Hyperbare Oxygenierung

Unter hyperbarer Oxygenierung (HBO) versteht man die Behandlung eines spontan atmenden oder beatmeten Patienten in einer Überdruckkammer mit reinem Sauerstoff bei Umgebungsdrucken von größer als 1 bar.

Der Grundstein zur Therapie mit Sauerstoff unter Überdruckbedingungen wurde durch Boerema gelegt, der 1956 Operationen am Herzen in einer Überdruckkammer durchgeführt hat und 1959 nachweisen konnte, daß Leben ohne Erythrozyten bei Atmung von reinem Sauerstoff unter Überdruckbedingungen möglich ist. Durch den teilweise unkontrollierten Einsatz der hyperbaren Oxygenierung ohne ausreichende Grundlagenforschung ist diese noch sehr junge Therapieform in Verruf gekommen und wurde deshalb auch als "therapy in search of diseases" bezeichnet. Bei Durchsicht der Literatur finden sich auch heute noch immer mehr "anektotische Beschreibungen" als prospektiv randomisiert durchgeführte Untersuchungen. Das hat zur Ablehnung dieser Therapieform selbst bei den gesicherten Indikationen zur Therapie mit Sauerstoff unter Überdruckbedingungen geführt.

Dessen ungeachtet gibt es einige Erkrankungen, bei denen sich die Atmung von Sauerstoff unter Überdruckbedingungen bewährt hat, für andere scheint sich eine positive Beeinflußbarkeit abzuzeichnen.

Geschichte der hyperbaren Oxygenierung

Die Geschichte der Hyperbarmedizin ist eng mit dem Tauchen verknüpft. Erste Berichte über Apnoetauchen von Perlentaucherinnen datieren aus 4500 vor Chr. Es werden Tauchzeiten bis zu 4 min und 30 m Tiefe angegeben.

Bereits 300 vor Chr. beschreibt Aristoteles den Trommelfellriß bei Tauchern.

Im Jahr 1670 beschreibt Robert Boyle Gasbläschen im Auge einer Viper bei Unterdruckbedingungen, die er mit einer selbstentwickelten Pumpe erzeugt hat - der erste Bericht einer Dekompressionserkrankung.

1717 entwickelt Edmond Halley die erste funktionsfähige Taucherglocke, mit der Tauchgänge bis 18 m über 1,5 Stunden durchgeführt werden konnten.

Im Jahr 1830 wurde die "Caisson-Technik" von Cochrane patentiert. Hierbei werden Tunnels bzw Caissonkammern unter Überdruck gesetzt, um einen Wassereinbruch zu verhindern. Dies löste jedoch bei jenen, welche sich im Überdruck bafanden hatten, im Nachhinein oft die Dekompressionskrankheit aus.

Es dauerte bis 1841, als Pol an Watelle erkannte, daß eine Rekompression die Symptome der Dekompressionskrankheit verringert.

1875 bewies PAUL BERT, dass die bei der Dekompression entstehenden Gasbläschen aus Stickstoff bestehen.

Mit 1908 beginnt durch die Arbeiten von J. S. Haldane die Ära der modernen Dekompressionstheorien. Zu Beginn wurde Luft als Atemgas komprimiert und als Therapie von grippalen Infekten bis hin zur Cyanose für die unterschiedlichsten Erkrankungen angewandt.

1775 wurde von Joseph Priestley erstmals Sauerstoff als ein Anteil der Luft beschrieben. Bereits seit 1789 sind die toxischen Effekte von Sauerstoff durch LaVoisier und Seguin beschrieben worden.

1878 forderte Paul Bert den Einsatz von normobarem Sauerstoff zur Behandlung der Dekompressionserkrankung.

J. S. Haldane konnte 1895 zeigen, daß Mäuse bei Sauerstoffatmung mit 2 ata keine Symptome einer Kohlenmonoxidvergiftung entwickeln.

Erstmals 1960 wurde die hyperbare Oxygenierung von Sharp und Smith zur Behandlung einer Kohlenmonoxidvergiftung angewendet.

1961 behandelten Boerema und Brummelkamp die ersten Patienten mit Gasgangrän erfolgreich mit Sauerstoffatmung unter Überdruckbedingungen.

Physikalische Grundlagen:

Aus der Zustandsgleichung idealer Gase lassen sich die für die Tauch- und Hyperbarmedizin wesentlichen Gasgesetzte mathematisch ableiten. Das Daltonsche Gesetz (: "Die algebraische Summe der Partialdrucke ist der Gesamtdruck des Gasgemisches" bildet die Grundlage für die Umrechnung zwischen der üblichen Prozentzahlangabe (z.B.: Luft: 21% Sauerstoff) und dem Partialdruck (z.B. Sauerstoffpartialdruck der Luft: 760 mmHg x 0,21 = 159 mmHg ). Für die Berechnung des Sauerstoffpartialdruckes in der Lunge ist eine weitere Umrechnung von den "Standard Temperature Pressure Dry" (760 mm Hg bei 0°C) auf ."Body Temperature Pressure Standard" (713 mmHg bei 37°C) Bedingungen notwendig. Der Unterschied im Druck ergibt sich aus dem Wasserdampfdruck bei 37°C (= 47 mmHg). Aus diesem Gasgesetz läßt sich ableiten, daß der Sauerstoffpartialdruck in der Alveole bei Atmung von reinem Sauerstoff und einer Atmosphäre Umgebungsdruck maximal 713 mmHg betragen kann. Durch eine Erhöhung des Umgebungsdruckes läßt sich jedoch der Sauerstoffpartialdruck weiter steigern. So beträgt der Sauerstoffpartialdruck in der Alveole bei Atmung von reinem Sauerstoff und einem Umgebungsdruck von 2280 mmHg entsprechend 3 ata oder 20 Metern Wassertiefe 2223 mmHg. Dieser Effekt wird bei der hyperbaren Oxygenierung ausgenützt, um Gewebe, die unter normobaren Bedingungen eine ungenügende Sauerstoffversorgung haben, ausreichend zu oxygenieren.

Physiologische Grundlagen

Die Sauerstofftransportkapazität des Blutes beträgt:

1,34 x g Hämoglobin + 0,003 x Sauerstoffpartialdruck,

wobei 1,34 die Sauerstoffbindungskapazität des Hämoglobins ist und 0,003 der Bunsensche Löslichkeitskoeffizient von Sauerstoff in Blut. Bei einem alveolären Sauerstoffpartialdruck von 100 mmHg beträgt der im Blut physikalisch gelöste Sauerstoff daher: 0,003 x 100 = 0,3 ml / 100ml. Erhöht man den Sauerstoffpartialdruck auf 2000 mmHg resultiert daher eine Menge von 6 ml physikalisch gelöstem Sauerstoff / 100 ml Blut. Bei einem Hämoglobin von 15 g /100 ml beträgt die maximal gebundene Sauerstoffmenge 1,34 x 15 = 20 ml O2 / 100 ml Blut. Bei einer gemischtvenösen Sättigung von 70 % (das heißt 70 % des Hämoglobins ist an Sauerstoff gebunden) beträgt der chemisch gebundene Sauerstoffgehalt daher 1,34 x 15 x 0,7 = 14 ml O2 / 100 ml Blut. Bei einer arteriovenösen Sättigungsdifferenz von 30% werden 6 ml Sauerstoff / 100 ml Blut verbraucht. Somit kann bei einer normalen Sauerstoffausschöpfung des Organismus der Sauerstoffbedarf ohne Hämoglobin gedeckt werden. Diese Tatsache stellt gemeinsam mit dem Boyle - Mariottschen Gesetz (Tab lc): "Druck mal Volumen eines idealen Gases ist konstant" (siehe auch ) die Grundlage bei der Behandlung der "Stickstoffbläschenkrankheit" = Caissonkrankheit dar. Die Stickstoffbläschen, die im Rahmen der Dekompressionskrankheit entstehen, werden durch den erhöhten Umgebungsdruck in der hyperbaren Kammer verkleinert und die Sauerstoffversorgung in den minderperfundierten Geweben steigt. Außerdem diffundiert der gelöste Stickstoff schneller ab, da die Partialdruckdifferenz des Stickstoffes zwischen Blut und Alveole durch Atmung von reinem Sauerstoff deutlich zunimmt.

Biochemische und zelluläre Grundlagen

Die Phagozytosefähigkeit der Leukozyten ist vom Sauerstoffpartialdruck abhängig, dies wahrscheinlich deshalb, weil zur Zerstörung der Bakterien auch Sauerstoffradikale eingesetzt werden, deren Menge vom Sauerstoffpartialdruck abhängig ist. Außerdem sind Sauerstoffgewebspartialdrucke um 400 mmHg, wie sie mit der hyperbaren Oxygenierung zu erzielen sind, für einige anaerobe Bakterien (z.B. Clostridium perfringens, der Erreger des Gasbrandes) bakterizid und wirken auf andere Keime (z.B. Pseudomonas) bakteriostatisch. Eine Gewebehypoxie mit Sauerstoffpartialdrucken von unter 40 mmHg verhindert die Proliferation von Fibroblasten und den Aufbau einer Kollagenmatrix, die Grundlage für die Angioneogenese. Bei einer zeitweiligen Anhebung des Gewebesauerstoffpartialdruckes auf Werte von über 50 mmHg kommt es zum Anstoß der Zellteilung von Fibroblasten mit sekundärem Einsprossen von Kapillaren. Dieser Effekt lässt sich durch Messung des Ruhe – Gewebe - Sauerstoffpartialdruckes bereits nach 3 - 4 Behandlungen mit hyperbarem Sauerstoff nachweisen. Bei strahleninduzierten Problemwunden ist der positive Effekt der hyperbaren Oxygenierung nachgewiesen. Hingegen wird für Problemwunden anderer Genese ein besserer Heilungserfolg im Vergleich zur Atmung von reinem Sauerstoff unter einem Umgebungsdruck von einer Atmosphäre kontroversiell beurteilt. Bei der Kohlenmonoxidvergiftung kommt es zu einer kompetitiven Verdrängung des Sauerstoffs (Kohlenmonoxid hat eine etwa 300 mal stärkere Affinität zum Hämoglobin als Sauerstoff) nicht nur aus der Bindung mit Hämoglobin, sondern auch mit der Cytochrom - C – Oxydase, die für den Sauerstofftransport in der Zelle benötigt wird. Hyperbarer Sauerstoff kann die Halbwertszeit von CO - Hämoglobin von 4-5 Stunden bei Raumluftatmung auf unter 20 min senken. Im Tierversuch konnte durch die Anwendung von Sauerstoff unter Überdruckbedingungen dosisabhängig ein signifikant besseres neurologisches Endergebnis erzielt werden.

Techniken der hyperbaren Oxygenierung

Während sich im amerikanischen Raum die "Monoplacechamber" aufgrund der kostengünstigeren Anwendung, besseren Mobilität und leichteren Handhabung durchgesetzt hat, sind in Europa - speziell in der Bundesrepublik Deutschland - praktisch nur ,,Mehrplatzkammersysteme" im Einsatz. Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß in den USA die Kammern mit reinem Sauerstoff gefüllt werden. Dieser ist unter Überdruckbedingungen so explosiv, daß die statische Elektrizität synthetischer Kleidung genügt um einen Kammerbrand auszulösen. In der Bundesrepublik Deutschland und in Österreich ist hingegen das Befüllen mit reinem Sauerstoff gesetzlich untersagt. Sowohl in der Mehrplatzkammer, als auch in der Monoplacechamber ist eine mechanische Beatmung mit für Überdruck geeigneten Respiratoren möglich (Tab 2). Bei der Behandlung in Mehrplatzkammersystemen ist die Anwesenheit einer entsprechend ausgebildeten Begleitperson in der Kammer erforderlich. Diese muß den gesetzlichen Richtlinien von Überdruckarbeitern entsprechend tauchtauglich sein und darf nicht mehr als eine Kammerfahrt pro Tag durchführen. Dieser Umstand sowie der wesentlich höhere Gasverbrauch macht das Mehrplatzkammersystem deutlich teurer in der Anwendung.

Behandlungsschemata

Je nach HBO-Protokoll atmen die Patienten reinen Sauerstoff unter Umgebungsdrucken zwischen 2-3 bar; für meist 3 mal 20 - 30 min mit jeweils einer Luft - Pause von 5 - 10 min. Durch diese Atemphasen mit Raumluft wird die Sauerstofftoxizität und die Inzidenz von Nebenwirkungen deutlich vermindert. Üblicherweise werden je nach Indikation 20 - 30 solcher Einzelfahrten durchgeführt. Einen Sonderfall stellt die Behandlung schwerer Tauchunfällen dar, die Kammerfahrten von 5 Stunden und mehr vorsehen (Abb.1).

Indikationen zur Durchführung der hyperbaren Oxygenierung

Die Liste der Indikationen zur hyperbaren Oxygenierung ist international nicht einheitlich. Im Anschluß werden die allgemein anerkannten Indikationen kurz beschrieben

Quetschverletzungen, Kompartmentsyndrom und andere akute traumatische Ischämien

Jede schwere traumatische Läsion führt zu einer Störung der Makro- und Mikrozirkulation mit nachfolgendem Gewebsödem bzw. begleitendem Kompartmentsyndrom. Als Folge dieser Störungen kommt es einerseits direkt, andererseits durch Verlängerung der Diffusionsstrecke und Erhöhung des Gewebsdruckes zu einer Gewebshypoxie, die wiederum die Ödembildung vermehrt. Dieser "circulus vitiosus" endet letztendlich in einer Gewebsnekrose, die eine chirurgische Intervention notwendig macht. Der Ansatzpunkt der adjuvanten hyperbaren Sauerstofftherapie ist neben der Aufrechterhaltung der Sauerstoffversorgung im grenzwertig perfundiertem Gewebe die Ausnützung der vasokonstringierenden Wirkung von Sauerstoff. Als Folge wird die Gewebshypoxie verringert, die Ödembildung hintangehalten, und es kommt zu einem "Robin-Hood-Effekt" - das heißt, Gebiete mit hohem Sauerstoffpartialdruck werden zugunsten von Gebieten mit grenzwertig niedrigem Sauerstoffpartialdruck weniger gut perfundiert. Die gängigen hyperbaren Sauerstofftherapie - Schemata beginnen unmittelbar postoperativ mit Umgebungsdrucken von 2,0 - 2,8 ata und einer Behandlungsdauer von bis zu 2 Stunden. In Tierversuchen konnte durch den Einsatz der Sauerstoffbehandlung unter Überdruckbedingungen ein deutlich verbesserter Therapieerfolg erzielt werden. Obwohl viele Fallberichte für die Wirksamkeit der HBO - Therapie bei diesem Patientengut sprechen, fehlen bis heute prospektiv randomisierte Studien am Menschen.

Ausgewählte Problemwunden ("non-healing wounds"), diabetische Ulcera

sind im Gegensatz zum deutschsprachigen Raum die häufigste Indikation zur Durchführung der hyperbaren Sauerstofftherapie in den USA. Die hyperbare Sauerstofftherapie wird adjuvant mit Umgebungsdrucken von 2,0 bis 2,5 ata und 30 Einzelbehandlungen durchgeführt. Bei ausgewählten Patientenkollektiven ließ sich die Wirksamkeit der HBO - Therapie in kontrollierten prospektiv randomisierten Studien nachweisen. Der Therapieerfolg korreliert mit der im Wundbereich gemessenen Erhöhung des Sauerstoffpartialdruckes unter hyperbaren Bedingungen bzw. dem Anstieg des Ruhepartialdruckes nach den ersten Expositionen mit Sauerstoff unter Überdruckbedingungen.

Außergewöhnlicher Blutverlust

Da bei arteriellen Sauerstoffpartialdrucken über 2000 mmHg auf Hämoglobin als Sauerstoffträger verzichtet werden kann, ist es möglich bei fehlenden Blutkonserven oder Weigerung des Patienten zur Blut - Transfusion eine ausreichende Sauerstoffversorgung bei sonst nicht überlebensfähigen Patienten zu gewährleisten.

Nekrotisierende Weichteilinfektionen

Betroffen sind in den meisten Fällen die Haut und das darunterliegende Bindegewebe ohne Muskelmitbeteiligung. Die Patienten werden aufgrund des foudroyanten Verlaufes meist innerhalb kurzer Zeit intensivpflichtig und benötigen eine intensivmedizinischen Behandlung unter hyperbaren Bedingungen. Der Therapieerfolg der HBO-Therapie wird durch die antiödematöse, bakteriostatische/ bakerizide und phagozytosefördernde Wirkung des hohen Sauerstoffpartialdruckes im Gewebe erklärt.

Therapieresistente Osteomyelitis

Osteomyelitiden sind langwierige Erkrankungen, die sehr schlecht auf eine antibiotische Therapie ansprechen. Die Wirkung der HBO - Therapie bei diesem Krankheitsbild beruht auf der bakteriostatischen / bakeriziden Wirkung eines hohen Sauerstoffpartialdrucks gegenüber fakultativ anaeroben Keimen und der verbesserten Phagozytosefähigkeit der Leukozyten in den sonst grenzwertig schlecht oxygenierten osteomyelitischen Herden. Die Anwendung einer adjuvanten HBO - Therapie sollte sich auf sonst therapierefraktäre Fälle beschränken, und ist nach chirurgischen Debridement unter begleitender Antibiotikatherapie durchzuführen, wobei Umgebungsdrucke von 2 - 2,5 ata über 90 - 120 min angewendet werden. Der positive Effekt der Atmung von Sauerstoff unter Überdruckbedingungen auf therapieresistente Osteomyelitiden konnte sowohl tierexperimentell, als auch beim Menschen nachgewiesen werden.

Osteoradionekrosen, Weichteilradionekrosen

Als Folge therapeutischer radioaktiver Bestrahlung kommt es zur Verminderung der Kapillardichte und Absinken des Gewebepartialdruckes von Sauerstoff. Minimale - sonst komplikationslos verlaufende Läsionen zeigen dadurch extrem schlechte Heilungsverläufe mit Behandlungszeiten bis zu 5 Jahren. Im Bereich der Mandibula wird häufig eine Teilresektion mit anschließendem Beckenkammtransplantat notwendig. Eine adjuvante Therapie mit Sauerstoff unter 2,4 ata mit 30 vor und 10 Therapiefahrten nach der chirurgischen Tumorresektion konnte die primäre Wundheilung verbessern und die Häufigkeit des Auftretens von Osteoradionekrosen verringern. Die Einsparung jahrelanger Therapiekosten bei einer Einjahres -Heilungsrate von über 90% mit adjuvanter HBO - Therapie machen – abgesehen von sozial ökonomischen Aspekten - in Summe etwa $ 96 000.- pro Patient aus.

Gefährdete Haut- / Weichteil - Transplantate

Der Pathomechanismus ist ähnlich wie bei den Quetschverletzungen. Eine Reduktion des postoperativen Gewebsödemes gemeinsam mit einer besseren Oxygenierung führt bei Transplantaten über schlecht perfundierten Gewebsbezirken zu deutlich besseren Heilungserfolgen. Eine HBO - Therapie mit 2 - 2,5 ata für 90 - 120 min sollte bei gefährdeten Transplantaten möglichst bald postoperativ eingeleitet werden.

Verbrennungen

Durch den Einsatz der hyperbaren Oxygenierung möglichst bald nach der thermischen Läsion läßt sich die initial notwendige Flüssigkeitszufuhr um über 30% verringern. Dadurch bleibt die Diffusionsstrecke kleiner und die Dauer der Flüssigkeitsrückshift wird kürzer. Weitere Ansatzpunkte der HBO - Therapie bei Brandverletzten sind eine bessere Versorgung der "letzten Wiesen" an der Grenze der Nekrosezone und die verbesserte Phagozytosefähigkeit der Leukozyten, sowie eine beschleunigte Kollagensynthese. In der Literatur finden sich neben Publikationen die eine deutliche Verbesserung des Therapieerfolges nachweisen auch solche, die keine Effekte der HBO - Therapie erkennen lassen.

Kohlenmonoxidvergiftung

Symptome einer schweren Kohlenmonoxidvergiftung sind Bewußtlosigkeit, neurologische Ausfälle, Lungenödem, Myocardischämien - Zustände, die aufgrund einer Minderversorgung der Zellen mit Sauerstoff entstehen. Bei diesen Patienten hat sich der Einsatz von Sauerstoff unter Überdruckbedingungen bewährt. Die Behandlung von weniger schweren Vergiftungen (Kopfschmerz, Übelkeit) wird kontroversiell beurteilt. Die Therapie erfolgt mit Umgebungsdrucken von 2,5 - 3 ata über 45 min möglichst unmittelbar nach der Intoxikation.

Gasbrand

Der Gasbrand ist eine selten vorkommende, durch Clostridium perfingens hervorgerufene Infektion der Weichteile. Die Erkrankung verläuft meist foudrant und geht mit großräumigen Gewebszerstörungen einher, die nicht nur durch die Erreger selbst, sondern auch durch das von Clostridium perfringes gebildete a- Toxin verursacht wird. Die HBO Therapie wird adjuvant zur breitflächigen chirurgischen Wunderöffnung und antibiotischen Therapie eingesetzt und wirkt einerseits bakterizid auf die anaeroben Keime, andererseit wird das gebildete a- Toxin durch die entstehenden Sauerstoffradikale inaktiviert. Im Tierversuch konnte die Überlebensrate durch den Einsatz einer adjuvanten HBO - Therapie von 70% auf 95% signifikant erhöht werden. Die Therapie erfolgt bei 3 ata über 90 min anfangs 2 mal pro Tag und führt häufig schon nach den ersten zwei Sitzungen zu einer deutlichen klinischen Verbesserung der Patienten.

Dekompressionsunfall (Dekompressionskrankheit)

Beim Tauchen und Arbeiten unter Überdruckbedingungen ("Caisson - Arbeiten") wird Stickstoff im Gewebe angereichert. Die Aufsättigung eines Gewebes mit einem Inertgas ist abhängig von der Geschwindigkeitskonstanten des Gases und der Perfusion des Gewebes. Bei Luftatmung und 1 ata Umgebungsdruck beträgt der Stickstoffpartialdruck:

760 mmHg x 0,79 = 600 mmHg.

Wird der Umgebungsdruck erhöht, so steigt der Stickstoffpartialdruck an und es wird in Abhängigkeit der Geschwindigkeitskonstanten der einzelnen Gewebe vermehrt Stickstoff physikalisch gelöst. Bei Abnahme des Umgebungsdruckes kommt es nun zu einer Supersaturation des Gewebes (die Summe der Partialdrucke der gelösten Gase übersteigt den Umgebungsdruck). Nach Ausschöpfung der Kompensationsmechanismen (nach HALDANE ist eine Supersaturation von 100% klinisch inapparent) treten manifeste Zeichen von ausperlenden Stickstoffbläschen auf. Aus dem bisher gesagten ergibt sich, daß der Stickstoffpartialdruck des Gewebes mit der langsamsten Geschwindigkeitskonstanten limitierend für die Dekompression eines Tauchers oder Caisson - Arbeiters ist. Klinisch manifeste Bläschen führen zur Minderperfusion von verlegten Gefäßeinflußgebieten und manifestieren sich in einer breiten Symptomenpalette von Parästhesien bis hin zu schwerwiegenden neurologischen Ausfällen. Der Wirkungsmechanismus der HBO - Therapie ergibt sich aus einer direkten Kompression der Gasbläschen und aus einer Reduktion der Supersaturation mit gleichzeitiger Beschleunigung der Abatmung von Stickstoff über einen großen Partialdruckgradienten. Die Therapie der schweren Dekompressionserkrankung erfolgt nach der US - Navy Tabelle 6, wobei sich deutlich bessere Ergebnisse bei Einsetzten der Therapie innerhalb der ersten 6 Stunden erzielen lassen.

Gasembolie

Der Effekt der HBO – Therapie bei Gasembolie beruht auf der Kompression der Gasbläschen, sowie auf der besseren Sauerstoffversorgung in schlecht perfundierten Gefäßbezirken. Die Therapie ist abhängig von der Menge des embolisierten Gases und der Symptomatik in Analogie zum Dekompressionsunfall durchzuführen.