Abstracts [EN, DE]

Abstract [EN]

Background: High-intensity interval training (HIIT) is a new and promising exercise regimen and shows better outcomes than moderate-intensive continuous training (MICT) regarding mental illness. There are no publications that examine the physiological backgrounds of this to date. Relevant biomarkers in psychiatry, like cortisol and brain derived neurotrophic factor (BDNF), could potentially explain the difference in efficacy.

Material and Methods: Medical databases were systematically reviewed. Studies with adult subjects, in which HIIT was compared to MICT regarding base levels of BDNF or Cortisol, were included. The studies were reviewed based on fixed criteria and evaluated regarding their quality.

Results: Ten studies were included in the systematic review, five of which were randomized, controlled trials (RCTs). HIIT lead to a significant increase of BDNF in 50% of studies, MICT showed no such effect. Regarding cortisol levels, there were no meaningful differences between HIIT and MICT. The studies examining BDNF were of higher quality.

Conclusions: BDNF levels may partially explain why HIIT shows higher efficacy in the treatment of mental illness than MICT. Cortisol levels do not seem to play a major role. Nevertheless, more high-quality studies are needed to illuminate this area of research.

Abstract [DE]

Hintergrund: Hochintensives Intervalltraining (HIIT) ist eine neuartige, vielversprechende Art der körperlichen Aktivität, welche im Gegensatz zu moderatintensivem kontinuierlichem Training (MICT) hinsichtlich psychischer Erkrankungen effektiver zu wirken scheint. Bisher gibt es in der Literatur keine Publikationen, die die physiologischen Hintergründe dieser Überlegenheit klären. Die psychisch relevanten Biomarker Brain Derived Neurotrophic Factor (BDNF) und Cortisol könnten hier eine entscheidende Rolle spielen.

Material und Methoden: Medizinische Fachdatenbanken wurden systematisch durchsucht. Es wurden klinische Studien an erwachsenen Proband:innen eingeschlossen, die die Auswirkungen von HIIT im Vergleich zu MICT auf basale BDNF- oder Cortisolspiegel verglichen haben. Die identifizierten Studien wurden nach festgelegten Kriterien untersucht und hinsichtlich ihrer Qualität bewertet.

Ergebnisse: Es konnten insgesamt zehn Studien in das qualitative Review eingeschlossen werden, fünf davon waren randomisierte, kontrollierte Studien (RCTs). HIIT erhöhte basale BDNF-Spiegel in 50% der betrachteten Studien signifikant. MICT führte zu keiner relevanten Änderung. Hinsichtlich der basalen Cortisolspiegel gab es zwischen HIIT und MICT keine auffälligen Unterschiede. Die BDNF-Studien waren qualitativ hochwertiger.

Schlussfolgerungen: BDNF stellt im Gegensatz zu Cortisol möglicherweise ein Teil des Erklärungsansatzes für die Fragestellung dar. Es werden noch weitere, qualitativ hochwertige Studien gebraucht, die diesen Sachverhalt aufarbeiten.

1       Einleitung

1.1     Sportpsychiatrie

Die Sportpsychiatrie als Teilgebiet der Psychiatrie beschäftigt sich unter anderem mit der Behandlung von psychischen Störungen mithilfe von körperlicher Aktivität und hat sich in den letzten Jahrzehnten als ein wichtiges Werkzeug für die Behandlung von psychischen Erkrankungen etabliert[1]. Mittlerweile wird körperliche Aktivität bei fast allen psychischen Erkrankungen zusätzlich zur Psychotherapie und/oder Medikation empfohlen[1]. Im Gegensatz zu anderen Therapieansätzen bietet körperliche Aktivität den entscheidenden Vorteil, dass sie einfach und preiswert auszuführen ist, Nebenwirkungen selten sind und Patient:innen oft auch eigenständig Sport treiben können[2][3].

1.2     Biomarker bei psychiatrischen Erkrankungen

In der Psychiatrie gibt es kaum objektivierbare Parameter, auf denen man Diagnose und Verlauf von Patient:innen stützen kann, weswegen es die physiologischen Hintergründe und potentielle Biomarker zu erforschen gilt[4]. Die unipolare Depression (UD), mit einer Lebenszeitprävalenz von ca. 10-20%, stellt eine der relevantesten Erkrankungen in der Psychiatrie dar[5]. In der Literatur werden die Biomarker BDNF und Cortisol am häufigsten mit der UD in Verbindung gebracht.

BDNF ist ein Wachstumsfaktor für Nervenzellen. Seit einigen Jahren gibt es die sogenannte „Neurotrophin Theory of Depression“, welche niedrige Spiegel dieser Wachstumsfaktoren für die UD verantwortlich macht[6]. Wenn BDNF-Spiegel in Individuen also zunehmen, sollte dies auch mit einer Verbesserung der klinischen Symptomatik einhergehen[6]. Cortisol ist ein Glucocorticoid, welches u.a. für die Blutzucker-Homöostase verantwortlich ist und als das klassische „Stresshormon“ gilt. Es kommt bei der UD in der Regel zu erhöhten Cortisolspiegeln und einer Dysregulation der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinden-Achse, welche die Cortisolausschüttung reguliert[7]. Dies wird schon seit Jahrzehnten als ein wichtiger Teil der Pathophysiologie der Depression angesehen, sinkende Cortisolspiegel sollen also auch mit einer Verbesserung der Symptomatik einhergehen[7]. 

1.3     HIIT und MICT bei psychiatrischen Erkrankungen

HIIT ist eine Trainingsform, bei der man 80-100% seiner maximalen Herzfrequenz (HR max.) erreicht („hochintensiv“). Diese Intensität wird jedoch nicht für den Rest des Trainings aufrechterhalten, sondern nur in einzelnen, festgelegten Intervallen erreicht, die von Ruhephasen getrennt sind („Intervalltraining“)[8]. Im Gegensatz dazu gibt es auch noch MICT, welches die klassische Form von Ausdauertraining darstellt und auch in den meisten Leitlinien zu körperlicher Aktivität vorhanden ist. Hier ist die Intensität moderat, es wird ca. 70% der HR max. erreicht und es kommt zu einer kontinuierlichen Ausdauerleistung[9]. Die durchschnittliche Intensität des gesamten Trainings bei HIIT und MICT unterscheidet sich kaum voneinander und die Protokolle verlaufen bei gleichem Zeitrahmen normalerweise nahezu isokalorisch[10].

Die Ergebnisse von Studien zur Effektivität von HIIT und MICT in Bezug auf psychische Erkrankungen waren unter anderem, dass sie unabhängig voneinander zu einer Verbesserung der psychischen Symptomatik führen[11]. Zudem verbessert HIIT die Symptomatik bei Patient:innen mit UD effektiver als MICT[11]. Körperliche Aktivität generell hat zudem einen bedeutsamen Einfluss auf die Konzentration von BDNF und Cortisol. Basale Cortisolspiegel  werden verringert[12], während basale BDNF-Werte durch körperliche Aktivität erhöht werden können[13].

1.4     Zielsetzung

Ein wichtiges Ziel der Forschung in der Psychiatrie ist das Erforschen der physiologischen Komponente von psychischen Erkrankungen und deren Therapien. Ungeklärt bleibt vor allem der Einfluss einzelner Biomarker auf diese Prozesse[6][7]. Daher ist es wichtig zu klären, inwiefern die Überlegenheit von HIIT im Vergleich zu MICT hinsichtlich der Verbesserung der depressiven Symptomatik sich in den psychisch relevanten Biomarkern BDNF und Cortisol widerspiegelt. Dadurch könnte die physiologische Komponente von Sportinterventionen zukünftig besser verstanden werden und im Zuge dessen könnten Patient:innen hochspezifische, wirksame Therapien und Empfehlungen erhalten.

2       Material und Methoden

2.1     Suchstrategie

Die systematische Suche erfolgte in den medizinischen Fachdatenbanken MEDLINE (PubMed) und EMBASE (Ovid). Die Recherche fand im Zeitraum vom 8.6.2021 - 17.6.2021 statt. Gesucht wurde nach Studien, welche die Effekte von HIIT im Vergleich zu MICT auf die Biomarker Cortisol und/oder BDNF untersucht haben. Die Anfrage lautete für PubMed: 

("High-Intensity Interval Training"[Mesh] OR high intensity interval training OR HIIT OR HIT) AND ("Brain-Derived Neurotrophic Factor"[Mesh] OR Brain derived neurotrophic factor OR BDNF OR "Hydrocortisone"[Mesh] OR cortisone OR cortisol)

Folgende Suchanfrage wurde für Ovid verwendet:

(exp high intensity interval training/ OR high intensity interval training OR HIIT OR HIT) AND (exp brain derived neurotrophic factor/ OR brain derived neurotrophic factor OR BDNF OR exp hydrocortisone/ OR cortisone OR cortisol)

Anschließend wurden die Suchergebnisse von PubMed und Ovid auf Duplikate untersucht. 

2.2     Auswahlkriterien

In Bezug auf die Auswahlkriterien war es wichtig, dass jeweils HIIT und MICT in den ausgewählten Studien jeweils einen ähnlichen Aufbau, also Dauer, Intensität und Art des Trainings, aufzeigten, um eine Vergleichbarkeit zu ermöglichen. Studien, die anstatt von HIIT nur Sprint-Intervalltraining untersuchten, wurden ausgeschlossen, da Sprint-Intervalltraining trotz der Ähnlichkeit zu HIIT grundsätzlich noch intensiver ist[8]. Außerdem wurde darauf geachtet, dass nur Studien mit erwachsenen Menschen berücksichtigt werden und in den Studien das Hauptaugenmerk auf Ausdauertraining gelegt wird. Aufgrund der kleinen Anzahl an Studien zu gesunden Proband:innen wurden alle Studien, unabhängig des Gesundheitszustands der Patient:innen, mit einbezogen. Es wurden keine Studien einbezogen, die nur die akuten Effekte von körperlicher Aktivität auf die Cortisolspiegel überprüfen. Das liegt daran, dass körperliche Aktivität in der Regel immer akut zu einer Erhöhung der Cortisolspiegel führt, sodass man keine Aussagen über die langfristigen Basalwerte treffen kann[14]. Bei BDNF hingegen wurden auch Studien mit einbezogen, die die akuten Effekte von körperlicher Aktivität untersuchten.

2.3     Datengewinnung

Die Daten wurden durch systematisches Lesen und Analysieren der Volltext-Studien gewonnen und in Tabellen eingetragen. Um die Vergleichbarkeit der Studien zu erhöhen, wurde versucht, in den jeweiligen Studien ähnliche Messzeitpunkte für die Auswertung auszuwählen. In den Studien, welche die akuten Effekte von körperlicher Aktivität untersuchten, wurden nach Möglichkeit nur die Messungen direkt vor und direkt nach den Trainingseinheiten berücksichtigt und verglichen, also z.B. 5 Minuten davor und 5 Minuten danach. Dabei wurden „warm up“ und „cool down“ nicht zur Trainingszeit dazugezählt und sind auch in den Angaben zur Dauer des Trainings nicht enthalten. Bei Studien, die die längerfristigen Auswirkungen von Training untersuchten, wurden nach Möglichkeit nur die Baseline- und Follow-Up Messwerte berücksichtigt. 

In einigen Studien, u.a. von Boyne et al.[15] gab es neben der HIIT- und MICT-Laufband-Gruppe weitere Gruppen, die andere Trainingsinterventionen wahrgenommen haben oder Teil der Kontrollgruppe waren. Diese wurden in der Auswertung nicht berücksichtigt und in den Tabellen nicht erwähnt.

2.4     Qualitätsprüfung

Bei der Qualitätsprüfung wurde v.a. auf folgende Kriterien geachtet: Baseline-Unterschiede zwischen den Gruppen, Verblindung und Randomisierung. Hierbei ist wichtig zu erwähnen, dass eine Verblindung nicht komplett möglich war, unter anderem bei den Patient:innen der Interventionsgruppe und einigen Mitarbeiter:innen. Die Dropouts der verschiedenen Studien wurden auch anhand verschiedener Kriterien analysiert und bewertet. 

3       Ergebnisse

3.1     Suchergebnisse

Die Ergebnisse der systematischen Suche in den medizinischen Datenbanken MEDLINE und EMBASE sind in der Abb. 1 dargestellt. Nach der Entfernung von Duplikaten konnten 384 Studien für das erste Screening identifiziert werden. Es wurden die Abstracts aller Studien ausgewertet, wodurch 19 davon für den nächsten Schritt ausfindig gemacht werden konnten. In der darauffolgenden Eignungsprüfung wurde der Volltext dieser Studien gelesen und neun wurden aufgrund der in Abb. 1 genannten Gründe aussortiert. Insgesamt konnten zehn Studien in das qualitative Review einbezogen werden, darunter fünf RCTs[15][16][17][18][19][20][21][22][23][24].

Abb. 1 : Suchverlauf

3.2     BDNF

In Bezug auf BDNF konnten insgesamt sechs Studien identifiziert werden. Es wurden dabei zwei verschiedene Studientypen eingeschlossen: die klassische klinische Studie und die Crossover-Studie. Im Gegensatz zu den klassischen klinischen Studien, welche hier die langfristigen Auswirkungen der Interventionen untersuchten, zeigen die Crossover-Studien die akuten Effekte des Trainings auf den BDNF-Spiegel im Blut. 

Die Studien wiesen allgemein einen ähnlichen Aufbau auf, welches durch die spezifischen Auswahlkriterien zustande kam (Tab. 1). Es gab allerdings auch wichtige methodische Unterschiede, u.a. in Bezug auf Intensität und Intervalllänge, die Dauer des Trainings und die einzelnen Sportinterventionen. In Bezug auf die Geschlechterverteilung und den Altersdurchschnitt wiesen die Studien eine Tendenz zu älteren, männlichen Probanden auf. Zudem gab es auch gravierende Unterschiede zwischen dem Gesundheitszustand der Patient:innen: einige sind gesund, jung und körperlich aktiv, während andere älter und gesundheitlich beeinträchtigt waren. Die Messung der BDNF-Werte erfolgte immer per Blutentnahme (BE).

Tabelle 1 : Methodischer Aufbau der BDNF-Studien

Die Studien erfüllen viele der angeführten Qualitätskriterien, fast alle wurden randomisiert (3 von 4 CTs sind RCTs), bei einigen konnte auch teilweise eine Verblindung erfolgen. Die Dropouts sind gut dokumentiert, es gab keine auffälligen Unterschiede zwischen den Dropout-Raten der HIIT- und MICT-Gruppen. Die Baseline-Unterschiede zwischen den einzelnen Interventionsgruppen waren zudem nie signifikant. 

Bei HIIT steigen die BDNF-Werte von prä- zu post-Intervention in 5 von 6 Studien an, bei MICT nur in 3 von 6 (Tab. 2). Dabei ist ein signifikanter Unterschied zwischen den HIIT- und MICT-Gruppen bei 3 dieser Studien erkennbar. HIIT ist in jeder Studie MICT überlegen, mit der Ausnahme von der Studie von O’Callaghan et al.[18]. Somit führt HIIT akut und langfristig zu einer relevanten Verbesserung der BDNF-Werte, wohingegen dies beim MICT nicht zu sehen ist. 

Tabelle 2: Ergebnisse der BDNF-Studien

3.3     Cortisol

Bei der Recherche konnten insgesamt 4 Studien identifiziert werden, die sich mit dem Biomarker Cortisol beschäftigt haben. Im Gegensatz zu den BDNF-Studien weisen die Cortisol-Studien starke Unterschiede untereinander auf, vor allem in Bezug auf Studienlänge, Trainingsaufbau und Sportart (Tab. 3). Zudem wurde die Messung von Cortisol in der Studie von Born et al.[21] im Gegensatz zu den anderen Studien im Speichel vorgenommen. Kong et al. behandelten nur Frauen[22], Born et al. nur Männer[21], bei den restlichen sind die Geschlechter gleichmäßig verteilt. 

Tabelle 3: Methodischer Aufbau der Cortisol-Studien

Die Studien erfüllen nicht alle Qualitätskriterien und weisen im Vergleich zu den BDNF-Studien einige Mängel auf. Zwar sind 3 von 4 Studien RCTs, allerdings wurde nur in 50% der Fälle teilweise verblindet und es gibt in 3 von 4 Studien signifikante Baseline-Unterschiede zwischen den Interventionsgruppen. Die Dropouts wurden gut dokumentiert und weisen zwischen HIIT und MICT keine Unterschiede auf. Allerdings wurde bei der Studie von Born et al.[21] keine Dropouts im Volltext erwähnt, was auf mangelhafte Dokumentation hindeuten könnte.

In den HIIT- und MICT-Gruppen konnte jeweils in 3 von 4 Studien eine Reduktion der basalen Cortisolspiegel erreicht werden (Tab. 4). Der Unterschied zwischen den beiden Gruppen wurde in keiner Studie als signifikant erwähnt. Diese Ergebnisse zeigen, dass beide Interventionen allgemein eine Tendenz zu sinkenden Cortisolspiegeln erzeugen, untereinander aber keine Unterschiede vorliegen.

Tabelle 4: Ergebnisse der Cortisol-Studien

4       Diskussion

4.1     Hauptergebnisse

HIIT hat in fast allen untersuchten Studien einen positiven Effekt auf Konzentrationen von BDNF im Blut und zeigt allgemein betrachtet stärkere Effekte als MICT, sowohl kurz- als auch langfristig. Die Hälfte der Studien zeigten auch einen statistisch signifikanten Unterschied zwischen beiden Gruppen, welches noch einmal die Überlegenheit von HIIT unterstreicht. Die eindeutigen Ergebnisse der BDNF-Studien lassen sich vielleicht darauf zurückführen, dass im Vergleich zu den Cortisol-Studien allgemein mehr Studien mit einbezogen werden konnten, diese qualitativ hochwertiger waren und die Methodik nicht zu stark voneinander abwich. 

Hinsichtlich der basalen Cortisolspiegel lassen sich anhand der Ergebnisse keine direkten Aussagen treffen. Lediglich gab es einen allgemeinen Trend, der zeigte, dass beide Interventionen allgemein betrachtet zu einer Reduktion der basalen Cortisolspiegel führen. Ursache dafür könnte die niedrigere Aussagekraft der Cortisol-Studien sein. Andererseits könnte der Aufbau der Trainingsprotokolle auch eine Rolle spielen. Bei Dote-Montero et al.[23] und Kong et al.[22] , in denen MICT zu einer stärkeren Reduktion der Cortisolspiegel führte, haben die Patient:innen in der MICT-Interventionsgruppe auch deutlich mehr und länger trainiert als in der HIIT-Gruppe. Bei der Studie von Magalhães et al.[24], in der darauf geachtet wurde, dass die beiden Interventionen isokalorisch verlaufen, führte die HIIT-Intervention zu einer stärkeren Reduktion der Werte. Das könnte darauf hindeuten, dass MICT bei den Studien nur aufgrund des Aufbaus besser abgeschnitten hat als HIIT.

4.2     Stärken und Limitationen

Die Anzahl an Studien zu der Fragestellung war begrenzt. Deswegen mussten Studien einbezogen werden, die in Bezug auf die Fragestellung potenziell nicht relevant waren und es ist unklar, welche genau das betrifft. Eine große Rolle könnte das Einbeziehen von Populationen unabhängig vom Gesundheitszustand spielen. Hervorzuheben ist außerdem, dass die absolut gemessenen Werte von BDNF und Cortisol sich zwischen den einzelnen Studien stark voneinander unterschieden haben, trotz mehrmaliger Prüfung. Die Gründe hierfür sind unklar, ungenaue Messmethoden wurden jedoch schon in anderen Reviews als Störfaktor beschrieben[25]. Dadurch können die Ergebnisse dieses Reviews nur eingeschränkt auf andere Populationen übertragen werden.

Dieses Review ist das erste, welches die psychophysiologische Komponente von HIIT im Vergleich zu MICT untersucht. Es wurden mehrere Fachdatenbanken durchsucht und die Studien wurden spezifisch gewählt. Im Zuge der Recherche konnten sehr aktuelle Studien identifiziert werden. Die Aktualität der Daten unterstreicht die Aussagekraft dieses Reviews.

4.3     Offene Fragen und Forschungsmöglichkeiten

Es ist unklar, welche Rolle die Schwächen dieses Reviews spielen. Die Relevanz der in 4.1 besprochenen potenziellen Ursachen der Ergebnisse der Cortisol-Studien bleibt auch noch ungeklärt. Wichtig wäre es zu sehen, ob die Effekte, die man in diesem Review gesehen hat, sich auch bei Patient:innen mit psychischen Erkrankungen replizieren lassen. Leider gab es keine Studie, die diesen Sachverhalt untersucht hat. Auch gibt es sicherlich andere objektivierbare Biomarker mit psychischer Relevanz, die jedoch nicht in dieses Review mit einbezogen werden konnten. Anhand von qualitativ hochwertigen RCTs, welche HIIT und MICT anhand von den relevanten Biomarken vergleichen und gleichzeitig die Symptomatik von Patienten mit psychischen Erkrankungen erheben, könnten weitere bedeutende Erkenntnisse gewonnen werden. 

4.4     Zusammenfassung

Die physiologische Komponente der Sportpsychiatrie bleibt weitestgehend ungeklärt. Das populäre HIIT hat sich in den letzten Jahren als ein vielversprechender Kandidat in diesem Feld gezeigt, jedoch ist noch offen, welche Prozesse hinter der Überlegenheit gegenüber MICT stecken. Dieses Review hat versucht herauszufinden, inwiefern HIIT und MICT sich in Bezug auf ihren Einfluss auf psychisch relevante Biomarker unterscheiden, als Biomarker wurden dafür BDNF und Cortisol ausgewählt. Im Hinblick auf BDNF scheint HIIT einen deutlich stärkeren Effekt zu erzeugen als MICT, bei Cortisol wurden bei den ausgewählten Studien keine klaren Trends festgestellt. BDNF könnte somit zumindest ein Teil des Erklärungsansatzes darstellen. Jedoch ist zu berücksichtigen, dass die Ergebnisse wahrscheinlich maßgeblich durch die heterogenen Eigenschaften der Studien beeinflusst worden sind, weswegen die klinische Relevanz nicht überschätzt werden sollte. Demnach werden weitere, hochwertige Studien gebraucht, die diesen Sachverhalt beleuchten, um Patient:innen in Zukunft spezifische und effektive Therapieempfehlungen anbieten zu können.

Abbildungen & Tabellen: