Geschichte der Erforschung der hypoxischen Adaptation, physiologische Mechanismen und Trainingsvarianten in Medizin und Sport. Überblick über verschiedene Formen der Hypoxie.
Redaktioneller Hinweis. Der Beitrag wurde 2021 veröffentlicht und beschreibt verschiedene Formen hypoxischer Einwirkung, darunter Höhen- und Sporttraining. Sie dürfen nicht automatisch mit IHHT gleichgesetzt werden. Es handelt sich um einen Methodenüberblick, nicht um eine Untersuchung des OXYTERRA-Geräts und nicht um eine Anleitung zur eigenständigen Anwendung. Im Literaturverzeichnis des Originals tragen zwei verschiedene Einträge die Nummer 40; beide wurden unter ihren ursprünglichen Nummern beibehalten, ohne sie zu entfernen oder zusammenzuführen.
Zusammenfassung
Der Überblick behandelt die Phänomene der hypoxischen Adaptation und des Hypoxietrainings. Kurz dargestellt werden die historischen Etappen der Erforschung der Anpassung des Menschen an Hypoxie sowie der Einsatz von Hypoxietraining in Medizin und Sport. Der Beitrag beleuchtet den Anteil der heimischen Wissenschaft an der Entwicklung dieses Forschungsgebiets und fasst die Literatur zu den Mechanismen der hypoxischen Adaptation, den Modellen des Hypoxietrainings und deren Wirksamkeit zusammen. Abschließend wird das große Potenzial des Hypoxietrainings im Hochleistungssport erörtert.
Schlüsselwörter: Hypoxie, Adaptation, Hypoxietraining, Hypoxietherapie, Sport.
Einleitung
Die Anpassung an Hypoxie ist unter Lebewesen äußerst weit verbreitet und stellt offenbar eine der evolutionär ältesten Anpassungsformen dar [1]. Der Begriff Hypoxie bezeichnet eine unzureichende Sauerstoffversorgung von Geweben und Zellen oder eine gestörte Sauerstoffnutzung und wurde zunächst ausschließlich mit pathologischen Zuständen in Verbindung gebracht [2, 3]. Diese Vorstellungen wandelten sich jedoch grundlegend, als Ende des 19. Jahrhunderts gezeigt wurde, dass Hypoxie auch bei der „natürlichen Tätigkeit des Organismus“ auftreten kann [4].
Allmählich setzte sich die Auffassung durch, dass die Beschäftigung mit Hypoxie sowohl physiologisch bedeutsam ist, um adaptive Veränderungen als Reaktion auf einen äußeren hypoxischen Faktor zu verstehen, als auch klinisch, um verschiedene pathophysiologische Zustände, insbesondere Herz-Kreislauf- und zerebrovaskuläre Erkrankungen, zu untersuchen. Dabei lässt sich das adaptogene Potenzial der Hypoxie erfolgreich in therapeutischen Strategien zur Prävention, Rehabilitation und Behandlung nutzen [5, 6].
Zur Geschichte der Forschung
Eine der ersten schriftlichen Erwähnungen der Hypoxietherapie geht auf Hippokrates zurück, der Kranken empfahl, in eine mäßige Höhenlage umzuziehen. Auch der Reisende Marco Polo bemerkte in seinen Schilderungen der Bewohner Asiens, dass diese bei Krankheit zur Genesung in die Berge gingen [7]. Ein Umzug in die Berge lässt sich als Sonderfall der Anpassung, nämlich der Akklimatisation, einordnen. Darunter versteht man die individuelle Anpassungsreaktion des Organismus bei längerem Aufenthalt unter bestimmten natürlichen und klimatischen Bedingungen. Die Dauer der Akklimatisationsphase hängt von der Höhe des Gebiets, den Temperaturbedingungen und den individuellen Eigenschaften des Menschen ab und kann 7 bis 25 Tage betragen. Kürzere Hypoxiephasen (Minuten bis Stunden), die sich mit Normoxiephasen abwechseln, werden als intermittierende Hypoxie bezeichnet. Mit der industriellen Entwicklung und der Erschließung der Erde trat diese Form der Hypoxie häufiger auf. Fortschritte in der Luftschifffahrt, Luftfahrt und Raumfahrt sowie die Erschließung hochgelegener Gebiete für wirtschaftliche Aktivitäten machten eine gründliche Untersuchung der Auswirkungen intermittierender Hypoxie auf den Menschen erforderlich.
Von 1870 bis 1878 führte der französische Zoologe und Physiologe Paul Bert (1833–1886) 670 Experimente zu den physiologischen Folgen veränderten Luftdrucks durch. Dabei untersuchte er den Zustand von Ballonfahrern bei Flügen in unterschiedlichen Höhen [8]. Auf Grundlage einer Bergexpedition von 1911 und der Druckkammerforschungen von John Scott Haldane (1892–1964), der zunächst die Dekompressionskrankheit bei Tiefseetauchern untersucht hatte, wurden Fluganzüge und Empfehlungen zur besseren Anpassung an Hypoxie entwickelt [9]. 1919 entwickelte der Chemieingenieur Harold Pierce eine mit einer Kühlanlage ausgestattete Druckkammer. Damit konnten Forschende die Reaktion des Menschen auf die Kombination aus Kälte und vermindertem Luftdruck untersuchen [10].
Inländische Hypoxieforschung
Eine der frühen Erwähnungen des Einsatzes von Druckkammern in Russland stammt aus dem Jahr 1869. Damals gründete A. N. Simonow auf der Wassiljewski-Insel in Sankt Petersburg eine „pneumatische Heilanstalt“. Sie verfügte über zwei eiserne Druckkammern für jeweils vier Personen und eine „steinerne“ Kammer mit zwei Räumen für zehn Personen [11].
In der UdSSR entwickelte sich die Erforschung der Hypoxie umfassend. Einen bedeutenden Durchbruch bei der Untersuchung der physiologischen Mechanismen der Hypoxiewirkung auf Mensch und Tier erzielten G. E. Wladimirow [12], P. I. Jegorow [13], W. W. Strelzow [14], N. N. Sirotinin [15]und D. E. Rosenbljum [16].
Das zunächst durch die Bedürfnisse der Militärflieger ausgelöste Interesse an Hypoxie weitete sich auf medizinische und Grundlagenforschung aus. Seit den 1970er-Jahren veröffentlichten N. A. Agadschanjan [17], W. A. Beresowski [18], A. S. Koltschinskaja [19], L. D. Lukjanowa [20], T. W. Serebrowskaja [21, 22]und viele weitere Forschende umfangreiche Arbeiten. Bei Höhenexpeditionen in den Altai, den Kaukasus, den Pamir und den Tianshan wurden die Auswirkungen chronischer Hypoxie auf die einheimische Bevölkerung untersucht. 1973 gründete N. N. Sirotinin die medizinisch-biologische Elbrus-Station [3, 17, 18, 20], an der bis heute intensive Untersuchungen zum Einfluss hypobarer Hypoxie auf die physiologischen Systeme des Organismus und dessen Widerstandsfähigkeit durchgeführt werden, auch von uns [6, 23].
In der russischen und internationalen Literatur liegt inzwischen umfangreiches klinisches und experimentelles Material zur hypoxischen Adaptationsreaktion vor. Es belegt die hohe Wirksamkeit des Hypoxietrainings in der Medizin. In Russland stammen die Arbeiten dazu leider überwiegend aus der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Das Interesse an diesem Thema ist dort inzwischen etwas abgeflaut, und viele herausragende Leistungen russischer Fachleute sind in Vergessenheit geraten. Dies betrifft insbesondere die entwickelten Trainingsprotokolle mit intermittierender Hypoxie, deren Wirksamkeit bei der Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Stoffwechsel- und neurologischen Störungen, Allergien, Asthma bronchiale, Diabetes und vielen weiteren verbreiteten Erkrankungen belegt ist [21, 24].
Intermittierende Hypoxie
Intermittierende Hypoxie besteht aus wiederkehrenden Hypoxieepisoden, die sich mit Normoxie, geringer ausgeprägter Hypoxie oder Hyperoxie abwechseln. Die in Experimenten verwendeten Protokolle des periodischen oder intervallbasierten Hypoxietrainings (IHT) unterscheiden sich stark hinsichtlich Zyklusdauer, Zahl der Hypoxieepisoden und Trainingstagen. Sie reichen von relativ kurzen Hypoxieepisoden (1–10 min), die sich an einem Tag mit Normoxieepisoden von 1–20 min abwechseln [25], bis hin zu längeren täglichen Expositionen (1–12 h) über Zeiträume von 2 bis 90 Tagen [26].
Ein wichtiger Faktor für das Verhältnis von Wirksamkeit und Sicherheit ist die Abstimmung des Hypoxiegrades auf das Trainingsprotokoll. Training mit mäßiger Hypoxie (9–16 % O₂) und niedriger Zyklusfrequenz (3–15 Episoden pro Tag) führte meist zu günstigen Effekten ohne die Entwicklung einer Pathologie. Schwere Hypoxie (2–8 % O₂) und mehr Episoden pro Tag (48–2400) gingen dagegen häufiger mit pathologischen Zuständen einher [27]. Die vorliegenden Daten sprechen somit dafür, dass eine „niedrige Dosis“ Hypoxietraining (mäßige Hypoxie, wenige Episoden) eine einfache, sichere und wirksame Methode mit erheblichem therapeutischem Potenzial für die klinische Praxis sein kann.
Zentrale Mechanismen der hypoxischen Adaptationsreaktion
Die Hypoxieresistenz von Mensch und Tier wird durch genetische und phänotypische Eigenschaften des Organismus bestimmt. Die Sauerstoffhomöostase beruht auf dem Zusammenspiel von Atmung, Kreislauf, Hämatopoese und Gewebeatmung. Als universeller Indikator für den Sauerstoffgehalt im Gewebe dient dessen Partialdruck [2, 18, 19].
Die Anpassungsreaktionen bei physiologischer und exogener Hypoxie sind ähnlich und weisen viele Gemeinsamkeiten mit kompensatorischen Anpassungsmechanismen bei Erkrankungen auf, die letztlich zu Gewebehypoxie führen. Hypoxieanpassungsreaktionen sind daher zunächst unspezifisch. Die unspezifische Stressantwort auf Hypoxie geht mit einem Anstieg des Glukokortikoidspiegels einher, der die Glukoneogenese in Leber und Skelettmuskulatur aktiviert. Sobald sich eine systemische strukturelle Anpassung an die Störung der Homöostase herausbildet, verschwinden die Reize der Stressreaktion; diese klingt ab, nachdem sie zur Entstehung der Adaptation beigetragen hat [2].
Zu den klassischen spezifischen systemischen Mechanismen der Hypoxieanpassung gehören Veränderungen der Lungenventilation [21, 28], Veränderungen der Herz-Kreislauf-Funktion, die die Sauerstoffversorgung des Bedarfsgewebes verbessern, sowie Veränderungen auf Gewebeebene, die eine effizientere Sauerstoffnutzung für Stoffwechselprozesse ermöglichen [2].
Zelluläre Regulation und HIF-1
Die Regulation der adaptiven Hypoxieantwort auf zellulärer Ebene wird maßgeblich durch die Aktivierung des hypoxiesensitiven Transkriptionsfaktors HIF-1 (Hypoxie-induzierbarer Faktor 1) bestimmt [29]. HIF-1 ist ein Heterodimer aus HIF-1α und HIF-1β. Die Sauerstoffkonzentration reguliert den HIF-1α-Spiegel dosisabhängig: Bei einem Sauerstoffgehalt der Luft von 20 bis 5 % steigt er allmählich an, unterhalb von 5 % O₂ besonders stark [30]. Für HIF-1 wurden mehr als 60 direkte Zielgene identifiziert, darunter Gene für Erythropoese, Angiogenese und Glukosetransporter. Der HIF-1α-Spiegel verändert sich rasch sowohl beim Anstieg als auch beim Abfall. So zeigen sich nach der Reoxygenierung von Lungengewebe bereits nach weniger als 1 min Anzeichen für den Abbau von HIF-1α [31]. Diese schnelle Dynamik ermöglicht eine rechtzeitige adaptive Reaktion auf kurzzeitige Hypoxieepisoden. Das ist besonders bei intermittierender Hypoxie wichtig. HIF-1 scheint ein entscheidender Faktor für die Auslösung und Umkehr adaptiver Reaktionen auf intermittierende Hypoxie zu sein.
Die adaptive Reaktion auf anhaltende und intermittierende Hypoxie weist jedoch wichtige Unterschiede auf. Einer davon ist der unterschiedliche Einfluss auf die zweiphasige Atemantwort [32]. Anhaltende Hypoxie vermindert den anfänglichen Ventilationsanstieg deutlich und verstärkt den anschließenden Rückgang der Ventilation. Intermittierende Hypoxie führt dagegen weder beim Menschen [33]noch bei Versuchstieren [25]zu einem sekundären Rückgang der Ventilation. Dies könnte mit der besonderen Fähigkeit intermittierender Hypoxie zusammenhängen, die Atemaktivität von Neuronen zu verändern: Sie führt zu einem anhaltenden Anstieg der Ventilation unter normoxischen Bedingungen [25]durch die Induktion einer serotonerg vermittelten, anhaltenden Erleichterung der Atemtätigkeit [34], während anhaltende Hypoxie einen solchen Effekt nicht hervorruft [35]. Unterschiede in der adaptiven Reaktion auf intermittierende Hypoxie können schließlich auch genetisch bedingt sein. Es wurde gezeigt, dass intermittierende Hypoxie bei spontan hypertensiven Ratten (SHR), nicht aber bei normotensiven Wistar-Kyoto-Ratten, die Blutdruckreaktion auf Hypoxie, die Herzgröße und den mRNA-Spiegel des atrialen natriuretischen Peptids erhöht [36].
Einsatz von Hypoxietraining in Medizin und Sport
Wiederholte Hypoxieepisoden sind ein starker Stressor und bewirken nachweisbare kumulative Veränderungen der physiologischen Reaktionen des Organismus. Neben einer verbesserten Überlebensfähigkeit bei schwerer Hypoxie [37]kann intervallbasiertes Hypoxietraining (IHT) die allgemeine unspezifische Widerstandsfähigkeit des Organismus erhöhen [2, 5, 28].
Der Kreuzadaptation liegt das Prinzip zugrunde, dass die Anpassung an einen Stressor Widerstandsfähigkeit gegenüber einem anderen vermittelt [2, 6]. Dabei entsteht eine molekulare Signatur in der Proteinexpression und der Aktivität antioxidativer Systeme. So wurde beispielsweise gezeigt, dass periodisches Hypoxietraining bei Tieren eine ausgeprägte antiarrhythmische Wirkung bei akuter Myokardischämie entfaltet [2]und experimenteller Atherosklerose bei Kaninchen vorbeugt [38]. Die kardioprotektive Wirkung von IHT korreliert mit der Fähigkeit intermittierender Hypoxie, den Koronarblutfluss und die Angiogenese zu steigern sowie die Expression antioxidativer Enzyme zu erhöhen [39].
Intervallbasiertes Hypoxietraining ist in der Zivil- und Sportmedizin weithin anerkannt [40]. Neben Erkrankungen mit direktem Bezug zu Hypoxie, etwa Lungen- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen [3]ist die Wirksamkeit von IHT auch bei der Behandlung von Erkrankungen des zentralen Nervensystems und des Magen-Darm-Trakts sowie in Dermatologie, Hämatologie und bei Diabetes mellitus belegt [3, 22]. Periodisches normobarisches Hypoxietraining hat eine thymoleptische Wirkung, führt bei Angst- und depressiven Zuständen jedoch zu keiner nachweisbaren Besserung [41].
Hypoxietraining im Sport
Hypoxietraining kann auch erfolgreich eingesetzt werden, um die Leistung von Sportlern zu steigern, insbesondere in Ausdauersportarten mit zyklischen Bewegungsabläufen [3, 19, 40]. Die Olympischen Sommerspiele 1968 fanden in Mexiko-Stadt statt, das mehr als 2 km über dem Meeresspiegel liegt. Um die Probleme der Hypoxieanpassung bei den Athleten der sowjetischen Nationalmannschaft zu bewältigen, wurden verpflichtende Trainingslager in den Bergen vorgeschlagen [4]; Hypoxietraining wurde daraufhin zu einem festen Bestandteil der Vorbereitung von Spitzensportlern in der UdSSR.
Langjährige russische Forschung zeigte eine hohe Wirksamkeit des Hypoxietrainings: 10–30 IHT-Sitzungen (300–420 min Hypoxie) erzielten eine Wirkung, die einem einmonatigen Aufenthalt in mittlerer Höhenlage entsprach [42]. Fünf Wochen IHT steigerten bei Sportlern die maximale Sauerstoffaufnahme um 3,4 ml/min∙kg. Zugleich verbesserten sich die Laufergebnisse über verschiedene Distanzen um 6 % und die maximale Belastungsdauer auf dem Fahrradergometer um 5 %. Bei männlichen Sportlern wird ein ähnliches Ergebnis üblicherweise erst nach mehr als 9 Monaten intensiven Trainings erreicht [43]. Bei Bergsteigern führte IHT zu einer höheren körperlichen Leistungsfähigkeit und Ausdauer im kardiorespiratorischen Belastungstest sowie zu einer verbesserten Herzfrequenzvariabilität [44]; bei Ruderern stiegen der Hämoglobingehalt um 6,8 % und die Erythrozytenzahl um 5,1 % [45].
In den vergangenen Jahren haben ausländische Kollegen jedoch leider die Initiative in der Forschung zu diesem Thema übernommen.
Das Hypoxietraining der britischen Biathlon-Nationalmannschaft vor den Olympischen Spielen 2002 in Salt Lake City ermöglichte den Athleten, ohne Akklimatisierung mit optimalen physiologischen Werten in die Wettkämpfe zu starten. Beobachtet wurden ein niedrigerer Blutdruck und eine geringere Ruheherzfrequenz, ein erhöhter Hämoglobinwert sowie ein normalisierter Blutmilchsäurespiegel bei submaximaler Belastung [46].
Modelle des Höhentrainings
Es gibt drei grundlegende Modelle des Höhentrainings für Sportler: Wohnen und Trainieren in der Höhe; Wohnen im Tiefland und Trainieren in der Höhe; sowie Wohnen in der Höhe und Trainieren im Tiefland. Höhentraining oder Höhenaufenthalt sowie normobare Bedingungen lassen sich mithilfe einer Druckkammer, durch das Atmen von Gasgemischen oder durch deren Kombination mit einem Aufenthalt im Hochgebirge simulieren [47].
Die Strategie „in der Höhe leben, im Tiefland trainieren“ verbessert nachweislich hämatologische und ventilatorische Werte von Sportlern und steigert zudem die Erythropoetinsynthese [48].
Beim umgekehrten Trainingsmodell, bei dem die sportliche Belastung unter hypoxischen Bedingungen erfolgt, kann die Leistungsfähigkeit unverändert bleiben oder deutlich abnehmen [49]. Ursprünglich war angenommen worden, dass Training unter solchen hypoxischen Bedingungen, bei dem der Sauerstoffpartialdruck im Muskelgewebe besonders stark sinkt, eine härtere Trainingseinheit und folglich eine stärkere Trainingsreaktion bewirken würde.
Wohnen und Trainieren in der Höhe verbinden das durch Akklimatisation vergrößerte Erythrozytenvolumen mit einem zusätzlichen Trainingseffekt infolge der Gewebehypoxie bei Belastung. Ein hoher Erythrozytenwert bei Sportlern in diesem Modell ist gut dokumentiert und korreliert mit den allgemeinen Trainingskennwerten von Spitzensportlern [50].
Perspektiven für den Einsatz im Sport
Die zahlreichen internationalen Veröffentlichungen zum Hypoxietraining von Sportlern in den vergangenen Jahren bestätigen die weltweit zunehmende Bedeutung des Themas und das allgemein anerkannte hohe praktische Potenzial des Hypoxietrainings im Spitzensport. Zugleich trägt die unzureichende Beachtung des Hypoxietrainings durch die russische Sportmedizin zur Steigerung sportlicher Leistungen und zur Verbesserung der Gesundheit von Sportlern unserer Ansicht nach dazu bei, dass der russische Sport international an Wettbewerbsfähigkeit verliert.
Als erwiesen kann gelten, dass die fachgerechte Anwendung verschiedener Hypoxietrainingsprotokolle ohne Dopingmittel die Widerstandsfähigkeit von Sportlern gegenüber körperlichen und psychoemotionalen Belastungen erhöht, indem sie unspezifische und spezifische physiologische Anpassungsmechanismen stimuliert. Dadurch steigen Intensität und Effektivität des Trainingsprozesses, was die sportliche Leistung deutlich verbessern kann, ohne negative gesundheitliche Folgen für die Sportler zu riskieren.
Schlussfolgerungen
Langjährige Studien haben gezeigt, dass Hypoxietraining die Widerstandsfähigkeit des Organismus gegenüber körperlichen und psychoemotionalen Belastungen deutlich erhöht, indem es Mechanismen der Kreuzadaptation aktiviert. Obwohl russische Forschende auf diesem Gebiet Pionierarbeit geleistet haben, wird das große praktische Potenzial dieses Phänomens im Land derzeit nur in geringem Umfang genutzt. Verschiedene Formen des Hypoxietrainings sollten stärker in die Trainingsprozesse von Sportlern unterschiedlicher Leistungsstufen integriert werden, was zweifellos zu besseren sportlichen Ergebnissen beitragen würde.
Darüber hinaus hat sich Hypoxietraining als vielversprechender nichtmedikamentöser Ansatz zur Behandlung und Rehabilitation von Patienten mit einem breiten Spektrum von Erkrankungen sowie zur Prävention und zum Training gesunder Menschen erwiesen.
Die Arbeit wurde durch einen Fördermittelzuschuss der Russischen Stiftung für Grundlagenforschung Nr. 19-015-00336 unterstützt.
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Technologie und Praxis
Zum Vergleich der Parameter der Trainingsprotokolle lesen Sie den Abschnitt „Technologie von IHHT“: Atemgasgemische und Überwachung der Sitzung.
Anwendung von IHHT im Sport und bei der Regeneration wird in einem eigenen Abschnitt der Website dargestellt.