Literaturübersicht

Hypoxie-Hyperoxie-Training und COVID-19: mechanistische Übersicht

Т. Н. Цыганова, В. К. Фролков
Предоставленная авторская рукопись, 12 страниц. Год и журнал не указаны

Zusammenfassung der Autorenübersicht von 2020

Der Erreger der Coronaviruspandemie von 2019 schädigt vor allem Lungengewebe und stört den Gasaustausch, was zu akutem Atemnotsyndrom, systemischer Hypoxie und Lungenschäden führt. Die Suche nach Präventions- und Rehabilitationsverfahren, insbesondere nach COVID-19-Pneumonie, ist daher dringlich. Für das Eindringen in Lungen- oder Darmzellen sind bestimmte Membranbedingungen erforderlich: Anheftungsstrukturen wie der ACE2-Rezeptor und das Protein TMPRSS2. Coronaviren wie SARS-CoV und SARS-CoV-2 werden durch TMPRSS2 aktiviert; dessen Hemmer können das Virus daher blockieren. ACE2 dient als Eintrittsrezeptor, TMPRSS2 aktiviert das virale S-Protein. Ohne diese Strukturen kann das COVID-19-Virus nicht eindringen. Die Aktivierung des HIF-1α-Signalwegs bei moderater Hypoxie vermindert den Untersuchungen zufolge ACE2 und TMPRSS2 und erhöht ADAM17 an Alveolozyten, wodurch die Invasivität von SARS-CoV-2 abnimmt.

Zahlreiche Studien begründeten die normobare intermittierende Hypoxie-Hyperoxie-Methode. Bei Hypoxie-Normoxie entstehende reaktive Sauerstoffspezies beteiligen sich an frühen Schritten der intrazellulären Redox-Signalübertragung zum Zellkern. Diese reichert die Zelle mit schützenden Molekülen an. Darauf beruhen die neue Methode und eine Hypoxikatorgeneration mit hypoxischen und hyperoxischen Gemischen. Als wirksame unspezifische Stärkung der Abwehr ist intermittierendes Hypoxie-Hyperoxie-Training nicht nur für die Infektionsprävention und Rehabilitation nach viraler Pneumonie unverzichtbar, sondern auch zur Verringerung der Schwere bei eingetretener Infektion.

Pathogenetische Begründung

Die Coronaviruspandemie von 2019 (COVID-19) mit schweren akuten respiratorischen Syndromen und ihr Erreger SARS-CoV-2 wurden zur größten aktuellen Bedrohung der globalen öffentlichen Gesundheit. Das hochinfektiöse Virus befällt vor allem Lungengewebe und stört den Gasaustausch; es entstehen akutes Atemnotsyndrom und systemische Hypoxie. Zuerst wird die Sauerstoffversorgung des Blutes und damit des gesamten Organismus beeinträchtigt [1, 2]. Weltweit steigende Sterblichkeit und schwere Komplikationen erfordern eine intensivere Entwicklung von Behandlungs- und Präventionsmethoden. Besondere Bedeutung haben wirksame bronchopulmonale und kardiovaskuläre Rehabilitation nach COVID-19-Pneumonie.

2019 spielten die Arbeiten der britischen und amerikanischen Wissenschaftler William Kaelin, Peter Ratcliffe und Gregg Semenza eine wichtige Rolle beim Verständnis pathogenetischer Hypoxieeinflüsse auf funktionelle Systeme. Für ihre Erforschung der zellulären Anpassung an Sauerstoffmangel oder -abwesenheit erhielten sie anschließend den Medizin-Nobelpreis [3, 4].

Für den Eintritt des COVID-19-Virus in Lungen- oder Darmzellen sind ACE2 und die membrangebundene Serinprotease TMPRSS2 (transmembrane protease, serine 2) erforderlich. Sie ermöglicht den Eintritt des Virushülleninhalts und aktiviert das S-Protein des Peplomers. Da TMPRSS2 SARS-CoV und SARS-CoV-2 aktiviert, können seine Hemmer das Virus blockieren [5, 6, 7]. SARS-CoV-2 nutzt das Angiotensin-konvertierende Enzym 2, ein Membranprotein und eine Exopeptidase, als Rezeptor; TMPRSS2 wird zur S-Protein-Aktivierung benötigt. Ohne diese Strukturen ist kein Zelleintritt möglich. Dieses Axiom könnte Hypoxietherapie zur Prävention und Behandlung von Coronavirusfolgen begründen.

T. W. Serebrowskaja und Mitautoren [1] formulierten die Hypothese, hypoxische Konditionierung könne HIF-1-induzierte zytoprotektive Signale aktivieren, um COVID-19-Schwere zu vermindern und lebenswichtige Organfunktionen zu verbessern. HIF-1 steht für hypoxia-inducible factor 1. Moderate Hypoxie könne über HIF-1α die Aktivität von ACE2 und TMPRSS2 senken und ADAM17, Metalloproteinase 17, an Alveolozyten erhöhen und so die Virusinvasivität reduzieren. Dagegen beteiligen sich HIF-1α-Proteinziele bei schwerer Hypoxie an proinflammatorischer Zytokinexpression, nachfolgender Entzündung und der Zytokinsturmphase [2, 8, 9]. Wichtig ist, dass moderate intermittierende Hypoxiedosen proinflammatorische Prozesse vermindern können [6].

Zytokine gehören normalerweise zur Immunantwort auf Infektionserreger. Bei schwerem COVID-19 entsteht jedoch häufig eine überschießende Reaktion, der Zytokinsturm, die gesundes Gewebe schädigt. Zytokinhyperaktivität kann durch Infiltration entzündlicher Agenzien ins Interstitium Lungenschäden verursachen [10]. Bei schwerem Verlauf äußert sich dies als Lungenödem und kardiopulmonale Insuffizienz mit erhöhtem Todesrisiko [2, 8]. Autoimmunprozesse entwickeln sich; zunächst zerfallen weiße Blutzellen und setzen Enzyme frei, die Erythrozyten und Thrombozyten schädigen. Blutungen und thrombotische Gefäßverschlüsse entstehen [11]. Freigesetzte Wirkstoffe senken den Druck und lassen Blutflüssigkeit ins Gewebe austreten. Ein ausgedehntes Lungenödem verhindert die Sauerstoffaufnahme. Unter Sauerstoffmangel sinkt die Herzkontraktilität. Die Funktionsstörung von Lunge, Herz, Nieren und Leber bildet das zum Tod führende Multiorganversagen [2].

Schwere Hypoxämie bei COVID-19 wird durch Oxygenierung und künstliche Beatmung verhindert und korrigiert. Hypoxische Konditionierung könnte daher als nichtinvasive, nichtpharmakologische Behandlung der Infektionsfolgen nützlich sein [6, 12].

Hypoxie und Anpassungsmechanismen

Kontrollierte Hypoxie hat eine lange therapeutische und präventive Geschichte [13]. Die klinische Anwendung begann in den 1980er-Jahren als normobares intermittierendes Hypoxietraining. Bei verschiedenen hypoxämiebegleiteten Erkrankungen wurde eine ausgeprägte therapeutische Wirkung nachgewiesen [14].

Die jüngst entstandene klinische Disziplin der mitochondrialen Medizin befasst sich mit Prävention und Behandlung primärer und sekundärer mitochondrialer Störungen [15]. Mitochondriale Erkrankungen sind erbliche Funktionsdefekte der Mitochondrien mit gestörter zellulärer Energiefunktion. Kontrollierte physiologische Hypoxie könnte das stärkste Instrument zur Korrektur verschiedenartiger Mitochondriopathien sein.

Hypoxie bewirkt eine komplexe Umstellung mehrerer Systeme, um Gewebe ausreichend mit Sauerstoff zu versorgen und ihre Funktion bei Sauerstoffmangel anzupassen. Die Mechanismen sichern die Aufnahme bei Umweltmangel, die Versorgung lebenswichtiger Organe bei Hypoxämie, die Nutzung bei niedriger Spannung und die ATP-Bildung durch glykolytische Substratkettenphosphorylierung [14, 16].

Organ- und Gewebefunktion sowie Regeneration hängen unmittelbar von der Energie ATP-produzierender Mitochondrien ab. Krankheiten einschließlich Virusinfektionen schädigen sie und lösen Stoffwechsel- und Energiestörungen aus, die die Erholung behindern. Mitochondrien besitzen auch Signalfunktionen und sind primäre Sauerstoffsensoren [17]; Veränderungen aktivieren Anpassungsmechanismen. Bei geändertem Sauerstoffgehalt, etwa beim Bergaufstieg, folgen auf schnelle mitochondriale Signale langsamere Anpassungen. Nach 2–3 Wochen im Gebirge besteht Adaptation. Am Meeresspiegel verbrauchen die Zellen danach für gleiche Arbeit weniger Sauerstoff [14, 18]. Intermittierendes Hypoxie-Hyperoxie-Training verstärkt diesen Effekt [19, 20, 21].

Die Immunabwehr zerstört Bakterien und Viren durch einen oxidativen Burst: Angesammelten intrazellulären Sauerstoff nutzen Mitochondrien und Peroxisomen nicht zur Energiegewinnung, sondern zur Aktivierung freier Radikale gegen Bakterien, Viren und sogar Krebszellen [8]. Stickstoffmonoxid wirkt als antibakterielles und antivirales Signalmolekül und reguliert Gefäßtonus und Zellwanddurchlässigkeit [22]. Stärkere endogene oxidative Abwehr und mehr NO könnten die Infektionsresistenz der Zellen erhöhen. Zugleich aktivieren höhere Katalase-, Superoxiddismutase- und Peroxidaseaktivitäten den antioxidativen Schutz [14].

Die Anpassung an periodische Hypoxie aktiviert das antioxidative Hauptschutzsystem der Zellmembranen und vermindert deren Lipidperoxidation. Dadurch sinkt die Durchlässigkeit und Enzymsysteme arbeiten besser. Forschende der University of California in Los Angeles fanden, dass Katalase COVID-19-Symptome lindern könnte, indem sie Virusvermehrung und Zytokinproduktion reguliert [23]. Dies hilft, einen Zytokinsturm zu verhindern, und erhöht schließlich die Resistenz der alveolären Innenflächenzellen.

Bei asymptomatischer Coronavirusinfektion wurde eine erhöhte antioxidative Enzymaktivität festgestellt. Die starke Immunreaktion setzt freie Radikale zur Beseitigung von Viren und Bakterien frei [10]. Bei geringer Superoxiddismutaseaktivität entsteht dagegen eine starke systemische Entzündung des gesamten Endothels mit Mikrothrombosen, gestörter Mikrozirkulation und hyperergischer Antwort bis zum Tod. Zur Vermeidung ist eine große intrazelluläre Antioxidationsreserve durch Aktivierung eigener Enzyme erforderlich.

Intermittierendes Hypoxietraining wird klinisch bereits breit und erfolgreich zur Prävention, Behandlung und Rehabilitation zahlreicher chronischer Krankheiten sowie im Sport eingesetzt. Sein Potenzial bleibt dennoch weitgehend unausgeschöpft [18, 24].

Klinische Anwendung und Hypoxie-Hyperoxie-Training

Gebirgsklima gilt allgemein als gesund: Menschen erkranken dort seltener und leben länger. Auf Vorschlag von Akademiemitglied N. N. Sirotinin wird die Anpassung an hypoxische Gebirgshypoxie seit 1952 genutzt. Seit Ende der 1980er kam R. B. Strelkovs intermittierende normobare Hypoxietherapie hinzu [25]. 1992 schlug Professorin A. S. Koltschinskaja die präzisere Bezeichnung normobares intermittierendes Hypoxietraining, IHT, vor, die den Wirkmechanismus besser erfasst [14, 26].

IHT wird erfolgreich bei Asthma, chronischer Bronchitis, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Allergien und Eisenmangelanämie eingesetzt, ferner bei chronischen unspezifischen Erkrankungen des weiblichen Genitaltrakts, zur Prävention von Schwangerschaftskomplikationen, Geburtsvorbereitung von Risikoschwangeren und Erhaltung gesunden Nachwuchses [16]. Es verhindert Komplikationen und unterstützt postoperative Rehabilitation. In der Endokrinologie wird es bei Diabetes und Hypothyreose angewendet. Nach Einschätzung des russischen Gesundheitsministeriums vermindern Hypoxietherapie und -training die Erkrankungshäufigkeit hierbei um das 2,5- bis 4-Fache [15, 17].

Hypoxietherapie vergrößert in der Lunge Atemoberfläche und Alveolenzahl, erhöht die Atemmuskelmasse und bewirkt Hypertrophie von Atemzentrumsneuronen, wodurch die Ventilation effizienter wird. I. Ch. Borukajewa und T. N. Zyganowa untersuchten und behandelten 285 Asthmapatienten mit IHT und enteraler Sauerstofftherapie [14]. Die Kombination wirkte sich bei leichtem bis mittelschwerem Asthma günstig aus. Intermittierende Hypoxie verbesserte alveoläre Ventilation und bronchiale Durchgängigkeit, erhöhte den alveolären Anteil des Atemminutenvolumens und verminderte funktionellen Totraum. Zusammensetzung und Menge des Atemkondensats zeigten normalisierte mukoziliäre Clearance und besseren Lungenstoffwechsel. Die geringere Hypoxie beruhte sowohl auf kompensatorischen IHT-Reaktionen als auch auf bronchialen Sauerstoffwirkungen. Sauerstoffcocktails plus Hypoxietherapie verbesserten sämtliche Glieder des funktionellen Systems und normalisierten den Sauerstoffhaushalt.

Dadurch besserten sich der Asthmaverlauf und die Remissionsdauer. Kombinierte IHT und enterale Sauerstofftherapie können somit bei leichtem und mittelschwerem Asthma erfolgreich eingesetzt werden [27, 28, 29].

Hypoxietherapie richtet sich somit nicht gegen eine einzelne spezifische Krankheit. Sie erhöht die unspezifische Resistenz und ermöglicht dadurch Behandlung und Prävention vieler Krankheiten, Widerstand gegen ungünstige Einflüsse sowie höhere körperliche und geistige Leistungsfähigkeit [14].

Intermittierendes Hypoxie-Hyperoxie-Training wird seit 2010 medizinisch angewendet. Anpassungsreiz ist die periodische Gasexposition mit Sauerstoff unter und über der Norm, also alternierende Hypoxie und Hyperoxie. Resistenz entsteht nicht nur durch Hypoxie, sondern auch beim Übergang zur Normoxie, der Reoxygenierung. Dabei gebildete reaktive Sauerstoffspezies schädigen in hohen Konzentrationen [30, 31].

Neuere Arbeiten zeigen, dass ROS frühe intrazelluläre Redoxsignale zum Zellkern auslösen. Dadurch reichert sich die Zelle mit Schutzmolekülen an; dieser endogene Schutz ist weit wirksamer als exogene Zusätze. Daraus entstand das Konzept einer ROS-vermittelten Erhöhung unspezifischer Resistenz bei periodischem Reiz [32, 33]. Das Radikalsignal erhöht die Zellresistenz gegen unterschiedlichste Schäden. Verstärken lässt es sich durch zusätzliche Hyperoxie statt tiefere Hypoxie, eine wesentliche Begründung der neuen Hypoxikatorgeneration [34].

Periodische Hypoxie und Hyperoxie erhöhen die menschlichen Kompensationsmöglichkeiten. Ihre kombinierte Anwendung erzeugt einen ausgeprägten Schutz, wobei die Anpassung wesentlich früher erreicht wird als mit alleinigen Hypoxieperioden [35].

Erholung nach der Infektion

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Entzündungsstärke, die fulminant und sepsisartig mit sehr schlechter Prognose verlaufen kann. Gefährdet sind Ältere, besonders mit bronchopulmonalen und kardiovaskulären Begleiterkrankungen. Die präventive Erweiterung dieser Funktionsreserven könnte Schwere und Prognose entscheidend beeinflussen [11].

Lungenentzündung kann mehrere Wochen anhalten; anschließend entsteht an geschädigten Stellen Fibrose. Herz-, Atemwegs-, Verdauungs- und Nierenerkrankungen können sich nach Genesung wegen allgemeiner Schwächung und Immunstörungen verschlimmern. Dies zeigt die unbedingte Notwendigkeit wirksamer bronchopulmonaler und kardiovaskulärer Rehabilitation nach COVID-19-Pneumonie. Die IHT-Anpassung erwies sich als sehr wirksam zur Zustandsverbesserung nach Pneumonie. Dauerhafte Hypoxie bedeutet Thrombose mit nachfolgendem Schlaganfall oder Infarkt, eine akute Erkrankung wie Blutverlust oder eine Virusinfektion [36].

Intermittierendes Hypoxie-Hyperoxie-Training ist auch international als Methode zur Erhöhung unspezifischer Resistenz gegen pathologische Umweltfaktoren einschließlich infektiöser anerkannt [16]. Diese nichtmedikamentöse apparative Behandlung, Prävention und Rehabilitation wird im Inland seit 1982 angewendet. Geatmet werden abwechselnd Gemische mit 9–16% O₂ und erhöhtem Gehalt bis 37% [37, 39].

Das russische Gesundheitsministerium veröffentlichte vorläufige Empfehlungen zu Prävention, Diagnostik und Behandlung der neuen Coronavirusinfektion [39]. Im Abschnitt zur zweiten Rehabilitationsphase wurde normobare Hypoxietherapie zur Gewebeoxygenierung, Steigerung der Organdurchblutung, Verbesserung der Gewebeatmung und Verminderung alveolärer Hypoxie unter Berücksichtigung der Kontraindikationen empfohlen.

Geräte und Schlussfolgerung der Autoren

Hierfür wurde die Anlage HYPO-OXY-1, Handelsmarke OXYTERRA, auf Grundlage des Patents 2301686 von 2007 für ein Hypoxie-/Hyperoxietherapiegerät entwickelt [40]. Aus Umgebungsluft erzeugt sie hypoxische Gemische mit 7–21% Sauerstoff und hyperoxische bis 37% O₂. Zusätzliche Instrumente wie Volumeter und Pulsoximeter sowie HRV- und ST-Streckenmessung ermöglichen die Bestimmung von Atemzugvolumen, Atemminutenvolumen, Atemfrequenz, maximaler Ventilation, HF und Hämoglobinsättigung mit kontinuierlichem EKG und ST-Analyse [36].

Dies legt neben IHT auch eine diagnostische Nutzung zur Beurteilung und Überwachung des Patientenzustands nahe. Das Gerät hat inzwischen praktisch alle Prüfungen bestanden, die Registrierungsbescheinigung 2009/06438 erhalten und ist in industrieller Produktion.

Somit ist intermittierendes Hypoxie-Hyperoxie-Training als wirksame unspezifische Abwehrstärkung unverzichtbar für Infektionsprävention, Rehabilitation nach viraler Pneumonie und Schwereverminderung bei Infektion. Besonders wichtig ist, dass kombinierte Hypoxie und Hyperoxie Sauerstoffsättigung und Sauerstoffkapazität des Blutes stärker erhöhen.

Literatur

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Vollständige Haupttextübersetzung der Autorenübersicht: Т.Н. Цыганова, В.К. Фролков. Патогенетическое обоснование применения гипо-гипероксической тренировки в лечении и профилактике осложнений коронавирусной инфекции COVID-19. Авторский материал 2020 года, 12 с.

Т.Н. Цыганова, В.К. Фролков. Патогенетическое обоснование применения гипо-гипероксической тренировки в лечении и профилактике осложнений коронавирусной инфекции COVID-19. Авторский материал 2020 года, 12 с. — PDF

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Патогенетическое обоснование применения гипо-гипероксической тренировки в лечении и профилактике осложнений коронавирусной инфекции COVID-19
Т. Н. Цыганова, В. К. Фролков. Патогенетическое обоснование применения гипо-гипероксической тренировки в лечении и профилактике осложнений коронавирусной инфекции COVID-19. Предоставленная авторская рукопись, 12 страниц. Год и журнал не указаны.
Vollständige Haupttextübersetzung der Autorenübersicht: Т.Н. Цыганова, В.К. Фролков. Патогенетическое обоснование применения гипо-гипероксической тренировки в лечении и профилактике осложнений коронавирусной инфекции COVID-19. Авторский материал 2020 года, 12 с.

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