Definition der hyperbaren Sauerstofftherapie
Die Hyperbare Sauerstofftherapie wird häufig abgekürzt als "HBO" (für "hyperbare Oxygenation") bezeichnet. Angloamerikanisch ist auch "HBO2" für „hyperbaric oxygene“ üblich. In die "Internationale Klassifikation der Prozeduren in der Medizin" (ICPM) ist die HBO unter No. 8-761 ICPM aufgenommen. Definitionsgemäß wird die Applikation von, in der Regel, 100%-igem, medizinischen Sauerstoff bei über 1 bar Umgebungsdruck als HBO bezeichnet.
Physik und Physiologie der HBO
Sauerstoff unter hyperbaren Bedingungen hat mehrere Wirkungen auf den menschlichen Organismus.
Die Erhöhung des Umgebungsdruckes (mechanischer Effekt) führt dazu, daß das Volumen der Gasblasen, die bei Tauch- oder Überdruckunfällen (DCS), sowie bei iatrogener Luftembolie (AGE) innerhalb der Organsysteme auftreten können, gemäß dem Boyle-Mariott´schen Gesetz (p x V = konst. – Produkt aus Druck und Volumen bleibt konstant.) verkleinert und deren Inhalt dadurch schneller wieder in Lösung gebracht wird.
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Dabei ist jedoch zu bedenken, daß eine Gasblase intravasal nie sphärisch (s. Abb.1), also "kugelig" vorliegt und demzufolge werden sehr hohe Drücke benötigt, damit gerade in der Endstrombahn das Ausmaß der Embolisation deutlich reduziert werden kann. |
Sauerstoffaufnahme und Transport
Der Sauerstofftransport im Blut erfolgt unter Normalbedingungen überwiegend durch die chemische Bindung von O2 an das Hämoglobin der Erythrozyten. Dabei werden 1,36 ml Sauerstoff an 1g Hämoglobin gebunden (Hüfner Zahl). Eine geringe Sauerstoffmenge wird auch bereits bei normobaren Bedingungen physikalisch im Blut gelöst. Dieser Anteil ist jedoch so gering, daß er im Prinzip vernachlässigt wird.
Bei der HBO-Therapie wird vor allem der Anteil von physikalisch im Plasma gelöstem Sauerstoff (Gesetz von Henry) von ca. 0,3 ml O2/dl Blut (bei Normalbedingungen) auf ca. 6,8 ml O2/dl Blut (bei einem Umgebungsdruck von 3 bar und 100% O2) erhöht.
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Unter Normalbedingungen bei Atmung von Luft (1 bar/21% O2/78% N2) beträgt der gemessene arterielle pO2 80-100 mmHg, bei Überdruckbedingungen von 3 bar und Atmung von 100% O2 ungefähr 2200 mmHg! (s. Abb.2) |
Sauerstofftransport im Bereich der Mikrozirkulation
Die Sauerstoffversorgung erfolgt im Bereich der Gewebe über Diffusion und Konvektion aus den Kapillargefäßen, wobei die Diffusionsstrecke für Sauerstoff limitiert ist und durch den Partialdruckgradienten von der Kapillare zum Gewebe wesentlich mitbestimmt wird.
Im Idealfall ist die jeweilige Kapillardichte dem Bedarf entsprechend so angelegt, daß eine ausreichende Versorgung aller Teile des entsprechenden Gewebes gewährleistet ist. Bei einer Kapillarrarifizierung in einem bestimmten Versorgungsgebiet - z.B. durch thermische oder mechanische Schädigung, mikroangiopathische Veränderungen, Bestrahlung etc. oder bedingt durch Ödeme - werden die Diffusionsbedingungen für Sauerstoff und damit die Voraussetzungen zur Versorgung der Zellen beeinträchtigt, so daß eine Gewebshypoxie mit entsprechend anaerobem Stoffwechsel die Folge ist.
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Bei der Vergrößerung des Diffusionsgradienten durch Erhöhung des Sauerstoffpartialdrucks (pO2) - bis zu 2200 mmHg während der HBO-Therapie verlängert sich die Diffusionsstrecke deutlich bis zum 4-fachen (Krogh-Zylinder-Modell) (s. Abb. 3) im Gegensatz zur normobaren Luftatmung. Somit erreicht der Sauerstoff weiter von der Kapillare entfernt gelegene Bereiche und eine Kapillarrarifizierung oder eine ödem- bedingte Schwellung kann leicht kompensiert werden. |
Physiologische Effekte durch erhöhte Sauerstoffpartialdrücke
Kreislaufeffekte der HBO
Erhöhte Sauerstoffpartialdrücke (pO2) bewirken in hyperoxischen Geweben und Organen eine Reduzierung des Blutflusses. Dieser Effekt des Sauerstoffs ist für eine Vielzahl von Geweben und Organen nachgewiesen und beruht auf einem autoregulatorischen Effekt, da erhöhte Sauerstoffpartialdrücke im Gewebe eine Luxusversorgung darstellen, auf die eine reaktive Vasokonstriktion folgt. Diese Vasokonstriktion hat jedoch unter HBO-Bedingungen keinen wesentlichen Abfall des Sauerstoffpartialdrucks im Gewebe zur Folge, weil auch bei vasokonstriktiv bedingtem Verschluß des Kapillarstromgebietes die Diffusionsstrecke des hyperbar angebotenen Sauerstoffs entsprechend vergrößert ist. Es resultiert jedoch in Organen mit erhaltener Fähigkeit zur Autoregulation ein abschwellender Effekt, so daß eine Ödemreduktion erzielt wird. Der therapeutische Effekt zeigt sich z.B. bei postischämischen Ödemen im Rahmen von Crush-Verletzungen, Kompartment-Syndromen, Verbrennungen oder bei gefährdeten Transplantaten.
Im hypoxischen Gewebe findet der oben beschriebene Regulationsvorgang nicht statt, d.h. mangelversorgtes Gewebe reagiert nicht im gleichen Maß mit einer Vasokonstriktion. Dies bedeutet, daß eine Blutumversorgung in die mangelversorgten Gewebe als sogenannter "inverser Steal-Effekt" auftritt und sich dadurch die Versorgungssituation dieser Gewebe verbessert.
Ein weiterer Effekt besteht aus der Minimierung von Reperfusionsschäden in ehemals ischämischen Arealen. Neben der bereits erwähnten Ödemreduktion in solchen Bezirken kommt es durch erhöhte Sauerstoffpartialdrücke zu einem gewissen Schutz der Mikrozirkulation durch eine Reduktion der Leukozytenadhärenz auf der abfließenden Seite. Dieser Schutz vor Reperfusionsschäden ist nach derzeitigem Kenntnisstand jedoch nur dann gegeben, wenn die HBO- Therapie in einem unmittelbaren zeitlichen Zusammenhang in der Reperfusion stattfindet, d.h. unmittelbar von einer Stunde nach Freigabe der Strombahn.
Wirkung der HBO auf die Angioneogenese und Wundheilung
Die Heilung von Wunden geht mit komplexen Abläufen einher, an denen zahlreiche Zellsysteme und Mediatoren beteiligt sind. Entscheidend für diese Abläufe ist das Milieu in der Umgebung der Wunde. So kann dieser Bereich modellhaft in zwei Kompartimente unterteilt werden: den eigentlichen Wundraum, der hypoxisch, azidotisch, hypoglykämisch, hyperkapnisch, hyperkaliämisch ist und eine hohe Laktatkonzentration aufweist sowie den gut vaskularisierten, in Folge inflammatorischer Prozesse hyperämisierten Wundrandbereich, von dem aus die Reparaturvorgänge einsetzen. Diese Unterschiede im lokalem Milieu sind von großer Bedeutung für die normale Wundheilung, da sowohl eine gewisse Wundhypoxie als auch hohe Laktatkonzentrationen in der Wunde wesentliche Triggerfaktoren darstellen.
Die Migration der für die Wundheilung notwendigen Zellpopulationen erfolgt entlang der Konzentrationsgradienten zwischen Wundrand und Wundzentrum. Auf gleichem Prinzip beruht auch die gerichtete Kapillaraussprossung.
Ist neben einer hohen Laktatkonzentration auch eine initiale Wundhypoxie als Triggermechanismus von Bedeutung, so ist für den geregelten Ablauf eines Teils der beschriebenen Prozesse jedoch Sauerstoff essentiell nötig.
So benötigen die meisten an der Wundheilung beteiligten Zelltypen ein Mindestmaß an Sauerstoff für die Aufrechterhaltung des Zellstoffwechsels, Proliferation und Freisetzung von Wachstumsfaktoren und Zytokine.
Daher finden in ausgeprägt hypoxischen Wundbezirken kaum Zellteilungen statt. Auch die Kollagensynthese durch Fibroblasten ist sauerstoffabhängig, denn die Aminosäure Prolin im Kollagenmolekül wird sauerstoffabhängig hydroxyliert- ein Syntheseschritt, der als limitierend für die extrazelluläre Kollagenablage angesehen wird.
Darüber hinaus ist Sauerstoff für die Quervernetzung der Kollagenketten untereinander und damit für die Endfestigkeit des Ersatzgewebes essentiell, denn der für diesen Syntheseschritt zuständigen Lysin-Hydroxylase dient molekularer Sauerstoff als Substrat.
Dies wird durch die Beobachtung bestätigt, daß unter systemischen Hypoxiebedingungen die Heilungsrate vermindert ist.
Neuere Ergebnisse zeigen außerdem, daß die Fibroblastenproliferation mit HBO dosisabhängig stimulierbar ist.
Eine adäquate Sauerstoffversorgung führt daher zu einer vermehrten Kollagenproduktion, verbesserter Quervernetzung und zu einer erhöhten Proliferationsrate der an der Wundheilung beteiligten Zellen, die ihren Ausdruck in einem Anstieg des RNA-/DNA-Quotienten findet.
Die Menge und der Vernetzungsgrad des Kollagens in einer heilenden Wunde korreliert also in gewissen physiologischen Bereichen direkt mit dem Gewebe-pO2 (Sauerstoffpartialdruck im Gewebe).
Beim Erwachsenen bildet die chronische Hypoxie einen wesentlichen Stimulus für die Angiogenese.
Um die Kapillardichte im Gewebe zu erhöhen, ist jedoch andererseits ein steiler Sauerstoffgradient vom Wundrand zum –zentrum nötig. Wie bereits beschrieben, geht die Angioneogenese vom gut oxygenierten Wundrand mit niedrigen Laktatwerten aus. Die Gefäßaussprossung erfolgt entlang des Gradienten in Richtung auf das hypoxische und mit hohen Laktatwerten belastete Wundgebiet.
Obwohl einige Angioneogenesefaktoren besonders durch niedrige Sauerstoffspannung getriggert werden, findet die stärkste Antwort auf diesen Proliferationsreiz jedoch in hyperoxischen Venolen des Wundrandes statt.
Ein hoher Sauerstoffpartialdruck (pO2) scheint jedoch die Antwort auf angiogenetische Faktoren zu verstärken.
Wird letztlich das Sauerstoffangebot erhöht und über diesen Mechanismus eine Gewebematrix geschaffen, kann auch die Kapillardichte zunehmen. Die Gewebsoxygenierung wird somit nachhaltig verbessert.
So wurde z.B. im Tiermodell in vorbestrahlten Geweben nach einer HBO-Behandlung eine 8-9 -fach höhere Kapillardichte nachgewiesen als bei nichtbehandelten Kontrollgruppen.
Effekte der HBO auf den Knochen
Im hypoxischen Knochen werden durch eine HBO-Therapie sowohl die Osteoklasten als auch die Osteoblasten aktiviert. Die HBO ermöglicht daher bei hypoxiebedingten Problemen im Bereich des Knochengewebes sowohl einen vermehrten Abbau nekrotischen Materials durch eine verstärkte Osteoklastenaktivität als auch eine Knochenremodellierung durch eine sauerstoffinduzierte Osteoblastenaktivierung. Bei freien Knochentransplantaten wurde eine raschere Einheilung beschrieben. Weitere Wirkmechanismen bezüglich einer Osteomyelitis/Osteitis werden auch unter "Effekte der HBO auf das Immunsystem und Bakterien" beschrieben.
Effekte der HBO auf das Immunsystem und auf Bakterien
Naturgemäß bilden Anaerobierinfektionen oder Infektionen mit anaerob-aerober Mischflora eine Indikation für die HBO-Therapie, da eine direkte bakterizide Wirkung gegenüber anaeroben Erregern erzielt wird.
Die bakterizide Wirkung gegenüber gasbildenden Clostridien (Clostridium perfringens u.a.) ist gut belegt. Darüber hinaus wird die Produktion des von diesen Erregern gebildeten a-Toxins durch die HBO-Therapie unterdrückt.
Neben der beschriebenen bakteriziden Wirkung ist eine bakteriostatische Wirkung gegenüber Escherichia Coli-, Staphylokokken- und Pseudomonasstämmen bekannt. Eine indirekte Wirkung findet sich auch bei Aerobierinfektionen, da die Phagozytosetätigkeit von Granulozyten sauerstoffabhängig und daher in hypoxischen Geweben vermindert ist.
Durch eine suffiziente Re-Oxygenierung wird diese Phagozytose durch Granulozyten angeregt und eine effektivere Infektabwehr bzw. –sanierung erzielt. Zusätzlich ist hyperbarer Sauerstoff in der Lage, die Wirkung von Antibiotika auf Mikroorganismen zu verstärken.
Eine immunmodulierte Wirkung von hyperbarem Sauerstoff wird aus der Erkenntnis postuliert, daß durch erhöhte Sauerstoffpartialdrücke sowohl die Funktion als auch die Anzahl von Leukozyten verändert werden. Ein nachgewiesener Effekt auf mononukleäre Antikörper kann als Erklärungsansatz für positive Effekte der HBO-Therapie bei Autoimmunerkrankungen eine Rolle spielen.
HBO-Behandlung bei CO-Vergiftung
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Kohlenmonoxid (CO) hat eine im Vergleich zu Sauerstoff ca. 250 mal höhere Bindungsaffinität zum Hämoglobin, so daß es Sauerstoff kompetitiv vom Hämoglobin verdrängt. Die Folge ist eine Blockade des Hämoglobins für den Sauerstofftransport zu den Zellen. Auf gleiche Weise kommt es zu intrazellulären Schäden durch eine Blockade der Hämoproteine der Atmungskette. |
HBO-Therapie bei Hörsturz, Knall- oder Lärmtrauma mit/ohne Tinnitus
(akute Perzeptionsstörungen des Innenohres)
In den Leitlinien und Algorithmen der deutschen Gesellschaft für HNO-Heilkunde, Kopf- und Halschirurgie, als auch der deutschen Gesellschaft für Mund-Kiefer und Gesichtschirurgie wird die HBO als Behandlungsoption diagnoseübergreifend bei den Symptomen Ohrgeräusch, Schwerhörigkeit, Taubheit und Schwindel aber auch bei Osteomyelitis und bei Osteoradionekrosen als Behandlungsmöglichkeit angegeben.
Die pathophysiologischen Ursachen von Innenohrfunktionsstörungen sind nicht gesichert. Die Stria vaskularis und die Zellen des Cortischen Organs reagieren auf die unterschiedlichen Schädigungen. Ein Ödem führt zum Verschluß der funktionellen Endgefäße und blockiert letztendlich die Mikrozirkulation. Ein Sauerstoffmangel in der Cochlea behindert zumindest den Funktionsstoffwechsel. Er wird letztendlich, unabhängig von der Art der Noxe, als Endursache für die Funktionseinschränkung gesehen.
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Da die Sinneszellen des Innenohres keine eigene Blutversorgung haben, sondern per diffusionem aus der Perilymphe mit O2 versorgt werden, kommt der Betrachtung des Sauerstoffpartialdrucks (pO2) der Perilymphe in der Scala tympani eine entscheidende Bedeutung zu (Abb.5). Nach den Untersuchungen von K. Lamm verschlechtert sich der pO2 in der Perilymphe unter Infusionsbehandlung wegen des dilutiernden Effektes und wegen Auslösung retrograder Blutströmung in der Vasa spiralia (cochlear steal syndrome) infolge der Dilatation der radierenden Arteriolen. |
Tierexperimentell wurde nachgewiesen, daß der Sauerstoffpartialdruck (pO2) in der gesunden Cochlea unter HBO wesentlich ansteigt (ca. 460%) und noch 1 Stunde nach Therapieende um 60% über dem Ausgangswert liegt (s. Abb. 5), so daß die o.g. Effekte erzielt werden können. Durch die Steigerung des pO2 in der Cochlea und speziell im Bereich der Peri- und Endolymphe ist eine Beeinflussung der metabolisch gestörten Hörsinneszellen möglich.
Da diese über keine blutversorgenden Gefäße verfügen, sondern auf die Sauerstoffversorgung mittels Diffusion angewiesen sind, kann grundsätzlich nur die Erhöhung des umgebenden Sauerstoffpartialdrucks eine Sauerstoffmangelsituation ausgleichen helfen. Dieser HBO-Effekt wird bewiesen durch die Steigerung der Innenohrfunktion und Steigerung der Erholungsgeschwindigkeit nach Schallschäden gemessen an den Mikrophonpotentialen und den Nervenaktionssummenpotentialen.
Infusionsbehandlungen und andere Sauerstoffbehandlungsverfahren erreichen keine vergleichbare Sauerstoffanreicherung im Innenohr, weil sie vorwiegend auf den Sauerstofftransport durch Erythrozyten angewiesen sind und maximal pO2-Werte von 100 kPa (1bar) zulassen.
Nur unter hyperbaren Bedingungen ist eine für die genannten Effekte ausreichende Steigerung des Sauerstoffangebotes auf der Basis extremer Steigerung der physikalischen Lösung im Plasma möglich (s. Gasgesetze).
Diskutiert wird zur Zeit neben der Sauerstoffsubstitution durch HBO vor allem seine Wirkung auf Synapsenödeme, die Hemmung von Transmitterüberflutung (GABA=Gammaaminobutyricacid, Glutaminsäure) der Synapsen und Erhöhung der schnellen Motilität der Haarzellen. Hier könnten auch Unterschiede zu der Kortisonwirkung am Innenohr vorliegen.
Aus den o.g. Sachverhalten sollte also, das ist auch bei den bisher durchgeführten Studien reproduzierbar, bei der HBO-Therapie - ebenso wie bei der Infusionstherapie ein frühest möglicher Therapiebeginn angestrebt werden um deutlich bessere Ergebnisse zu erhalten als es nach einem verzögerten Behandlungsbeginn noch zu erwarten ist.