Bericht # 1.2: Xenon in der Höhenmedizin

Darstellung der persönlichen Erfahrungen bei der Anwendung des Gases generell und im Rahmen des Höhenbergsteigens.

Michael Fries
Chefarzt der Abteilung Anästhesie und Operative Intensivmedizin am St. Vincenz Krankenhaus, Limburg an der Lahn

Nach seinem Studium an den Exzellenzuniversitäten München und Aachen und einem Forschungsaufenthalt am renommierten Weil Institute of Critical Care Medicine der University of Southern California in Los Angeles wurde Michael Fries, Priv.-Doz. Dr. med., im Jahr 2009 Oberarzt der Klinik für Operative Intensivmedizin der Universitätsklinik Aachen, wo er auch die Facharztausbildung für Anästhesiologie absolviert, und seit März 2013 als geschäftsführender Oberarzt tätig war. Sein Schwerpunkt in Klinik und Forschung liegt in der Behandlung kritisch kranker Patienten (Sepsis, Reanimation, Polytrauma etc.). Daneben ist er einer der wenigen Experten im Feld der Anwendung von Edelgasen in der Medizin. Er ist Autor von über 100 Publikationen in diesen Bereichen.

Ich weiß nicht, ob Sie das wussten, aber wenn Sie sich für eine Vollnarkose in die Hände eines Anästhesisten begeben, dann setzt er Sie so in Narkose, dass Sie nicht mehr atmen. Das ist grundsätzlich ein lebensbedrohlicher Zustand und meine Aufgabe ist es dann, Sie mit Gas zu versorgen. D. h. Anästhesisten sind Gasspezialisten, weltweit, überall.

Auf den Intensivstationen machen wir jeden Tag genau dasselbe: Patienten, die kritisch krank sind, die Durchblutungsstörungen haben, deren Lunge nicht gut funktioniert – auch hier ist der Intensivmediziner meistens auch ein Anästhesist und zuständig dafür, dass Ihre Organe, Ihre Gewebe keinen Schaden nehmen und Sie hinterher das Krankenhaus gesund verlassen können.

Die Höhenkrankheit

Vor 30 Jahren hatte ich selbst eine kleine bergsteigerische Episode: Ich habe einen Teil meines Studiums in München verbracht und bin relativ häufig in die Alpen gefahren. Damals war ich noch fit und wir gingen beispielsweise auf den Piz Bernina. Ich hatte wahnsinnige Kopfschmerzen und dachte, das wird wohl nicht an den fünf Bier vom Vorabend auf der Tschierva Hütte liegen? Nein, das musste einen anderen Grund haben. Damals war ich wissenschaftlich noch nicht so bewandert und auch die Kenntnisse über die Höhenkrankheit waren noch nicht so gut entwickelt, aber ich hatte Symptome der Höhenkrankheit. Sehr mild ausgeprägt, aber doch vorhanden.

Der einzige Stimulus für die Höhenkrankheit ist letztendlich die Hypoxie – also der Mangel an Sauerstoff. Der atmosphärische Sauerstoffgehalt nimmt mit der Höhe ab. Auf 8.000 Metern hat man nur noch ein Viertel des Sauerstoffs im Angebot, welches auf 1.000 Metern zur Verfügung steht.

Höhenkrankheit ist gefährlich

Im Rahmen einer wissenschaftlichen Arbeit am Mount Aconcagua wurden zwei Perioden gegenüber gestellt: Eine Anfang der 2.000er-Jahre und eine von 2013 bis 2024. In beiden Perioden treten die meisten Todesfälle in einer Höhe von über 6.000 Metern auf. Eine weitere Publikation von Martin Burtscher zeigt, wie hoch beim Bergsteigen das Risiko ist, in den Bergen zu versterben. Man sieht, in den Österreichischen Alpen ist es schon ein wenig gefährlicher als im Flachland, aber je höher Sie kommen und in Abhängigkeit der Schwierigkeit des Berges und der Lawinenexponiertheit, zeigt sich eine deutliche Zunahme der Sterblichkeitsrate. Am Mount Everest haben Sie ein 15,6-fach höheres Risiko zu versterben – bei 1.000 Personen, die sich dem Risiko aussetzen.

Die Gründe dafür sind gemäß Studie vor allem Stürze, weit weniger häufig die Hypoxie, aber ich würde mal argwöhnen, dass sich hinter diesen Stürzen auch eine ganze Menge an Höhenkrankheit verbirgt. Was Martin Burtscher und die Co-Autoren hier aber schreiben, finde ich sehr spannend: „Climbing at extreme altitude remains a high-risk adventure, which can be modified by appropriate individual preparation, selecting lower-risk mountains and the use of modern logistic services.“

Xenon

Sie alle kennen das Periodensystem der Elemente. Ganz rechts befinden sich die Edelgase. Das ist eine Gruppe von Elementen, die geruchlos, farblos und monoatomar sind. Sie sind wenig reaktionsfreudig, weil sie eine äußere Hülle von Elektronen haben, die voll besetzt ist. Deswegen wollen sie chemisch überhaupt nicht reagieren – aus diesem Grund heißen sie „edel“ – im Englischen „noble gases“.
Die Halogene, gleich daneben im Periodensystem wie Flur, Chrom, Brom, hingegen reagieren äußerst stark.
Edelgase sind sehr selten, aber auch hier in diesem Raum vorhanden. Auf 10 Millionen Atome, die Sie gerade einatmen, kommt ein Xenon-Atom.

Anwendungen von Xenon

Xenon hat breite Anwendungen in der Industrie: Xenon-Autoscheinwerfer waren rund 10 Jahre lang der absolute Hit. Xenon wird für die Steuerung von Raketen und Satelliten benutzt. Xenon kommt vor allem auch in der Halbleiterindustrie zum Einsatz, denn unter einer Xenonatmosphäre kann man ganz feine Platinen schweißen, was auch ein Grund für den enormen Fortschritt in der Computertechnologie ist.
Eine weitere Anwendung von Xenon, die erst in den letzten Jahre dazu kam, aber sehr spannend ist: Unter den Alpen im Gran Sasso Massiv versucht man Schwarze Materie nachzuweisen. Das muss in einer Umgebung passieren, in der sehr wenig reaktionsfreudiges Material vorkommt. Im Gran Sasso Massiv gibt es daher einen riesigen Behälter, in dem Millionen Liter von Xenon enthalten sind.

Biologische Wirkung von Xenon

Obwohl Xenon chemisch gesehen träge ist, hat es eine biologische Wirkung. Diese Erkenntnis geht auf Tauchversuche eines amerikanischen Navy Offiziers und Arztes in den 30er-Jahren zurück. Er stellte fest, dass unter 30 Metern alle ein wenig verrückt werden – das ist der sogenannte Tiefenrausch. Diese Wirkung hat man damals dem Stickstoff, der in der normalen Luft vorhanden ist, zugeschrieben. Man dachte also, man könnte auch ein Gas verwenden, welches sehr träge ist, also mit nichts reagiert. Man hat erst mit Argon experimentiert, aber schnell gesehen, dass es unter höherem Druck sehr rasch eine narkotische Wirkung zeigt. Schließlich hat man das Ganze mit Xenon ausprobiert und festgestellt, dass auf atmosphärischer Ebene eine höhere Konzentration von Xenon Sedierung hervorruft und in hoher Konzentration (70 %) richtige Vollnarkose.
Wie das in der Medizin häufig üblich war, gab es in den 50er-Jahren zwei amerikanische Ärzte, die sich das selber appliziert haben: Two of the experimenters (SCC and EGG) inhaled a mixture of xenon in oxygen (70% Xe, 30% O2) from the same system, and each reported pronounced narcotic effects with incipient loss of consciousness after approximately 3 min of inhalation. Recovery was prompt.

Die Erkenntnis: Xenon ist das schnellst wirksame Narkotikum und bei Beendigung ist die Wirkung auch sofort wieder verflogen.

Forschung und Zulassung

Heute weiß man, Xenon ist extrem sicher. Nach 10 bis 15 Jahren massenhafter Grundlagenforschung, Tausenden von Studienpatienten mit eingeschlossen, hat Xenon 2005 die Zulassung von den Europäischen Behörden bekommen, als Narkose-Gas eingesetzt zu werden. Xenon ist also ein reguliertes Medikament in Europa und in Deutschland. 2016 hat Xenon zusätzlich eine „Orphan drug Designation“ bekommen. Orphan-Drugs sind Medikamente, die benutzt werden, um bei besonders schweren, seltenen Erkrankungen eingesetzt zu werden. Diesen Orphan-Drugs-Status bekommen nur Arzneimittel, bei denen das Nutzen-Risiko-Verhältnis deutlich zugunsten des Nutzens und weg vom Risiko ist.

Xenon ist auch deswegen extrem sicher, weil wir es nicht nur bei Gesunden bei Narkose anwenden, sondern weil wir es auch bei den Kränksten der Kranken angewendet haben. Das Problem von Xenon ist, dass es sehr, sehr teuer ist. Für eine Everyday-Narkose ist es unerschwinglich, das würde das Gesundheitssystem sprengen. Aber es wird in sehr vielen Nischenbereichen eingesetzt: bei Patienten, die sich einer Herzchirurgie unterziehen, bei neurochirurgischen Eingriffen, bei Patienten auf Intensivstationen oder bei Babys, die einen schweren hypoxischen Hirnschaden nach der Geburt haben.

Wirkungsweise von Xenon

Wir wissen auch, warum Xenon wirkt – das ist kein Voodo. Xenon wirkt an den Kommunikationsstellen im Gehirn, den Synapsen. Im synaptischen Spalt werden Vesikel ausgesendet – ein Überträgerstoff ist unter anderem Glutamat. Dieses Glutamat dockt an bestimmten Rezeptoren an – am sogenannten NMDA-Rezeptor, der für die Informationsübermittlung im Gehirn extrem wichtig ist. Genau diesen blockiert Xenon. Proteine in diesen Kanälen sind gefaltete Ketten. In diese Domänen kann sich das Xenon in höherer Konzentration reinpassen und blockt diese damit. Obwohl es chemisch nicht reagiert – es hat etwas mit den physikochemischen Eigenschaften des Gases zu tun und führt zur Blockade an eben diesem NMDA-Rezeptor. Das ist einer der Gründe, warum Xenon narkotisch wirkt. Ein anderes Medikament, das ebenfalls die NMDA-Rezeptoren blockiert ist übrigens Ketamin. Das wird gerne mal an Bahnhofsvorplätzen verkauft.

Xenon ist ein sogenanntes pleiotropes Medikament. Aus den letzten 30 Jahren Forschung wissen wir sehr genau, was Xenon noch alles kann. Aufgrund seiner Eigenschaft in Proteinstrukturen hineinzupassen, wirkt es auch an ganz vielen anderen Rezeptoren, die beispielsweise im Hirnstoffwechsel wichtig sind. Es gibt also etliche Anwendungsgebiete.

Die pleiotropen Effekte von Xenon sind gut erforscht:

• Inhibition von 2 weiteren Subtypen von Glutamat-Rezeptoren (AMPA- und Kainat-Rezeptor)
  Dinse 2005 Br J Anesth
• Aktivierung von „2-pore domain K⁺ channels“
  Gruss 2004 Mol Pharmacol
• K_ATP Kanal-Öffner
  Bantel 2010 Anesthesiology
• Reduktion der cytosolischen pro-apoptotischen Bax-Protein Expression
  Ma 2005 Ann Neurol
• Hochregulation genetischer Prozesse, die mit zellulären Überlebensprogrammen verknüpft sind (cAMP-response element binding protein)
  Weber 2005 Br J Pharmacol

Anwendung von Xenon im Höhenbergsteigen

Erhöhung des Erythropoietin-Spiegels

Die initiale Idee, Xenon beim Höhenbergsteigen zu verwenden, kommt daher, dass Xenon eine Erhöhung des Erythropoietin-Spiegels verursacht und damit später des Hämoglobins. Das haben wir 2014 herausgefunden, weil die Russen damals nachgewiesener Weise Xenon systematisch viele Jahre verwendet haben, um ihre Athleten vorzubereiten und leistungsfähiger zu machen. Das wollten wir natürlich auch selbst nachweisen. Im Rahmen einer Studie eines Kollegen aus Aachen haben wir junge, gesunde Freiwillige genommen und sie eine halbe Stunde Xenon atmen lassen. In den Tagen danach haben wir die Erythropoietin-Spiegel im Blut gemessen. Beginnend mit wenigen Stunden nach der Applikation, sieht man in den Tagen danach eine signifikante Erhöhung des Erythropoietin-Spiegels.

Danach sind wir zu Daten zurück gegangen, die wir bei herzchirurgischen Patienten erhoben hatten. Also schwerkranke Personen, die für die Operation mit Xenon narkotisiert wurden und eine Vergleichsgruppe, die konventionell narkotisiert wurde. Wir haben die alten Blutproben aus dem Kühlschrank geholt und nachgesehen, was hier passiert. Und es passierte genau dasselbe: Bei den herzchirurgischen Patienten war ein signifikant höherer Erythropoietin-Spiegel 24 Stunden nach Applikation von Xenon zu sehen. Im Verlauf nach 14 Tagen sieht man zudem, dass die mit Xenon behandelten Patienten einen signifikant höheren Hämoglobin-Spiegel als die, die ohne Xenon narkotisiert wurden, aufwiesen.

Xenon als Neuroprotektivum

Ich persönlich habe sehr viel an Xenon als Neuroprotektivum gearbeitet. Also an der Möglichkeit, geschädigtes Hirngewebe mit Xenon zu schützen. Eine Arbeit einer anderen Gruppe beschäftigte sich mit Ratten. Dabei haben sie den Tieren für 90 Minuten eine Halsschlagader zugeschnürt und parallel dazu den Sauerstoffgehalt im Blut sehr stark abgesenkt. Das führt zu einem schweren Hirnschaden. Danach hat man diesen Ratten für einige Stunden Xenon in höherer Konzentration gegeben. Was dabei herauskam, ist relativ beeindruckend: Die Hirnhälften der Ratten, die nicht mit Xenon behandelt wurden, waren stark atroph. Jene, die mit Xenon behandelt wurden, zeigten fast normale Hirnhälften, trotz des schweren Schadens. Das ist nur eine von bestimmt 100 Arbeiten, die zeigt, dass Xenon in verschiedensten Schädigungsmodellen eine protektive Wirkung zeigt.

Eine ganz hochrangig publizierte Studie mit Patienten nach einem außerklinischen Herzkreislaufstillstand und Wiederbelebung aus Finnland zeigt, dass eine Behandlung danach für 24 Stunden mit 70 Prozent Xenon – diese Patienten sind in aller Regel ohnehin künstlich beatmet – zu einer deutlich geringeren Sterblichkeit geführt hat. Das ist eine sogenannte Kapplan-Mayer-Kruve. In der Medizin eine Art der Darstellung, mit der man zeigt, wie hoch die Sterblichkeit bei einer bestimmten Intervention gegen eine andere ist. Aber nicht nur die Sterblichkeit war geringer, auch in MRT-Bildern konnte man einen positiven Effekt nachweisen – die weiße Substanz ist geschützter.

Xenon als Schutz vor Hypoxie

Es gibt aber auch Versuche zur Prävention – also nicht erst, nachdem schon ein Schaden eingetreten ist: Cadiomyozyten sterben bei schwerer Hypoxie ab und dies sieht man nach Anfärbung mit einem Farbstoff (die Zellen werden im Bild rot). Man hat also Zellkulturen genommen und diesen eine Stunde lang 70 Prozent Xenon appliziert und dann eine Hypoxie herbeigeführt. Man hat gesehen, dass vor allem das HIF2𝛼, einer der Hauptpromotoren, der Sauerstoffmangel im Körper umsetzt in Transkription, also Produktion von Proteinen, deutlich hochreguliert wird. In der Zellkultur konnte man nachweisen, dass durch die Gabe von Xenon vor der Hypoxie weit weniger Cadiomyozyten abgestorben waren. Xenon schützt also Herzgewebe vor Sauerstoffmangel.

Wenn man Mäuse auf 7.000 Metern bringt – künstlich – dann bekommen sie das gleiche, wie Menschen, nämlich ein schweres Hirnödem. Die Flüssigkeit im Hirn nimmt zu und die Bluthirn-Schranke wird beschädigt. Man konnte nachweisen, dass in den Gehirnen ein bestimmtes Protein, NF-Kapa𝛼, ausgeschüttet wird. Dieses Protein ist in der Transkription besonders wichtig, kann aber eben schadhaft sein. Hier zeigt Xenon einen positiven Effekt. Werden Mäuse mit einer schweren Autoimmunerkrankung, bei der NF-Kapa𝛼 ein Hauptproblem darstellt, mit Xenon behandelt, sind diese genauso geschützt wie gesunde.

Unsere Erfahrungen mit Xenon

Für die Furtenbach-Everest-Expedition haben wir den Teilnehmern eine subanästhetische Dosis Xenon verabreicht. Die Person ist dabei ruhig und grundsätzlich wach. Einige dösen ein wenig ein. Alle Teilnehmer haben das sehr gut toleriert. Und sie sind natürlich nicht am Berg mit Xenon behandelt worden, sondern 14 Tage vor der Exposition in Deutschland.

Seit 2019 haben wir an 16 Bergsteigern kontinuierlich Präakklimatisierung plus Hypoxiezelt durchgeführt. Wir hatten bei der Behandlung selbst ganz milde Nebenwirkungen: ab und zu mal Übelkeit, Blutdrucksteigerungen in mildem Maße und Bradykardie in mildem Maße.

Diese Bergsteiger haben alle erfolgreich und ohne Anzeichen von Höhenkrankheit den Ama Dablam, den Aconcagua, den Mount Everest und auch noch andere 8.000er bestiegen. Alle – und vor allem jene, die sich mit Hypoxie auskennen – sagten aus, dass sie sich in der Höhe leistungsfähiger gefühlt haben.

Wir haben von den vier Britischen Bergsteigern während ihrer Besteigung individuelle Werte in Bezug auf Herzfrequenz und Sättigung ohne Sauerstoff gemessen. Die Werte sind alle im normalen Range. Sie sind nicht viel besser, aber jedenfalls normal – was auch die Kritik wiederlegt, dass die Anwendung von Xenon gefährlich sei.

Fazit

„Absence of Evidence isn’t Evidence of Absence“