Kritische Masse: Studien zur Behandlung von altersbedingtem Muskelschwund
Erforschung der Aminosäuren im Blutplasma mittels LC-MS/MS
Dr. Theocharis Ispoglou, Luke Aldrich, Leeds Beckett University
Der Verlust von Muskelmasse und -kraft, auch bekannt als Sarkopenie, ist eine der häufigsten Ursachen für Krankenhausaufenthalte und Einschränkungen der Selbstständigkeit bei älteren Menschen. Forscher an der Carnegie School of Sport der Leeds Beckett University versuchen, die Auswirkungen von Aminosäurepräparaten und Steroidhormonen auf die Muskelmasse zu verstehen. Im Gespräch berichten sie, wie der Einsatz der LC-MS-Geräte von Shimadzu ihre Möglichkeiten revolutioniert hat, den Gehalt dieser kleinen Moleküle im Blutplasma zu untersuchen und zu beobachten, wie er sich im Laufe der Bemühungen zur Vorbeugung und zum besseren Umgang mit Sarkopenie verändert.
Muskelschwund (Sarkopenie) als Herausforderung
Sarkopenie ist der medizinische Begriff für den fortschreitenden (und oft rapiden) Abbau von Muskelmasse und -kraft. Sarkopenie steht in der Regel im Zusammenhang mit zunehmendem Alter, körperlicher Inaktivität und schlechter Ernährung als Hauptursachen und betrifft schätzungsweise 10 % der über 60-Jährigen, wobei der Anteil mit zunehmendem Alter weiter steigt. Der Abbau von Muskelmasse und -kraft erschwert die Verrichtung alltäglicher Aufgaben und führt zu einem Verlust der Selbstständigkeit, einer verminderten Lebensqualität, einem erhöhten Sturzrisiko und damit verbundenen Krankenhausaufenthalten oder Langzeitpflege.
Zwar sind die Risikofaktoren für Sarkopenie komplex und vielschichtig, aber ein Schlüsselfaktor, der der Krankheit zugrunde liegt, ist eine verringerte Fähigkeit des Körpers, Proteine zu synthetisieren (oft aufgrund mangelnder Muskelbeanspruchung), was zu einer verringerten Masse der Skelettmuskeln führt. Eine Möglichkeit, mehr Muskelmasse aufzubauen, ist der erhöhte Verzehr von hochwertigen Proteinen, insbesondere von verzweigtkettigen Aminosäuren (BCAA). Die Einnahme von Protein- und Aminosäurepräparaten wird von vielen Fachleuten ebenfalls empfohlen. Allerdings ist eine optimale Anwendung von Aminosäurepräparaten schwierig, weil man nicht genau weiß, was mit ihnen im Körper passiert, und weil es nur wenige gut kontrollierte Studien gibt, in denen ihre Wirksamkeit untersucht wurde.
Überwachung von Aminosäuren im Körper mittels LC-MS
Eine der vielen Forschungsgruppen, die sich dieser Herausforderung stellen, ist ein Team unter der Leitung von Dr. Theocharis Ispoglou an der Carnegie School of Sport. Die zur Leeds Beckett University gehörende Einrichtung ist eine der größten Sporthochschulen Großbritanniens und widmet sich auch der Forschung, unter anderem mit dem Ziel, die menschliche Gesundheit zu verbessern.
Die Arbeit von Dr. Ispoglou ist ganz auf dieses Ziel ausgerichtet. In seinen 17 Jahren an der Carnegie School of Sport beschäftigte er sich zunehmend mit der Rolle von Ernährungs- und Bewegungsmaßnahmen bei der Optimierung der Muskelgesundheit im Laufe des Lebens. „In meiner aktuellen Forschungsarbeit konzentriere ich mich darauf, wie Nahrungsergänzungsmittel zusammen mit ausgewogener Ernährung und Bewegung dazu beitragen können, dass wir gesünder altern. Dabei betrachte ich nicht nur die sportliche Komponente, sondern auch den klinischen Aspekt“, erklärt er.
Eines der laufenden Projekte des Teams steht in direktem Zusammenhang mit Sarkopenie. Es wird von Doktorand Luke Aldrich durchgeführt und von Dr. Ispoglou und Dr. Antonis Stavropoulos (ebenfalls von der Carnegie School of Sport) gemeinsam betreut. In den letzten 18 Monaten untersuchte er mit dem LCMS-8045 System von Shimadzu, wie sich die Zusammensetzung von Aminosäurepräparaten auf die Blutplasmakonzentrationen einer Reihe von essenziellen Aminosäuren auswirkt. Um fundierte Schlüsse ziehen zu können, erklärt Aldrich, dass die Studie ein intensives Stichprobenverfahren umfasst: „Kürzlich haben wir eine Studie an 10 Erwachsenen im Alter von über 60 Jahren abgeschlossen, die aus drei Versuchen bestand. Bei jedem dieser Versuche wurden über einen Zeitraum von vier Stunden zu acht Zeitpunkten Blutproben entnommen. Insgesamt waren es 240 Proben im Rahmen der gesamten Studie.“
Mehr Proben und präzisere Ergebnisse
Allein schon die Anzahl der Proben ist für die Gruppe bahnbrechend, da sie ihre Analysen bisher extern durchführen lassen musste: „Früher hätten wir so etwas wegen der Kosten nicht machen können“, so Dr. Ispoglou. „Aber jetzt, wo die Einschränkung der Probenentnahme wegfällt, können wir so viele Zeitpunkte wie nötig betrachten und dadurch detailliertere und informativere Konzentrationskurven für Aminosäuren im Blutplasma erstellen.“
Verständnis kausaler Zusammenhänge dank neuer Möglichkeiten durch LC-MS
Aber nicht nur der Studienaufbau erweist sich als erfolgreich, auch die Analysemethode ist ein Meilenstein, da die LC-MS in den Bereichen der Sporternährung und Sportwissenschaft noch nicht weit verbreitet ist. Bislang kamen üblicherweise Immunassays für die Analyse von Proteinen oder Hormonen zum Einsatz. Es bestand in der Regel kein interner Zugang zu chromatographischen Techniken für kleinere Moleküle oder die Erfahrung, um diese effektiv einzusetzen.
Dank des leichten Zugangs zu einem LC-MS-System konnte das Team um Dr. Ispoglou jedoch erhebliche Fortschritte erzielen: „Alle LC-MS-Daten liefern uns ein umfassenderes und genaueres Bild von den Vorgängen, sodass wir mögliche ursächliche und mechanische Zusammenhänge viel besser erkennen können. Das alles wäre früher sicher nicht möglich gewesen!“
| Aminosäure | Retentionszeit (min) | |
| 1 | Tryptophan | 1,073 |
| 2 | Phenylalanin | 1,100 |
| 3 | Tyrosin | 1,195 |
| 4 | Leucin | 1,213 |
| 5 | Methionin | 1,280 |
| 6 | Isoleucin | 1,296 |
| 7 | Valin | 1,530 |
| 8 | Threonin | 1,830 |
| 9 | Alanin | 1,975 |
| 10 | Serin | 2,000 |
| 11 | Prolin | 2,064 |
| 12 | Asparagin | 2,226 |
| 13 | Glutamin | 2,312 |
| 14 | Arginin | 3,877 |
| 15 | Glutaminsäure | 4,857 |
| 16 | Lysin | 4,861 |
| 17 | Asparaginsäure | 5,060 |
Eingehende Schulung und Betreuung vor Ort
Möglich wurde diese Entwicklung nur durch eine große Investition der Leeds Beckett University in die Carnegie School of Sport. Der 2020 eröffnete Neubau vereint bisher getrennte Einrichtungen unter einem Dach. Für Dr. Ispoglou bot sich damit die einmalige Gelegenheit, die Laboreinrichtungen seiner Gruppe zu erweitern. „Wir hatten einige vorläufige Untersuchungen über die Empfindlichkeit und Spezifität der LC-MS durchgeführt und wussten, dass sie sich perfekt für unsere Forschung eignen würde. Ich leitete die Ausschreibung von Anfang bis Ende und wurde dabei von Dr. John George von der School of Health unterstützt, der über umfangreiche Erfahrungen und Kenntnisse im Bereich der LC-MS verfügt. Ich war sehr erfreut, dass das Team von Shimadzu ein äußerst wettbewerbsfähiges Angebot unterbreitete und ihr System den Zuschlag erhielt. Damit ging für mich ein jahrelanger Wunsch in Erfüllung!“
Da aber niemand in der Gruppe Erfahrung mit LC-MS hatte, mussten die Forscher erst einmal geschult werden. Luke Aldrich berichtet: „Wir erhielten das LC-MS-System im November 2021. Kurz darauf hatten wir unsere erste Schulung durch Shimadzu. Wir begannen bei null, aber unsere Trainer von Shimadzu waren großartig. Sie erklärten uns zuerst die theoretischen Aspekte der Chromatographie, dann wiesen sie uns in die Bedienung des Systems ein und schulten uns in der Datenanalyse, der Probenvorbereitung und der Standardvorbereitung – das ganze Programm!“
Laut Aldrich ist das Team von Shimadzu außerdem sehr hilfsbereit und bietet bei Bedarf schnell Unterstützung per E-Mail oder Telefon: „Sie sind sofort zur Stelle und sehr behilflich. In den letzten sechs Monaten erhielten wir oft noch am selben Tag Vor-Ort-Support durch die technischen Spezialisten von Shimadzu. Nicht viele Hersteller bieten einen solchen Service an.“
Anfangs war für das Team der Mangel an geeigneten Methoden zur Probenvorbereitung eine Herausforderung. Aldrich sagt: „Zwar hatten wir eine gute Methode für die LC-MS-Analyse von Aminosäuren, aber die Probenvorbereitung eignete sich nicht für Blutplasma. Mithilfe von Shimadzu konnten wir jedoch einige Änderungen vornehmen, indem wir unter anderem das Verdünnungsmittel wechselten, den Säuregehalt anpassten und den Filtrationsschritt optimierten. Shimadzu hat uns wirklich geholfen, die verschiedenen Varianten durchzuspielen, um sicherzustellen, dass wir die bestmögliche Rückgewinnung und Datenqualität erhalten.“
Künftige Schritte bereits in Planung
Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels (Juni 2023) wurde eine Studie an 30 Erwachsenen kürzlich abgeschlossen. Die vorläufigen Ergebnisse deuten auf deutliche Unterschiede im Aminosäurespiegel zwischen einer neutralen Kontrollgruppe ohne Programm und den Gruppen hin, die entweder ein Sportprogramm oder ein Programm mit Nahrungsergänzungsmitteln absolvierten. Die Ergebnisse wurden noch nicht veröffentlicht, aber Dr. Ispoglou erklärt, dass diese Arbeit die Ergebnisse einer früheren Fallstudie zu bestätigen scheint, die das Team an einem 57-Jährigen mit Sarkopenie durchgeführt hat:[1] „Im Rahmen dieser ersten Studie konnten wir zeigen, dass die Gesamtzahl von 17 Aminosäuren nach 24 Wochen Sport und Ernährung um 19,1 % anstieg, was der Literatur in diesem Bereich entspricht. Wir freuen uns also sehr darauf, die Ergebnisse unserer neuen, viel umfangreicheren Studie zu veröffentlichen!“
Im Anschluss an dieses Projekt will das Team seine Analyse auf die im Blutplasma vorhandenen Steroidhormone ausweiten. Diese Steroide sind ein weiterer Faktor der Sarkopenie, für den sich das Team schon seit einiger Zeit interessiert. Aldrich arbeitet derzeit an der Methodenentwicklung für diese Analysen und erklärt, dass die Analyse den Nachweis von 11 Hormonen plus Vitamin D innerhalb von 6 Minuten ermöglicht: „Angesichts der Tatsache, dass wir früher für jedes Hormon einen anderen Immunassay entwickeln mussten, ist das wirklich unglaublich!“
An zwei weiteren Projekten des Teams, bei denen ebenfalls LC-MS zum Einsatz kommt, ist die School of Health in Leeds Beckett beteiligt. Der leitende Forscher Dr. John George sagt, dass im Rahmen der ersten Studie LC-MS eingesetzt wird, um die biochemischen Signalwege aufzudecken, die an der Regulierung der Biogenese der Zellhülle gramnegativer Bakterien beteiligt sind. Dies könnte bei der Entwicklung neuer Medikamente von Bedeutung sein, um zu verstehen, wie diese Zellen wachsen oder Homöostase erreichen. Im zweiten Projekt werden die Bakterien mit einer Reihe von Antibiotika behandelt und ihre zelluläre Reaktion mittels LC-MS überwacht, was zur Suche nach neuen Medikamenten gegen antibiotikaresistente Bakterien beitragen könnte.
Neue Erkenntnisse in der Sarkopenieforschung dank LC-MS
Dr. Ispoglou hält die Verfügbarkeit der LC-MS-Geräte von Shimadzu in den neuen Laboreinrichtungen der Carnegie School of Sport für die Bemühungen seines Teams für entscheidend. „Um die Forschung kontinuierlich voranzutreiben, sind Investitionen in Geräte und Mitarbeiter erforderlich. Mit unseren neuen Instrumenten konnten wir unsere Forschung entscheidend voranbringen“, sagt er. „Die LC-MS hat zweifellos das Potenzial, neue Erkenntnisse auf den Gebieten Sport, Bewegungswissenschaft und Ernährung hervorzubringen.“
Dr. Ispoglou ist sich sicher, dass Shimadzu dem Team den Einstieg in die LC-MS erleichtert hat: „Sie waren unglaublich, unsere Erfahrungen waren äußerst positiv. Ich habe den Eindruck, dass sie sich wirklich für unsere Arbeit interessieren und wollen, dass wir mit unseren Daten möglichst viel erreichen.“ Aldrich stimmt dem zu: „Wir haben nichts an Shimadzu auszusetzen – die Geräte sind zuverlässig und der Service ist hervorragend!“
[1] T. Ispoglou, P. Ferentinos, K. Prokopidis, C. Blake, L. Aldrich, A. Elia, M. Lees and K. Hind, A case study on the impact of exercise and essential amino acid supplementation on physical fitness and body composition, Authorea, 2023 (preprint), https://doi.org/10.22541/au.168242070.05644106/v1.
