Therapiestudie mit Kreatin bei der Glykogenose Typ V (McArdle-Erkrankung)

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1 Aus der Neurologischen Klinik und Poliklinik der Berufsgenossenschaftlichen Kliniken Bergmannsheil Universitätsklinik der Ruhr-Universität Bochum Direktor: Prof. Dr. med. J.-P. Malin Therapiestudie mit Kreatin bei der Glykogenose Typ V (McArdle-Erkrankung) - eine doppelblinde, Plazebo-kontrollierte crossover-studie - Inaugural-Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Medizin einer Hohen Medizinischen Fakultät der Ruhr-Universität Bochum vorgelegt von Rudolf Andre Kley aus Duisburg 2005

2 Dekan: Referent: Koreferent: Prof. Dr. med. G. Muhr PD Dr. med. M. Vorgerd Prof. Dr. rer. nat. M. W. J. Gerlach Tag der mündlichen Prüfung:

3 Meinen Eltern, meiner Verlobten Magdalena und meinem Neffen Lennard in Dankbarkeit gewidmet.

4 Inhaltsverzeichnis 1 EINLEITUNG Energiestoffwechsel der Skelettmuskulatur Funktion und Wirkungsweise der Muskelfasern Energiestoffwechsel unter Belastung Glykogenstoffwechsel Glykogenose Typ V Klinische Beschwerden Muskelbiopsie Genetik Pathophysiologie Therapie Kreatin Synthese Transport Abbau und Ausscheidung Kreatingehalt der Skelettmuskulatur Intramuskuläre Kreatinkonzentration bei Gesunden Intramuskuläre Kreatinkonzentration bei Myopathien Funktionen im Energiestoffwechsel der Muskulatur Studien zur Kreatin-Supplementation Pharmakokinetik Studien an Sportlern Studien an Myopathie-Patienten Oberflächen-Elektromyographie (S-EMG) Grundlagen Messparameter Veränderungen bei Muskelermüdung S-EMG bei der Glykogenose Typ V Phosphor-Magentresonanzspektroskopie ( 31 P-MRS) Grundlagen... 37

5 Inhaltsverzeichnis Veränderungen bei Belastung P-MRS bei der Glykogenose Typ V Ziel der Studie METHODIK Probanden Patienten Kontrollgruppe Studiendesign Eingesetzte Präparate Randomisierung und Verblindung Untersuchungsmethoden Anamnese und körperliche Untersuchung Tagesprotokolle Parameter Auswertung Klinisch-chemische Untersuchungen S-EMG Versuchsaufbau Maximalkraft-Test Standard-Wadenmuskeltest Auswertung Phosphor-Magnetresonanzspektroskopie ( 31 P-MRS) Versuchsaufbau Versuchsablauf Auswertung Messparameter Statistische Auswertung Tagesprotokolle Klinisch-chemische Untersuchungen und Körpergewicht S-EMG-Parameter... 59

6 Inhaltsverzeichnis Vergleich mit Kontrollgruppe Vergleich der Studiengruppen P-MRS ERGEBNISSE Studienprofil Untersuchungsergebnisse Anamnese und körperliche Untersuchung Tagesprotokolle Klinisch-chemische Untersuchung S-EMG Vergleich mit gesunder Kontrollgruppe Vergleich der Studiengruppen P-NMR-Spektroskopie DISKUSSION Anstieg der intramuskulären Kreatinkonzentration Einfluss von Kreatin auf die Maximalkraft Ergebnisse der S-EMG-Messungen Ergebnisse der 31 P-MRS-Messungen Einfluss von Kreatin auf die klinische Symptomatik Fazit ZUSAMMENFASSUNG LITERATURVERZEICHNIS ANHANG DANKSAGUNG

7 Abkürzungsverzeichnis ACE Angiotensin-Konversions-Enzym A/D analog/digital ADP Adenosindiphosphat AGAT Arginin-Glyzin-Amidinotransferase AMP Adenosinmonophosphat AMPK AMP-aktivierte Proteinkinase ANT Adeninnukleotid-Translokator Arg Arginin ATP Adenosintriphosphat BMD Muskeldystrophie Typ Becker Ca 2+ camp cdna Cl - CK CrT DMD DNA EA EMG FFT FID FSHD g GAA GAMT GAT/NET Kalziumionen zyklisches AMP komplementäre Desoxyribonukleinsäure Chloridionen Kreatinkinase Kreatinstransporter Muskeldystrophie Typ Duchenne Desoxyribonukleinsäure elektrische Aktivität Elektromyogramm Fast-Fourier-Transformation freier Induktionszerfall Fazioskapulohumerale Muskeldystrophie Gramm Guanidinoazetat Guanidinoazetat-Methyltransferase γ-aminobuttersäure/noradrenalin Transporter GLUT4 Glukosetransporter 4 GSD V Glycogen Storage Disease Type V (Glykogenose Typ V) H + HE Hz Wasserstoffionen Hämatoxylin-Eosin Hertz

8 Abkürzungsverzeichnis 8 HMAS Hammersmith Motor Ability Score IGF-1 Insulin-ähnlicher Wachstumsfaktor 1 K + kda kg KG KI kj K m l LGMD µmol m Kaliumionen Kilodalton Kilogramm Körpergewicht Konfidenzintervall Kilojoule Michaelis-Konstante Liter Gliedergürtel-Muskeldystrophie Mikromol Meter M. Muskel MF Mittenfrequenz mg Milligramm MHz Megahertz mmhg Millimeter Quecksilber mmol Millimol MRC Medical Research Council Scale mrna messenger-rna MVC Maximum Voluntary Contraction (willkürliche Maximalkraft) Na + Natriumionen NADH Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid NRS Numerische Ratingskala NSS Neuromuscular Symptom Score PAS Perjodsäure-Schiff-Reagenz PCr Phosphokreatin PDE Phosphodiester PGYM Myophosphorylase-Gen Pi anorganisches Phosphat PME Phosphomonoester 31 P-MRS 31 Phosphor-Magnetresonanzspektroskopie PROMM Proximale Myotone Myopathie

9 Abkürzungsverzeichnis 9 RCT RMS RNA s ScCKmit SD SE SEM S-EMG SERCA SNR S p T 3 TK TM U UbCKmit randomisierte kontrollierte Studie Root Mean Square Ribonukleinsäure Sekunde sarkomerische mitochondriale CK Standardabweichung Standardfehler Standardfehler des Mittelwertes Oberflächen-EMG sarkoplasmatische Ca 2+ -ATPase Signal-Rausch-Verhältnis gepoolte Standardabweichung Trijodthyronin Testkraft Trockenmasse Einheiten (Units) ubiquitäre mitochondriale CK

10 1 Einleitung 1.1 Energiestoffwechsel der Skelettmuskulatur Funktion und Wirkungsweise der Muskelfasern Hauptfunktionen der quergestreiften Muskulatur sind die Lokomotion und die Fixierung des Skeletts. Die Umwandlung chemischer Energie in mechanische Arbeit (elektromechanische Kopplung) wird durch die Myofibrillen ermöglicht. Bei einer Kontraktion der Muskelfaser gleiten die dünnen Aktinfilamente an den dicken Myosinfilamenten entlang. Dadurch kommt es zu einer Verkürzung der Sarkomere, der kleinsten Funktionseinheiten der Myofibrillen. Die nötige Energie liefert die phosphorylytische Spaltung von Adenosintriphosphat (ATP) in Adenosindiphosphat (ADP) und Phosphat Energiestoffwechsel unter Belastung Die intrazelluläre ATP-Konzentration der Muskelfasern liegt bei ca. 8,2 mmol/l. Der ATP-Umsatz beträgt in Ruhe etwa 0,6 mmol pro Minute. Bei maximaler Belastung kann dieser Wert auf das Hundertfache ansteigen (Lambeth & Kushmerick, 2002). Die vorhandene Menge an ATP wäre unter diesen Bedingungen nach 1 bis 2 Sekunden verbraucht. Unter physiologischen Bedingungen bleibt die ATP-Konzentration jedoch auch bei maximaler Muskelarbeit weitestgehend konstant. Der Grund ist die suffiziente Rephosphorylierung von ADP zu ATP. Abhängig vom zeitlichen Verlauf und der Intensität der Muskelarbeit werden zu diesem Zwecke unterschiedliche Stoffwechselwege genutzt bzw. aktiviert: Während der ersten Sekunden einer Belastung erfolgt die Resynthese von ATP vorwiegend durch die Übertragung der Phosphatgruppe von Phosphokreatin (PCr) auf ADP. Katalysiert wird die Reaktion durch die Kreatinkinase (CK). Intensive Muskelarbeit kann zu einem Verbrauch des PCr führen, bevor eine Aktivierung nachhaltigerer Stoffwechselwege einsetzt. Unter diesen Bedingungen gewinnt die Myokinase-Reaktion an Bedeutung, bei der eine Phosphatgruppe von ADP auf ein weiteres ADP-Molekül übertragen wird. Dabei entstehen ATP und Adenosinmonophosphat (AMP). Mit einer Latenz von einigen Sekunden setzt die Energiegewinnung aus Glukose ein. Durch die Glykogenolyse wird Glukose aus dem in der Muskelfaser

11 Einleitung 1.1 Energiestoffwechsel der Skelettmuskulatur 11 gespeicherten Glykogen freigesetzt. Parallel wird die Aufnahme von Glukose aus dem Blut über membranständige Glukosetransporter, vor allem GLUT4, gesteigert (Zorzano et al., 2000). Unter anaeroben Bedingungen wird Glukose zu Laktat abgebaut. Dabei werden im Rahmen der anaeroben Substratkettenphosphorylierung pro Mol Glukose zwei Mol ADP zu ATP phosphoryliert. Die 16fache Menge an ATP entsteht bei der oxidativen Glykose durch die zusätzlich stattfindende aerobe Substratkettenphosphorylierung und durch Atmungskettenphosphorylierungen. Diese Reaktionen laufen in den Mitochondrien ab. Als Endprodukte entstehen Kohlendioxid und Wasser. Bei anhaltender Muskelarbeit erfolgt die Gewinnung von ATP vorwiegend aus dem aerob ablaufenden Abbau von Fettsäuren. Diese werden durch Lipasen in den Lipozyten freigesetzt, ins Blut abgegeben und mit Hilfe spezifischer Transportmoleküle von den Muskelfasern aufgenommen (Zorzano et al., 2000). Nach Aktivierung der Fettsäuren durch die Acyl-CoA-Synthetase erfolgt der durch die Carnitin-Palmitoyl-Transferase vermittelte Transport in die Mitochondrien. Dort findet die β-oxidation statt, bei der durch Substrat- und Atmungskettenphosphorylierung ATP gebildet wird. Die Nutzung von Aminosäuren zur Energiegewinnung spielt unter normalen Bedingungen eine untergeordnete Rolle, gewinnt jedoch im Hungerstoffwechsel an Bedeutung. Die Freisetzung der Aminosäuren geschieht vorwiegend durch den Abbau von Muskelproteinen. Neben Asparagin, Glutamat und Alanin werden vor allem die verzweigtkettigen Aminosäuren Valin, Isoleucin und Leucin aerob-oxidativ verstoffwechselt Glykogenstoffwechsel Im menschlichen Organismus wird Glukose in Form von Glykogen gespeichert. Mit Ausnahme der Erythrozyten lässt es sich in allen Zellen nachweisen, Hauptspeicherorte sind die Leber ( g) und die Muskulatur (10-20 g pro kg Muskelmasse) (Krahenbuhl et al., 2003;Selberg et al., 1994;Wise et al., 1997). In der Leber dienen die Synthese und der Abbau von Glykogen vorwiegend der Homöostase des Blutzuckerspiegels. Der Muskulatur hingegen fehlt das Enzym Glukose-6-Phosphatase, welches die Dephosphorylierung von aus Glykogen freigesetztem Glukose-6-Phosphat katalysiert und so einen Transport der Glukose aus der Zelle ermöglicht. Daher ging man bis vor kurzem davon aus, dass

12 Einleitung 1.1 Energiestoffwechsel der Skelettmuskulatur 12 das in der Muskulatur gespeicherte Glykogen nur den speichernden Muskelfasern für die Energiegewinnung zur Verfügung steht. Ende 2003 wurde jedoch ein zweites Enzym, die Glukose-6-Phosphatase-beta beschrieben, die auch von Muskelfasern exprimiert wird. Zusammen mit einem Glukose-6-Phosphat- Transporter bildet sie den Glukose-6-Phosphatase-Komplex (Shieh et al., 2003;Shieh et al., 2004). Die Bedeutung dieses Komplexes für den Glykogenstoffwechsel der Muskulatur ist noch ungeklärt. Die Synthese von Glykogen beginnt mit der durch die Phosphoglukomutase katalysierten Überführung von Glukose-6-Phosphat in Glukose-1-Phosphat. Letzteres wird durch die UDP-Glukose-Phosphorylase zu Uridindinphosphat- Glukose (UDP-Glukose) aktiviert. Bei der De-novo-Synthese von Glykogen übertragt als nächstes das Protein Glykogenin autokatalytisch bis zu 8 Glukosereste auf die Hydroxylgruppe eines internen Tyrosinrestes (Lomako et al., 2004). Die Glykogensynthase bindet an dieses Primer-Glykogen und katalysiert die 1,4-glykosidische Bindung weiterer aktivierter Glukosemoleküle an den terminalen Glukosylrest. Bei der Verlängerung eines vorhandenen Glykogenmoleküls bindet die Glykogensynthase direkt an das Ende einer Glykogenkette. Nach Verlängerung der Oligosaccharidkette um mindestens 6 Glukosereste werden durch das Branching-Enzym bevorzugt 7 1,4-glykosidisch verknüpfte Glukosereste über eine 1,6-glykosidische Bindung auf eine benachbarte Kette übertragen. Dadurch entstehen die für Glykogen typischen Verzweigungen. Die Anzahl der verzweigten und unverzweigten Ketten ist ungefähr gleich. Eine Kette setzt sich aus 11 bis 14 Glukoseresten zusammen (Illingworth & Cori, 1952). Diese Oligosaccharide bilden eine linksdrehende Helix mit 6,5 Glukoseresten pro Windung. Die Größe des Glykogenmoleküls ist durch seine Form selbstlimitierend, da die Packungsdichte mit jeder neuen Schicht zunimmt (Madsen & Cori, 1958). Ein Glykogenmolekül speichert bei einem Molekulargewicht von etwa 10 Millionen Dalton ca Glukosereste. Die Glykogenolyse beginnt mit der phosphorolytischen Spaltung der terminalen 1,4-glykolytischen Bindungen durch die Glykogen-Phosphorylase. Dadurch wird Glukose-1-Phosphat freigesetzt, das durch die Phosphoglukomutase in Glukose-6-Phosphat umgewandelt wird. Die Glykogen-Phosphorylase ist das geschwindigkeitsbestimmende Enzym des Glykogenabbaus. Sie kann jedoch

13 Einleitung 1.1 Energiestoffwechsel der Skelettmuskulatur 13 die endständigen 1,4-glykolytischen Bindungen nur bis auf 4 Glukosemoleküle vor einer Verzweigungsstelle spalten. Danach überträgt die Glykosyltransferase eine Trisaccharideinheit auf eine andere Kette. Dadurch wird die Verbindungsstelle dem Debranching-Enzym zugänglich, das die 1,6-glykolytische Bindung hydrolytisch spaltet. Im Gegensatz zur Phosphorylase-Reaktion wird bei diesem Vorgang freie Glukose abgespalten. Der Glykogenmetabolismus wird vornehmlich durch die Regulation der Glykogensynthase und der Glykogen-Phosphorylase gesteuert. Die Aktivitäten beider Enzyme werden sowohl durch kovalente Phosphorylierung als auch durch allosterische Effektoren beeinflusst: Die Glykogensynthase a kann an 9 Stellen durch verschiedene Proteinkinasen phosphoryliert und dadurch in die inaktivere Glykogensynthase b überführt werden. Die wichtigsten Kinasen sind hierbei die camp-abhängige Proteinkinase, die calciumabhängige Phosphorylase-b-Kinase, die Glykogensynthase- Kinasen 3 bis 5, die Casein-Kinase I und II sowie die AMP-aktivierte Proteinkinase (AMPK) (Carling & Hardie, 1989;Cohen, 1978;Parker et al., 1982;Roach, 1981). Glykogen hemmt ebenfalls die Glykogensynthase im Sinne einer Feedback-Inhibition. Auf der anderen Seite steigern Glykogen-assoziierte Phosphatasen, insbesondere die Protein-Phosphatase 1, durch Dephosphorylierung die Aktivität der Glykogensynthase (Cohen, 1978;Hubbard & Cohen, 1989). Darüber hinaus ist Glukose-6-Phosphat ein allosterischer Aktivator (LELOIR et al., 1959). Über welchen Mechanismus Insulin die Enzymaktivität steigert ist bislang unklar. Vermutet wird eine indirekte Wirkung durch den Einfluss auf Phosphatasen. Die Glykogen-Phosphorylase wird im Gegensatz zur Glykogensynthase durch Phosphorylierung aktiviert. Die inaktivere b-form wird durch die Phosphorylaseb-Kinase in die aktive a-form überführt. Die Phosphorylase-b-Kinase wird ihrerseits durch die camp-abhängige Proteinkinase und durch Calcium aktiviert (Brostrom et al., 1971). AMP führt als allosterischer Effektor ebenfalls zu einer Steigerung der Aktivität der Glykogen-Phosphorylase. Die Dephosphorylierung der Glykogen-Phosphorylase a erfolgt durch die Phosphorylase-a-Phosphatase. Des Weiteren stellen ATP, Glukose und Glukose-6-Phosphat allosterische Inhibitoren der Glykogen-Phosphorylase dar. Die Phosphorylase-a-Phosphatase wird durch die zwei hitzestabilen Proteine

14 Einleitung 1.2 Glykogenose Typ V 14 Inhibitor 1 und Inhibitor 2 gehemmt (Huang & Glinsmann, 1976). Der Inhibitor 1 wird durch die camp-abhängige Proteinkinase aktiviert. Er hemmt neben der Phosphorylase-a-Phosphatase auch den Einfluss der Protein-Phosphatase 1 auf die Glykogensynthase b und die Phosphorylase-Kinase. 1.2 Glykogenose Typ V Synonyme: Myophosphorylase-Mangel, McArdle-Erkrankung Der Glykogenose Typ V (glycogen storage disease V, GSD V) liegt eine stark verminderte bis fehlende Aktivität der muskelspezifischen Glykogen-Phosphorylase (Myophosphorylase) zugrunde. Diese ist bedingt durch Mutationen im Myophosphorylase-Gen auf Chromosom 11. Der Erbgang ist autosomal rezessiv. Nur in Einzelfällen kommt es zu einer Manifestation der Erkrankung bei heterozygoten Merkmalsträgern. Die Inzidenz der GSD V wird auf 1-10 pro Neugeborene geschätzt (DiMauro & Haller, 1999;DiMauro et al., 1997;Haller, 2000;Manfredi et al., 1993;Schmidt et al., 1987). Die Erkrankung manifestiert sich in der Regel vor dem 15. Lebensjahr und hat in den meisten Fällen einen gutartigen Verlauf. In Einzelfällen wurden jedoch kongenitale Verlaufsformen mit respiratorischer Insuffizienz und Tod im Säuglingsalter beschrieben (DiMauro & Hartlage, 1978;Milstein et al., 1989;Miranda et al., 1979) Klinische Beschwerden Klinisches Hauptmerkmal der Glykogenose Typ V ist die Belastungsintoleranz. Sie macht sich in Form von Myalgien, vorzeitige Ermüdung, Steifigkeit und Schwäche der beanspruchten Muskulatur bemerkbar. In Ruhe bildet sich die Symptomatik in der Regel komplett zurück. Nach stärkeren Anstrengungen treten jedoch häufig schmerzhafte Muskelkontrakturen auf, die teils mehrere Stunden anhalten und mit einer Schwellung der Muskulatur einhergehen können. Im Gegensatz zu Muskelkrämpfen lässt sich im EMG keine elektrische Aktivität nachweisen. Problematisch sind vor allem intensive isometrische Kontraktionen und anhaltende dynamische Arbeit. Moderate Belastungen werden hingegen meist gut toleriert. Ein weiteres Charakteristikum ist das second-wind-phänomen: Bei den meisten Patienten treten bereits einige Minuten nach Beginn einer Aktivität eine Ermü-

15 Einleitung 1.2 Glykogenose Typ V 15 dung der Muskulatur und Myalgien auf. Wird daraufhin eine kurze Pause eingelegt oder die Intensität der Belastung reduziert, so bilden sich diese Symptome zurück und die Arbeit kann über einen längeren Zeitraum beschwerdefrei fortgesetzt werden. Dieses Phänomen wird auf folgende Anpassungsreaktionen zurückgeführt: Zum einen kommt es durch den Anstieg des Herz-Zeit-Volumens zu einer gesteigerten Durchblutung der Muskulatur. Die mit dem Blut transportierten freien Fettsäuren und Glukose können von den Muskelfasern als Substrate für den Energiestoffwechsel genutzt werden. Zudem kompensiert die Rekrutierung inaktiver motorischer Einheiten die abnehmende Leistungsfähigkeit der ermüdeten Muskelfasern (siehe 1.4) (Braakhekke et al., 1986a). Die Störung der Zellintegrität und der Abbau von Muskelfasern führen zu einer Erhöhung der CK-Konzentration im Serum. Bei ca. der Hälfte der Patienten kommt es rezidivierend zu Myoglobinurien, die ein akutes Nierenversagen verursachen können. Etwa ein Drittel der Patienten entwickelt im Verlauf permanente Muskelschwächen, die in der Regel mild ausgeprägt und proximal betont sind (Martin et al., 2001b) Muskelbiopsie Der Glykogengehalt der Muskelfasern ist meist leicht bis mäßig erhöht (mehr als 2 g pro 100 g Gewebe). Histologisch lassen sich in der Regel subsarkolemmal gelegene Glykogenansammlungen nachweisen. Die Akkumulation von Glykogen zwischen den Myofibrillen führt typischerweise zu vakuolären Veränderungen der Muskelfasern (Abbildung 1). Ultrastrukturell zeigt sich eine Akkumulation normalkonfigurierter, nicht membrangebundener Glykogenpartikel unterhalb des Sarkolemms, zwischen den Myofibrillen und in geringerer Ausprägung auch zwischen den Myofilamenten. Durch Biochemische Untersuchungen lässt sich eine verminderte bis fehlende Aktivität der Glykogen- Phosphorylase nachweisen.

16 Einleitung 1.2 Glykogenose Typ V 16 Abbildung 1: Histologische Veränderungen bei der GSD V (Muskelbiopsat). A) Hämatoxylin- Eosin-Färbung (HE): vorwiegend subsarkolemmal gelegene Vakuolen in variabler Ausprägung (Pfeile). B) PAS-Färbung: Nachweis von Kohlenhydraten (Glykogen) innerhalb der Vakuolen Genetik Die kodierende Region des Myophosphorylase-Gens (PGYM) ist 2523 Basenpaare lang und enthält 20 Exons und 19 Introns. Bisher sind 41 Mutationen im PGYM bekannt (Deschauer et al., 2003;DiMauro et al., 2002;Hadjigeorgiou et al., 2002a;Hadjigeorgiou et al., 2002b). Die häufigste Mutation in Europa und Nordamerika ist die Nonsense-Mutation Arg49Stop in Exon 1. Sie führt zu einem vorzeitigen Abbruch der Proteinsynthese. Als Folge entsteht ein trunkiertes, enzymatisch inaktives Protein (DiMauro et al., 2002;Vorgerd, 1999). Ein Zusammenhang zwischen Phänotyp und PGYM-Genotyp konnte bislang nicht nachgewiesen werden (Martin et al., 2001a;Tsujino et al., 1993). Es zeigte sich jedoch eine Korrelation zwischen dem Angiotensin-Konversions- Enzym(ACE)-Genotyp und dem klinischen Schweregrad der Erkrankung. Der ACE-Polymorphismus könnte demnach einen modulierenden Einfluss auf den Phänotyp haben (Martinuzzi et al., 2003) Pathophysiologie Der Energiestoffwechsel der Muskulatur greift insbesondere bei isometrischer und intensiver dynamischer Belastung auf Glykogen als Substrat der aeroben und anaeroben Glykolyse zurück. Bei der Glykogenose Typ V führt die Blockade der Glykogenolyse unter diesen Bedingungen zu einem Mangel an Pyruvat und Acetyl-CoA. Dadurch nehmen die Menge des im Krebs-Zyklus generierten Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NADH) und die über die Atmungskette gewonnene Energie ab. Dies führt zu einem spektroskopisch nachweis-

17 Einleitung 1.2 Glykogenose Typ V 17 baren Abfall der intramuskulären ATP-Konzentration und zu einem Anstieg von ADP und Phosphat. Durch diese früh einsetzende metabolische Erschöpfung lässt sich die vorzeitige Muskelermüdung erklären (De Stefano et al., 1996;DiMauro et al., 2002;Haller et al., 1985;Sahlin et al., 1995;Vorgerd, 1999;Zange et al., 2003). Die Pathophysiologie der Muskelkontrakturen ist hingegen bisher nur im Ansatz verstanden. Der ATP-Mangel des kontraktilen Apparates reicht zur Erklärung alleine nicht aus (Edwards & Wiles, 1981;Rowland et al., 1965). Es wird unter anderem vermutet, dass die erhöhte intrazelluläre ADP-Konzentration die Dissoziation des Aktin-Myosin-ADP-Pi-Komplexes verzögert. Ferner werden Veränderungen der Erregbarkeit der Muskelfasermembran durch eine reduzierte Aktivität der muskulären Na + Ka + -ATPase und eine Erhöhung der myofibrillären Calcium-Sensitivität angenommen (DiMauro et al., 2002;Vorgerd, 1999) Therapie Bisher gibt es keine offiziellen Empfehlungen zur pharmakologischen Behandlung der Glykogenose Typ V erschien in der Cochrane Database ein systematischer Review der bis dato veröffentlichten Therapiestudien an GSD-V- Patienten (Quinlivan & Beynon, 2004). Die Autoren kamen zu der Schlussfolgerung, dass eine Empfehlung von speziellen medikamentösen oder diätetischen Therapien anhand der bisherigen Datenlage nicht möglich ist. In zwei Einzelfällen besserte sich die Leistung bei der Fahrradergometrie durch eine eiweißreiche, kohlenhydratreduzierte Diät (Jensen et al., 1990;Slonim & Goans, 1985). Der Effekt wurde unter anderem auf eine gesteigerte Glukoneogenese durch die vermehrte Zufuhr verzweigtkettiger Aminosäuren zurückgeführt. Eine zweimonatige Diät mit Leucin, Isoleucin und Valin führte jedoch bei drei Patienten zu keiner Verbesserung der Leistungfähigkeit (Kushner & Berman, 1990). In einer kontrollierten Studie mit 6 Patienten verschlechterte sich sogar die Leistung bei der Fahrradergometrie. Als Ursache wurde die Senkung der Konzentration freier Fettsäuren im Blut diskutiert (MacLean et al., 1998). Fettreiche Diät führte bei einem Patienten zu einer verbesserten Belastungstoleranz. Dieser Effekt wurde auf den Anstieg der freien Fettsäuren im Blut zurückgeführt (Viskoper et al., 1975). Die orale Gabe von Vitamin B6 (Pyridoxin)

18 Einleitung 1.3 Kreatin 18 hatte eine vergleichbare Wirkung (Phoenix et al., 1998). Der Kalziumantagonist Verapamil und das zentral wirksame Muskelrelaxans Dantrolen erwiesen sich in doppelblinden, plazebo-kontrollierten crossover-studien mit 3 bzw. 5 Patienten hingegen als klinisch unwirksam (Lane et al., 1986;Poels et al., 1990). Die einmalige orale Gabe von D-Ribose führte bei einem Patienten zu einer besseren Leistung bei der Fahrradergometrie (Wagner & Zollner, 1991). Der Effekt ließ sich in einer doppelblinden, plazebo-kontrollierten Studie jedoch nicht reproduzieren (Steele et al., 1996). Glukoseinfusionen bewirkten eine Steigerung der maximalen Sauerstoffaufnahme bei der Ergometrie und eine verbesserte Leistung bei repetitiver maximaler Belastung (Haller & Vissing, 2002;Lewis et al., 1985). Die Wirkung von oral zugeführter Saccharose wurde in einer randomisierten, plazebo-kontrollierten crossover-studie mit 12 Patienten untersucht. Die Einnahme von 75 g Saccharose führte bei der 30 Minuten später durchgeführten Fahrradergometrie zu einer Verbesserung der objektiven und subjektiven Belastungstoleranz (Vissing & Haller, 2003). Die Nachteile dieser Therapie sind die kurze Wirkdauer und die Gefahr einer Gewichtszunahme durch die gesteigerte Kalorienzufuhr. Kausale Therapieansätze befinden sich derzeit noch in der Entwicklungsphase. Der Transfer humaner Myophosphorylase-cDNA in humane Muskelzellen führte in vitro zu einer gesteigerten Enzymaktivität in Myoblasten und zusätzlich zu einer gesteigerten Genexpression in Myotuben (Baque et al., 1994). In primären, Myophosphorylase-defizienten Myoblastenkulturen aus humaner und Schafmuskulatur kam es nach der Transduktion zu einem Wiedereinsetzen der Myophosphorylase-Aktivität (Pari et al., 1999). Als Vektor wurde jeweils ein Adenovirus eingesetzt. Untersuchungen in vivo fanden bisher nicht statt. 1.3 Kreatin Kreatin (a-methylguanidoessigsäure) ist eine natürlich vorkommende Guanidinverbindung, die 1832 von dem französischen Wissenschaftler Chevreul entdeckt wurde. Der Name leitet sich vom griechischen Wort für Fleisch (kreas) ab (Balsom et al., 1994;Wyss & Kaddurah-Daouk, 2000). In der Muskulatur und im Gehirn von Wirbeltieren ist Kreatin eine essentielle Komponente des Energiestoffwechsels (Guerrero-Ontiveros & Wallimann, 1998;Wyss & Kaddurah- Daouk, 2000).

19 Einleitung 1.3 Kreatin 19 Der menschliche Körper enthält im Durchschnitt etwa 120 g Gesamtkreatin (2/3 Phosphokreatin 1/3 freies Kreatin). 95 % dieser Menge befinden sich in der Skelettmuskulatur. Der Rest verteilt sich vorwiegend auf Herz, Gehirn und Hoden (Kreider et al., 2003;Persky & Brazeau, 2001). Täglich werden ca. 2 g Kreatin in Form von Kreatinin über die Nieren ausgeschieden. Der Verlust wird zu etwa gleichen Teilen durch die exogene Zufuhr von Kreatin, insbesondere durch den Verzehr von Fisch und Fleisch, und durch die endogene Kreatinsynthese ausgeglichen (Persky & Brazeau, 2001) Synthese Die Biosynthese von Kreatin geht von den Aminosäuren Arginin, Glyzin und Methionin aus und läuft in zwei Schritten ab. In der Niere katalysiert das Enzym Arginin-Glyzin-Amidinotransferase (AGAT), eine Transaminidase, die Übertragung der Guanidinogruppe von Arginin auf Glyzin. Das Intermediärprodukt Guanidinoazetat (GAA) wird über das Blut in die Leber transportiert und dort zu Kreatin methyliert. Donor der Methylgruppe ist Methionin bzw. S-Adenosylmethionin. Die Reaktion wird durch die Guanidinoazetat-Methyltransferase (GAMT), eine Transmethylase, katalysiert (Persky & Brazeau, 2001;Walker, 1979). Synthese und Abbau des Kreatins sind vereinfacht in Abbildung 2 dargestellt. Die Bildung von Guanidinoazetat durch die Arginin-Glyzin-Amidinotransferase ist der geschwindigkeitslimitierende Schritt bei der Synthese von Kreatin. Kreatin hemmt möglicherweise die Expression von AGAT auf prätranslationaler Ebene im Sinne einer Feedback-Inhibition. Weitere regulierende Faktoren sind Schilddrüsen- und Wachstumshormone, Testosteron, Ornithin und Fasten (Walker, 1979;Wyss & Kaddurah-Daouk, 2000).

20 Einleitung 1.3 Kreatin 20 N H 2 OH C H C O H 2 C CH 2 C H 2 H2N NH C NH HO OH AGAT C O C + H N O CH 2 CH H C C NH 2 H 2 C NH 2 H 2 Ornithin OH C O CH 2 HN NH C 2 NH Guanidinoacetat L-Arginin L-Glycin N HC N NH 2 N N CH O HO O C CH CH OH HC CH HO OH OH C HC NH 2 H 2 C CH 2 SH CH 3 GAMT S-Adenosylmethionin O H 3 C OH C CH 2 N C NH H N Phosphokreatin OH P O OH Kreatinkinase (CK) ADP ATP ADP ATP OH C O CH 2 N NH H 3 C C 2 NH Kreatin P i + H 2 O HN C N H 3 C H N C H2 C O H 2 O Kreatinin Abbildung 2: Kreatinstoffwechsel. AGAT: Arginin-Glyzin-Amidinotransferase; GAMT: Guanidinoacetat-Methyltransferase; ADP: Adenosindiphosphat, ATP: Adenosintriphosphat, Pi: Phosphat Transport Kreatin gelangt über das Blut von den Syntheseorten zu den Zielgeweben. Die Plasmakonzentration liegt unter physiologischen Bedingungen zwischen 25 und 100 µmol/l (Harris et al., 1992;Marescau et al., 1986;Wyss & Kaddurah-Daouk, 2000). Die intrazelluläre Konzentration liegt Im Vergleich dazu gewebeabhängig bis zu tausendfach höher (Walzel et al., 2002a). Der Transport von Kreatin in die Zelle erfolgt aktiv mittels eines spezifischen,

21 Einleitung 1.3 Kreatin 21 hochaffinen Kreatin-Transporters (CrT). Durch ihn kann Kreatin, nicht jedoch PCr, im Kotransport mit Na + - und Cl - -Ionen die Zellmembran passieren (Walzel et al., 2002a). Die Energie liefert das Membranpotential und der transmembranöse Na + -Gradient, der durch die plasmalemmale Na + -K + -ATPase aufrechterhalten wird (Guerrero-Ontiveros & Wallimann, 1998). Untersuchungen an Gliazellen ergaben einen Symport von 2 Na + -Ionen pro Kreatinmolekül (Moller & Hamprecht, 1989). Die Michaelis-Menten Konstante (K m ) für den CrT variiert spezies- und zelltypabhängig zwischen 20 und 160 µmol/l (Guimbal & Kilimann, 1993;Ku & Passow, 1980;Loike et al., 1986;Moller & Hamprecht, 1989;Schloss et al., 1994a;Sora et al., 1994;Walzel et al., 2002a;Willott et al., 1999). Der CrT gehört zur Genfamilie der γ-aminobuttersäure/noradrenalin Transporter (GAT/NET), die für die Aufnahme verschiedener Neurotransmitter und Aminosäuren verantwortlich sind (Guimbal & Kilimann, 1993;Nash et al., 1994;Schloss et al., 1994b;Schloss et al., 1994a). Derzeit sind drei Isoformen des CrT bekannt, die wahrscheinlich durch alternatives Spleißen entstehen. Eine Isoform mit einer Molekülmasse von ~58 kda ist in der Plasmamembran lokalisiert, die anderen 55 bzw. 70 kda großen Proteine kommen in der inneren Mitochondrienmembran vor (Walzel et al., 2002a;Walzel et al., 2002b). RNA- Analysen (Northern-Blot) ergaben eine hohe Expression von CrT-mRNA in Skelettmuskulatur, Herz, Gehirn, Nieren, Hoden und Kolon (Guimbal & Kilimann, 1993;Nash et al., 1994;Saltarelli et al., 1996;Sora et al., 1994). Damit ist das Expressionsmuster des CrT vergleichbar mit dem der CK (Guerrero- Ontiveros & Wallimann, 1998;Wallimann & Hemmer, 1994). Katecholamine, der Insulin-ähnliche Wachstumsfaktor 1 (IGF-1), Trijodthyronin (T 3 ), Nahrungsaufnahme und körperliches Training steigern die Aufnahme von Kreatin in die Zelle (Odoom et al., 1996;Persky & Brazeau, 2001;Walzel et al., 2002a). Insulin fördert ebenfalls die intrazelluläre Akkumulation von Kreatin, allerdings nur in hohen, unphysiologischen Konzentrationen (Steenge et al., 1998) Abbau und Ausscheidung Endprodukt des Kreatinstoffwechels ist Kreatinin, das spontan (nicht-enzymatisch) durch Wasserabspaltung und Ringschluss aus Kreatin bzw. PCr entsteht (Abbildung 2). Im Gegensatz zu in vitro Studien ist dieser Prozess in vivo

22 Einleitung 1.3 Kreatin 22 irreversibel (Wyss & Kaddurah-Daouk, 2000). Täglich konvertieren etwa 2,6 % des PCr und 1,1 % des freien Kreatins zu Kreatinin (Walker, 1979). In Abhängigkeit von der Muskelmasse entstehen auf diese Weise im Durchschnitt ca. 2 g Kreatinin pro Tag (Terjung et al., 2000). Kreatinin ist ein ungeladenes Molekül und frei membrangängig. Es diffundiert aus dem Gewebe in den Blutkreislauf und wird durch glomeruläre Filtration über die Nieren ausgeschieden (Persky & Brazeau, 2001;Wyss & Kaddurah- Daouk, 2000) Kreatingehalt der Skelettmuskulatur Intramuskuläre Kreatinkonzentration bei Gesunden Die Kreatinkonzentration in humaner Skelettmuskulatur ist vom Fasertyp abhängig. Muskelfasern vom histochemischen Typ 2 weisen einen höheren Gehalt an Kreatin und PCr auf als Typ-1-Fasern (Casey et al., 1996;Kushmerick et al., 1992;Meyer et al., 1985). Die Konzentration des Gesamtkreatins liegt bei etwa 125 mmol pro Kilogramm Trockenmasse (TM) (Spannweite mmol/kg). Der Anteil des PCr liegt bei ca. 60% (Balsom et al., 1995;Casey et al., 1996;Harris et al., 1974;Harris et al., 1992;Hultman et al., 1996) Intramuskuläre Kreatinkonzentration bei Myopathien Tarnopolsky et al. untersuchten 81 Muskelbiopsate von Patienten mit verschiedenen Muskelerkrankungen und von Kontrollpersonen. Ein reduzierter PCr- Gehalt ließ sich in Biopsaten von Patienten mit Muskeldystrophien (53 mmol/kg Trockenmasse (TM)), entzündlichen Myopathien (55,6 mmol/kg TM) und Mitochondriopathien (41,8 mmol/kg TM) nachweisen (Tarnopolsky & Parise, 1999). 31 P-MRS-Messungen an Patienten mit Mitochondriopathien und entzündlichen Myopathien ergaben ebenfalls eine verminderte intramuskuläre PCr-Konzentration (Arnold et al., 1985;Matthews et al., 1991;Park et al., 1994;Park et al., 2000). Bei Mitochondriopathien wird als Ursache der erniedrigten PCr-Konzentration eine gesteigerte Resynthese von ATP durch PCr infolge der Störung der Mitochondrienfunktion vermutet (Tarnopolsky & Parise, 1999). Des Weiteren fand sich im Western-Blot an Muskelhomogenaten eine verminderte Expression des Kreatintransporters bei Mitochondriopathien, kongenitalen Myopathien, Muskeldystrophien und entzündlichen Myopathien (Tarnopolsky et al., 2001). Die Auf-

23 Einleitung 1.3 Kreatin 23 nahme von Kreatin in die Muskelfaser könnte demnach gestört sein. Ein weiterer Aspekt ist die körperliche Aktivität. Diese steigert die Aufnahme von Kreatin in die Zelle (Persky & Brazeau, 2001;Robinson et al., 1999). Patienten mit Myopathien sind jedoch durch Paresen, Myalgien und die insbesondere bei metabolischen Myopathien auftretende Belastungsintoleranz in ihrer physischen Leistungsfähigkeit eingeschränkt Funktionen im Energiestoffwechsel der Muskulatur ATP zählt zu den energiereichen Phosphaten und ist der wichtigste Energieüberträger im Intermediärstoffwechsel. Durch Hydrolyse der γ-anhydridbindung wird ein Energiebetrag von ca. 30 kj/mol frei. ATPasen nutzen diese Energie, um endergonische biochemische Reaktionen ablaufen zu lassen. Sie ermöglichen unter anderem die Muskelkontraktion, den Ionentransport durch Membranen und die Proteinsynthese. Kreatin ist über das Kreatin/PCr/CK-System mit dem ATP-Metabolismus verbunden. Die CK kommt in Geweben vor, deren Energiebedarf starken Schwankungen unterworfen ist (z.b. Muskulatur, Gehirn). Sie katalysiert den reversiblen Transfer der γ-phosphatgruppe von ATP auf die Guanidinogruppe von Kreatin. Bei der Reaktion wird ein H + -Ion freigesetzt (Abbildung 3) (Wyss & Kaddurah- Daouk, 2000).

24 Einleitung 1.3 Kreatin 24 O C O H 3 C CH 2 N NH C 2 NH O O P O O O P O O O P O O N O C N NH 2 N N Kreatin ATP OH OH Kreatinkinase (CK) O C O H 3 C CH 2 N C H N NH 2 + O P O O NH 2 N N O O O P O P N + O N + O O O C H + Phosphokreatin ADP OH OH Abbildung 3: Kreatinkinase-Reaktion. ATP: Adenosintriphosphat, ADP: Adenosindiphosphat. Fünf verschiedene Isoformen der CK sind derzeit bekannt. Ihre Expression ist gewebeabhängig: CK-MM, CK-MB und CK-BB sind Dimere aus zwei Untereinheiten und kommen im Zytosol vor. Die Bezeichnung der Untereinheiten richtet sich nach den Geweben, in denen sie überwiegend vorkommen (M steht für muscle und B für brain) (Kay et al., 2000;Wyss & Kaddurah-Daouk, 2000). Adulte Skelettmuskelfasern exprimieren nahezu ausschließlich CK-MM, Herzmuskelzellen auch geringe Mengen CK-MB und CK-BB (Kay et al., 2000). In der Skelettmuskulatur befinden sich die zytosolischen Isoformen der CK vorwiegend im Bereich des sarkoplasmatischen Retikulums, des Sarkolemms sowie der A- und I-Banden. Die Lokalisation ist wichtig im Hinblick auf die Resynthese adäquater Mengen an ATP zur Aufrechterhaltung physiologischer Zellfunktionen, z.b. für die Myosin-ATPase (Muskelkontraktion), die sarkoplasmatische Ca 2+ -ATPase (SERCA, intrazelluläre Ca 2+ -Homöostase) und die sarkolemmale Na + -K + - ATPase (Membranpotential der Muskelzelle) (Dahlstedt et al., 2000;de Groof et al., 2002).

25 Einleitung 1.3 Kreatin 25 An der Außenseite der inneren Mitochondrienmembran bzw. im mitochondrialen Intermembranraum sind zwei weitere Isoformen lokalisiert. Sie bilden entweder Homodimere (inaktive Form) oder Homooktamere (aktive Form). Ihre Expression ist ebenfalls gewebeabhängig. ScCKmit kommt in Skelett- und Herzmuskulatur, UbCKmit in nicht-muskulären Geweben vor (de Groof et al., 2002;Spindler et al., 2002). Sie spielen zusammen mit spannungsabhängigen Anionen-Kanälen und dem Adeninnukleotid-Translokator (ANT) eine wichtige Rolle bei der Regulation des intramitochondrialen ATP/ADP-Verhältnisses (de Groof et al., 2002). Der Anteil der ScCKmit-Aktivität an der gesamten CK-Aktivität hängt vom Metabolismus der Zelle ab. Bei oxidativen Muskelfasern (Typ I-Muskelfasern und Herz) ist er relativ hoch, bei Typ II-Fasern mit überwiegend glykolytischem Stoffwechsel niedrig (Kay et al., 2000). Es wird angenommen, dass die verschiedenen Isoformen der CK in der Muskulatur funktionell und strukturell mit dem Energieverbrauch (zelluläre ATPasen) bzw. der Energieproduktion (Glykolyse, Mitochondrien) verbunden sind, um den Energietransport innerhalb der Muskelfaser zu erleichtern. Kreatin und PCr dienen dabei als lösliche Zwischenprodukte und temporäre Energiepuffer. Dem Model nach wird das vornehmlich durch die Aktivität der Myofibrillen entstehende ADP umgehend mit Hilfe der zytosolischen CK und der Phosphatgruppe des PCr zu ATP rephosphoryliert. Kreatin diffundiert zurück in die Mitochondrien, wird dort durch die ScCKmit zu PCr rephosphoryliert und steht dann als energiereiche Phosphatverbindung wieder dem Energiestoffwechsel zur Verfügung (Dahlstedt et al., 2000;Kay et al., 2000). Die CK-Reaktion scheint besonders bei der Vermeidung bzw. Verzögerung der Muskelermüdung unter starker körperlicher Belastung eine wichtige Rolle zu spielen (Dahlstedt et al., 2000). Unterstützt wird diese Annahme durch Ergebnisse aus Tierversuchen. Die Muskulatur von Mäusen mit komplettem CK-Mangel (CK -/- -Maus) weist im Vergleich zur Muskulatur von Wildtyp-Mäusen einen merklich schnelleren Kraftverlust unter intensiver elektrischer Stimulation auf (LaBella et al., 1998;Steeghs et al., 1997;Watchko et al., 1997). Unter anaerober Belastung kommt es durch Bildung von Laktat zur Absenkung des ph-wertes. Die CK-Reaktion wird dadurch in Richtung ATP-Resynthese verschoben, bei der ein H + -Ion gebunden wird. Während der Erholung findet die

26 Einleitung 1.3 Kreatin 26 ATP-Produktion dagegen vorwiegend über den aeroben Stoffwechsel statt. Die CK-Reaktion verschiebt sich nach rechts (Abbildung 3) und die Konzentration von PCr steigt an (Persky & Brazeau, 2001;Walter et al., 2000). Das Kreatinsystem wirkt somit als Energie- und ph-puffer Studien zur Kreatin-Supplementation Pharmakokinetik Bei Sportlern wird während der ersten 5-7 Tage meist eine Tagesdosis von g Kreatin eingesetzt (loading-phase) (Persky & Brazeau, 2001;Wyss & Kaddurah-Daouk, 2000). Bei dieser Dosierung wird nach etwa 2 Tagen die maximale Akkumulation von Kreatin in der Muskulatur erreicht (Terjung et al., 2000). Der gleiche Effekt wird durch die Einnahme von 3 g Kreatin pro Tag über vier Wochen erzielt (Hultman et al., 1996). Danach steigt bei anhaltender Einnahme die renale Ausscheidung von Kreatin stark an (Bermon et al., 1998;Harris et al., 1992;Maganaris & Maughan, 1998;Vandenberghe et al., 1997). Nach der Ladephase wird die Kreatindosis in der Regel auf 3-5 g pro Tag reduziert (Erhaltungsdosis) (Persky & Brazeau, 2001). Durch die Kreatineinnahme nimmt die Konzentration des intramuskulären Gesamtkreatins im Durchschnitt um etwa 20 % zu. Die Höhe des relativen Anstiegs ist abhängig von dem initialen intramuskulären Kreatingehalt. Bei niedrigen Ausgangswerten kann die Zunahme bis zu 50 % betragen. Bei Ausgangskonzentrationen im oberen Normbereich hingegen fällt der Anstieg geringer aus oder kann sogar fehlen (Gordon et al., 1995;Harris et al., 1992). Die maximal erreichbare intramuskuläre Kreatin-Konzentration liegt bei ca. 160 mmol/l. Der Anteil des PCr an dieser Zunahme beträgt etwa 20 % (Balsom et al., 1995;Casey et al., 1996;Febbraio et al., 1995;Gordon et al., 1995;Greenhaff et al., 1994;Harris et al., 1992;Hultman et al., 1996;Vandenberghe et al., 1997;Vandenberghe et al., 1999). Nach Beendigung der Supplementation sinken die intramuskulären Kreatinund PCr-Konzentrationen und erreichen innerhalb von 4 Wochen das Ausgangsniveau (Febbraio et al., 1995;Hultman et al., 1996;Vandenberghe et al., 1997). Kreatin hat eine mit basischen Aminosäuren vergleichbare Struktur. Es passiert wahrscheinlich über Aminosäure- und Peptid-Transporter die Darmmukosa.

27 Einleitung 1.3 Kreatin 27 Kreatin hat ein Molekulargewicht von 131, ist positiv geladen und hat einen Verteilungskoeffizienten von -2,7. Es könnte daher auch parazellulär in den Blutkreislauf gelangen. Dieser Transportweg scheint jedoch von untergeordneter Bedeutung zu sein (Persky & Brazeau, 2001). Bei Einnahme von bis zu 10 g Kreatin wird der Zeitpunkt der maximalen Plasmakonzentration (T max ) nach weniger als 2 Stunden erreicht (Green et al., 1996;Harris et al., 1992;Schedel et al., 1999). Bei höheren Dosen steigt T max auf >3 Stunden an (Schedel et al., 1999). Über das Blut gelangt Kreatin in die roten und weißen Blutkörperchen, in die Herz- und Skelettmuskulatur, ins Gehirn, in die Spermatozoen und in die Retina (Wyss & Kaddurah-Daouk, 2000). Die Elimination von Kreatin aus dem Blut geschieht zum einen durch Aufnahme in die verschiedenen Organe und zum anderen durch die renale Ausscheidung. Insulin, Katecholamine und IGF-1 beeinflussen die Aufnahme von Kreatin in die Zellen (siehe 1.3.2). Die Clearance ist ferner von dem Kreatingehalt der Muskulatur, Hormonen, der Muskelmasse und der glomerulären Filtrationsrate abhängig. Unter physiologischen Bedingungen wird Kreatin weitestgehend aus dem Urin reabsorbiert. Bei einer Supplementation hingegen steigt die renale Elimination mit zunehmender Dosis, da die in der Niere exprimierten CrT für eine vollständige Reabsorption nicht mehr ausreichen (Persky & Brazeau, 2001) Studien an Sportlern Die anabole Wirkung von Kreatin bzw. Kreatin-Monohydrat (Begriffe werden im Folgenden synonym verwendet) ist bereits seit den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts bekannt (Chanutin, 1926). Seit Anfang der 1990er Jahre nutzen immer mehr Sportler Kreatin als Nahrungsergänzungsmittel zur Steigerung ihrer Leistungsfähigkeit. Allein in den USA stieg der jährliche Umsatz von Kreatin zwischen 1996 und 2001 von 50 auf 400 Millionen US-Dollar (Metzl et al., 2001). Bislang sind mehr als 500 Studien über den Einfluss von Kreatin auf die Muskelphysiologie und die körperliche Leistungsfähigkeit veröffentlicht worden. Eine Metaanalyse von ca. 300 Kreatinstudien ergab eine 5 bis 15 prozentige Steigerung der Maximalkraft, der Sprintleistung und der Kraft bei repetitiver

28 Einleitung 1.3 Kreatin 28 maximaler Muskelkontraktion nach kurzzeitiger (mehrere Tage bis Wochen) Kreatineinnahme (Kreider, 2003). Es konnte gezeigt werden, dass die Probanden mit dem stärksten Anstieg der intramuskulären Kreatinkonzentration unter der Kreatineinnahme auch die höchste Zunahme der Muskelleistung erzielten (Casey et al., 1996;Snow et al., 1998;Vandenberghe et al., 1999). Typische Nebenwirkungen der Kreatin-Supplementation sind eine Gewichtszunahme von 1 bis 2 kg und ein leichter Anstieg des Plasmakreatinins, der keinen Einfluss auf die Nierenfunktion hat (Francaux & Poortmans, 1999;Persky & Brazeau, 2001;Poortmans et al., 1997). Weitere unerwünschte Wirkungen wurden bisher nur in Einzelfällen beschrieben (Persky & Brazeau, 2001;Terjung et al., 2000). Die leistungssteigernde Wirkung der Kreatineinnahme wird durch Effekte auf den muskulären Energiestoffwechsel und auf die Proteinsynthese der Muskelfasern erklärt: ATP ist essentiell für viele Stoffwechselvorgänge. Eine erhöhte intramuskuläre Kreatin- bzw. PCr-Konzentration wirkt sich positiv auf die ATP-Resynthese aus, insbesondere während der ersten Sekunden einer intensiven, anaeroben Belastung. Ein weiterer Aspekt ist die oben beschriebene Funktion des Kreatinsystems als ph-puffer. Sie wirkt dem bei anaerober Belastung durch die Bildung von Laktat bedingten ph-abfall entgegen. Des Weiteren führt Kreatin bei Sportlern zu einer Steigerung der Muskelfaser- Hypertrophie und zu einer Zunahme der fettfreien Masse (Volek et al., 1999). Der Anstieg der Muskelmasse kann bedingt sein durch eine Steigerung der Proteinsynthese oder durch einen reduzierten Proteinabbau. Experimente mit Zellkulturen zeigten eine gesteigerte Synthese von Aktin und Myosin (Ingwall et al., 1972;Ingwall et al., 1974;Ingwall, 1976), die Ergebnisse ließen sich jedoch in einer später durchgeführten Studie nicht reproduzieren (Fry & Morales, 1980). Untersuchungen an Menschen konnten ebenfalls keine gesteigerte Proteinsynthese nachweisen. Es fanden sich allerdings Hinweise für einen verminderten Proteinkatabolismus (Parise et al., 2000) Studien an Myopathie-Patienten Die größte Studie über den Einsatz von Kreatin bei neuromuskuären Erkrankungen wurde 1999 von Tarnopolsky et al. veröffentlicht. In der offenen Studie erhielten 81 Patienten mit verschiedenen neuromuskulären Erkran-

29 Einleitung 1.3 Kreatin 29 kungen zunächst fünf Tage 10 g und danach fünf Tage 5 g Kreatin pro Tag. Nach dieser Pilotstudie wurden 21 weitere Patienten in einer einfachverblindeten Studie mit dem gleichen Dosierungsschema behandelt. In beiden Studien wurde nach Kreatineinnahme eine Steigerung der Kraft unter verschiedenen Belastungen beobachtet. Des Weiteren kam es zu einem Anstieg des Körpergewichtes, der auf eine Zunahme der fettfreien Masse zurückgeführt wurde (Tarnopolsky & Martin, 1999). In den letzten Jahren wurden zudem mehrere randomisierte und kontrollierte Studien (randomized controlled trial, RCT) über die Anwendung von Kreatin bei Myopathien veröffentlicht (Tabelle 1). Tabelle 1: Klinische Kreatinstudien bei Myopathien (nur RCT s). Author Erkrankung N Design Tagesdosis Kreatin (Dauer) Tarnopolsky et al. (1997) Mitochondriopathien 7 RCT; crossover 10 g (2 Wochen) 4 g (1 Woche) Walter et al. (2000) Muskeldystrophien (BMD, DMD, FSHD, LGMD) 36 RCT; crossover Erwachsene: 10 g (8 Wochen) Kinder: 5 g (8 Wochen) Vorgerd et al. (2000) Glykogenose Typ V (McArdle) 9 RCT; crossover 150 mg/kgkg (1 Woche) 60 mg/kgkg (4 Wochen) Klopstock et al. (2000) Mitochondriopathien 16 RCT; crossover 20 g (4 Wochen) Walter et al. (2002) Myotone Dystrophie Typ 1 (Curschmann-Steinert) 34 RCT; crossover 10,6 g (10 Tage) 5,3 g (46 Tage) Schneider-Gold et al. (2003) Louis et al. (2003) Myotone Dystrophie Typ 2 (PROMM) Muskeldystrophien (BMD, DMD) 20 RCT 10 g daily (12 Wochen) 15 RCT; crossover 3 g daily (3 Monate) Tarnopolsky et al. (2004) Muskeldystrophie (DMD) 30 RCT; crossover 100 mg/kgkg (4 Monate) BMD: Muskeldystrophie Typ Becker; DMD: Muskeldystrophie Typ Duchenne; FSHD: Fazio- Scapulo-Humerale Muskeldystrophie; LGMD: Limb Girdle Muscle Dystrophy (Gliedergürtel- Muskeldystrophie); PROMM: Proximale Myotone Myopathie. Bei sieben von acht Studien wurde ein crossover-design gewählt. Die eingesetzte Kreatin-Tagesdosis lag zwischen 3 g (Louis et al., 2003) und 20 g (Klopstock et al., 2000). Bei Gesunden konnte mit diesen Dosierungen ein Anstieg der intramuskulären Kreatinkonzentration um durchschnittlich 20 % erreicht werden (Hultman et al., 1996;Persky & Brazeau, 2001). In zwei Studien wurde Kreatin zur Behandlung von Patienten mit Mitochondriopathien eingesetzt:

30 Einleitung 1.3 Kreatin 30 An der ersten Studie nahmen sieben Patienten teil. In der Kreatinphase kam zu einer signifikanten Zunahme der Kraft bei intensiver aerober und anaerober Muskelbelastung. Die Kreatineinnahme hatte hingegen keinen Effekt auf die Maximalkraft, die erfassten Parameter der Fahrradergometrie, einen zweiminütigen Gehtest oder auf die Beeinträchtigung verschiedener Alltagsaktivitäten. Die Gewichtszunahme war ebenfalls nicht signifikant. Die Kreatineinnahme wurde gut vertragen, Nebenwirkungen traten nicht auf (Tarnopolsky et al., 1997). Eine zweite Studie mit 16 Patienten wurde drei Jahre später veröffentlicht. Gemessen wurde die Maximalkraft bei isometrischer Armbeugung und Kniestreckung. Die repetitive aerobe Belastung der gleichen Muskelgruppen fand mit 15 % der Maximalkraft unter isokinetischen Bedingungen statt. Außerdem wurden diverse klinische Scores erhoben (u.a. Medical Research Council Scale (MRC), Hammersmith Motor Ability Score (HMAS) und Neuromuscular Symptom Score (NSS)). Auf einer visuellen Analogskala gaben die Patienten die subjektiv empfundene Muskelschwäche und ihre generelle Aktivität an. Das Körpergewicht wurde nicht bestimmt. Trotz der höheren Probandenzahl fanden sich keine signifikanten Unterschiede zwischen Verum- und Plazebophase. Allerdings fand im Gegensatz zur vorgenannten Studie auch keine repetitive, intensive Muskelbelastung statt. An Nebenwirkungen gaben zwei Patienten Muskelkrämpfe während der Kreatinphase an (Klopstock et al., 2000). Die Wirkung von Kreatin bei Patienten mit Muskeldystrophien wurde in fünf Studien untersucht: Walter et al. setzten in einer im Jahr 2000 veröffentlichten Studie Kreatin bei der Behandlung von 36 Patienten (25 Erwachsene, 11 Kinder) mit verschiedenen Formen von Muskeldystrophien ein (Walter et al., 2000). Untersuchungen fanden jeweils zu Beginn und am Ende der Studienphasen statt. Zur Beurteilung der Muskelkraft wurde die MRC-Skala eingesetzt. Ein Wert von 150 entsprach einer vollen Kraft aller untersuchten Muskeln. Durch den NSS wurde die Beeinträchtigung von 14 Alltagsaktivitäten erfasst. Am Ende jeder Phase bewerteten die Patienten ihr Ansprechen auf die Therapie. Aufgrund von Carry-over-Effekten gingen in die Endauswertung nur die Ergebnisse derjenigen Patienten ein, die zuerst Plazebo erhalten hatten. Die Dauer der Washout-Phase war mit 3 Wochen offensichtlich zu kurz gewählt worden.

31 Einleitung 1.3 Kreatin 31 Pharmakokinetische Studien haben gezeigt, dass bis zu 28 Tage nach Kreatin- Supplementation eine Erhöhung des Gesamtkreatins in der Muskulatur nachgewiesen werden kann (Persky & Brazeau, 2001). Bei den anderen hier vorgestellten Studien dauerte die Washout-Phase mit Ausnahme von 2 Patienten (Klopstock et al., 2000) mindestens 4 Wochen. Beim Vergleich der Messungen zu Beginn und am Ende der Kreatinphase zeigte sich ein signifikanter Anstieg des MRC-Summenscores um 3 %, wobei die Kinder tendenziell besser abschnitten. Der NSS verbesserte sich um etwa 10 %. Während der Placebophase kam es zu einer leichten Verschlechterung beider Werte. 60 % der Patienten gaben eine Verbesserung der Beschwerden während der Verumphase an, 9 % fühlten sich in der Plazebophase besser. Der Rest bemerkte keinen wesentlichen Unterschied. Nebenwirkungen traten nicht auf. Insgesamt waren die erzielten Werte beim MRC während der Kreatinphase schlechter als während der Plazebophase. Der Grund ist am ehesten die rasche Progredienz der Muskeldystrophien. Diese kann zu Periodeneffekten führen, die bei der statistischen Auswertung bzw. bei der Wahl des Studiendesigns berücksichtigt werden müssen. An einer weiteren Studie von Walter et al. nahmen 34 Patienten mit myotoner Dystrophie Typ 1 (Curschmann-Steinert) teil (Walter et al., 2002). Es zeigte sich kein signifikanter Einfluss von Kreatin auf die isometrische Maximalkraft der Musculi biceps brachii und quadriceps femoris, die Ergebnisse des MRC und NSS, das Körpergewicht oder die fettfreie Masse. Periodeneffekte fanden sich beim MRC und bei der quantitativen Messung der Kraft des M. quadriceps femoris. Klinisch relevante Nebenwirkungen traten nicht auf. Schneider-Gold et al. untersuchten in ihrer Kreatinstudie 20 Patienten mit myotoner Dystrophie Typ 2 (proximale myotone Myopathie, PROMM) (Schneider- Gold et al., 2003). Es wurde eine kontrollierte Studie mit jeweils zehn Patienten pro Gruppe (kein crossover) durchgeführt. Beim Vergleich der Kreatin- mit der Plazebogruppe zeigte sich kein signifikanter Unterschied bei der Änderung der Maximalkraft oder der Punktwerte auf der MRC und NSS. Die Aktivität im Alltag wurde zu Beginn und am Ende der Studie durch eine visuelle Analogskala erfasst. Die Steigerung fiel in der Kreatingruppe signifikant besser aus. Des Weiteren gaben in der Kreatingruppe sieben von zehn Patienten eine subjektive