Die­ser Arti­kel begrün­det, war­um der Pha­sen­win­kel der BIA die Bestim­mung von Ände­run­gen der zel­lu­lä­ren Vita­li­tät ermög­licht. Dadurch kön­nen Behand­lun­gen, Gaben von Vital­stof­fen oder Trai­nings­ef­fek­te sicht­bar wer­den. Doch wie gut und auf wel­che Art sind Ände­run­gen des Pha­sen­win­kels tat­säch­lich mit Ände­run­gen der Vita­li­tät ver­bun­den?

Was ist Vitalität?

Bevor wir den engen Zusam­men­hang zwi­schen Pha­sen­win­kel und Vita­li­tät dar­le­gen, stellt sich die Fra­ge: Was ist Vita­li­tät überhaupt? 

Vita­li­tät, bzw. Leben­dig­keit, ist sehr eng mit dem Begriff des Lebens ver­bun­den. Einen guten Über­blick zu den viel­fäl­ti­gen Aspek­ten die­ses Begriffs lie­fert fol­gen­der Vor­trag.

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Vita­li­tät beschreibt, wie sich Leben­di­ges, z.B. Zel­len oder Orga­nis­men ent­wi­ckeln und auf Umwelt­ein­flüs­se bzw. Stress reagie­ren. Eine for­ma­le Defi­ni­ti­on des Begriffs der Vita­li­tät fin­det sich hier im Glos­sar.

Neben der abs­trak­ten Defi­ni­tio­nen gibt es vie­le kon­kre­te Phä­no­me­ne als deren Aus­druck. Dazu zäh­len z.B. Mus­kel­kraft, Aus­dau­er­leis­tung oder der Ver­lauf und das Über­le­ben von Krank­hei­ten. Die­se machen das The­ma leich­ter ver­ständ­lich und prak­tisch bedeut­sam.

Und was ist Leben?

Für die spä­te­re Erklä­rung der phy­si­ka­li­schen Ursa­chen des Zusam­men­hangs zwi­schen Pha­sen­win­kel und Vita­li­tät müs­sen wir noch ein­mal kurz zur Fra­ge — Was ist Leben? — zurückkehren. 

Leben­de Sys­te­me haben die Fähig­keit, kom­ple­xe, mit einer hohen inne­ren Ord­nung ver­se­he­ne Struk­tu­ren zu schaf­fen und zu erhal­ten. Man kann auch sagen, leben­de Sys­te­me beinhal­ten ein hohes Maß an Infor­ma­ti­on. Die­se Fähig­keit des Lebens unter­schei­det sich qua­li­ta­tiv von unbe­leb­ten Systemen. 

Das zufäl­li­ge Zustan­de­kom­men kom­ple­xer Struk­tu­ren mit hohem Infor­ma­ti­ons­ge­halt und die Erhal­tung über lan­ge Zeit ist in der unbe­leb­ten Welt unwahr­schein­lich. Zwar kann z.B.ein Kris­tall eine per­fek­te Ord­nung zei­gen, nur ist die­se im Ver­gleich zu leben­den Sys­te­men sehr ein­fach und beinhal­tet weni­ge Infor­ma­tio­nen.

Lebendige Strukturen am Beispiel der Membranpotentiale

Bei­spie­le für der­ar­ti­ge leben­di­ge Struk­tu­ren sind die Mem­bra­nen der Zel­len und Mito­chon­dri­en mit ihren Mem­bran­po­ten­tia­len. Die Erzeu­gung die­ser Mem­bran­po­ten­tia­le erfolgt durch ein kom­ple­xes Netz­werk bio­che­mi­scher Vor­gän­ge. Der Pha­sen­win­kel der bio­elek­tri­schen Impe­danz­ana­ly­se hängt wesent­lich von den Mem­bran­po­ten­tia­len ab. War­um das so ist und wie das phy­si­ka­lisch funk­tio­niert, folgt im Abschnitt “Phy­si­ka­li­sche Ursa­chen des Pha­sen­win­kels”.

Die elek­tri­sche Feld­stär­ke, her­vor­ge­ru­fen durch die Ladungs­ver­tei­lung an den Mem­bra­nen, erreicht enor­me Wer­te. Nimmt man für das Mem­bran­po­ten­ti­al 0.1 V und die Dicke der Zell­mem­bran 10 nm, ergibt sich rein rech­ne­risch eine elek­tri­sche Feld­stär­ke von unge­heu­ren 10⁷ V/m. In der unbe­leb­ten Natur wür­den sol­che Wer­te einen unver­züg­li­chen Ladungs­aus­gleich bewir­ken. An die­sem Bei­spiel zeigt sich der qua­li­ta­ti­ve Unter­schied zwi­schen Beleb­tem und Unbelebtem.

Pro­vo­ka­tiv gesagt ist Leben eine Eigen­schaft von Sys­te­men, hoch geord­ne­te, kom­ple­xe Struk­tu­ren zu bil­den und dabei gegen den zwei­ten Haupt­satz der Ther­mo­dy­na­mik zu ver­sto­ßen. Die­se Erkennt­nis moti­vier­te immer wie­der Wis­sen­schaft­ler, Hypo­the­sen von einer Lebens­kraft (vis vita­lis) [Driesch1905] oder Neg­en­tro­pie [Schrodinger1951] zu dis­ku­tie­ren. Die Lebens­kraft wäre dann die Ursa­che oder Trieb­fe­der der Leben­dig­keit bzw. Vita­li­tät.

Phasenwinkel und Überlebenswahrscheinlichkeit bei schweren Erkrankungen

Als Ers­tes betrach­ten wir nun den Zusam­men­hang zwi­schen Pha­sen­win­kel und prak­ti­schen Phä­no­me­nen, die man spon­tan mit dem Begriff der Vita­li­tät ver­bin­det: Über­le­bens­wahr­schein­lich­keit bei schwe­ren Krank­hei­ten und danach kör­per­li­che Leis­tungs­fä­hig­keit.

Wer schon län­ger mit der bio­elek­tri­schen Impe­danz­ana­ly­se arbei­tet, kennt die Bedeu­tung des Pha­sen­win­kels. Fast immer zeigt ein stei­gen­der Wert phy­sio­lo­gisch erwünsch­te, ein sin­ken­der Wert uner­wünsch­te Ver­än­de­run­gen der Mus­keln und Organe. 

Die fol­gen­den Berich­te über den Ein­fluss des Pha­sen­win­kels auf die Gesund­heit oder die Wahr­schein­lich­keit eine Krank­heit zu über­le­ben bezie­hen sich auf sta­tis­ti­sche Daten. Das erlaubt kei­ne siche­ren Aus­sa­gen im Ein­zel­fall. Der Wert des Pha­sen­win­kels hängt auch vom Kör­per­typ ab. So haben z.B. schlan­ke Men­schen phy­sio­lo­gisch bedingt oft einen deut­lich nied­ri­ge­ren Pha­sen­win­kel, ohne dass damit gesund­heit­li­che Ein­schrän­kun­gen ver­bun­den sein müs­sen. Wich­ti­ger ist die Betrach­tung der zeit­li­chen Ände­rung des Pha­sen­win­kels.

Seit meh­re­ren Jahr­zehn­ten erforscht man im kli­ni­schen All­tag den Zusam­men­hang zwi­schen Pha­sen­win­kel und Über­le­bens­wahr­schein­lich­keit schwe­rer Krank­hei­ten. Die Ergeb­nis­se die­ser For­schung zei­gen bei ver­schie­de­nen Erkran­kun­gen eine über­ra­schen­de pro­gnos­ti­sche Kraft der wich­tigs­ten Mess­grö­ße der BIA. Eine Über­sicht zu die­sem For­schungs­ge­biet lie­fert [Garlini2019].

Phasenwinkel und Überlebenswahrscheinlichkeit bei Darmkrebs

Ein Bei­spiel für die Abhän­gig­keit der Über­le­bens­wahr­schein­lich­keit vom Pha­sen­win­kel zeigt fol­gen­de Gra­fik aus [Gupta2004].

Die obe­re Abbil­dung gibt die Über­le­bens­wahr­schein­lich­keit von Pati­en­ten mit Darm­krebs (genau­er kolo­rek­ta­les Kar­zi­nom) an. Der Pha­sen­win­kel wur­de direkt nach dem Erken­nen der Erkran­kung bestimmt. Die gestri­chel­te Linie zeigt den Ver­lauf der Über­le­bens­wahr­schein­lich­keit bei Pati­en­ten mit einem Pha­sen­win­kel ≤5,57. Die durch­ge­zo­ge­ne Linie für sol­che mit Pha­sen­win­kel >5,57. Jeder Abfall in einer Wahr­schein­lich­keits­kur­ve bedeu­tet einen oder meh­re­re Ster­be­fäl­le. Die ver­ti­ka­len Lini­en zei­gen Pati­en­ten, die das Ende der Nach­be­ob­ach­tungs­zeit erreicht haben, ohne zu ster­ben. Wäh­rend nach 20 Mona­ten in der Grup­pe mit höhe­rem Pha­sen­win­kel noch 85 % der Pati­en­ten leb­ten, waren es in der Grup­pe mit nied­ri­ge­rem Pha­sen­win­kel nur noch 21 %.

Die Aus­wer­tung der Daten [Gupta2004] ergab für die Grup­pe mit Pha­sen­win­kel >5,57° einen Medi­an der Lebens­er­war­tung von 40,4 Mona­ten im Ver­gleich zu nur 8,6 Mona­ten für die Grup­pe mit nied­ri­ge­rem Pha­sen­win­kel. Der Unter­schied in der Lebens­er­war­tung war hoch­si­gni­fi­kant.

Phasenwinkel und Überlebenswahrscheinlichkeit bei Covid-19

Ein zwei­tes Bei­spiel zum Zusam­men­hang zwi­schen Pha­sen­win­kel und Über­le­bens­wahr­schein­lich­keit wur­de in [Cor­ne­jo-Pare­ja2021] bei Pati­en­ten mit Covid-19 unter­sucht. Das Ziel der Stu­die bestand in Klä­rung der Vor­aus­sa­ge­kraft des Pha­sen­win­kels zur 90 Tage Über­le­bens­wahr­schein­lich­keit bei Covid-19 Patienten.

Zusätz­lich zum Pha­sen­win­kel (PhA) wird noch ein soge­nann­ter stan­dar­di­sier­ter Pha­sen­win­kel (SPhA) ein­ge­führt. Bei­de pro­gnos­ti­zier­ten signi­fi­kant die Über­le­bens­wahr­schein­lich­keit der Pati­en­ten. Der “gewöhn­li­che” Pha­sen­win­kel tat dies mit einer Irr­tums­wahr­schein­lich­keit von p=0.001, beim abge­lei­te­ten Wert SPhA lag die Irr­tums­wahr­schein­lich­keit bei p=0.005, also Fak­tor 5 schlech­ter.

Ins­ge­samt bezog man 127 Pati­en­ten in die Stu­die ein. Die fol­gen­de Gra­fik aus [Cor­ne­jo-Pare­ja2021] fasst die Ergeb­nis­se anschau­lich zusammen.

Überlebenswahrscheinlichkeit (Kaplan-Meier-Plot) für die Quartile des standardisierten Phasenwinkels

Obe­re Abbil­dung zeigt die Wahr­schein­lich­keit, Covid-19 zu über­le­ben. Die BIA-Mes­sung erfolg­te inner­halb von 72 h nach Ankunft im Kran­ken­haus. Die Pati­en­ten teil­te man in vier Grup­pen. Grup­pe Q1 — in der obi­gen Abbil­dung blau ein­ge­zeich­net — mit dem nied­rigs­ten SPhA ≤ ‑2 (2° ≤ PhA ≤ 3.3°) wies im Beob­ach­tungs­zeit­raum von 90 Tagen die nied­rigs­te Über­le­bens­wahr­schein­lich­keit auf. In die­ser Grup­pe star­ben mehr als 30 % der Patienten. 

Die Grup­pen Q2 (gelb) mit ‑1,9 ≤ SPhA ≤ ‑0,8 (3,3° < PhA ≤ 4.4°) und Q3 (grün) mit ‑0,7 ≤ SPhA ≤ 0,2 (4,4° < PhA ≤ 5.7°) wie­sen mit weni­ger als 10 % bereits eine deut­lich gerin­ge­re Sterb­lich­keit auf. In der Grup­pe Q4 (rot) mit SPhA > 0,3 (PhA > 5,7°) über­leb­ten alle Pati­en­ten den Beob­ach­tungs­zeit­raum von 90 Tagen. 

Zusammenhang zwischen Phasenwinkel und leichterem Krankheitsverlauf ist typisch 

Inzwi­schen gibt es hun­der­te wis­sen­schaft­li­che Stu­di­en [Garlini2019] zum Zusam­men­hang zwi­schen Pha­sen­win­kel und Über­le­bens­wahr­schein­lich­keit. Dar­in wer­den ver­schie­dens­te Krank­hei­ten betrach­tet. Von bös­ar­ti­gen Tumo­ren bis hin zu Infek­ti­ons­krank­hei­ten weist der Pha­sen­win­kel eine beein­dru­cken­de Pro­gno­se­kraft auf. Je höher der Pha­sen­win­kel zu Beginn einer Krank­heit, des­to wahr­schein­li­cher ist ein leich­ter Ver­lauf.

Dabei han­delt es sich beim Pha­sen­win­kel um eine ein­fa­che elek­tri­sche Mess­grö­ße, die zusam­men mit der Resistanz den elek­tri­schen Wech­sel­strom­wi­der­stand eines Kör­pers cha­rak­te­ri­siert. Die prak­ti­schen Beob­ach­tun­gen schei­nen zu bestä­ti­gen, dass der Pha­sen­win­kel ein Indi­ka­tor der Vita­li­tät ist. Doch war­um ist das so? Eine plau­si­ble Ant­wort ver­sucht der letz­te Abschnitt die­ses Arti­kels zu den phy­si­ka­li­schen Ursa­chen des Pha­sen­win­kels zu geben.

Phasenwinkel und körperliche Leistungsfähigkeit

Der Zusam­men­hang zwi­schen Pha­sen­win­kel und Vita­li­tät zeigt sich auch deut­lich bei sport­li­cher und kör­per­li­cher Leis­tungs­fä­hig­keit. Dazu gibt es inzwi­schen eben­falls eini­ge hun­dert Stu­di­en. Ein typi­sches Bei­spiel ist die Ver­öf­fent­li­chung [Martins2021], die mit jugend­li­chen, männ­li­chen Fuß­ball­spie­lern durch­ge­führt wur­de. Die bei­den fol­gen­den Abbil­dun­gen aus die­ser Publi­ka­ti­on illus­trie­ren typi­sche Zusam­men­hän­ge zwi­schen Pha­sen­win­kel und Sprung­wei­te bzw. Schnel­lig­keit beim Sprint.

Sprungweite als Funktion des Phasenwinkels
Geschwindigkeit beim Sprint als Funktion des Phasenwinkels

Die Abbil­dung links zeigt die indi­vi­du­el­len Mess­punk­te der 62 Stu­di­en­teil­neh­mer nach einem Sprung­test aus dem Stand (stan­ding long jump — SLJ) in Abhän­gig­keit vom Pha­sen­win­kel. Der sta­tis­ti­sche Zusam­men­hang ist klar erkennbar. 

Im rech­ten Bild wird die Zeit­dau­er für einen 30 m Sprint als Funk­ti­on des Pha­sen­win­kels dar­ge­stellt. Je höher der Pha­sen­win­kel, des­to kür­zer ist die Zeit­dau­er zur Über­win­dung der 30 Meter bzw. des­to höher ist die Geschwin­dig­keit der Sport­ler. Der Effekt ist hier noch aus­ge­präg­ter.

Physikalische Ursachen des Phasenwinkels

Anschauliche Beschreibung elektrischer Leitungsvorgänge im Lebendigen

Was pas­siert, wenn ich ein elek­tri­sches Feld (Wech­sel­span­nung) an eine Sus­pen­si­on von leben­den Zel­len oder ein Lebe­we­sen anle­ge? Grund­sätz­lich wir­ken auf Ladun­gen in die­sem elek­tri­schen Feld Kräf­te. Die Model­le, die nun die­se Effek­te beschrei­ben, kön­nen unter­schied­lich detail­ge­treu sein. 

D.h. das ein­zig rich­ti­ge Modell gibt es nicht. Für den Ein­stieg betrach­te ich des­halb erst ein­mal ein sehr ein­fa­ches phy­si­ka­li­sches Modell.

Wird im Rah­men einer BIA-Mes­sung eine Wech­sel­span­nung an einen leben­den Orga­nis­mus ange­legt, erzeugt die­ses elek­tri­sche Feld Kräf­te auf gela­de­ne Mole­kü­le und Struk­tu­ren. Zu die­sen gehören: 

  • Ionen (Anio­nen, Kationen)
  • indu­zier­te Ladun­gen — die­se ent­ste­hen erst im Feld
  • Was­ser­mo­le­kü­le, Pro­te­ine (Dipo­le bzw. Multipole)
  • unge­la­de­ne Zellbestandteile
  • gela­de­ne Zell­be­stand­tei­le (z.B. Zell­mem­bran, Mitochondrien)

Durch die­se Kräf­te, ver­ur­sacht durch die elek­tri­sche Wech­sel­span­nung, schwin­gen die elek­trisch gela­de­nen Objek­te hin und her. Freie Ionen in wäss­ri­ger Lösung, wer­den nur unwe­sent­lich durch ande­re gela­de­ne Objek­te beein­flusst. Die Ionen schwin­gen im Takt der Wech­sel­span­nung, defi­niert durch die Rei­bung zwi­schen den Ionen und dem umge­ben­den Was­ser. Der elek­tri­sche Strom aus Ladun­gen erreicht dann sein Maxi­mum, wenn auch die antrei­ben­de Kraft durch die elek­tri­sche Wech­sel­span­nung ihr Maxi­mum erreicht. 

Dane­ben wir­ken auch noch Kräf­te auf die Was­ser­mo­le­kü­le. Die­se sind zwar als Gan­zes elek­trisch neu­tral, jedoch weist jedes Was­ser­mo­le­kül ein inho­mo­ge­ne Ladungs­ver­tei­lung auf. Die­se führt zu Pola­ri­sa­ti­ons­ef­fek­ten der Was­ser­mo­le­kü­le. Es gibt in die­sem Fall bereits eine klei­ne Ver­schie­bung zwi­schen Strom und Span­nung, also eine klei­ne Phasenverschiebung. 

Einflüsse größerer Zellbestandteile mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften

Sind zusätz­lich unge­la­de­ne Lipidmem­bra­nen oder ähn­li­che Objek­te vor­han­den, tre­ten wei­te­re Effek­te auf. Wird von außen ein elek­tri­sches Feld ein­ge­schal­tet, tref­fen Ladungs­trä­ger in ihrer Schwing­be­we­gung wech­sel­sei­tig auf die­se grö­ße­ren Zell­be­stand­tei­le. Im Ver­gleich zu Ionen sind die­se Bestand­tei­le sehr gro­ße Objekt und ver­än­dern bedingt durch Träg­heit und Rei­bung ihre räum­li­che Posi­ti­on viel weni­ger.

Das führt dazu, dass nach­fol­gen­de, gleich­ar­tig gela­de­ne Ionen von den bereits gestau­ten Ionen abge­sto­ßen wer­den und den “Stau” ver­grö­ßern. Die Fol­ge davon ist die peri­odi­sche Auf­la­dung bzw. Umla­dung an der Ober­flä­che der Zellbestandteile.

Noch bevor die Kräf­te durch die Wech­sel­span­nung ihr Maxi­mum errei­chen, nimmt der Strom aus Ladun­gen wie­der ab, da die­se durch die gleich­ar­tig gela­de­nen Ionen an der Mem­bran mit einer zuneh­men­den Gegen­kraft abge­sto­ßen wer­den. So kommt es zu einer Ver­schie­bung zwi­schen Strom und Span­nung (Pha­sen­win­kel). Der Strom aus Ladungs­trä­gern erreicht daher das Maxi­mum frü­her als die Span­nung des äuße­ren elek­tri­schen Feldes.

Der soeben beschrie­be­ne Effekt, bei dem unge­la­de­ne Lipidmem­bra­nen im elek­tri­schen Wech­sel­feld auf­ge­la­den wer­den, ist ein spe­zi­el­ler Fall des soge­nann­ten Max­well-Wag­ner-Effekts. Die­ser tritt bei angren­zen­den Objek­te mit unter­schied­li­cher Per­mit­ti­vi­tät und Leit­fä­hig­keit auf. Eine gute Erklä­rung am Bei­spiel hete­ro­ge­ner Schich­ten fin­det sich in [Li2021]. Die ers­te quan­ti­ta­ti­ve Model­lie­rung die­ses Effekts erfolg­te in [Wagner1914].

Einflüsse geladener Lipidmembranen auf die Phasenverschiebung

Doch was pas­siert, wenn Mem­bra­nen wie z.B. bei Mito­chon­dri­en oder Zel­len bereits elek­trisch gela­den sind? Dann tre­ten wei­te­re Effek­te auf, die die Ver­schie­bung zwi­schen der Wech­sel­span­nung und dem Strom, also den Pha­sen­win­kel erheb­lich ver­grö­ßern.

All­ge­mein gespro­chen ermög­li­chen die­se elek­trisch gela­de­nen Mem­bra­nen die peri­odi­sche Spei­che­rung und Abga­be von Ener­gie als elek­tro­sta­ti­sche und mecha­ni­sche Ener­gie im elek­tri­schen Wech­sel­feld. (Die­se ener­ge­ti­sche Sicht­wei­se ist auch beim Max­well Wag­ner Effekt anwend­bar.) Mecha­nis­men der Zwi­schen­spei­che­rung sind z.B. die Ver­schie­bung von Ladun­gen und die peri­odi­sche Defor­ma­ti­on von Mem­bra­nen. Die­se Pro­zes­se benö­ti­gen jedoch, bedingt durch die end­li­che Geschwin­dig­keit und die Träg­heit, etwas Zeit und ver­ur­sa­chen dadurch eine zeit­li­che Ver­schie­bung zwi­schen Strom und Span­nung, die Phasenverschiebung.

Lebende Zelle als geladene Kugelfläche ohne und mit äußerrem elektrischen Feld.
Leben­de Zel­len als gela­de­ne Kugel­flä­chen (innen nega­tiv, außen posi­tiv) mit dem Mem­bran­po­ten­ti­al ΔV (a) ohne und (b) mit äuße­rem elek­tri­schen Feld. Durch das elek­tri­sche Feld kommt es zu Ladungs­ver­schie­bun­gen an der Kugel­ober­flä­che [Prodan2008].

Wenn ein elek­tri­sches Wech­sel­feld ange­legt wird, defor­miert sich also die Ladungs­ver­tei­lung an der Mem­bran. Par­al­lel wach­sen die Absto­ßungs­kräf­te zwi­schen den gleich­ar­ti­gen Ladun­gen. Gleich­ar­ti­ge nega­ti­ve Ladun­gen sind inner­halb, die posi­ti­ven Ladun­gen hin­ge­gen außer­halb. Dadurch kommt es zu einer zusätz­li­chen Anzie­hung zwi­schen den Ladungs­ver­tei­lun­gen Innen und Außen. Bedingt durch die nicht­lei­ten­de Lipidmem­bran, ist ein Aus­gleich nicht möglich.

In schwa­chen elek­tri­schen Fel­dern, d.h. bei klei­nen Span­nun­gen oszil­lie­ren die “Ladungs­wol­ken” hin und her und bil­den damit einen Teil des elek­tri­schen Stro­mes. Durch die Träg­heit und Gegen­kräf­te erreicht der Strom der Ladun­gen frü­her sein Maxi­mum als die Span­nung und bewirkt so eine erheb­li­che Pha­sen­ver­schie­bung und Per­mit­ti­vi­tät [Prodan2008].

Der dominierende Faktor ist das Membranpotential

Je grö­ßer das Mem­bran­po­ten­ti­al, des­to stär­ker ist die­ser Effekt. Bei Fre­quen­zen bis zu eini­gen 10 kHz sind die Mem­bran­po­ten­tia­le die domi­nie­ren­de Ursa­che für die Pha­sen­ver­schie­bung [Prodan1999].

Doch wie groß sind Effek­te der Mem­bran­po­ten­tia­le mit denen des Max­well-Wag­ner Effekts in z.B. leben­dem Mus­kel­ge­we­be? Die direk­te Mes­sung ist nicht so ein­fach mög­lich, da die Mem­bran­po­ten­tia­le nicht aus und wie­der ein­ge­schal­tet wer­den kön­nen. Es gibt aller­dings Sus­pen­sio­nen aus Phos­pho­li­pid-Ves­ik­eln, die ähn­li­che phy­si­ka­li­sche Eigen­schaf­ten wie leben­de Zel­len auf­wei­sen. An die­sen erfolg­ten Mes­sun­gen der Per­mit­ti­vi­tät.

Links ist die Per­mit­ti­vi­tät für Mus­kel­ge­we­be in Abhän­gig­keit der Fre­quenz gezeigt [Schwan1954]. Im Ver­gleich dazu ist rechts eine ver­gleich­ba­re Mes­sung mit einer Sus­pen­si­on aus Phos­pho­li­pid-Ves­ik­eln dar­ge­stellt [Schwan1970].

Die Pro­be in einer Puf­fer­lö­sung (ph-Wert: 7.1) wies einen Volu­men­an­teil von 14 % Ves­ik­eln auf. In leben­dem Gewe­be liegt der Zell­an­teil typi­scher­wei­se Fak­tor 4 höher. Ver­gleicht man die Per­mit­ti­vi­tät — und damit indi­rekt den Pha­sen­win­kel — z.B. bei 10 kHz, so ergibt sich beim Mus­kel­ge­we­be ein Wert von etwa 10⁵ in der Sus­pen­si­on von Ves­ik­eln hin­ge­gen nur 250. Unter Berück­sich­ti­gung des Fak­tor 4 kommt man auf hun­dert mal höhe­re Wer­te für leben­des Gewe­be. Bei nied­ri­ge­ren Fre­quen­zen wird die­ser Effekt noch grö­ßer, bei höhe­ren Fre­quen­zen hin­ge­gen klei­ner.

Messung des Permittivität zur Bestimmung des Membranpotentials von Bakterien 

Den domi­nie­ren­den Ein­fluss des Mem­bran­po­ten­ti­als auf den Pha­sen­win­kel nutzt man seit eini­gen Jah­ren, in der mikro­bio­lo­gi­schen For­schung. So bestimm­te man in [Bot2009], aus der Mes­sung der Per­mit­ti­vi­tät bei ver­schie­de­nen Fre­quen­zen von Pro­ben mit leben­den Zel­len (E‑coli Sus­pen­si­on) Ände­run­gen in deren Mem­bran­po­ten­ti­al. Inzwi­schen gibt es eine knapp drei­stel­li­ge Zahl von Arbei­ten, die die­ses Modell zur Bestim­mung des Mem­bran­po­ten­ti­als bei Bak­te­ri­en prak­tisch anwenden. 

Das oben beschrie­be­ne Modell erfasst sehr gut die Situa­ti­on bei Bak­te­ri­en. Die­se haben im Gegen­satz zu unse­ren Zel­len kei­ne Mito­chon­dri­en. Nach mei­nem aktu­el­len Kennt­nis­stand gibt es noch kei­ne ver­öf­fent­lich­ten theo­re­ti­schen Model­le, die zusätz­lich die Effek­te von Mito­chon­dri­en oder ande­ren gela­de­nen Zell­kom­par­ti­men­ten berücksichtigen.

Inter­es­san­ter­wei­se ist die expe­ri­men­tel­le Unter­su­chung der Vita­li­tät von Mito­chon­dri­en mit­hil­fe der Impe­danz­mes­sung, ins­be­son­de­re des Pha­sen­win­kels, heu­te schon eta­bliert [Padmaraj2014], [Chakraborty2015]. Daher sind die Mem­bran­po­ten­tia­le der Mito­chon­dri­en phy­sio­lo­gisch wahr­schein­lich ähn­lich bedeut­sam wie die der Zel­len. Das Fol­gen­de gilt des­halb auch für Mitochondrien.

Phasenwinkel, Vitalität und Körperwasser 

Bei der bio­elek­tri­schen Impe­danz­ana­ly­se am Men­schen wird das Ergeb­nis der Mes­sung vor allem durch die Mus­keln der Arme und Bei­ne bestimmt. Die fol­gen­de Abbil­dung zeigt die Situa­ti­on an Gewe­be. Die­ses ist rechts und links mit klei­nen Elek­tro­den kon­tak­tiert. Dazwi­schen befin­det sich die Pro­be.

Veranschaulichung lebender Zellen mit Membranpotential bei einer Bioimpedanzmessung.
Gewe­be mit leben­den Zel­len zwi­schen zwei Elek­tro­den. Dar­über das Bild einer Zel­le mit Mem­bran­po­ten­ti­al als mikro­sko­pi­scher Ausschnitt.
Ersatzschaltbild eines realen Kondensators
Ein­fa­ches elek­tri­sches Modell des Kör­pers. Ra sym­bo­li­siert den Wider­stand außer­halb der Zel­len. Durch den Wider­stand Ri fließt hin­ge­gen der Strom, der sich aus den Kon­den­sa­tor­ei­gen­schaf­ten C der Mem­bra­nen ergibt.

Der Strom durch das extra­zel­lu­lä­re Kör­per­was­ser weist nur eine klei­ne Ver­schie­bung zur Span­nung auf. Der intra­zel­lu­lä­re Strom hat durch die Wech­sel­wir­kung mit den Mem­bra­nen hin­ge­gen einen viel grö­ße­ren Pha­sen­win­kel. D.h. je höher der Anteil des extra­zel­lu­lä­ren Was­sers und damit des Stro­mes durch den extra­zel­lu­lä­ren Bereich, des­to gerin­ger ist der Pha­sen­win­kel.

So kön­nen z.B. Ent­zün­dungs­pro­zes­se und Herz­schwä­che durch Erhö­hung des extra­zel­lu­lä­ren Was­sers den Pha­sen­win­kel redu­zie­ren.

Schlussfolgerung

Ver­schie­de­ne Fak­to­ren beein­flus­sen den Pha­sen­win­kel. Dazu gehö­ren Mem­bran­po­ten­tia­le, Struk­tu­ren und Medi­en mit unter­schied­li­cher Per­mit­ti­vi­tät und das Ver­hält­nis von extra­zel­lu­lä­rem zu intra­zel­lu­lä­rem Wasser. 

Das Mem­bran­po­ten­ti­al wird durch kom­ple­xe, an Pro­te­ine gebun­de­ne bio­che­mi­sche Pro­zes­se erzeugt. Dafür muss stän­dig Ener­gie in Form von ATP auf­ge­wen­det wer­den. Fak­to­ren, die die ATP-Pro­duk­ti­on und Pro­te­in­syn­the­se behin­dern, wie z.B. Durch­blu­tungs­stö­run­gen oder Man­gel an Nähr- und Vital­stof­fen redu­zie­ren den Pha­sen­win­kel. Für ein hohes Mem­bran­po­ten­ti­al benö­tigt die leben­de Zel­le viel Ener­gie (ATP), eine intak­te Zell­mem­bran und funk­ti­ons­fä­hi­ge Proteine. 

So kön­nen Krebs­zel­len bei­spiels­wei­se nur sehr wenig Ener­gie bereit­stel­len und wei­sen daher ein sehr gerin­ges Mem­bran­po­ten­ti­al auf.

Ver­rin­ge­rung von extra­zel­lu­lä­rem und Erhö­hung von intra­zel­lu­lä­rem Was­ser z.B. durch Mus­kel­auf­bau und Reduk­ti­on von Ent­zün­dungs­pro­zes­sen erhö­hen den Pha­sen­win­kel.

Dar­aus folgt, dass der Pha­sen­win­kel einen pra­xis­re­le­van­ten Indi­ka­tor für die Vita­li­tät basie­rend auf den Zell­funk­tio­nen darstellt.

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