The influence of physical exercise on the antioxidative status of human skin

Oxidativer Stress wird durch freie Radikale und reaktive Sauerstoffspezies verursacht und kann die Entstehung von diversen Erkrankungen begünstigen. Um sich vor oxidativem Stress zu schützen, besitzt der Organismus eine Vielzahl von Antioxidanzien, die als Radikalfänger dienen. Auch in der Haut finden sich antioxidativ wirkende Substanzen, um dem durch Umwelteinflüsse wie zum Beispiel UV-Licht entstehenden oxidativen Stress zu begegnen. Die Antioxidanzien sind in der Lage, die freien Radikale und reaktiven Sauerstoffspezies zu neutralisieren, werden dabei jedoch selbst zerstört. Daher kann ein Abfall der Antioxidanzien als indirekter Parameter für die Entstehung von freien Radikalen und damit auch für die Entstehung von oxidativem Stress genutzt werden. Da Sport in Abhängigkeit von der Belastungsintensität und -dauer ebenfalls zu oxidativem Stress führen kann, wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit untersucht, ob bei sportlicher Belastung auch in der Haut vermehrt freie Radikale gebildet werden. Hierzu wurden mittels Raman-spektroskopischer Messungen die Carotinoide als indirekte Marker für die Bildung freier Radikale bestimmt. Die Untersuchungen erfolgten in Form von drei unabhängigen Studienprotokollen. Im Rahmen des ersten Studienprotokolls wurde die Konzentration der Carotinoide vor und nach 30minütigem Ausdauersport (Radfahren und Joggen) an der Stirn und am Handballen bestimmt sowie alle 20 Minuten in der sich anschließenden Erholungsphase (bis Minute 100 nach Beendigung der Trainingseinheit). Die Trainingseinheiten waren von jedem Probanden bei mittlerer und hoher Belastungsintensität durchzuführen mit einer mindestens 7tägigen Erholungszeit zwischen den Untersuchungen. Entsprechend dem zweiten Studienprotokoll erhielten die Probanden innerhalb von sechs Stunden vor der 30minütigen Trainingseinheit bei mittlerer Belastungsintensität ein antioxidanzienreiches Getränk (Orangensaft). Im Rahmen des dritten Studienprotokolls durchliefen 16 Leistungssportler einen spiroergometrischen Ausbelastungstest entweder auf dem Laufband oder auf dem Ergometer. Die Carotinoidkonzentrationen wurden vor und nach dem Ausbelastungstest gemessen. Die Ergebnisse des ersten Studienprotokolls haben gezeigt, dass die beiden Ausdauersportarten Joggen und Radfahren sowohl bei mittlerer als auch bei hoher Belastungsintensität zu einem signifikanten Abfall der Carotinoidkonzentration bis zu 24±10% führten, was als indirekter Nachweis für die Entstehung von oxidativem Stress gewertet werden kann. Unterschiede waren lediglich bezüglich der Messareale und des Zeitpunktes des maximalen Abfalls zu verzeichnen. Der maximale Abfall war nicht in jedem Fall direkt nach der Trainingseinheit messbar, sondern teilweise erst in der sich anschließenden Erholungsphase. Weiterhin war der maximale Abfall der Carotinoide am Handballen im Vergleich zur Stirn niedriger. Signifikante Unterschiede zwischen den beiden Sportarten sowie zwischen den beiden Belastungsintensitäten konnten nicht beobachtet werden, was vermutlich der Ähnlichkeit der beiden Belastungsintensitäten und der kleinen Probandenzahl geschuldet war. In der Literatur gibt es jedoch klare Hinweise darauf, dass die Belastungsintensität eine große Rolle für das Ausmaß des oxidativen Stresses spielt und vermutlich erst eine bestimmte Belastungsgrenze überschritten werden muss, damit oxidativer Stress entsteht. Das Trinken von Orangensaft führte dagegen zu einem dezenten Anstieg der Carotinoide direkt nach den Trainingseinheiten. In der Erholungsphase fand an der Stirn und am Handballen dann ein Abfall der Carotinoide statt. Der maximale Abfall war jedoch an der Stirn statistisch signifikant geringer im Vergleich zu Studienprotokoll 1. Im Bereich des Handballens wurden keine signifikanten Unterschiede bezüglich des maximalen Abfalls festgestellt. Dies weist darauf hin, dass eine gesunde, antioxidanzienreiche Ernährung in Verbindung mit Sport sinnvoll ist. Die Messungen der Leistungssportler ergaben an der Stirn einen statistisch signifikanten Abfall der Carotinoide von 21%. Am Handballen fielen die Carotinoide nur um 5% ab. Auffallend waren bei den Leistungssportlern um bis zu 37% höhere Ausgangskonzentrationen der Carotinoide am Handballen, wodurch der prozentuale Abfall der Carotinoide in diesem Bereich deutlich geringer ausfiel. Dies weist aber auch darauf hin, dass der Trainingszustand einen wichtigen Einfluss auf die Carotinoidkonzentrationen in der Haut hat. Durch die vermehrte Bildung freier Radikale in der Haut während sportlicher Belastung wird möglicherweise das Risiko von Sonnenbrand und Hauterkrankungen erhöht, insbesondere wenn Sport im Freien getrieben wird. Hier ist der Einsatz von Lichtschutzcremes mit einem hohen Lichtschutzfaktor von außerordentlicher Bedeutung. Es muss allerdings betont werden, dass regelmäßige sportliche Betätigung vorwiegend positive Effekte auf die Gesundheit des Menschen hat. Dies äußert sich insbesondere in der Prävention von kardiovaskulären und metabolischen Erkrankungen, aber auch in der Verbesserung von Abwehrmechanismen gegen freie Radikale.The formation of free radicals and reactive oxygen species induces oxidative stress, which can be responsible for the development of a variety of diseases. To protect itself from oxidative stress, the human organism exhibits a wide range of antioxidants, which act as radical catchers. These antioxidant substances also exist in the human skin with the important protective function against oxidative stress induced by environmental factors such as UV-light. The antioxidant substances are capable of neutralizing free radicals and reactive oxygen species, but the antioxidants are destroyed during the process. Therefore, the reduction of antioxidant substances can be used as an indirect parameter to measure the formation of free radicals and oxidative stress. Depending on the intensity and duration, physical exercise, might also lead to oxidative stress in the human organism. The aim of the present study was to investigate if free radicals are generated in human skin during physical exercise. Carotenoids, as indirect markers of free radical formation, were measured using resonance Raman spectroscopy. The investigations were divided into three independent study protocols. Within the first study protocol carotenoid concentrations were measured on the forehead and the palm 30 minutes before and after endurance exercise (cycling and running). Furthermore, the carotenoids were measured every 20 minutes during the recovery period (until 100 minutes after finishing the training session). Every subject had to perform the training sessions at moderate and high training intensity with a minimum recovery period of 7 days between sessions. According to the second study protocol, subjects received an antioxidant- containing beverage (orange juice) within the 6 hours prior to the 30-minute training session at moderate training intensity. Within the third study protocol 16 competitive athletes had to perform an incremental exercise test until exhaustion either on the treadmill or the ergometer. The carotenoid concentrations were measured before and after the incremental exercise test. The results of the first study protocol showed that the two endurance exercise types of running and cycling led to a significant decrease of the carotenoid concentration up to 24±10% at moderate as well as at high training intensities. This increase can be interpreted as an indirect evidence of the formation of oxidative stress. Notable differences were seen between the different skin areas where measurements were performed and with the respect to the point in time where maximum concentration decreases took place. In some cases the maximum concentration decrease was not observable directly after the training unit, but rather within the subsequent recovery period. Furthermore, the maximum decrease in carotenoid concentration measured on the palm was lower than the one measured on the forehead. No significant differences were observed between the two sport disciplines or between the two exercise intensities. This is presumably due to the similarity of both levels of exercise intensity and due to the small number of subjects. However, previous studies have shown that the exercise intensity plays a central role in the formation of free radicals and that a certain threshold must be exceeded before oxidative stress occurs. On the other hand, drinking of orange juice led to a slight increase of carotenoid concentration directly after the training unit, while a decrease in carotenoids was noted for measurements of the palm and the forehead during the recovery period. However, the maximum decrease on the forehead was significantly lower when compared to the decreases in the first study protocol. Differences in maximum concentration decreases were not observed on the palm. These results indicate that a diet rich in antioxidants in combination with physical exercise would be reasonable. Investigations of the competitive athletes showed a significant decrease of the carotenoids on the forehead of 21%. On the palm the carotenoids only decreased by 5%. Interestingly the competitive athletes had about 37% higher initial carotenoid concentrations on the palm before exercising, which led to distinctly lower percentage decreases in this region. This indicates that the individual physical condition has an important influence on the concentration of carotenoids in the skin. Due to the increased formation of free radicals within the skin during physical exercise, the risk of sunburn and sun-induced skin damage might be increased, in particular when exercise is conducted outdoors. In this case the use of sunscreens with a high sun protection factor is recommended. Nonetheless it must be emphasized that physical exercise, especially when performed regularly, has predominantly positive effects on health, e.g. in the prevention of cardiovascular and metabolic diseases, but also in the improvement of antioxidant defence mechanisms against free radicals