TOxygen ein Gift zum Leben

Transkript

1 Jahresversammlung der SUHMS Biel, TOxygen ein Gift zum Leben über Sauerstoff und die Mechanismen seiner toxischen Wirkungen Christian Wölfel FMH Anästhesiologie Tauchmedizin SUHMS, Notarzt SGNOR

2 Evolution des Sauerstoff-Metabolismus Ohne Sauerstoff kein Leben?

3 Evolution des Sauerstoff-Metabolismus

9 Sauerstoff - Metabolismus Äussere Atmung thinkstock

10 Sauerstoff - Metabolismus Innere Atmung

11 Sauerstoff - Metabolismus Mitochondrien

12 Sauerstoff - Metabolismus Mitochondrium

13 Sauerstoff - Metabolismus Atmungskette

14 Sauerstoff - toxische Effekte hoher O2-Partialdruck im Atemgas chemische Reizung Zellschäden (Zer-)Störung von Enzymen Netzhaut-schaden (Auge) bei Frühgeborenen Schleimhaut- und Endothelschäden (Luftröhre, Bronchien, Haargefässe, Lungenbläschen Lungenschaden, kollabieren von Lungenabschnitten (Atelektasen) Sauerstoffmangel, Verschiebung des Blut-pH-Wertes in den sauren Bereich (Azidose) Tod Zerstörung roter Blutkörperchen (Hämolyse) (Leberschaden) (Nierenschaden) Störungen des Hormonsystems (Herzmuskelschaden) Auge (Netzhaut, Linse, Brechungseigenschaften, Kammerwasserproduktion) Ohr (zentrales) Nervensystem: Zuckungen, Krampfanfälle, Zerstörung von Nervenzellen, Tod Modifiziert nach J.M. Clark in Bennet und Elliott s Physiology and Medicine of Diving

15 Sauerstoff - toxische Effekte potentielle Risikosituationen: halbgeschlossene und geschlossene Kreislaufgeräte Verwendung hochprozentiger Atemgasmischungen Sauerstoffatmung zur Verkürzung von Dekompressionszeiten Hyperbare Sauerstofftherapie Rekompressionstherapie bei Tauchunfällen Sättigungstauchen Intensivtherapie bei Lungenversagen

16 Sauerstoff - toxische Effekte Art und Umfang der toxischen O2-Effekte sind abhängig von der Expositionszeit und dem O2-Partialdruck

17 Sauerstoff - toxische Effekte Auge: Perimetrie (Gesichtsfeldmessung) nach 3 Stunden po2 3bar Aus: Bennet und Elliott s Physiology and Medicine of Diving

18 Sauerstoff - toxische Effekte Auge: vorübergehende (Minuten) Einengung des Gesichtsfeldes vorübergehende (Tage) Kurzsichtigkeit bleibender Grauer Star, niedriger Augendruck, Netzhautablösung, Netzhautgefässverschlüsse, Nachtblindheit Aus: Bennet und Elliott s Physiology and Medicine of Diving

19 Sauerstoff - toxische Effekte Lunge: Vitalkapazität

20 Sauerstoff - toxische Effekte Lunge: Abnahme der Vitalkapazität C. Aus: Edmonds et al, Diving and Subaquatic Medicine

21 Sauerstoff - toxische Effekte Lunge (Lorrain Smith Effekt): Reduktion der Vitalkapazität um 10% nach 24h bei po2 1 bar Reduktion zahlreicher anderer Lungenfunktionsparameter Reduktion des Surfactant Erhöhte Infektanfälligkeit Schliesslich bleibende Lungengewebsveränderungen (Lungenfibrose)

22 Oxygen - Toxic Effects Lunge (Lorrain Smith Effekt): Reduktion der Vitalkapazität um 10% nach 24h bei po2 1 bar Reduktion zahlreicher anderer Lungenfunktionsparameter Reduktion des Surfactant Erhöhte Infektanfälligkeit Schliesslich bleibende Lungengewebsveränderungen (Lungenfibrose) Klinik: feuchte Nebengeräusche Lungenödem, Pneumonitis, Atelektase Adult Respiratory Distress Syndrom (ADRS) grosse interindividuelle Toleranzunterschiede Auftreten bei po2 < 50kPa unwahrscheinlich

23 Oxygen - Toxic Effects Lunge: Histopathologie Entzündungszellen im Interstitium und in den Alveolen Ödem Im Interstitium und in den Alveolen Abhebung des Endothels von der Basalmembran Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol Jul;293(1):L Epub 2007 Apr 6. Similar but not the same: normobaric and hyperbaric pulmonary oxygen toxicity, the role of nitric oxide. Demchenko IT1, Welty-Wolf KE, Allen BW, Piantadosi CA.

24 Sauerstoff - toxische Effekte Lunge: Reduktion des toxischen O2- Effektes durch Luftpausen (Air breaks) Aus: Bennet und Elliott s Physiology and Medicine of Diving

25 Oxygen - Toxic Effects Lunge: Berechnung der Belastung mit Units of Pulmonary Toxic Dose (UPTDs) 1 Minute Sauerstoffatmung bei po2 von 100 kpa (1 bar) = 1 UPTD 615 UPTD führten zu 4% Reduktion der Vitalkapazität, 1425 UPTD zu 10% Reduktion NOAA Taucher: max 850 UPTD/Tag

26 Oxygen - Toxic Effects Lunge: Berechnung der Belastung mit Units of Pulmonary Toxic Dose (UPTDs) 1 Minute Sauerstoffatmung bei po2 von 100 kpa (1 bar) = 1 UPTD 615 UPTD führten zu 4% Reduktion der Vitalkapazität, 1425 UPTD zu 10% Reduktion NOAA Taucher: max 850 UPTD/Tag Korrekturfaktor hyperbarer Sauerstoff hat mehr Schädigungspotential als normobarer (bei gleichem po2) z.b. fio2 1.0 bei 300kPa Umgebungsdruck erzeugt 3.82 anstatt 3 UPTDs

27 Oxygen - Toxic Effects Ganzkörperbelastung Oxygen Tolerance Units (OTU) für wiederholte oder langdauernde Expositionen erlauben weniger lange/tiefe Expositionen als UTPDs Oxygen Clock der NOAA 45 min bei po2 160kPa = 100% nicht mehr als 80%/d Halbierung nach 90 min Oberflächenintervall keine CNS-clock!

28 Oxygen - Toxic Effects

29 Oxygen - Toxic Effects Central Nervous System (CNS) main symptom: convulsion, frequently without prodromes consciousness is maintained until the beginning of convulsion if submerged convulsion mostly is the primal symptom death by drowning

30 Oxygen - Toxic Effects CNS every sign is suspect: nausea, vomitus dizziness, ear noise, ataxia, feeling of heaviness, feeling like collapsing, pallor, sweating, bradycardia, tunnel vision, photophobia twitching (lips, hands, other muscles) mydriasis hiccup impaired sensitivity (fingers) dyspnea blackout illusions, misperception, hallucinations, confusion

33 Oxygen - Toxic Effects The Marked Variation of Oxygen Tolerance in Man Oxygen Tolerance under Water Time-Pressure Relationship for Men Breathing Oxygen Under Water Maximum Non-toxic Depth under Water at Rest Effect of Work on Oxygen Tolerance Effect of Temperature on Oxygen Poisoning Signs and Symptoms of Oxygen Poisoning Off-effect Special Investigations (lung, EEG, cardiovascular, neurological)

34 Oxygen - Toxic Effects The Marked Variation of Oxygen Tolerance in Man one single diver standardised dives to 70msw 90 day period

35 Oxygen - Toxic Effects Oxygen Tolerance under Water

36 Oxygen - Toxic Effects Time-Pressure Relationship for Men Breathing Oxygen Under Water

37 Oxygen - Toxic Effects Maximum Non-toxic Depth under Water at Rest Depth (feet) po2 (kpa) No. of Subjects No. with symptoms No. convulsing

38 Oxygen - Toxic Effects Effect of Work on Oxygen Tolerance

39 Oxygen - Toxic Effects Effect of Temperature on Oxygen Poisoning

40 Oxygen - Toxic Effects Off-effect some subjects suffer a marked exacerbation of symptoms after returning to air breathing decompression precipitates convulsion in terms of a startlephenomenon

41 Oxygen - Toxic Effects CNS: increased susceptibility to oxygen toxicity Circumstance exercise hypoventilation hyperthermia immersion stress (light, noise,...) illness: fever congenital spherocytosis Vitamin E deficit drugs: amphetamine, acetazolamide, aspirin, atropine, pentobarbital, disulfiram, guanethidine gases: carbon dioxide, nitric oxide, inert gases hormones: insulin, thyroxine, ACTH, cortisol, epinephrine, norepinephrine chemicals: paraquat, ammonium chloride trace elements: iron, copper

42 Oxygen - Toxic Effects CNS: decreased susceptibility to oxygen toxicity circumstance: hyperventilation drugs: beta blockers some anaesthetics, gamma aminobutyric acid, lithium, magnesium, superoxide dismutase trace elements: manganese, cobalt, magnesium, calcium

43 Oxygen - Toxic Effects Mechanisms of O2-Toxicity: free radicals inhibition of enzymes and metabolic pathways inhibition of enzymes by oxidation of sulfuric groups (sulfhydryl groups, e.g. glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (glycolysis), flavoprotein enzymes (respiratory chain), enzymes of oxidative phosphorylation) modification of proteins by NO and peroxynitrite oxidation of pyridine nucleotides (NAD, NADP et al.) inactivation of membrane transport systems the activity of Sodium/potassium-transporting ATPase correlates with convulsions (in rats) alteration of synaptic signal transmission decreased GABA content in rat brains prior to convulsions decreased cellular metabolism in the brain (mitochondria, nucleus)

44 Oxygen - Toxic Effects Mechanisms of O2-Toxicity: in summary: Alteration of blood flow regulation tissue oxygen supply brain metabolism

46 Oxygen - Toxic Effects It has been demonstrated that [the] dangers [of oxygen poisoning] are far greater than was previously realized. The variation of tolerance between individuals, the variation of tolerance of each individual, the impairment of tolerance with work and under water, all make diving on pure oxygen below 25 ft. (7.6 m.) of sea-water a hazardous gamble. The impairment of tolerance under water is as mysterious as it is unfortunate. Despite the fact that a comprehensive picture of human symptoms of oxygen poisoning is now available, it is emphasized that no signs or symptoms can be given that would ensure a timely cessation of oxygen-breathing in all cases. The variation of symptoms even in the same individual, and at times their complete absence before convulsions, constitute a grave menace to the independent oxygen-diver. The only possible conclusion is that such tensions of oxygen should be scrupulously avoided.

47 Annual Meeting SUHMS Biel/Bienne, TOxygen the Vital Poison Discussion Christian Wölfel Anesthesiology FMH Diving Medicine SUHMS

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49 Freie Radikale grundlegende Mechanismen der Sauerstofftoxizität Reactive Oxygen Species (ROS) Hochreaktive unvollständige Moleküle O2 Hyperoxid-Anion, alte Bezeichnung: Superoxid-Anion HO Hydroxyl-Radikal RO Alkoxylradikal, bei Lipiden HOO Hydroperoxyl-Radikal ROO Peroxylradikal H2O2 Wasserstoffperoxid, Edukt zur Bildung anderer ROS, 1 O2 Singulett-Sauerstoff, angeregtes Sauerstoffmolekül ROOH Hydroperoxid O3 Ozon OCl Hypochlorit-Anion

50 Freie Radikale grundlegende Mechanismen der Sauerstofftoxizität Entstehung freier Radikale in der Atmungskette

51 Freie Radikale grundlegende Mechanismen der Sauerstofftoxizität weitere Weisse Blutzellen/Abwehrzellen Radikale als Waffe gegen Krankheitserreger Indirekte Bildung von weiteren (nicht-sauerstoff-)radikalen Entstehungsorte freier Radikale Stickstoffmonoxid (NO )

52 Freie Radikale grundlegende Mechanismen der Sauerstofftoxizität Schädigungen durch freie Radikale Veränderungen Bildung weiterer Radikale (z.b. Lipid-Peroxid-Radikal) Domino-Effekt Schädigung / Inaktivierung von Aminosäuren, Proteinen Lipiden, Zellmembranen Vernetzung von Lipiden mit Proteinen DNA / Erbgut des Energiestoffwechsels im Gehirn

53 Freie Radikale grundlegende Mechanismen der Sauerstofftoxizität Oxidativer Stress Stoffwechselzustand, in dem reaktive Sauerstoffspezies in hoher Konzentration vorliegen (Oxidativer Pool) und die antioxidativen Schutzmechanismen des Körpers nicht zu deren Neutralisation ausreichen

54 Freie Radikale grundlegende Mechanismen der Sauerstofftoxizität

55 Freie Radikale grundlegende Mechanismen der Sauerstofftoxizität Antioxidative Schutzmechanismen Bestreben, möglichst wenig freie Radikale bei Stoffwechselvorgängen anfallen zu lassen Superoxid Dismutase Katalase Glutathion-Peroxidase Radikalfänger Reparaturmechanismen an geschädigtem Gewebe

56 Freie Radikale grundlegende Mechanismen der Sauerstofftoxizität Antioxidative Schutzmechanismen Superoxid-Dismutase (SOD): 2 O2 + 2 H + H2O2 + O2 Sauerstofftoleranz korreliert mit SOD-Konzentration induzierbar (Hyperoxie, aerober Metabolismus)

57 Freie Radikale grundlegende Mechanismen der Sauerstofftoxizität Antioxidative Schutzmechanismen Katalase: 2 H2O2 O2 + 2 H2O Glutathion-Peroxidase induzierbar (Hyperoxie, aerober Metabolismus)

58 Freie Radikale grundlegende Mechanismen der Sauerstofftoxizität Antioxidative Schutzmechanismen Radikalfänger Vitamin E (Tocopherole, Tocotrienole u.a.) Schützt mehrfach ungesättigte Fettsäuren in Membranen vor Oxidation reduziert auch Superoxid, Hydroxylradikale Mindestbedarf 4mg/d, protektiv 20-35mg/d Vorkommen: Getreide, Nüsse, Samen, Pflanzenöle, Milch, Eier

59 Freie Radikale grundlegende Mechanismen der Sauerstofftoxizität Antioxidative Schutzmechanismen Radikalfänger Vitamin C (Ascorbinsäure) hält Tocopherole in der aktiven, reduzierten Form Mindestbedarf 20mg/d, 100mg/d empfohlen kann freie Radikale auf andere Moleküle übertragen Vorkommen: Obst- und Gemüse

60 Freie Radikale grundlegende Mechanismen der Sauerstofftoxizität Antioxidative Schutzmechanismen Radikalfänger Carotinoide (Lycopin u.a.) z.b. Lycopin u.a. Quencher für Singulettsauerstoff 1 O2 Vorstufen des Vitamin A Vorkommen: Obst und Gemüse

61 Freie Radikale grundlegende Mechanismen der Sauerstofftoxizität Antioxidative Schutzmechanismen Radikalfänger Polyphenolische Antioxidantien (Resveratrol, Flavonoide) Vorkommen: Tee, Kaffee, Soja, Obst, Olivenöl, Kakao, Zimt, Oregano, Rotwein, Granatapfel

62 Freie Radikale grundlegende Mechanismen der Sauerstofftoxizität Antioxidative Schutzmechanismen Radikalfänger Coenzym Q10 u.v.a.

63 TOxygen über Sauerstoff und die Mechanismen seiner toxischen Wirkungen Fragen? Diskussion? Danke, en Guätä! Dr. med. Christian Wölfel FMH Anästhesiologie Tauchmedizin SUHMS, Notarzt SGNOR