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Dissertation: Silvia Achtzehn


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Dissertation: Silvia Achtzehn

Dissertation / Doktorarbeit / Thesis

Deutsche Sporthochschule Köln
Institut für Trainingswissenschaft und Sportinformatik
Achtzehn, Silvia (2013): Hämoglobinkonzentrationen, Hämatokrit-Werte 
und Retikulozyten in der Sportwissenschaft: 
Untersuchungen zu biologischen und analytischen Varianzen und Referenzwerten Zusammenfassung:
Abstract:

Die Menge an sauerstofftransportierendem Hämoglobin (Hb) der Erythrozyten (RBC) ist ein bestimmender Faktor der aeroben Energiegewinnung und Ausdauerleistungsfähigkeit eines Athleten. Die Laborparameter Hämoglobinkonzentration ([Hb] (g/dl)), Hämatokrit-Wert (Hk (%)) und die gesamte
Hb-Masse (tHb (g)) sind daher wesentliche Messgrößen in der Sportwissenschaft. Die Messung der [Hb] und des Hk ist im Gegensatz zur Messung der tHb relativ einfach und schnell durchführbar. Ein weiterer Biomarker der Erythropoese ist die relative Menge der Retikulozyten (% RET) im Blut, die letzte Vorstufe der RBC im peripheren Blut. Alle drei Parameter können sich durch natürliche Anpassungsprozesse verändern, sind jedoch auch gleichzeitig Marker der indirekten Dopinganalytik.
Veränderungen der [Hb], des Hk und der % RET können aus unterschiedlichen Gründen hervorgerufen werden. Auf der einen Seite können erniedrigte Werte durch einen Eisen (Fe)-Mangel hervorgerufen werden, da der Fe-Stoffwechsel eines Hochleistungssportlers einem erhöhten Fe-Verlust bzw. -Bedarf unterliegt. Auf der anderen Seite können akute und chronische Anpassungsprozesse hervorgerufen durch beispielsweise einen Wechsel der Körperlage, Veränderungen des Hydratationszustandes, Training (in Abhängigkeit der Umfänge und Intensitäten) oder eine Höhenexpositionen entweder zu erhöhten oder erniedrigten Messwerten führen und stehen sich gegenüber. Die Messung von Biomarkern unterliegt also präanalytischen Einflussgrößen und Störfaktoren die zu biologischen Varianzen führen können. Für sportwissenschaftliche Fragestellungen wurden diese noch nicht ausreichend unter realen Trainingsbedingungen untersucht.
Individuelle Varianzen von [Hb], Hk und % RET werden jüngst aber auch vermehrt im Zusammenhang mit unterschiedlichen analytischen Methoden bzw. Messgeräten diskutiert. Hierdurch wird die biologische Varianz um die analytische Varianz erweitert. Hierzu bietet die Literatur zahlreiche Untersuchungen, jedoch fast ausschließlich im klinischen und weniger im sportwissenschaftlichen Kontext.
Weiterhin werden die zur Verfügung stehenden Referenzwerte zur Beurteilung eines einzelnen Messwertes in der postanalytischen Phase kritisch gesehen. Diese wurden in der Regel anhand einer Stichprobe aus der untrainierten Normalbevölkerung erhoben. Auch die in der Vergangenheit zum indirekten Nachweis manipulativer Methoden zur Erhöhung der tHb ausgesprochenen Grenzwerte für die [Hb], Hk und %RET verschiedener Sportorganisationen wurden an Referenzwerte angelehnt. Es rückt vermehrt die Frage in den Vordergrund, ob die Untersuchungsklientel in der Sportwissenschaft mit der Referenzpopulation vergleichbar ist.
Die vorliegende Arbeit setzt sich aus sieben verschiedenen Untersuchungen zu folgenden übergeordneten Fragestellungen zusammen:
1. Wie hoch ist der Einfluss von präanalytischen Einflussgrößen und analytischer Variabilität durch unterschiedliche Messmethoden bzw. -geräte auf die inter- und intraindividuelle biologische Varianz der [Hb], Hk und % RET?
2. Welche Referenzwerte zur Beurteilung eines Messwertes von Athleten in der postanalytischen Phase lassen sich mittels einer Stichprobe von Kaderathleten verschiedener Alters- und Sportartklassen ermitteln, und sind sie mit denen einer Normalpopulation vergleichbar?

In der ersten Untersuchung wurden Profi-Skilangläufer vier verschiedener Nationalteams in ihren unterschiedlichen Trainingslagern hinsichtlich akuter Anpassungen der [Hb], Hk und % RET untersucht. Es konnte nachgewiesen werden, dass sowohl ein Wechsel von einer stehenden in eine liegende Position (20 Min.) zu erniedrigten [Hb] führen kann (im Mittel bis zu 0,6 g/dl und individuell bis zu 1,0 g/dl) als auch die Zufuhr von 2 Liter Wasser (im Mittel bis zu 0,9 g/dl und individuell bis zu 1,3 g/dl). Nach einem Grundlagen-Ausdauertraining im mittleren Intensitätsbereich wurden im Mittel bis zu 0,3 g/dl und individuell bis zu 1,3 g/dl erhöhte [Hb] gemessen. Der Hk korrespondierte weitestgehend mit der [Hb]. Die % RET zeigten keine Veränderungen nach Wechsel der Körperlage oder Flüssigkeitsaufnahme. Nach dem Training konnten jedoch in einigen Fällen höhere Werte gemessen werden (im Mittel bis zu 0,3 % und individuell bis zu 1,3 %). Während eines Trainings in mittleren Höhen wurden höhere [Hb], Hk und % RET nachgewiesen als in geringer Höhe (15,1 ± 0,47 vs. 14,7 ± 0,80 g/dl und 1,25 ± 0,43 vs. 1,13 ± 0,31 %). Die höchsten interindividuellen Varianzen (Variationskoeffizient (VK %)) für [Hb], Hk und % RET betrugen 10,8, 8,9 und 40,0 %. Der intraindividuelle VK % betrug 5,7 % für die [Hb] und Hk sowie 18 % für die % RET. Die Ergebnisse zeigen, dass präanalytische Einflussfaktoren die intraindividuelle biologische Varianz erhöhen, diese jedoch immer kleiner ausfällt als die interindividuelle Varianz.
In fünf weiteren Untersuchungen wurde die mögliche Höhe einer analytischen Varianz der [Hb], Hk und % RET durch unterschiedliche Messmethoden oder -geräte untersucht. Zum Einsatz kamen große und kleine Laborvollautomaten sowie Point of Care Testing (POCT)-Geräte. Bei nahezu allen Vergleichen wurden hohe Korrelationen der Messwerte ermittelt, aber auch gleichzeitig eine mittlere Abweichungen gemessen, die je nach Vergleich entweder höhere oder niedrigere Messwerte für die [Hb], Hk und % RET mit dem Referenzgerät (Sysmex KX 21N) ergaben. Die Spannbreiten der Differenzen fielen unterschiedlich hoch aus, so dass je nach Ergebnis von einer systematischen oder eher zufälligen Abweichung auszugehen ist. Durch die Untersuchungsergebnisse konnte gezeigt werden, dass von einem Wechsel der Messmethode bei Longitudinalstudien dringend abzuraten ist, da sonst die interindividuellen Varianzen erhöht werden können. Gleiches gilt auch im Zusammenhang mit Untersuchungen zur indirekten Dopinganalytik.
Die siebte Studie hatte zum Ziel, die Datengrundlage für die [Hb], Hk und % RET von Kaderathleten mit einer Stichprobe von 557 Athleten zu verbessern, laborinterne Referenzwerte zu ermitteln und diese mit denen aus allgemeinmedizinischer Literatur zu vergleichen. Für die Ergebnisse ist insbesondere hervorzuheben, dass für die männliche Stichprobe bereits ab einer Altersklasse von 13 Jahren steigende [Hb] und Hk mit zunehmendem Alter festzustellen waren. Im Zusammenhang mit der Sportartklasse wurden für die männliche Stichprobe niedrigere [Hb] und Hk für Ausdauersportarten im Vergleich zu anderen Sportartklassen ermittelt. Es ist davon auszugehen, dass langfristige physiologische Anpassungen an Ausdauertraining zu einer Erhöhung des Plasmavolumens (PV) und Erniedrigungen der [Hb] und Hk führten. Sowohl in Abhängigkeit der Alters- als auch der Sportartklasse liegen einige untere Referenzwertgrenzen für beide Geschlechter unter denen aus allgemeinmedizinischer Literatur. Auch hierfür werden PV-Veränderungen verantwortlich gemacht und weniger ein Fe-Mangel, der durch andere Serumparameter weitestgehend ausgeschlossen werden konnte. Für die % RET konnten keine geschlechts-, alters- und sportartspezifischen Unterschiede und auch keine Unterschiede zu den Angaben aus allgemeinmedizinischer Literatur festgestellt werden.
Mit der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass Blutproben für Longitudinaluntersuchungen im Zusammenhang mit sportwissenschaftlichen Untersuchungen und auch zur indirekten Dopinganalytik unter hohen standardisierten präanalytischen Voraussetzungen durchgeführt werden müssen. Außerdem ist in beiden Fällen der Einsatz der gleichen Messmethode bzw. -geräte unausweichlich. Für die Beurteilung eines einzelnen Messwertes im Vergleich zu Referenzwerten ist darauf zu achten, dass die Referenzwerte einer vergleichbaren Stichprobe entstammen. Die Ergebnisse der eigenen Untersuchung können als Vergleichswerte herangezogen werden. Für besondere Fragestellungen sind nach Möglichkeit individuelle Referenzwerte vorzuziehen. Referenzwerte müssen zudem in Abhängigkeit der Messmethode gesehen werden.

Abstract (English):

The mass of oxygen transporting hemoglobin (HB) of the erythrocytes (RBC) is a crucial factor for an athlete´s aerobic energy production and endurance capacity. The measurement parameters hemoglobin concentration ([Hb] (g/dl)), hematocrit (Hk (%)) und total hemoglobin concentration (tHB (g)) are therefore essential indicators in sport science. The measurement of [Hb] and Hk is relatively easy and quick compared to measurement of tHb. A further biomarker for erythropoiesis is the percentage of reticulocytes (% RET), the last precursor of RBC in the peripheral blood. All three parameters can be changed by natural adaption processes but they are marker for direct doping analysis at the same time.
Changes in [HB], Hk and % RET can be evoked by different reasons. On the one hand lower values can be caused by an iron (Fe) deficit as a top athlete´s Fe-metabolism shows higher Fe-losses and thus a higher demand, respectively. On the other hand acute and chronic adaption processes caused by changes in body position, hydration status, training (dependent on volume and intensity), and exposition to hypoxia can lead to elevated or lowered measured values and contrast each other. The measurement of biomarkers underlies pre-analytical variables that influence the biological variation. For sport science problems these have not been examined sufficiently under real training conditions.
Individual variation of [Hb], Hk and % RET are recently increasingly discussed in the context of different analytical methods and measuring devices, respectively. Analytical factors influence biological variation as well. The scientific literature provides numerous studies in this context, but they mainly exclusively with focus on the clinical situation and less in the sport science context.
Furthermore existing reference values in the post-analytical phase for the assessment of a single parameter are viewed critically. Normally they are collected from a sample of the untrained normal population. Threshold values of different sport organizations for [Hb], Hk and % RET used as indirect marker for manipulative methods of elevating tHb have been derived from reference values in the past as well. The question is whether the examination clientele in sport science is comparable with the reference population. The present work consists of seven different studies concerning the following questions:
1. How great is the influence of pre-analytical factors and analytical imprecision by different measurement methods and devices on the inter- and intraindividual biological variation of [Hb], Hk and % RET?
2. Can reference values for the evaluation of athletes´ measurement values in the post-analytical phase be determined by a sample of cadre athletes of different age- and sportsgroups and are these comparable with the normal population?

In the first study acute responses of [Hb], Hk und % RET were examined in professional cross-country skier of four different national teams in their training camps. It was shown that either a change of the body position from standing to lying (20 min) can lead to lower [Hb] (in average up to 0.6 g/dl and individually up to 1.0 g/dl) as well as the consumption of 2 liter water (in average up to 0.9 g/dl and individually up 1.3 g/dl). After a basic endurance training session with medium intensity the measured [Hb] was elevated up to 0.3 g/dl in average and up to 1.3 g/dl individually. Hk was mainly corresponding to [Hb]. % RET did not show differences after changing the body position or fluid uptake. After the training, however, higher sessions values have been measured in some cases (in average up to 0.3 % and individually up to 1.3 %). During a training session at medium altitude higher [Hb] and % RET were observed than at lower altitude (15.1 ± 0.47 vs. 14.7 ± 0.80 g/dl and 1.25 ± 0.43 vs. 1.13 ± 0.31 %). The highest interindividual variation (Coefficient of variation (CV %)) for [Hb], Hk and % RET were 10.8 %, 8.9 % and 40.0 %. The intraindividual CV was 5.7 % for [Hb] and Hk and 18 % for % RET. These results show that pre-analytic influencing variables elevate the intraindividual biological variation. However, the change is always smaller than the interindividual variation.
In five further studies the influence of different measurement methods and devices on the analytical variance of the [Hb], Hk und % RET was examined. Large and small full automatic devices as well as point of care testing (POCT) devices were used. During all comparisons high concentrations of the measured parameters were observed as well as a high average deviation for [Hb], Hk und % RET compared to the reference device (Sysmex KX 21N). The range of the differences varied leading to the assumption that a systematic or a random difference might be the cause depending on the result. The results of the present study show that a change of the measurement method during longitudinal studies is not advisable, as it might elevate the interindividual variation. The same is true for examinations for direct doping analysis.
The aim of the seventh study was to improve the database for [Hb], Hk und % RET of squad athletes with a sample size of 557 athletes, determine intern laboratory reference values and compare these values with the available literature. The most prominent result was that the male sample showed an elevation of [Hb] and Hk with age starting at the age group of 13 years. For the male sample a connection of the discipline with [Hb] and Hk was observed as endurance athletes showed lower values than athletes from other sports. It can be assumed that a long-term adaption to endurance training results in an increase of plasma volume (PV) and degradation of [Hb] und Hk. For both age group and discipline some lower threshold reference values are below of those in the common medical literature. PV-changes rather than a Fe-deficiency, which was excluded by further serum parameters, may be accountable for this. For % RET no gender, age group or discipline specific differences as well as no differences to data from common medical literature were determined.
The present work has shown that blood samples for longitudinal studies in sport scientific context and for the indirect doping analysis as well need to be performed with high-standardized pre-analytical conditions. Furthermore the use of the same measurement method and device is crucial for both cases. For the assessment of a single measured value compared to a reference value it must be ensured that the reference values are from a comparable sample. The results of the own study can serve as reference values. For specific research questions the use of individual reference values, where possible, is preferable. Furthermore reference values need to be seen in dependence of the performed method to perceive these values.


11.12.2017 - 03:18