Medizinische Grundlagen

Atmung unter HypoxieUm den in der Luft vorhanden Sauerstoff nutzen zu können, hat die Evolution den menschlichen Organismus mit verschiedenen Fähigkeiten ausgestattet, denn ohne Sauerstoff ist das menschliche Leben unmöglich. Die Atemorgane stellen dabei den Mittelpunkt dar. Über die Nase oder den Mund strömt die Luft in die Luftröhre und gelangt von dort in die Lunge. Hier sammeln sich der Sauerstoff an den Lungenbläschen und kann von dort in den Blutkreislauf aufgenommen werden. Gleichzeitig liefert das Blut Kohlenstoffdioxid in den Alveolen ab, das mit dem nächsten Atemzug den Körper verlässt. So lässt sich sehr vereinfacht die menschliche Atmung erklären. Während aber unter Normoxie dem menschlichen Organismus genügend Sauerstoff für seine lebensnotwenigen Prozesse zur Verfügung stehen, ist der Sauerstoffanteil unter Hypoxie wesentlich geringer. Der Körper begegnet diesem Umstand kurzfristig mit zum Teil sehr heftigen Reaktionen, um das Defizit ausgleichen zu können:

  • Steigerung der Herzfrequenz (auch Ruhepuls)
  • Steigerung der Atemfrequenz (max. Atemminutenvolumens)
  • Erweiterung der peripheren Blutgefäße
  • Verengung der zentralen Gefäße

Dynamik der Sauerstoffsättigung, Atem- und Herzfequenz unter Hypoxie

Außerdem produziert der Organismus den HIF-a1. Dahinter verbirgt sich der Hypoxie induzierte Faktor (HIF), ein Protein, welches die Sauerstoffversorgung in der Zelle reguliert. Der HIF löst bei Sauerstoffmangel Entzündungsreaktionen im Körper aus, wodurch schließlich weitere Entzündungsfaktoren gebildet werden. Das Gewebe entzündet sich und die normalen Stoffwechselvorgänge werden gestoppt, z.B. wird die Wirkung des Insulins herabgesetzt. Als Antwort auf die Entzündung werden entgegengesetzte Vorgänge aktiviert. Der Körper bildet Antioxidantien, Reparaturenzyme und weitere antientzündliche Substanzen.

Doch der Hypoxie induzierte Faktor kann noch etwas anderes. Er bewirkt eine Dilatation (Erweiterung) der peripheren Blutgefäße und eine Verengung in den zentralen Gefäßen (Lunge). So „arrangiert“ sich der Organismus mit dem Sauerstoffmangel in der Atemluft und erweitert die Aufnahmekapazitäten für eben weniger Sauerstoffmoleküle. Die Herzfrequenz steigt und die Atemfrequenz erhöht sich merklich.

Diese Symptome werden ungeübte Bergsteiger auf Höhen von bspw. 2500 Metern oder Trainierende beim ersten Besuch in einem Hypoxietrainingsraum schnell spüren. Der Körper reagiert auf den Mangel an Sauerstoff mit der spontanen Ankurbelung aller Prozesse, um die Verknappung schnellstmöglich auszugleichen. Die Atmung wird beschleunigt und der Puls schnellt in die Höhe, wodurch der Blutkreislauf angeregt wird und die Erythrozyten mit größerer Geschwindigkeit zurück zu den Alveolen kehren können. Für einen gesunden Patienten sind diese Reaktionen weitestgehend unbedenklich, solange ein weiterer Aufstieg nur nach einer vernünftigen Akklimatisationszeit erfolgt. Denn:

Der menschliche Organismus besitzt die faszinierende Fähigkeit sich auch an einen Sauerstoffmangel (in einem gewissen Maße) anzupassen. Nach einiger Zeit gelingt es dem Körper seine Prozesse umzustellen und den geringeren Teil an Sauerstoff in der Luft effektiver zu nutzen. Ein längerfristiger Aufenthalt in der Höhe führt dann zu folgenden Erscheinungen:

  • Erhöhung der Anzahl an roten Blutkörperchen (Erythrozyten)
  • Abnahme des Blutplasmavolumens
  • Ökonomisierung der Atmung
  • Verbesserung der Sauerstoffaufnahme und des Sauerstofftransportes (Kapillarisierung, Blutvolumen, Herz-Kreislaufsystem)
  • Erhöhung der Sauerstoffbindungskapazität
  • Verbesserung der Sauerstoffverwertung (Enzymaktivität)
  • Aktivierung des Immunsystems
  • verstärkte Blutneubildung

Die wohl wichtigste „Begleiterscheinung“ eines Anpassungseffektes an Hypoxie ist die Bildung des Erythropoetins, bekannt als EPO. In der Niere wird dieses Hormon produziert und führt dazu, dass im Knochenmark sogenannte Retikulozyten gebildet werden. Diese jungen, noch nicht reifen Erythrozyten gelangen ins Blut, beladen sich langsam mit dem roten Blutfarbstoff Hämoglobin und können schließlich Sauerstoff aufnehmen. Damit erhöht sich die Anzahl der Blutkörperchen, die für den Transport des Sauerstoffs (bzw. des Stoffwechselproduktes Kohlendioxid auf dem Umkehrweg) zur Verfügung stehen. Die Lunge kann besser und vor allem schneller arbeiten und weniger Sauerstoff kann effizienter verarbeitet werden. Aber:

Bei der natürlichen EPO-Bildung des Körpers handelt es sich längst nicht um derartige Dimensionen, wie sie leider durch einige Leistungssportler in den Medien bekannt wurden. Künstlich zugeführtes EPO wirkt um ein Vielfaches stärker als natürliches und lässt die Kontrollwerte zudem weitaus deutlicher explodieren.

Neben der Bildung neuer Blutzellen kann sich nach längerer Zeit des Sauerstoffmangels auch die Lungengröße verändern. Das heißt, die Fläche der Lunge, die zur Sauerstoffgewinnung genutzt werden kann, wird größer. Außerdem stellt der Organismus Teile des Stoffwechsels um. Bei weniger Sauerstoff gehen bestimmte Zellen dazu über, Energie eher aus körpereigenem Fett als aus zugeführten Kohlehydraten zu gewinnen.

Gleichzeitig werden während einer längerfristigen Anpassungsphase des Körpers wohl auch mehr Mitochondrien gebildet. Diese Bestandteile der einzelnen Zellen sind den meisten auch als Kraftwerke der Zelle ein Begriff und vermehren sich durch Zellteilung, die möglicherweise während eines Höhenaufenthaltes stimuliert wird. Besonders wichtig gelten Mitochondrien durch die Produktion von ATP (Adenosintriphosphat), welches die Energiefreisetzung aus der eingenommen Nahrung wesentlich beeinflusst. Leider bedarf es zu diesem Thema noch einiger Untersuchungen und Studien.

Fest steht jedoch, dass folgenden Werten unter Hypoxiebedingungen besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden muss:

  • Erythrozyten
  • Hypochrome Erythrozyten
  • Thrombozyten
  • Hämoglobinkonzentration (Hgb)
  • Bestimmung des Hämatokritwertes (Hct)
  • Mittlerer absoluter Hämoglobingehalt eines Erythrozyten (Mean Corpuscular Hämoglobin – MCH)
  • Mittlere Hämoglobinkonzentration des Einzelerythrozyten (Mean Corpuscular Hämoglobin Concentration – MCHC)
  • Mittleres Erythrozytenvolumen (Mean Cell Volume – MCV)

 

Interviews zum Thema:

Hypoxie – Eine Herausforderung für den Körper!
Ein exklusives Interview mit PD Dr. med. Nikolaus Netzer, Leiter des Hermann Buhl Trainings- und Forschungszentrums in Bad Aibling.

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