Zusammenfassung: Die Forscher identifizieren das Belastungsniveau, bei dem die Aerosolpartikelemission exponentiell ansteigt, und bieten eine Erklärung dafür, warum die Trainingsintensität mit der Übertragung von Infektionen in Verbindung gebracht werden kann.
Quelle: TUM
Vor der Studie war bekannt, dass das Atemvolumen bei Untrainierten von etwa 5–15 Litern pro Minute in Ruhe auf über 100 l/min bei Belastung ansteigt. Hochtrainierte Sportler erreichen sogar Werte von 200 l/min.
Bekannt war auch, dass sich viele Menschen beim Sport in Innenräumen mit dem SARS-CoV-2-Virus infiziert haben.
Unklar war jedoch, wie die Belastungsintensität mit der Konzentration von Aerosolpartikeln in der ausgeatmeten Luft und der tatsächlich von einer Person pro Minute ausgeatmeten Aerosolmenge und damit mit dem potenziellen Risiko der Verbreitung von Infektionskrankheiten wie SARS-CoV-2 zusammenhängt.
Diese Informationen werden jedoch dringend benötigt, um beispielsweise für Schulturnhallen und andere Indoor-Sportanlagen, Fitnessstudios oder Diskotheken Abfederungsmaßnahmen zu konzipieren, um Schließungen bei schweren Infektionswellen zu vermeiden.
Neue Methodik liefert individuell messbare Aerosolwerte
Ein Team um Henning Wackerhage, Professor für Bewegungsbiologie an der Technischen Universität München (TUM), und Prof. Christian J. Kähler, Direktor des Instituts für Strömungslehre und Aerodynamik an der Universität der Bundeswehr München, hat a neue Untersuchungsmethode zur Untersuchung dieser Fragen.
Ihre Versuchsapparatur filterte zunächst die bereits in der Umgebungsluft vorhandenen Aerosole heraus. Beim anschließenden Ergometer-Belastungstest atmeten die Probanden die gereinigte Luft durch eine spezielle Mund-Nasen-Bedeckung ein.
Die Trainingsintensität wurde schrittweise von Ruhe bis zur körperlichen Erschöpfung gesteigert. Die Maske wurde mit einem Zweiwegeventil verbunden, durch das nur die ausgeatmete Luft entweichen kann. Anschließend wurde die Menge der pro Minute ausgestoßenen Aerosolpartikel gemessen und direkt mit der aktuellen Leistungsfähigkeit der gesunden, 18-40-jährigen Probanden in Verbindung gebracht.
Moderate Aerosolemissionen bei mittlerer Belastung
Damit konnten die Forscher erstmals untersuchen, wie viele Aerosolpartikel pro Minute ein Individuum bei unterschiedlicher Belastungsintensität ausatmet.
Die Folge: Die Aerosolemissionen während der Belastung stiegen zunächst nur moderat bis zu einer durchschnittlichen Belastung von etwa 2 Watt pro Kilogramm Körpergewicht. Oberhalb dieses Punktes stiegen sie jedoch exponentiell an.
Das bedeutet, dass ein 75 Kilogramm schwerer Mensch diese Schwelle bei einem Ergometerwert von etwa 150 Watt erreicht. Dies entspricht einer moderaten Anstrengung für einen Gelegenheitssportler, vielleicht vergleichbar mit der Trainingsintensität von moderatem Joggen.
Die Aerosolemissionen gut trainierter Athleten waren aufgrund ihres deutlich höheren Atemminutenvolumens deutlich höher als die von untrainierten Probanden bei maximaler Anstrengung. Die Forscher fanden keine signifikanten Unterschiede in der Partikelemission zwischen den Geschlechtern.
Schutzmaßnahmen sind wichtig für hochintensives Training
Obwohl die Aerosol-Experimente nur indirekt Erkenntnisse über die Menge der Viren in der ausgeatmeten Luft liefern, schlägt die Studie nützliche Ansatzpunkte für das Management von Indoor-Aktivitäten vor, wenn eine Infektionswelle in Kombination mit einer schlecht immunisierten Bevölkerung das Gesundheitssystem zu überfordern droht.
„Aufgrund unserer Ergebnisse unterscheiden wir zwischen moderatem Ausdauertraining mit einer Intensität von bis zu 2 Watt pro Kilogramm Körpergewicht und einem Training mit hoher bis maximaler Intensität. Aufgrund des starken Anstiegs der Aerosolemissionen bei hochintensiven Arbeitsbelastungen über diesen Ausgangswert hinaus sind bei einem hohen Infektionsrisiko mit schwerwiegenden Folgen besondere Schutzmaßnahmen erforderlich“, sagt Studienleiter Prof. Wackerhage.
„Idealerweise würde diese Art von Training ins Freie verlegt. Wenn dies nicht möglich ist, sollten Tests durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass sich keine infizierten Personen im Raum befinden. Die Teilnehmer sollten auch einen angemessenen Abstand einhalten und ein hocheffizientes Belüftungssystem sollte laufen.
„Darüber hinaus werden Infektionsrisiken reduziert, indem mit geringerer Intensität trainiert und die Sitzungen kürzer gehalten werden. Es könnte auch für fitte, junge Athleten möglich sein, beim Training Masken zu tragen.“
Bei geringen Belastungen wie leichtem bis mittelintensivem Ausdauertraining, fügt Prof. Wackerhage hinzu, sei weniger Schutz erforderlich und das Infektionsrisiko könne durch Abstands- und Belüftungssysteme kontrolliert werden.
Das Forschungsteam führt derzeit Experimente durch, um die Aerosolemissionen beim Kraft- und Ausdauertraining zu vergleichen und mit dem Alter und den körperlichen Eigenschaften der Probanden zu korrelieren.
Siehe auch
Über diese Übung und Neuigkeiten aus der Infektionsforschung
Autor: Henrike Boden
Quelle: TUM
Kontakt: Henrike Boden – TUM
Bild: Das Bild ist gemeinfrei
Ursprüngliche Forschung: Uneingeschränkter Zugang.
„Die Emission von Aerosolpartikeln steigt exponentiell oberhalb einer moderaten Trainingsintensität, was zu einer Superemission während maximaler Belastung führt“ von Henning Wackerhage et al. PNAS
Abstrakt
Die Emission von Aerosolpartikeln nimmt oberhalb einer moderaten Trainingsintensität exponentiell zu, was zu einer Superemission während maximaler Belastung führt
Viele luftübertragene Krankheitserreger wie das schwere akute respiratorische Syndrom Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) werden in Innenräumen über Aerosolpartikel übertragen.
Während des Trainings kann die Lungenventilation um mehr als das 10-fache ansteigen, und daher atmen die Trainierenden ein größeres Volumen aerosolhaltiger Luft aus. Wir wissen jedoch derzeit nicht, wie sich Bewegung auf die Konzentration von Aerosolpartikeln in der ausgeatmeten Luft und die Gesamtemission von Aerosolpartikeln auswirkt.
Folglich haben wir eine Methode entwickelt, um parallel die Konzentration von Aerosolpartikeln in der ausgeatmeten Luft, der Lungenventilation und der Aerosolpartikelemission in Ruhe und während eines abgestuften Belastungstests bis zur Erschöpfung zu messen. Mit dieser Methode haben wir acht Frauen und acht Männer in einer deskriptiven Studie getestet.
Wir fanden heraus, dass die Aerosolpartikelkonzentration in der ausgeatmeten Luft signifikant von 56 ± 53 Partikeln/Liter in Ruhe auf 633 ± 422 Partikel/Liter bei maximaler Intensität anstieg. Die Aerosolpartikelemission pro Person stieg signifikant um den Faktor 132 von 580 ± 489 Partikeln/min im Ruhezustand auf eine Superemission von 76.200 ± 48.000 Partikeln/min bei maximaler Belastung.
Es gab keine geschlechtsspezifischen Unterschiede bei der Aerosolpartikelemission, aber Ausdauersportler gaben bei maximaler Belastung signifikant mehr Aerosolpartikel ab als untrainierte Probanden. Insgesamt stieg die Aerosolpartikelemission bis zu einer Belastungsintensität von ∼2 W/kg moderat und danach exponentiell an.
Zusammen könnten diese Daten Superspreader-Ereignisse teilweise erklären, insbesondere während hochintensiver Gruppenübungen in Innenräumen, und darauf hindeuten, dass starke Maßnahmen zur Infektionsprävention erforderlich sind, insbesondere während Übungen mit einer Intensität von mehr als ∼2 W/kg.
Untersuchungen zu Einflussfaktoren wie Atemwegs- und Ganzkörper-Hydratationsstatus während der Belastung auf die Aerosolpartikelerzeugung sind erforderlich.