SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · MÄRZ 200170 SPORTMEDIZIN Das beste Training verhilft kaum zum Sprung in die Weltelite, wenn die individuellen natürlichen Voraussetzungen nicht stimmen. Werden einmal gentechnisch aufgerüstete Superathleten die Wettkämpfe bestreiten? uf die Plätze!“ Es wird still im Stadion von Sydney. Rund 110000 Zuschauer starren gebannt auf die Muskeln, Gene und Leistungssport sechs schnellsten Olympioniken. Wer wird an diesem 24. September 2000 wohl die Goldmedaille erringen? Die Läufer kauern am Start für das 100- Meter-Finale. „Fertig!“ Der Startschuss zerreißt die Stille. Die Menge tobt, als die Sprinter die Startblöcke verlassen. Lediglich 9,87 Sekunden später steht der Gewinner fest: Maurice Greene aus Los Angeles. Warum, ist man geneigt zu fragen, steht nun Greene, der zugleich den Welt- rekord von 9,79 Sekunden hält, und nicht der zweitplatzierte Ato Boldon ganz oben auf dem Treppchen? Schließlich haben sich beide Sportler über Jahre un- ermüdlich und mit gleichermaßen har- tem Training auf diesen Moment vorbe- reitet. Die Antwort ist keineswegs ein- fach; angefangen von der mentalen Ver- fassung des Athleten am Wettkampftag bis hin zum Design seiner Schuhe spie- len viele Faktoren eine Rolle. Gerade für Sprinter ist außerdem auch reine Mus- kelkraft entscheidend. Bei Weltrekordler Greene konnte die Beinmuskulatur, vor allem am Oberschenkel für die kurze Zeit des Sprints etwas mehr Kräfte frei- setzen als bei seinen Konkurrenten. Was zeichnet solche Siegermuskeln aus? An Fragen wie dieser arbeiten welt- weit verschiedene Laboratorien, darunter auch unsere Gruppe an verschiedenen Institutionen in Kopenhagen. Allgemei- ner gefasst geht es um den Auf-, Ab- und Umbau menschlicher Muskeln durch Gebrauch oder Nichtgebrauch. Ein zen- trales Problem beim Sport ist, inwieweit sich Muskeln verändern können, um zum Beispiel den Anforderungen eines Mara- thons oder eines Sprints gerecht zu wer- den. Die Untersuchungen der letzten Jahre gewähren Einblick in die Hinter- gründe sportlicher Spitzenleistungen und beleuchten auch eine weitere wichtige Frage: Werden unsere besten Leichtath- leten, Schwimmer, Radrennfahrer und Skilangläufer bereits als Sieger geboren? Oder kann praktisch jedermann durch Training und Willensstärke zum Cham- pion werden? Quers chnittg elä hmte Weltk las ses printer inakt ive Durch sch nitts mensch en akt ive Durch sch nitts mensch en Mitte lstr eck enläu fer Elite -Mara thonläu fer ext rem e A usdauers portl er Pr oz en ts at z im M us ke lg ew eb e 100 0 20 60 80 40 langsamer Typ I „mittelschneller“ Typ IIa schneller Typ IIx Der „rasante“ Fasertyp menschlicher Muskeln (rot) verkürzt sich rund zehnmal schneller als langsame Typ (blau), der für die Ausdauer entscheidend ist. Muskelaktivität und Myosintyp JE N N IF E R J O H A N S E N Von Jesper L. Andersen, Peter Schjerling und Bengt Saltin A SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · MÄRZ 2001 71 ▲ Im menschlichen Körper ist die Ske- lettmuskulatur sowohl der massigste als auch der anpassungsfähigste Gewebe- typ. Konsequentes Krafttraining kann ei- nen Muskel auf das Doppelte oder Drei- fache vergrößern, wohingegen dieser bei Nichtgebrauch, etwa während eines Weltraumaufenthaltes, binnen zwei Wo- chen unter Umständen um ein Fünftel schrumpft. Die zu Grunde liegenden bio- chemischen und biomechanischen Vor- gänge sind äußerst komplex, aber nach jahrzehntelanger Forschung mittlerweile in gewissem Rahmen geklärt. Was man beispielsweise am Oberarm als Bizeps fühlt, ist im Prinzip nichts anderes als ein Paket gebündelter lang gestreckter Zellen, zusammengehalten durch kollagenes Bindegewebe. Beim Menschen enthält eine einzelne solche Skelettmuskelzelle, eine Muskelfaser, mehrere tausend Kerne mit Erbmaterial und kann bei einer Stärke von nur etwa einem zehntel Millimeter bis zu 30 Zen- timeter lang werden. Das Innere der Rie- senzelle füllen tausende parallel gelager- ter Proteinschnüre; diese so genannten Myofibrillen erstrecken sich von einem Ende der Faser bis zum anderen. Auf Nervenimpulse hin ziehen sie sich zu- sammen, verkürzen so ihre Zelle und den Muskel. Die dafür zuständigen motori- schen Nervenzellen, die Motoneuronen, steuern jeweils eine Gruppe von Fasern: in Beinmuskeln zum Beispiel einige Hundert bis zu über Tausend. Dagegen versorgt ein Motoneuron in fein steuer- baren Muskeln, wie sie etwa zur Bewe- gung der Finger gebraucht werden, höchstens einige wenige Fasern. Das Geheimnis der Muskelbewegung steckt vor allem in den Myofibrillen. Sie bestehen aus winzigen aneinander ge- reihten Kammern, den Sarkomeren. Wenn sich der Muskel kontrahiert, agie- ren darin hauptsächlich zwei Sorten fa- denförmiger Proteine, Myosin und Ak- tin. Die Proteine selbst ziehen sich nicht zusammen. Der Mechanismus ähnelt vielmehr im Prinzip einem altmodischen Teleskop, das eingefahren wird: Die Ak- tinfäden, die von beiden Enden der Kam- mer wie Borsten zwischen das zentrale Myosinbündel ragen, werden zu dessen Mitte gezogen (Abbildung Seite 72). Muskelfasern unterscheiden sich in ihrer Kontraktionsgeschwindigkeit. Hier- für ist nun die chemische Zusammenset- zung des Myosinmoleküls entscheidend, und zwar speziell seine größte Teilkom- ponente, die so genannte schwere Kette. Sie tritt beim Erwachsenen in drei unterschiedlichen Ausprä- gungen auf: den Isoformen I, IIa und IIx (auch IId genannt). Diese Unterteilung gilt dann auch für die entsprechenden Muskelfa- sern: Enthalten sie eine der beiden Formen vom Typ II, spricht man von schnellen Fasern, bei Typ I hingegen von langsamen. Diese Klassifizierung ist durchaus berechtigt, wenn man bedenkt, dass der träge Fasertyp sich etwa zehn- mal langsamer verkürzt als der schnellste der schnellen, nämlich Typ IIx. Die Ge- schwindigkeit von Typ-IIa-Fasern liegt dazwischen. Neben den drei reinen Fa- sertypen gibt es auch Mischfasern mit je zwei unterschiedlichen Myosin-Isofor- men. Ihre funktionellen Eigenschaften richten sich im Allgemeinen nach dem jeweils dominanten Myosintyp. Beeinflusst wird die Kontraktionsge- schwindigkeit der Muskelfasern durch die unterschiedliche Geschwindigkeit, mit der an der schweren Myosinkette Adenosintriphosphat (ATP) gespalten und damit verbraucht wird. Diese Sub- stanz ist der universelle Energielieferant aller Zellen. Da Typ-I-Fasern ihr ATP langsamer spalten und vorwiegend über einen Sauerstoff verbrauchenden Stoff- wechselweg neu gewinnen, eignen sie sich vor allem für Ausdauersport wie Langstreckenlaufen, Radfahren oder Schwimmen. Schnelle Fasern hingegen mit ihrem hohen Verbrauch ermüden ra- scher, können aber kurzfristig über einen sauerstofflosen – anaeroben – Stoff- wechselweg mehr Reserven mobilisie- ren. Ihnen kommt daher eine Schlüssel- funktion bei Kurzzeitbeanspruchungen wie Gewichtheben oder Sprinten zu. Ein gesunder erwachsener Durch- schnittsmensch verfügt etwa über ebenso viele langsame wie schnelle Fasern, zum Beispiel im vorderen Oberschenkelmus- kel, dem vierköpfigen Schenkelstrecker. Allerdings bestehen auch große indivi- duelle Unterschiede im Aufbau typglei- cher Muskeln. So fanden wir im Ober- schenkelmuskel eine Spanne von nur 19 Prozent langsamen Fasern bis hin zu be- Spitzensprinter wie Brian Lewis verfügen über einen höheren Anteil so genannter schneller Muskelfasern in ihren Beinen als etwa Marathonläufer. H O W A R D S C H A T Z ; S C H A T Z / O R N S T E IN S T U D IO SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · MÄRZ 200172 SPORTMEDIZIN merkenswerten 95 Prozent – ideal für den Marathon, aber schlecht für den Hundertmeterlauf (Grafik Seite 70). Muskelfasern, also Muskelzellen, sind außer Stande, sich durch Zellteilung zu vermehren. Gehen sie durch Krankheit oder Alter verloren, können keine neuen mehr entstehen (siehe Kasten auf Seite 74). Ein Muskel kann daher nur an Masse zulegen, wenn sich seine vorhan- denen Fasern verdicken. Und das ge- schieht vorwiegend durch Produktion zu- sätzlicher Myofibrillen. Angeregt wird diese Produktion durch körperliche An- strengung, durch Training beispielsweise. Es belastet Sehnen und andere mit dem Muskel verbundene Strukturen mecha- nisch. Über eine Kaskade von Signalpro- teinen werden dadurch letztlich unter- schiedliche Gene aktiviert werden, die dann wiederum die vermehrte Bildung von kontraktilen Proteinen veranlassen. Dabei handelt es sich zumeist um Myosin und Aktin für den Aufbau neuer Myofi- brillen. Eine vehement gesteigerte Protein- synthese verlangt aber in Muskelfasern nach mehr Zellkernen – auch um ein ge- wisses Verhältnis zwischen dem dann stark wachsenden Zellvolumen und der Anzahl der Kerne aufrecht zu erhalten. Da sich jedoch weder diese Kerne noch die Muskelfasern selbst teilen können, greift der Organismus auf teilungsfähige Satellitenzellen zurück. Diese liegen den Muskelfasern außen an oder wandern eventuell auch in Form anderer Stamm- zellen zu. Bei Bedarf können sie mit ih- rem großen Nachbarn verschmelzen und so deren Dickenwachstum durch „Kern- spende“ unterstützen. mehrere Wissenschaftler, unter ihnen der Medizinnobelpreisträger von 1963 John C. Eccles von der australischen National- Universität in Canberra, dass sich bei tie- rischen Skelettmuskeln langsame und schnelle Fasertypen ineinander umwan- deln lassen. Die Forscher bedienten sich dabei hauptsächlich der so genannten Kreuz-Innervation. Sie vertauschten die Nerven zwischen einem insgesamt lang- samen und einem insgesamt schnel- len Muskel. Verblüffenderweise kehrten sich deren Kontraktionseigenschaften um. Ferner reizten die Forscher jeweils einen Muskel elektrisch über längere Zeit, um ihn zu aktivieren. Oder sie durchtrennten seinen Nerv, um das Gegenteil zu erreichen. In den siebziger und achtziger Jahren verschob sich dann der Schwerpunkt auf menschliche Muskulatur und dort vor al- lem auf die Frage, wieweit auch unsere Muskelfasern ihre Größe und Eigen- schaften ändern können. Diese allgemein als Plastizität bezeichnete Fähigkeit of- fenbart sich im Extrem nach einer Quer- Diese Quelle neuer Zellkerne sprudelt bemerkenswerterweise immer dann be- sonders stark, wenn hartes Muskeltraining die Fasern strapaziert hat. Einer gängigen Theorie zufolge entstehen nämlich dabei winzige Risse, so genannte Mikroläsio- nen, die wie ein Magnet auf die spinnen- förmigen Satellitenzellen wirken. Diese wandern zu der verletzten Region und be- ginnen dort, Proteinmaterial zur Repara- tur herzustellen. Außerdem teilen sie sich. Einige von ihnen verschmelzen mit den Fasern, andere verbleiben weiterhin als Satelliten außerhalb. Die gespendeten Zellkerne, die übrigens von den bereits enthaltenen nicht zu unterscheiden sind, schaffen die Voraussetzung zur groß ange- legten Produktion von weiteren Proteinen und damit von zusätzlichen Myofibrillen in der Faser. Für die Produktion greift die Muskel- zelle, genau wie jede andere Zelle, auf die Bauanweisung der jeweils zuständi- gen Gene im Zellkern zurück. Von dort geht eine Abschrift an die Proteinfabri- ken im Zellplasma. Fachleute bezeich- nen die Schritte vom Gen zum Protein als Expression, als Ausprägung. Der Stoff, aus dem Muskeln sind Das wissenschaftliche Interesse an Ske- lettmuskeln konzentriert sich unter ande- rem auf zwei, besonders auch für Sport- ler interessante Fragen: Wie können Muskeln durch Training und andere Rei- ze aufgebaut werden, und wie kann sich dabei ein Fasertyp in einen anderen um- wandeln? Die Vorgeschichte reicht bis in die sechziger Jahre zurück. Damals zeigten Literaturhinweise Muskulärer Energiestoffwechsel und Sport. Von H. Wackerhage und D. Leyk. Verlag Sport und Buch Strauß, Köln 2000. Die genetische Kraftspritze. Von G. Zorpette in: Spezial: Der High- Tech-Körper, S. 80, Spektrum der Wissenschaft, Heidelberg 1999. Molekulare Muskelmaschinen. Von S. Galler in: Spektrum der Wis- senschaft, Februar 2001, S. 36. Weblinks unter: www.spektrum.de/ aktuellesheft.html 1. Ein Skelettmuskel besteht hauptsächlich aus lang gestreckten Riesenzellen, den Muskelfasern. 2. Angefüllt sind sie mit Myofibril- len, langen „Schnüren“ aus aneinander gereihten kontraktilen Elementen, den Sarkomeren. 3. Diese kleinen Gefache enthalten die Schlüsselstrukturen der Muskelzellen: parallele Proteinfäden aus Myosin und Aktin. Beide gleiten bei einer Muskelbewegung teleskopartig aneinander vorbei. Muskelarchitektur Nerven- faser Muskel Binde- gewebe Zellkerne Muskel- faser- bündel Membran der Muskelzelle, der Muskelfaser Myofibrille Filamente Sarkomer Aktin- filament Myosin- filament K E IT H K A S N O T SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · MÄRZ 2001 73 schnittlähmung. Die betreffenden Mus- keln schwinden dann rapide, weil die fehlenden Nervenimpulse sie untätig ma- chen. Etwas unerwartet verändert sich aber auch der Muskeltyp, und zwar so, dass sich der Anteil der langsamen Myo- sinvariante zu Gunsten der schnelleren deutlich verringert. Wie wir unter anderem nachgewie- sen haben, enthält nach fünf bis zehn Jahren Lähmung ein bestimmter „Unter- muskel“ des vierteiligen Schenkelstre- ckers – der äußere Schenkelmuskel – oft fast kein langsames Myosin mehr, wäh- rend sonst durchschnittlich die Hälfte seiner Zellen zum langsamen Typ gehört. Daraus schlossen wir, dass es einlaufen- der elektrischer Impulse bedarf, damit Muskelzellen ihr langsames Myosin stets nachproduzieren können. Tatsächlich vermag dann beispielsweise eine künst- liche Elektrostimulation der gelähmten Muskeln den Anteil langsamen Myosins wieder etwas zu erhöhen. Auch in gesunden Muskeln wandeln sich Fasertypen um. Beispielsweise ver- ändert wiederholtes schweres Kraft- training – etwa das Arbeiten mit Gewich- ten – die Anzahl schneller IIx-Fasern: Sie wandeln sich in mittelschnelle IIa- Fasern um. In ihren Zellkernen wird dann anstelle des IIx-Gens das IIa-Gen abgelesen. Absolviert jemand ein solches Krafttraining mindestens vier Wochen lang, dann wandeln sich sogar alle schnellen in mittelschnelle Fasern um. Gleichzeitig produzieren diese vermehrt Proteine, sodass die einzelnen Muskel- zellen dicker werden. Anfang der neunziger Jahre machte Geoffrey Goldspink vom Royal Free Hospital in London den Vorschlag, die Expression des IIx-Gens als eine Art Grundeinstellung zu betrachten. Die Er- gebnisse verschiedener Studien stützten seine Hypothese: Zum einen weisen Per- sonen, die sehr viel sitzen, einen höheren Gehalt an Myosin IIx in ihren Muskeln auf als sportlich aktive Menschen; zum anderen wächst die Konzentration von Myosin IIa mit der Muskelaktivität. Was geschieht aber nach Beendigung einer Trainingsperiode? Schalten die Muskelzellen dann wieder allmählich auf ihre IIx-Grundeinstellung um? Die Antwort lautet grundsätzlich ja, aber auf einem Umweg, wie unsere Studie mit neun jungen inaktiven Dänen zeigte. Zu Beginn entnahmen wir eine erste Gewebeprobe aus dem äußeren Teil des Schenkelstreckers. Der Anteil an schnel- lem Myosin Ilx betrug darin durch- schnittlich neun Prozent. Die zweite Ent- nahme erfolgte nach einem dreimonati- gen Krafttraining zur Stärkung des Ober- schenkelstreckers, eine dritte dann ein Vierteljahr nach Trainingsende, ab dem die Versuchspersonen ihre alte Lebens- weise wieder aufgenommen hatten. Er- wartungsgemäß reduzierte sich der An- teil der schnellen IIx-Isoform während des Krafttrainings in dem Muskel, und zwar von durchschnittlich neun auf etwa zwei Prozent. Zu unserer Überraschung stieg er aber nach dreimonatiger Inaktivi- tät nicht nur wieder bis zum Ausgangs- wert, sondern weit darüber hinaus: auf durchschnittlich 18 Prozent (siehe Dia- gramm auf dieser Seite oben). Zwar ha- ben wir danach keine Proben mehr ent- nommen, doch gehen wir davon aus, dass der Gehalt an Myosin-IIx schließ- lich nach ein paar weiteren Monaten auf seinen „Ruhewert“ von rund neun Pro- zent zurückkehrt. Von langsamen zu schnellen Fasern? Noch fehlt uns eine schlüssige Erklärung für diese überschießende Reaktion. Es lassen sich jedoch einige praktische Schlussfolgerungen aus dem Experiment ziehen. Zum Beispiel wären Sprinter, die den Anteil ihrer schnellsten Muskelfa- sern massiv erhöhen wollen, gut beraten, den vorhandenen Anteil zunächst durch Training zu vermindern, um dann wäh- rend einer Ausklingphase auf die Ver- dopplung zu warten. Tatsächlich reduzie- ren viele Sprinter ihr Trainingsprogramm vor einem Wettkampf einfach aus Erfah- rung, ohne dabei die physiologischen Hintergründe zu kennen. Die gegenseitige Umwandlung der beiden schnellen Muskelfaser-Typen IIa und IIx erfolgt also je nach körperlicher Aktivität. Ist aber auch eine Konversion von langsamen in schnelle Fasern – von Typ I zu Typ II – und umgekehrt – mög- lich? Zahlreiche frühere Experimente hierzu an menschlichen Muskeln waren negativ verlaufen. Erst zu Beginn der neunziger Jahre entdeckten wir erste Hinweise, dass sich durch hartes Trai- ning auch langsame in mittelschnelle Fa- sern vom Typ IIa umwandeln lassen. Unsere Probanden während einer drei- monatigen Studie waren Elite-Sprinter. Sie absolvierten ihr normales Trainings- programm. Etwa zur selben Zeit präsentierten Mona Esbörnsson und ihre Kollegen vom Karolinska-Institut in Stockholm ähnliche Ergebnisse aus einer Untersu- chung mit zwölf Teilnehmern, die keine Hochleistungssportler waren. Dies lässt darauf schließen, dass ein intensives Training mit Gewichten, ergänzt um wei- tere anaerobe Übungen, wie beim Trai- ning von Elite-Sprintern nicht nur eine Umwandlung von schnellen Fasern in mittelschnelle bewirkt, sondern auch von langsamen Fasern in mittelschnelle. Ist aber auch das Umgekehrte beim Menschen machbar? Lassen sich also durch spezielle Übungen mittelschnelle in langsame Fasern verwandeln? Diese Frage konnte bisher noch keine Unter- suchung eindeutig beantworten. Das schließt aber die Möglichkeit einer sol- chen Umwandlung nicht aus. Wie er- wähnt besitzen Top-Athleten in Ausdau- ersportarten generell einen bemerkens- wert hohen Anteil an langsamen Fasern in ihren Hauptmuskelpaketen – bis zu 95 Prozent. Unklar ist aber weiterhin, ob diese Menschen mit zahlreichen Typ-I- Während des Krafttrainings nimmt das schnelle Myosin-IIx erwartungsge- mäß ab; danach kehrt es aber nicht einfach auf seinen Ausgangswert zurück, sondern verdoppelt seinen Anteil im Laufe einer dreimonatigen Ruhephase. Für einen Sprinter, der ja einen hohen Anteil an IIx-Fasern braucht, heißt das: vor Wettkämpfen das Trainingspensum reduzieren. Pr oz en ts at z an s ch ne lle m M yo si n IIx 5 10 15 20 Monate 0 1 2 3 4 5 6 7 8 inaktive Periode überschießende Reaktion Krafttraining inaktiver Durchschnittsmensch Versuchsteilnehmer ▲ Gewinn durch Ruhe JE N N IF E R J O H A N S E N SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · MÄRZ 200174 SPORTMEDIZIN Fasern geboren wurden und sich dement- sprechend zum Ausdauersport hingezo- gen fühlten oder ob sie sich den hohen Anteil allmählich erarbeitet haben. Wir wissen nur, dass eine Umwandlung von mittelschnellen in langsame Fasern, wenn sie denn möglich ist, deutlich län- ger dauert als die von schnellen in mittel- schnelle Fasern. Vielleicht haben ja begnadete Mara- thonläufer oder Sprinter wirklich von Geburt an eine außergewöhnliche Mus- kelzusammensetzung: Dann würden sich künftige Langstreckler natürlich durch eine verhältnismäßig hohe Typ-I-Faser- dichte auszeichnen und künftige Sprinter durch eine geringe. Wer sich aber trotz- dem zur Kurzstrecke hingezogen fühlt, sollte nicht aufgeben. Wissenschaftler haben nämlich herausgefunden, dass sich bei entsprechendem Krafttraining die Typ-II-Fasern doppelt so stark verdi- cken wie die anderen. Deshalb vergrö- ßert ein Training mit Gewichten be- trächtlich die Fläche, die Typ-II-Fasern auf dem Querschnitt eines Muskels ein- nehmen, ohne dass sich dabei das Zah- lenverhältnis von schnellen zu langsa- men Fasern verändert. Gerade das Flä- chenverhältnis zwischen beiden ist aber für die funktionellen Eigenschaften des Muskels entscheidend: je größer die von schnellen Fasern abgedeckte Quer- schnittsfläche, desto schneller ist der ganze Muskel. Somit hat zumindest jeder Sprinter die Möglichkeit, die Eigen- schaften seiner Muskulatur durch Kraft- training in dieser Hinsicht zu optimieren. Interessant sind hierzu ältere Befun- de von Michael Sjöström und seinen Mitarbeitern an der schwedischen Uni- versität Umea. Sie betrachteten die Quer- schnittsflächen der drei Hauptfaserarten im äußeren Schenkelmuskel. Die jeweili- gen Mittelwerte einer Gruppe von Mara- thonläufern erwiesen sich als nahezu gleich groß; bei einer Gruppe von Sprin- tern unterschieden sich die Werte. Wir selbst ermittelten ganz ähnliche Werte bei einer anderen Sprintergruppe. Alles in allem ist die Umwandlung von IIa- zu I-Fasern wohl nur schwer durch Training zu erreichen, aber schon in nicht allzu ferner Zukunft könnte dies durch gentechnische Eingriffe möglich werden. Noch faszinierender, wenn- gleich nicht beruhigender ist die Vorstel- Mit zunehmendem Alter werden die Muskeln schwächer, unsere Bewe- gungen langsamer. Der Masseverlust ist sicherlich die auffälligste Veränderung an der Skelettmuskulatur: Er beginnt bereits im Alter von circa 25 Jahren; mit 50 sind dann etwa zehn Prozent, mit 80 rund 50 Prozent geschwunden. Schuld daran ist hauptsächlich der Abbau von Muskelfasern, von Muskelzellen also. Krafttraining vermag zwar die Masse- verluste auszugleichen, jedoch nur, weil es die verbliebenen Fasern dicker wer- den lässt. Bevor Fasern verloren gehen, verän- dert sich ihr Querschnitt. Bei jungen Menschen ist er charakteristisch viel- eckig, bei älteren hingegen oft abgerun- det und manchmal sogar bananenför- mig. Darüber hinaus scheint Altern eine Gruppierung der Fasertypen anzustoßen: Bei jungen und mittelalten Personen bil- den schnelle und langsame Typen im Muskelquerschnitt eher ein feines Mo- saik, bei Senioren hingegen größere ein- heitliche Gruppen (siehe Schwarzweiß- fotos). Dies tritt auch bei jüngeren Pa- tienten mit Erkrankungen der motori- schen Nervenzellen auf. Als Ursache für die altersbedingte Gruppenbildung vermuten einige For- scher einen komplexen Prozess, der von den steuernden Nerven ausgeht. Alle von einem einzigen „Motoneuron“ innervier- ten Muskelzellen bilden eine so genannte motorische Einheit. Wenn mit dem Alter nun einige dieser Neuronen absterben, verbleiben ihre Mus- kelzellen ohne anre- gende Nervenimpulse; sie degenerieren und sterben ab – es sei denn eine andere Ner- venzelle übernimmt die Kontrolle. Wird aber zum Beispiel eine schnelle Muskelfaser von einem Neuron re-innerviert, das eigentlich langsa- me Fasern steuert, ge- rät sie in Konflikt. Von ihrer Entwicklung her schnell, empfängt die Faser jetzt Impulsmus- ter, die zu langsa- men Fasern passen. Schließlich erliegt die Zelle wohl den neuen Reizen und ver- wandelt sich in eine langsame Faser. Insgesamt scheint das Altern die schnellen Fasern härter zu treffen als die langsamen; damit würde sich die relative Verteilung in unseren Muskeln allmäh- lich zu Gunsten des langsamen Typs ver- schieben. Diese schon lange bestehende, aber etwas umstrittene Hypothese könn- te auch erklären, warum ein zehnjähriger Junge seinen Großvater im 100-m-Sprint besiegt, jedoch beim 10-km-Lauf keine Chance hat. Ein Nachweis für die relative Zunahme der langsamen Fasern im Alter ge- staltet sich immer noch recht schwierig. Wir sind daher das Problem etwas an- ders angegangen. Unsere Versuchsgrup- pe bestand aus zwölf gebrechlichen Senioren mit einem Durchschnittsalter von 88 Jahren, die der Entnahme von Gewebe zustimmten. Wir wählten den äußeren Teil des Schenkelstreckers. Aus den Gewebeproben haben wir unter dem Mikroskop mit feinen Nadeln einzelne Muskelfasern herausgelöst und danach deren Myosinvarianten bestimmt. Das geschah bei immerhin 2300 einzelnen Fasern. Das Ergebnis war einigermaßen über- raschend, fanden wir doch einen rund dreißigprozentigen Anteil an „Mischfa- sern“ mit zwei Myosinvarianten, und zwar Typ I und IIa. Im gleichen, aber jungen Muskel sind diese Hybridfasern mit weniger als fünf Prozent aller Zellen dagegen selten. Die Frage, ob gealterte Muskeln an- teilig mehr langsame Fasern enthalten, ist somit nicht mit einem einfachen Ja oder Nein zu beantworten. Das Verhält- nis zwischen rein langsamen und rein schnellen Fasern scheint sich nicht zu verschieben; stattdessen wird die Grenze zwischen den Typen eher fließend. In ei- nem sehr alten Muskel sind etwa ein Drittel Zellen weder rein schnell noch rein langsam, sondern irgendetwas da- zwischen. Kompromiss zwischen langsam und schnell Muskeln im Alter Trotz Übungen mit Aerobic-Hanteln verändern sich Form und Verteilung der Muskelfasern weiterhin altersgemäß wie an dem Muskelquerschnitt zu erkennen. Rein schnelle Fasern (weiß, oben) nehmen ab. L A U R A D W IG H T / C O R B IS JE S P E R L . A N D E R S E N JE S P E R L . A N D E R S E N SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · MÄRZ 2001 75 bor mit dem gewünschten Gen bestückt und schließlich wieder in den Körper rückgeführt. Alle genann- ten Verfah- ren dürften eines Tages von unlaute- ren Sportlern genutzt wer- den, zumal sich der Missbrauch unter Umständen nur schwer aufde- cken lässt. Zum ei- nen reicht eventuell eine einzige Spritze für das genetische Doping aus, zum anderen sind die zusätzlich erzeugten Proteine, wenn sie den natürlichen entsprechen, nicht davon zu unterscheiden. Die einzi- ge klare Nachweismöglichkeit liegt dann in der Identifizierung der eingeschleus- ten Erbinformation selbst. Dazu müsste aber nicht nur die Bausteinfolge des Genkonstrukts bekannt sein. Den Sport- lern müsste auch vor den Wettkämpfen eine Probe Muskelgewebe entnommen werden. Einem solchen Eingriff dürften Athleten zu diesem Zeitpunkt kaum zustimmen, sodass ein derartiger Do- pingtest wohl niemals routinemäßig ein- gesetzt werden kann. Horrorvision des Gendopings Wie werden sie sich nun präsentieren, die Athleten des genetischen Zeitalters? Wir schreiben jetzt das Jahr 2012, und die Olympischen Spiele laufen gerade. Der Sprinter Gene Doping unterbietet im Viertelfinale den acht Jahre alten Weltre- kord um 15 hundertstel Sekunden. Als er im Halbfinale den Weltrekord mit un- glaublichen 8,94 Sekunden noch einmal bricht, sind die Zuschauer sprachlos. Was hat ihm zu dieser Höchstleistung verholfen? Die Gentherapie, die sich bis dahin – vermutlich – etabliert und zu ei- ner breit eingesetzten medizinischen Technik gemausert hat. So wurde Gene Doping einige Zeit vor den Olympischen Spielen in Versu- chung geführt. Sein Arzt versprach ihm die schnellste Myosin-Isoform in seinen Muskeln. Diese Variante trete norma- lerweise nicht in den großen menschli- chen Skelettmuskeln auf, doch sei das Gen dafür vorhanden. Es müsse im Prin- zip nur durch geschickte Tricks aktiviert werden. Die manipulierten Muskelfasern würden dann in ihren Eigenschaften den extrem schnellen IIb-Fasern entsprechen, die Ratten und anderen Kleinsäugern zu blitzartiger Flucht verhelfen. Der Trick sei, ein Gen für einen so genannten Tran- skriptionsfaktor einzuschleusen, der das schlummernde Gen für die Myosin-IIb- Isoform aktivieren könne. Schon nach drei Monaten sei so der Weltrekord im 100-m-Lauf mit Leichtigkeit zu brechen. Gene Doping stimmte der Manipulation zu, zumal sie ohne Gewebeprobe nicht nachzuweisen ist. Statt zum Triumph gerät das olympi- sche Finale jedoch für den Athleten zum Fiasko: Seine Patellarsehne hat den ge- waltigen Oberschenkelmuskeln nichts mehr entgegenzusetzen, reißt sogar noch ein Stück Schienbeinknochen mit heraus, lässt ihn beim nächsten Schritt zersplit- tern. Das Ende einer Sprinterkarriere. Diese Horrorvision des Gendopings macht eines klar: Selbst wenn vielleicht nicht jedes Mal katastrophale Nebenwir- kungen in Kauf zu nehmen sind – mit dem Einzug neuer gen- technischer Verfahren in die Medizin wird sich die gesamte Sportwelt gewaltig verändern. Als verantwortungsbewusste Gesellschaft müssen wir uns daher fragen, ob sportliche Höchstleistungen sich nicht darauf beschränken sollten, zu zeigen, was natürlicherweise in uns steckt. ■ Jesper L. Andersen, Peter Schjerling und Bengt Saltin arbeiten gemeinsam am Kopenhagener Muskelfor- schungszentrum, das der Universität Kopenhagen und der Universitätsklinik angegliedert ist. Andersen, ehemaliger Betreuer des dänischen Sprinterteams, forscht in der Abteilung für molekulare Muskelbiolo- gie. Schjerling arbeitet dort als Genetiker. Saltin, Direktor des Zentrums, promovierte 1964 am Karo- linska-Institut in Stockholm. Er ist auch Professor am August-Krogh-Institut der Universität Kopenhagen. Selbst einst Wettläufer, betreute er das dänische Nationalteam für Orientierungsläufe. lung, dass sich stumme Myosingene in unserem Erbgut aktivieren ließen. Sie stellen so etwas wie Relikte unserer evo- lutionären Vergangenheit dar: archivierte Pläne für Myosintypen, die es unseren fernen stammesgeschichtlichen Säuge- tier-Vorfahren ermöglichten, ausgespro- chen schnelles Muskelgewebe aufzu- bauen, hilfreich etwa zur Flucht vor Raubtieren. Wie ein Blick zurück auf die Ge- schichte des Sports belegt, hat immer eine Minderheit von Sportlern Doping- missbrauch betrieben. Ständig werden neue Mittel entwickelt und in betrügeri- scher Absicht genutzt, sodass die Offi- ziellen gezwungen sind, mit Hilfe der Wissenschaft immer raffiniertere geeig- nete Dopingtests auszuarbeiten. Stehen erst einmal gentechnische Dopingverfah- ren zur Verfügung, wird das Problem ganz neue Dimensionen annehmen. Gentherapie ist mittlerweile in den meisten Industrie-Staaten ein intensiv verfolgtes Forschungsfeld. Man ver- spricht sich Hilfe beispielsweise gegen Erkrankungen, die auf der mangelhaften Produktion eines körpereigenen Eiweiß- stoffes beruhen. Ein solcher therapeu- tischer Ansatz ist bereits theoretisch möglich. Für den Transfer in die Körperzellen bestehen verschiedene Möglichkeiten. Zwar lassen sich Gene direkt in einen Muskel injizieren. Ein Teil der Zellen würde dann die neue DNA aufnehmen und eventuell auch dem eigenen Genbe- stand einverleiben. Da aber diese Metho- de bisher nicht sehr effektiv ist, nutzen Wissenschaftler im Tierexperiment oft Viren als Genfähren. Im Prinzip besteht ein Virus nur aus etwas Erbsubstanz, ver- packt in einer Proteinhülle. Mit dieser „Außenhaut“ dockt das Virus an einer Zelle an und entlässt dann sein Erbgut ins Innere. Ersetzt man nun vorher virale Gene durch andere, werden genau diese in die Körperzellen eingeschleust. Virale Genfähren gelangen allerdings über die Blutbahn auch an nicht dafür vorgesehe- nen Stellen im Körper, wo die neuen Gene unerfreuliche Nebenwirkungen hervorrufen können. Man stelle sich nur vor, was passiert, wenn ein Gen zum massiven Muskelaufbau statt nur in der Skelettmuskula- tur auch im Herzmuskel landet. Ein vergrößertes Herz hat be- kanntlich negative Folgen. Gezielteres Vorgehen er- möglicht ein anderer von For- schern verfolgter Ansatz zur Gentherapie: Dem Patienten werden Zellen eines speziellen Typs entnommen, dann im La-