Wie wirkt eigentlich Sauertoff?
1.1. Wirkungen von Sauerstoff
In den Industrienationen bilden Krankheiten wie Schlaganfall, Krebs, Herzerkrankungen und chronische Lungenkrankheiten eine Mehrheit (bis zu 60%) der Gesamtzahl der Todesfälle. In der Pathologie dieser Krankheiten ist Hypoxie eine bedeutende Komponente. Die Nichtverfügbarkeit von Sauerstoff führt zu physiologischen Reaktionen, die, wenn sie nicht gelöst werden, zu lokalisierten hypoxischen Reaktionen, Ineffizienz des Zellstoffwechsels, Funktionsstörungen von Organen und schließlich zum Tod führen können. Sauerstoff wird den meisten dieser Patienten verabreicht, aber die Risiken von Tod und Mortalität bleiben. Das Wissen um die Entstehung von Hypoxie und die damit verbundenen Auswirkungen im Körper ist von entscheidender Bedeutung im Verständnis der theoretischen Wirkmechanismen der Hyperbaren Sauerstofftherapie (HBO) und bei der Einschätzung, wie diese optimal gehandhabt werden können.
1.1.1. Hypoxie
Der Begriff Hypoxie ist quantitativ mit dem Organ-, Gewebe- und sogar dem einzelnen Zelltyp verbunden. Ein hypoxischer Zustand zeigt an, dass eine Unterversorgung mit Sauerstoff vorhanden ist und die Grundfunktion durch diese Unterversorgung beeinträchtigt wird. Grundfunktion in diesem Kontext bedeutet eine normale körperliche oder zelluläre Funktion wie z.B. das Schlagen des Herzmuskels oder ein Neuron, das ein Aktionspotential abfeuert, das auch als Homöostase bezeichnet wird. Hypoxie kann vorübergehend, akut oder chronisch sein. Hypoxische Zustände treten bei einem anhaltenden Mangel an Sauerstoff auf. Einzelne Gewebe haben unterschiedliche Sauerstoffspannungen und Sauerstoffansprüche. Im Durchschnitt verbraucht das Gewebe in Ruhe 5-6 ml O2 pro Deziliter abgegebenes Blut.( 2, 3, 4). Hypoxie wird als ein Zustand definiert, in dem das Gewebe diese Menge an Sauerstoff nicht erhält. Hypoxie wird jedoch fast immer als eine Komponente der Pathologie vieler Krankheitszustände, wie z.B. einer Ischämie wahrgenommen.
Eine Ischämie ist die Einschränkung des Blutflusses im Körper in deren Folge einerseits Sauerstoff, Glukose und Nährstoffe nicht bereitgestellt werden, andererseits Abfallprodukte wie z.B. Kohlendioxid auch nicht entfernt werden können. In diesem Zustand ist die Ischämie eine Unterform der Hypoxie, bei der zusätzlich die Basisfunktion vermindert wird. Sowohl Sauerstoff als auch Glukose sind notwendig für den aeroben Stoffwechsel; daher wirkt Hypoxie unmittelbar auf den Energiezyklus der Zelle, indem ein Sauerstoffungleichgewicht geschaffen wird. Dies führt zur Unfähigkeit der Zellen ihre normalen Funktionen aufrecht zu halten. Wenn das Defizit in der Sauerstoffzufuhr nicht korrigiert wird, übernimmt der anaerobe Stoffwechsel. Dieser kann jedoch nur einen Bruchteil der Energie liefern, die von der Zelle benötigt wird. Glukose wird zur Herstellung von Pyruvat verwendet, was zu Energieproduktion für die Zelle entscheidend ist. Bei einem anaeroben Stoffwechsel wird das Pyruvat in Milchsäure umgewandelt. Wenn die Hypoxie nicht korrigiert werden kann und der aerobe Stoffwechsel nicht wiederhergestellt wird, dann kommt es zum Zelltod und zur Vernarbung des Gewebes. Dies kann letztendlich zu Organfehlfunktionen und zum Tod führen. Zu den Formen der Hypoxie gehören auch Kohlenmonoxid (CO)-Vergiftungen, Ersticken, Schlafapnoe, schwere Anämie, Höhenkrankheit und Ventilations-Perfusions-Fehlanpassung. Die Sauerstoffzufuhr ist unter all diesen Bedingungen genauso beeinträchtigt wie bei einer Ischämie nur die Mechanismen die zu Hypoxie führen sind unterschiedlich, während die Folgen der Hypoxie gleich sind.
Wenn Sauerstoff nicht in ausreichender Menge geliefert wird, reagiert der Körper unmittelbar. Die schnellste Reaktion kommt von den Glomuszellen die die Sauerstoffspannung im Blut durch einen bisher nicht unvollständig verstandenen Mechanismus erfasst, der zu einer Depolarisierung innerhalb Millisekunden führt. Die Glomuszellen befinden sich dorsal an der Gabelung der Arteria carotis communis am Glomus caroticum sowie entlang des Aortenbogens in der Glomera aortica. Die Glomuszellen reagieren auf Änderungen des pO2, pCO2 und pH-Werts im arteriellen Blut.
Dies führt zu physiologischen Reaktionen um die Hypoxie abzuschwächen und das Fortschreiten zur Dysfunktion zu verhindern. Gleichzeitig beginnen auf zellulärer Ebene die sauerstoffsensiblen Enzyme Signalkaskaden zu regulieren, um die interzellulären Umgebung auf die gleiche Art und Weise zu beeinflussen. Diese Kaskaden dienen dazu die Hypoxie abzuschwächen und das Fortschreiten zur Apoptose zu verhindern (3).
1.1.2. Zellulärer Metabolismus von Sauerstoff
Auf der Ebene der Zelle werden 80% des verfügbaren Sauerstoffs von den Mitochondrien verbraucht, während nur 20% von anderen Organellen genutzt werden, was auf die Bedeutung von Sauerstoff im Stoffwechsel hinweist.
Die Mitochondrien fungieren als Kraftwerk der Zelle. Adenosintriphosphat (ATP) ist der universelle und unmittelbar verfügbare Energieträger in Zellen und wichtiger Regulator energieliefernder Prozesse (3).
Sauerstoff wird als Elektronenrezeptor in der Elektronentransportkette (ETC) benötigt. Die durch diese Reaktion erzeugte Energie wird zum Pumpen von Wasserstoffionen über einen elektrochemischen Gradienten außerhalb der Mitochondrien verwandt. Der Wasserstoff diffundiert dann zurück in die Mitochondrien und die erzeugte Energie wird zur Phosphorylierung ADP zur Bildung von ATP genutzt. Interessanterweise ist der Partialdruck zwischen Innen- und Außenmembran der Mitochondrien von nur 1-3 mmHg sehr niedrig obwohl das Mitochondrium den größten Teil des Sauerstoffs in der Zelle verbraucht.
Die Konzentration von Sauerstoff hängt hauptsächlich von der Geschwindigkeit ab, mit der die Mitochondrien Sauerstoff verbrauchen (3). Der Druck an der äußeren Membran ist zu hoch für die Bedürfnisse der Mitochondrien auf Basis myoglobinunterstützter Sauerstoffdiffusion. Auch wenn die Mitochondrien die Fähigkeit haben unter hypoxischen Bedingungen zu funktionieren ist diese Fähigkeit nicht unbegrenzt. Ist die Myoglobinunterstützte Sauerstoffdiffusion durch Hypoxie begrenzt, entwickeln die Mitochondrien ein Ungleichgewicht, das schließlich dazu führt, dass Elektronen quer durch die Mitochondrienmembran vor Erreichen des Komplexes IV austreten.
Immer weniger Elektronen erreichen das Cytochrom-c-Oxidase-Mittel, was dazu führt dass weniger Energie für die Erzeugung von ATP übertragen werden kann. Die Zelle beginnt als unmittelbare Folge des hypoxischen Ereignisses ein Energiedefizit aufzubauen. Wenn dieses Defizit wächst und der Stress nicht durch die körpereigenen und/oder zellulären Antworten reduziert werden kann, reagiert der Körper darauf indem sich die zelluläre Umgebung verändert und der Zelltod eintritt. Studien haben einen Zusammenhang zwischen der Exposition von Hypoxie zu erhöhtem oxidativem Stress, der zur Generierung von reaktiven Sauerstoff- und Stickstoffspeziesführt, hergestellt (4). Freie Radikale, Sauerstoff und Stickstoff sind extrem giftig für Zellen und führen zu Schäden, die den Zelltod, d.h. die Apoptose, auslösen. Der Mechanismus der Bildung freier Radikale ist nicht vollständig bekannt und die Zunahme von freien Sauerstoffradikalen (ROS) bei Hypoxie scheint paradox, wurde aber experimentell beobachtet (4). Von den ROS wurde bisher angenommen, dass sie sich als Ergebnis der direkten Übertragung von Elektronen von reduzierten, stromaufwärts gelegenen Ladungsträgern im Komplex III im ETC gebildet haben.
Die Bedeutung des Sauerstoffs für die Energieversorgung ist entscheidend, weil Sauerstoffmangel zu einem Energiedefizit in der Zelle führt. Ischämie und Hypoxie sind miteinander verbunden, weil Sauerstoff durch das Plasma an das Gewebe abgegeben wird; dadurch kommt es zu einer Verringerung der Blutflusses und reduziert auch die Sauerstoffspannung. Während Hypoxie immer eine Komponente der Ischämie ist, ist die Ischämie nicht immer an einer Hypoxie beteiligt, wie z.B. im Fall einer CO-Vergiftung, bei der der Blutfluss ununterbrochen, aber die Sauerstoffversorgung beeinträchtigt ist. Insofern spielt der Sauerstofftransport im Körper eine entscheidende Rolle bei den Auswirkungen der Hypoxie.
1.1.3. Sauerstofftransport
Während der Atmung gelangt Sauerstoff aus der Umgebungsluft ins Blut. Die Luft strömt durch die Luftröhre und bis den Bronchiolen und schließlich den Lungenbläschen. Hier bringen die pulmonalen Kapillaren Blut nahe genug heran, damit Sauerstoff diffundieren in das Blut kann, wobei es entweder am Hämoglobin bindet oder sich im Plasma auflöst, während CO2 aus dem Blut diffundiert und ausgeatmet wird. Das nun mit Sauerstoff angereicherte Blut wird dann in den linken Vorhof und von dort in die linke Herzkammer gepumpt, von wo es wird in den Körperkreislauf abgegeben wird (2). Das mit Sauerstoff angereicherte Blut wird für die Zellen verfügbar, sobald es das entsprechende Kapillargefäß erreicht hat.
Der Sauerstoff wird über das Plasma in die Zellen übertragen, die Menge des im Plasma vorhandenen Sauerstoffs basiert auf Physikalischen Gesetzen von Dalton und Henry beschrieben. Das Dalton'sche Gesetz besagt, dass der gesamten Partialdruck der Summe der Einzeldrücke von Teilgasmengen entspricht. Dies hat zur Folge, dass der Partialdruck des Sauerstoffs in der Luft auf dem Prozentsatz des Sauerstoffs in der Atmosphäre basiert sowie des barometrische Druck, der je nach Höhe variieren kann, sowie andere Faktoren. Angesichts der Tatsache, dass die Erdatmosphäre zu 20,94% aus Sauerstoff besteht und Luftdruckmessungen auf Meereshöhe 760 mmHg ergeben haben, kann man einem Sauerstoffpartialdruck von ~160 mmHg auf Meereshöhe berechnen. Die Luft in der Luftröhre wird jedoch auch einen Partialdruck ähnlich wie befeuchtetes Wasser haben, dass entspricht ~47 mmHg; eine präzisere Berechnung würde also einen Gasdruck von 713 mmHg und einen Sauerstoffpartialdruck von 150 mmHg.
Der Sauerstoffpartialdruck in der Lunge beträgt also auf Meereshöhe 150 mmHg. Desoxygeniertes Blut welches zurück in die Lunge gelangt, hat einen Sauerstoffpartialdruck von ~40 mmHg. Nach der Diffusion des Sauerstoffs in die Kapillaren beträgt der Sauerstoffpartialdruck im Blut ~100 mmHg. Der Partialdruck des Sauerstoffs im Blut ist also direkt abhängig vom Gradienten zwischen den Teildrücken in den Lungenbläschen und im sauerstoffarmen Blut. Ein größerer Unterschied zwischen diesen beiden Partialdrücken bedeutet mehr diffundierter Sauerstoff aus den Lungenbläschen in das Plasma.
Mit dem Henrys Gesetz wird bestimmt wie viel Sauerstoff bei einem vorgegebenen Druck im Plasma gelöst wird. Das Henrysche Gesetz besagt: Bei einer konstanten Temperatur ist die Menge eines Gases das sich in einer Flüssigkeit auflöst direkt proportional wie das Flüssigkeitsvolumen zum partiellen Druck dieses Gases in der Flüssigkeit. Dies bedeutet, dass die Konzentration eines bestimmten Gases in einer Flüssigkeit im Verhältnis zum Partialdruck steht, den das Gas ausübt, sowie seinen Löslichkeitskoeffizienten. Daher beträgt bei einem Sauerstoff Partialdruck von 100 mmHg mit einem Löslichkeitskoeffizienten von 0,0024 mL O2/(dL Blut pro mmHg), die Menge des Sauerstoffgehalt im Plasma auf Meereshöhe 0,24 mL O2/dL Blut.
Die maximale Konzentration von Sauerstoff im Plasma auf Meereshöhe beträgt nur 0,24 mL O2/dL Blut, aber die Gewebe benötigen 5-6 mL O2/dL Blut für die Homöostase. Die Lieferung von mehr Sauerstoff wird durch das Hämoglobin erreicht, das deutlich mehr als den im Plasma gelösten Sauerstoff bereitstellen kann. Ein Gramm Hämoglobin kann bis zu 1,34 mL O2 transportieren wenn alle vier Bindungsstellen auf jedem Hämoglobin-Molekül besetzt sind.
Die Kapillaren dienen als Orte, an denen Sauerstoff aus dem Plasma auf das Gewebe übertragen wird. Das Hämoglobin fungiert in diesem Zusammenhang als Sauerstoffreservoir. Ein Maximum von 20,24 mL O2/dL Blut kann in das Kapillarbett gelangen, den Rest verbraucht das lokale Gewebe 5 mL O2/dL Blut und hinterlässt das postkapillare Blut mit 15,24 mL O2/dL Blut. Während sportlicher Betätigung kann das Gewebe bis zu 15 mL O2/dL Blut aufnehmen, aber möglicherweise einen noch höheren Bedarf an Sauerstoff haben.
Unter der Annahme einer Kapazität von 15 g/dL-Blut-Hämoglobin (normal ist 11-16 g/dL), kann eine hypothetische Transportkapazität von ~20 mL O2/dL Blut berechnet werden. Dies macht den Gesamtsauerstoffkonzentration im Blut 20,24 mL O2/dL Blut auf Meereshöhe aus.
1.1.4. Reaktionen von Gewebe und Organen auf Hypoxie
Um den erhöhten Sauerstoffbedarf zu decken, gibt es verschiedene physiologische Prozesse, die die Lunge, das Herz und die Gefäße betreffen. Die Herzleistung wird je nach Bedarf durch Schlagvolumen und Herzfrequenz erhöht, wodurch mehr Blut geliefert wird und somit mehr Sauerstoff zu den Kapillaren gelangt. Lungengefäße verengen das Shunting-Blut aus Gebieten mit niedriger Sauerstoffspannung in der Lunge in Bereiche mit höherer Sauerstoffspannung, wodurch der Sauerstoffaustausch im Hämoglobin und Plasma zu maximiert wird. Dies ermöglicht die Erhaltung des Reservoirs von Sauerstoff, der am Hämoglobin in den roten Blutkörperchen gespeichert wird. Durch die Verengung der Lungenkapillaren und Vergrößerung der Lungenbläschen wird eine höhere Sauerstoffaufnahme gewährleistet. Systemische Gefäße erweitern sich, um Gewebe mit höherem Sauerstoffbedarf zu perfundieren und damit die Sauerstoffversorgung unterstützen.
1.1.5. Zelluläre Reaktionen auf Hypoxie
Wenn der Sauerstoffgehalt im Blut sinkt kommt es zu Reaktionen wie die Erhöhung der Atmung und des Blutflusses. Gleichzeitig beginnen einzelne Zellen die an Hypoxie leiden auf die verminderte Sauerstoffspannung zu reagieren. Die Zellen spüren Sauerstoffarmut durch zelluläre Signalübertragung, die mit dem Enzym der Klasse Prolyl-Hydroxylase-Domäne (PHD)-Proteine beginnt (1,6,12). Diese Klasse von Enzymen enthalten sauerstoffsensitive Hydroxylasen, die spezifischen Prolinreste auf der α-Untereinheit des Transkriptionsfaktors Hypoxie-induzierbarer Faktor (HIF) hydroxylieren, was ein Zeichen für die Zerstörung von HIF ist. HIF ist ein Heterodimer bestehend aus Untereinheiten HIF-1α oder HIF-2α, die dimerisieren mit einer HIF-1β-Untereinheit. HIF-1α ist eine allgegenwärtige Untereinheit was bedeutet, dass es in allen Zelltypen produziert wird. Die HIF-2α Untereinheit findet sich in myeloischen Zellen, Leberparenchym, vaskulären Endothelzellen, Typ-II-Pneumozyten und Nieren-Interstitium (6). PHD ist Teil des sauerstoffabhängigen Systems das die HIF hemmt. Ein weiteres Molekül, bekannt als faktorinhibierendes HIF (FIH), dient als weiteres sauerstoffabhängiger System welches das HIF-1 reguliert. Das HIF findet sich in allen kernhaltigen Zellen von Metazoen-Spezies (was den Menschen einschliesst). Dieses Enzym dringt unter niedriger Sauerstoffspannung in den Zellkern ein und führt zur Regulation bestimmter Gene. Bei einer niedrigen Sauerstoffkonzentrationen kann die PHD nicht die Degradation von HIF verursachen, dadurch dringt HIF in den Kern ein und beeinträchtigt Transkription. HIF bindet sich direkt an Promotorsequenzen in der DNA was zu erhöhten Transkriptionsraten bestimmter hypoxischer Reaktionsgene führt (1,6,13-17). Diese Bindung führt zu Veränderungen im Glukose Metabolismus von aerob zu anaerob und einer erhöhten Cytochrom Oxidase-Transkription, Hemmung des Lipidkatabolismus und Förderung der Lipidspeicherung. Darüber hinaus ist die Transkriptionsrate von einigen Genen indirekt durch die Wirkung von HIF vermindert. Für diese Gene erhöht HIF die Transkription von Repressor-Proteinen und die mikroRNAs, die die Transkription hemmen. Durch diese Regulierung der Genexpression erreicht HIF die Umstellung vom oxidativen Metabolismus auf glykolytische Stoffwechsel. HIF spielt auch eine Rolle bei der Erhöhung der Bildung von Erythropoietin (EPO) und vaskulärem endothelialen Wachstumsfaktor (16). Die Enzyme des glykolytischen Zyklus, wie z.B. Laktat Dehydrogenase A und Pyruvat-Dehydrogenase-Kinase 1, sind durch die Aktionen von HIF direkt erhöht (1,17,18). Enzyme wie die Acetyl-CoA in der Tricarbonsäure Säurezyklus zur Durchführung der oxidativen Phosphorylierung werden indirekt von HIF stillgelegt. Die hochregulierten Enzyme hemmen die Bildung von Acetyl-CoA aus Pyruvat und hemmen dadurch die Bildung von ATP aus der oxidativen Phosphorylierung. Das schließt das gesamte Pyruvat welches durch Glykolyse in Laktat umgewandelt aus, was zu Azidose führt.
Diese Prozesse zeigen, dass HIF in der Lage ist anaerobe Atmung als Reaktion auf Hypoxie zu aktivieren. Wenn die Hypoxie einsetzt wird die Funktion der ETC in den Mitochondrien aufgrund von Elektronen die aus den Mitochondrien vor dem Erreichen der Cytochrom-C-Oxidase austreten, verringert. Schließlich hört die Zelle auf Acetyl-CoA an die Zitronensäurezyklus, um eine Überlastung der Mitochondrien zu verhindern. Stattdessen konzentriert sich die Zelle auf die Verwendung von Glukose als Brennstoff und entsorgt die Nebenprodukte dieses Prozesses in Form von Laktat. HIF dient als Signal für die Zelle den aeroben Stoffwechsel zu Gunsten des anaeroben Stoffwechsels aufzugeben.
1.1.6. Regulierung von HIF
Wie bereits erwähnt wird der HIF von zwei sauerstoffabhängigen Mechanismen reguliert. PHD repräsentiert einen Zweig der sauerstoffabhängige Regulierung von HIF, während FIH die sauerstoffunabhängige Regulierung durchführt. Die Enzyme der Familien PHD und FIH verwenden Ascorbat, a-Ketoglutarat und O2 als ihre Substrate, während ihr katalytisches Zentrum Fe2+ enthält (19,20). Die Funktion von PHD ist es, spezifische Rückstände von HIF-1α oder HIF-2α Untereinheiten zu binden und verursacht eine Ubiquitinierung die zum Abbau des HIF im Proteasom führt, wodurch verhindert wird, dass HIF die Gen-Transkription beeinflusst. Die Rolle des FIH besteht darin, die Ko-Aktivatoren zu blockieren und zu verhindern dass es zu einer HIF Aktivierung kommt. Sowohl für FIH als auch für PHD dient Sauerstoff als limitierendes Substrat. Wenn also die Sauerstoffverfügbarkeit normal ist sind PHD und FIH aktiv, wenn die Sauerstoffverfügbarkeit sinkt werden beide inaktiv.
Der HIF wird durch PHD hydroxyliert wodurch es durch das von-Hippel-Lindau (VHL)-Protein erkannt werden kann. Das VHL-Protein ist ein Teil des E3-Ubiquitin-Ligasekomplexes, der Proteine ubiquitiniert zum Abbau des HIF im Proteosom und kann zur VHL-Krankheit mutieren (6,21). Wenn genügend Sauerstoff vorhanden ist, wird HIF im Proteosom abgebaut und die Zelle setzt die aerobe Atmung fort. FIH ist ebenfalls eine Hydroxylase, aber sie richtet sich gegen Asparagylreste auf den HIF-Untereinheiten wodurch die Transkriptionsaktivität von HIF reduziert wird (6,22). HIF erfordert die Bindung der Ko-Aktivatoren p300/CBP wenn es transkriptionell aktiv sein soll (16). P300/CBP erfordert Asparagylreste zur Identifizierung und Aktivierung von HIF. Wenn FIH die Asparagylreste hydroxyliert, sind die Co-Aktivatoren für die Interaktion mit HIF blockiert. Basierend auf dem Km ihrer jeweiligen Hydroxylase-Aktivität ist FIH bei niedrigeren Sauerstoffwerten funktionsfähig im Unterschied zu PHD das bei hohen Sauerstoffwerten aktiv ist (23,24).
Weil das FIH in der Lage ist die hypoxische Reaktion bei niedriger Sauerstoffspannung zu blockieren wird ein System benötigt den FIH zu regulieren, damit der HIF aktiv werden kann, wenn hypoxische Bedingungen herrschen. In Makrophagen wurde eine Klasse von X11-Proteinen gefunden die fähig sind das FIH zu unterdrücken. Konkret handelt es sich um das Protein Mint3/APBA3 mit dem N-Terminus welches in der Lage ist das FIH zu binden und zu sequestrieren und dadurch dem HIF zu ermöglichen die Hydroxylierung von Asparagylresten zu vermeiden (20,25). HIF kann sich dann mit den Co-Aktivatoren p300/CBP assoziieren und an den Kern der Hypoxie-Response-Elemente (HREs) zu binden, die die Promotorregionen für die durch HIF aktivierten Gene sind.
1.1.7. Auswirkungen von HIF
Es ist entscheidend ein Verständnis zu entwickeln, wie HIF die zelluläre Reaktion reguliert um eine Bewertung der Auswirkungen dieses Mechanismus auf eine größere Region im Gewebe treffen zu können. Insgesamt teilen sich HIF-1α und HIF-2α das HRE-binding Sites, sie aktivieren verschiedene Gensätze (26,27). HIF-1α ist gekennzeichnet durch Aktivierung glykolytischer Gene, der Promotion der Angiogenese, der Induktion der Apoptose und der pH-Regulierung über Kohlensäureanhydrase. Im Gegensatz dazu zielt HIF-2α auch auf die Angiogenese, fördert aber auf einzigartige Weise die Zellproliferation durch den Wachstumsfaktor Alpha, die Entdifferenzierung und Invasion. Bei der Höhenkrankheit hat sich gezeigt, dass eine Hypoxie zu einer Entzündungsreaktion mit übermäßigen Mengen an proinflammatorischen Zytokinen, Zellsignalen (wie IL-6 und sein Rezeptor) und C-reaktive Protein führt (6, 28). Die Spiegel dieser Zytokine verursacht die Entwicklung einer vaskulären Leckage und führt in der Folge zu zerebralem oder Lungenödem. Diese Zellsignale sind eine direkte Folge von HIF und seine Veränderung der Transkriptionsaktivität.
An gesunden Freiwilligen die eine gewisse Zeit in der Höhe blieben wurde der Zytokin-Spiegel untersucht. Diese Studien zeigten eine Zunahme der Entzündungs-Marker-Spiegel (22). Studien an Mäusen zeigen, dass der Zytokin-Spiegel selbst innerhalb relativ kurzer Perioden mit niedrigem Sauerstoffgehalt Spannung anstieg (6). Beispiele dafür, wie Hypoxie Entzündungen hervorrufen kann beim Menschen kann bei der Transplantation von Transplantaten beobachtet werden. Organtransplantate reagieren extrem empfindlich auf Hypoxie durch Ischämie, das Risiko eines Transplantatversagens oder einer Abstoßung steigt, sobald eine Hypoxie beginnt eine Entzündung auszulösen (29). Dies ist jedoch kein Zufall, eine Entzündung kann zu verminderter Sauerstoffzufuhr führen und kann das Risiko einer Hypoxie erhöhen und damit einen Kreislauf zu induzieren bei denen Hypoxie Entzündungen verursachen und Entzündungen wiederum eine weitere Hypoxie verursachen.
Im Falle einer entzündlichen Darmerkrankung ist der Link zwischen Entzündung und Hypoxie ist offensichtlich. Nach chirurgischer Resektion einer Darmschleimhaut zur Eindämmung von Morbus Crohn wurden mehr hypoxische Zellen im betroffenen Gebiet nachgewiesen als im Vergleich zur nicht entzündeten Schleimhaut (6,30). Zusätzlich waren die Werte sowohl von HIF-1α als auch von HIF-2α sind innerhalb dieser Läsionen erhöht (31). Dies bietet eine physikalische Grundlage, um nachzuweisen, dass eine Entzündung Hypoxie und Entzündungen bei einer positiven Feedback-Schleife. Die Folge davon ist, dass Hypoxie und Entzündungen in der Krankheitspathologie Hand in Hand gehen. HIF reguliert auch eine Vielzahl angiogenetischer Faktoren in Reaktion auf Hypoxie. Sowohl HIF-1α als auch HIF-2α erhöhen die Transkription des vaskulären endothelialen Wachstumsfaktors, der die Endothelzellen zu proliferieren und neue Gefäße zu bilden (32). Durch eine Vielzahl von proangiogenen Genen stimuliert HIF lokale Angiogenese durch Induktion der Produktion von Angiopoietin, von Blutplättchen abgeleiteter Wachstumsfaktor, fibroblastischer Wachstumsfaktor und basischen Fibroblasten-Wachstumsfaktor (33). HIF-2α reguliert auf einzigartige Weise Erythropoetin (EPO)-Synthese und den Metabolismus von Eisen.
Das EPO HRE ist eine Enhancer-Region für nukleäre Hepatozyten Faktor 4, der mit der EPO-Produktion in der Leber und Nieren zusammenfällt (34,35). Die vollständige Beschreibung der Faktoren, die mit HIF-2α in diesem Prozess sind noch nicht beschrieben worden. HIF-1α hat eine komplexe Beziehung zu Stickstoffmonoxid (NO). Bei niedrigen Konzentrationen scheint NO die Signalisierung und Erleichterung des Abbaus von HIF-1α (36,37). Hohe Konzentrationen von NO unter normoxische Bedingungen scheinen HIF-1α zu stabilisieren, aber unter hypoxischen Bedingungen wirkt NO antagonisierend auf die Wirkung von HIF-1α durch Förderung der PHD-Transkription und Aktivierung durch Erhöhung des intrazellulären freien Eisens (38,39). NO löst die Vasodilatation und die antimikrobielle Wirkung von Makrophagen, die integral mit der Entzündung und Immunität verbunden sind. Es scheint, dass Hypoxie die Beziehung von NO und HIF-1α bestimmt in einer zu diesem Zeitpunkt noch unvollständig verstandenen Art und Weise.
1.1.8. HIF, Entzündung und Immunität
Ein Regulator der Entzündung, NF-κB, ist ein schnell wirkender Mechanismus, der auf ein erhöhtes Stressniveau reagiert (6). Dieser Transkriptionsfaktor kontrolliert die Gentranskription nach Bindung seines Liganden an den jeweiligen Rezeptor, der IKK und IκB Kinase. Aktivierte IKK-Phosphorylate den IκBα Teil des NF-κB Heterodimers. Dies führt zur Dissoziation von IκBα von den transkriptionell Aktiven Anteil, ReIA/p50. IκBα wird dann allgegenwärtig und degradiert durch das Proteasom, während ReIA/p50 in den Kern gelangt und die genetische Expression beeinflusst (40,41). Zu den betroffenen Genen gehören Zytokine, Immunrezeptoren, Zelladhäsionsmoleküle und Stressantwortgene, Regulatoren der Apoptose, Enzyme und andere Transkriptionsfaktoren (42)
Es überrascht nicht, dass NF-κB, das als Reaktion und ein Regulator der Homöostase, mit PHD interagiert (6). Diese Wechselwirkung wird bei Ischämie beobachtet, bei der Hypoxie und HIF-Aktivierung zur Aktivierung von NF-κB führt in Korrelation mit einer Erhöhungen von entzündlichen Zytokinen wie TNF-α (43). Einer der Faktoren, die NF-κB reguliert ist die Transkriptionsebene von HIF-1α (44,45). Hypoxie ist der Auslöser das NF-κB zu aktivieren, NF-κB reguliert auch HIF und die Hypoxie-Reaktion darauf hin in einer positiven Feedback-Schleife.
Dies führt zur Hypothese, dass Hypoxie und Entzündung auf zellulärer Ebene miteinander verbunden sind und zur Erkrankung führen kann.
Entzündung ist ein Teil der Immunantwort und ist die universelle Antwort des Körpers auf Stress auf der Ebene des Gewebes. NF-κB beeinflusst den Ausdruck vieler Aspekte der Abwehrmechanismen, wie zum Beispiel die Erhöhung der antimikrobiellen Faktoren, die die Phagozytose erhöhen und die adaptive Immunität durch Erhöhung der Lichtbildung κ Immunglobulin Ketten (28). Weil HIF mit Entzündungen und NF-κB verstärkt, kann HIF auch eine Rolle im Immunsystem spielen (46). Dies wird in Experimenten nachgewiesen, in denen Phagozyten, denen HIF-1α fehlt, nachweislich nicht in der Lage sind Bakterien effizient eliminieren und stattdessen Geschwüre und Läsionen bilden (47,48). Die Rolle von HIF-1α im Immunsystem beinhaltet die Erhöhung von ATP in myeloischen Zellen in hypoxischem Gewebe, Erhöhung der antibakteriellen Aktivität und Verhinderung von Neutrophilen Apoptose, wodurch sich die Lebensdauer der Neutrophilen in hypoxischen Gewebe verändert (49).
Die VHL-Krankheit dient als Methode zur Bestimmung der Auswirkungen von übermäßigem HIF in normoxischem Gewebe. In diesem Zustand, ein defektes VHL-Protein nicht ubiquitinieren kann und die Zerstörung von HIF nach Hydroxylierung durch PHD verursachen. Neutrophile, unter normoxischen Bedingungen bei VHL-Krankheit, zeigen weniger Apoptose und mehr Phagozytose (50). Die Einflüsse von HIF auf die adaptive Immunität werden beobachtet in Mäusemodelle, in denen sich Mäuse entwickeln, denen HIF-1α fehlt Erhöhungen von Anti-Doppelstrang-DNA-Antikörpern, rheumatoid Faktor, Proteinurie und Immunglobulinablagerungen in der Niere (51). Zusätzlich Mäusemodelle mit erhöhtem HIF-1α zeigen eine höhere Umwandlung von Typ-1-Helfer-T-Zellen in Typ 2 Helfer-T-Zellen. Die Anwesenheit von Helfern des Typs 2 führt zu Hemmung von Typ-1-Helferzellen durch Erhöhung der IL-10 und Verminderung von Interferon-γ.
Darüber hinaus führt HIF zur Ausbreitung einer weiteren Klasse von T-Zellen oder regulatorischen T-Zellen. Diese T-Zellen regulieren extrazelluläre Adenosinspiegel, die die Funktionen der T-Zellen hemmen (6). Während einer Hypoxie wird die Umwandlung von ATP in ADP verstärkt, sowie die Umwandlung von ADP in Adenosinmonophosphat und Adenosinmonophosphat zu Adenosin (52). Die Auswirkungen von HIF umfassen die Erhöhung des Adenosinspiegels und die Hemmung des zellulären Metabolismus von Adenosin und zelluläre Aufnahme von Adenosin (6,53). Dies führt zur Dämpfung der angeborenen Immunität und Entzündung aufgrund verminderter T-Zell-Aktivität, aber nicht vollständig Auflösung. Adenosin dient als entzündungshemmendes Signal für den Grad der Entzündung ausgleichen, aber sie kann nicht vollständig den Entzündungsprozess zu stoppen. Bedingungen der chronischen Entzündung, wie z.B. Morbus Crohn, haben Defizite bei dem Enzym, das Adenosin erzeugt, (39,54) Ergebnisse aus den zuvor erwähnten Publikationen und Experimenten zeigen, wie Hypoxie, Entzündung und Immunität in Zusammenhang stehen.
Hinweise für einen Zusammenhang zwischen Hypoxie und Entzündungsgeschehen nehmen weiter zu. Entzündung und Immunität hat sich seit einiger Zeit als integrale Teile der Abwehrmechanismen des Körpers erwiesen. Neuere Forschungsansätze beginnen darauf hinzuweisen, dass Hypoxie auch im Zusammenhang mit Immunität stehen könnte. Statt Hypoxie, Entzündung und Immunität getrennt zu verstehen, wird ein besseres Verständnis erreicht wenn man diese Prozesse unmittelbar zusammenhänged betrachtet. Die Wechselwirkungen zwischen diesen drei Systemen sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der Homöostase. Ein Ungleichgewicht in irgendeinem Teil beeinflusst das gesamte System. Dieses Ungleichgewicht stört die Homöostase, es könnte zukünftig hilfreich sein, das Ungleichgewicht als primäre oder sekundäre Verletzung in der Entwicklung einer Krankheit zu begreifen.
1.2. Hyperbare Sauerstofftherapie
Wenn Hypoxie zur Krankheit führt, ist der erste Gedanke dem Patienten mehr Sauerstoff zur Verfügung zu stellen um das Sauerstoffdefizit auszugleichen. Es kommt jedoch entscheidend darauf an, wie viel Sauerstoff in das hypoxische Gewebe gelangt.
Mit Dalton's und Henrys Gesetzen können wir sehen, dass die physiologische Wirkung der HBO die Konzentration von Sauerstoff im Plasma verändert und das Hämoglobin dabei unterstützt, die volle Sauerstofftransportkapazität zu erreichen. Weil der Sauerstoffpartialdruck keinen Einfluss auf Tragfähigkeit des Hämoglobins für Sauerstoff hat, bleibt die maximale Menge, die Hämoglobin transportieren kann unverändert bei 20 mL O2/dL Blut. Die einzige Änderung betrifft die Menge des im Plasma gelösten Sauerstoffes. Der Sauerstoff-Partialdruck beträgt 713 mmHg in der Trachea, wenn 100% Sauerstoff einen Patienten zugeführt wird. Dieser Sauerstoffpartialdruck beträgt mit einem Koeffizienten von 0,0024 mL O2/(dL Blut) pro mmHg), was 1,71 mL O2/dL in Plasma gelösten Sauerstoff im Blut ergibt. Insgesamt sind 21,71 mL O2/dL des Blutes der Sauerstoff Gehalt bei der Anwendung von 100% Sauerstoff. Dies ist ein Netto-Anstieg von 1,47 mL O2/dL Blut, d.h. ein Anstieg von nur 7,26%.
Die entscheidende Limitation in dieser Rechnung liegt darin dass Sauerstoff nur in Gebiete mit ausreichender Blutversorgung geliefert werden kann. Bei einer Ischämie erreicht der Sauerstoff die hypoxischen Gewebe nicht und die Verabreichung von 100% Sauerstoff ist nicht ausreichend um die zugrunde liegende Pathologie zu korrigieren.
Die Hyperbare Sauerstofftherapie (HBO) verwendet 100% Sauerstoff eingeatmet bei einem Überdruck in der Druckkammer von 1-3 ata (3, 55). HBO ist also die Verwendung von Sauerstoff als Medikament unter einem definiertem Überdruck zur Behandlung bestimmter Krankheitsprozesse und ihre Erkrankungen (56). Die Auswirkungen der HBO kann zu Veränderungen in der Transkription der DNA führen, zu Veränderungen in den Organellen der Zelle, einer verbesserte Gewebsstruktur und eine effizientere Funktion des Organs. Diese Veränderungen können innerhalb von 25-35 Behandlungen erreicht und dauerhaft erhalten werden (42). Bei einem Überdruck von 3 ATA ist die Menge des im Plasma gelösten Sauerstoffs aufgrund des erhöhten Sauerstoffpartialdruckes deutlich erhöht. Eine Atmosphäre ist äquivalent zu 760 mmHg; daher ist bei 3 ATA der Druck entsprechend 2.280 mmHg. Bei einem Druck von 2.280 mmHg bei 100% Sauerstoffatmung beträgt der Sauerstoffpartialdruck in der Trachea 2.233 mmHg (siehe Tabelle 1). Berücksichtigt man den Löslichkeitsfaktor für Sauerstoff, 0,0024 mL O2/(dL Blut pro mmHg), sowie einen möglichen arteriellen Sauerstoffpartialdruck von größer als 2.000 mmHg, ergibt eine Gesamtmenge von mindestens 4,8 mL O2/dL von im Plasma gelöstem Sauerstoff und einem Gesamtsauerstoffgehalt von 24,8 mL O2/dL im Blut. Dies ist ein Nettozuwachs von 4,56 mL O2/dL des Blutes oder 22,5%. Bemerkenswert ist, dass dies sehr nahe am Sauerstoffbedarf des Gewebes in Ruhe ist. Die Hyperbare Sauerstofftherapie bietet eine einzigartige Methode zur signifikanten Verbesserung hinsichtlich der Menge und des Durchflusses des Sauerstoffes und damit die Verfügbarkeit im betroffenen Gewebe.
1.2.1. Wirkungsmechanismus
Zu den primären oder direkten Auswirkungen gehört die Korrektur des hypoxischen Zustandes durch Erhöhung der Sauerstoffzufuhr und des damit einhergehenden Sauerstoffpartialdruckes, eine antimikrobielle Aktivität und die Abschwächung der HIF-ausgelösten Effekte. Zu den sekundären Auswirkungen gehören indirekte Folgen der HBO, wie zum Beispiel die Verringerung der Bildung von ROS, Steigerung der Heilungsfähigkeit des Körpers, Vasokonstriktion, und Angiogenese sowie die Unterdrückung von Entzündungen (57). Die bei der HBO verwendeten therapeutischen Drücke liegen im Bereich von 1,5 bis 3,0 ATA. Im Allgemeinen werden niedrigere Behandlungsdrücke bevorzugt, um mögliche Nebenwirkungen wie z.B. Barotraumata am Trommelfell oder den Nebenhöhlen zu vermeiden. Da Sauerstoff toxisch ist, kann es zu generalisierten Krampfanfällen in der klinischen Anwendung kommen, sie sind selten, wurden aber berichtet (58). Druck und Dauer der HBO sind in Europa weitgehend standardisiert es gibt gelegentlich Unterschiede zwischen einzelnen Behandlungszentren.
Die unmittelbaren Wirkmechanismen der HBO können bei der Behandlung von CO-Vergiftungen beobachtet werden. Die Pathologie der CO-Vergiftung beruht auf der 200-mal größeren Bindungsaffinität von CO am Hämoglobin anstelle von Sauerstoff. Sobald CO die Lungenbläschen erreicht, konkurriert es mit Sauerstoff um die Bindungsstellen an Hämoglobin. Carboxyhämoglobin ist das Ergebnis dieser Interaktion, das die Fähigkeit von Hämoglobin zur Freisetzung von gebundenen Sauerstoff herabsetzt, was dann zu einer generalisierten Hypoxie führt. Ohne jegliche Intervention beträgt die Halbwertszeit von Carboxyhämoglobin ~5 Stunden (41). Die Auswirkungen des niedrigen Sauerstoffgehaltes hat eine weitere Komponente denn Carboxyhämoglobin bindet sich an die Cytochrom c-Oxidase der ETC (59,60) und verschärft das Energie Defizit aufgrund von Hypoxie. Die Durchführung der HBO im Rahmen einer CO-Vergiftung liefert robuste Ergebnisse. Die Verwendung von 100% Sauerstoff bei einem Druck von 3,0 ata reduziert die Halbwertszeit des Carboxyhämoglobins auf nur 20 Minuten (61,62). Der höhere Sauerstoffpartialdruck während der HBO ermöglicht dem O² eine schnellere Verdrängung des CO vom Hämoglobin und lindert so die Sauerstoff- und Energiedefizite im Körper. Eine schnellere HBO-Behandlung einer CO-Intoxikation korreliert mit weniger Folgeschädigungen.
Ein Sauerstoffmangel prädisponiert zu einem erhöhten Risiko von Infektion aufgrund der Schwächung der Fähigkeit der Neutrophilen Sauerstoffradikale für bakterizide Wirkung zu bilden (63,64). HBO kann dieses Ungleichgewicht des angeborenen Immunsystems wiederherstellen, indem die Regeneration der angeborenen bakteriziden Aktivität der Neutrophilen aber auch durch seine eigene antimikrobielle Wirkung (41). Die bakterizide Aktivität der HBO wirkt gegen einige anaerobe Bakterien wie z. B. das Clostridium perfringens. Die HBO verleiht eine zusätzliche Nutzen der Unterdrückung der Alpha-Toxin-Aktivität.65 Nicotinamid Adenin-Dinucleotid-Phosphat-Oxygenase benötigt Sauerstoff die Bildung von ROS in Phagozyten zu katalysieren, um die Bakterien. Erhöhte Nachfrage nach Sauerstoff durch die Neutrophilen kann durch die HBO gemildert werden, so dass die System ordnungsgemäß funktionieren.66 Bakteriostatische Wirkungen, wie die Unterdrückung des bakteriellen Zellwachstums und der Zellteilung, haben wurde gegen mehrere Escherichia-Arten demonstriert und Pseudomonas und ergaben sich als Ergebnis der direkten Aktion von HBO. Diese direkte Wirkung ist ein Beispiel für die Verknüpfung von Sauerstoff mit der Immunantwort.
Wie bereits diskutiert, benötigt HIF niedrige Sauerstoffkonzentrationen zu dimerisieren und an die HRE zu binden. HBO erzeugt einen hyperoxischen Zustand, in dem die Tätigkeit sowohl der PHD als auch der FIH. Die Block-HIF-Aktivierung ist vor kurzem in Frage gestellt worden. Eine Studie mit Hypoxie, Normoxie und Hyperoxie bei 30% Sauerstoff zeigten, dass Xenotransplantate bei Hyperoxie höhere Konzentrationen von HIF-1α aufweisen (67). Diese Beobachtung muss durch Studien, die das Aktivitätsniveau von HIF bei hyperoxischen Bedingungen untersuchen verifiziert werden. Ohne weitere Daten zur Angabe der HIF-Aktivität in Hyperoxie, es wird angenommen, dass die Aktionen von PHD und FIH würde den Mechanismus der positiven Rückkopplungsschleife unterbrechen wobei Hypoxie Entzündungen und Entzündungen hervorruft induziert Hypoxie und verhindert so die durch diesen Zyklus verursachten Schäden. Zusätzlich hilft die Inaktivierung von HIF den Zellen, ihre oxidativen Metabolismus, wodurch mehr ATP verfügbar wird. Zellen mit mehr ATP sind besser geeignet, den hypoxischen Auswirkungen zu widerstehen und sind daher eher in der Lage, Apoptose und Funktionsstörungen zu vermeiden.
Indirekt führt die HBO zu einer besseren Heilung und weniger Entzündungen durch reduzierte freie Sauerstoffradikale , Vasokonstriktion und Angiogenese. Die heilende Wirkung der HBO beruht auf die sekundären Auswirkungen der Hyperoxie auf das Gewebe. Hyperoxisches Gewebe dehnt sich nicht aus (außer in der Lunge) und verengt sich stattdessen in Extremfällen zu einer situativ gefäßverengungsinduzierte periphere Ischämie (43). Dies ist äußerst hilfreich bei der Reduzierung von Ödemen und der Kontrolle von Sekundärverletzungen. Hohe Sauerstoffkonzentrationen hemmen die Bildung von Superoxiden durch die Neutrophilen und begünstigen die Heilungsprozesse durch Verhinderung weiterer Entzündungen und Gewebsschäden (68). Sauerstoff wird auch von den Fibroblasten benötigt um Kollagen zu bilden und die Angiogenese durchzuführen. Hyperoxisches Gewebe zeigt schnellere und vollständigere Heilung aufgrund des leicht verfügbaren Sauerstoffes der für die Kollagenbildung benötigt wird. Mit einer erhöhten Fähigkeit neue Gefäße zu bilden werden mehr Nährstoffe durch neu gebildete Kapillarbetten schnell in den verletzten Bereich transportiert die wiederum eine bessere Genesung ermöglichen. Der größte Faktor den die HBO hilft indirekt bei der Vermeidung von Reperfusionsschäden. Sobald die Ursache einer Hypoxie behoben ist, führt die Wiederherstellung des Sauerstoffgleichgewichts zu Reperfusionsschäden. Hypoxische oder ischämische Gefäße werden zu Zielen für Neutrophile. Neutrophile heften sich an hypoxische Gefäße und beginnen das lokale Gewebe durch Freisetzung von Proteasen zu vernarben und bilden freie Radikale, die eine extreme Vasokonstriktion verursachen (55, 69). Diese Effekte vermindern den Blutfluss in den lokalen Bereich und enden in der Zerstörung von Gewebe. Dieser Prozess repariert jedoch nicht immer die Gewebe wieder voll funktionsfähig und kann in vielen Fällen zu größeren Funktionsstörungen führen. In tierexperimentellen Studien an Ratten wurde nachgewiesen das die HBO das Anhaften von Neutrophilen an beschädigten Gefäßen zu hemmen vermag und postischämische Vasokonstriktion zu verursachen (55, 70).
Zu den sekundären Vorteilen der HBO gehört die Verringerung der Entzündung, Milderung der Reperfusionsverletzung, Förderung der Wundheilung und Verbesserung der Durchblutung. Die primären Vorteile umfassen erhöhte Sauerstoffspannung, antimikrobielle Wirkung sowie die Blockierung der HIF-Aktivität. Nebenwirkungen von HBO sind selbstlimitierend und aufgrund der Voruntersuchungen vor der Therapie selten (71). Insgesamt ist die HBO eine sichere und gut verträgliche Therapie wenn sie unter der Leitung von erfahrenen Anwendern und zertifizierten Zentren durchgeführt wird.
Literatur bei der UB Georg Rinneberg