Erythropoetin als leistungssteigernde Dopingsubstanz

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Erythropoetin
2.1 Chemische Eigenschaften und Struktur
2.2 Biosynthese im menschlichen Körper
2.3 Funktion im menschlichen Körper
2.4 Erythropoese
2.5 Erythropoetin-/ Zytokinrezeptor
2.6 Aufbau der Erythrozyten
2.7 Funktionsweise des Hämoglobins

3. Doping mit rHu-EPO
3.1 Geschichtliche Entwicklung/ Aktuelles von den Olympischen Spielen in 9 Sotschi
3.2 Vergleich von rHu-EPO mit EPO
3.3 Leistungssteigerung im aeroben Bereich
3.4 Gefahren und Nebenwirkungen/Grenzwert des Hämatokrits

4. Fazit

5. Bibliographie

1. Einleitung

Doping nimmt einen immer größeren Bestandteil des heutigen Sportgeschehens, sowohl im Amateur- als auch im Profibereich, ein. Die Dopingsubstanz rHu-Erythropoetin gilt dabei als eine der effektivsten und verbreitetsten Substanzen im Ausdauersport. In dieser Arbeit werden vorerst die normale menschliche EPO-Sekretion, sowie die Wirkung von EPO im Organismus selbst beschrieben, um im Anschluss das Doping mit rHu-EPO genau zu erläutern. Besonders wichtig ist es mir dabei, die Gründe für den Dopingmissbrauch zu nennen und persönlich Stellung zu den Nebenwirkungen etc. zu nehmen.

2. Erythropoetin

Die Anpassung an das, momentan auf den Menschen einwirkende, Sauerstoffangebot und somit die Regulation der Konzentration der roten Blutkörperchen ist die Aufgabe des, vor allem in der Niere sekretierten, Glykoproteins Erythropoetin (EPO). Durch die Aufrechterhaltung eines dynamischen Gleichgewichts zwischen der Erythropoese und dem Abbau der Erythrozyten, sorgt die Ausschüttung von EPO für eine, an das momentane Sauerstoffangebot angepasste, Erhöhung des Hämatokritwertes. Diese Anpassung erfolgt durch die Funktion des Erythropoetins als einen der wichtigsten Wachstumsfaktoren der Erythropoese.

2.1 Chemische Eigenschaften und Struktur

Das humane EPO-Molekül ist ein aus 165 Aminosäuren und vier Kohlenhydratketten bestehendes und ca. 30 400 Dalton schweres Polypeptid. Die Kohlenhydratketten, welche an Serin 126, Asparagin 24, 38 und 83 binden, bilden die Zuckerseitenketten des Moleküls und nehmen ca. 40% seiner Gesamtmasse ein. Zudem sind diese Kohlenhydratstrukturen, im Gegensatz zu der Aminosäuresequenz des Moleküls, variabel, wodurch unterschiedliche EPO-Versionen, wie zum Beispiel rekombinantes Erythropoetin möglich sind (Mikroheterogenität). Diese Mikroheterogenität beeinflusst allerdings nicht die Bindung der unterschiedlichen Isomere an den EPO-Rezeptor (vgl. 3.2 „Vergleich rHu-EPO mit EPO“).

2.2 Biosynthese im menschlichen Körper (vgl. „Skizze der EPO-Exprimierung“ im Anhang)

Beim erwachsenen Menschen übernimmt die Niere ca. 90% der gesamten Erythropoetinproduktion. Neben dem renalen Produktionsort gibt es verschiedene extrarenale Gewebe (größtenteils in der Leber), welche auch in der Lage sind Erythropoetin zu sekretieren.

Den entscheidenden Indikator für die EPO-Synthese bildet eine Gewebe-Hypoxie. Diese, nach dem Prinzip eines Feedback-Mechanismus ablaufende, Reaktion wird also nicht von einer geringen Erythrozytenkonzentration, also ab einem Hämatokrit von ca. 40% bei Männern und ca. 37% bei Frauen, sondern durch eine Sauerstoffunterversorgung von Gewebe erzeugt. Aufgrund des Hauptproduktionsortes in den Nieren wirkt sich eine Gewebehypoxie im renalen Bereich besonders stark auf die Synthese von EPO aus. Hier muss also eine Art Sensor für die Wahrnehmung von Gewebehypoxien vorliegen.

Die zuvor angesprochene Gewebe-Hypoxie kann verschiedene Ursachen, wie zum Beispiel Krankheiten etc. haben, jedoch lassen sich unter normalen Umständen drei verschiedene Hauptursachen für eine gesteigerte Erythropoetin-Synthese feststellen. Zum einen die Sauerstofftransportkapazität des Blutes, zum anderen den Sauerstoffpartialdruck der Atemluft, welcher zum Beispiel durch das Leben in hohen Regionen beeinflusst wird sowie die Sauerstoff-Bindungsaffinität des Hämoglobins. Die Sauerstofftransportkapazität des Blutes kann wiederrum durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden. Hier spielen der Hämatokritwert, die Hämoglobinmenge, welche im gesamten Blut zirkuliert und die gesamte Blutmenge eine große Rolle. Die gesamte Blutmenge kann zum Beispiel durch krankheitsbedingte Anämien oder auch durch Unfälle induzierte Blutverluste beeinflusst werden. Erleidet also zum Beispiel ein Unfallopfer einen größeren Blutverlust, so wird sein Körper bzw. seine Niere mit Hilfe des Feedback-Mechanismus auf diesen reagieren und mehr EPO produzieren, um der, durch den Blutverlust erzeugten, Gewebe-Hypoxie entgegen zu wirken. Diese Reaktionen lassen sich auch bei chronisch anämischen Patienten beobachten.^[1] Außerdem lässt sich die Erythropoetinproduktion auch, durch zum Beispiel eine Erhöhung des Blutvolumens, verringern, da durch eine Transfusion von Blut ein erhöhter Hämatokritwert erzeugt und so die Sauerstofftransportfähigkeit des Blutes erhöht würde. Das Prinzip der Sauerstofftransportfähigkeitserhöhung des Blutes durch einen erhöhten Hämatokritwert machen sich auch Sportler zu nutzen, indem sie in großer Höhe trainieren und so ihren Körper dazu veranlassen, mehr EPO und somit mehr Erythrozyten zu produzieren. Diese erhöhte Erythrozytenproduktion jedoch beeinflusst nur den Hämatokritwert und nicht das gesamte Blutvolumen.

Der zuvor schon angesprochene Sensor für eine Gewebehypoxie wird durch den Transkriptionsfaktorkomplex Hypoxie-induzierbaren-Faktor-1 (kurz: HIF-1) gebildet. Dieser Transkriptionsfaktorkomplex besteht aus zwei Untereinheiten. Zum einen dem Hypoxie-induzierbaren-Faktor-1α (HIF-1α) und zum anderen dem Hypoxie-induzierbaren-Faktor-1β (HIF-1β), welche sich aufgrund ihrer Abhängigkeit vom Blutsauerstoffgehalt komplett unterscheiden. Im Gegensatz zu HIF-1β ist HIF-1α ein pO2 (Blutsauerstoff) labiles Molekül. Diese pO2-Labilität sorgt dafür, dass HIF-1α, welches ständig, unabhängig vom Sauerstoffgehalt des Blutes synthetisiert wird, nur unter hypoxischen Bedingungen stabilisiert werden kann und unter normoxischen Bedingungen binnen weniger Minuten, durch Proteasom, wieder abgebaut wird. Die Stabilisierung wird hierbei durch eine Inhibition der Hydroxylierung, welche bei normoxischen Bedingungen den Abbau von HIF-1α generiert, erzeugt. Folglich wird auf eine Gewebehypoxie zunächst mit der Stabilisierung des HIF-1α reagiert. Diese Stabilisierung hat dann zur Folge, dass HIF-1α akkumuliert und durch eine Translokation in den Kern der EPO-exprimierenden Zelle gelangt. Dort bindet dann das HIF-1α-Molekül an das, sich im Kern befindendem, HIF-1β-Molekül um, den zu Beginn angesprochenen, dimeren Komplex HIF-1 zu bilden. HIF-1 kann dann durch die Bindung an bestimmte DNA-Sequenzen die Bindung eines Polymerase II-Komplexes ermöglichen. Dieser Komplex wiederrum bindet dann an einen bestimmten Punkt des EPO-Gens (3´-Flanke) und führt zur Transkription in die EPO-mRNA. Diese EPO-mRNA wird dann mit Hilfe der Ribosomen im Zytoplasma zum EPO-Molekül translatiert.

Mit Hilfe dieses Prozesses und der, an dessen Ende stehenden, Ausschüttung von Erythropoetin, reagiert die EPO-exprimierende-Zelle folglich auf eine Gewebehypoxie. Warum genau dieses Hormon als Reaktion auf eine Gewebehypoxie gebildet wird und wie dieses Hormon dann diese bekämpft, wird im folgenden Abschnitt 2.2. erläutert.

2.3 Funktion im menschlichen Körper

Wie in 2.2 bereits beschrieben, findet als Reaktion auf eine Gewebehypoxie eine, durch verschiedene Transkriptionsfaktoren gesteuerte, Ausschüttung von Erythropoetin statt. Die Ausschüttung dieses Hormones beeinflusst, laut neuesten wissenschaftlichen Erkenntnissen, den Körper in vielerlei Hinsicht. In dem auf Doping bezogenen Kontext, lässt sich seine Funktion, als der wichtigste Wachstumsfaktor der Erythropoese, als ausschlaggebend bezeichnen. Wie jedes andere Glykoprotein-Hormon gelangt Erythropoetin, aufgrund seiner Hydrophilität, über das Blut zu seinen Bestimmungspunkt. Dieser Transport zu seinem Bestimmungspunkt, nämlich dem Knochenmark, erfolgt durch eine Weiterleitung des, mit Erythropoetin angereicherten, Blutes in Richtung des Herzens, wo es in die Aorta gelangt. Im Anschluss daran wird es über die Arteria nutricae, welche für die Blutversorgung der menschlichen Knochen zuständig ist, zum Knochenmark geleitet. In diesem entfaltet es dann seine, die Sauerstofftransportkapazität des Blutes regulierende, Wirkung, indem es an bestimmten Punkten der Erythropoese die Apoptose der Erythrozyten-Vorläuferzellen verhindert.

Der Mechanismus der Erythropoese wird im Anschluss unter 2.4 genauer erläutert.

2.4 Erythropoese (vgl. „Erythropoese (Skizze)“ im Anhang)

Wie in 2.3 bereits beschrieben, umfasst der Mechanismus der Erythropoese die Bildung roter Blutkörperchen/Erythrozyten. Diese Bildung erfolgt in Form eines mehrstufigen Reifungsprozesses, an dessen Beginn sowohl omnipotente als auch pluripotente Stammzellen stehen. Deren Reifung wird durch viele verschiedene Wachstumsfaktoren beeinflusst, wobei sich Erythropoetin als der wichtigste und ausschlaggebendste von diesen definieren lässt.

Wie schon erwähnt, bilden die Stammzellen den Beginn der Erythropoese. Aus diesen Stammzellen resultiert dann die Vorläuferzelle, CFU-GEMM, aus der sowohl BFU-E-Zellen (engl. burst-forming unit erythroid) als auch andere Blutzellen entstehen können. Diese BFU-E-Zelle lässt sich als erste festgesetzte Reifungsstufe im Reifungsprozess eines Erythrozyten definieren und wird gefolgt von der letzten Vorläuferzelle der Erythropoese, der CFU-E (engl. colony-forming unit erythroid). Beide dieser Zellen, also der BFU-E und der CFU-E, besitzen in ihren späteren Stadien Erythropoetinrezeptoren (in Form eines Zytokinrezeptors (vgl. 1.4.)), welche durch die Bindung von Erythropoetin eine komplexe Signalkaskade auslösen und dadurch die Apoptose der Vorläuferzellen verhindern. Diese Inhibition der Apoptose ist also der, die Reifung der Erythrozyten befördernde bzw. ermöglichende, Prozess, welcher nur durch Erythropoetin ablaufen kann. Stünde also einem Menschen kein Erythropoetin zur Verfügung, läge die EPO-Serumkonzentration im Blut also bei 0 mU/ml, so könnte er keine neuen Erythrozyten mehr herstellen und würde, nachdem eine gewisse Anzahl von Erythrozyten (vor allem in der Milz) abgebaut worden wäre, aufgrund einer Sauerstoffuntervorsorgung sterben (ein kompletter Abbau der Erythrozyten würde ca. 120 Tage dauern).

Im Anschluss daran beginnt die eigentliche Erythropoese durch die Bildung der Proerythroblasten aus der CFU-E. Diese Proerythroblasten bilden die ersten, morphologisch zuordnungsfähigen, Zellen auf dem Weg zum Erythrozyten, da sich die zuvor genannten Vorläuferzellen nur mit Hilfe von Oberflächenmarkern erkennen lassen. Durch die anschließende Zellteilung der Proerythroblasten erfolgt dann die Bildung basophiler Erythroblasten, welche durch ihren hohen Anteil von Ribonukleinsäure bläulich erscheinen. Proerythroblast und basophiler Erythroblast bilden zusammen die unreifen roten Vorstufen der Erythropoese (eine Bezeichnung als unreife, blaue Vorstufen wäre meiner Meinung nach an dieser Stelle jedoch, aufgrund der bläulichen Färbung der Zellen, die passendere Formulierung).

Im Anschluss an die unreifen roten Vorstufen befinden sich die reifen roten Vorstufen, welche sich von den unreifen im Allgemeinen durch ihren höheren Hämoglobinanteil und somit die orthochromatische Färbung unterscheiden. Aus dem basophilen Erythroblasten bildet sich nun ein polychromatischer Erythroblast, welcher die letzte zur Zellteilung fähige Zelle der Erythropoese darstellt und noch keine orthochromatische Färbung aufweist. Die Teilung von diesen hat dann die Bildung der orthochromatischen Erythroblasten zur Folge, welche, wie der Name schon sagt, eine rötliche Färbung aufweisen und somit schon einen relativ hohen Anteil an Hämoglobin enthalten. Wichtig ist an dieser Stelle, dass der orthochromatische Erythroblast, gegen Ende seiner Entwicklung, sowohl seinen Zellkern (durch Kondensation und Aufnahme durch Makrophagen) als auch seine Mitochondrien, das endoplasmatische Retikulum und viele Ribosomen verliert. Der Verlust des Kernes führt dabei zur Umbenennung der Zelle in einen Retikulozyten, welcher noch einen geringen Anteil an Polyribosomen enthält und sich dadurch noch von der Endstufe der Erythropoese, dem Erythrozyt, unterscheidet. Der Retikulozyt produziert noch kurze Zeit weiter Hämoglobin. Angeschlossen an diese Produktion von Hämoglobin und weiteren 48 Stunden im Knochenmark befindet sich die Abwanderung des Retikulozyten in die Blutbahn, in der er sich zunächst weitere 48 Stunden befindet und sich erst dann zu einem reifen Erythrozyten entwickelt.

Der Verlust der Organellen hat mehrere Konsequenzen, da der Erythrozyt dadurch viele Stoffwechselwege nicht einschlagen kann. So gehen mit den Mitochondrien die β-Oxidation, der Citratzyklus und die Atmungskette verloren. Die einzige Möglichkeit für den Erythrozyten, Energie zu erzeugen, ist daher die anaerobe Glykolyse, die vollständig im Zytosol abläuft. Der Vorteil ist, dass Erythrozyten ihre Fracht auch wirklich nur transportieren und nicht selbst verbrauchen. (Biochemie des Menschen 2002, Seite 483^[2] )

Wie in diesem Zitat beschrieben lässt sich der Verlust der Organellen aus dem Grund erklären, dass dir Erythrozyten den Sauerstoff nur transportieren sollen, ihn aber zum Beispiel für die Herstellung von Adenosintriphosphat in ihren Mitochondrien verbrauchen würde, sodass weniger Sauerstoff für den gesamten Organismus, in dem Kontext dieser Arbeit für die Muskulatur, zu verfügen stehen würde. Insgesamt beläuft sich die Dauer der Erythropoese auf ca. 8 Tage (ab der Bildung der Proerythroblasten) und führt zu ca. 120 Tagen lebenden Erythrozyten.

2.5 Erythropoetin-/ Zytokinrezeptor (vgl. „Erythropoetinrezeptor/Zytokinrezeptor“ im Anhang)

Wie auch andere, für das Wachstum bzw. die Differenzierung von Zellen zuständige, Proteine, wird auch Erythropoetin als Zytokin bezeichnet (trotz seiner klassisch endokrinen Wirkung). Daher lässt sich der Rezeptor für Erythropoetin, welcher an den Membranen der BFU-E und der CFU-E-Zellen vorliegt, nicht nur als Erythropoetin-/, sondern auch als Zytokinrezeptor bezeichnen. Dieser Rezeptortyp zeichnet sich durch seine Zytokin-/ Erythropoetinbindungstelle im extrazellulärem und durch seine zwei Janus-Kinasen (JAK) im intrazellulärem Raum aus.

[...]

^[1] COTES, P. M. (1989) Physiological studies of erythropoietin in plasma. In: Erythropoietin, Springer Verlag (Berlin), 57-79.

^[2] Horn, Florian (2002): Biochemie des Menschen, Das Lehrbuch für das Medizinstudium 4. Auflage. – München: Thieme