Ist HIIT für Kinder ein Hit? Auswirkungen und Grundlagen eines High-Intensity-Intervall-Trainings für Kinder

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Einleitung

1 HIIT - Definition

2 Angemessenheit von HIIT aus orthopädischer Sicht
2.1 Die Ossifikation
2.2 Potentielle gesundheitliche Beeinträchtigungen durch HIIT
2.3 Ossifikation und Sport
2.4 HIIT aus orthopädischer Sicht

3 Angemessenheit von HIIT aus metabolischer Sicht
3.1 Potentielle gesundheitliche Beeinträchtigungen durch HIIT
3.2 Belastungsresistenz von präpuberalen Kindern und Erwachsenen
3.3 Der Energiestoffwechsel
3.4 Der Energiestoffwechsel beim HIIT
3.5 Altersspezifische Unterschiede im Energiestoffwechsel

4 Adaptive metabolische Prozesse durch HIIT
4.1 Verbesserung der aeroben Kapazitäten
4.2 Verbesserung der anaeroben Kapazitäten

5 Diskussion

6 Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

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Abkürzungsverzeichnis

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Einleitung

HIIT ist die Abkürzung für High-Intensity-Intervall-Training. Allgemein beschreibt HIIT ein Trainingsprogramm, welches durch intervallartige Belastungen und hohe Intensitäten ausgezeichnet ist. Mittel- und Langstreckenläufer nutzen das Intervalltraining schon seit Beginn des 20. Jahrhunderts als Möglichkeit zur Leistungsverbesserung. Darunter fallen zum Beispiel der finnische Athlet Hannes Kolehmainen (3-facher Olympiasieger in Stockholm 1912) oder Pavoo Nurmi (9-facher Olympiasieger zwischen 1920 und 1928) (Tschakert und Hofmann 2013). Die erste Beschreibung eines solchen Trainings in einer wissenschaftlichen Zeitschrift wurde 1959 von Reindell und Roskamm gedruckt (ebd.). Anschließend nahm das Interesse an den metabolischen Auswirkungen eines HIIT immer mehr zu. Seit den 90ern wird HIIT vermehrt im Bereich des Freizeitsports sowie in diversen Sportarten eingesetzt, wobei sich weitere Unterformen entwickelten. Nach der Jahrtausendwende hielt HIIT seinen Einzug auch zunehmend im Bereich der Rehabilitation (ebd.; Wahl et al. 2010). Entscheidende Faktoren für die wachsende Verbreitung dieser Trainingsmethode sind die großen Erfolge im Bereich der Ausdauerleistungsfähigkeit (Wahl et al. 2010), Explosivkraft (Baquet et al. 2004) und Maximalkraft (Ritsche et al. 2014), bei gleichzeitig geringerem Zeitaufwand zu herkömmlichen Trainingsmethoden wie der Dauermethode (Wahl et al. 2010). Die meisten Studien der letzten Jahrzehnte zu den metabolischen Prozessen und Auswirkungen von HIIT wurden jedoch ausschließlich mit Erwachsenen durchgeführt (Engel und Sperlich 2014).

Aufgrund fehlender Hormone (v.a. Testosteron) und Angst vor Überlastungen galt das Training mit hohen bis höchsten Intensitäten bei Kindern und Jugendlichen lange Zeit als ergebnislos und gefährlich (Menzi et al. 2007). Die Trainierbarkeit der anaeroben Kapazität galt unter anderem wegen der Trigger-Hypothese von Katch als kaum oder nicht trainierbar (Engel und Sperlich 2014). Nach Katch müsse man zwischen Skill Training und Physiologic Training unterscheiden. Skill Training beschränkt sich dabei auf das Erlernen von Bewegungsmustern. Physiologic Training hingegen umfasst die Veränderung von Faktoren, wie anaerobe Kapazität oder kardiovaskuläre und metabolische Parameter (Katch 1983).

“This hypothesis predicts that, prepubertally, there will be only small training-induced biological alterations because of the lack of hormonal control. It is suggested, therefore, that emphasis be placed on skill acquisition rather than physiological conditioning during prepuberty” (Katch 1983, S.241).

Wie die generelle Lehrmeinung verwies auch Katch auf die niedrige Hormonkonzentration bei präpuberalen Kindern.

“[…] it can be concluded that it is hormonal regulation that sets the trigger for the organic adaptations and responses to physical conditioning” (Katch 1983, S.242).

Beweise für die Hypothese sah Katch in den marginalen Unterschieden metabolischer Adaptation zwischen präpuberalen Athleten und Nicht-Athleten. Die kleinen Unterschiede legen nahe, dass sportliche Leistungen hohen Niveaus eher auf beherrschte Bewegungsmuster zurückzuführen seien als physiologische Adaptationen (Katch 1983, S.243). Aus diesen Beobachtungen schließt er:

“Based on the above, it is suggested that physical training programs for prepubertal children should concentrate more on skill acquisition (throwing, jumping, kinesthesis, catching, etc.) than on specific physiologic conditioning (endurance, power, strength)” (Katch 1983, S.244).

Aktuellere Vorbehalte gegenüber einem HIIT bei präpuberalen Kindern gründen sich auf einen Anstieg der Konzentration von Laktat und diversen Stresshormon. Belastungen oberhalb der anaeroben Schwelle (>80 % VO2max) seien nach Weineck (2010) zu vermeiden, da ab der Grenze ein sprunghafter Anstieg der Stresshormone auf das Zehnfache des Ausgangswertes zu beobachten ist, was zu einer „psychophysischen Überforderung führen kann“ (Weineck 2010, S.351). Interessanterweise übertreffen dabei die Adrenalinspiegel der Kinder die der Erwachsenen um 25 %. Der Anstieg der Stresshormone ist dabei mit dem Laktatanstieg eng verzahnt (Weineck 2010, Kappenstein 2015). Durch eine scheinbar schlechtere Laktateliminierung wirken sich lokal mittelmäßige Blutlaktatwerte von 10 mmol/l auf den kindlichen Organismus genauso stark aus, wie 20 mmol/l bei einem Erwachsenen (Weineck 2010). Wenn man die hormonelle Stressbelastung erfassen möchte, wird aktuell das Stresshormon Cortisol im Speichel gemessen. Hohe Konzentrationen von Cortisol beeinflussen „das Immunsystem, die Bindegewebsregeneration, die Knochenzusammensetzung sowie die Gedächtnisleistung negativ“ (Kappenstein 2015, S.10).

Die Folge der Kritik war unter anderem ein hauptsächlich niedrig-intensives Ausdauertraining für Kinder und Jugendliche (Engel und Sperlich 2014). Zintl (1994) gibt für den Schulsport die Richtlinien, dass anaerobe Belastungen möglichst zu vermeiden und ein umfangsbetontes Ausdauertraining einem intensitätsbetonten Training vorzuziehen seien (Zintl 1994). Das Ziel eines Ausdauertrainings solle dabei das Bewältigen einer 20-minütigen Dauerbelastung sein, was mit Trainings­intensitäten von leicht bis mittel (ca. 50-70 % HFmax) erreicht werden könne (ebd.). Auch wenn Zintl intervallartige Belastungen in Form kleiner Spiele oder Staffeln als hilfreiche Trainingsmethode ansieht, merkt er mahnend an, dass „der Eingriff in die anaerobe Kapazität weitgehend vermieden“ (Zintl 1994, S.209) werden soll. Die extensive und intensive Intervallmethode habe im Schulsport erst im Laufe der Pubertät ihre Berechtigung (Zintl 1994). Für den Vereinssport sehen die Richtlinien bei einem Grundlagentraining mit mittleren bis submaximalen Belastungen bei 8- bis 12-Jährigen ähnlich aus (ebd.).

Im Laufe der letzten Jahrzehnte wuchs das Forschungsinteresse im Hinblick auf Kinder in und vor der Pubertät. Die Ergebnisse der immer differenzierteren Studien ließen jedoch Zweifel an der generellen Kritik von HIIT aufkommen. Vereinzelt wird auch in der Grundlagenliteratur von intensiven Kurzzeitbelastungen von 3-5 s als Möglichkeit des Ausdauertrainings bei Kindern gesprochen (Weineck 2010). Im Rahmen dieser Arbeit wird versucht, Hinweise auf der Grundlage von Studien und Metaanalysen zu erarbeiten, ob ein HIIT-Protokoll mit sehr kurzen Intervallen eine kindgerechte Form des Ausdauer- und Krafttrainings darstellt. Der Schwerpunkt wird dabei aufgrund der aktuellen Studienlage und Trainingsprotokolle in dem Bereich der Ausdauerleistung liegen.

Dabei soll nach einer Definition des HIIT-Begriffes anhand des natürlichen Bewegungsverhalten präpuberaler Kinder das Knochenwachstum sowie einhergehende Verletzungsrisiken untersucht werden. Als größten Aspekt wird letztendlich auf den kindlichen Stoffwechsel eingegangen, da dieser den Kritikern zufolge für Belastungen in jener Form als nicht geeignet erscheint.

1 HIIT - Definition

HIIT beschreibt ein hochintensives und intervallartiges Trainingsprogramm, worunter in den meisten Fällen lineare Laufaktivitäten oder Sprints auf dem Fahrradergometer verstanden werden. Es bietet jedoch eine Vielzahl an Variationsmöglichkeiten mit Richtungswechseln oder dem Einbau sportartspezifischer Bewegungsmuster (Kappenstein 2015), wie zum Beispiel Sprünge.

In den untersuchten Studien werden für die Intensität zunächst individuelle Bezugsnormen, wie HFmax (maximale Herzfrequenz), VO2max (maximale Sauerstoffaufnahme) oder MAS (Maximum Aerobic Speed) ermittelt, nach denen das Training im Hinblick auf die Belastung konzipiert wird. Das Trainingsprotokoll soll so gestaltet sein, dass ein großer prozentualer Anteil von VO2max über einen möglichst langen Zeitraum aufrecht erhalten werden kann (Wahl et al. 2010).

Mit der allgemeinen Beschreibung eines HIIT enden auch die Gemeinsamkeiten der einzelnen Autoren, da es in der Literatur keine einheitliche Definition von HIIT gibt. Zudem werden unterschiedliche Namen für ähnliche Trainingsprotokolle verwendet, wie zum Beispiel High-Intensity-Training (HIT) (Rosenkranz et al. 2012), High-Intensity-Intervall-Training (HIIT) (Engh et al. 2015), High-Intensity-Exercise (HIE) (Lee et al. 2015), Short-Term-High-Intensity-Training (STHIT) (Baquet et al. 2004) oder Intervallsprinttraining (Kappenstein und Ferrauti 2015). Einzelne Autoren, wie zum Beispiel Herodek et al. (2014) unterscheiden zudem HIT und HIIT voneinander. HIT sei demnach eine reine Trainingsmethode aus dem Kraftsport, wonach man HIIT im Bereich des Ausdauertrainings ansiedeln müsste.

Ungeachtet dieser Einteilung der Begriffe in Kraft- und Ausdauersport wird HIT von anderen Autoren als Begriff im Bereich des Sprinttrainings verwendet (Ritsche et al. 2014). Shepherd et al. (2015) nutzen HIT sogar als Abkürzung für High-Intensity-Interval-Training und verwerfen damit jeglichen Unterschied zwischen HIT und HIIT. Die Arbeitsgruppe schlägt eine Unterteilung von HIT anhand der Länge der Belastungsintervalle vor. Demnach könne man HIT in ein Sprint Intervall Training (≤30 s Intervall), modifiziertes low-volume HIT (≤60 s Intervall) und Aerobes Intervall Training (vier Minuten Intervall) auffächern (ebd.).

Die Bezeichnung des Short-Term-High-Intensity-Trainings (STHIT) nimmt ebenfalls die Dauer der einzelnen Intervalle als Kriterium, wobei sehr kurze Intervalle gemeint sind, die mit höchsten Intensitäten durchgeführt werden. Baquet et al. (2004) setzen für die Intervalle 10-20 s an. Die kurze Intervalldauer wird jedoch nicht von allen Autoren gleichermaßen als Kriterium für STHIT angewendet, wie zum Beispiel Ritsche et al. (2014), welche ein Wingateprotokoll mit Intervallen von 30 s als STHIT bezeichnen. Diese Vermischung der Begriffe innerhalb der Literatur macht die Uneinigkeit und Unschärfe, die mit dem Begriff einhergehen, deutlich.

Neben der reinen Begrifflichkeit weichen die Protokolle teilweise stark voneinander ab. Die Dauer der Belastungsintervalle liegt in den untersuchten Studien zwischen fünf Sekunden und sechs Minuten. Analog zur Länge der Intervalle variieren die Belastungsintensitäten von knapp 80 % HFmax (Lee et al. 2015) bis zu „all-out“ Protokollen (Ma et al. 2014).

Die Intervalle werden beim HIIT durch Pausen separiert. Entsprechend der divergenten Studienlage im Bereich der Intervallintensitäten liegt auch bei der Gestaltung der Pausen kein Konsens vor. Die Pausen können passiv (Rosenkranz et al. 2012) wie aktiv (Zwinkels et al. 2015) bei niedrigen Intensitäten durchgeführt werden. Herodek et al. (2014) geben das optimale Belastungs-Pausenverhältnis mit 1:3 an, um eine möglichst vollständige Erholung zu gewährleisten. Tabata hingegen, eine beliebte und weitläufig bekannte Trainingsmethode aus dem Bereich des hochintensiven Trainings, wird mit einem Belastungs-Pausenverhältnis von 2:1 durchgeführt (Foster et al. 2015; Izumi et al. 1996). Ein häufig verwendetes Testprotokoll im Sinne von HIIT ist der Wingate-Test. Dabei werden vier bis sechs Intervalle mit höchster Intensität ausgeführt. Die Intervalle dauern je 30 s und werden durch vierminütige aktive Pausen separiert (Gillen 2012; Forbes et al. 2008). Das Belastungs-Pausenverhältnis liegt bei 1:8 und damit weit über den bisherigen Trainingsmethoden.

Im Hinblick auf die zahlreichen Varianten eines HIIT muss die Betrachtung dieses Themas eingeschränkt werden. Ausgehend von der Zielgruppe dieser Arbeit soll demnach das natürliche kindliche Bewegungsverhalten als Grundlage dienen, um die unterschiedlichen HIIT-Protokolle auf ihre Tauglichkeit für präpuberale Kinder bewerten zu können. Wenn eine Belastung aus sportmedizinischer Sicht nicht schädlich und vielleicht sogar förderlich ist, aber entgegen dem eigentlichen Bewegungsverhalten steht, verliert das Kind schnell das Interesse und die Motivation an jener.

Bailey et al. (1995) haben 15 Kinder zwischen 6-10 Jahren über mehrere Zeiträume von insgesamt 36 Stunden beobachtet, um ein Bewegungsprofil erstellen zu können. Die Intensitäten der körperlichen Aktivitäten wurden in niedrig (unter 11 ml/min kg VO2), mittel (zwischen 11-24,5 ml/min kg VO2) und hoch (über 24,5 ml/min kg) eingeteilt. Den größten Zeitanteil bildeten die niedrigen Inten­sitäten mit 77,1 %. Darunter sind Aktivitäten wie „Stehen“ oder „Sitzen“ zu verstehen. Für mittlere Intensitäten verwenden die untersuchten Kinder 19,7 % der protokollierten Zeit. Die hohen Intensitäten, wie zum Beispiel „Rennen“, nehmen lediglich einen Anteil von 3,1 % der 36 Stunden ein.

Im Hinblick auf HIIT ist vor allem die Dauer der einzelnen Belastung von besonderem Interesse. Die durchschnittliche Dauer der Aktivitäten mit niedrigen oder mittleren Intensitäten betrug 6 s. Für hochintensive Belastungen konnte ein Wert von 3 s ermittelt werden, wobei zu erwähnen ist, dass die Messzeitpunkte der Studie alle 3 s erfolgten, sodass methodisch keine niedrigeren Werte erfasst werden konnten. 95 % der hochintensiven Belastungen dauerten weniger als 15 s und lediglich 0,1 % wurden länger als eine Minute durchgeführt. Im Verhältnis zur kurzen Belastungszeit waren 75 % der Pausenintervalle kürzer als 54 s und im Durchschnitt 18 s lang.

Die Ergebnisse der Studie legen den Schluss nahe, dass präpuberale Kinder den Großteil ihrer Zeit mit niedrig intensiven Aktivitäten verbringen. Wenn es jedoch zu intensiven Belastungen kommt, sind diese meist nicht länger als 15 s und dauern im Mittel sogar nur 3 s (Bailey et al. 1995).

Eine neuere Studie von Baquet et al. (2007) unterstützt die Befunde von Bailey et al. (1995). Bei 13 Jungs und 13 Mädchen zwischen 8-10 Jahren wurde für sieben Tage mit einem Beschleunigungsmessgerät die körperliche Aktivität gemessen und in metabolische Äquivalente (MET) umgerechnet. Die Bewegungen wurden in leichte (<3 METs), mittlere (3 METs), starke (6 METs) und sehr intensive (9 METs) Aktivitäten eingeteilt. Die durchschnittlichen Zeiten der körperlichen Aktivität betrugen 70.8±13.2 s für leichte, 9.0±2.8 s für mittlere, 4.7±1.2 s für starke und 3.9±1.6 s für sehr intensive Aktivitäten. Bei allen Kindern dauerten 80 % der mittleren, 93 % der starken und 96 % der sehr intensiven körperlichen Aktivität weniger als 10 s.

Die Studien legen die Schlussfolgerung nahe, dass ein natürliches präpuberales Bewegungsverhalten zum Großteil aus niedrig intensiven Bewegungen besteht, welche durch sehr kurze, hochintensive Intervalle von unter 10 s unterbrochen werden. Dabei scheint es einen geschlechtsspezifischen Unterschied zu geben, wonach sich Jungen eher intensiv und kurz belasten (Rowlands et al. 2008). Demnach entsprechen lange Belastungsintervalle von 30 s und mehr nicht dem natürlichen Bewegungsverhalten präpuberaler Kinder. Auf Grundlage der Ergebnisse soll im Folgenden der Begriff eines HIIT auf sehr kurze Belastungsintervalle von unter 10 s beschränkt werden. Die Form der Übung ist dabei nicht ausschlaggebend, da für das Training unter Kindern eine große Abwechslung vorteilhaft erscheint. Die Frage, ob ein solches HIIT für präpuberale Kinder angemessen ist, soll aus orthopädischer und metabolischer Sicht betrachtet und bewertet werden.

2 Angemessenheit von HIIT aus orthopädischer Sicht

2.1 Die Ossifikation

2.1.1 Mechanostat-Theorie

Um die Auswirkungen von HIIT auf das Skelettsystem besser verstehen zu können, wird die Ossifikation (Bildung von Knochengewebe) genauer betrachtet. Knochen sind ein äußerst dynamisches System. Im Prozess des ständigen Remodellierens wird Knochenmasse auf- und abgebaut. Dadurch passt sich die Struktur an deren jeweilige Funktion und Beanspruchung an (Kemper 2000). Diesen Sachverhalt hat Harold Frost bereits in den 60er Jahren als Mechanostat-Hypothese beschrieben (Schoenau und Fricke 2006). Die Hypothese besagt, dass sich ein Knochen an die mechanischen Belastungen anpasst, um ein Gleichgewicht zu erhalten. Das kann durch eine Hypertrophie der Knochenmasse bei hohen Belastungen sein (ebd.) sowie ein Masseabbau bei fehlenden Stimuli (Ondrak und Morgan 2007). Der größte Stimulus ist die Muskelkontraktion (Schoenau und Fricke 2006), wobei nicht jeder Muskelreiz gleichermaßen zu einem Knochenwachstum führen kann. Ähnlich der Muskelhypertrophie und Superkompensation muss zunächst ein überschwelliger Reiz auftreten (Ondrak und Morgan 2007).

Der Auf- und Abbau von Knochen erfolgt über die Aktivitäten der Osteoblasten und Osteoklasten. Durch mechanische Belastungen kommt es zu Mikroverletzungen am Knochen, welche durch Osteoklasten entfernt werden. Zur selben Zeit bauen Osteoblasten die Knochenmatrix wieder auf, wobei es zu einer Knochenhypertrophie kommen soll. Bei zu hoher oder zu langer Last kann der Prozess des Abbaus jedoch dem Prozess des Aufbaus überlegen sein (Kemper 2000). Die These stützt sich auf Tierversuche, wo die Effekte der Knochenmassezunahme proportional zu den verwendeten Zusatzgewichten stärker wurden (ebd.).

Als wichtige Parameter der Knochenqualität gelten die Knochenmineraldichte (Bone Mineral Density, BMD) und der Knochenmineralgehalt (Bone Mineral Content, BMC). Die Knochenmineraldichte (BMD) beschreibt das Verhältnis zwischen dem Knochenmineralgehalt (BMC) und der Knochengröße (Deng et al. 2002). Die Reduzierung der BMD um 10 % führt zu einem 1,5-fach höheren Risiko einer Fraktur (Hind et al. 2008).

Für das Verständnis der folgenden Studienergebnisse ist zudem die Unterteilung von kortikalen und trabekulären Knochenstrukturen von Bedeutung. Kortikale Knochenstrukturen liegen außen am Knochen und bilden die festen Lamellen, während das trabekuläre Knochengewebe im Inneren des Knochens als ein schwammartiges Gewebe vorliegt. In den Zwischenräumen befindet sich das Knochenmark. Das kortikale Knochengewebe ist mit 85 % die häufigste Form im menschlichen Körper (Ondrak und Morgan 2007).

2.1.2 Geschlechtsspezifische Unterschiede der Ossifikation

Im Laufe des Körperlängenwachstums kommt es zu einer ansteigenden Mineralisierung des Skelettsystems mit einer erhöhten Steifigkeit und Widerstandskraft (Hartmann et al. 2010). Nach Kemper (2000) gibt es im präpuberalen Alter keinen geschlechtsspezifischen Unterschied im Knochenwachstum und in der Knochenmasse. Dabei beruft er sich auf sechs Querschnittsstudien aus den Jahren 1955, 1990 und 1991 sowie einer Längsschnittstudie von 1992. Diese haben jedoch lediglich die Lendenwirbelsäule und Speiche (Radius) untersucht. Horlick et al. (2000) haben 336 Asiaten mit einem Durchschnittsalter von acht Jahren auf ihren gesamten BMC hin untersucht und konnten geschlechtsspezifische Unterschiede feststellen. Jungen hatten demnach einen Wert, der 1,3 % (14 g) über dem der Mädchen lag. Weitere Studien zeigen ein noch differenzierteres Bild der Unterschiede auf, wonach Jungen einen höheren BMC beim Femur aufweisen, Mädchen im Gegenzug bei der Lendenwirbelsäule höhere Werte haben (Ondrak und Morgan 2007).

Neben den geschlechtsspezifischen Unterschieden wurden auch ethnische Unterschiede bezüglich des BMC gefunden. So konnte bei asiatischen Mädchen ein signifikant niedrigerer BMC im Vergleich zu kaukasischen Mädchen festgestellt werden. Die Unterschiede konnten auf die Faktoren Bewegung und Ernährung zurückgeführt werden (Boot et al. 1997). Festzuhalten ist, dass es nur leichte Unterschiede im präpuberalen Alter gibt, die sich nicht nur auf das Geschlecht reduzieren lassen können, sondern auch die Ernährung, Genetik und Bewegung als Gründe haben.

Die geschlechtsspezifischen Unterschiede werden jedoch mit Beginn der Pubertät ausgeprägter. Während der Pubertät nimmt die Knochenmasse um 35 % zu, wobei es eine große Streuung gibt. Hartmann et al. (2010) merken an, dass während der Pubertät bis zur sexuellen Reife mehr als die Hälfte des Gesamtkalziums eingelagert wird. Die rapide Körperwachstumsphase beginnt bei Mädchen mit etwa 10 bis 12 Jahren. Jungen hingegen treten erst mit 12 bis 14,5 Jahren in die Wachstumsphase ein, welche aber länger anhält und mit einer maximalen Wachstumsgeschwindigkeit von 10,3 cm/Jahr die Werte der Mädchen (9 cm/Jahr) deutlich übersteigt (Ondrak und Morgan 2007; Rogol et al. 2002). Das Knochenwachstum der Jungen findet analog zum Längenwachstum schneller statt und ist mit einem stärkeren Wachstum der kortikalen Schicht verbunden (Hartmann et al. 2010).

Die geschlechtsspezifischen Unterschiede bei BMD und BMC lassen sich bis ins hohe Alter hinein verfolgen. Aufgrund der geringeren Knochenmasse haben Frauen ein immens höheres Risiko, an Osteoporose zu erkranken. Hinzu kommt die Beobachtung, dass Frauen mit Abschluss der Menopause einen beschleunigten Abbau von Knochenmasse aufweisen (Kemper 2000). Das führt dazu, dass über 80 % der Osteoporosepatienten Frauen über 50 Jahren sind (Ondrak und Morgan 2007). Der rapide Knochenmasseverlust lässt sich hauptsächlich auf eine Abnahme der kortikalen Schicht zurückführen (Zebaze et al. 2010). Bezogen auf die Zielgruppe dieser Arbeit lässt sich festhalten, dass präpuberale Kinder geringe geschlechtsspezifische Unterschiede aufweisen. Dennoch scheint insbesondere für Mädchen die Anreicherung von möglichst viel Knochenmasse sinnvoll zu sein, um einer Osteoporose vorbeugen zu können.

2.1.3 Der Prozess der Reifung

Der Reifegrad stellt bei der Untersuchung präpuberaler Kinder ein wichtiges Kriterium dar, weil der Reifungsprozess bei jedem Individuum unterschiedlich schnell vonstattengehen kann. Daraus folgt, dass das chronologische Alter nicht mit der durchschnittlichen aktuellen Reife übereinstimmen muss. Nach Khan et al. (2000) besteht zum Beispiel ein starker Zusammenhang zwischen der Knochenmineralisierung und dem aktuellen Reifegrad. Beunen et al. (2006) definieren Reifung als einen Prozess, der die Entwicklung zum Erwachsenen beschreibt, während die Reife einen Zustand darstellt.

Die gebräuchlichste Methode zur Bestimmung des Reifegrades ist die Bestimmung des Alters anhand der „sexuellen Geschlechtsmerkmale nach Tanner“ (Hartmann et al. 2010, S.41). Es gibt noch weitere Einteilungssysteme, wie die Bestimmung des Zahnalters oder des Skelettalters. Da Letztere jedoch keine Relevanz in der Literaturrecherche hatten, wird lediglich das System nach Tanner beschrieben.

„Die Bestimmung nach Tanner (1962) wird anhand der sekundären Geschlechtsmerkmale durchgeführt (Schambehaarung, Brustentwicklung bei Mädchen und Genitalentwicklung bei Jungen)“ (Hartmann et al. 2010, S.41).

Beim Versuch, die einzelnen Stadien dem chronologischen Alter zuzuordnen, herrscht eine gewisse Uneinigkeit in der Literatur. Hartmann et al. (2010) rechnen die ersten fünf Lebensjahre zum ersten Tanner-Stadium. Bei einer Studie von MacKelvie et al. (2001) wurden 70 Mädchen zwischen 8,7 und 11,7 Jahren durch Selbstbeurteilungen dem Tanner-Stadium I und 107 Mädchen dem zweiten Tanner-Stadium zugeordnet. MacKelvie et al. (2001) bezeichnen die Mädchen im ersten Tanner-Stadium als präpuberal. Das zweite und dritte Stadium entspräche schon einer frühpuberalen Reife. Hartmann et al. (2010) bezeichnen das zweite und dritte Stadium jedoch noch als präpuberal.

Die Studienlage legt nahe, dass in einer Sportgruppe mit Kindern gleichen Alters unterschiedliche Reifegrade vorliegen. Da in der Realität immer mehrere Tanner-Stadien innerhalb einer Sportgruppe vorliegen, wird in dieser Arbeit der Begriff des präpuberalen Alters nicht auf das erste Tanner-Stadium beschränkt, wie MacKelvie et al. (2001) es getan haben. Vielmehr wird die Einteilung nach Hartmann et al. (2010) verwendet, wonach das erste, zweite und teilweise dritte Stadium als präpuberal betrachtet wird.

2.2 Potentielle gesundheitliche Beeinträchtigungen durch HIIT

2.2.1 Allgemeine Verletzungen

Es liegen in dieser Arbeit keine Studien vor, welche explizit die Verletzungen von Kindern beim HIIT untersucht haben. Man kann lediglich von anderen Studien Hinweise ableiten, um eine realistische Einschätzung der Gefahren zu machen.

Wahl et al. (2010) haben bei der Untersuchung von 16 HIIT-Studien mit 443 Teilnehmern keinen Zusammenhang zwischen der Intensität und den „drop-outs“ bzw. Verletzungen feststellen können. Allerdings wurden die Studien ausschließlich mit Erwachsenen durchgeführt, wobei sieben Studien mit Personen unterschiedlicher Krankheitsbilder arbeiteten (z.B. koronare Herzkrankheit), was auf geringere Intensitäten schließen lässt.

Im Allgemeinen sind akute Verletzungen im gesundheitsorientierten Laufsport selten. Die häufigste Art der Verletzungen bilden mit 30-70 % die Überlastungsverletzungen (Abt et al. 2011). Sie resultieren aus sich ständig wiederholenden Kräften, welche zu einer Ermüdung führen, die ihrerseits ein ineffizientes Bewegungsmuster fördert, das die auftretende Kraft nicht mehr absorbieren kann. Demnach stellt die muskuläre und neuronale Ermüdung das Schlüsselelement für Überlastungsverletzungen dar. Ein hochvolumiges Training wird durchweg mit einer höheren Gefahr verbunden, Überlastungsschäden zu erleiden (DiFiori et al. 2014).

Im Bereich des Krafttrainings gibt es einige Studien zu Verletzungshäufigkeiten und deren Ursachen. Fleck (2011) zeigt, dass 8- bis 13-jährige Kinder von 77 % der Unfälle im Rahmen eines Krafttrainings mit Gewichten betroffen sind. Eine häufige Ursache ist das Fallenlassen von Gewichten. Zweidrittel der Verletzungen sind Hand- oder Fußverletzungen. Mit dem Alter nimmt die Verletzungsrate ab. Zerrungen und Verstauchungen treten bei präpuberalen Kindern hingegen mit 18 % im Vergleich zu älteren Gruppen am wenigsten auf (66 % bei 23- bis 30-Jährigen). Häufigste Ursachen für Zerrungen seien unkontrollierte Ausführungen oder ein zu kurzes Aufwärmen (Fleck 2011).

Im Bereich des allgemeinen Sporttreibens stellen Sundblad et al. (2005) andere Verletzungsmuster fest. In einer großen schwedischen Studie mit 1975 befragten Kindern im Alter von neun, zwölf und fünfzehn Jahren wurden 306 Sportverletzungen protokolliert. Anschließend wurden die gemeldeten Verletzungen mit dem jeweiligen Umfeld, dem Alter und dem Geschlecht verglichen. Die 9-jährigen Kinder haben relativ betrachtet mit insgesamt 25 % die niedrigste Verletzungsquote. Das häufigste Umfeld für eine Verletzung stellt das freie Spielen in der Freizeit mit 33 berichteten Fällen dar. Insgesamt betrachtet traten die meisten Schädigungen beim Laufen auf und stellten Zerrungen und Stauchungen dar (49 %). Schwerwiegendere Verletzungen, wie Verrenkungen, Frakturen oder Gehirnerschütterungen, machten lediglich einen Anteil von je 5 % aus.

2.2.2 Epi-, Dia- und Apophysen

2.2.2.1 Anatomie

Für die Gefahreneinschätzung eines HIIT bezüglich der Knochen sind die Wachstumsfugen (Epiphysenfugen) von besonderer Bedeutung (Hartmann et al. 2010). Die Epiphysen liegen jeweils am Ende der Röhrenknochen und sind Druckbelastungen ausgesetzt. Zwischen den Epiphysen und der am Knochen mittig gelegenen Diaphyse befinden sich die Epiphysenfugen (ebd.). Apophysen sind die Ansatzpunkte der Sehnen an den Knochen und hauptsächlich Zugbelastungen unterworfen. Sie tragen nicht zum Längenwachstum bei, sondern lediglich zur Knochenformung. Demnach beeinträchtigen Verletzungen der Apophysen das Körperwachstum nicht (ebd.).

2.2.2.2 Verletzungen der Epi-, Dia- und Apophysen

Die häufigsten Verletzungen der Apophysen im präpuberalen Alter betreffen eine Erweichung der Apophyse im Bereich des Ellbogens („Little League Elbow“) und des plantaren Bindegewebes am Fersenbein (Apophysitis calcanei). Die Apophysitis calcanei tritt vor allem zwischen sieben und zehn Jahren bei Jungen auf und stellt eine Überlastung der noch nicht mit dem Fersenbein verwachsenen Apophyse dar. Verletzungen der Apophysen werden meist konservativ behandelt (Adirim und Cheng 2003).

Verletzungen an der Epiphysenfuge können hingegen durch das eingeschränkte Längenwachstum lebenslange Folgen haben. Die meisten Frakturen treten im fragilen Grenzbereich zwischen Kalzifizierten und Nicht-Kalzifizierten Zellen auf (Caine et al. 2006). Nach Caine et al. (2006) stellen bei Kindern etwa 15 % aller Frakturen Verletzungen an den Epiphysen dar, welche hauptsächlich durch Stürze beim Laufen oder freien Spielen (21,7 %) verursacht wurden. Die Verletzungen während dem Freizeitsport traten vor allem in Verbindung mit Spielplatzgeräten oder dem Fahrrad auf. Die Stürze beim Laufen finden zumeist im Bereich des wettkampforientierten Sporttreibens, wie Fußball oder Basketball statt. Aus der Erfassung der jeweiligen Sportarten ergibt sich das Problem, dass nicht ersichtlich wird, ob sich die Kinder während einer hochintensiven Trainingseinheit oder einem Spiel verletzt haben. Für valide Informationen sollten weitere Untersuchungen folgen. Zudem ergibt sich durch die Angabe von relativen Verletzungsraten kein schlüssiges Bild von den absoluten Zahlen.

2.2.2.3 Wachstumsprozesse

2015 wurden 822 Jugendliche zwischen 7-18 Jahren in Krankenhäusern zu ihren akuten Sportverletzungen befragt. Ziel der Studie war, zu überprüfen, ob die Sportartspezialisierung, Wachstumsgeschwindigkeit und das Trainingsvolumina das Risiko einer Sportverletzung beeinflussen (Jayanthi et al. 2015). In Bezug auf Verletzungen der Wachstumsfugen konnte ein Zusammenhang zwischen der Wachstumsgeschwindigkeit und dem Risiko einer Verletzung gemessen werden. Die Wachstumsgeschwindigkeit der Untersuchungsgruppe mit den Verletzungen lag mit 6 cm/Jahr deutlich über den Werten der gesunden Gruppe (4,8 cm/Jahr).

Wachstumsprozesse zeichnen sich demnach durch ein erhöhtes Verletzungspotential des passiven Bewegungsapparates aus. In dieser Phase steigt insbesondere die Gefahr von Überlastungsschäden (DiFiori et al. 2014). Zum einen ist die Wachstumsfuge zu der Zeit metabolisch aktiver als die restliche extrazelluläre Matrix, was sie instabiler gegenüber Druck- und Zugkräften macht (ebd.). Zum anderen wachsen Röhrenknochen schneller als die Muskel-Sehnen-Einheiten an den Apophysen, was zu einer zusätzlichen Spannung führt (Jayanthi et al. 2015). Folglich ist die Kenntnis der risikobehafteten Zeitintervalle für die Gestaltung und Planung des Trainings für Kinder essentiell. Während der Kindheit und Pubertät befindet sich der Organismus in einem „fortschreitenden, aber nicht kontinuierlich ablaufenden Prozess“ (Hartmann et al. 2010, S.42) des Wachstums. Das Längenwachstum beträgt in der Kindheit im Durchschnitt 5-6 cm pro Jahr, wobei Mädchen in dieser Phase schneller wachsen als Jungen (ebd.).

Neben der frühen Kindheit ist der Wachstumsschub während der Pubertät ein bekanntes Charakteristikum. Die rapide Körperwachstumsphase beginnt bei Mädchen mit etwa 10 bis 12 Jahren. Jungen treten hingegen erst mit 12 bis 14,5 Jahren in die Wachstumsphase ein, welche aber länger anhält und mit einer maximalen Wachstumsgeschwindigkeit von 10,3 cm/Jahr die Werte der Mädchen (9 cm/Jahr) deutlich übersteigt (Ondrak und Morgan 2007).

Ein weiterer, weit weniger beachteter Wachstumsschub ist für die Zielgruppe dieser Arbeit von besonderer Relevanz. Zwischen dem 5. und 8. Lebensjahr findet eine weitere Beschleunigung der Wachstumsgeschwindigkeit statt, welche als „Mid-Growth-Spurt“ (Hartmann et al. 2010, S.42) bezeichnet wird. Dieses Phänomen kann jedoch nicht bei allen Kindern beobachtet werden. Remer und Manz (2001) haben bei 16 von 19 Kindern einen Mid-Growth-Spurt finden können, was einer Rate von 84 % entspricht. Molinari et al. haben 1980 im Rahmen einer Longitudinalstudie höhere Wachstumsspitzen von 0,3-0,7 cm pro Jahr bei 66 % der Kinder gefunden. Bei Jungen scheint dieser Effekt ausgeprägter vorzuliegen (ebd.; Hartmann et al. 2010).

In Zeiten einer hohen Wachstumsgeschwindigkeit und einhergehend hohen Empfindlichkeit des Gewebes sind Kinder im Vergleich zu Erwachsenen weit mehr „der Gefahr von Belastungsschäden durch unphysiologische Trainingsreize ausgesetzt“ (Weinek 2010, S.177). Demnach kann man sagen, dass Wachstumsschübe nicht nur während der frühen Kindheit und Pubertät beim Training zu berücksichtigen sind, sondern besonders bei Jungen im präpuberalen Alter der Mid-Growth-Spurt bei der Beurteilung eines hochintensiven Trainings mit einbezogen werden sollte.

2.2.3 Wachstumsverzögerungen durch physischen Stress

In der Literatur wird neben der akuten Fraktur einer Wachstumsfuge die Frage der Wachstumsverzögerung in Zusammenhang mit anhaltend intensiven Belastungen diskutiert. Baxter-Jones und Maffulli (2002) kamen im Rahmen einer Literaturanalyse zu dem Schluss, dass die meisten jungen Sportlerinnen durchschnittliche Körpermaße haben. Turnerinnen waren jedoch überdurchschnittlich klein und bildeten hierbei eine Ausnahme. Die unterschiedlichen Körpermaße müssen jedoch nicht trainingsbedingt sein. Es wird angemerkt, dass die kleineren Körpergrößen bei Turnerinnen schon vor einem systematischen Training gemessen werden können und eher bei den Turnerinnen auftreten, welche den Sport über einen längeren Zeitraum betreiben (ebd.). Peltenburg et al. (1984) haben mit Schwimmerinnen, Turnerinnen und einer Kontrollgruppe eine Wachstumsstudie durchgeführt. Bei Profiturnerinnen konnten schon mit zwei Jahren kleinere Körpermaßen ermittelt werden (ebd.). Die Autoren vermuten, dass Sportlerinnen durch den jeweiligen Sport selektiert werden und kleine gegenüber großen Turnerinnen einen Vorteil in der Bewegungsausführung haben. Die These wird durch Ergebnisse von Bass et al. (2000) bestätigt, welche 83 aktive und 42 ehemalige Turnerinnen, sowie 154 Mädchen als Kontrollgruppe auf ihre Beinlänge und Sitzhöhe untersucht haben. Die reduzierte Beinlänge konnte bei allen Turnerinnen unabhängig ihrer Trainingshistorie festgestellt werden. Demnach liegt schon zu Beginn des Trainings eine gewisse morphologische Veränderung vor, welche für den auszuführenden Sport förderlich ist. Für die Unabhängigkeit des Wachstums von einem intensiven Training spricht zudem, dass die Körpermaße der Eltern von Turnerinnen ebenfalls unterdurchschnittlich sind (Baxter-Jones und Maffulli 2002, Malina et al. 2013).

Man kann festhalten, dass genetische Prädispositionen vermutlich einen weit größeren Einfluss auf die Reifung und das Wachstum haben als die Intensität des Sports (Malina et al. 2013). Die frühkindlichen Unterschiede und die Körpermaße der Eltern sprechen für die These.

Neben der Intensität weisen Engel und Sperlich (2014) im Rahmen einer Literaturanalyse noch auf den Aspekt des Trainingsumfangs hin. Es ist die einzige Studie, die von möglichen negativen Effekten von Stoß- und Sprungbelastungen berichtet. Diese treten ab einem Umfang von mehr als 18 Stunden pro Woche vor und während der Pubertät auf und wirken sich negativ auf das Längenwachstum aus (ebd.). Im Regelfall wird dieses immense Trainingspensum aber nicht erreicht.

2.3 Ossifikation und Sport

Die Studienlage zur Auswirkung von körperlicher Aktivität auf die Knochen belegen positive Effekte. Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die verwendeten Studien, welche sich mit den Auswirkungen von intensivem Sport oder allgemeiner körperlicher Aktivität auf das Skelettsystem befasst haben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 1. Studienübersicht zu Auswirkungen von körperlicher Bewegung und intensivem Training auf das Skelettsystem (eigene Darstellung).

2.3.1 Allgemeine körperliche Aktivität

Allgemeine körperliche Aktivität, BMC und BMD scheinen einen positiven Zusammenhang zu haben. Im Rahmen der „Iowa Bone Development“-Studie mit 449 Kindern (durchschnittlich 11 Jahre alt) wurde die körperliche Aktivität mit einem Fragebogen sowie einem Bewegungsmessgerät erfasst. Anschließend wurde der Knochenmineralgehalt (BMC) der Hüfte, der Wirbelsäule und des gesamten Körpers gemessen und mit der Aktivität verglichen. Für den BMC der Hüfte konnte ein signifikanter Zusammenhang (r=0,40) mit den Aussagen über die körperliche Aktivität errechnet werden. Die Korrelation des BMC der Wirbelsäule (r=0,20) und des gesamten Körpers (r=0,33) fielen zwar geringer aus, waren aber dennoch signifikant. Als Ergebnis konnte demnach ein positiver Zusammenhang zwischen täglicher Bewegung und einem höheren Knochenmineralgehalt bei Kindern bestätigt werden (Janz et al. 2008).

2.3.2 Auswirkungen von Sport auf die Ossifikation

Haapasalo et al. (2000) untersuchten die Oberarmknochen und Speichen von 12 finnischen Profi-Tennisspielern mit einem durchschnittlichen Alter von 30 Jahren im Hinblick auf ihre Knochenzusammensetzung und Geometrie. Die Querschnittsfläche der Knochen des dominanten Arms war größer und der kortikale Knochenbereich sowie die kortikale Dicke waren signifikant erhöht. Dass die Zunahme der Knochenquerschnittsfläche hauptsächlich dem Dickenwachstum der kortikalen Schicht geschuldet ist, scheint auch für präpuberale Kinder zu gelten. Schönau (1998) hat im Rahmen einer Querschnittsstudie 14 Kinder im Alter von 6-13 Jahren hinsichtlich der kortikalen Schicht, kortikalen Knochendichte, trabekulären Knochendichte und Querschnittsfläche der Speiche untersucht. Die Querschnittsfläche und kortikale Schicht nehmen im Gegensatz zur Knochendichte oder dem trabekulären Knochengewebe signifikant mit dem Wachstum zu.

“The results of this study suggest that an increase in cortical thickness and cross-sectional area represent the most important adaptation mechanisms of the growing bones in response to biomechanical usage” (Schönau 1998, S.27).

Um Zusammenhänge zwischen der Knochenveränderung und Muskelkraft erfassen zu können, wurde neben der Messung der Speiche auch die Griffkraft gemessen (ebd.). Letztere korrelierte stark mit der Knochenquerschnittsfläche (r=0,8) und kortikalen Schicht (r=0,86). Die Ergebnisse legen die Schlussfolgerung nahe, dass die Muskelkraft, welche auf die Knochen wirkt, eine starke Auswirkung auf deren adaptive Prozesse hat. Der Effekt scheint vor allem im Bereich der kortikalen Schicht aufzutreten. Aufgrund der kleinen Untersuchungsgruppe und mangelnden Differenzierung der Reifegrade sind die Aussagen der Studie jedoch mit Vorsicht zu interpretieren.

Die Zunahme der kortikalen Schicht während den jungen Lebensjahren spielt in der Prävention von Osteoporose eine wesentliche Rolle, da sie maßgeblich für die Stabilität des Knochens verantwortlich ist und ab dem 65. Lebensjahr rapide abgebaut wird (Zebaze et al. 2010). Aufgrund des hohen Adaptationsverhaltens während der Kindheit und Pubertät wird körperlicher Bewegung und gezieltem Training in dieser Zeitspanne eine positive Auswirkung auf die Entwicklung des Knochenskeletts zugesprochen (Janz et al. 2008).

Courteix et al. (1998) haben 41 präpuberale Mädchen hinsichtlich ihrer BMD untersucht. Unter den Kindern waren zehn Schwimmerinnen (10,5 Jahre), 18 Turnerinnen (10,4 Jahre) und 13 Mädchen (10,7 Jahre), welche weniger als drei Stunden pro Woche Sport machen und als Kontrollgruppe dienten. Die Teilnehmerinnen der Sportgruppen haben bereits ein dreijähriges professionelles Training in ihrem Sport durchgeführt (8-15 Stunden pro Woche). Messpunkte für die BMD waren der Radius (Schaft und Distalradius), die Lendenwirbelsäule und der Oberschenkelkopf. Zwischen den Schwimmerinnen und der Kontrollgruppe gab es bei allen Messpunkten keine signifikanten Unterschiede. Die Turnerinnen wiesen hingegen bei jedem Messpunkt 11-33 % höhere Werte auf (ebd.).

Die Ergebnisse legen nahe, dass nicht jede Form von körperlicher Bewegung oder Training in der Lage ist, die Knochenmasse und Knochendichte zu steigern. Kemper (2000) merkt an, dass eine gewisse Intensität überschritten werden muss, um adaptive Prozesse zu initiieren:

“[…] short bursts of explosive exercise, such as skipping, stair climbing and jumping, are supposedly more effective for bone development than popular forms of exercise such as walking, jogging, bicycling and swimming. Bone, therefore, appears to react best to exercise that is characterized by a pattern of unexpected and irregular high loads with relatively low frequency and short duration” (Kemper 2000, S.203-204).

Demnach ist nicht die Länge einer Belastung hinsichtlich der Ossifikation der entscheidende Faktor, sondern die Intensität der Kraft, welche unmittelbar auf den Knochen wirkt. Gregov und Salaj (2014) merken an, dass Krafttraining und Plyometrisches Training ein besonders hohes Potential zur Ossifikation und Verbesserung der Knochenqualität haben, da die Trainingsprotokolle das Ziel haben, so viel Kraft wie möglich zu generieren. Im Laufe eines zehnmonatigen Krafttrainings mit 38 prämenarchalen Mädchen konnten Morris et al. (1997) neben den Verbesserungen der Körperzusammensetzung signifikante Zuwächse der BMD und BMC messen. Das Training der Übungsgruppe (9,5 Jahre) bestand aus einem Zirkeltraining, bei dem sie insgesamt zehn Kraftübungen für jeweils eine Minute durchgeführt haben. Neben den Kraftübungen wurden intervallartig Sportspiele, Tänze oder Stepaerobic eingebunden. Als Kontrollgruppe dienten 33 Mädchen (9,5 Jahre), welche angewiesen wurden, ihre gewohnten körperlichen Aktivitäten nicht zu ändern. Nach zehn Monaten hatten die Mädchen der Sportgruppe Zuwächse beim BMD von 3,5 % des gesamten Körpers (GK), 4,8 % bei der Lendenwirbelsäule (LW), 4,5 % beim proximalen Femur (PF) und 12,0 % beim Oberschenkelhals (OH). Die Zunahme der BMD bei der Kontrollgruppe betrug hingegen nur 1,2 % GK, 1,2 % LS, 1,3 % PF und 1,7 % OH. Die Ergebnisse des BMC sind denen der BMD analog (Morris et al. 1997). Das legt den Schluss nahe, dass Knochenmasse und Kraft in Abhängigkeit zueinander zunehmen, was Schönau (1998) durch seine Querschnittsstudie schon angemerkt hat.

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