Endokrine, entzündliche und Immunreaktionen und individuelle Unterschiede bei akuter hypobarer Hypoxie bei Tieflandbewohnern

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 12659 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Wenn Tieflandbewohner Umgebungen ausgesetzt sind, die hypobare Hypoxie (HH) auslösen, wie etwa hohe Berge, kommt es zu hämodynamischen Veränderungen, um den Sauerstoffgehalt im Körper aufrechtzuerhalten. Allerdings müssen die Veränderungen anderer physiologischer Funktionen unter solchen Bedingungen noch geklärt werden. Diese Studie untersuchte Veränderungen endokriner, entzündlicher und immunologischer Parameter sowie individuelle Unterschiede während einer akuten HH-Exposition in einer Klimakammer (75 Minuten Exposition unter Bedingungen, die 3500 m nachahmen) bei gesunden Tieflandbewohnern. Aldosteron und Cortisol waren nach HH signifikant verringert und die Anzahl der Interleukine (IL)-6, IL-8 und weißen Blutkörperchen (WBC) war signifikant erhöht. Eine niedrigere periphere Sauerstoffsättigung (SpO2) war mit höheren IL-6- und Leukozytenzahlen verbunden, und ein höherer IL-8-Wert war mit einem höheren Cortisolspiegel verbunden. Diese Ergebnisse legen nahe, dass endokrine, entzündliche und Immunreaktionen bereits bei einer kurzen HH-Exposition von 75 Minuten hervorgerufen werden und dass Personen mit niedrigerem SpO2 offenbar ausgeprägtere Reaktionen zeigen. Unsere Ergebnisse liefern grundlegende Daten zum Verständnis der physiologischen Reaktionen und Wechselwirkungen homöostatischer Systeme während einer akuten HH.

In Höhenlagen führt der Abfall des Luftdrucks und der daraus resultierende Abfall des Sauerstoffpartialdrucks in den Alveolen zu einem Zustand, der als „hypobare Hypoxie“ (HH) bezeichnet wird. Es ist bekannt, dass sich die Bevölkerung Tibets und der Anden an die Umgebung in großer Höhe anpasst, und es wurden ethnische Unterschiede bei diesen Anpassungen festgestellt1,2,3,4,5. Typischerweise weisen tibetische Bevölkerungsgruppen niedrigere Hämoglobinkonzentrationen und einen hohen Blutfluss auf2,4,6, wohingegen Andenpopulationen höhere Hämoglobinkonzentrationen und stärkere Beatmungsmerkmale wie z. B. eine Tonnenbrust aufweisen2,7. Jeder Phänotyp trägt zur Aufrechterhaltung des Sauerstoffgehalts unter HH bei. Umgekehrt zeigen Tieflandbewohner, die akutem oder subakutem HH ausgesetzt sind, mehrere hämodynamische Veränderungen (Anstieg der Herzfrequenz, Ventilation, Atemfrequenz, Herzzeitvolumen und Hämoglobinkonzentration), um den Sauerstoffgehalt aufrechtzuerhalten8,9,10. Allerdings sind andere physiologische Reaktionen auf HH noch immer kaum verstanden.

Bei Tieflandbewohnern tritt die akute Bergkrankheit (AMS) häufig in Höhen über 3000 m auf11,12 und die periphere Sauerstoffsättigung (SpO2) wurde als Prädiktor für AMS identifiziert13,14,15. Im menschlichen Körper treten jedoch auch andere physiologische Veränderungen auf. Insbesondere führt HH über die Reduzierung von Aldosteron zu einer starken Natriurese und Diurese16,17, und AMS ist häufig mit Flüssigkeitsretention verbunden17,18. Viele Studien haben auch einen Anstieg des Cortisols als Reaktion auf HH19,20,21 berichtet, obwohl einige Studien keine derartigen Veränderungen festgestellt haben21,22,23. Adrenalin- und Noradrenalin-Reaktionen bei HH sind umstrittener. Noradrenalin scheint bei chronischer HH-Exposition zuzunehmen23,24, aber bei einer Exposition von weniger als etwa einer Woche sind bei beiden keine Veränderungen zu beobachten24. Darüber hinaus ist bekannt, dass Hypoxie und Entzündungsreaktionen auf molekularer, zellulärer und klinischer Ebene zusammenhängen25,26,27,28 und entzündliche Zytokine wie Interleukin (IL)-6, IL-1β und Tumornekrosefaktor (TNF) -α-Anstieg während HH8,29,30. Parallel dazu wurde in einigen Studien ein Anstieg der Anzahl weißer Blutkörperchen (WBC) während HH31,32 berichtet. Solche Ergebnisse legen nahe, dass nicht nur die Hämodynamik, sondern auch endokrine, entzündliche und Immunreaktionen während der HH zusammenwirken, um die menschliche Homöostase aufrechtzuerhalten.

Viele Studien haben wichtige Daten aus der Feldforschung vorgelegt, aber Faktoren wie Kälte, körperliche Belastung, Trainingsbelastung und andere Umweltfaktoren beim Bergsteigen können durchaus die physiologischen Reaktionen beeinflussen. Darüber hinaus sind individuelle Unterschiede bei den physiologischen Reaktionen auf HH, einschließlich des AMS-Risikos, zu beobachten9,11,28, diese Unterschiede wurden jedoch in früheren Studien nicht vollständig berücksichtigt. Es ist bekannt, dass HH verschiedene physiologische Reaktionen hervorruft, nicht nur hämodynamisch, sondern auch endokrin, entzündlich und immun. Unsere Hypothese war, dass Personen, die bei solchen Werten stärkere Reaktionen zeigten, während der HH-Exposition einen niedrigeren SpO2-Wert aufweisen würden, was auf eine geringere Sauerstoffversorgung des Blutes im Körper zurückzuführen ist. Ziel dieser Studie war es daher, endokrine, entzündliche und immunologische Reaktionen sowie individuelle Unterschiede während der akuten HH bei gesunden Flachlandbewohnern zu untersuchen, wobei die Klimakammer genutzt wurde, um Störfaktoren so weit wie möglich zu reduzieren (Abb. 1), um die grundlegenden Auswirkungen von HH auf den Menschen besser zu verstehen Körper und Interaktionen mit menschlichen homöostatischen Systemen.

Experimentelle Zeitleiste.

Eine einfaktorielle ANOVA zeigte, dass sich SpO2 und HR nach HH signifikant veränderten (p < 0,001) (Tabelle 1). SpO2 war nach 60–150 Minuten während HH im Vergleich zu 30 Minuten (Ausgangswert) signifikant verringert, während HR nach 75–150 Minuten während HH im Vergleich zum Ausgangswert signifikant erhöht war (Tabelle 1). SBP und DBP zeigten keine signifikanten Unterschiede zwischen HH und dem Ausgangswert (Tabelle 1).

Was die Blutbestandteile betrifft, so war nach HH-Exposition die Leukozytenzahl signifikant erhöht (p = 0,033) und Aldosteron und Cortisol signifikant erniedrigt (p < 0,001 bzw. p = 0,003) (Tabelle 2, Abb. 2). Noradrenalin war nach HH-Exposition geringfügig erhöht (p = 0,070) (Tabelle 2). Die Zytokine IL-6 und IL-8 waren nach HH-Exposition signifikant erhöht (p = 0,007 bzw. p = 0,043) (Tabelle 3, Abb. 2).

Individuelle Veränderungen der Blutbestandteile und Zytokine. Jede Farbe entspricht einem einzelnen Motiv. Nach HH sind Aldosteron und Cortisol signifikant erniedrigt (p < 0,05) und die Leukozytenzahl, IL-6 und IL-8 sind signifikant erhöht (p < 0,05).

SpO2 und HR zeigten signifikante negative Korrelationen bei 75, 105, 120 und 135 Minuten während der HH (r = −0,637, −0,619, −0,625 bzw. −0,618) (Abb. 3).

Korrelation zwischen SpO2 und HF nach 135 Minuten. SpO2 und HR zeigen am Ende von HH (135 Min.) eine negative Korrelation (r = − 0,618, p = 0,024).

In Korrelationsanalysen anderer Parameter (Tabelle 4) wurde eine signifikante negative Korrelation zwischen Veränderungen von IL-6 und SpO2 nach 135 Minuten (r = − 0,634, p = 0,020; Abb. 4) und eine signifikant positive Korrelation zwischen ihnen beobachtet Veränderungen in IL-6 und Veränderungen in der Leukozytenzahl (r = 0,545, p = 0,029; Abb. 5). Es wurde eine signifikante positive Korrelation zwischen Veränderungen von IL-8 und Veränderungen von Cortisol gefunden (r = 0,699, p = 0,003; Abb. 6). Es wurde eine geringfügige Korrelation zwischen Veränderungen der Leukozytenzahl und SpO2 nach 135 Minuten festgestellt (r = − 0,513, p = 0,073) und eine signifikante negative Korrelation zwischen Veränderungen des Noradrenalins und der Herzfrequenz nach 135 Minuten festgestellt (r = − 0,700, p =). 0,003; Abb. 7).

Korrelation zwischen SpO2 und Veränderungen in IL-6. SpO2 nach 135 Minuten und Veränderungen in IL-6 zeigen eine negative Korrelation (r = -0,613, p = 0,026).

Korrelation zwischen Veränderungen der IL-6- und Leukozytenzahl. Änderungen der IL-6- und WBC-Zahlen zeigen eine positive Korrelation (r = 0,545, p = 0,026).

Korrelation zwischen Veränderungen von IL-8 und Cortisol. Veränderungen von IL-8 und Cortisol zeigen eine positive Korrelation (r = 0,699, p = 0,003).

Korrelation zwischen Veränderungen des Noradrenalins und der Herzfrequenz nach 135 Minuten. Veränderungen von Noradrenalin und Cortisol zeigen eine positive Korrelation (r = 0,700, p = 0,003).

SpO2 wurde während der HH von 60 auf 150 Minuten signifikant gesenkt, während die HR von 75 auf 150 Minuten anstieg. Diese Reaktionen stellen typische hämodynamische Reaktionen auf HH bei Tieflandbewohnern dar, um die Herzleistung zu steigern und die Sauerstoffversorgung des Blutes aufrechtzuerhalten33. Darüber hinaus zeigten SpO2 und HR während des HH negative Korrelationen, was auf eine höhere HR bei Personen mit niedrigerem SpO2 hinweist. Diese Ergebnisse und Zusammenhänge stimmten mit früheren Studien an Tieflandbewohnern9,10,33,34 und sogar Hochlandbewohnern4,5 überein und deuteten auf individuelle Unterschiede in einigen Komponenten der Anpassungsfähigkeit an HH hin. Obwohl individuelle Unterschiede in den hämodynamischen Reaktionen auf HH beobachtet wurden, waren die Probanden mit Sicherheit HH ausgesetzt und es wurden physiologische Veränderungen hervorgerufen.

Andererseits wurden keine signifikanten Unterschiede im SBP oder DBP beobachtet. Unter Bedingungen einer Hypoxie wird der periphere Gefäßwiderstand durch Stickstoffmonoxid verringert, das aus Gefäßendothelzellen freigesetzt wird35, was den Blutdruck zu senken scheint. Einige Studien haben jedoch berichtet, dass sich der Blutdruck bei längerer und/oder schwerer Hypoxie-Exposition nicht verändert oder sogar leicht ansteigt (entspricht über 4000 m) aufgrund der Chemoreflex-Aktivierung des sympathischen Nervensystems36,37,38. Die Reaktionen des Blutdrucks auf HH bleiben umstritten. In dieser Studie blieben die Blutdruckwerte unverändert, möglicherweise aufgrund unterschiedlicher Versuchsbedingungen.

Alle Probanden zeigten nach HH einen Rückgang des Aldosterons, was auf Natriurese und Diurese hindeutet, was völlig mit früheren Studien übereinstimmt16,17,39. Darüber hinaus war Cortisol nach HH signifikant erniedrigt. In einer Feldstudie berichteten Wood et al.21, dass das Cortisol in Ruhe über 5150 m erhöht war, auf 3400 m und 4270 m jedoch unverändert blieb. Darüber hinaus war der Cortisolspiegel auf 4270 m gedämpft und auf 5150 m nach dem Training erhöht. Sie schlugen einen Schwellenwert für HH-Effekte für die Cortisol-Reaktion vor. Die Cortisolsekretion wird durch das adrenocorticotrope Hormon (ACTH) stimuliert. Mclean39 berichtete über verringerte Cortisol- und Aldosteronspiegel im Speichel in 4500 m Höhe und ging davon aus, dass die ACTH-Stimulation der Cortisol- und Aldosteronsekretion in großer Höhe beeinträchtigt war. In ähnlicher Weise berichteten Bouissou et al.40, dass der ACTH-Anstieg als Reaktion auf 60-minütiges Training in einer Klimakammer auf 3000 m im Vergleich zu 0 m unverändert blieb, die Cortisol-Reaktion jedoch gedämpft war. Sie fanden heraus, dass die ACTH- und Cortisolspiegel nach dem Training in 0 m Höhe stark korrelierten, während HH jedoch überhaupt nicht korrelierten, was auf eine ACTH-gesteuerte Steroidogenese in 0 m hindeutet, bei HH jedoch einige abkoppeln, was zu einer offensichtlichen Verringerung der Cortisol-Empfindlichkeit gegenüber ACTH führt. Cortisol wird daher durch Stress unter schweren HH-Bedingungen erhöht19,20,22, wohingegen milde HH-Bedingungen (bis zu 4000 m) die Cortisolsekretion aufgrund von Veränderungen in der Steroidogenese oder der Empfindlichkeit gegenüber ACTH unterdrücken könnten.

Noradrenalin stieg in dieser Studie während der HH tendenziell an (Tabelle 2). In vielen früheren Studien wurde festgestellt, dass sich der Noradrenalinspiegel bei akutem HH nicht verändert23,24, bei chronischem HH (> 1 Woche) jedoch zunimmt24,41. Interessanterweise berichteten Rostrup et al.24, dass Noradrenalin innerhalb von zwei Tagen auf 4200 m abnahm und eine signifikante positive Korrelation zwischen Noradrenalin und SpO2 aufwies, was auf individuelle Unterschiede bei der Akklimatisierung an HH aufgrund der Sauerstoffempfindlichkeit der Tyrosinhydroxylase schließen lässt. In der vorliegenden Studie wurde eine nicht signifikante Tendenz zu einer positiven Korrelation zwischen Noradrenalin und SpO2 beobachtet. Darüber hinaus korrelierte Noradrenalin stark mit der Herzfrequenz und SpO2 negativ mit der Herzfrequenz (Tabelle 4, Abb. 7). Obwohl die kausale Richtung des Zusammenhangs unklar war, könnten individuelle Variationen von HR und SpO2 während der HH mit den Auswirkungen von Noradrenalin auf α1-Adrenorezeptoren zusammenhängen42. Weitere pharmakologische Studien sind erforderlich, um diese Spekulationen zu klären.

Die IL-6-, IL-8- und Leukozytenzahlen waren in dieser Studie nach HH erhöht (Tabelle 3). Erstens haben wir den Nachweis erbracht, dass akutes HH selbst nach 75-minütiger Exposition Entzündungs- und Immunreaktionen hervorruft. Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Studien8,29,30 überein. IL-6 hat verschiedene Funktionen42, darunter die Stimulierung der Leukozytenproduktion und der Immunantwort43. In ähnlicher Weise ist IL-8 als Chemoattraktor für Neutrophile bekannt44 und löst Angiogenese aus45. IL-6 und IL-8 werden somit als Entzündungsmediatoren behandelt43,45,46; Infolgedessen stieg in dieser Studie die Leukozytenzahl als Immunreaktion an. Andererseits wurde in früheren Studien über einen Anstieg anderer Zytokine wie IL-1β und TNF-α bei längerer HH-Exposition berichtet29,30. In dieser Studie wurden keine derartigen Veränderungen beobachtet und diese Inkonsistenz könnte auf Unterschiede in den Versuchsbedingungen zurückzuführen sein. Darüber hinaus waren die Zytokinspiegel zwar deutlich erhöht, das Ausmaß dieser Veränderungen war jedoch relativ gering, wenn man bedenkt, dass die Werte bei Infektionskrankheiten auf Zehntausende ansteigen können. Die Auswirkungen von IL-6 und IL-8 auf die biologischen Prozesse bei HH müssen daher mit Vorsicht betrachtet werden.

Interessanterweise wurden individuelle Unterschiede in den Reaktionen von IL-6, IL-8 und WBC auf HH-Exposition beobachtet, wobei einige Personen nach der Exposition erhöhte Werte zeigten und andere erniedrigte Werte (Abb. 2). Diese Variationen deuten auf Schwellenwerte für die HH-Stimulation hin, da individuelle Variationen in den Beziehungen zwischen Zytokinen, Cortisol und SpO2 beobachtet wurden. Die Beziehung zwischen IL-6 und Leukozyten erscheint vernünftig, da höheres IL-6 eine höhere Leukozytenzahl und Immunreaktionen auf Entzündungen induziert. Die zugrunde liegenden Mechanismen können nicht allein aus diesen Daten erklärt werden, sondern könnten Schwankungen des SpO2 beinhalten. Ein niedrigerer SpO2-Wert war signifikant mit einem höheren IL-6-Wert und geringfügig mit einer höheren Leukozytenzahl verbunden, was darauf hindeutet, dass Personen mit niedrigeren Blutsauerstoffwerten erhöhte Entzündungs- und Immunreaktionen auf HH zeigen. Darüber hinaus war ein höherer IL-8-Wert signifikant mit einem höheren Cortisolspiegel verbunden (Abb. 6). Der Cortisolspiegel sank nach HH größtenteils (Abb. 2), und dieser Zusammenhang ist schwer zu erklären. Allerdings hat Cortisol entzündungshemmende Wirkungen und steigt unter IL-6-Stimulation47, und es ist bekannt, dass Cortisol-Exposition die IL-6- und IL-8-Spiegel in Lymphomonozyten erhöht48. Wahrscheinlich bestehen Crosstalk-Wechselwirkungen zwischen Cortisol und Zytokinen, und höhere IL-8-Spiegel könnten die Sekretion von Cortisol induzieren, um Entzündungen zu lindern. IL-6 zeigte auch eine ähnliche, nicht signifikante Beziehung zu Cortisol. Allerdings ist auch der gegenteilige Mechanismus möglich, da diese Immun- und Entzündungsreaktionen durch Hemmung der Hämodynamik zu einem niedrigeren SpO2-Wert führen können. Daher sind Studien auf zellulärer Ebene erforderlich, um die diesen Ergebnissen zugrunde liegenden Kausalzusammenhänge zu klären.

Die Gemeinsamkeit dieser physiologischen Reaktionen scheint in den niedrigeren Sauerstoffwerten im Blut zu liegen. Zumindest gibt es klare Zusammenhänge zwischen niedrigerem SpO2 und stärkeren Entzündungs- und Immunreaktionen. Malacrida et al.8 berichteten, dass die HIF-1α-, HIF-2α- und NRF2-mRNA-Spiegel in Leukozyten mit HH (3830 m) anstiegen und die IL-6-Spiegel und der oxidative Stress zunahmen. Sie berichteten auch über negative Zusammenhänge zwischen SpO2 und den mRNA-Spiegeln von IL-6, HIF-1α, HIF-2α und NRF2 und schlugen eine zeitliche Regulierung der Transkriptionsfaktoren, des Entzündungszustands und der Homöostase durch oxidativen Stress beim Menschen während der HH vor. Obwohl wir weder oxidativen Stress noch den HIF-1α- oder HIF-2α-Spiegel gemessen haben, scheinen in unserer Studie ähnliche Reaktionen aufgetreten zu sein. Darüber hinaus bleiben die Faktoren, die den individuellen Schwankungen des SpO2 zugrunde liegen, unklar, obwohl wahrscheinlich einige genetische Komponenten beteiligt sind9,49. Es ist bekannt, dass insbesondere genetische Variationen in HIF-2α (EPAS1) einen Schlüsselfaktor für die Anpassung an niedrige Hämoglobinwerte bei tibetischen Hochlandbewohnern darstellen6,50. HIF-1α und HIF-2α sind auch als Mediatoren von Entzündungs- und Immunreaktionen bekannt25,51. Einige genetische Variationen von HIF-2α kommen in der japanischen Bevölkerung vor und könnten zu den SpO2-Werten und Reaktionen auf HH beitragen.

Zusammengenommen sind die SpO2-Werte eindeutig mit verschiedenen physiologischen Reaktionen verbunden, nicht nur in der Hämodynamik, sondern auch in hormonellen, entzündlichen und immunologischen Reaktionen, selbst bei kurzen HH-Expositionen. Obwohl bei keinem unserer Probanden AMS-Symptome auftraten (LLS-Score > 3), können diese Reaktionen den AMS-Symptomen vorausgehen. Eine frühere Studie berichtete auch über keinen Zusammenhang zwischen Zytokinspiegeln und AMS52. Interessanterweise zeigen sich komplexe physiologische Wechselwirkungen und individuelle Unterschiede im Sauerstoffgehalt sowie in den hormonellen, entzündlichen und immunologischen Reaktionen im Körper. Kontroverse Ergebnisse früherer Studien könnten daher auf große individuelle Unterschiede in solchen Reaktionen auf HH zurückzuführen sein. Es wurde spekuliert, dass der Zytokinsturm bei der Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) die Sekretion verschiedener Zytokine, insbesondere IL-6 als Schlüsselmediator, mit sich bringt53. Bei COVID-19 ergab die Metaanalyse jedoch IL-6-Werte von 36,7 pg/ml (95 %-Konfidenzintervall [KI] 21,6–62,3 pg/ml) bei schweren Patienten, was deutlich niedrigere Werte als bei Infektionskrankheiten darstellt wie septischer Schock (983,6 pg/ml, 95 % KI 550,1–1758,4 pg/ml)54. Solche Ergebnisse legen nahe, dass selbst geringfügige Erhöhungen des IL-6-Spiegels physiologisch bedeutsam sein können. Die Werte der Zytokine waren in der vorliegenden Studie sogar noch niedriger. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Personen mit niedrigerem SpO2 unter HH-Stress möglicherweise einem höheren Risiko eines Zytokinsturms ausgesetzt sind, da sie als Reaktion auf Hypoxie während einer Lungenentzündung möglicherweise mehr Zytokine absondern. Obwohl wir einige Parameter im Zusammenhang mit den SpO2-Werten untersucht haben, sind weitere genetische und Transkriptomanalysen erforderlich, um die detaillierten physiologischen Mechanismen und individuellen Unterschiede zu klären, die bei den Reaktionen auf HH beim Menschen eine Rolle spielen.

Diese Studie zeigte eine Reihe von Einschränkungen. Erstens schränkte die geringe Stichprobengröße die Möglichkeit ein, einzelne Variationen zu analysieren, und es müssen mehr Daten gesammelt werden. Zweitens wurde in dieser Studie aus Sicherheitsgründen nur vor und nach der HH Blut entnommen. Einige Hormon- oder Zytokinspiegel könnten sich daher bei Druckänderungen schnell normalisiert haben. Für bessere zeitliche Analysen physiologischer Reaktionen sind mehr Zeitpunkte und längere HH-Expositionen erforderlich. Da Korrelationsanalysen schließlich nicht die Richtung der Kausalität in einer Beziehung aufdecken können, war unsere Fähigkeit, die Studienergebnisse zu interpretieren, begrenzt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Cortisol und Aldosteron durch akutes HH verringert und die HR-, IL-6-, IL-8- und Leukozytenzahlen erhöht wurden. Ein niedrigerer SpO2-Wert war mit höheren HR-, IL-6- und Leukozytenzahlen verbunden, und ein höherer IL-8-Wert war mit einem höheren Cortisolspiegel verbunden. Diese Ergebnisse legen nahe, dass selbst bei kurzer (75-minütiger) HH Entzündungs- und Immunreaktionen hervorgerufen werden und diese Reaktionen mit den SpO2-Werten zusammenhängen.

Teilnehmer waren 16 gesunde männliche Studenten. Das Durchschnittsalter betrug 23,3 (Standardabweichung [SD] 2,7), die mittlere Körpergröße 173,3 (6,5) cm, das mittlere Gewicht 60,1 (5,7) kg und der mittlere BMI 20,1 (2,2) kg/m2. Ausschlusskriterien waren Alter < 20 Jahre, aktueller Raucherstatus, aktueller Konsum antioxidativer oder entzündungshemmender Substanzen beim Basisbesuch, akute Erkrankung (infektiös, kardiovaskulär, zerebrovaskulär oder respiratorisch) oder eine frühere akute Erkrankung in großer Höhe. Das Institutional Review Board for Human Genome/Gen Research der Universität Kyushu genehmigte dieses Studienprotokoll und alle Verfahren wurden in Übereinstimmung mit den genehmigten Richtlinien durchgeführt. Die Studie ist auch bei UMIN registriert (Registrierungsnummer UMIN000037557). Nachdem potenziellen Probanden das experimentelle Verfahren beschrieben wurde, wurde vor der Einschreibung eine schriftliche Einverständniserklärung eingeholt.

Die Teilnehmer wurden gebeten, 2 Stunden vor Beginn der Studie auf Essen und Trinken zu verzichten. Die Teilnehmer trugen T-Shirts und Shorts und das Experiment wurde durchgeführt, während die Person auf einem Stuhl saß. Der experimentelle Ablauf ist in Abb. 1 dargestellt. Nach der Blutentnahme wurden vor dem Experiment verschiedene Messsensoren am Teilnehmer angebracht und die Raumtemperatur auf 28 °C (50 % relative Luftfeuchtigkeit) gehalten. Anschließend betraten die Teilnehmer die Klimakammer und es wurde mit den physiologischen Messungen begonnen. Nach 30-minütiger Ruhezeit in einer Umgebung mit der gleichen Lufttemperatur senkte der programmierte Betrieb der Klimakammer den Atmosphärendruck von etwa 760 mmHg (entspricht einer Höhe von 0 m) auf 493 mmHg (entspricht 3500 m). Dieses Höhenäquivalent wurde 75 Minuten lang beibehalten. Anschließend wurde der Atmosphärendruck in der Klimakammer innerhalb von 30 Minuten auf 760 mmHg erhöht und schnellstmöglich eine Blutprobe entnommen.

Vor dem Experiment wurden Größe, Gewicht und Körperfettanteil gemessen. SpO2- und Herzfrequenzmessungen (HR) wurden in 1-Minuten-Intervallen mit einem Pulsoximeter (Radical-7TM; Masimo Corporation, Tokio, Japan) durchgeführt. Der systolische Blutdruck (SBP) und der diastolische Blutdruck (DBP) wurden am linken Arm mit einem digitalen automatischen Blutdruckmessgerät (HEM-7210; OMRON, Kyoto, Japan) gemessen. SpO2 und Herzfrequenz wurden alle 15 Minuten gemittelt und der Blutdruck wurde alle 15 Minuten aufgezeichnet. Der Lake Louise Score (LLS) wurde ermittelt, während die physiologischen Werte aktualisiert wurden, um das Risiko von AMS55 zu bewerten. Für drei Probanden waren aufgrund eines Gerätefehlers keine SpO2-Daten verfügbar.

Für biochemische Analysen wurden vor und nach der HH-Exposition 14-Milliliter-Blutproben aus einer Ellenbogenvene entnommen. Die Blutbestandteile wurden durch Standardtests gemessen, einschließlich Hochleistungsflüssigkeitschromatographie für Katecholamine und Chemilumineszenz-Immunoassay für Steroidhormone (LSI Medience, Tokio, Japan). Bewertet wurden die Blutzellzahl (einschließlich Leukozyten), Hämoglobin, Hämatokrit, das mittlere Korpuskularvolumen (MCV), das mittlere Korpuskularhämoglobin (MCH), die MCH-Konzentration (MCHC), die Thrombozytenzahl sowie die Adrenalin-, Noradrenalin-, Dopamin-, Aldosteron- und Cortisolspiegel. Allerdings lagen die meisten Dopaminwerte unterhalb der Nachweisgrenze und wurden zur Analyse verworfen. Die Serumzytokinspiegel wurden mit einem V-PLEX Proinflammatorischen Panel 1 Human Kit (LSI Medience) gemessen, um Daten für Interferon-γ, IL-10, IL-12p70, IL-13, IL-1β, IL-2 und IL-4 zu erhalten , IL-6, IL-8 und TNF-α. Veränderungen der Blutbestandteile und Zytokine wurden als Wert nach HH minus dem Wert vor HH berechnet und diese Werte für Korrelationsanalysen verwendet.

Physiologische Daten (SpO2, HR, SBP und DBP) wurden mithilfe einer Einweg-Varianzanalyse (ANOVA) mit Tukey-Post-hoc-Tests verglichen. Blutbestandteile und Serumzytokinspiegel wurden zwischen vor und nach HH unter Verwendung des Student-t-Tests verglichen. Die Produkt-Moment-Korrelationsanalyse nach Pearson wurde verwendet, um Beziehungen zwischen Parametern zu bestimmen. Alle Daten werden als Mittelwert (SD) ausgedrückt, wobei Werte von p < 0,05 als statistisch signifikant gelten. Aufgrund fehlender SpO2-Daten betrug die Stichprobengröße für SpO2-bezogene Daten n = 13. Die Daten wurden mit der Statistical Analysis System-Software (Version 9.4; SAS Institute, Cary, NC, USA) analysiert.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Wir möchten Herrn Maeda Yasuhiko unseren Dank für die Bedienung der Klimakammer in der vorliegenden Studie aussprechen. Wir möchten uns auch bei allen Teilnehmern und den Mitgliedern unseres Labors für ihre Zusammenarbeit bedanken. Diese Studie wurde durch Grants-in-Aid for Scientific Research (17H01453, 18K14808, 21H02571 und 23H02568) von JSPS unterstützt.

Abteilung für menschliches Lebensdesign und Wissenschaft, Fakultät für Design, Kyushu-Universität, 4-9-1 Shiobaru, Minami-Ku, Fukuoka, 815-8540, Japan

Takayuki Nishimura, Shigekazu Higuchi, Shigeki Watanuki und Takafumi Maeda

Department of Living Business, Seika Women's Junior College, 2-12-1 Minamihachiman, Hakata-Ku, Fukuoka, 812-0886, Japan

Midori Motoi

Fukuoka Urasoe Clinic, BCC Building 9F, 2-12-19 Ropponmatsu, Cyuou-Ku, Fukuoka, 810-0044, Japan

Hideo Toyoshima

Abteilung für medizinische Laborwissenschaft, Fakultät für Gesundheitswissenschaften, Junshin Gakuen University, 1-1-1 Chikushigaoka, Minami-ku, Fukuoka, 815-8510, Japan

In Fumi Kishi

Advanced Testing and Evaluation Center, FITI Testing & Research Institute, 79 Magokjungang 8-ro 3-Gil, Gangseo-gu, Seoul, 07791, Südkorea

Sora Shin

Abteilung für Anatomie, Kitasato University School of Medicine, 1-15-1 Kitazato, Minami-ku, Sagamihara, Kanagawa, 252-0374, Japan

Takafumi Katsumura

Abteilung für integrierte Biowissenschaften, Universität Tokio, 5-1-5 Kashiwano-ha, Kashiwa-shi, Chiba, 277-8562, Japan

Kazuhiro Nakayama

Abteilung für Biowissenschaften, Universität Tokio, 7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokio, 113-0033, Japan

Hiroki Oota

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TN, TK, KN, HO, SW und TM konzipierten und gestalteten die Experimente. TN, MM, HT, FK, SS und SH führten die physiologischen Experimente durch und sammelten Daten. TN, MM, TK und TM haben den Artikel geschrieben. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Takayuki Nishimura.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Nishimura, T., Motoi, M., Toyoshima, H. et al. Endokrine, entzündliche und Immunreaktionen und individuelle Unterschiede bei akuter hypobarer Hypoxie bei Tieflandbewohnern. Sci Rep 13, 12659 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39894-w

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Eingegangen: 24. März 2023

Angenommen: 01. August 2023

Veröffentlicht: 04. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39894-w

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