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Neuer Antrieb für die höhen- und intensivmedizinische Forschung

Das renommierte Fachjournal PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America) berichtet in seiner aktuellen Ausgabe über die Ergebnisse einer Forschungsarbeit zur Adaption des menschlichen Organismus an höhenbedingten Sauerstoffmangel (Hypoxie). Prof. Erich Gnaiger, seine Mitarbeiterin Verena Laner und der OROBOROS Oxygraph-2k (O2k) - ein Gerät zur Messung der Zellatmung – waren maßgeblich an den wegweisenden Erkenntnissen beteiligt.

Die vom University College London, der University of Southampton und der Duke University USA geleitete Xtreme Everest 2 Expedition führte ein internationales Forschungsteam 2013 in die auf 1.400 Metern gelegene nepalesische Hauptstadt Kathmandu und in das südliche Basislager des Mount Everest auf 5.300 Meter Seehöhe. Vor dem Hintergrund des in diesen Höhen vorherrschenden Sauerstoffmangels sollten mehrere höhenspezifische Forschungsfragen geklärt werden, unter anderem, wie der menschliche Organismus auf Sauerstoffmangel reagiert und warum etwa Sherpas, ein großteils in den östlichen Regionen Nepals lebendes Bergvolk, auch unter extremer Höhenbelastung so leistungsfähig sind. Weil hypoxische Bedingungen nicht nur HöhensportlerInnen, sondern auch PatientInnen mit Herz- und Lungenerkrankungen, Krebs und im Stadium einer Narkose betreffen, lassen Erkenntnisse zu diesen Fragen auch neue Therapieansätze für die Intensivmedizin erwarten.

Optimale Laborwerte  unter extremen Bedingungen
Um die Adaption des menschlichen Organismus an höhenbedingten Sauerstoffmangel untersuchen zu können, ist es notwendig, einen Blick in die Zellen zu werfen. Mitochondrien – kornförmige, winzige Zellorganellen – sind dort für die Zellatmung, die sogenannte „innere Atmung“ und damit für die Umwandlung von Fett, Zucker und Sauerstoff im Energiestoffwechsel verantwortlich. „Mit der Messung der Mitochondrienatmung und anderer zellulärer Funktionen eröffnet sich ein hochinteressantes Forschungsfeld, vor allem für die Höhen- und Sportmedizin, für die Transplantationsmedizin, aber auch die Alternsforschung und die Therapie bei degenerativen Erkrankungen wie Typ-2-Diabetes und Demenz“, weiß ao.Univ.-Prof. Dr. Erich Gnaiger von der Innsbrucker Univ.-Klinik für Visceral-, Transplantations- und Thoraxchirurgie (Direktor Univ.-Prof. Dr. Dietmar Öfner-Velano), der mit seiner Firma OROBOROS INSTRUMENTS GmbH das innovative Messgerät O2k entwickelt hat. Die Tatsache, dass damit beispielsweise die Erhöhung des Sauerstoffumsatzes messbar ist – auch unter extremen Bedingungen –  hatte schließlich auch das Interesse der Xtreme Everest 2 Expedition geweckt.

Adaption, Akklimatisation und Effizienz
In einem Teil des großen Forschungsprojektes ging es nun darum herauszufinden, ob die genetische Adaptation oder die Akklimatisation, also die kurzfristige Anpassung des Körpers an äußerliche Bedingungen, relevant für die Leistungsfähigkeit in großer Höhe ist. Eine Untersuchung menschlicher Muskelzellen direkt vor Ort und ohne Zeitverzögerung sollte aufschlussreiche Ergebnisse bringen. „Unsere Aufgabe war es, anhand von Muskelbiopsien von 15 Sherpas (Highlanders) und 16 Engländern (Lowlanders) mit fünf unserer O2k-Instrumente eine mitochondriale Funktionsanalyse in Kathmandu auf 1.400 Meter sowie im Basislager auf 5.300 Meter Seehöhe – dem bislang höchst gelegenen Ort einer derartigen Laboruntersuchung – durchzuführen, wobei die Sherpas für einen längeren Zeitraum in Kathmandu zu Lowlanders akklimatisiert worden waren und dann zur Messung ihrer mitochondrialen Funktion wieder auf 5.300 Meter gebracht worden waren“, erzählt Gnaiger‘s Mitarbeiterin Verena Laner, die ebenfalls Teil des Expeditionsteams war. Mit dem Vergleich der Gewebeanalysen sollte eine Verbindung von Anpassungsmerkmalen – etwa die vergleichsweise höhere Leistungsfähigkeit von Sherpas in extremer Höhe – mit mitochondrialen Veränderungen hergestellt werden.

Aus vorangegangenen Untersuchungen ist bekannt, dass die aerobe Struktur der Sherpas jener von Langstreckenläufern ähnelt. „Nachdem sich unter Ausdauertraining die mitochondriale Dichte erhöht, aus strukturellen Analysen aber bekannt ist, dass Sherpas weniger Mitochondrien haben, ist anzunehmen, dass die Effizienz der Mitochondrien ausschlaggebend für deren höhere Leistungsfähigkeit unter Hypoxie sein muss“, erklärt der Biologe Erich Gnaiger. Nach Auswertung der Daten aus den Muskelzellen kommen die Mediziner nun zum Schluss, dass die Höhe zu mitochondrialen Veränderungen führt.  Erich Gnaiger: „Sherpas zeigen eine erhöhte Effizienz in der Produktion von ATP (Adenosintriphosphat) und behalten diese erhöhte Effizienz, auch wenn sie ihre Leistung in niedrigeren Tallagen erbringen. In Skelettmuskelbiopsien von Sherpas, deren Zellatmung nach dem Aufenthalt auf 1.400 Meter Seehöhe wieder auf 5.300 Metern gemessen wurde, zeigte sich eine geringere Kapazität des oxidativen Abbaus von Fettsäuren in den Mitochondrien bei gleichzeitig effizienterer Sauerstoffnutzung, verbesserter Muskelenergetik und Schutz vor oxidativem Stress. Die englischen Probanden hingegen gewannen mit der Höhe an Effizienz“. Die muskuläre Leistungsfähigkeit wird in großen Höhen also durch die Anpassung des Stoffwechsels unterstützt.

Die mit Hilfe des O2k aus Muskelbiopsien gewonnen Daten sollen auch in weiteren Analysen und Studien dazu beitragen, das Verständnis für die Bedeutung der Hypoxie für relevanten Erkrankungen und bei klinischen Eingriffen zu verbessern sowie neue Ansätze für die höhen- und intensivmedizinische Forschung ableiten zu können. „Übrigens sind an der Universität Cambridge bereits einige O2k-Geräte im Einsatz – vier weitere wurden bestellt“, freut sich Jungbiologin Verena Laner über die auch weltweit ansteigende Nachfrage.

(D. Heidegger)

Links:

Metabolic basis to Sherpa altitude adaptation. Horscroft et al (2017), Proc Natl Acad Sci U S A
http://www.bioblast.at/index.php/Horscroft_2017_Proc_Natl_Acad_Sci_U_S_A
http://www.pnas.org/content/early/2017/05/16/1700527114.full

BBC-Bericht
http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-40006803

YouTube-Video
https://www.youtube.com/watch?v=QG7j_oue2_w

OROBOROS Instruments
http://wiki.oroboros.at/index.php/OROBOROS_INSTRUMENTS

Bildergalerie Expedition
http://www.oroboros.at/?xtreme-everest2

 

 

© Medizinische Universität Innsbruck - Alle Rechte vorbehaltenMail an i-master - Publiziert am: 23.5.2017, 16:22:00ximsTwitter LogoFacebook LogoInstagram LogoYoutube Logo