Einleitung

Tieflandbewohner (<1500 m), die schnell in große (>2400 m) und insbesondere sehr große (>3500 m) oder extreme (>5500 m) Höhen aufsteigen, sind dem Risiko ausgesetzt, eine Höhenkrankheit zu entwickeln (Gallagher und Hackett, 2004) und eine erhebliche Beeinträchtigung ihrer körperlichen und kognitiven Arbeitsleistung zu erleiden (Fulco et al., 1998). Die Höhenakklimatisierung ist eine Reihe physiologischer Anpassungen, die den Rückgang des Sauerstoffs in der Umgebung kompensieren. Die Höhenakklimatisierung ist die beste Strategie zur Vorbeugung der akuten Höhenkrankheit (AMS) (Forgey, 2006) und ermöglicht es den Menschen, die maximale körperliche und kognitive Arbeitsleistung zu erreichen, die für die Höhe, an die sie akklimatisiert sind, möglich ist (Fulco et al., 2000; Banderet et al., 2002). Die empfohlene Strategie zur Einleitung der Höhenakklimatisierung ist ein allmählicher oder stufenweiser Aufstieg mit einer Schlafhöhe von höchstens 2400 m in der ersten Nacht und einer Begrenzung des täglichen Höhengewinns auf 300 bis 600 m (Forgey, 2006). Für viele Bergsteiger und Trekker, die einen engen Zeitplan haben, kann die Zeit jedoch nicht ausreichen, um einen angemessenen Grad der Höhenakklimatisierung zu erreichen. Zum Beispiel würde eine Besteigung des Kilimandscharo (5896 m) mit der schnellsten empfohlenen Aufstiegsrate von 600 m/Tag über 2500 m (Hackett und Roach, 2001) 8 Tage (6 Klettertage und 2 Ruhetage) für die Akklimatisierung erfordern. Im Vergleich dazu umfasst der relativ schnelle Aufstieg auf einer beliebten kommerziellen Kletterroute zum Gipfel nur 4 oder 5 Schlafnächte oberhalb von 2500 m. Bei Personen, die diesem relativ schnellen Aufstieg folgen, kommt es häufig (∼75 %) zu akuter Höhenkrankheit, und nur 51 % bis 61 % erreichen erfolgreich den Gipfel (Karinen et al., 2008; Kayser et al., 2008, Davies et al., 2009). Eine Akklimatisierung an die Höhe vor Beginn des Aufstiegs würde wahrscheinlich die Anfälligkeit für AMS verringern, die körperliche Leistungsfähigkeit verbessern und den Erfolg auf dem Gipfel erhöhen.

Die Höhenakklimatisierung wird in der Regel durch einen kontinuierlichen Aufenthalt in Höhen von >1500 m eingeleitet. Für einige Personen, die in geringer Höhe leben, kann ein gelegentlicher 1- oder 2-tägiger Ausflug in mittlere oder größere Höhen möglich sein. Es stellt sich die Frage, ob diese Art der Höhenvorbereitung einen Nutzen bringt und, wenn ja, wie lange dieser Nutzen anhält.

Anstelle der Akklimatisierung stehen mehrere Medikamente zur Verfügung, die die Anfälligkeit für Höhenkrankheiten wirksam verringern (Hackett und Roach, 2001). Alle diese Medikamente (z. B. Acetazolamid, Dexamethason und Sildenafil) haben jedoch potenzielle unerwünschte Wirkungen, die ihren Einsatz einschränken, und keine dieser pharmazeutischen Interventionen verbessert direkt die körperliche Arbeitsleistung. In der Tat verringert Acetazolamid in der höchsten empfohlenen Dosierung die Ausdauerleistung (Stager et al., 1990, Garske et al., 2003) und verschlimmert damit die höhenbedingte Arbeitsbeeinträchtigung. Umgekehrt können niedrigere Acetazolamid-Dosierungen AMS in Höhenlagen >4000 m nicht wirksam verhindern (Dumont et al., 2000). Daher ist die Höhenakklimatisierung nach wie vor der beste Ansatz, um die schädlichen Auswirkungen der Höhe auf die Gesundheit und die menschliche Leistungsfähigkeit zu negieren.

Der Zweck dieser Übersichtsarbeit ist es, eine kurze Beschreibung der wichtigsten physiologischen Anpassungen bei der Höhenakklimatisierung zu geben, den Nutzen einer Vorbelastung in der Höhe zu bewerten und Empfehlungen für die Planung und das Timing einer Vorbelastung in der Höhe vor der Abreise zu einem Aufenthalt in großen Höhen zu geben. Aufgrund möglicher Unterschiede zwischen hypobarer und normobarer Hypoxie und der begrenzten Länge dieser Übersichtsarbeit wird nur die Verwendung hypobarer Expositionen in realer oder simulierter Höhe zur Einleitung der Höhenakklimatisierung behandelt.

Höhenakklimatisierung

Es gibt viele ausgezeichnete, umfassende Übersichtsarbeiten zur Höhenakklimatisierung (Bisgard und Forster, 1996; Ward et al., 2000, Young und Reeves, 2002). In dieser Übersicht konzentrieren wir uns auf die wichtigsten Anpassungen, die in den ersten Stunden bis Tagen der Höhenexposition auftreten.

Verfügbare Belege deuten darauf hin, dass im Höhenbereich von 900 bis 1500 m ein Grad an hypobarer Hypoxie erreicht wird, der die Entwicklung der Höhenakklimatisierung fördert (Kellogg 1968, Honigman et al., 1993, Reeves et al., 1993). Zwei wichtige Anpassungen, die die Höhenakklimatisierung ausmachen, sind eine erhöhte Ventilation und eine Verringerung des Gesamtkörperwassers, was zu einem verringerten Plasmavolumen (d. h. Hämokonzentration) führt. Die ventilatorische Akklimatisierung an die Höhe ist durch einen progressiven Anstieg der Ventilation, des arteriellen Sauerstoffpartialdrucks und der Sauerstoffsättigung (Sao2) sowie durch einen Abfall des arteriellen Kohlendioxidpartialdrucks zusammen mit einer Normalisierung des arteriellen pH-Werts während der ersten 5 bis 9 Tage des Aufenthalts in der Höhe gekennzeichnet (Bisgard und Forster, 1996). Gleichzeitig mit der erhöhten Ventilation wird die Sauerstofftransportkapazität des Blutes durch Hämokonzentration infolge der Verringerung des Plasmavolumens erhöht (Hoyt und Honig, 1996). Das Nettoergebnis der erhöhten Ventilation und der Hämokonzentration ist eine annähernde Normalisierung des arteriellen Sauerstoffgehalts nach einem etwa 7-tägigen Aufenthalt in großer Höhe (Sawka et al., 2000). Die ventilatorische Akklimatisierung kann durch das Medikament Acetazolamid beschleunigt werden (Kronenberg und Cain, 1968).

Akute Exposition in großer Höhe erhöht die Herzfrequenz und die Herzleistung, um die systemische Sauerstoffversorgung aufrechtzuerhalten (Mazzeo et al., 1994). Wenn der arterielle Sauerstoffgehalt mit der Höhenakklimatisierung ansteigt, kehren sowohl das Herzzeitvolumen als auch der periphere Blutfluss zur Normalität zurück. Dieser Rückgang des Blutflusses kann zu einer verbesserten Belastungstoleranz beitragen, indem er die Herzarbeit reduziert und mehr Diffusionszeit für die Gewebeextraktion von Sauerstoff ermöglicht (Sawka et al., 2000). Eine akute Exposition in großer Höhe verursacht eine hypoxische pulmonale Vasokonstriktion, die zu einem erhöhten pulmonalen Arteriendruck führt, der bei einigen wenigen Personen zu einem Höhenlungenödem (HAPE) führen kann (Gallagher und Hackett, 2004). Kürzlich haben wir gezeigt, dass ein 6-tägiger Aufenthalt auf ∼2200 m den Anstieg des pulmonal-arteriellen Drucks (PAP) während des anschließenden direkten Aufstiegs auf 4300 m deutlich abschwächt (Baggish et al., 2010), was das Risiko der Entwicklung eines HAPE verringern könnte. Bei der Akklimatisierung kommt es zu einem verstärkten Transport und zur Oxidation von Kohlenhydraten in stoffwechselaktiven Geweben (Brooks et al., 1991). Daher sind Kohlenhydrate in einer sauerstoffarmen Umgebung die bevorzugte Brennstoffquelle (Fulco et al., 2005).

Bei einem kontinuierlichen Aufenthalt in der Höhe verringert sich die physiologische Belastung durch körperliche Betätigung, und die Belastungstoleranz in der Höhe verbessert sich im Vergleich zu derjenigen bei der Ankunft (Horstman et al., 1980; Fulco et al., 2005). Außerdem gehen die Symptome von AMS mit der Akklimatisierung zurück (Gallagher und Hackett, 2004). Wenn beispielsweise Personen, die an AMS erkrankt sind, den weiteren Aufstieg abbrechen und sich auf ihrer aktuellen Höhe ausruhen, klingen die AMS-Symptome bei ∼80 % der Betroffenen innerhalb von 2 bis 7 Tagen ab (Gallagher und Hackett, 2004), da eine Akklimatisierung an die Hypoxie erreicht wird. Diese Ergebnisse verringern das Risiko, indem sie das Urteilsvermögen verbessern, Müdigkeit und Krankheit verringern und die Wahrscheinlichkeit erhöhen, eine Wanderung oder einen Aufstieg in großer Höhe erfolgreich abzuschließen.

Akklimatisierung ist höhenspezifisch, d. h. eine vollständige Akklimatisierung in einer Höhe führt nur zu einer teilweisen Akklimatisierung in einer höheren Höhe. Die Zeit, die eine Person benötigt, um sich zu akklimatisieren, hängt von der Physiologie der Person und dem Ausmaß der hypoxischen Herausforderung ab, die durch die erreichte Höhe definiert wird (Reeves et al., 1993). Personen, die noch nicht lange (>1 Monat) in der Höhe akklimatisiert sind, benötigen die größte physiologische Kompensation und somit die längste Zeit zur Akklimatisierung. Personen, die sich in mäßigen oder hohen Höhenlagen aufhalten, werden sich schneller an eine größere Höhe akklimatisieren (Muza et al., 2004). Bei den meisten Menschen, die sich in großen Höhen aufhalten, vollzieht sich 70 % bis 80 % der respiratorischen Komponente der Akklimatisierung innerhalb von 4 bis 10 Tagen, und 80 % bis 90 % der gesamten Akklimatisierung sind innerhalb von 2 Wochen bis einem Monat abgeschlossen (Purkayastha et al., 1995). Der Zeitverlauf für verschiedene Akklimatisierungsergebnisse (körperliche und kognitive Leistungen, AMS, Sao2 und Herzfrequenz), die in unserem Pikes Peak Labor auf 4300 m gemessen wurden, sind in Abb. 1 dargestellt.

Höhendeakklimatisierung

Eine einmal erworbene Akklimatisierung wird so lange aufrechterhalten, wie die Person in der Höhe verbleibt, aber sie geht über einige Tage bis Wochen nach der Rückkehr in niedrigere Höhen verloren. Die Geschwindigkeit, mit der die Deakklimatisierung in der Höhe erfolgt, ist nicht gut untersucht worden. Unser Labor (Lyons et al., 1995; Muza et al., 1995; Beidleman et al., 1997) akklimatisierte Tieflandbewohner 16 Tage lang auf 4300 m und brachte sie dann für 7 Tage auf Meereshöhe zurück. Am 8. Tag auf Meereshöhe stiegen sie auf 4300 m auf, um sich über Nacht in unserer hypobaren Kammer aufzuhalten. Diese zuvor akklimatisierten Probanden behielten etwa 50 % ihrer ventilatorischen Akklimatisierung bei, waren völlig frei von AMS und hatten eine geringere physiologische Belastung bei submaximaler Belastung. Savourey und Kollegen (1996) berichteten über eine Gruppe von Bergsteigern, die 10 Tage nach dem Verlassen des Everest-Basislagers in die niedrige Höhe zurückkehrten; als sie in einer hypobaren Kammer erneut 4500 m ausgesetzt wurden, waren Ruhe- und Belastungs-Sao2 immer noch deutlich höher als vor der Akklimatisierung. Schließlich maßen Sato und Kollegen (1992) die hypoxische Beatmungsreaktion (HVR) bei Tieflandbewohnern während eines fünftägigen Aufenthalts in 3810 m Höhe und während einer Woche nach der Rückkehr auf Meereshöhe. Die HVR war am dritten Tag in der Höhe signifikant erhöht und blieb auch in den ersten drei Tagen nach der Rückkehr auf Meereshöhe erhöht. Im Gegensatz zu den Ergebnissen dieser Studien beobachteten Richalet und Kollegen (2002) bei Bergleuten, die abwechselnd sieben Tage in 3800 bis 4600 m Höhe arbeiteten und sich sieben Tage auf Meereshöhe ausruhten, in den ersten zwei Tagen in sehr großer Höhe keine Abnahme des Schweregrads von AMS. Da es sich hierbei um eine Feldstudie handelte, könnten andere umwelt- oder arbeitsbedingte Faktoren jeden positiven Akklimatisierungseffekt bei diesen Bergleuten zunichte gemacht haben. Insgesamt deuten die meisten Ergebnisse dieser direkten Studien zur Höhenentwöhnung darauf hin, dass die Akklimatisierung nach dem Abstieg in niedrige Höhen abnimmt, aber bei gut akklimatisierten Personen mindestens eine Woche und bei Personen mit einer weniger gut entwickelten Akklimatisierung mindestens drei Tage lang erhalten bleibt.

Eine Studie liefert indirekte Hinweise darauf, dass eine funktionell nützliche Akklimatisierung über Tage bis Wochen anhält. Schneider und Kollegen (2002) untersuchten AMS bei Bergsteigern, die auf der Capanna Margherita (4559 m) ankamen, und untersuchten mehrere etablierte Risikofaktoren für AMS. Sie fanden heraus, dass die drei unabhängigen Determinanten für die Anfälligkeit für AMS die Vorgeschichte, die Aufstiegsgeschwindigkeit und die Vorbelastung durch die Höhe waren. Als ausreichende Vorbelastung in der Höhe wurde ein Aufenthalt von 5 oder mehr Tagen über 3000 m in den vorangegangenen 2 Monaten angesehen. Unabhängig von der bekannten Anfälligkeit verringerten sowohl eine ausreichende Vorbelastung durch die Höhe als auch ein langsamer Aufstieg die AMS-Prävalenz um ∼50 %. Leider haben die Forscher die Höhenexpositionsprofile oder den Zeitpunkt der Vorexposition im Verhältnis zum tatsächlichen Aufstieg und der Bewertung von AMS nicht bestimmt. Schließlich ist es möglich, dass Personen mit einer Vorgeschichte von AMS das Klettern in großen Höhen aufgegeben haben, so dass die Kletterpopulation in dieser Studie durch Selbstselektion keine Personen mit hoher Anfälligkeit für AMS umfasste. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass, obwohl noch erhebliche Datenlücken bestehen, die überwiegende Zahl der Beweise darauf hindeutet, dass die Höhenakklimatisierung noch Tage bis mehrere Wochen nach der letzten Vorexposition anhält.

Vorexpositions-Höhenakklimatisierung

Es gibt zwei Ansätze für die Vorexpositions-Höhenakklimatisierung: kontinuierliche und intermittierende Höhenexposition. Es gibt zahlreiche Belege dafür, dass ein kontinuierlicher Aufenthalt in gemäßigten und höheren Höhen eine Akklimatisierung bewirkt (Houston, 1955; Hansen et al., 1967; Houston und Dickinson, 1975; Evans et al., 1976; Hackett et al., 1976; Stamper et al., 1980; Purkayastha et al., 1995; Beidleman et al., 2009; Fulco et al., 2009; Baggish et al., 2010). In all diesen früheren Studien folgte jedoch der weitere Aufstieg in höhere Lagen unmittelbar auf den stufenweisen oder abgestuften Aufstieg in höhere Lagen. Wie bereits beschrieben, behielten Tieflandbewohner, die gut an 4300 m akklimatisiert waren und für 7 Tage in eine niedrigere Höhe zurückkehrten, ihre positive Akklimatisierung bei, als sie am achten Tag wieder auf 4300 m aufstiegen (Lyons et al., 1995; Muza et al., 1995; Beidleman et al., 1997). Es gibt keine veröffentlichten Berichte über die Dauer der positiven Akklimatisierung für andere Kombinationen von Höhenlage und Expositionsdauer.

Die Höhenakklimatisierung kann durch diskontinuierliche oder intermittierende Höhenexposition induziert werden (Muza, 2007). Es gibt zahlreiche Belege dafür, dass intermittierende Höhenexpositionen eine ventilatorische Akklimatisierung bewirken (Nagasaka und Satake, 1969; Savourey et al., 1996; Chapman et al., 1998; Katayama et al., 1998; Rodriguez et al., 2000; Ricart et al., 2000; Katayama et al., 2001; Beidleman et al., 2004) und die Arbeitsleistung verbessern (Roskamm et al., 1969; Terrados et al., 1988; Vallier et al., 1996; Beidleman et al., 2003; Beidleman et al., 2008). Nur eine Studie (Beidleman et al., 2004) hat AMS nach intermittierenden Höhenexpositionen untersucht. Wir fanden heraus, dass AMS auf 4300 m unmittelbar nach 15 Tagen täglicher 4-stündiger Exposition auf 4300 m nicht auftrat. Die Einbeziehung von Bewegungstraining in großer Höhe kann (Roskamm et al., 1969) oder auch nicht (Beidleman et al., 2003) die Verbesserung der körperlichen Leistungsfähigkeit in großer Höhe verstärken. In den meisten dieser Studien wurde die Bewertung der „positiven“ Akklimatisierung innerhalb von 24 Stunden nach der letzten Vorexposition vorgenommen. Daher ist die Persistenz dieser positiven Anpassungen unbekannt. Außerdem wurden in den meisten dieser Studien hypobare Kammern verwendet, und die Expositionen erfolgten in sehr großen Höhen (>4000 m), die in der natürlichen Umgebung von Personen, die in geringer Höhe leben, nicht leicht zu erreichen sind. Es gibt keine veröffentlichten Studien über die Wirksamkeit eines wahrscheinlicheren Szenarios, bei dem ein Wochenendaufenthalt in großer Höhe über 2 oder mehr Wochen wiederholt wird. In der relativ leicht erreichbaren Höhe von 2200 m beispielsweise entwickelt sich innerhalb der ersten zwei Tage (d. h. an einem Wochenende) eine signifikante ventilatorische Akklimatisierung (Beidleman et al., 2009). Wie lange dieser Grad der Akklimatisierung nach dem Abstieg anhält, ist jedoch unbekannt.

Schneider und Kollegen (2002) stellten schließlich fest, dass eine ausreichende Vorbelastung in der Höhe 5 oder mehr Tage über 3000 m in den vorangegangenen 2 Monaten waren. Da jedoch der Zeitpunkt der Höhenvorexposition in Bezug auf den tatsächlichen Aufstieg und die Bewertung von AMS nicht bewertet wurde, ist es möglich, dass diese Vorexpositionen näher am tatsächlichen Aufstieg lagen, als es der zweimonatige Vorexpositionszeitraum impliziert.

Empfehlungen

Angesichts der begrenzten Daten ist es schwierig, definitive Empfehlungen für die Entwicklung einer wirksamen Höhenakklimatisierung unter Verwendung von Vorexpositionsprotokollen (kontinuierlich oder intermittierend) zu geben. Außerdem hängt es von der geplanten Aufstiegsgeschwindigkeit und der endgültigen Höhe der anschließenden Reise ab, welchen Grad der Höhenakklimatisierung man vor dem Aufbruch zum Aufstieg erreichen sollte. Personen, die einen schnellen Aufstieg zu extremen Höhen wie dem Kilimandscharo (5896 m) planen, benötigen beispielsweise eine stärkere Akklimatisierung als Personen, die eine Wanderung auf dem Pacific Crest Trail mit einer Höhe von 4009 m planen. Die folgenden Richtlinien sollten daher als vorläufig betrachtet werden und eher als allgemeine denn als spezifische Anleitung dienen.

Individuen, die sich innerhalb oder oberhalb von 900 bis 1500 m aufhalten, haben wahrscheinlich einen Grad der Akklimatisierung entwickelt, der proportional zum Ausmaß des hypoxischen Reizes ist. Daher werden sie beim Aufstieg in größere Höhen wahrscheinlich eine proportional geringere Anfälligkeit für die Entwicklung von AMS erfahren und auch die hypoxisch bedingte Abnahme der körperlichen Arbeitsleistung abmildern. Bei Personen, die sich in einer Höhe von weniger als 900 bis 1500 m aufhalten, wird ein gewisses Maß an Höhenakklimatisierung durch häufige Exposition in großen Höhen in den Wochen vor der Abreise in große Höhen herbeigeführt. Es ist erwiesen, dass ein gewisses Maß an ventilatorischer Akklimatisierung durch ein- bis zweitägige Aufenthalte in mäßigen (>1500 m) oder großen (>2400 m) Höhen und durch tägliche 1,5- bis 4-stündige Expositionen in >4000 m erreicht wird. Es gibt Hinweise darauf, dass fünf oder mehr Tage über 3000 m innerhalb der letzten zwei Monate vor einem Aufstieg in große Höhen die AMS deutlich verringern. Im Allgemeinen ist das Ausmaß der Höhenakklimatisierung proportional zur erreichten Höhe und der Dauer der Exposition. Je größer das Ausmaß der Höhenakklimatisierung, desto länger hält die funktionell nützliche Akklimatisierung nach dem Abstieg an. In Ermangelung definitiver Beweise sollte der Aufstieg in die Höhe jedoch so bald wie möglich nach der letzten Höhenexposition geplant werden.

Enthüllungen

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