M. Burtscher, H. Gatterer, M. Faulhaber

Martin Burtscher, Hannes Gatterer, Martin Faulhaber

Vorakklimatisation durch intermittierende Hypoxie

Pre-acclimatization by intermittent hypoxia

SUMMARY

Acute exposure to high altitude provokes the development of mountain illnesses and decrease of exercise performance. Thus, sufficient acclimatization is of utmost importance for mountaineers, trekkers and athletes performing at high altitude. The main purpose of this paper was to review existing studies and observations on the effectiveness of pre-acclimatization at simulated altitude. Data source: A PubMed search has been performed and preliminary observations from our laboratory have been included. Although some beneficial effects have been demonstrated, it is not possible to draw firm conclusions from the few available studies dealing with effects of preacclimatization at simulated altitude on the reduction of AMS incidence and performance loss at high altitude. For the present, 1-4 hours of daily exposures for 1-5 weeks to simulated altitudes of about 4000 m seem to initiate ventilatory and autonomous nervous system adaptations to high altitude with the potential to reduce AMS development. At least for protocols of short duration, rest during hypoxic exposures seems to be similar effective as exercise. For the more prolonged protocols exercise may be included to enhance exercise performance in hypoxia.

Keywords: intermittent hypoxia, pre-acclimatization, mountaineering, acute mountain sickness, exercise performance

ZUSAMMENFASSUNG

Eine akute Höhenexposition erhöht das Risiko für Höhenerkrankungen und reduziert die körperliche Leistungsfähigkeit. Eine ausreichende Akklimatisation ist für Bergsteiger, Trekker und Athleten, die in der Höhe trainieren oder Wettkämpfe bestreiten, von entscheidender Bedeutung. Dieser Artikel soll einen Überblick über bestehende Studien und Beobachtungen zur Wirksamkeit einer Vor-

akklimatisation unter simulierten Höhenbedingungen geben. Es wurde eine Literatursuche in der Datenbank „Pub-Med“ durchgeführt und mit vorläufigen Beobachtungen aus dem eigenen Labor der Autoren ergänzt. Bislang gibt es nur wenige Studien, die sich mit der Thematik einer Vorakklimatisation unter simulierten Höhenbedingungen zur Reduzierung der Inzidenz der akuten Bergkrankheit (AMS) und dem Leistungsverlust in großen Höhen beschäftigt haben. Obwohl mehrere positive Effekte gezeigt werden konnten, können auf Basis der vorhandenen Ergebnisse keine endgültigen und fixen Schlussfolgerungen gezogen werden. Zum momentanen Zeitpunkt scheinen 1- bis 4-stündige Hypoxie-Expositionen pro Tag über 1–5 Wochen in etwa 4000 m simulierter Höhe Anpassungen im Bereich der Atmung und des autonomen Nervensystems zu bewirken, welche die AMS-Inzidenz reduzieren könnten. Zumindest für kurzfristige Vorakklimatisationsprotokolle dürfte körperliche Aktivität während der HypoxieExpositionen im Vergleich zu rein passiven Aufenthalten keine Vorteile bringen. Für längerfristige Protokolle könnte zusätzliches Training in Hypoxie genutzt werden, um die Leistungsfähigkeit in Hypoxie zu steigern.

Schlüsselwörter: Intermittierende Hypoxie, Vorakklimatisation, Bergsteigen, akute Bergkrankheit, Leistungsfähigkeit

EINLEITUNG

Eine ausreichende Akklimatisation ist unumgänglich, um große Höhen ohne höhenbedingte Beschwerden beziehungsweise „Höhenkrankheiten“, welche die Chance auf einen Gipfelerfolg mindern und unter Umständen auch lebensbedrohliche Formen annehmen können, zu erreichen. Das Risiko für Höhenerkrankungen hängt dabei zu einem großen Teil von der individuellen Anfälligkeit und der Aufstiegsgeschwindigkeit ab (1). Allerdings sind längere Aufenthalte in großen Höhen mit negativen Auswirkungen auf die muskuläre Leistungsfähigkeit und die Energiereserven verbunden, was die Erfolgsaussichten einer Gipfelbesteigung wiederum reduzieren kann (2). Eine Vorakklimatisation unter simulierten Höhenbedingungen könnte das Risiko für Höhenerkrankungen verringern und die Leistungseinbuße minimieren. Mehrere Untersuchungen zeigten positive Auswirkungen einer Vorakklimatisation in künstlicher Höhe (3-7). Die verwendeten Vorakklimatisationsprotokolle (Höhe, Anzahl und Dauer der Expositionen, mit und ohne körperliche Belastung, etc.) unterschieden sich jedoch in wesentlichen Punkten, und es existiert zurzeit noch kein Standardprotokoll zur Vorakklimatisation. Der vorliegende Artikel soll einen Überblick über bereits publizierte Arbeiten und Beobachtungen zur Vorakklimatisation geben. Davon abgeleitet werden vorläufige Empfehlungen für eine wirkungsvolle

Vorakklimatisation für nachfolgende Höhenunternehmungen und Möglichkeiten für die weitere Forschungsentwicklung aufgezeigt.

METHODIK

Die Suche erfolgte über die Datenbank PubMed (Publikationsjahre 1976 bis 2007) mit folgenden Suchbegriffen: intermittent hypoxia, simulated altitude, acclimatization, adaptation, preparation, mountaineering, trekking, acute mountain sickness (AMS), exercise, performance und hypoxic ventilatory response (HVR). Ebenso inkludiert wurden den Autoren bekannte und in Übersichtarbeiten zitierte Artikel. Es wurden die Untersuchungen in die Übersicht aufgenommen, welche die AMS-Inzidenz nach einer Vorakklimatisation unter simulierten Höhenbedingungen (intermittierende Hypoxie) erhoben haben. Von den ausgewählten Studien wird nachfolgend eine ausgeglichene Auswahl besprochen. Zusätzlich werden vorläufige Daten aus eigenen routinemäßigen Höhenvorbereitungen präsentiert und durch eine exemplarische Anwendung von intermittierender Hypoxie an einer zu Höhenlungenödem neigenden Person ergänzt.

ERGEBNISSE

Die Tabelle 1 gibt eine Übersicht über publizierte wissenschaftliche Arbeiten sowie über zwei Fallberichte aus unserem Labor, die sich mit der Wirksamkeit einer Vorakklimatisation durch intermittierende Hypoxie auseinandergesetzt haben. Von diesen Untersuchungen behandelten, neben unseren Beobachtungen, lediglich zwei die Thematik der Vorakklimatisation zur Prävention der akuten Bergkrankheit (4,6) und weitere drei die Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit in der Höhe (3,5,7). Alle konnten positive Effekte nachweisen. Die Hypoxiedauer betrug in diesen Untersuchungen 3 oder mehr Stunden pro Tag für 6 bis 20 Tage bei einem Sauerstoffanteil (FiO2) von 12 % entsprechend 4000 m (3-7). In unseren Fallberichten zeigte bereits eine geringere Hypoxiedosis von 1 Stunde pro Tag für 5-7 Tage bei einem FiO2 von 14-12% positive Wirkungen. Zwischen einem aktiven und einem passiven Aufenthalt in Hypoxie konnten keine Unterschiede festgestellt werden (5,6). Der HVR, sofern gemessen und auch die Ventilation und/oder die arterielle Sauerstoffsättigung (SaO2) während Training, war gesteigert, vorausgesetzt das Training fand über 2500 m statt (3,5,710). Eine Untersuchung konnte zudem einen verbesserten Gemütszustand in Höhe nach 3 Tagen einer 3-stündigen Hypoxievorbereitung feststellen (11), ebenso konnte gezeigt werden, dass die autonome Kontrolle durch Hypoxie vagoton verändert wurde (8). Beobachtungen aus unserem Labor wurden 2005 auf dem Hypoxiekongress in Bad Reichenhall präsentiert und werden in Folge dargelegt.

Tabelle 1: Art und Effekt der Höhenexposition ausgewählter Studien

Beobachtung 1: Insgesamt wurden 141 Trecker und Bergsteiger beobachtet. 67 davon (58 Männer, 9 Frauen; Alter 21-67 Jahre) absolvierten eine Vorakklimatisation in unserem Labor (1-2 h, auf 3000-5000 m; normobare Hypoxie) an 5 aufeinanderfolgenden Tagen unmittelbar vor Abreise in die Bergregionen. Alle 141 Personen, davon 74 ohne Vorakklimatisation, wurden gebeten, während ihres Aufenthalts einen Fragebogen zur AMS Symptomatik auszufüllen. 10% der Vorakklimatisations-Gruppe entwickelten leichte AMS Symptome, von den Teilnehmern ohne Vorakklimatisation hingegen 30%, wobei der AMS Score höher ausgeprägt war. Aus diesem Grund kann angenommen werden, dass eine Vorakklimatisation durchaus Wirkung besitzt, auch wenn die Untersuchung einige Schwächen aufweist. So kann ein möglicher Placeboeffekt nicht ausgeschlossen werden. Auch fehlen Informationen zur Vorbereitung der beiden Gruppen in natürlicher Höhe.

Beobachtung 2/Fallbericht: Eine 64-jährige Frau, sportlich aktiv, mit einer bekannten Höhenintoleranz entwickelte in einer von uns durchgeführten Untersuchung klare Symptome eines Höhenlungenödems auf 3500 m (nach Gabe von O2 verbesserte sich ihr Zustand). Ein Jahr später, auf einer Trekkingtour im Himalaya musste die Frau aufgrund eines erneuten Höhenlungenödems ausgeflogen werden, erholte sich aber vollständig. Nach 5-jähriger Expeditionsabstinenz plante sie einen erneuten Versuch. Wir exponierten sie, zusammen mit ihrem Partner, einem 30-60 Minuten dauernden Hypoxiereiz an 5 aufeinander folgenden Tagen. Im Verlauf der Hypoxiesitzungen konnte ein deutlicher Anstieg der SaO2 beobachtet werden. In den letzten zwei Tagen waren die SaO2 –Werte in Hypoxie mit jenen ihres Partners, der die Höhe im Allgemeinen sehr gut tolerierte, vergleichbar (Tabelle 2). Im Anschluss daran reiste sie ins Himalayagebiet

Tag 1: Tag 2: Tag 3: Tag 4: Tag 5: HAPE Nicht-HAPE

FiO2/SaO2 (%)

13/59-73 13/85

13/77 13/85

12/79 12/80

12/80 12/81

15/89 15/92

Tabelle 2: Veränderungen der hypoxieabhängigen SaO2-Werte bei einer HAPEempfindlichen und einer nicht HAPE-empfindlichen Person im Rahmen eines 5-tägigen Hypoxieprogrammes ( 1 h/Tag).

(unter medizinischer Aufsicht) und erreichte ohne Probleme Höhen von über 5000 m.

DISKUSSION

Beim Höhenbergsteigen wirken auf den menschlichen Organismus verschiedene Stressoren: Sauerstoffmangel (Hypoxie), niedriger Luftdruck (Hypobarie), Kälte, körperliche und psychische Belastungen, Strahlung, etc.. Der bedeutendste Stressor ist unbestritten die Hypoxie. Bei zu rascher und zu ausgeprägter Hypoxieexposition (= going too high too fast) wird die Anpassungsfähigkeit des Organismus momentan überfordert und lebensbedrohliche Erkrankungen (Höhenlungenöden, Höhenhirnödem) sind die Folgen (1). Um diesen Erkrankungen vorzubeugen, ist eine individuell dosierte, stufenweise Anpassung notwendig. Wie aus den Trainingswissenschaften lange bekannt, führen wiederholte Reize mit ausreichenden Erholungsphasen zu erfolgreicher Adaptation und Leistungssteigerung (12). Daraus könnte man zumindest hypothetisch ableiten, dass auch wiederholte Hypoxiereize eine effektive Vorakklimatisation vor dem eigentlichen Höhenunternehmen (Trekkingtour, Expedition) bedeuten. Unterstützt wird diese Annahme durch Akklimatisationsstrategien, wie sie derzeit von einigen erfolgreichen Höhenbergsteigern praktiziert werden. Sie bereiten sich beispielsweise durch Kurzzeitanstiege in größere Höhen mit nachfolgenden Erholungsphasen in niedrigeren Lagen (intermittierende Hypoxie) vor und sind dann in der Lage, die höchsten Berge in kürzester Zeit zu besteigen. Leider gibt es bis heute nur wenige aussagekräftige Untersuchungen, die sich mit der Effektivität und auch den resultierenden Risiken dieser Strategien beschäftigten und wenn, haben sie unterschiedliche und damit kaum vergleichbare Expositionsprotokolle verwendet (Tabelle 1). Daraus können zwar vorsichtige Annahmen für die Wirksamkeit intermittierender Hypoxie zur Vorakklimatisation abgeleitet werden, eine differenzierte Beurteilung der unterschiedlichen Protokolle bleibt allerdings spekulativ. Nahezu alle Untersuchungen zur AMS-Inzidenz und psychophysischen Leistungsfähigkeit nach intermittierender Hypoxie fanden zumindest einzelne positive Aspekte (3-7, unsere eigenen Studien). Diese Effekte scheinen unabhängig davon, ob die Kurzzeit-Hypoxie-Expositionen passiv oder bei körperlicher Aktivität absolviert wurden. Eine Expositionsdauer von 14 Stunden pro Tag für zumindest 1 Woche scheint notwendig, um nachweisbare Akklimatisationseffekte hervorzurufen. Diese Akklimatisationswirkungen dürften für 3 – 7 Tage anhalten. Der verwendete Hypoxiegrad lag meist um 12 % FiO2, was einer Höhe von etwa 4000 m entspricht. Nur 1 Studie deutet darauf

hin, dass moderatere Hypoxie (15,5 % FiO2) zumindest die HVR nach 1 Woche intermittierender Hypoxie nicht steigert (13). Wurde allerdings die Gesamtexpositionszeit z.B. auf 25 Tage ausgedehnt, wurde die HVR erhöht (14). Eine ausreichend hohe HVR und adäquate Hyperventilation und arterielle Sauerstoffsättigung (SaO2) scheinen die bedeutendsten Akklimatisationseffekte nach intermittierender Hypoxie darzustellen (3-10, 14-20). Personen mit einer besonderen AMS-Anfälligkeit, besonders HAPE-anfällige Personen, zeigen durchwegs eine niedrige HVR (21, 22). Unser Fallbericht bestätigt, dass die Anhebung einer niedrigen HVR durch intermittierende Hypoxie der HAPE-Entwicklung bei nachfolgendem Höhenaufenthalt vorbeugt. Allerdings darf nicht vergessen werden, dass die Höhenakklimatisation einen komplexen Prozess mit einer Fülle von biologischen Reaktionen neben der Hyperventilation darstellt. In den ersten Stunden/Tagen der Höhenexposition, wenn Höhenerkrankungen besonders häufig auftreten, scheinen Veränderungen des autonomen Kontrollsystems und vermutlich auch begleitende renale Reaktionen in den Akklimatisationsprozess involviert zu sein (23). Die Abbildung 1 zeigt einen schematischen Überblick über physiologische Antworten auf akute und subakute Höhenexposition, die durch intermittierende Hypoxie im Sinne einer Vorakklimatisation beeinflusst werden könnten. Hyperventilation und gesteigerte Sympathikotonie mit Erhöhung von Herzfrequenz und Herzminutenvolumen verbessern die hypoxiebedingte Einschränkung der Sauerstoffversorgung der Gewebe. Kardiopulmonale Hypoxiereaktionen verlaufen typischerweise nach einem gut definierten Muster, welches durch Hyperventilation, Anstieg von Herzfrequenz und Herzminutenvolumen, durch pulmonal-arterielle Vasokonstriktion, Abfall des peripheren Gefäßwiderstandes, einen moderaten Anstieg des systemischen Blutdruckes und eine Blutumverteilung zu Gunsten von Organen mit hohem Energiebedarf, z.B. Gehirn, Herz, Skelettmuskulatur, charakterisiert ist (24-26). Außerdem ist der Kohlenhydratmetabolismus in akuter Hypoxie über den damit verbundenen Sympathikotonus beeinflusst, was sich in vergleichsweise hohen Blutlaktatkonzentrationen bei körperlicher Aktivität äußert (27). Während die Ventilation bis auf ein bestimmtes Maß im Rahmen der Akklimatisation ansteigt und auch erhöht bleibt, scheinen akute Auswirkungen der erhöhten autonomen Aktivität mit zunehmender Dauer allmählich wieder auf Tallagenwerte zurückzukehren, zumindest gemessen an Herzfrequenz- und Laktatreaktionen bei körperlicher Aktivität (27, 28). Daher kann angenommen werden, dass eine angemessen hohe HVR und niedrige Sympathikotonie bei akuter Höhenexposition Zeichen einer erfolgreichen Vorakklimatisation darstellen. Während die HVR durch intermittierende Hypoxie ohne Zweifel gesteigert werden kann, sind entsprechende Adaptationen des autonomen Nervensytems unklar. Fulco et al. beispielsweise

zeigten, dass Betablockade mit einer Tendenz reduzierter AMS-Inzidenz verbunden war (29). Ledderhos et al. fanden eine verminderte Toleranz auf simulierte Hypoxie (4200 m) bei jungen Männern mit Grenzwerthypertonie (30). Sie beobachteten bei diesen Personen eine übersteigerte sympathikotone Reaktion, verminderte Diurese und eine erhöhte AMS-Inzidenz. Scherrer et al. berichteten über gesteigerte Sympathikusaktivität bei HAPE-empfindlichen Personen (31). Personen mit HAPE-Neigung könnten also von einer HVR-Steigerung und Verminderung des Sympathikotonus durch vorbereitende intermittierende Hypoxie profitieren. Allerdings fanden Lusina et al. nach 1-stündiger Hypoxieexposition pro Tag über 10 Tage eine anhaltend erhöhte sympathische Aktivität in der Skelettmuskulatur, allerdings ohne begleitende hämodynamische Veränderungen (9). Fu et al. konnten keine Veränderungen autonomer Kontrollmechanismen nach 4-wöchiger intermittierender Hypoxie bei jungen Sportlern nachweisen (32). Bernardi et al. hingegen demonstrierten eine gesteigerte HVR und erhöhte Vagusaktivität in progressiver Hypoxie nach 2-wöchiger intermittierender Hypoxievorbereitung (8). Im Gegensatz zur Schlafapnoe scheinen die in den hier angeführten Studien verwendeten Protokolle intermittierender Hypoxie gut verträglich und nicht von einer zunehmenden Steigerung der Sympathikusaktivität begleitet zu sein. Zumindest die Untersuchung von Bernardi et al. weisen auf adaptive Effekte auch des autonomen Nervensystems durch den Einsatz intermittierender Hypoxie hin (8). Außerdem beeinflussen die Sympathikusaktivierung und die Hyperventilation bei akuter Hypoxieexposition die Nierenfunktion (23). Während die Sympathikusaktivierung Antidiurese fördert, wird die Diurese durch die Hyperventilation angeregt. Antidiurese wurde gelegentlich zusammen mit einer erhöhten AMS-Inzidenz beobachtet. Dies lässt zumindest spekulieren, dass eine niedrige HVR und eine gesteigerte Sympathikusaktivierung mit reduzierter Diurese und AMS-Neigung assoziiert sind, während eine hohe HVR und geringe Sympathikusaktivierung in akuter Hypoxie eine gute Hypoxie- oder Höhentoleranz anzeigen sollten. Wenn dies zutrifft, müsste die verminderte AMS-Neigung bei akuter Höhenexposition auch von erhöhter Diurese nach intermittierender Hypoxievorbereitung begleitet sein. Obwohl es etliche Hinweise für die Wirksamkeit von intermittierender Hypoxie zur Vorakklimatisation gibt, gestatten die derzeit verfügbaren Studien keine sicheren Aussagen. Am ehesten scheinen Protokolle zu wirken, die täglich 1-4 Stunden Hypoxie (~ 4000 m) über 1-5 Wochen einsetzen. Ihre Wirkungen zeigen sich vornehmlich an der Steigerung der HVR und möglicherweise an einer Reduktion der hypoxieassoziierten Reaktionen des autonomen Nervensystems. Der Ruheaufenthalt in Hypoxie für die Vorakklimatisation scheint zumindest ähnlich wirksam wie körperliche Aktivität während intermittierender Hypoxie.

Bei länger dauernder Vorbereitung könnte die körperliche Aktivität zusätzlich zur Leistungssteigerung in der Höhe genutzt werden. Für klare Empfehlungen einer individualisierten Vorakklimatisation durch intermittierende Hypoxieexpositionen ist allerdings die Bestätigung durch noch besser kontrollierte Studien notwendig.

Abbildung 1: Schematischer Überblick über ausgewählte physiologische Reaktionen bei akuter Hypoxieexposition (Höhe), welchen im Rahmen der Vorakklimatisation durch intermittierende Hypoxie besondere Bedeutung zukommt.

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