Akute Auswirkungen von Ganzkörper-Elektromyostimulation im Vergleich zu hochintensivem Krafttraining auf Marker des Knochenumsatzes bei jungen Frauen

2. Oktober 2025 12:58 Osteologie Comments

Eine randomisierte kontrollierte Crossover-Studie

Sarah Stimpfig¹, Robert Kob², Matthias Kohl³, Wolfgang Kemmler¹, Simon von Stengel¹

¹ Institut für Radiologie, Universitätsklinikum Erlangen, Erlangen, Deutschland
²Institut für Biomedizin des Alters, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen, Deutschland. Deutschland
³Fachbereich Gesundheit, Medizin und Lebenswissenschaften, Hochschule Furtwangen, Schwenningen, Deutschland

Studierende mit hohem Arbeitsvolumen können eine Risikogruppe für frühen Knochenverlust sein, eine Entwicklung, die mit einem deutlich reduzierten Bewegungs- bzw. Trainingsumfang aufgrund begrenzter zeitlicher Ressourcen und Verschiebung von Prioritäten einhergeht. [1]

Neben Trainingsmethoden wie dynamischem Krafttraining mit niedriger Satzanzahl und hoher Intensität (HIT-RT), hat sich Ganzkörper-Elektromyostimulation (WB-EMS), eine Technologie, welche die gleichzeitige Stimulation aller großen Muskelgruppen ermöglicht, als praktikable und zeiteffektive Trainingsoptionen zur Verbesserung muskuloskelettaler Größen erwiesen. [2] Einen ersten, raschen Einblick in den durch akute körperliche Belastung möglicherweise aktivierten Knochenstoffwechsel könnte die Verwendung zuverlässiger Marker für Knochenresorption und -formation erbringen. Ziel der vorliegenden Studie war es daher, die akuten Effekte von HIT-RT versus WB-EMS auf Marker des Knochenstoffwechsels zu bestimmen.

In Ermangelung zuverlässiger Literaturdaten lautete unsere Arbeitshypothese, dass aufgrund der höheren mechanischen Belastung während HIT-RT die Auswirkungen auf (a) die Knochenformation, bestimmt durch Prokollagen Typ 1 N-terminales Propeptid (P1NP), und (b) die Knochenresorption, bestimmt durch Typ-I-Kollagen-vernetztes C-Telopeptid (CTX), im Vergleich zu einer WB-EMS-Trainingseinheit bei weiblichen Studierenden der Zahnmedizin signifikant günstiger sind.

Material und Methoden

Die semi-verblindete, randomisierte, kontrollierte Crossover-Studie mit 17 gesunden, weiblichen Zahnmedizinerinnen (26.5±4.0 Jahre, BMI: 21.5±2.5 kg/m2) mit geringem Trainingsvolumen während der vergangenen 24 Monate wurde von März bis April 2025 am Institut für Radiologie des Universitätsklinikums Erlangen (UKER) durchgeführt (vgl. Abb. 1). Die Untersuchung erfolgte gemäß der Deklaration von Helsinki, wurde von der Ethikkommission der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg genehmigt und unter clinicaltrials.gov (NCT06813092) gelistet.

Die individuelle Reihenfolge der WB-EMS- oder HIT-RT-Einheiten wurde mittels Online-Zufallsgenerator randomisiert zugeordnet. Die Verblindung bezog sich auf Forschungsassistent*innen (Labor) und Statistiker*innen. Studienendpunkte waren:

• Unterschiede in den Veränderungen des Gesamt-P1NP-Werts vom Ausgangswert bis 15 Minuten nach der Trainingsintervention zwischen HIT-RT und WB-EMS,

• Unterschiede in den Veränderungen des CTX-Werts vom Ausgangswert bis 15 Minuten nach der Trainingsintervention zwischen HIT-RT und WB-EMS.

Messungen

Venöse Blutproben wurden unmittelbar vor den Trainingseinheiten und 15 Minuten nach den Interventionen durch Venenpunktion der Ellenbeugen-Vene entnommen. Die Bestimmung der Proben erfolgte exakt gemäß Herstellerangaben. Die Bestimmung von P1NP erfolgte via Sandwich-ELISA (ABIN6574243), die CTX-Messung via Competition-ELISA (ABIN6955117; jeweils antibodies-online GmbH, Aachen, Deutschland). Ab 48 Stunden vor der Intervention sollte auf intensive körperliche Aktivitäten, Sport, Alkohol, Drogen und andere Maßnahmen verzichtet werden, die sich relevant auf die Intervention oder das Testverfahren auswirken könnten. Zwei bis drei Stunden vor der Intervention wurde eine standardisierte, kohlenhydratreiche Mahlzeit (250–350 kcal) sowie 500 ml Wasser eingenommen. [3]

Intervention

Die Teilnehmerinnen führten die beiden Interventionen an zwei Vormittagen (±30 min) mit einer Pause von 6 Tagen zwischen den Tests durch. Während neun Teilnehmerinnen mit der WB-EMS-Intervention begannen, starteten acht Frauen mit HIT-RT (vgl. Abb. 1).

WB-EMS
Nach einer einführenden WB-EMS Trainingseinheit erfolgte eine Woche später eine eng supervidierte, videogeführte 20-minütige Standard-WB-EMS-Applikation [2] mit bipolaren (biphasischen) Impulsen, einer Frequenz von 85 Hz, einer Impulsbreite von 350 μs und einem intermittierenden (rechteckigen) Impulsmuster mit 6 s Impuls und 4 s Impulsunterbrechung. Während der Impulsphase, bei der alle großen Muskelgruppen simultan, aber mit jeweils regional angepasster Impulsintensität stimuliert wurden, führten die Teilnehmerinnen zusätzlich (sehr) leichte Körperübungen durch (s. Abb. 2). Die Impulsintensität wurde individuell angepasst und sollte bereits nach 5 min. WB-EMS-Applikation bei 7 („sehr schwer“) auf der Borg-CR-10-Skala [4] liegen.

HIT-Krafttraining
Nach einer einführenden Trainingseinheit – u.a. zur Erfassung des Ein-Wiederholungs-Maximums (1RM) via ausbelasteter Wiederholungsleistung [5] zur Steuerung der Reizhöhe des HIT-RT – erfolgte die eng supervidierte, gerätegestützte 30-35-minütige HIT-RT-Intervention. Zusammenfassend wurden fünf einfache Übungen an Kraftgeräten durchgeführt (horizontale Beinpresse, Butterfly, Latissimus-Ziehen, Rumpfflexion/Rumpfextension, horizontales Rudern). Nach einem Aufwärmsatz mit 70% 1RM ohne Ausbelastung wurden für alle Übungen zwei Sätze mit 80% und 85% 1RM unter weitgehender muskulärer Ausbelastung durchgeführt. Die Bewegungsgeschwindigkeit wurde auf 2 s konzentrisch – 1 s isometrisch – 2 s exzentrisch festgelegt. Die Pause zwischen den Sätzen betrug 90 s, zwischen den Übungen 120 s. Wie beim WB-EMS wurden die Teilnehmerinnen unmittelbar nach der Intervention gebeten, ihre Belastungseinschätzung der Krafttrainingseinheit auf einer Borg-CR-10-Skala [4] anzugeben.

Abb. 2: Supervidierte, videogeführte Ganzkörper-EMS-Applikation mit leichten Körperübungen.

Statistische Analyse

Gemäß formaler Fallzahlberechnung waren 16 Teilnehmerinnen erforderlich, um einen „Effekt“ von (MW±SD) 20±20% (1-β: 80%, α: 5%) zu ermitteln, der in diesem Zusammenhang als klinisch relevant angesehen wird. Die Daten wurden unter Verwendung eines linearen gemischten ANCOVA-Modells analysiert [6], dass die basalen Unterschiede von CTX oder P1NP zu Beginn der Studie berücksichtigte. Die aus statistischer Sicht nachrangig behandelten Veränderungen innerhalb der Gruppen wurden mit Hilfe von t-Tests analysiert [6]. Alle Tests waren zweiseitig, die Signifikanz wurde bei p < 0,05 festgelegt. Aufgrund vollständiger Datenpaare konnte auf eine Imputation verzichtet werden.

Tab. 1: Basale Charakteristika der Studienteilnehmerinnen (n=17). MW=Mittelwert, SD=Standardabweichung.

Ergebnisse

Zur besseren Einschätzung des Kollektivs zeigt Tab. 1 wichtige basale Charakteristika der Studienteilnehmerinnen. Alle Teilnehmerinnen konnten Messung und Intervention regelgerecht und ohne unerwünschte Nebeneffekte abschließen (s. Abb. 1). Der Anstrengungsgrad wurde bei HIT-RT und WB-EMS vergleichbar im Bereich der intendierten Rate von „7“ auf der Borg-CR-10-Skala angegeben. Die Frauen gaben zudem an, ihren Lebensstil vor den beiden Tests protokollgemäß stabil gehalten zu haben. Auch andere Störfaktoren mit Einfluss auf unsere Ergebnisse wurden nicht berichtet.

Ausgehend von vergleichbaren basalen Werten konnten für den Verlauf (unmittelbar präversus 15 min post-Intervention) des Knochenresorptionsmarkers CTX keine Unterschiede zwischen HIT-RT und WB-EMS beobachtet werden (p=0,509; d`=0,134). Im Detail sank CTX in der HIT-RT- (-0,029 ± 0,066 ng/ml, p=0,091) sowie der WB-EMS-Gruppe (-0,020 ± 0,068 ng/ml, p=0,244) während der Intervention jeweils nicht signifikant.

Im Gegensatz dazu wurden (ebenfalls bei vergleichbaren basalen Werten) signifikante Unterschiede (p=0,019, d ́=1,19) der Veränderung des Knochenformationsmarkers P1NP erfasst, der in der HIT-RT-Gruppe stabil blieb (-0,03 ± 0,15, p=0,446) und in der WB-EMS-Gruppe signifikant abnahm (-0,16 ± 0,17, p=0,002). Bemerkenswert ist, dass die Veränderungen von P1NP und CTX in beiden Gruppen sehr homogen lagen.

Diskussion

Während HIT-RT (unter der Prämisse, dass akute P1NP-Abnahmen negativ erachtet werden), wie erwartet signifikant günstigere Auswirkungen auf den Knochenformationsmarker P1NP zeigte, wurden keine wesentlichen Unterschiede (HIT-RT vs. WB-EMS) auf den Resorptionsmarker CTX beobachtet. Berücksichtigt man allerdings die Richtung der Veränderungen, wird die Interpretation unserer Ergebnisse schwieriger. Bei vergleichbarer, nicht signifikanter Reduktion des Knochenresorptionsparameters CTX in beiden Gruppen ist der signifikante Rückgang von P1NP in der WB-EMS-Gruppe (bei marginaler Abnahme in der HIT-RT-Gruppe) überraschend, wobei die klinische Relevanz dieses Rückgangs von ca. -2,5% nicht klar ist. Gleichwohl könnte man spekulieren, dass beide Trainingsmethoden grundsätzlich keine positive Wirkung auf die Knochenformation ausüben, aber HIT-RT die weniger „schädliche“ Option ist. Dies steht allerdings im Widerspruch zu klinischen Studien mit Endpunkt „Knochendichte“, die nach HIT-RT [7] oder WB-EMS [8] signifikant positive Auswirkungen berichten. Obwohl sich diese Ergebnisse nicht auf junge Frauen beziehen, ist es kaum vorstellbar, dass die Anwendung von WB-EMS negative Auswirkungen auf den Knochenumsatz haben sollte.

Insgesamt zeigt sich die Literaturlage im Spannungsfeld akuter Effekte körperlichen Trainings auf die (vorrangig erhobenen) Knochenresorptions- und -formationsgrößen CTX und P1NP als uneinheitlich [9,10], wobei allerdings überwiegend Ausdauertrainingsprotokolle appliziert wurden. Zumindest für ältere Kohorten liegen indes positive Befunde nach Krafttraining vor. So berichten Prawiradilaga et al. [11] einen Anstieg von P1NP ohne Veränderungen von CTX, während nach Gombos et al. [12] intensives Krafttraining zu einer signifikanten Verringerung von CTX im Vergleich zu einer inaktiven Kontrollgruppe oder leichtem Ausdauertraining führt.

Einige Besonderheiten und Limitationen der vorliegenden Untersuchung sollten bei der Interpretation der Studienergebnisse berücksichtigt werden.

a) Die Blutentnahme erfolgte unmittelbar vor und 15 Minuten nach den Trainingsinterventionen. Dieser Ansatz basiert auf Daten, wonach die CTX-Reaktion innerhalb von 15 Minuten und 2 Stunden nach dem Training ihren Höhepunkt erreicht. [9] Der optimale Zeitpunkt für die P1NP-Probenahme ist nicht eindeutig festgelegt. Es werden jedoch Anstiege innerhalb von 15 Minuten nach Beendigung der körperlichen Betätigung berichtet. [9] Häufigere Probenahmen (bspw. alle 15 min. über 2 Stunden) hätten möglicherweise zu ausgeprägteren Veränderungen geführt, wobei die Unterschiede zwischen den Gruppen davon kaum beeinflusst worden wären.

b) Von einem nächtlichen Fasten, wie für die CTX-Probenentnahme empfohlen [13,14], wurde abgesehen. Dies begründet sich in den derzeitigen WB-EMS-Richtlinien [3], die strengstens davon abraten, ein WB-EMS Trainingin nüchternem Zustand durchzuführen. In diesem Sinne wurden die Teilnehmerinnen gebeten, 2–3 Stunden vor der Intervention eine kohlenhydratreiche Mahlzeit (250–350 kcal) zu sich zu nehmen und 500 ml Wasser zu trinken. Das gleiche Prozedere wurde für das HIT-RT festgelegt. Auch hier kann, wenn überhaupt, dann von einem systematischen Bias ausgegangen werden, der den Verlauf der Knochenmarker in HIT-RT und WB-EMS vergleichbar beeinflussen würde.

Zusammenfassung

Die vorliegende Untersuchung liefert neue Daten zu akuten Veränderungen des Knochenstoffwechsels nach der Anwendung von zwei verschiedenen kraftorientierten Trainingsmethoden (HIT-RT und WB-EMS). Zusammenfassend zeigte sich, dass akute körperliche Belastung zwar akute Veränderungen des Knochenstoffwechsels hervorrufen kann (deren klinische Relevanz noch zu überprüfen ist), „Knochen-Marker“ wie P1NP oder CTX jedoch nur begrenztes Potenzial als Surrogatgröße zur Prognose langfristiger Effekte unterschiedlicher Trainingsmethoden auf die Knochengesundheit aufweisen.

Literatur

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2. Kemmler W., Fröhlich M., Eifler C. Whole-Body Electromyostimulation. Effects, Limitations, Perspectives of an Innovative Training Method.; Springer, 2024.

3. Kemmler W., Fröhlich M., Ludwig O., et al. Position statement and updated international guideline for safe and effective whole-body electromyostimulation training-the need

for common sense in WB-EMS application. Front Physiol. 2023, 14, 1174103.10.3389/fphys.2023.1174103.

4. Borg E., Kaijser L. A comparison between three rating scales for perceived exertion and two different work tests. Scand J Med Sci Sports. 2006, 16, 57-69.SMS448/10.1111/ j.1600-0838.2005.00448.x.

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