W. Renner, G. Wolf, M. Truschnig, U. Langsenlehner, P. Krippl

Wilfried Renner, Gerald Wolf, Martie Truschnig, Uwe Langsenlehner, Peter Krippl

Molekulare Mechanismen der Höhenanpassung und ihre mögliche klinische Bedeutung

Molecular mechanisms of adaptation to high altitude and their potential clinical implication

SUMMARY

The lower amount of oxygen in the atmosphere at high altitude (hypoxia) leads to a row of adaptation processes in the body, such as sensitizing of breath activity, an expression and activation of hormones Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF), Hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1) and Erythropoietin (Epo). VEGF is a signal molecule which has an important function in the vasculogenesis (de novo formation of the the embryonic vascular system) and angiogenesis (development of additional vessels to the existing vascular system). VEGF plays furthermore an important role in the vascularisation of tumors and development of metastases. Elevated VEGF levels have been associated with a worse prediction of different tumors in a variety of studies. A rather fast adaptation to high altitude is mediated by Epo, which stimulates the formation of red blood cells in the bone marrow. Recombinant Epo is used in patients with anemia. The expression of VEGF and Epo is regulated by HIF-1, which plays a key role in response to hypoxia, including the regulation of up to 100 different genes. Recently, HIF-1 stabilizers have been tested as a new therapy option for a variety of diseases. Since HIF-1 is known to be an essential factor for the development and growth of tumors, the application of HIF-1 stabilizers might lead to serious unwanted side-effects in cancer patients. The safety of HIF-1 stabilizers is currently tested in clinical studies. Keywords: High altitude hypoxia, HIF-1, VEGF, erythropoietin, gene expression.

ZUSAMMENFASSUNG

Das mit einem Aufenthalt in der Höhe einhergehende verringerte Sauerstoffangebot in der Umgebungsluft (Hypoxie) führt im Organismus zu einer Reihe von Anpassungsprozessen, wie eine Sensibilisierung der Atemtätigkeit sowie die

Ausschüttung der körpereigenen Hormone Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF), Hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1) und Erythropoietin (Epo). VEGF ist ein Signalmolekül, das sowohl in der Vaskulogenese (de novo Bildung des embryonalen Blutkreislaufes) als auch in der Angiogenese (Aussprossung zusätzlicher Gefäße aus dem bestehenden Blutkreislauf) eine wichtige Funktion hat. Eine wesentliche Rolle spielt VEGF auch bei der Vaskularisierung und Metastasierung von Tumoren, höhere VEGF-Spiegel sind in zahlreichen Studien mit einer schlechteren Prognose bei verschiedenen Tumoren assoziiert worden. Eine schnellere Adaption an Hypoxie wird durch die Ausschüttung von Epo bewirkt, welches im Knochenmark die Neubildung roter Blutzellen stimuliert. Als Therapeutikum wird biotechnologisch hergestelltes Erythropoetin bei Blutarmut eingesetzt. Aktuelle Forschungsarbeiten zeigen, dass der VEGF- und Epo-Erhöhung die Produktion des HIF-1 vorangeht. HIF-1 wird direkt durch einen geringeren Sauerstoff-Partialdruck im Blut aktiviert und kann die Expression von bis zu 100 unterschiedlichen Genen regulieren. Seit kurzem werden HIF-1-Stabilisatoren als neue Therapiemöglichkeit zur Behandlung verschiedener Krankheiten getestet. In der Krebsforschung gilt HIF-1 als ein essentieller Faktor für die Vaskularisierung und Metastasierung von Tumoren, der Einsatz von HIF-1 könnte daher bei Krebspatienten zu einem fatalen Wachstum des Tumors führen. Die Sicherheit und Anwendbarkeit von HIF-1Stabilisatoren muss daher noch in umfangreichen klinischen Tests überprüft werden. Schlüsselwörter: Höhenhypoxie, HIF-1, VEGF, Erythropoetin, Genexpression.

EINLEITUNG

Der starke Aufschwung der molekularen Medizin in den letzten Jahren hat dazu beigetragen, dass die biochemischen und genetischen Grundlagen von physiologischen Phänomenen der Alpinmedizin immer besser erforscht und verstanden wurden. Der Aufenthalt in der Höhe führt zu einer Reihe von physiologischen Veränderungen, die in manchen Fällen eine therapeutische Wirkung haben können, in anderen Fällen aber die Entstehung bestimmter Krankheiten provozieren können. Während sich früher die Alpinmedizin in erster Linie auf das Beobachten und Beschreiben der Anpassung an große Höhen beschränken musste, sind heute bereits einige molekulare Schalter und Mechanismen für diese Veränderungen im Detail bekannt. Ab welchen Höhen kommt es zu Auswirkungen auf den menschlichen Organismus? Wikipedia, eine der wichtigsten Informationsquellen im Internet, definiert den Begriff „High Altitude“ als den Bereich ab einer Meereshöhe von

1.500 Metern – das entspricht in unseren Regionen etwa der Baumgrenze. In Wirklichkeit kann aber natürlich keine scharfe Grenze gezogen werden, bereits der Wechsel von einer Seehöhe von 500 auf 1.000 m führt zu nachweisbaren physiologischen Änderungen im Organismus. Bei der Höhenanpassung muss sich ein Organismus im Wesentlichen an drei physiologische Änderungen anpassen: Kälte, verstärkte UV-Strahlung und geringerer Luftdruck. Die Auswirkungen von Kälte oder UV-Strahlung sind nicht unbedingt spezifisch für die Höhenmedizin, da beide Phänomene auf Meereshöhe ebenso anzutreffen sind wie in großer Höhe. Der Faktor, der eindeutig der Höhenmedizin zuzuordnen ist, ist der in steigender Höhe abnehmende Sauerstoffpartialdruck. In einer Höhe von 3.000 Metern enthält die Atmosphäre nur noch die Hälfte der Sauerstoffmenge wie auf Meeresniveau, in 5.000 Metern ist es gar nur noch ein Drittel (1). Während ein Schutz gegen Kälte und UV-Strahlung durch entsprechende Kleidung leicht zu erreichen ist, ist man dem geringeren Luftdruck in der Höhe weitgehend schutzlos ausgeliefert. Bereits ab einer Höhe von nur 2.500 m kann es zur gefährlichen Höhenkrankheit kommen, die entsteht, wenn der Sauerstoffpartialdruck der Luft rapide abnimmt und der Körper nicht genug Zeit hat, sich auf die neuen Verhältnisse einzustellen. Die geringe Sauerstoffversorgung und der verminderte Druck in den Lungenbläschen haben zur Folge, dass sich vermehrt Flüssigkeit aus den Blutgefäßen in das umgebende Gewebe einlagert. Dies kann besonders Lunge und Gehirn schwerwiegende Probleme bereiten –es entwickelt sich ein Hirnödem (High Altitude Cerebral Edema, HACE) bzw. ein Lungenödem (High Altitude Pulmonary Edema, HAPE) (2, 3). Bei einer langsamen Gewöhnung besitzt der Organismus eine erstaunliche Anpassungsfähigkeit an Änderungen des Umgebungsdruckes. Millionen von Menschen leben in Höhen über 3.500 Metern und haben keinerlei Probleme damit. Bei einem raschen Anstieg auf diese Höhe ist der Körper allerdings noch nicht auf die dortigen Verhältnisse vorbereitet. Zunächst steigt vor allem der Gehalt an roten Blutkörperchen (Erythrozyten). Normalerweise liegt der Anteil dieser Sauerstofftransporter (Hämatokrit) im Blut bei Männern zwischen 42 und 52 Prozent, bei Frauen etwas darunter. Nach Ablauf von zwei Wochen ist dieser Anteil um 10 Prozent gestiegen. Leistungssportler machen sich diesen Effekt beim Höhentraining zunutze, um die Sauerstoff-Transportkapazität ihres Blutes zu steigern. Bei längeren Aufenthalten in extremer Höhe kann der Hämatokrit sogar auf 70 Prozent ansteigen. Neben der Transportkapazität des Blutes verbessert sich auch die Sauerstoffnutzung: In der Muskulatur sprießen neue Kapillaren, die Endversorgungsleitungen des Gefäßsystems. Weiters wird in den Zellen versucht, das geringe Sau-

erstoffangebot der Umgebung bestmöglich zu nutzen: Enzymsysteme in den Mitochondrien, den Energiekraftwerken der Zelle, laufen jetzt auf Hochtouren. Die molekularen Prozesse, die hinter dieser Anpassung an Höhe stehen, sind mittlerweile weitgehend aufgeklärt (4).

HYPOXIE

Das mit einem Aufenthalt in der Höhe einhergehende verringerte Sauerstoffangebot in der Umgebungsluft (Hypoxie) führt im Organismus bei ausreichender Höhe und Aufenthaltsdauer zu einer Reihe von Anpassungsprozessen, die über verschiedene Hormone gesteuert werden (5). Dazu zählen typischerweise eine Sensibilisierung der Atemtätigkeit, also der Ventilation bei Belastung, sowie die Ausschüttung der körpereigenen Hormone Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF), Hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1) und Erythropoietin (Epo) (6, 7). Die physiologischen Anforderungen steigen dabei mit zunehmender Höhe an, bei langsamer Akklimatisation ist bis zu einer Höhe von maximal 5.500 m eine Anpassung des Organismus an den geringen Sauerstoffgehalt der Luft grundsätzlich möglich. Darüber beginnt die sogenannte „Todeszone“, bei der ist für den Menschen eine dauerhafte Anpassung an den geringen Sauerstoffgehalt der Luft nicht mehr möglich.

VEGF

Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) ist ein Signalmolekül, das sowohl in der Vaskulogenese (de novo Bildung des embryonalen Blutkreislaufes) als auch in der Angiogenese (Aussprossung zusätzlicher Gefäße aus dem bestehenden Blutkreislauf) eine wichtige Funktion hat. Wie der Name bereits impliziert, stimuliert dieser Faktor hauptsächlich vaskuläres Endothel, hat aber auch Effekte auf andere Zellen (z.B. Stimulation der Migration von Monozyten und Makrophagen). Das durch VEGF induzierte Wachstum von Gefäßen führt damit zu einer verbesserten Versorgung des Gewebes mit Sauerstoff und Nährstoffen; allerdings ist diese Adaption ein relativ langsamer Prozess, der Wochen bis Monate dauert. Eine wesentliche Rolle spielt VEGF auch bei der Vaskularisierung und Metastasierung von Tumoren, höhere VEGF-Spiegel sind in zahlreichen Studien mit einer schlechteren Prognose bei verschiedenen Tumoren assoziiert worden. Die Verwendung von VEGF-Inhibitoren zur Tumorbekämpfung wird aktuell in mehreren klinischen Studien getestet (8).

ERYTHROPOETIN

Eine schnellere Adaption an Hypoxie wird durch die Ausschüttung von Epo bewirkt. Epo stimuliert im Knochenmark die Neubildung roter Blutzellen, wobei gleichzeitig auch mehr Hämoglobin gebildet wird. Steigt die Gesamthämoglobinmasse im Körper an, so hat dies günstige Auswirkungen auf die Ausdauerleistungsfähigkeit, da sich die Sauerstofftransportkapazität erhöht. Zum anderen gibt es Hinweise dafür, dass Belastungen in Hypoxie zu zusätzlichen Veränderungen auf muskulärer Ebene wie einer Aktivitätserhöhung von Enzymen des Energiestoffwechsels oder einer Zunahme des muskulären Sauerstoffspeichers, dem Myoglobin führen können (8). Als Therapeutikum wird biotechnologisch hergestelltes Erythropoetin vorwiegend bei der Behandlung der Blutarmut von Dialysepatienten, bei denen die Blutbildung infolge eines Nierenversagens gestört ist, und nach aggressiven Chemotherapiezyklen eingesetzt (ATC-Code B03XA). Daneben erwarb sich Erythropoetin durch zahlreiche Dopingskandale insbesondere im Radsport den zweifelhaften Ruf als „Radfahrerdroge“. Höhentraining, bei dem der Organismus unter leichter Hypoxie einem Ausdauertraining unterzogen wird, ist gleichsam natürliches EPO-Doping. Obwohl Höhentraining natürlich nicht unter das Dopingverbot fällt, kann ein damit erzielter erhöhter Hämatokrit mit einer vorübergehenden Sperre des Athleten geahndet werden.

HIF-1

Aktuelle Forschungsarbeiten zeigen, dass der VEGF-Erhöhung die Produktion des HIF-1 vorangeht. HIF-1 wird direkt durch einen geringeren Sauerstoff-Partialdruck im Blut aktiviert und kann die Expression von über 100 unterschiedlichen Genen regulieren, das Hormon HIF-1 ist also sowohl „Sensor“ als auch „Effektor“ (9, 10). Seit kurzem werden HIF-1-Stabilisatoren als neue Therapiemöglichkeit zur Behandlung verschiedener Krankheiten getestet. Die möglichen Anwendungsgebiete sind unter anderem all jene Krankheiten, bei denen bisher Epo eingesetzt wurde, wie beispielsweise Anämien als Folge von Niereninsuffizienz oder Chemotherapien. Die Tatsache, dass HIF-1 zahlreiche andere Gene reguliert, bietet einerseits ein breites mögliches Anwendungsspektrum, andererseits erhöht sich damit die Gefahr von unerwünschten Nebenwirkungen. In der Krebsforschung gilt HIF-1 als ein essentieller Faktor für die Vaskularisierung und Metastasierung von Tumoren, der Einsatz von HIF-1 könnte daher bei Krebspatienten zu einem fatalen Wachstum des Tumors führen. Die Sicherheit

und Anwendbarkeit von HIF-1-Stabilisatoren muss daher noch in umfangreichen klinischen Tests überprüft werden (11). Die Tatsache, dass sowohl VEGF als auch HIF-1 essentiell für das Tumorwachstum sind, führt zu der Frage, ob ein Aufenthalt in der Höhe für Krebspatienten sich nicht nachteilig auswirken könnte. Es gibt derzeit dazu noch keine klare Datenlage, es kann aber heute zumindest nicht ausgeschlossen werden, dass die in der Höhe verstärkte VEGF- und HIF-1-Produktion das Wachstum von Tumoren verstärken würde.

LITERATUR

(1) Wright, A. D.: Birmingham Medical Research Expeditionary Society.

Medicine at high altitude. Clin. Med. 6, 604–608 (2006)

(2) Basnyat, B. High altitude cerebral and pulmonary edema. Travel Med.

Infect. Dis. 3, 199–211 (2005)

(3) Davis, P. R., Pattinson, K. T., Mason, N. P., Richards, P., Hillebrandt, D.: High altitude illness. J. R. Army Med. Corps. 151, 243–249 (2005)

(4) West J. B.: American College of Physicians; American Physiological

Society:The physiologic basis of high-altitude diseases. Ann. Intern. Med. 141, 789–800 (2004)

(5) Nanduri, J., Nanduri, R. P.: Cellular mechanisms associated with intermittent hypoxia. Essays Biochem. 43, 91–104 (2007)

(6) Palma, J., Macedonia, C., Deuster, P., Olsen, C., Mozayeni, B. R., Crutchfield, K. E.: Cerebrovascular dynamics and vascular endothelial growth factor in acute mountain sickness. Wilderness Environ. Med. 17, 1–7 (2006)

(7) Hopfl, G., Ogunshola O., Gassmann M.: Hypoxia and high altitude. The molecular response. Adv. Exp. Med. Biol. 543: 89–115 (2003)

(8) Ruegg, C., Mutter, N.: Anti-angiogenic therapies in cancer: achievements and open questions. Bull. Cancer. 94, 753-762 (2007)

(9) Jelkmann, W.: Erythropoietin. J. Endocrinol. Invest. 26, 832–837 (2003)

(10) Gao W., Gao Y., Zhang G., Song L., Sun B., Shi J.: Hypoxia-induced expression of HIF-1alpha and its target genes in umbilical venous endothelial cells of Tibetans and immigrant Han. Comp. Biochem. Physiol. C. Toxicol. Pharmacol. 141: 93–100 (2005)

(11) Zamudio, S., Wu, Y., Ietta, F., Rolfo, A., Cross, A., Wheeler, T., Post, M.,

Illsley, N. P., Caniggia, I.: Human placental hypoxia-inducible factor1alpha expression correlates with clinical outcomes in chronic hypoxia in vivo. Am. J. Pathol. 170, 2171–2179 (2007)

(12) Asikainen, T. M., White, C. W. HIF stabilizing agents: shotgun or scalpel?

Am. J. Physiol. Lung Cell Mol. Physiol. 293, L555–556 (2007)