Alopezie-Hypothese 1 – Energiemangel

Im ersten Teil meiner Artikelserie konntet Ihr lesen, warum genetische Ursachen und ein männliches Steroidhormon für die Alopezie-Epidemie bei Männern verantwortlich gemacht werden. Ich schreibe bewusst von einer Epidemie, denn tatsächlich sind ab einem gewissen Alter beinahe 100 % aller hellhäutigen Männer von der androgenetischen Alopezie in unterschiedlichen Schweregraden betroffen. Bei jeder vierten hellhäutigen Frau über 60 lichtet sich der Schopf ebenfalls und zeigt das typische Muster des sogenannten erblich bedingten Haarausfalls. Es erscheint zumindest zweifelhaft, eine derart hohe Prävalenz nur über Vererbung erklären zu wollen.

Ein Zusammenhang zwischen der Alopezie und dem Steroidhormon Dihydrotestosteron (DHT) ist wissenschaftlich nachgewiesen. Dafür spricht auch die haarerhaltende Wirkung von Finasterid, einem Wirkstoff, der die Synthese von Testosteron in DHT unterdrückt. Trotz des Erfolgs von Finasterid enthält die Vererbungs- und Androgenhypothese Erklärungslücken. Theoretisch können Haarfollikel-Stammzellen während der gesamten Lebenszeit eines Menschen neue Haare produzieren. Trotzdem wachsen die kahlen Stellen nicht mehr zu wenn die DHT-Produktion medikamentös unterdrückt wird. Und warum schreitet die Alopezie im höheren Alter fort, obwohl die natürliche Testosteronproduktion nachlässt?

An der Entstehung der androgenetischen Alopezie sind offenbar noch andere Mechanismen beteiligt. In meiner Artikelserie zur Alopezie stelle ich die gängigsten Theorien und Ergebnisse der wissenschaftlichen Ursachenforschung vor. Ein Grund für den fortschreitenden Verlust der Haarpracht wird im Energiestoffwechsel der Haarfollikel vermutet. Nährstoffmangel und Zellalterung stören die Energieproduktion in den Mitochondrien und lassen die Haarwurzeln verkümmern. Die Theorie des gestörten Zellstoffwechsels nenne ich Energiemangel-Hypothese der Alopezie. Bevor ich auf den Energiestoffwechsel der Haarfollikel eingehe, gibt es eine kurze Erläuterung zum Aufbau und zum Lebenszyklus von Haarfollikeln.

Der Haarfollikel – ein komplexes Mini-Organ

Der Begriff Haarfollikel bezeichnet die längliche Einstülpung der Oberhaut, in der das Haar verankert ist. Der nicht sichtbare Teil unter der Hautoberfläche ist die Haarwurzel. Sie besteht aus dem sogenannten Haarbulbus – auch Haarzwiebel genannt – und der dermalen Haarpapille im Inneren des Bulbus. Die Haarpapille enthält winzige Blutgefäße, welche die Haarwurzel mit Nährstoffen versorgen. Über ein hormonelles Signal regen die Zellen der Haarpapille die Haarfollikel-Stammzellen im Haarbulbus zur Keratinproduktion an (siehe Abbildung unten).

 

Aufbau eines Haarfollikels

(Quelle: Blausen.com staff (2014). „Medical gallery of Blausen Medical 2014“. WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI:10.15347/wjm/2014.010. ISSN 2002-4436. – Own work)

Das Haar wächst indem sich die Zellen im Bulbus mit hoher Geschwindigkeit teilen – im Schnitt alle 23 bis 72 Stunden. Die Zellteilung im Bulbus läuft damit wesentlich schneller ab als in allen anderen Zellen des Körpers. Pro Tag wächst ein Kopfhaar um 0,3 bis 0,4 mm, was einem Längenwachstum von ungefähr einem Zentimeter pro Monat entspricht (1).

Die von den Haarfollikeln produzierten Haare bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff (50 %), Sauerstoff (23 %), Stickstoff (17 %), Wasserstoff (6 %), Schwefel (4 %) und Wasser. Je nach Feuchtigkeit der umgebenden Luft schwankt der Wasseranteil von Haaren zwischen 10 % und über 30 %. 90 % des Trockengewichtes sind Proteine, die als Keratine bezeichnet werden (2).

Der Haarzyklus

Der Lebenszyklus von Haaren verläuft in drei Phasen:

Die Anagenphase bezeichnet die Wachstumsphase des Haares.  Die Dauer der Anagenphase ist nicht bei jedem Menschen gleich, in der Regel dauert sie zwischen zwei und sieben Jahre. Die maximale Haarlänge eines Menschen ist folglich durch die Dauer der Anagenphase begrenzt. Körperhaare wie Augenbrauen haben eine Wachstumsphase von 30 bis 45 Tagen, daher sind sie kürzer als Kopfhaare.

Die Katagenphase dauert zwei bis drei Wochen. In dieser Zeit verkürzt sich der Follikel, der Bulbus löst sich von der Papille, die Zellteilung kommt zum Erliegen und die Wurzel verhornt. Etwa 1 bis 3 % der Haarwurzeln befinden sich dieser Phase.

Die Telogenphase ist die dreimonatige Ruhephase des Follikels, in der die Haarwurzel abgestoßen wird. Nach der Ruhephase beginnt an der Papille ein neues Haar zu wachsen, welches das alte Haar schließlich aus dem Follikel herausschiebt. Ungefähr 8 bis 15 % der Kopfhaare sind in der Telogenphase.

Der Energiestoffwechsel – die Glykolyse

Die Organe und Gewebe im menschlichen Körper beziehen den Großteil ihrer Energie aus Zucker. Die zur Energieerzeugung benötigte Glukose wird mit der Nahrung aufgenommen und kann entweder sofort verarbeitet werden oder mit Hilfe von Insulin als Glykogen gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt durch Glukagon wieder mobilisiert werden. Die Produktion von Haaren hängt in besonderem Maße von der enzymatischen Umwandlung von Glukose in den Haarfollikeln ab. Zwar können Haarfollikel auch aus Fettsäuren und Ketonkörpern Energie gewinnen, diese sind jedoch energetisch betrachtet kein gleichwertiger Ersatz für Glukose (3).

Der Zuckerstoffwechsel wird als Glykolyse bezeichnet und verläuft in zwei Stufen. Im ersten Schritt wird ein Molekül Glukose zu zwei Molekülen Pyruvat und zwei Molekülen Adenosintriphosphat (ATP) abgebaut. Stark vereinfacht sieht die Bilanz wie folgt aus:

Glukose → 2 Pyruvat + 2 ATP

Dabei wird Energie in Form von ATP erzeugt. Die im ATP gespeicherte chemische Energie ist der wichtigste Energieträger für die Zellen lebender Organismen. Die Umwandlung von Glukose in Pyruvat und ATP verläuft anaerob, das heißt sie läuft ohne die Beteiligung von Sauerstoff ab.

Der zweite Schritt der Glykolyse kann mit oder ohne die Verwendung von Sauerstoff erfolgen.

Die aerobe Glykolyse – Zellatmung

Aus der chemischen Reaktion mit Sauerstoff entstehen aus dem Zwischenprodukt Pyruvat Kohlenstoffdioxid und Acetyl-Coenzym A. Das Acetyl-CoA wird im Mitochondrium der Zelle weiter über den Citratzyklus und die Atmungskette zu CO2 und H2O abgebaut. Dabei werden pro Glukosemolekül weitere 30 ATP an Energie gewonnen:

Glukose → 2 Pyruvat + 2 ATP → Acetyl-CoA → C02 + H2O + 30 ATP

Weil bei der aeroben Glykolyse molekularer Sauerstoff oxidiert wird und Kohlendioxid entsteht, wird dieser Stoffwechselweg auch Zellatmung oder mitochondriale Respiration genannt.

Die anaerobe Glykolyse – Milchsäuregärung

Ohne die Verwendung von Sauerstoff wird das Pyruvat in Milchsäure (Laktat) umgewandelt. Dieser als Gärung bekannte Prozess erzeugt keine zusätzliche Energie:

Glukose → Pyrovat + 2 ATP → Laktat

Das bedeutet, dass die zwei Moleküle ATP, welche bei der Oxidation von Glucose zu Pyruvat entstanden sind, die einzige Energieausbeute der Gärung darstellen. Die anaerobe Glykolyse ist damit sehr viel ineffizienter als der aerobe Stoffwechselweg.

Der Pentosephosphatweg – Booster für das Haarwachstum?

Im Haarfollikel werden einzelne Metaboliten der Glukose alternativ für den Pentophosphatweg abgezweigt. Im Gegensatz zur Glykolyse dient der Pentophosphatweg nicht der Produktion von Energie. Er stellt stattdessen das Co-Enzym NADPH her:

Glukose → NADPH

NADPH spielt eine wichtige Rolle für verschiedene anabole Stoffwechselvorgänge. Deshalb ist der Pentosephosphatweg in Zellen, in denen Fettsäuren oder Steroide synthetisiert werden, besonders aktiv. Offensichtlich ist NADPH auch am Haarwachstum beteiligt: In-Vitro-Untersuchungen von Haarfollikeln zeigen, dass 90 % der zur Verfügung stehenden Glukose zu Milchsäure vergoren werden, während nur 10 % aerob abgebaut werden. Von diesen werden bis zu 40 % über den Pentosephosphatweg verstoffwechselt (3). Dagegen findet der Pentosephosphatweg im Muskelgewebe so gut wie gar nicht statt.

Hoher Energiebedarf in der Anagenphase

Um ein Gramm neues Haar zu produzieren, benötigen die Haarfollikel eine Energiemenge von 670 Kilojoule. Das entspricht etwa 160 Kilokalorien (4). Um den hohen Energiebedarf decken zu können, steigt die Stoffwechselaktivität der Haarfollikel in der Anagenphase stark an.

So erhöht sich die Laktatproduktion eines Haarfollikels in der Wachstumsphase auf das Doppelte, gleichzeitig steigt die Aktivität des Pentosephosphatwegs auf das Vierfache an. Die Aktivität des Krebs-Zyklus und damit der respiratorischen Energieerzeugung in den Mitochondrien nimmt um 35 % zu. Über die Atmungskette wird im Wachstum fast dreimal soviel ATP erzeugt wie in der Ruhephase (5).

Offensichtlich muss ein Haarfollikel in der Anagenphase den größten Teil der zusätzlich benötigten Energie über die Zellatmung bereitstellen. Zur Erinnerung: Während bei der Fermentation von Laktat nur zwei ATP pro Glukosemolekül erzeugt werden, liefert die respiratorische Glykolyse ganze 32 ATP. In der Wachstumsphase ist der Haarfollikel also in besonderem Maße von der respiratorischen Fähigkeit der Mitochondrien abhängig. Sind die Mitochondrien beschädigt und funktioniert die Zellatmung nicht oder nur eingeschränkt drohen Haarschäden und Haarausfall.

Glukose, Sauerstoff und Schildrüsenhormone

Damit die Mitochondrien gesund bleiben und über die Atmungskette Energie produzieren können, benötigen sie ausreichend Kohlenhydrate und Sauerstoff. Zwar können Mitochondrien auch Energie aus Fettsäuren und Ketonkörpern gewinnen, die Energieausbeute ist dabei jedoch geringer. In einem In-Vitro-Experiment mit menschlichen Haarfollikeln reichte die so gewonnene Energiemenge nicht aus, um die Haarproduktion aufrechtzuerhalten (3).

Anzahl und Leistungsfähigkeit der Mitochondrien werden maßgeblich von den beiden Schilddrüsenhormonen T3 (Trijodthyronin) und T4 (Tetrajodthyronin) gesteuert. Insbesondere das biologisch hochaktive T3 erhöht den Sauerstoffverbrauch und damit den Energieumsatz der Mitochondrien. Gleichzeitig schützen T3 und T4 die Mitochondrien vor oxidativem Stress, indem sie die Bildung freier Radikale verringern und die Anzahl radikalabbauender Enzyme erhöhen. Ein Mangel an Schilddrüsenhormonen führt zu einer veminderten Haarqualität und Haarverlust (6, 7).

Zellalterung durch oxidativen Stress

Die Oxidation ist eine chemische Reaktion, bei der ein Atom oder Molekül Elektronen abgibt. Ein anderer Stoff nimmt die Elektronen auf und wird dadurch reduziert. Als freie Radikale werden besonders reaktionsfreudige Atome oder Moleküle mit mindestens einem ungepaarten Elektron bezeichnet. Hochreaktive Sauerstoffmetaboliten – sogenannte reaktive Sauerstoffspezies (ROS) – werden ständig in den Mitochondrien durch die Oxidation von Fetten, Eiweißen und anderen Stoffen, die der Energiegewinnung dienen, gebildet. Solange die freien Elektronen innerhalb der Atmungskette ihre Funktionen erfüllen, stellen sie kein Problem dar. Läuft die Oxidation in den Mitochondrien jedoch nicht planmäßig ab oder werden zu viele ROS produziert, können sie durch unkontrollierte chemische Reaktionen Zellmembranen und Mitochondrien schädigen.

Oxidativer Stress scheint eine ausschlaggebende Rolle in Alterungsprozessen zu spielen. Mit zunehmendem Alter nimmt die Anzahl freier Radikale im Organismus zu, gleichzeitig sinkt die Produktion körpereigener antioxidativer Enzyme und Moleküle. Eine Folge des oxidativen Stresses sind Ergrauen, nachlassendes Haarwachstum und Alopezie (8). Graue Haare  und Haarausfall in jungen Jahren können also ein Zeichen frühzeitiger Alterung sein. Mitochondriale Schäden werden darüber hinaus mit einer Vielzahl von Krankheitsbildern wie Alzheimer, Atheriosklerose, nichtalkoholischer Fettleber und Depression in Verbindung gebracht (9).

Mehrfach ungesättigte Fette verursachen Stress

In den vergangenen Jahrzehnten hat eine Ursache für oxidativen Stress besonders zugenommen: Der Konsum mehrfach ungesättigter Fettsäuren, darunter die angeblich so gesundheitsfördernden, essentiellen Omega-3-Fettsäuren. Mehrfach ungesättigte Fettsäuren sind chemisch instabil und neigen bei einer Körpertemperatur von 37 °C zur unkontrollierten Oxidation. Da Nahrungsfette unter anderem als Baustoff für Zellmembranen dienen, erhöht der Konsum mehrfach ungesättigter Fettsäuren die Anzahl freier Radikale in den Zellen.

Darüberhinaus blockiert der Abbau von Fettsäuren (Beta-Oxidation) den für das Haarwachstum so wichtigen Pentosephosphatweg. Eine Studie aus dem Jahr 1999 kam zu dem Ergebnis, dass eine enzymbedingte Beschränkung des Pentosephosphatwegs mit einer verkürzten Anagenphase der Haarfollikel und fortschreitender Alopezie einherging (10). Ebenso verbraucht die Beta-Oxidation mehrfach ungesättigter Fettsäuren in der mitochondrialen Matrix das Co-Enzym NADPH (11). In der Folge steht weniger NADPH für die Haarproduktion zur Verfügung.

Ein weiterer Hinweis für den schädlichen Einfluss mehrfach ungesättigter Fettsäuren auf das Haarwachstum ist die Tatsache, dass in der Kopfhaut von Menschen mit androgenetischem Haarausfall große Mengen des Gewebshormons Prostaglandin D2 gefunden werden. Prostaglandin D2 ist ein Entzündungsmediator, der aus Arachidonsäure gebildet wird. Arachidonsäure ist eine vierfach ungesättigte Fettsäure, die der Körper aus Linolsäure bildet. Linolsäure ist in gängigen Pflanzenölen wie Sonnenblumenöl, Rapsöl oder Weizenkeimöl enthalten (12). Zusammen mit dem Steroidhormon Dihydrotestosteron  verursachte Prostaglandin D2 in Versuchen mit menschlichen Gewebekulturen und an Mäusen den sogenannten erblich bedingten Haarausfall. (13,14)

Fazit

Die Energiemangel-Hypothese betrachtet dysfunktionale Mitochondrien als eine Hauptursache der androgenetischen Alopezie. Da die energieintensive Haarproduktion nicht mehr aufrecht erhalten werden kann, verkürzt sich die Anagenphase immer weiter und das Haar verkümmert.

Damit die Mitochondrien „atmen“ können, benötigen sie ausreichend Kohlenhydrate und Sauerstoff. Eine kohlenhydratarme Ernährung ist deshalb kontraproduktiv für das Haarwachstum. Fettsäuren als Energielieferant blockieren die für das Haarwachstum so wichtigen Stoffwechselwege der aeroben Glykolyse und des Pentosephosphatwegs. Mehrfach ungesättigte Fettsäuren erhöhen zudem die Zahl freier Radikale in den Mitochondrien und beschleunigen die Zellalterung.

Die Schilddrüsenhormone T3 und T4 erhöhen hingegen den Sauerstoffverbrauch der Mitochondrien und schützen gleichzeitig vor oxidativem Stress. Wer unter Haaraufall leidet sollte daher seine Schilddrüsenwerte im Auge behalten. Neben dem Hormonspiegel sind Puls und Körpertemperatur gute Indizien für die eigene Stoffwechselrate. Danny Roddy, Autor des Buchs „Hair like a Fox“, empfiehlt beide Werte regelmäßig zu messen. Als optimal bezeichnet er einen Puls von 85 Schlägen pro Minute und eine Körpertemperatur von 37°C (9).

Die Energiemangel-Hypothese alleine kann das Phänomen der androgenetischen Alopezie nicht erklären. Sie ist nur eine Komponente in einem multifaktoriellen Krankheitsgeschehen, dessen Symptom der sogenannte erblich bedingte Haarausfall ist. In meinem nächten Artikel werfe ich deshalb einen Blick auf die möglichen hormonellen Ursachen.

 

Quellen:

  1. https://www.webmd.com/skin-problems-and-treatments/hair-loss/science-hair#1
  2. https://de.wikipedia.org/wiki/Haar
  3. Williams R., Philpott MP., Kealey T. Metabolism of Freshly Isolated Human Hair Follicles Capable of Hair Elongation: A Glutaminolytic, Aerobic Glycolytic Tissue, Journal of Investigative Dermatology, Volume 100, Issue 6, June 1993, Pages 834-840 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022202X93903148
  4. http://longevityfacts.com/baldness-bald-hallmarks-balding/
  5. Kenji, A., et al. Human Hair Follicles: Metabolism and Control Mechanisms.  J. Soc. Cosmet. Chem., 21, 901-924 Dec. 9, 1970. http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.513.2204&rep=rep1&type=pdf
  6. http://www.hormonesmatter.com/thyroid-hormones-mitochondrial-functioning-hair-loss-new-clues-hair-follicles/
  7. Vidali, S., et al. Hypothalamic-Pituitary-Thyroid Axis Hormones Stimulate Mitochondrial Function and Biogenesis in Human Hair Follicles. J Invest Dermatol. 2013 Jun 27. https://www.researchgate.net/publication/255958785_Hypothalamic-Pituitary-Thyroid_Axis_Hormones_Stimulate_Mitochondrial_Function_and_Biogenesis_in_Human_Hair_Follicles
  8. Trüeb, R. Oxidative stress in ageing of hair. Int J Trichology. 2009 Jan;1(1):6-14. https://www.researchgate.net/publication/46095921_Oxidative_Stress_in_Ageing_of_Hair
  9. Danny Roddy. Hair like a Fox: A Bioenergetic View of Pattern Hair Loss
  10. Adachi, K., et al. Activity of glucose-6-phosphate 1-dehydrogenase in hair follicles with male-pattern alopecia. Biosci Biotechnol Biochem. 1999 Dec;63(12):2219-21. https://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.1271/bbb.63.2219
  11. Clejan, S. and Schulz, H. Effect of growth hormone on fatty acid oxidation: growth hormone increases the activity of 2,4-dienoyl-CoA reductase in mitochondria. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/3707134
  12. https://de.wikipedia.org/wiki/Linols%C3%A4ure
  13. https://de.wikipedia.org/wiki/Prostaglandin_D2
  14. Garza, L., et al. Prostaglandin D2 Inhibits Hair Growth and Is Elevated in Bald Scalp of Men with Androgenetic Alopecia. Sci Transl Med. Author manuscript; available in PMC 2012 Apr 5. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3319975/

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