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Mitochondrien (Zellkraftwerke) steigern und Ausdauer verbessern durch Kälte?

Richard Staudner
Richard Staudner

The Optimizer

Wer Eisbaden und Kältetherapei nutzt verbrennt zusätzlich Energie. So heißt es zumindest. Angeblich kann man damit sogar abnehmen? Schon klar, wenn es kalt ist muss der Körper heizen und das kostet Energie. Aber man spricht hier tatsächlich von einem Anpassungseffekt im Körper. Er baut scheinbar mehr Kraftwerke (die Mitochondrien) ein und die können dann dauerhaft mehr Energie “verbrennen” und damit Wärme herstellen. Was steckt dahinter? Und kann man diesen Trick vielleicht im Ausdauersport anwenden um mehr Leistung zu erzielen?

Fangen wir zur Einführung mit einer kurzen Biostunde an. Wenn du dich mit Mitochondrien, Energiebereitstellung und so weiter schon auskennst kannst du das einfach überspringen. 

Das Powerhouse der Zelle

Die Mitochondrien sind die Kraftwerke unseres Körpers. Sie nehmen den Treibstoff, zum Beispiel aus der Nahrung, oder aus den Energiespeichern des Körpers (etwa Speicherfett, oder Glycogen) auf und wandeln diese in mehreren Schritten in ATP um. ATP ist die universelle Energieeinheit. Es handelt sich einfach um ein Molekül, das extrem viel Energie speichern und überall im Körper wieder freisetzen kann. Die freie Energie kann dann in den Muskeln direkt in Bewegung umgewandelt werden. Aber auch im Herzkreislaufsystem spielen die Mitochondrien eine wichtige Rolle und sorgen für ein kräftiges Herz.

Besonders beim Ausdauersport ist die Mitochondrienzahl sehr wichtig. Hier muss über lange Zeit ausreichend Energie produziert werden und der Körper reagiert deshalb mit einem Zuwachs an Mitochondrien (mitochondriale Biogenese genannt) auf den regelmäßigen Trainingsreiz. (1)

Nun zurück zur eigentlichen Frage: Kann man mit Eisbaden die mitochondriale Biogenese hacken? Ab in die Kälte nach dem Laufen = besserer Trainingseffekt? Die Wissenschaft hat sich das Ganze natürlich schon angeschaut. In den Versuchen werden entweder nach einmaliger oder nach mehreren Eisbädern über Wochen hinweg Proben aus dem Gewebe genommen. Tatsächlich zählt leider niemand die Mitochondrien direkt aus, sondern andere Moleküle, die uns Auskunft darüber geben können. Ganz 100% können wir uns damit leider nie sicher sein, aber es ist schon mal ein Hinweis. Wenn du mehr über die tatsächlichen Signalwege wissen willst und neugierig bist, was genau die Daten sagen, kannst du das etwas weiter unten nachlesen. 

Eisbaden und Ausdauerleistung

Der Wissenschaftler Malta und sein Team untersuchten die Wirkung von regelmäßigem CWI zur Regeneration nach Ausdauersport und fand, dass dadurch keine Nachteile auf die Leistungssteigerung entstehen (2). Eine andere Gruppe fand in einer etwas älteren Untersuchung, dass es sowohl geringfügig nachteilige als auch tatsächlich positive Effekte durch CWI gäbe (3). Wie immer in der Wissenschaft, gibt es mehrere Meinungen oder Ergebnisse. 

Aus Tierversuchen kann man mittlerweile schon vermuten, dass durch regelmäßiges Eisbaden in Kombination mit Ausdauertraining der Erschöpfungs-Widerstand erhöht werden und die Mitochondrienzahl verbessert werden kann. (4)

Leider gibt es erst wenige Studien zu Mitochondrienzuwachs und Eisbaden. Wir können also nur die Ergebnisse der wenigen zusammenfassen und versuchen daraus ein Conclusio zu ziehen. Hinzu kommt, dass einige Studien das eine Bein kühlen und das andere als Kontrolle verwenden. Man weiß aber mittlerweile, dass ein Cross-Over-Effekt stattfindet, bei dem die Wirkungen von der einen in die andere Körperhälfte übertragen werden (5)

Bei der einmaligen Anwendung können sofortige Effekte untersucht werden. Wie reagiert der Körper akut auf ein Eisbad nach einer Ausdauerbelastung? Nach einmaliger Belastung und darauf folgende Kühlung fanden Forschungsgruppen sowohl gewisse Hinweise auf eine gesteigerte Mitochondrienbildung (5–8), andere Gruppen wiederum keine (9,10). Interessanterweise werden aber auch bei den Studien mit positiven Ergebnissen nicht alle Marker erhöht, weshalb sich die Wissenschaft noch nicht einig ist, ob und vor allem wie eine Wirkung von statten geht. 

Andere Studien untersuchen auch die Anwendung von Kälte allein und fanden, dass die Mitochondrien (bei nicht übergewichtigen Menschen) vermutlich vermehrt werden können, allerdings im Fettgewebe, nicht in den Muskeln. (11)

Auch bei längerfristiger Anwendung über 3-6 Wochen zeigen sich gemischte Ergebnisse. 

2 Studien untersuchten Eisbaden nach dem Sport, wobei eine Gruppe einen positiven Effekt (12) und die andere keinen relevanten Effekt (13) fanden. Bei Training in kalten Räumen verändern sich die Mitochondrien auch nicht gegenüber der Testgruppe mit Normaltemperatur während dem Sport (14)

Conclusio: 

Die Studien geben sehr gemischte Ergebnisse her, was uns nicht wundert, weil sie sich auch stark im Aufbau unterscheiden. Manche verwenden das eine Bein als Kontrollgruppe, manche verwenden kühle Räume oder Coolpacks und andere wiederum Eisbäder. 

Der bedeutendste Marker (PGC 1 alpha) konnte in den meisten Studien akut erhöht werden. Auch in 2 der chronischen Studien wurde dieser gesteigert, aber dadurch konnte keine verbesserte Leistung festgestellt werden. Das stimmt auch mit den weiteren Ergebnissen der Einzelstudien überein: Auch wenn der eine Marker erhöht wurde, wurden oft die weiteren Kettenglieder nicht näher beeinflusst. Dies zeigt uns, dass wir wohl noch nicht das große Ganze erfassen können und noch ein paar essenzielle Puzzlesteine zur Lösung des Rätsels fehlen.

Manche AutorInnen meinen, ein stärkerer Kältestress könnte notwendig sein, um die mitochondriale Biogenese tatsächlich zu induzieren, das wurde aber noch nicht untersucht (3). Auch wird vermutet, dass die Effizienz der Mitochondrien durch einen zu starken Zuwachs vermindert werden könnte (12). Das wäre eine Erklärung für das Ausbleiben der Performance-Zunahme. Es handelt sich hier leider trotz allem nur um Vermutungen.

Alles in allem ist die Datenlage noch sehr dünn und von geringer Qualität. Es ist vermutlich ein gewisser Effekt vorhanden; bei den Tierversuchen, als auch beim Großteil der Humanstudien. Deutlich ist dieser aber nicht und so ganz versteht die Forschung ihn auch noch nicht. Ob das Eisbad nach dem Ausdauersport deine Leistung also verbessert bleibt unklar. Tatsächlich scheint es aber keinen Nachteil für deine Leistung darzustellen und bringt auf vielen anderen körperlichen und mentalen Ebenen potentielle positive Wirkungen mit sich.

Die größten positiven Effekte sind aber eher im mentalen Bereich zu suchen, wie auch dem aktiven Wechsel zwischen sympathischen zu parasympathischen Nervensystem. Also von “Fight or Flight” zu “Rest & Digest”. Oder einfacher gesagt, du kannst mit Eisbädern lernen besser mit Stress umzugehen. Aber dieses Thema vertiefen wir an einer anderen Stelle. 

Für Nerds: 

Wenn sich im Körper etwas verändert, geschieht dies immer über Signalwege. Die einzelnen Einheiten des Organismus müssen auf irgendeine Weise miteinander kommunizieren. Das kann zum Beispiel über das Nervensystem sein, das Infos an deinen Trizeps schickt: “Kontrahieren!”. Aber es können auch ohne dem Nervensystem oder deinem Gehirn Botschaften übermittelt werden. In unserem Fall hier sind es Signalmoleküle, die die Bildung verschiedener Proteine steuern (also die Transkription der DNA dieser Proteine). Das zentrale Element bei der Steuerung der Mitochondrien ist das PGC-1-alpha (Langform: Peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha)

Die ganze Forschung zu PGC-1-alpha begann mit ersten Entdeckungen, dass dieser Botenstoff die adaptive Thermogenese steuert. Bei Kälteaussetzung steigt die Menge an PGC-1-alpha in braunem Fettgewebe und Muskeln. Da auch die Menge an mitochondrialer DNA zunimmt wurde angenommen, dass PGC-1-alpha dies stimuliert. Mittlerweile hat man herausgefunden dass PGC-1-alpha vermutlich auch im Cholesterin- und Zuckerstoffwechsel wichtig ist.

PGC-1-alpha kann nicht nur die Bildung neuer Mitochondrien fördern sondern auch die Funktion dieser verbessern. Dies kann dann die Muskelfasern an die Umweltbedingungen anpassen oder weißes (passives) Fettgewebe in braunes (energieverbrauchendes und wärmendes) Fettgewebe umwandeln.

Auch PGC-1-alpha selbst muss reguliert werden, das geschieht zum Beispiel durch Sport, Kälte oder Fasten. Das wiederum wird gesteuert über andere Signalmoleküle. Dazu zählen p38, AMPK, Sirt1, PPAR, CREB, YY1 bzw mTOR (15). Gehemmt wird PGC-1-alpha übrigens von Insulin und Hypoxie. Seine Wirkung entfaltet es dann über weitere Signalmoleküle (NRF1 und TFAM, ERRalpha und NRF2).(1) 

In den Studien wird also einerseits die mitochondriale DNA untersucht, in vielen Fällen das Kernstück des Signalweges: PGC 1 alpha. Oft werden zusätzlich auch die aktivierenden Botenstoffe von PGC 1 alpha oder die weiterführenden Signalmoleküle untersucht. Dies soll helfen den Wirkprozess aufzuklären, jedoch sind die Ergebnisse hier leider, wie oben schon erklärt, nicht ganz schlüssig. Manchmal hört der Signalweg einfach auf. Zum Beispiel A wird erhöht, B wird erhöht und C dann aber nicht. Wie soll man so wissen, ob eine Wirkung vorhanden ist oder nicht? Wir sind hier auf jeden Fall schon sehr tief in der Materie drinnen und das soll einfach aufzeichnen, dass es nicht so leicht ist diese Frage mit ja oder nein zu beantworten. Es ist auf jeden Fall ein Effekt auf die Mitochondrien vorhanden, wie genau dieser funktioniert und ob das dann die Leistung verbessert? Wir warten wohl auf weitere Ergebnisse. Schaden tut es im Ausdauersport aber anscheinend nicht!

Wenn du Spaß daran hast und es nicht übertreibst, dann mach bitte weiter 🙂 

Ich wünsche Dir viel Spaß bei deinen Versuchen im kalten Nass!

Dein Performance Optimizer & Biohacker

Richard Staudner

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Quellen

1. Coppi L, Ligorio S, Mitro N, Caruso D, De Fabiani E, Crestani M. PGC1s and Beyond: Disentangling the Complex Regulation of Mitochondrial and Cellular Metabolism. Int J Mol Sci. 27. Juni 2021;22(13):6913.

2. Malta ES, Dutra YM, Broatch JR, Bishop DJ, Zagatto AM. The Effects of Regular Cold-Water Immersion Use on Training-Induced Changes in Strength and Endurance Performance: A Systematic Review with Meta-Analysis. Sports Med. 1. Jänner 2021;51(1):161–74.

3. Broatch JR, Petersen A, Bishop DJ. The Influence of Post-Exercise Cold-Water Immersion on Adaptive Responses to Exercise: A Review of the Literature. Sports Med. 1. Juni 2018;48(6):1369–87.

4. Ihsan M, Abbiss CR, Allan R. Adaptations to Post-exercise Cold Water Immersion: Friend, Foe, or Futile? Front Sports Act Living. 16. Juli 2021;3:714148.

5. Allan R, Sharples A, Close G, Drust B, Shepherd S, Dutton J, u. a. Post-exercise cold-water immersion modulates skeletal muscle PGC-1α mRNA expression in immersed and non-immersed limbs: evidence of systemic regulation. Journal of applied physiology (Bethesda, Md : 1985). 25. Mai 2017;123:jap.00096.2017.

6. Joo C, Allan R, Drust B, Close G, Jeong T-S, Bartlett J, u. a. Passive and post-exercise cold-water immersion augments PGC-1α and VEGF expression in human skeletal muscle. European Journal of Applied Physiology. 1. Dezember 2016;116.

7. Ihsan M, Watson G, Choo HC, Lewandowski P, Papazzo A, Cameron-Smith D, u. a. Postexercise Muscle Cooling Enhances Gene Expression of PGC-1α. Medicine & Science in Sports & Exercise. Oktober 2014;46(10):1900–7.

8. Slivka D, Heesch M, Dumke C, Cuddy J, Hailes W, Ruby B. Effects of post-exercise recovery in a cold environment on muscle glycogen, PGC-1α, and downstream transcription factors. Cryobiology. 1. Juni 2013;66(3):250–5.

9. Shute R, Heesch M, Laursen T, Slivka D. Local muscle cooling does not impact expression of mitochondrial-related genes. Journal of Thermal Biology. 1. Juli 2017;67:35–9.

10. Shute RJ, Heesch MW, Zak RB, Kreiling JL, Slivka DR. Effects of exercise in a cold environment on transcriptional control of PGC-1α. American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 1. Juni 2018;314(6):R850–7.

11. Finlin BS, Memetimin H, Confides AL, Kasza I, Zhu B, Vekaria HJ, u. a. Human adipose beiging in response to cold and mirabegron. JCI Insight. 2018;3(15):e121510.

12. Ihsan M, Markworth J, Watson G, Choo H, Govus A, Pham T, u. a. Regular Post-Exercise Cooling Enhances Mitochondrial Biogenesis through AMPK and p38 MAPK in Human Skeletal Muscle. American journal of physiology Regulatory, integrative and comparative physiology. 3. Juni 2015;309:ajpregu.00031.2015.

13. Broatch J, Petersen A, Bishop DJ. Cold-water immersion following sprint interval training does not alter endurance signaling pathways or training adaptations in human skeletal muscle. American Journal of Physiology – Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 5. Juli 2017;313:ajpregu.00434.2016.

14. Shute R, Marshall K, Opichka M, Schnitzler H, Ruby B, Slivka D. Effects of 7°C environmental temperature acclimation during a 3-week training period. Journal of Applied Physiology. 1. April 2020;128(4):768–77.

15. Wenz T. Mitochondria and PGC-1α in Aging and Age-Associated Diseases. Journal of Aging Research. 5. Mai 2011;2011:e810619.

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