämie durch einen Erythroid-Faktor ermittelt, der als Erythroferron (ERFE) bezeichnet wird (Coffey & Ganz, 2018; Del Orbe Barreto et al., 2019).

Das ERFE wird von einem Erythroidprecursor im Knochenmark und in der Milz gebildet, indem es auf die Stimulation von Erythropoitin (EPO) reagiert. Das gebildete ERFE induziert die Suppression des Hepcidin während der ansteigenden erythropoetischen Aktivität und dem Anstieg der Eisenverfügbarkeit für die neue Erythropoese (Del Orbe Barreto et al., 2019).

Die Freisetzungsrate des Eisens ist abhängig von der Menge des Ferroportins in den eisenexportierenden Zellen (Abboud & Haile, 2000). Für den beschleunigten Eisenbedarf ist der Eisenspeicher in der Leber von Bedeutung (Andrews, 1999). Die Synthese des Hepcidin in der Leber wird über multiple Stimuli reguliert. Zu diesen Stimulatoren gehören Ferroportin und Transferrin. Der Hauptzelltyp in der Leber, die Hepatozyten, sezernieren das Hepcidin (Park, Valore, Waring, & Ganz, 2001). Die Hepcidin-Transcription wird über die Blutplasmakonzentration des Eisens, die Eisenspeicher in der Leber, bei Entzündungen und durch die Erythropoese stimuliert (Ganz & Nemeth, 2011). Das Hepcidin bremst eine überschüssige Eisenresorption in den Enterozyten durch Herabregulierung des Metalltransporters (DMT 1) und die Hemmung des Eisenexporters Ferroportin. Die Bildung und Freisetzung des Hepcidins wird durch Transferrinrezeptoren (TfR1, TfR 2), das Hämochromatoseprotein (HFE) und Hämojuvelin beeinflusst. Letztlich wird bei Hypoxie, Eisenmangel oder Anämie die Hepcidinbildung in der Leber vermindert, um die Eisenresorption im Darm über das Ferroportin zu erhöhen (Hastka et al., 2011). Um die Eisenaufnahme bei Mangelzuständen im Körper zu erhöhen, werden zusätzlich im Darm weitere spezielle Proteine hochreguliert, wie der „divalent metal transporter 1“ (DMT 1, die Reduktase [DCYTB: „duodenal cyclochrome b“]), Hephästin, Ferroportin 1 und dem „hepatic enhancers 1“ (HCR 1). Für den Valenzwechsel, der Fe++ zu Fe+++ überführt, ist das Hephästin, eine kupferhaltige transmembranäre Ferroxidase in den Enterozyten zuständig (Milto, Suhodolo, Prokopieva, & Klimenteva, 2016). Damit wird deutlich, wie fein und sicher die Eisenversorgung des Körpers bei Störeinflüssen, wie Sauerstoffmangel im Höhentraining, reguliert wird. Der Serum-Ferritin gilt als Maßstab für den Füllungszustand der Eisenspeicher (Hastka, Metzgeroth, & Gattermann, 2018) und es besteht eine enge Korrelation zum Eisenspeicher im Knochenmark. Wird dem Körper über den Darm (Eisen-Medikamente) oder durch Injektion reichlich Eisen angeboten, dann reguliert das Hepcidin die Eisenaufnahmekapazität über das Ferroportin herunter und der Körper wird über 24 h vor Eisenüberladung geschützt (Ganz & Nemeth, 2006).

Ursachen und Folgen der Eisenunterversorgung im Leistungssport

Eisen ist für den Athleten ein notwendiges Spurenelement, welches eine strukturelle Komponente in den Sauerstoffspeichern Hämoglobin und Myoglobin ist. Beide sichern die Sauerstoffversorgung der Muskelzelle in Ruhe und bei Belastung. Die sportliche Belastung führt zu einem erhöhten Sauerstoffbedarf und damit zwangsläufig zu einem höheren Bedarf in der Sauerstofftransportkapazität. Kommt es zu einem Eisenmangel, dann kann die Sauerstofftransportkapazität nicht zunehmen. Für den Eisenmangel gibt es unterschiedliche Ursachen (Tab. 1). Die Gründe liegen hauptsächlich in der Ernährung, wobei Vegetarier und Veganer häufiger betroffen sind. Für den Sportler sind mechanische Traumatisierung der roten Blutkörperchen von praktischer Bedeutung. Dieses Phänomen wurde bereits Ende des 19. Jahrhunderts erkannt und als Marschhämoglobinurie beschrieben (Fleischer, 1881).

Tab. 1 Drei Stufen des Eisenmangels. (Mod. nach Tussing-Humphreys, Pustacioglu, Nemeth, & Braunschweig, 2012)
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Die sportliche Belastung führt zu einem erhöhten Eisenbedarf, der besonders bei Kindern und jungen Athletinnen, häufig auch aufgrund einer vegetarischen und veganen Ernährungsweise, nicht gedeckt werden kann. Folgen der Eisenunterversorgung sind Müdigkeit und Leistungsstagnation im Training. Hinzu kommen trockene Haut, Rhagaden in Mundwinkeln, brüchige Fingernägel und erhöhte Kälteempfindlichkeit (Smith, Martin, Telford, & Ballas, 1999). Besonders auffallend ist bei einer Eisenunterversorgung die Zunahme der Infektanfälligkeit und Antriebslosigkeit. Auch ein andauerndes Energiedefizit, bei versuchten Gewichtsabnahmen oder Hochbelastungsphasen, bremst die Proteinsynthese (Stoffwechselkatabolismus) und damit auch die Hämoglobinbildung (Mountjoy et al., 2014).

Durch erhöhten Stress, wie abrupter Belastungssteigerung, werden vermehrt reaktive Sauerstoffverbindungen gebildet („reactive oxygen species“ [ROS]), die reaktionsfreudig auf körpereigene Gewebe als Sauerstoffradikale einwirken (Ashton et al., 1998). Dadurch wird das antioxydative Potenzial stark gefordert. Zwischen der Entstehung von ROS und ihrer Eliminierung besteht normalerweise eine Balance, die durch Stress oder Belastung unter Hypoxie störbar ist (Fehrenbach et al., 2003). Die abnehmende Deformierbarkeit der Erythrozyten durch oxidativen Stress führt zu einer vorzeitigen Alterung oder Zerstörung derselben (Mohanty, Nagababu, & Rifkind, 2014). Die Fähigkeit zur Neutralisation der freien Radikale ist begrenzt, sodass die Funktionsbeeinflussung der Erythrozyten und die Sauerstoffversorgung der Zellen bei der Mikrozirkulation durch unzureichend oxygeniertes Hämoglobin begrenzt wird. Auch ein Eisendefizit selbst erhöht den oxydativen Stress für die Erythrozyten, indem es zur Autooxydation des Hämoglobins und zur Verkürzung der Lebenszeit der Erythrozyten kommt (Nagabatu et al., 2008). Da die körpereigene antioxydative Abwehr ab dem 30. Lebensjahr abnimmt, könnten Supplementierungen mit Antioxidanzien, z. B. antioxidativ wirkende sekundäre Pflanzenstoffe (Karotinoide, Polyphenole, Liponsäure, Q 10, Glutathion u. a.), hilfreich sein (Hahn & Wolters, 2000).

Zu einem weiteren Eisenverlust kann es bei der mechanischen Traumatisierung der Erythrozyten über die Fußsohlen beim Laufen oder über die Handflächen bei Ballspielen kommen. Bei Langstreckenläufern kann zudem durch mechanisches Anschlagen der halbgefüllten Blase an die Beckenknochen Blut in den Urin gelangen. Mit dem Schweiß, dem Urin und Stuhl gehen durchschnittlich dem Körper 0,15–0,3 mg/l Eisen täglich verloren (Clarkson & Haymer, 1995). Bei einem Schweißverlust von drei Litern bei einem Ausdauerlauf wurde ein Eisengehalt von 0,21 mg/l gemessen (Brune et al., 1986). Auch beim Langdistanztriathlon (Ironman) kam es zu einer Hämolyse, das Haptoglobin nahm im Mittel um 32 % ab. (O’Toole, Hiller, Roalstad, & Douglas, 1988). Das Haptoglobin entsorgt alte und defekte Erythrozyten. Die mechanische Belastung bei der Fußlandung im Lauf ist die Hauptursache der Hämolyse, es betrifft meist die seneszenten Erythrozyten. Bei Radsportlern ist die Hämolyse deutlich niedriger (Telford et al., 2003).

Bei der Bewertung des Sauerstoffversorgungszustands anhand des Blutbilds ist zuerst an die Diagnose einer möglichen Sportleranämie oder Pseudoanämie zu denken (Harris, 2000). Beim intensiven Ausdauertraining kann es zu einer Hämodilution kommen. Die Hämodilution beträgt im Leistungstraining 10–20 % (Bärtsch, Mairbäurl, & Friedmann, 1998). Demzufolge fallen bei der Blutverdünnung die Messwerte von Hämoglobin und Hämatokrit ab. Die Hämodilution ist ein messtechnisches Problem infolge des Verdünnungseffekts auf die Verteilung der Blutzellen. Andererseits können dehydrierende Ausdauerbelastungen, z. B. bei Hitze, zu einer kurzzeitigen Hämokonzentration führen, d. h., Hämoglobin und Hämatokrit sind erhöht (Sim et al., 2019).

Stadien des Eisenmangels

Der Eisenmangel verläuft meist stufenförmig. Mittels Laboruntersuchungen kann ein prälatenter, latenter oder manifester Eisenmangel diagnostiziert werden (Wick, Pinggera, & Lehmann, 2002). Im ersten Anfangsstadium, dem prälatenten Eisenmangel ist die Körpereisenreserve vermindert. Es kommt zu einem Mangel des Speichereisens Ferritin. Da das Ferritin auch zu den Akute-Phase-Proteinen gehört, steigt es auch ohne Eisenmangel bei Entzündungen stark an. Zur Kontrolle ist das C‑reaktive Protein (CRP) zu bestimmen, welches dann bei Entzündungen über 5 mg/l ansteigen kann. Das ist diagnostisch dann zu belegen, wenn das Ferritin bei Entzündungen im Plasma über 100 µg/l ansteigt. Exzessive Belastungen können Akute-Phase-Reaktionen im Organismus induzieren. Indizien für die Akute-Phase-Reaktion sind Leukozytose, Anstieg des CRP sowie Anstiege der Zytokine des Immunsystems (IL-1α, IL‑6, IL-10, TNF α; Gabriel, Müller, & Kindermann, 2000; Pedersen & Pedersen, 2005). Im ersten Stadium des Eismangels sind Erythropoese und Hämoglobin noch normal (Tab. 1). Die Ursachen für die Entwicklung eines Eisenmangels sind vielfältig (Tab. 2).

Tab. 2 Ursachen für die Entwicklung eines Eisenmangels
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Die zweite Stufe des latenten Eisenmangels ist durch eine Minderversorgung der Erythropoese mit Eisen charakterisiert. Hier kommt es zu einer unzureichenden Bildung von erythropoetischen Vorläuferzellen im Knochenmark. Sie sind hypochrom und mikrozytär. Die Hämoglobinwerte sinken bei Frauen unter 12 g/dl bzw. bei Männern unter 13 g/dl ab. Die Diagnose einer beginnenden eisendefizitären Erythropoese wäre bei Sportlern gesichert, wenn gleichzeitig die Transferrinsättigung unter 20 % absinkt und das Ferritin Werte unter 30 µg/l bei Männern und 15 µg/l bei Frauen erreicht (Tussing-Humphreys et al., 2012; Provenzano, Lerma, & Szczech, 2018). Die möglicherweise abgesunkene Eisenkonzentration im Plasma würde die Diagnose stützen.

Die dritte und höchste Stufe ist die Eisenmangelanämie. Hier liegt ein manifester, absoluter Eisenmangelzustand in allen Eisenspeichern vor. Hierbei sind stark erniedrigt das Hämoglobin, das Ferritin und die Transferrinsättigung bei erhöhtem Serumtransferrin. Hinzu kommen noch größere Reifestörungen in den Erythrozyten, wie stark hypochrome Erythrozyten (MCH) und ein stark erniedrigtes korpuskuläres Volumen (MCV).

Bei Leistungssportlern sollte präventiv diagnostiziert werden, da ein eingetretener Eisenmangel eine längere Behandlung und Leistungsdefizit bedeutet. Zuerst sind die Eisenspeicher über das Ferritin zu bewerten, hier gibt es unterschiedliche Auffassungen zu Normwerten, zumal das Ferritin ein Protein der akuten Phase ist. Das bedeutet, dass ein Entzündungszustand oder Belastungsstress einen hohen Ferritinwert ausweisen und allein bestimmt, zu Fehlschlüssen führen kann.

Beeinflussung der Eisenzufuhr über die Ernährung

Da der Körper selbst kein Eisen bilden kann, ist er auf die ständige Zufuhr des Spurenelements Eisen über die Nahrung angewiesen. Ernährungsphysiologisch ist der Eisengehalt in Lebensmitteln weniger vom absoluten Eisengehalt von Bedeutung als von der Bioverfügbarkeit (Hahn, 2009). In der Ernährung ist die Eisenzufuhr über tierische Produkte eindeutig der Eisenzufuhr über pflanzliche Produkte überlegen. Das in tierischen Produkten enthaltene Hämeisen (Fe++) ist besser verwertbar als die in Pflanzen enthaltenen anorganischen Eisenverbindungen (Fe+++; Hunt, 2005). Die Hauptlieferanten von Eisen sind Leber, Fleisch, Fisch und in geringer Menge Milchprodukte. Für die vegetarisch orientierten Sportler sind Weizenkleie, Sojabohnen, Hirse, Weizenkeime, getrocknete Aprikosen, Haferflocken, Mandeln, u. a. zu bevorzugende Eisenquellen. Die Eisenmengen in Pflanzen sind deutlich geringer als in tierischen Produkten. Bestimmte Nahrungsmittel (Tab. 3) enthalten Wirkstoffe, welche die Eisenaufnahme im Darm behindern (Carlsohn, Scharhag, & Mayer, 2009; Souci, Fachmann & Kraut, 2016).

Tab. 3 Beeinflussung der Eisenresorption durch Nahrungsmittel
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Zusammen mit einem Eisendefizit kann es bei Sportlern zu einem Mangel an Vitamin B12 (Cobalamin) kommen. Das Vitamin B12 steuert die Aufnahme von Folsäure in die Erythrozyten und ist damit für den Ablauf der Erythropoese unentbehrlich. Das Defizit von Vitamin B12 wird meist durch fleischarme oder fleischlose Ernährung begünstigt (Antony, 2003). Die Ernährungsform der Veganer und Vegetarier kann zu einer Blutkonzentration von <300 ng/l an Vitamin B12 führen; einem deutlichen Zeichen der Unterversorgung. Weitere Ursachen des Vitamin-B12-Mangels sind gastrointestinale Erkrankungen (z. B. Durchfälle) und Medikamente (z. B. Säureblocker, Antibabypille, Antidiabetika u. a.). Ein Mangel an Vitamin B12, Folsäure und Vitamin B6 stört den Homozysteinstoffwechsel (Antony, 2003).

Höhentraining und Eisenstoffwechsel

Vor einem Höhentraining sollten ein großes Blutbild und der Zustand des Speichereisens (Ferritin), des Transporteisens (Transferrinsättigung) und des Funktionseisens (Hämoglobin) bestimmt werden. Bei der Bestimmung von Hämoglobin und des Eisenzustands vor und nach einem Höhentraining wurde festgestellt, dass Sportler, beiderlei Geschlechts, mit niedrigem Gesamthämoglobin vom Höhentraining besonders profitieren (McLean, Buttifant, Gore, White, & Kemp, 2013). Im Idealfall ist am Ende eines Höhentrainings mit einer Zunahme der Sauerstofftransportkapazität zu rechnen. Das Höhentraining kann ohne oder auch mit zusätzlicher Eisenaufnahme durchgeführt werden, je nachdem, wie die Eisenausgangwerte der Sportler sind (Tab. 4).

Tab. 4 Blutmesswerte und Empfehlungen zur Eisensupplementation vor und während des Höhentrainings. (In Anlehnung an Garvican-Lewis, Govus, Peeling, Abbiss, & Gore, 2016; Tussings-Hamphreys et al., 2012; Provenzano et al., 2018)
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Bei einem zwei- bis vierwöchigen Höhenaufenthalt (1350–3000 m) nahm die Hämoglobinmasse bei 178 untersuchten Sportlern um 1,1 % (ohne Eisensupplementation), 3,3 % (105 mg Eisen/Tag) und 4,4 % (210 mg Eisen/Tag) zu (Govus, Garvican-Lewis, Abbiss, Peeling, & Gore, 2015). Die Sicherung der Eisenversorgung der Athleten gehört, neben der kalorisch gesicherten Energieaufnahme, zu wesentlichen Voraussetzungen des Höhentrainings (Stellingwerff et al., 2019). Athleten mit niedrigem Eisenstatus ist vor einem Höhentraining eine Aufnahme von Eisenpräparaten, in Abstimmung mit dem betreuenden Arzt, zu empfehlen. Zur Anwendung werden sowohl zwei- als auch dreiwertige Eisenpräparate in einer Dosierung von 40 bis 200 mg empfohlen (Constantini, Wilhite, & Chapman, 2017). Die venöse Eisenzufuhr ist in Ausnahmefällen, wenn medizinisch begründet, möglich und wirksam. Eine intravenöse Eisenzufuhr während des Höhentrainings hatte keine Vorteile gegenüber der oralen Applikation, die Zunahme des Gesamthämoglobins war gleich hoch (Garvican-Lewis et al., 2018).

Wirkung des Höhentrainings auf die Leistungsfähigkeit

Die leistungsfördernde Wirkung eines kombinierten Höhen- und Flachlandtrainings wurde von Levine & Stray-Gundersen (1997) erstmals wissenschaftlich belegt und publiziert. Weitere Arbeiten kamen zu unterschiedlichen Resultaten bezüglich der Leistungssteigerung oder Nachwirkung eines Höhentrainings (Lundby, Millet, Calbet, Bärtsch, & Subudhi, 2012). Aus wissenschaftlicher Sicht wurde der leistungssteigernde Effekt des Höhentrainings im Flachland angezweifelt (Friedmann & Bärtsch, 1999; Friedmann, 2000). Über die Rolle des Eisens bei der Hämoglobinbildung beim Flachlandtraining wurde mehrfach publiziert. So fanden Magazanik et al. (1991), dass es nach Aufnahme von 160 mg Eisen über 7 Wochen bei jungen Athletinnen nach 21 Tagen zum Anstieg des Hämoglobins um 9,3 % und der maximalen Sauerstoffaufnahme (VO2max) um 7,5 % kam. Bereits am 7. Tag stieg das 2,3-DPG um 22 % an, das heißt, die Sauerstoffabgabe vom Hämoglobin an das Muskelgewebe war verbessert. In den Folgejahren wurden sowohl positive als auch negative Auswirkungen des Höhentrainings auf den Organismus der Leistungssportler beschrieben. Dabei wurden zur Argumentation unterschiedliche Messgrößen herangezogen. Zu den objektiven Kriterien der Wirkung eines Höhentrainings zählt gegenwärtig die Zunahme der Gesamthämoglobinmasse, die nach Rückkehr ins Flachland nur etwa 3 Wochen anhält und dann wieder abnimmt (Gore et al., 2013; Brocherie et al., 2015; Govus et al., 2015). In einem Review-Artikel abstrahierten Wehrlin, Marti, und Hallén (2016), dass es erst bei 400 h Aufenthalt und Training in mittleren Höhen zu einer Hämoglobinmassenzunahme von 5–6 % kommt. Da das Höhentraining nicht nur unter natürlichen Bedingungen, sondern auch unter künstlichen Bedingungen (z. B. Hypoxiezelt) durchgeführt wird, war unklar, wie lange die Hypoxieexposition dauern soll, damit ein Effekt in der Zunahme der Sauerstofftransportkapazität eintritt. Aus der Summe der hierzu vorliegenden Publikationen entwickelten Garvican-Lewis, Sharpe, und Gore (2016) mathematische Berechnungsmodelle für die Zunahme des Gesamthämoglobins aus realer Höhe und Höhenaufenthaltsdauer. Die höchste Korrelation (r = 0,77) zu den publizierten Daten zeigte sich in einer exponentiellen Modellkurve. Aus der Abflachung der Kurve wird ersichtlich, dass bei einem zu langen Höhenaufenthalt die Wirkung auf das hämatopoetische System unter Hypoxie nachlässt (Abb. 1).

Abb. 1
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Zusammenhang von Höhenexposition (km * h = Höhe/1000 × Aufenthaltsdauer in Stunden) und relativer Zunahme des Gesamthämoglobins. (Mod. nach Garvican-Lewis et al., 2016)

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Die Vervollkommnung der Adaptation an mittlere Höhen im Leistungssport erfordert in Zusammenfassung aller internationalen Publikationen eine ausreichende Energieverfügbarkeit, Sicherung der Eisenversorgung, Einhaltung des Kohlenhydrat- und Proteinanteils in der Ernährung, Verhinderung einer Dehydratation sowie die Zufuhr von Antioxidantien und weiterer leistungsunterstützender Supplemente (Stellingwerff et al., 2019). Beim Höhentraining kommt es zuerst zum Anstieg der Pufferkapazität (Gore et al., 2001). Mit der kurzzeitigen Zunahme des 2,3-Diphosphoglycerats (2,3-DGP) kommt es zu einer Linksverschiebung der Sauerstoffsättigungskurve und der Sauerstoff gelangt leichter in die Muskelzellen (Martínez, Fernández, Lázaro, & Mon, 2017). Auch das Plasmavolumen nimmt ab (Siebenmann, Robach, & Lundby, 2017). Die Abnahme des Plasmavolumens erfolgt schneller und ausgeprägter als die Zunahme des Blutzellvolumens. Damit geht in den ersten Wochen des Höhenaufenthaltes eine Verringerung des zirkulierenden Blutvolumens einher (Siebenmann et al., 2017). Die anfangs des Höhentrainings beobachtetet Zunahme der Hämoglobinkonzentration und des Anstiegs des Hämatokrits beruht nicht auf einer Zunahme der Erythrozytenmasse, sondern auf einer Abnahme des Plasmavolumens; die Ursache ist bisher ungeklärt (Friedmann, 2000). Die durch den Verlust an Plasmavolumen bedingte Reduktion des Blutvolumens hält etwa 3 bis 4 Wochen an (Sawka, Convertino, Eichner, Schnieder, & Young, 2000). Zur Erfassung von Veränderungen im Plasma- oder Erythrozytenvolumen wird bei Sportlern entweder das Plasmavolumen durch Verdünnungsmessungen eines an Albumin gebundenen Farbstoffes (Evans Blau) gemessen oder das Gesamtkörperhämoglobin durch Messung der Konzentrationsänderungen im CO-Hämoglobin nach Einatmung einer definierten Menge CO bestimmt (Schmidt & Prommer, 2010).

Bei 39 Läufern, die über 4 Wochen auf 2500 m Höhe lebten und trainierten sowie täglich bis zu 400 mg Eisen oral substituierten, wurde bereits nach 30 h ein starker Anstieg von EPO gemessen, welches zu einer Erythrozytenzunahme führte (Chapman, Stray-Gundersen, & Levine, 1998). Bei den Athleten, die 2 Tage nach dem Höhentraining ihre Laufleistung in einem 5000 m Lauf steigern konnten, zeigten sich in den ersten beiden Wochen signifikant höhere EPO-Anstiege. Die Ursache für die interindividuelle Variabilität der unterschiedlichen EPO-Anstiege kann aus mehreren Faktoren resultieren (Friedmann et al., 2005), die zum Teil genetischen Ursprungs sein können und eine individuell unterschiedliche Expression des Hypoxiefaktors HIF 2α induzieren, welcher maßgeblich die Erythropoese unter Hypoxie über das EPO steuert (Martínez et al., 2017; Pialoux et al., 2009, Scortegagna et al., 2005).

Der Transcriptionsfaktor HIF‑1, der aus α‑ und β‑Untereinheiten besteht, hat eine Schlüsselfunktion in der sauerstoffabhängigen Genexpression (Semenza, 1998, 2000a, 2000b). Während der HIF-1α-Faktor bei Hypoxie rapide akkumuliert wird, übernehmen die dimeren Proteine HIF-2α, HIF-3α sowie HIF-2β (ARNT2 und ARNT3) andere biologische Funktionen zur Minderung der Hypoxieeinflüsse auf die Körperzellen und deren Schutz (Jiang, Zheng, Leung, Roe, & Semenza, 1997; Martin, Diamond, Gronthos, Peet, & Zannettino, 2011).

Unter Normoxie wird der HIF-Faktor ständig abgebaut, seine Hydroxilierung erfolgt über das Hippel-Lindau-Tumorsuppressionsprotein (pVHL), welches die HIF-1α-Moleküle inaktiviert. Hingegen wird bei der Einwirkung einer Hypoxie auf den Organismus (z. B. Höhentraining, Erkrankungen, Geburt) der Abbau des HIF-Faktors unterbunden. Die HIF-Untereinheiten wandern dann in den Zellerkern und führen zur Expression der Zielgene. Zu diesen Zielgenen gehört auch das EPO, der endotheliale Wachstumsfaktor (VEGF) und andere Faktoren. Damit ist der HIF-Faktor der entscheidende Vermittler bei der zellulären Anpassung an die Hypoxie. Er reguliert zusätzlich die Gene für Glukoseversorgung, Wachstum, Kohlenhydratstoffwechsel, Redoxreaktionen und Gefäßneubildung (Durchblutung) (Jiang et al., 1997).

Das Höhentraining beeinflusst nicht nur hämatologische Faktoren über das HIF 1α, sondern auch nichthämatologische Faktoren (Gore, Clark, & Saunders, 2007). Zu diesen gehören die Angiogenese, die effektivere Sauerstoffversorgung auf mitochondrialer Ebene und die Zunahme der Pufferkapazität, welche eine größere Toleranz gegenüber der Laktatbildung bei anaeroben Belastungen bewirkt (Gore et al., 2007).

Bei einem Höhentraining der Biathleten wurde bereits nach 24 h Höhenaufenthalt der höchste EPO-Anstieg gemessen (Czuba et al., 2014). Bei einem Vergleich von Flachland- und Höhentraining steigerte Letzteres die maximale Sauerstoffaufnahme und die Laufleistung über 3000 m; die Sportler bekamen in der Höhe zusätzlich 120 mg Eisen pro Tag (Park, Park, & Lim, 2019).

Bei Sportlern mit hohen Ausgangswerten des Hämoglobins führte ein („live high train low“) Höhentraining bei Ausdauerläufern und Hockeyspielern zu einem weiteren Anstieg des Gesamthämoglobins, jedoch zu keiner Veränderung der auf das Körpergewicht bezogenen relativen Hämoglobinmasse (Hauser et al., 2018). Bei hinreichender Eisenversorgung vor und während des Höhentrainings kann der höheninduzierte Hämoglobinanstieg maximiert werden (Stellingwerff et al., 2019; Michalczyk, Czuba, Zydek, Zając, & Langfort, 2016; Lundby et al., 2012). Wird eine Hämoglobinzunahme bei gesicherter Eisenversorgung erreicht, dann ist bei 1 g Hämoglobinzunahme mit einem Anstieg der maximalen Sauerstoffaufnahme von 4 ml/min zu rechnen (Schmidt & Prommer, 2010). Die Stimulation der Erythropoese durch Hypoxie führt zur verminderten Freisetzung des Hepcidins in der Leber, dadurch wird die Eisenaufnahme über den Darm erhöht (Badenhorst et al., 2014). Die entscheidenden Voraussetzungen für eine erfolgreiche Anpassung an das Hypoxietraining und eine Leistungszunahme danach im Flachland ist die Sicherung der Energieaufnahme und ausreichende Eisenverfügbarkeit während des Training (Stellingwerff et al., 2019).

Schlussfolgerung

Eine unzureichende Eisenverfügbarkeit und Energieversorgung (Defizit an Kohlenhydraten und Proteinen) kann die Wirkung des Höhentrainings herabsetzen. Ein Speichereisenmangel und eine katabole Stoffwechsellage behindern die Zunahme des Gesamthämoglobins und damit eine Zunahme der Sauerstofftransportkapazität. Eine Eisensupplementation vor und während des Höhentrainings kann sich positiv auf die Zunahme des Gesamthämoglobins auswirken. Dabei sollte auf resorptionshemmende Wirkstoffe in den Nahrungsmitteln geachtet werden. Vor jedem Höhentraining sollte der Zustand des Speichereisens (Ferritin), des Transporteisens (Transferrinsättigung) und des Funktionseisens (Hämoglobin) im Blut bestimmt werden, um die Höhenadaptation zu optimieren.