Inhaltsverzeichnis

Einleitung   1

1  Der Herzfrequenz Normwert  2

1.1  Normwerte in der Literatur  2

1.2  Probleme und Schwierigkeiten bei der Normwertdefinition der Herzfrequenz  4

1.3  Ansätze von Neudefinitionen der Normherzfrequenz  6

1.4  Zusammenhang zwischen erhöhter Herzfrequenz und Sterblichkeitsrate  7

1.5  Zusammengefasst:  11

2  Anatomisch-physiologische Grundlagen des Herz-Kreislaufsystems  11

2.1  Funktion, Aufbau und Größe des Herzmuskels  11

2.2  Herzeigener Sauerstoff- und Energieverbrauch  13

2.3  Erregungsbildung und -ausbreitung  14

2.4  Einfluss des autonomen Nervensystems  14

2.5  Arbeitsphasen des Herzens  15

2.6  Ausgewählte Parameter der Herzfunktion  16

2.7  Zusammengefasst:  17

3  Adaptationsprozesse an ein Ausdauertraining  18

3.1  Anpassungserscheinungen funktioneller Art  18

3.1.1  Funktionelle Veränderungen  18

3.1.2  Konsequenzen für die Arbeitsweise des Herzens  19

3.2  Anpassungserscheinungen struktureller Art  20

3.2.1  Notwendige Belastungsreize zur Entwicklung eines Sportherzens  20

3.2.2  Dimensionale Veränderungen  21

3.2.3  Konsequenzen für die Arbeitsweise  21

3.3  Zusammengefasst:  23

4  Pathophysiologische Wirkmechanismen einer erhöhten Herzfrequenz  23

4.1  Myokardischämien  23

4.2  Endotheldysfunktion  25

4.3  Plaquerupturen  26

4.4  Zusammengefasst:  27

5  Diskussion  28

5.1  100 S/min: Ist die Normwertobergrenze und gleichzeitige Definition der  

Tachykardie  noch zeitgemäß?  28

5.2  Ist eine Herzfrequenzsenkung erfolgsversprechend?  29

I

5.3  Pharmakologische Herzfrequenzsenkung vs. Ausdauertraining  31

6  Zusammenfassung  33

Literaturverzeichnis   35

II

Einleitung

Die Herzfrequenz stellt einen der altbekanntesten und zentralsten Herzkreislaufparameter dar. Ihre Messung ist simpel und kostengünstig. Wie sind die erfassten Werte jedoch zu interpretieren und welche Aussagekraft kann ihnen beigemessen werden? Orientiert man sich bei der Interpretation des Ruheherzfrequenzwertes an den aktuellen Leitlinien, so sind Herzfrequenzen von 60 - 100 S/min als normal zu bewerten. An dieser Stelle erscheint jedoch besonders der obere Grenzwert, welcher definitionsgemäß ¹ markiert, irritierend hoch. Zieht man einschlägige Lehr-den Übergang zur Tachykardie

bücher der Medizin, Biologie, Physiologie und Sportwissenschaft zum Vergleich heran, wird schnell deutlich, dass bezüglich des normalen Ruheherzfrequenzwertes keine einheitlichen Aussagen getroffen werden. Hinzu kommt auch, dass die Ergebnisse aus führenden epidemiologischen Studien eine erhöhte Ruheherzfrequenz als einen unabhängigen Risikofaktor ausweisen und mit einer gestiegenen Sterblichkeitsrate assoziieren.

Dabei werden in der Sportwissenschaft trainingsbedingt niedrigere Herzfrequenzwerte schon seit langem als Zeichen einer verbesserten Herz-Kreislauf-Funktion gedeutet. Folglich ist auch der Nutzen eines Ausdauertrainings in der Prävention und Rehabilitation von Herz-Kreislauf-Erkrankungen längst als selbstverständlich anerkannt und mit einer höheren Lebensqualität, -erwartung und Leistungsfähigkeit der Sporttreibenden verbunden. Da ein Ausdauertraining jedoch vielfältige und komplexe Anpassungserscheinungen auslöst erweist sich die Aufdeckung der zugrundeliegenden gesundheitlich relevanten Wirkungsmechanismen als verworren und daher schwierig. Die sich häufenden Evidenzen zum negativen Prognosewert einer erhöhten Ruheherzfrequenz bieten hierzu allerdings einen weiteren interessanten Anhaltspunkt, der in dieser Arbeit ausführlich analysiert wird. Ebenfalls wird die Frage beantwortet, ob die herzfrequenzsenkende Wirkung eines regelmäßig durchgeführten Ausdauertrainings maßgebend für die Reduzierung des kardiovaskulären Sterblichkeitsrisikos sporttreibender Menschen ist. Auf diese Weise verfolgt die vorliegende Arbeit die Zielsetzung, die bedeutende Stellung körperlicher Aktivität, insbesondere des Ausdauertrainings, bei der Prävention und Rehabilitation von Herzkreislaufkrankheiten herauszustellen. Hierzu wird im ersten Kapitel zunächst der momentane Wissensstand um die Implikationen der Normherzfrequenz abgebildet. Neben einer generellen Klärung des Herzfre-quenz-Normwertbegriffs werden in diesem Abschnitt auch die aktuellen Erkenntnisse aus der epidemiologischen Forschung vorgestellt. Das zweite Kapitel befasst sich mit den anatomisch-physiologischen Grundlagen des Herz-Kreislaufsystems, wobei herzfrequenzrelevante Aspekte besonders berücksichtigt werden. Darauf aufbauend werden im dritten Kapitel die ökonomisierenden Anpassungserscheinungen an ein Ausdauertraining aufgezeigt. Dem werden im vierten Kapitel potentielle pathophysiologische Wirkungsmechanismen einer dauerhaft erhöhten Ruheherzfrequenz gegenübergestellt, die auf einen positiven kausalen Zusammenhang mit der Sterblichkeitsrate hindeuten. Durch die Gegenüberstellung sollen außerdem die entgegengesetzten Anpassungserscheinungen an ein Ausdauertraining verdeutlicht werden.

1 Herzrasen

1

1 Der Herzfrequenz Normwert

Unter der Herzfrequenz wird allgemein die Anzahl der Herzschläge pro Minute verstanden. Sie ist abhängig von der momentanen Belastung, dem psychischen Befinden, physischen Gesundheitszustand, Alter und Trainiertheitsgrad und anderen Einflussfaktoren. Wie für viele andere physiologische Parameter ist auch beim Herzfrequenzwert davon auszugehen, dass er sich beim gesunden Menschen in Ruhe innerhalb einer Spanne bewegt, die als Norm bezeichnet wird.

1.1 Normwerte in der Literatur

Auf der Suche nach einem wissenschaftlichen Konsens wurden in einer Literaturrecherche die klassischen Lehrbücher der Medizin, Physiologie, Biologie und Sportwissenschaften hinsichtlich ihrer Aussagen zum Normwert der Herzfrequenz überprüft. Dabei ist aufgefallen, dass sich die Normwertangaben in den recherchierten Werken zum Teil beträchtlich voneinander unterscheiden. Die Unterschiede liegen darin, dass einige Autoren lediglich Durchschnittswerte und andere Autoren gar ganze Spannen mit ungleichen Ober- und Untergrenzen angeben (z. B. Thews, Schmidt & Lang 2005, S. 561; Mörike, Betz & Mergenthaler 2001, 306). Beispielsweise definiert die American Heart Association den Normbereich von 50-100 S/min, wohingegen die New York Heart Association (NYHA) eine Spanne von 60-100 S/min als normal deklariert (vgl. Criteria Committee Of The New York Heart Association 1994, 179; 1953, 75). Israel (1982, 168) spricht von einer Majoritätsnorm ² der Herzfrequenz, die er bei 60-80 S/min ansiedelt und Braunwald et al. vom normalen Sinusrhythmus, für den eine schmale Spanne von 60-70 S/min angegeben wird (vgl. 2008, 2172). In der Tabelle 1 sind hierzu die recherchierten Normwerte samt zusätzlichen Angaben zusammenfassend dargestellt, welche die Unterschiede der aktuellen Literatur widerspiegeln.

2 Auch Mehrheitsnorm genannt; sie stellt den statistischen Regelfall dar.

2

Tab. 1. Zusammenfassende Auflistung der unterschiedlichen Normwertangaben

In Anbetracht solch auseinanderklaffender Angaben, kommen Fragen nach deren Zu-standekommen und Legitimation auf. Sicher ist zumindest, dass die heute immer noch gültigen Ober- und Untergrenzen der New York Heart Association von 60-100 S/min seit mindestens 1928 unverändert geblieben sind (vgl. Spodick 1993, 488; Criteria Committee Of The New York Heart Association 1994, 179; 1953, 75). Auch Yang et al. (1995, 193A) konstatierten in ihrer Untersuchung zu dieser Problematik: „When and how the traditional limits of the normal heart rate range (NHR), 60 - 100 bpm, were se- lectedis unclear”. Genauso Palatini (1999), der sich in zahlreichen Publikationen ebenso mit der Normherzfrequenz befasste und sich zu dieser Thematik wie folgt äußerte:

“This ^{limit was set arbitrarily when heart rate was not yet regarded as a risk factor for cardiovascular disease, probably with the main purpose of distinguishing between a disease state} (fever, thyrotoxicosis, anemia, congestive heart failure, etc) and a normal condition” (S. 622).

Auffällig ist auch, dass bei keinem Autor eine direkte Unterscheidung zwischen Männern und Frauen stattfindet, obwohl zahlreiche Publikationen schon seit langem geschlechtsspezifische Differenzen beschreiben ³ .

3 Israel (1982,117) gibt hierzu folgende Werke an: Gottschalk 1982; Bunac et al. 1975; Akgün et al. 1974; Scheuer 1973; Reed et al. 1973; Adams & De Vries 1973; Oscai et al. 1971; Wilmore & Brown 1970; Salzmann et al. 1970; Kilbom 1969; Donath 1965; Di Giorgio 1963; Åstrand 1958; Jokl 1951

3

Zum Zusammenhang zwischen einer sinkenden Ruheherzfrequenz und fortschreitendem Alter bestehen zu diesem Zeitpunkt widersprüchliche Befunde (vgl. Fox et al. 2007, 828; siehe auch Kap. 1.3 dieser Arbeit). Da es jedoch als allgemein bekannt gilt, dass Neugeborene und Kinder z. T. deutlich höhere Ruheherzfrequenzen aufweisen als Erwachsene (z. B. Markworth 2003, 161), kann bezüglich des Altersgültigkeitsbereichs davon ausgegangen werden, dass die in der analysierten Literatur angegebenen Normwerte für Erwachsene gelten - auch wenn das nicht immer explizit vermerkt war.

1.2 Probleme und Schwierigkeiten bei der Normwertdefinition der Herzfrequenz

Wie die Literaturrecherche gezeigt hat, variieren die ausgeschriebenen Normwerte zum Teil stark voneinander, wobei insbesondere die Tachykardieschwelle und gleichzeitige Normobergrenze von 100 S/min irritierend hoch erscheint. Soll im Sinne einer Vereinheitlichung eine Neudefinition durchgeführt werden, so gilt es als allererstes, den Norm- begriffselbst zu definieren. Was gilt überhaupt als „normal“? In der Medizin erfolgt die Berechnung von Referenzwerten anhand von ermittelten Messwerten von gesunden Personen. Als normal werden schließlich alle Werte befunden, die bei 95 % aller Untersuchten vorkommen ⁴ . Hieraus ergibt sich allerdings eine Gefahr, die Wittekopf (1975) wie folgt formuliert:

^{„Mit Hilfe biostatischer Verfahren, werden durch Untersuchungen repräsentativer Bevölke- rungsgruppenDurchschnittswerte ermittelt, die z. Z. im allgemeinen als die Normwerte akzeptiert werden. Diese Mittelwerte charakterisieren nach Israel (...) den Zustand der zwar} „gesunden“ Bevölkerung, die jedoch unter den gesellschaftlichen Bedingungen der wissenschaftlich-technischen Revolution bereits alle Risikofaktoren der kardiovaskulären und Stoffwechselerkrankungen in sich birgt. Deshalb können die Parameter der Leistungsfähigkeit der Gesamtbevölkerung, die vielfach durch Bewegungsarmut und Übergewichtigkeit gekennzeichnet ist, nicht als d i e Normwerte akzeptiert werden. Damit würde auf Grund der zunehmenden Bewegungsarmut sowohl im Arbeitsprozeß als auch in der Freizeitgestaltung die abnehmende Tendenz der physischen Leistungsparameter toleriert werden“ (S. 987).

Dieser Auszug macht deutlich, dass eine Normwertfestlegung auf Grundlage von aus der Bevölkerung erhobenen Durchschnittswerten nicht ganz unproblematisch ist. Zu diesem Thema schreiben auch Dickhuth et al. (2004), dass davon auszugehen ist,

„(…) dass sich die zu betrachteten [Herz-Kreislauf-] Systeme - entwicklungsgeschichtlich gesehen - an einem deutlich höheren Bewegungsniveau des Menschen entwickelt haben und die heutige mittlere Aktivität nahezu einer Inaktivität entspricht. So ist eine gesunde untrainierte Person eigentlich als deadaptiert anzusehen (…)“ (S. 374).

In diesem Zusammenhang erwähnenswert ist fernerhin, dass Israel (1982, 168) eine Majoritätsnorm bei 60-80 S/min von einer Idealnorm bei 50-60 S/min unterscheidet. Eine weitere Problematik lässt sich in der Grundannahme finden, dass bei dieser Art der Normwertbestimmung grundsätzlich von einer Normalverteilung in der Gesamtpo-

4Entspricht einem Vertrauensintervall (Koinfidenzintervall) von 95 %. In dem hier thematisierten Zusammenhang bedeutet das, dass bei rund 95 Prozent aller gesunden Untersuchten die jeweiligen Messwerte gefunden werden können. Dabei wird jeweils am oberen und am unteren Ende der Messwerte eine Standardabweichung (entspricht 2,5 %) als Grenze genommen. D. h., dass von allen Untersuchten jeweils 2,5 % einen zu niedrigen bzw. zu hohen Wert aufweisen, ohne dass ein pathologischer Befund vorliegt. (ausführlicher in Willimczik 1999, 58ff)

4

pulation ausgegangen wird. Palatini et al. (1997b) konnten bei den drei von ihnen untersuchten Populationen mit einer Mixture-Analyse ⁵ nachweisen, dass die bestehenden Verteilungen stets auf das Vorhandensein von zwei Subpopulationen zurückzuführen waren. Bei den Männern konnten sie in allen drei untersuchten Populationen jeweils eine größere Subpopulation mit einem niedrigeren Herzfrequenzwert und eine kleinere Subpopulation mit einem höheren Herzfrequenzwert ausmachen. Bei den Frauen konnten sie in nur einer Population die Existenz von zwei Subpopulationen nachweisen - und zwar wieder eine größere mit einem niedrigeren Ruhewert, und eine kleinere mit einem höheren Ruhewert.

Neben den Schwierigkeiten bei der statistischen Berechnung des Normwerts wurde in der Vergangenheit von mehreren Wissenschaftlern kritisiert, dass keine einheitlichen Messrichtlinien zur Erfassung der Herzfrequenz bestanden (z.B. Palatini et al. 2006). Seit 2006 konnte zumindest auf dieser Ebene ein Konsensus herbeigeführt werden, wonach für die klinische Messung der Herzfrequenz standardisierte Vorgaben empfohlen werden. So sollte der Herzfrequenzerfassung stets eine 5-minütige, sitzende Ruhephase in einem ruhigen Raum vorausgehen. Erst darauf hat die eigentliche Messungwährend zwei 30-Sekunden-Perioden und in sitzender Position - durch Palpation des Pulses zu erfolgen (vgl. Fox et al. 2007, 828).

Außerdem besteht ein deutlicher zirkadianer Schwankungsbereich, mit signifikant höheren Herzfrequenzen tagsüber als nachts. So wurden in der von Nakagawa et al. (1998) untersuchten Stichprobe zwischen 5-7 Uhr früh die niedrigsten Werte und zwischen 13-15 Uhr mittags die höchsten Werte gemessen.

Wie die Tabelle 2 andeutet, lassen sich neben dem Alter, Geschlecht, der Tagesrhythmik und der Fitness auch noch weitere Einflussfaktoren auf die Herzfrequenz identifizieren, die allerdings nicht im Fokus dieser Arbeit stehen.

5 Ist ein statistisches Verfahren, mit dem in der Biologie untersucht wird, ob die Verteilung eines bestimmten Merkmals besser mit einer eventuell vorhandenen Vermischung von mehreren Normalverteilungen erklärt werden kann, wenn eine Überschneidung zwischen Subpopulationen vorliegt (vgl. Schork & Schork 1988 zit. nach Palatini et al. 1999, 622).

5

Tab. 2. Einflussfaktoren auf die Herzfrequenz nach Hottenrott (2006, 32)

1.3 Ansätze von Neudefinitionen der Normherzfrequenz

Trotz der soeben geschilderten Schwierigkeiten um die Etablierung von empirisch ermittelten Normwert-Ober- und Untergrenzen, haben in den vergangenen zwei Jahrzehnten mehrere Wissenschaftler versucht, den Herzfrequenz-Normwert neu zu definieren. Diese Ansätze sollen im Folgenden näher vorgestellt werden (vgl. Tabelle 3). ⁶ Probanden So ermittelten Yang et al. (1995, 193A) in ihrer Studie für 536 gesunde (447 Männer; 89 Frauen) im Alter von 21-81 Jahren, nach Berechnung der arithmetischen Mittelwerte und Addition von zwei Standardabweichungen, für Männer und Frauen Ober- und Untergrenzen von 44-85 S/min bzw. 50-90 S/min. Dabei konnte für Frauen ein arithmetisches Mittel von 65 S/min und für Männer von 64 S/min errechnet werden.

Spodick et al. (1992), die eine vergleichbare Untersuchungsmethodik anwandten, untersuchten 500 gesunde Probanden im Alter von 50-80 Jahren, davon 123 Männer und 367 Frauen, und errechneten dabei Normwerte von 46-93 S/min für Männer und 51-95 S/min für Frauen. Die Mittelwerte für Frauen betrugen 73 S/min und für Männer 69 S/min.

In beiden Untersuchungen konnte jedoch kein statistisch signifikanter Zusammenhang zwischen Alter und Herzfrequenz festgestellt werden. Die erhobenen Ruheherzfrequenzmittelwerte der Teilnehmer der Framingham-Herz-Studie, die zum Zeitpunkt des Studieneintritts ebenfalls frei von jeglichen Herzkreislaufkrankheiten waren, bieten die Vergleichsmöglichkeit zu einer größeren Stichprobe. In dieser Kohorte konnte bei Männern über die Altersdekaden von 35-44 bis 75-84 Jahre eine mittlere Ruheherzfrequenz von 74,1 bis 76,1 S/min beobachtet werden. Bei Frauen lag diese bei den gleichen Altersdekaden mit mittleren 76,6 bis 79,7 S/min erwartungsgemäß etwas höher.

Bei der von Jouven et al. (2005) untersuchten Stichprobe handelte es sich ebenfalls um eine größere Kohorte, die sich aus 5503 asymptomatischen männlichen Probanden im Alter von 42-53 Jahren zusammensetzte, die zum Studienende entweder am Leben waren oder nicht an einem Herzinfarkt gestorben sind. Deren mittlere Herzfrequenz er-

6Mit ^{dem Attribut „gesund“ werden im medizinischen Sinne alle zum Untersuchungszeitpunkt asympto-} matischenProbenden bezeichnet.

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