Paul Engel
Warum erscheint bei Bergsteigern ein Höhenlungenödem oft erst nach ein paar Tagen, warum betrifft es auch gut trainierte Bergsteiger, warum tritt es oft erst in der Nacht auf? Und was für eine Rolle spielt dabei das Endothel (das ist die innerste Zellschicht sämtlicher Blutgefässe, von den Venen, Arterien, Arteriolen bis zu den Kapillaren)? Ich habe mir dazu einige Gedanken gemacht.
Betrachten wir einmal eine Lunge im „Ruhemodus“, d.h. bei normalen Sauerstoffverhältnissen und bei geringer oder keiner körperlicher Aktivität.
Eine Lunge eines Erwachsenen hat einen Durchmesser von etwa 15 cm und eine Länge von 25 cm. Ihr Gewicht liegt bei ungefähr 1,4 kg. Allein schon nur wegen des Eigengewichts der im Pleuralraum elastisch aufgehängten Lunge resultieren scheinbar verschiedene Alveolengrössen und -formen. Im oberen Teil der Lunge ergeben sich (bei aufrechter Körperlage) etwas nach unten auseinander gezogene, länglich erscheinende Alveolen, im mittleren Bereich eher etwas rundlichere Formen von durchschnittlicher Grösse. Im unteren Bereich und an der Lungenbasis finden wir dagegen die durch das Gewicht der Lunge mehr oder weniger zusammengedrückten und deshalb kleiner erscheinenden Alveolen.
Entsprechend sind die verschiedenen Lungenbereiche unterschiedlich durchlüftet und verschieden durchblutet. Oben finden wir die besser durchlüfteten aber weniger dicht durchbluteten, in der Mitte die gut durchlüfteten und gut durchbluteten und unten die am schlechtesten durchlüfteten aber am dich-testen durchbluteten Lungenzonen. In den obersten Bereichen der Lunge ergibt sich – immer bei entspannter glatter Arteriolenmuskulatur - ein grösseres Verhältnis zwischen Durchlüftung und Durchblutung, unten ein kleinerer sog. Ventilations-Perfusionsquotient.
Die Richtung und Lage des abnehmenden Ventilations-Perfusionsquotienten ändert sich je nach Körperlage. Der Quotient ist, Schwerpunkt bedingt, im jeweils am höchsten liegenden Lungenteil am grössten und im jeweils am tiefsten liegenden Teil der Lunge am niedrigsten. Es ändert sich dadurch auch die Lage der für den Gasaustausch am günstigsten und der am ungünstigsten liegenden Lungenteile, sofern die glatte Arteriolenmuskulatur immer schön entspannt bleibt, was für einen tiefen Lungenblutdruck im Pulmonalblutkreislauf wichtig ist.
Ein Zustand der Lunge im „Ruhemodus“ tritt aber ausser im Schlaf kaum jemals auf. Zu wechselhaft ist sonst der ständige sich verändernde Verbrauch und Bedarf an sauerstoffreichem Blut im Körper, zu ungleich der sich ständig verändernde und anpassende Blutfluss in den Lungen. Dies natürlich erst recht in einem Zustand einer Hypoxie (Sauerstoffmangel), in unserem Falle eben der Höhenhypoxie.
Schon 1946 haben EULER und LILJESTRAND auf ein Phänomen, auf einen automatischen, reflexartig eintretenden Mechanismus hingewiesen (den später auch nach ihnen genannten), der bei höhenbedingter Hypoxie (und wie sich zeigte auch bei anderen Hypoxiezuständen wie Krankheits-bedingten Einschränkungen der Lungenfunktion oder schon auch nur bei erhöhtem Sauerstoffbedarf und grossen Körperanstrengungen wie wir sie etwa bei Marathonläufern finden) immer wieder zu beobachten ist. Und wie dies erst recht bei Zuständen von extremstem Sauerstoffmangel wie beim Lungenödem immer der Fall ist: Der Lungenarterien- Blutdruck steigt dann automatisch von normal 10-20 mm Hg auf Werte von 60mm Hg oder sogar noch höher. Dieses Phänomen erklärten die Autoren mit einer in solchen Momenten reflektorisch erfolgten Konstriktion (Zusammenziehung) der glatten Muskelzellen von Lungenarteriolen. Das sind die kleinsten Blutgefässe, die eben gerade noch von einer glatten Muskelschicht umhüllt sind, danach erst kommen die Kapillaren (Haargefässe), die keine Muskelschicht mehr um sich haben und deren innerer Gefässdurchmesser nur wenig grösser ist als derjenige der roten Blutkörperchen selbst. Sie, die Kapillaren, sind für den Gas- und Stoffaustausch mit der Atemluft aus den Alveolen verantwortlich. Die Konstriktion von Arteriolenmuskulaturen in den unteren schlecht durchlüfteten Bezirken der Lunge ermöglicht eine Umleitung von unten liegenden Blutmengen in die besser durchlüftete mittleren und oberen Lungenbereiche. Dabei kommt es zwar zu einer Verbesserung der Atmungseffizienz, d.h. zu einer Verbesserung des „Wirkungsgrades“ der Lungen selbst, was jedoch andere Nachteile zur Folge haben kann und sehr oft auch hat.
In Folge der Verengung eines Teiles der unteren und untersten Arteriolen kommt es nämlich über die gesamte Lunge gesehen zu einer Erhöhung des gesamten Blutgefässwiderstandes und demzufolge zu einer Lungen- Blutdruckerhöhung, wie sie im Euler-Liljestand Mechanismus beschrieben wurde. Denn das rechte Herz muss jetzt mindestens das gleiche Blutvolumen wie vorher gegen einen erhöhten Widerstand durch die Lungen pressen. Dadurch entsteht nicht nur für es, sondern auch für die Lunge ein mehr oder weniger grosses neues Problem: Die Lungenarteriolen und v.a. die Lungenkapillaren sind einem solchen erhöhten Blutdruck nur bedingt gewachsen und könnten dadurch sogar so stark beschädigt werden, dass es schliesslich im Extremfall zum Höhenlungenödem kommen kann.
Eine Frage, die Forscherteams lange beschäftigte, war: wie „merkt“ denn die glatte Muskulatur der Lungenarteriolen in den schlechter durchlüfteten unteren Lungenteilen überhaupt, dass sie Blut in besser durchlüftete Lungenteile weiter nach oben umleiten sollte? Man war sich einig, dass es nicht die glatten Muskelzellen selbst sind, die direkt auf eine Sauerstoffreduktion durch eine Kontraktion reagieren. Zu spezialisiert sind diese Zellen, zu einseitig auf ihre Hauptfunktion beschränkt und zudem zu unpräzis wäre ein solcher Regulationsmechanismus. Darum vermutete man, dass es die weniger spezialisierten und deshalb in ihren multiplen Funktionen vielseitigeren Endothelzellen (die innerste Zellschicht der Blutgefässwände) sein könnten, die fähig sind, auf feinste Unterschiede der Sauerstoffkonzentration in der Alveole zu reagieren. Und dass es ebenfalls ein zunächst noch ganz unbekannter Botenstoff sein muss, der einen entsprechenden „Befehl“ (Spannung oder Entspannung) an die unmittelbar neben ihnen liegenden glatten Muskelzellen weitergibt.
Verschiedene Forscherteams arbeiteten gleichzeitig, um den gesuchten Botenstoff oder Signalstoff zu finden. SALVADOR MONCADA entdeckte ihn 1987: es handelt sich nicht um ein vorher lange vergeblich gesuchtes, organisches Molekül, sondern in der Tat um ein winziges, völlig unsichtbares Gasmolekül, das Stickstoffmonoxidmolekül NO, das vom Endothel gebildet wird, und das, nachdem es sehr leicht durch die eigenen Zellwände diffundiert ist, die glatten Muskelzellen unmittelbar daneben erreicht und somit deren Spannungszustand sofort regulieren kann.
Der Vorteil solcher sehr kleinen gasförmigen Molekülen gegenüber grösseren molekularen Botenstoffen ist es gerade, dass sie wegen ihrer sehr geringen Grösse ihr Ziel, die glatte Arteriolenmuskulatur, viel schneller und erst noch viel dosierter erreichen können.
Das Besondere hierbei ist, dass das Stickstoffmonoxid als unmittelbarer Regler der Arteriolenmuskulatur überall im Körper auf ähnliche Weise wirkt. Vom Endothel erzeugt, ist das NO Molekül verantwortlich für die Verhinderung einer sonst automatisch erfolgenden Konstriktion oder Zusammenziehung der glatten Arteriolenmuskelzellen. Man könnte sogar sagen: Ohne Stickstoffmonoxid NO keine offenen Arteriolen und Kapillaren!
Das Gesamtgewicht des Endothels (die innerste Schicht sämtlicher Blutgefässe im menschlichen Körper) beträgt geschätzte 1 kg, seine Gesamtoberfläche wird auf 4000 bis 7000 m2 und die Gesamtzahl der Endothelzellen im menschlichen Körper auf gegen 10 Milliarden geschätzt. Überall wo es Endothel hat, d.h. überall wo es überhaupt Blutgefässe hat, überall dort wird auch Stickstoffmonoxid hergestellt, das direkt auf die glatte Arteriolen-Muskulatur einwirkt und dadurch den Blutfluss regelt. Es konnte nachgewiesen werden, dass es schon für allererste Lebensformen auf der Erde, nämlich Bakterien, möglich gewesen war, Stickstoffmonoxid zu erzeugen, weil man bei ihnen das für seine Herstellung notwendige Enzym gefunden hat.
Stickstoffmonoxid ist nicht nur ein notwendiger Grundstoff für das Leben auf unserem Planeten, sondern sogar eine der Voraussetzungen dafür.
Die Entdeckung der Erzeugung von Stickstoffmonoxid durch die Endothelzellen geschah nicht bei Lungenkapillaren, sondern bei Herzmuskelkapillaren. Dass bei den Lungenarteriolen ein ähnlicher Mechanismus wie bei Herzarteriolen funktioniert, galt als gesichert, als es möglich wurde, auch in den Lungen das Gas nachzuweisen und dessen Konzentration exakt zu bestimmen: Sie nimmt in der Hypoxie (d.h. wenn die Sauerstoffkonzentration der Luft abnimmt) immer sehr deutlich ab, was dann automatisch auch zur Konstriktion der glatten Arteriolenmuskulatur führt.
Den Nobelpreis für Physiologie und Medizin für diese wahrhaft bahnbrechende Entdeckung erhielt 10 Jahre später im Jahre 1998 nicht Salvador Moncada, der die Stickstoffmonoxiderzeugung durch die Endothelzellen als erster entdeckt hatte, sondern drei andere Forscher: ROBERT F. FURCHGOTT, FERID MURAD und LOUIS IGNARRO. Die Auswirkungen dieser Entdeckung auf die weitere biologische, pharmakologische und medizinische Forschung waren enorm und haben sie richtiggehend revolutioniert.
Kommen wir jetzt aber zurück auf unsere zu Beginn gemachte Fragestellung des verzögerten Lungenödems bei gut trainierten Bergsteigern.
Am ersten Tag unternimmt einer von ihnen einen ersten gewaltigen Aufstieg. Obwohl er eigentlich wissen müsste, dass man das nicht machen sollte, übertreibt er es mit seinen Anstrengungen. Vielleicht ist er verspätet, ist alleine, vielleicht funktioniert sein Handy nicht mehr, mit dem er sein Zuspätkommen hätte melden wollen. Die Nacht bricht schon bald an und er will unbedingt vermeiden, dass man ihn zu suchen beginnt, wenn er oben im Berghaus nicht rechtzeitig wie abgemacht erscheint. Der Bergsteiger muss sich jetzt deshalb enorm beeilen. An seiner Lungenbasis kommt es in den schlechter durchlüfteten Lungenbezirken bereits zu Umleitungen des Blutes in besser durchlüftete Bezirke. Sein Lungenarterienblutdruck steigt, er beginnt vielleicht bereits schon bald, trocken zu hüsteln (Lungenepithelreste?). Er schläft nach seinem Eintreffen im Berghaus in dieser Nacht schlecht, beschliesst am Tag darauf aber, seine Expedition trotz leichten Fiebers mit seinen Freunden fortzusetzen. Schliesslich war er ja schon so oft in grossen Höhen (seine glatte Arteriolenmuskulatur in den Lungen ist deshalb auch sehr gut entwickelt!).
Er hat an diesem zweiten Tag bedeutend mehr Mühe als sonst, in seinem gewohnten Tempo der Gruppe zu folgen. Er legt sich am Ende des Tages erschöpft zur Ruhe. Die grösste Blutmenge in seinen Lungen verschiebt sich allmählich an einen neuen tiefsten Punkt, in diesem Fall in einen Seitenbereich der Lunge. Gleichzeitig werden, lagebedingt, neue Teile von Lungenbezirken an der Lungenbasis zwar wieder besser entlastet und durchlüftet. Doch zur Entspannung der glatten Arteriolenmuskulatur kommt es dort nicht genügend schnell. Denn die Stickstoffmonoxidproduktion durch die Endothelzellen kommt an dieser Stelle erst viel langsamer als sie vorher verschwunden war wieder erneut in Gang. Die zur Verfügung stehende Gasaustauschfläche seiner Lunge hat sich durch das Abliegen weiter verkleinert. Der Husten ist massiv stärker geworden, im Auswurf hat es jetzt einen weisslichen Schaum, er atmet nur noch mühevoll, das Fieber ist gestiegen, viele Alveolen haben sich mit Blutserum gefüllt, (die Kapillarwände sind durch den erhöhten Lungenblutdruck durchlässiger geworden). Der Allgemeinzustand verschlechtert sich in der Nacht zusehends, der Bergsteiger hustet jetzt sogar Blut aus. Er muss dringend mit Sauerstoff beatmet und so schnell wie möglich ins Tal und ins Spital gebracht werden, denn es besteht für ihn schon akute Lebensgefahr.
Die Lehre aus der Geschichte: Der Mensch ist zwar fähig, durch Training gewisse Gefäss-Strukturen in den Lungen aufzubauen (Bildung einer verstärkten glatten Arteriolenmuskulatur), die es ihm erst erlauben, deren „Wirkungsgrad“ in grossen Höhen zu steigern. Eine genügend lange Höhenadaptationszeit ist aber immer einzuhalten und mit den Körperkräften muss sehr vorsichtig umgegangen werden, damit ja kein allzu grosser und v.a. viel zu schnell ansteigender arterieller Blutdruck im Lungenblutkreislauf entsteht, der zu viele Lungenkapillaren beschädigen würde und der im Extremfall schliesslich sogar zum Lungenödem führen könnte.
Denn der Mensch ist nicht fähig, es den evolutionsmässig viel besser an grosse Höhen adaptierten Lamas gleichzumachen, die interessanterweise viel weniger ausgeprägte glatte Arteriolenmuskulaturen aufweisen (D.HEATH et al. 1974, Thorax 29), und denen es trotzdem oder gerade deswegen (!) besser gelingt, in grosser Höhe zu überleben und dies sogar ohne stark erhöhten Lungenarterienblutdruck.
In Anpassung an das Leben im Hochland bei 4000 m, verfügen Tibeter über zehnmal so viel NO im Blut wie Tieflandbewohner. Die dadurch bewirkte Verdoppelung ihres Blutflusses ermöglicht ihnen eine angemessene Sauerstoff-versorgung (S.C. Erzurum et al. 2007 PNAS 104).
Für diejenigen, die sich speziell für das Endothel und das Stickstoffmonoxid (NO) interessieren, kann ich einen bemerkenswerten Artikel von Klaus Koch mit dem Titel „Das wundersame NO“ empfehlen, der in WISSENSCHAFT.DE am 1.11.1997 erschienen ist, also bereits schon ein Jahr bevor der Nobelpreis für Medizin 1998 an die drei oben genannten Forscher vergeben wurde. Man kann ihn im Internet nachlesen.
In der Höhen-Lungenforschung gibt es den Begriff HPV (Hypoxic Pulmonary Vasoconstriktion), was auf Deutsch übersetzt Blutgefässzusammenziehung bei vermindertem Sauerstoffangebot bedeutet. Dass es bei Sauerstoffmangel in den Lungen zu einer Zusammenziehung oder Konstriktion von kleinsten glatten Lungenarteriolenmuskelzellen kommt, wird heute von keinem Lungenforscher bestritten.
Über die Konsequenzen dieses unbestrittenen Phänomens besteht in der Höhenlungenmedizin jedoch noch keine Einigkeit. Darüber wird weiter geforscht, z.B. in dem auf 4559 m gelegenen Regina Margherita Hütte im Monte Rosa Gebiet. Ein Ziel der Forscher ist es, den Mechanismus der Entstehung des Lungenarterien-Bluthochdruck, der für das Höhenlungenödem verantwortlich ist, besser zu verstehen, um es besser zu behandeln und es wenn möglich sogar verhindern zu können.
Am Schluss möchte ich die Frage aufwerfen: Bestehen nicht sogar Ähnlich- und Gemeinsamkeiten zwischen der Entstehungsweise des Höhenlungenödems und der heute sehr intensiv diskutierten Coronavirus Erkrankung? Auch diese beginnt mit wenig Fieber und einem trockenen Hüsteln und steigert sich zu hohem Fieber bis zu starkem Husten mit Auswurf von Blut.
Als Ursprung müsste man nicht primär einen Befall der Atemwege, d.h. der Bronchien und Bronchiolen, durch das Virus annehmen, sondern einen solchen des empfindlichsten Teiles der Lungenarteriolen und Lungenkapillaren, nämlich desjenigen des Endothels, was eine Hemmung der NO Produktion und eine extreme Erhöhung des Lungenarterienbluthochdrucks zur Folge hätte.
Ich bin pensionierter Zahnarzt mit Jahrgang 1944 und interessiere mich heute u.a. für das Höhenlungenödem. Das Interesse dafür erhielt ich vor 1976, als ich die Gelegenheit hatte, am Anatomischen Institut in Bern unter der Leitung von Prof. P.H. Burri meine Dissertation zu schreiben und so mit der Lungenforschung zum ersten Mal in Berührung zu kommen.