The role of impact loading on artery adaptations and the effect of muscle unloading on local blood supply and exercise tolerance

Hintergrund: Es ist bekannt, dass Muskelentlastung oder (Ausdauer-) Training die Struktur und Funktion von Gefasen direkt beeinflussen und unter anderem durch diesen Effekt direkten Einfluss auf kardiovaskulare Risikofaktoren nehmen konnen. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind bisher allerdings nicht ganzlich bekannt. Klar ist, dass insbesondere Endothelzellen und die glatte Muskulatur der Arterien auf mechanische Belastung reagieren. Als mogliche Ursache fur diese mechanische Belastung wurden bisher ausschlieslich intrinsische hamodynamische Grosen in Betracht gezogen. Dieser Ansatz erscheint allerdings nicht komplett da es in Anbetracht unseres Schwerkraftumfeldes auf der Erde zu einer erheblichen Anzahl von Aufschlagen kommen muss, durch die (Korper-) Masse beschleunigt wird. Ein wesentliches Ziel der vorliegenden Arbeit besteht daher darin herauszufinden ob diese Art der Massebeschleunigungen, wahrend Muskelentlastung und Training, fur die Adaptation von Arterien von Bedeutung sind. Daruber hinaus stellt die Beziehung zwischen arteriellem Blutfluss, Muskelperfusion und dynamischer Muskelermudung nach langerer Muskelentlastung ein zentrales Thema dieser Arbeit dar. Methoden: Es wurden zwei klinische Interventionsstudien durchgefuhrt. 11 gesunde mannliche Probanden nahmen an der HEP-Studie teil. Im Rahmen dieser Studie wurde die Wadenmuskulatur der Probanden fur 56 Tage mit einer neuartigen Orthese (HEPHAISTOS) entlastet, ohne dass dabei der Einfluss von Schwerkraft-induzierten Massebeschleunigungen verandert wurde. Die EVE-Studie wurde durchgefuhrt um die Effekte von konventionellem Krafttraining und zusatzlichen Ganzkorpervibrationen auf die Anpassung von Arterien zu untersuchen. Dabei nahmen 26 gesunde mannliche Probanden teil, die entweder ein 6-wochiges konventionelles Krafttraining oder Krafttraining mit zusatzlichen Vibrationen absolvierten. Zu den zentralen Messmethoden gehorten Ultraschallmessungen, die in beiden Studien durchgefuhrt wurden um sowohl strukturelle als auch funktionelle Arterienparameter zu erfassen. Daruber hinaus wurden im Rahmen der HEP-Studie Muskelbiopsien entnommen um morphologische Veranderungen der entlasteten Muskulatur zu erfassen. Auserdem wurden Nah-Infrarot spektroskopische Messungen durchgefuhrt um die Sauerstoffsattigung der Muskulatur wahrend Muskelarbeit, vor und nach der Entlastung zu bestimmen. Ergebnisse: Die Muskelentlastung mit der HEPHAISTOS-Orthese fuhrte zu einer signifikanten Abnahme des Lumens der Femoralarterie, wobei Gefaswand und Endothelfunktion unverandert blieben. Obwohl sich die Grose der Femoralarterie und die Grose des entlasteten Soleus-Muskels signifikant verringerten, hatte dies keinen Einfluss auf Blutfluss, Sauerstoffsattigung und Ermudbarkeit. Durch die Trainingsintervention in der EVE-Studie kam es zu einer signifikanten Vergroserung des Lumens der Femoralarterie und zu einer Abnahme der Gefaswanddicke der Arteria Carotis, wobei die applizierten Ganzkorpervibrationen keinen zusatzlichen Effekt hatten. Schlussfolgerung: Beide Studien zeigen, dass Muskelarbeit und damit intrinsische hamodynamische Krafte einen wesentlichen Einfluss auf strukturelle und funktionelle Arterienanpassung haben. Dennoch scheinen Schwerkraft-induzierte Massebeschleunigungen einen Effekt auf Anpassungen der Arterienwanddicke und der Endothelfunktion zu haben, womit sie einen direkten Einfluss auf Parameter fur kardiovaskulares Risiko hatten. Auserdem wurde gezeigt, dass sich Blutfluss und Sauerstoffsattigung wahrend Muskelarbeit, nach langerer Muskelentlastung nicht andern, was wiederum die unveranderte dynamische Muskelermudung erklaren wurde. Abstract / Zusammenfassung (Englisch) Background: Evidence suggests that muscle disuse and exercise training have direct vascular (de-) conditioning effects that can modify cardiovascular risk. The underlying mechanisms, however, are to date not entirely understood. It is clear that particularly arteries adapt to changes of mechanical stress that may predominantly act on endothelial cells (ECs) or vascular smooth muscle cells (VSMCs). Nonetheless, not all potential sources for mechanical stress have been considered yet as previous research basically investigated the conditioning effects of intrinsic hemodynamic forces. Given the gravitational environment on earth, the present thesis sought therefore to investigate the impact of gravity-induced impact loading, provoking mass accelerations, on arterial adaptations in conditions associated with exercise training and muscle disuse. Moreover, the relationship between local arterial blood flow, muscle perfusion and dynamic exercise tolerance after prolonged local muscle disuse constitutes a major topic of the present thesis, as to date no study has ever elaborated on this. Methods: Two clinical interventional studies have been carried out. Within the scope of the HEP-study, 11 healthy male subjects wore a new orthotic device (HEPHAISTOS) for 56 days to unilaterally unload the calf muscles without changing the impact of gravitational loading. The EVE-study has been conducted to study the effects of whole body vibrations (WBV) if combined with conventional resistive exercise. 26 healthy male subjects were recruited and assigned to either a resistive exercise group or a resistive vibration exercise group that performed a 6 week training intervention. Major endpoint measurements for both studies encompassed structural and functional arterial parameters as measured with sonography. In addition, soleus muscle morphology and tissue oxygenation have been assessed in the HEP study using soleus muscle biopsies and near infrared spectroscopy, respectively. Results: Muscle unloading with the HEPHAISTOS orthosis led to distinct decreases of superficial femoral artery (SFA) calibers, while wall thickness and endothelial function remained unaffected. Although muscle size and arterial calibers significantly decreased, functional exercise blood flow, tissue oxygenation and exercise tolerance did not change after the intervention. During the EVE-study, SFA calibers increased significantly and carotid artery wall thickness decreased significantly in response to resistive exercise while superposition of WBV did not reveal an additional effect.