Biomarker der Resilienz und Leistungsfähigkeit in extremen Umgebungen

Christopher Weyh, Karsten Krüger

Einleitung

Biomarker sind messbare Indikatoren für biologische Zustände oder Prozesse. Sie können mit verschiedenen Methoden erfasst werden, wie etwa

• physiologische Biomarker durch Vitalparameter wie Blutdruck oder Herzfrequenz,
• biomechanische Biomarker durch die Messung von Muskelkraft oder Gelenkbewegungen, und
• molekulare Biomarker durch die Analyse von Molekülen, DNA, Proteinen oder Metaboliten in Blut oder Gewebe (Abbildung 1).

Abb. 1: Übersicht über molekulare Biomarker, die Moleküle, Gene, Genprodukte Enzyme oder Hormone sein können [1]).

Molekulare Biomarker werden sowohl in der Medizin als auch in der Sportwissenschaft eingesetzt, um individuelle Gesundheitszustände, Krankheitsrisiken oder Anpassungen an Training auf zellulärer Ebene zu analysieren und dadurch personalisierte Behandlungs- oder Trainingsstrategien zu entwickeln. Darüber hinaus dienen sie als Präventionstool, indem sie frühzeitig Hinweise auf potenzielle Gesundheitsrisiken oder Überbelastungen liefern und somit präventive Maßnahmen zur Krankheitsvermeidung oder Optimierung der Leistungsfähigkeit ermöglichen. Ein wesentlicher Vorteil von molekularen Biomarkern gegenüber anderen physiologischen Messgrößen liegt darin, dass sie bereits auf molekularer Ebene frühe Warnsignale für Krankheiten oder Überlastungen liefern können – häufig bevor physiologische Symptome sichtbar werden. Dies eröffnet insbesondere im militärischen Kontext, wie bei der Exposition gegenüber extremen Umweltbedingungen wie Hitze oder Kälte, interessante Präventionsansätze für Soldatinnen und Soldaten. Trotz vielversprechender Ansätze existiert bislang jedoch keine systematische Untersuchung, die die Breite molekularer Biomarker im militärischen Umfeld analysiert.

Relevante Biomarker bei extremen Umgebungsbedingungen

Potenzielle molekulare Biomarker sind dabei überaus vielfältig. Hitzeschockproteine (HSP), insbesondere HSP70 und HSP90, spielen eine zentrale Rolle in der zellulären Reaktion auf Hitzestress. Diese Proteine wirken als molekulare Chaperone, indem sie geschädigte Proteine stabilisieren und reparieren. Hitzestress beeinflusst zudem das Immunsystem, indem er Entzündungsprozesse verstärkt und die Produktion von Zytokinen wie IL-6 und TNF-α erhöht. Gleichzeitig werden Stresshormone wie Cortisol vermehrt ausgeschüttet, die das Immunsystem weiter modulieren können. Zusätzlich können Hitzestress das Mikrobiom und die Expression bestimmter MicroRNAs beeinflussen, welche die Entzündungsregulation und Anpassung an Stress steuern. Auch bei Kältestress spielen molekulare Biomarker eine entscheidende Rolle. Insbesondere Marker des braunen Fettgewebes, wie das Protein UCP1, weisen auf die Aktivierung der Thermogenese hin. Leptin, ein Hormon, das den Energiehaushalt reguliert, nimmt bei Kälteexposition ab, während Irisin, ein Hormon, das durch Muskelkontraktionen wie Kältezittern freigesetzt wird, die Umwandlung von weißem in braunes Fettgewebe fördert. Das Immunsystem reagiert auf Kältestress durch die Freisetzung proinflammatorischer Zytokine wie IL-6 und TNF-α, was zu Entzündungsreaktionen führen kann. Gleichzeitig steigt das Stresshormon Cortisol an, während Testosteron und IGF, wichtige Regulatoren des Stoffwechsels, tendenziell sinken. Auch Mikrobiomveränderungen und die Expression von MicroRNAs modulieren die metabolischen und immunologischen Reaktionen auf Kältestress.

Zukünftige Forschung zur Gesundheitsüberwachung von Soldatinnen und Soldaten sollte drei zentrale Schritte umfassen. Der erste Schritt besteht in der Identifizierung relevanter molekularer Biomarker im Rahmen von setting-spezifischen Querschnittsstudien, um spezifische Marker für Belastung, Überlastung und Gesundheitsrisiken zu erkennen. Diese Marker könnten metabolische, immunologische und hormonelle Parameter umfassen. Im zweiten Schritt sollten diese Biomarker hinsichtlich ihrer Reliabilität, Validität und Sensitivität bewertet werden, um ihre Eignung für praktische Anwendungen zu bestätigen. Der dritte Schritt wäre die Entwicklung von Point-of-Care-Methoden, die es ermöglichen, diese molekularen Biomarker direkt im Feld zu messen, um eine schnelle Bewertung der Einsatzfähigkeit und Gesundheitsrisiken zu ermöglichen.

Fazit

Biomarker bieten ein Potenzial zur Früherkennung von Gesundheitsrisiken, auch unter extremen Umweltbedingungen, wie sie Soldatinnen und Soldaten im Einsatz erleben. Die Kombination von klassischen physiologischen Messgrößen mit molekularen Biomarkern könnte eine umfassende Beurteilung des Gesundheitszustandes und der Anpassungsfähigkeit an Umweltstress erlauben (Abbildung 2). Durch die Entwicklung von Biomarker-gestützten Point-of-Care-Methoden können präventive Maßnahmen rechtzeitig ergriffen werden, um die Einsatzfähigkeit langfristig sicherzustellen und gesundheitliche Risiken zu minimieren.

Abb. 2: (A) Die Zukunft: Sensoren erfassen „klassische“ physiologische Messwerte (aus [2]), (B) mittels Schnelltest werden für die Einsatzsituation relevante molekulare Biomarker bestimmt.

Literatur

1. Beckner M, Main L, Tait J et al.: Circulating biomarkers associated with performance and resilience during military operational stress. In: European journal of sport science 2022; 22(1): 72–86. mehr lesen
2. Kishore A, Fan Lu, Stahl F et al.: Fluorescence Masking Based Multifunctional Quantum Dots’ Assay for HSP90α Interactions Detection. Appl Ci 2023; 13(5): 2957. mehr lesen
3. Krüger K, Reichel T, Zeilinger C: Role of heat shock proteins 70/90 in exercise physiology and exercise immunology and their diagnostic potential in sports. J. Appl. Physiol. 2019; 1: 916–927. mehr lesen
4. Lee JKW, Tan B, Kingma BRM et al.: Haman, François; Epstein, Yoram (2023): Biomarkers for warfighter safety and performance in hot and cold environments. In: Journal of science and medicine in sport 2023; 26 Suppl 1: S71-S78. mehr lesen

Für die Verfasser

Dr. Christopher Weyh
Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut für Sportwissenschaft
Abteilung für Leistungsphysiologie und Sporttherapie
Kugelberg 62, 35394 Gießen
E-Mail: christopher.weyh@sport.uni-giessen.de