Energiestoffwechselsimulation mit "MetabolFX"

Energiestoffwechselsimulation

Begleitend zum neuen Buch "Laktat - Stoffwechselgrundlagen, Leistungsdiagnostik, Trainingssteuerung" von Prof. Hermann Heck, Ulrich Bartmus und Volker Grabow hat mesics in über 2 jähriger enger Zusammenarbeit eine Software für physiologisch Interessierte entwickelt.

Im bekannten 1-Kompartment-Modell nach Mader bleiben alle außerhalb der Arbeitsmuskulatur ablaufenden Prozesse im passiven, unbelasteten Teil des Körpers noch unberücksichtigt. Dieses übliche Modell zur Bestimmung des metabolischen Profils arbeitet ohne Austausch von Metaboliten mit anderen Körperbereichen. Die Wasserstoffionenkonzentration sowie der verzögerte Anstieg der Sauerstoffversorgung (O2-Defizit) bleiben unberücksichtigt. Ferner fehlt dort die Darstellung des geschlossenen Regelkreises des ATP-Verbrauchs und der ATP-Resynthese sowie die Reduktion der Glykolyserate und der VO2max bei bereits niedrigen Glykogenreserven. Alle diese Faktoren werden erst im erweiterten Ganzkörpermodell betrachtet, das ebenfalls Mader – neu ergänzt durch Heck in 2021/22 – entwarf. Dieses deutlich komplexere Modell haben wir in unserer Simulationssoftware MetabolFX umgesetzt und damit bereits Effekte aus der Praxis qualitativ und teilweise auch quantitativ erstaunlich genau erklären können.

Die Software MetabolFX simuliert u.a. den Energiestoffwechsel des Menschen unter verschiedenen Belastungssituationen und Disziplinen (Laufen, Radfahren, Rudern) durch ein komplexes biologisches 2-Kompartment-Modell. Das Modell trifft qualitativ und quantitativ hochwertige Aussagen z.B. über den voraussichtlichen Verlauf der Sauerstoffaufnahme, des Laktat- und pH Spiegels im Blut, der zur Verfügung stehenden Glykogenmenge, der Fettoxidation, der Glukoneogenese und vieles mehr. So kann auch der Abbruchzeitpunkt durch Ermüdung bei beliebigen, selbst definierbaren Lastprofilen prognostiziert werden. Die Eingangsgrößen für die Simulation sind VO2max, vLaMax, rel. aktive Muskelmasse und das Körpergewicht.

Im Folgenden finden Sie ein paar Ausschnitte aus der SW.

Entwicklung von Laktat (orange) und Sauerstoffaufnahme (blau) im 4 min Stufentest (mit 1 min Pause) in Abhängigkeit von der individuellen VO2max (nach Helligkeit steigend). Deutlich erkennt man die Verzögerungszeiten beider Parameter und die "Slow VO2 component" oberhalb des maximalen Laktat-Steady-State.

Entwicklung der Fettsäureoxidation (grün), der Pyruvatoxidation (blau) und des Laktats im Blut (orange) im Rampentest in Abhängigkeit der VO2max

 

Simulation von 2 Rampentests unter Ausgabe von Glykogen im Muskel (grün) und Kreatinphosphat (lila) von 2 Probanden mit gleicher VLaMax und gleichem Körpergewicht aber unterschiedlicher VO2max. Die Person mit höherer VO2max bricht deutlich später ab.

Simulierte Verläufe der Sauerstoffaufnahme (blau) des Blutlaktats (orange) und der Glukoneogenese (pink) in einem gefahrenen Belastungsprofil (CSV Import) bei gleicher VO2max und VLaMax aber unterschiedlicher Körpermasse (80, 90, 100 kg = weiß).

 


Erfolgreicher Beleg der Validität des entwickelten Stoffwechselmodells: Power- (weiß) und Work (orange) -Duration Beziehung in 50 simulierten, erschöpfenden Dauertests (Abbruchskriterium PCr<1) unterschiedlicher Intensitätszonen (vgl. "Power profling and the power‑duration relationship in cycling: a narrative review" von Leo et al (European Journal of Applied Physiology, 6/2021).

Alle Grafiken aus der Software können in das skalierbare Format SVG zur verlustfreien Übernahme in Dokumente exportiert werden. Zudem steht ein CSV Export von Einzelwerten (Zeitwerten) zur Verfügung. Die Software wird in Kürze für das Betriebssystem Windows in deutscher und englischer Sprache freigegeben. Sie eignet sich für die Lehre und für interessierte Diagnostiker.

An diesem Projekt wird laufend weiter geforscht.

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