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B978-3-437-41918-8.00015-4

10.1016/B978-3-437-41918-8.00015-4

978-3-437-41918-8

Überleben im kalten Wasser

Tab. 15.1
Wassertemp. Überlebenszeit
unbekleidet bekleidet
0 °C
5 °C
10 °C
15 °C
20 °C
12 min
20–30 min
60 min
90–120 min
15 h
> 12 min
40–60 min
220 min
240–300 min
> 15 h

Energie- und Wärmehaushalt

Kasuistik

Eine erfahrene Offpiste-Skifahrerin stürzt in den norwegischen Bergen beim Abfahren entlang einem halb zugefrorenen Wasserfall. Beim Sturz wird sie unglücklich zwischen felsigem Untergrund und einer darüber liegenden dicken Eisschicht eingeklemmt. Eiswasser strömt ständig über ihren Körper hinweg. Ihre Begleiter versuchen, sie an den Skiern herauszuziehen. Nach erfolglosen 7 min ruft einer ihrer Freunde die Notfallstation des nächstgelegenen Krankenhauses an. Die Frau versucht weiter, sich aus ihrer misslichen Lage zu befreien. Nach 20 min werden ihre Bewegungen immer langsamer, nach 40 min hören sie ganz auf. Weitere 20 min später trifft der Rettungsdienst ein. Es gelingt, ein Loch ins Eis zu schlagen und die Frau herauszuziehen. Sie ist asystolisch, extrem hypotherm (22 °C tympanal), ihre Pupillen sind weit und ohne Lichtreaktion. Der Notarzt beginnt unmittelbar mit kardiopulmonaler Reanimation (CPR), die jedoch ebenso wie die Gabe von 2 mg Adrenalin erfolglos bleibt. Nach weiteren 15 min trifft mit einem Rettungshubschrauber eine Anästhesistin ein, die die Verunglückte endotracheal intubiert und mit 100 % Sauerstoff ventiliert. Während des einstündigen Flugs zum Hospital erhält sie im Helikopter zusätzlich 40 IE Vasopressin.

Patientendaten

  • Allgemeine Daten: Alter 30 Jahre, Gewicht 65 kg, Größe 1,76 m

  • Kreislauffunktion: weder Spontanatmung noch Herzaktionen, keine Pupillenreaktion

  • EKG: isoelektrisch (Herztod)

  • Temperatur: 24,5 °C rektal

  • arterielle Blutwerte: K+ 4,3 mmol/L, paO2 64,8 kPa (normal), paCO2 7,7 kPa (moderat erhöht), BE –27, pH 6,65 (schwere metabolische Azidose).

Aus dem Intubationsschlauch tritt schaumige hellrote Flüssigkeit aus. Die CPR wird mit 100–120 Herzdruckmassagen und 15–20 Ventilationen/min fortgeführt. Sodann wird die Frau für den kardiopulmonalen Bypass mittels Femoraliskatheter vorbereitet. Die Rektaltemperatur ist jetzt 23,7 °C. Mit der Herz-Lungen-Maschine (HLM) wird ein mittlerer arterieller Druck von 50 mmHg gehalten. Zwischen venösem Blut und Wärmetauscher der HLM ist der Temperaturgradient maximal 10 °C.

Weiterer Verlauf

Etwa 40 min nach Eintreffen im Krankenhaus setzen ventrikuläre Fibrillationen ein, die nach weiteren 15 min in einen schwachen Puls übergehen. Die Temperatur liegt jetzt bei 26,2 °C rektal und 33,5 °C im Ösophagus. Nach 3 h wird die Frau mit 36 °C Rektaltemperatur von der HLM entkoppelt. Die Ventilation wird über einen extrakorporalen Membranoxygenator (ECMO) weitergeführt. Die Verunglückte wird nach 9 h auf die Intensivstation verlegt, wo sie 3 Wochen bleibt. ECMO ist für 4 Tage notwendig. In dieser Zeit kommt es mehrmals zum Organversagen; Hämodiafiltration (kombinierte Hämodialyse und Hämofiltration; Kap. 1.2) und Beatmungshilfe werden notwendig. Transient treten auf: hämorrhagische Diathese (Kap. 8.5), atrophische Gastritis, ischämische Kolitis, Polyneuropathie.
An Tag 9 wird die Frau extubiert, bleibt aber für insgesamt 20 Tage am Beatmungsgerät, z. T. wegen einer „critical illness polyneuropathy“ (CIP). Am Tag 21 wird sie per Helikopter in ein Krankenhaus an ihrem Heimatort geflogen, wo sie an Tag 50 in eine Rehabilitations-Einheit überführt wird. Fünf Monate nach dem Unfall klagt die Frau noch über residuale Paresen der Extremitäten, die sich jedoch langsam bessern. Ihr mentaler Zustand ist ausgezeichnet, und sie kann nach und nach ihre Berufstätigkeit wieder aufnehmen sowie Wandern und Skifahren.

Hypothermie

Von Hypothermie (Unterkühlung) spricht man bei Körperkerntemperaturen (T) < 35,5 °C. Sie kann durch unsachgemäße, v. a. feuchte Kleidung hervorgerufen werden und wird durch starken Wind gefördert. Extreme Hypothermie findet man bei Lawinenopfern und Ertrinkungsunfällen (akzidentelle Hypothermie). In kaltem Wasser ist die Überlebenszeit aufgrund des starken Wärmeentzugs über Leitung und Konvektion sehr begrenzt (Tab. 15.1).
Stadien der Hypothermie (Abb. 15.A)
  • Erregungs- oder Abwehrstadium (T 35,5–34 °C): Atmungs- und Kreislauffunktion erhöht, Muskelzittern, weiße bis zyanotische Haut (periphere Vasokonstriktion!), Schmerzen an den Akren.

  • Erschöpfungsstadium (T 34–28 °C): Blutdruckabfall, Bradykardie, Herzrhythmusstörungen, flache, unregelmäßige Atmung, Muskelstarre.

  • Lähmungsstadium (T < 28 °C): Bradyarrhythmie, Vorhofflimmern, Atmung abgeflacht und verlangsamt, Patienten sind bewusstlos, der Pupillenreflex auf Licht ist träge bis ausbleibend.; Hyperkaliämie und Hyponatriämie. Bei T < 24 °C Atem- und Kreislaufstillstand, Kammerflimmern bis Asystolie, Pupillen sind weit und lichtstarr („Scheintod“-Zustand).

Reanimation
Bei starker Hypothermie ist die CPR die wichtigste Methode der Reanimation bis zum aktiven Aufwärmen an einer HLM. Bis dahin sollten Beatmung über Beutel und Endotrachealtubus, Herzdruckmassage, einige wenige Defibrillationen sowie Adrenalingabe erfolgen. Bei der Umlagerung muss man unbedingt vermeiden, die Extremitäten über Herzniveau anzuheben. Sonst besteht die Gefahr, dass das periphere (kalte) Blut das zentrale (wärmere) Blut noch weiter abkühlt („Bergungstod“). Der bei Unterkühlung herabgesetzte Stoffwechsel verlängert die Wiederbelebungszeiten für Herz und Gehirn, sodass auch ein längerer Kreislaufstillstand ohne neurologische Defizite überlebt werden kann. Deshalb müssen bei Unterkühlten die Wiederbelebungsmaßnahmen bis zum Erreichen einer Körperkerntemperatur von mindestens 36 °C fortgesetzt werden.
Formen der Wiedererwärmung
  • Passive externe Wiedererwärmung (bei leichter bis mäßiger Hypothermie): Rettungsdecken bzw. -folien schützen vor weiterer Auskühlung; die eigene Wärmeproduktion führt zu einem langsamen Anstieg der Kerntemperatur um etwa 0,4 °C/h.

  • Aktive externe Wiedererwärmung (bei T < 35 °C): Warmluftgebläse erhöhen die Kerntemperatur um 0,5–1,0 °C/h.

  • Aktive zentrale Wiedererwärmung (indiziert bei T < 32 °C): schnelle Wiedererwärmung durch Hämofiltration/Hämodialyse und/oder HLM. Alternativ auch durch i. v. Gabe von 43 °C warmer Kochsalzlösung (150–200 mL/h), Gabe von erwärmtem Sauerstoff oder die Peritonealspülung mit 43 °C warmer, kaliumfreier Lösung.

Physiologie im Fokus

  • Viele Funktionen des Menschen erfordern eine konstante Körperkerntemperatur (Homoiothermie); in der Körperschale variiert die Temperatur (Poikilothermie).

  • Eine konstante Körperkerntemperatur wird durch ein Gleichgewicht zwischen Wärmebildung und -abgabe aufrechterhalten.

  • Die Körpertemperatur wird entsprechend einem Temperaturregelkreis konstant gehalten; bei Abweichungen vom Sollwert entsteht Hypo- oder Hyperthermie bzw. Fieber.

  • Wärmeproduktion und Energieumsatz sind eng miteinander gekoppelt.

  • Der Energieumsatz setzt sich aus Ruheumsatz, nahrungsinduzierter Thermogenese und aktivitätsabhängigen Umsatz zusammen.

Energiequellen

Nährstoffe

Kohlenhydrate (KH), Fette und Proteine sind die Hauptnährstoffe, aus deren Abbau wir Energie gewinnen. Andere Inhaltsstoffe der Nahrung wie Mineralstoffe und Vitamine wirken als Reglerstoffe bei Stoffwechselvorgängen; Ballaststoffe helfen der Verdauung. Wasser macht 65–75 % des Gesamtgewichts unseres Körpers aus und ist essenziell u. a. als Transportmedium, Baustoff, Wärmeregulator und Lösungsmittel für biochemische Prozesse. Nahrungs- und H2O-Aufnahme werden durch Regelkreise kontrolliert, die Hunger-, Sättigungs- und Durstgefühle entstehen lassen (Kap. 13, Kap. 14).

Energiebereitstellung

Der Endabbau von KH, Fetten und Proteinen erfolgt in Gegenwart von O2 in den Mitochondrien (Zellatmung; β-Oxidation von Fettsäuren). Zusammen mit Schlackenstoffen (z. B. Harnstoff) und Wärme entsteht dabei als wichtigste „Energiewährung“ ATP (Abb. 15.1). Da die zellulären ATP-Speicher (≈ 80 g ≙ 0,16 mol ATP) den Energiebedarf in Ruhe nur für < 1 min decken, wird ATP ständig regeneriert. Außer in den Mitochondrien entsteht es bei der Glykolyse und in Muskelzellen durch Übertragung einer Phosphatgruppe (P) von Kreatinphosphat auf ADP (Kap. 4.8).
Bei Hydrolyse von ATP werden etwa 30 kJ/mol Energie frei (1 J = 1 Ws = 1 Nm = 0,239 cal). Energieintensiv sind v. a. Biosynthesen, Muskelkontraktionen und aktive Transportprozesse (Abb. 15.1). Aus dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik folgt, dass bei energieverbrauchenden Prozessen immer auch Wärme entsteht.

Energiebedarf des Menschen

Er hängt von Alter, Körpermaßen, Tätigkeit, Geschlecht, Umgebungstemperatur und Gesundheitszustand ab. Optimal zusammengesetzte mitteleuropäische Kost besteht aus 55–60 % KH, 25–30 % Fetten und 12–15 % Eiweiß (Abb. 15.2). Bei Energieaufnahme von 8.400 kJ/d entspricht dies 275–300 g KH, 55–65 g Fett und 60–75 g Eiweiß.

Verbrennung und Brennwert

Dissimilierte Nahrungsstoffe werden zur Energieproduktion mit O2 verbrannt. KH wie z. B. Glucose werden dabei restlos zu CO2 und H2O abgebaut:
C6H12O6+6O26CO2+6H2O
Diese Reaktion setzt 2.826 kJ/mol an Energie frei. Auch bei Fettverbrennung kommt es zur vollständigen Oxidation der Fettsäuren zu CO2 und H2O. Im Falle der Palmitinsäure lautet die Reaktion:
C15H31COOH+23O216CO2+16H2O
Werden die Nährstoffe vollständig oxidiert (Fette und KH), entspricht ihr physiologischer Brennwert dem physikalischen (Abb. 15.3a); bei Fetten (38,9 kJ/g) ist er größer als bei KH (17,2 kJ/g), Ethanol liefert allerdings 29,7 kJ/g. Eiweiße werden im Körper nur bis zur Stufe des Harnstoffs abgebaut. Hier gilt daher: physiologischer Brennwert < physikalischer Brennwert (17,2 : 23,0 kJ/g).
Respiratorischer Quotient
Bei der Verbrennung von KH (z. B. Glucose) wird CO2 im gleichen Maße gebildet, wie O2 verbraucht wird. Der Quotient aus CO2-Bildung und O2-Verbrauch ist der respiratorische Quotient (RQ); er ist bei Glucose-Verbrennung 1. Entsteht weniger CO2, als O2 verbraucht wird, ist RQ < 1: bei Fetten ist er 0,7 und bei Proteinen 0,81 (Abb. 15.3).
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad η ist das Verhältnis von geleisteter Arbeit zu zugeführter Energie. Er ist bei KH- bzw. Eiweißverbrennung etwa 0,4 bzw. 0,3, d. h., die meiste Energie wird als Wärme frei. Im Muskel ist η beim elementaren Kontraktionsprozess 0,4–0,5, insgesamt jedoch 0,25.
Kalorisches Äquivalent
Die Wärmeproduktion pro L O2 hängt vom oxidierten Substrat ab. Da 1 mol O2 einem Gasvolumen von 22,4 L entspricht, werden bei Verbrennung von 1 mol Glucose 22,4 L · 6 = 134,4 L O2 verbraucht. Setzt man die dabei frei werdenden 2.826 kJ/mol in Relation zum verbrauchten O2, ergibt sich das kalorische Äquivalent (freigesetzte Energiemenge bei Verbrennung von 1 L O2) von KH:
2.826kj:134,4LO2=21,0kj/LO2
Deutlich kleiner ist das kalorische Äquivalent bei Fett- und Eiweißverbrennung (Abb. 15.3a), deshalb beträgt es bei durchschnittlicher mitteleuropäischer Kost 20,2 kJ/L O2. Dies entspricht einem durchschnittlichen RQ von 0,82 (Abb. 15.3b).

Klinik

Bei schlecht eingestelltem Diabetes und im Hungerzustand ist RQ < 0,7, da vermehrt Fettsäuren verwertet werden, deren Umwandlung zu Glucose zusätzlich O2 erfordert. Bei Hyperventilation (z. B. bei starker Aufregung oder Schmerzen) ist RQ > 1, da vermehrt CO2 abgeatmet wird. Auch bei Kohlenhydratmast ist RQ > 1, weil KH zu Fetten umgebaut werden, wobei O2 frei und folglich weniger eingeatmet wird.

Energieumsatz

Der Energie- oder Gesamtumsatz ist gleichbedeutend mit Leistung oder Energiebedarf pro Tag. Er setzt sich zusammen aus dem Grundumsatz, der nahrungsinduzierten (postprandialen) Thermogenese und dem aktivitätsabhängigen Energiebedarf.

Grundumsatz

Der Grundumsatz ist die Energiemenge, die der Körper pro Tag bei völliger Ruhe (liegend), nüchtern (Nahrungskarenz 12 h), morgens (tageszeitliche Schwankungen!) und bei Indifferenztemperatur (28 bis 30 °C, unbekleidet) zur Aufrechterhaltung der basalen Funktionen benötigt. Beim Erwachsenen beträgt er etwa 100 kJ/d pro kg Körpergewicht (24 kcal/d pro kg). Davon gibt der Körper 70–80 % als Wärme ab (Heizleistung etwa 60 W). Zwecks Kühlung verschwitzt man pro Tag 1–2 L Wasser.

Ruheenergieverbrauch (REE)

Die Normbedingungen zur Grundumsatzmessung sind realitätsfern, daher ermittelt man in der Regel den Ruheenergieverbrauch (resting energy expenditure, REE): Nahrungskarenz 8 h, keine Kontrolle der vorherigen Diät und körperlichen Aktivität, unvollständige mentale/physische Ruhe (sitzend), keine strikte Thermoneutralität (Raumtemperatur 20 °C, leichte Kleidung). Der REE ist etwa 5–10 % höher als der Grundumsatz. Er macht 50–75 % des Energietagesbedarfs aus; den größten Anteil haben Leber, Gehirn und Muskeln (Abb. 15.4).

Bestimmungsgrößen des REE

    • Lebensalter: Höchster Grundumsatz mit 20 Jahren, danach sinkt er pro Dekade um 2 % (Abb. 15.5); bezogen auf 1 m2 Körperoberfläche sinkt er bis zum 20. Lebensjahr schnell, danach langsamer.

    • Körpergewicht und -größe: Je größer das Verhältnis von Körperoberfläche zu Körpervolumen, desto höher sind Grundumsatz und REE.

    • Geschlecht: Bei Männern ist der REE meist 10 bis 15 % höher als bei Frauen (Abb. 15.5).

    • Hormone (insbesondere Schilddrüsenhormon)

    • Temperatur: Der REE ist bei Indifferenztemperatur (28–30 °C) am niedrigsten; wärmere oder kältere Umgebungstemperaturen erhöhen ihn.

    • Körpertemperatur (z. B. REE erhöht bei Fieber)

    • Ernährungszustand: Im Verlauf einer Diät sinkt der REE; d. h., man isst zwar weniger, verbraucht aber auch weniger Energie.

    • Fettfreie Körpermasse (= Organe und Muskulatur): Sie benötigt mehr Energie als Fettgewebe (ein Bodybuilder verbraucht also selbst in Ruhe mehr Energie als ein gleich schwerer, wenig muskulöser Mann).

Postprandiale Thermogenese

Nach Nahrungsaufnahme steigt der Energieverbrauch. Diese nahrungsinduzierte Thermogenese (Abb. 15.6) hängt von der Nahrungsmenge und -zusammensetzung ab: Bei gemischter Kost beträgt sie 8–15 % des täglichen Energieverbrauchs; für Kohlenhydrate ist sie 10 %, für Fette 3 % und für Eiweiße bis zu 30 % (spezifisch-dynamische Wirkung der Nährstoffe). Zum erhöhten Energieumsatz führen wohl die Verdauung und Verstoffwechslung der Nahrungsstoffe.

Aktivitätsabhängiger Umsatz

Als Leistungsumsatz wird die Energiemenge definiert, die pro Tag für Aktivitäten benötigt wird, die über den Grundumsatz hinausgehen. Der Wert liegt für die meisten Menschen bei 20–40 % des Gesamtumsatzes und hängt von Ausmaß und Dauer der körperlichen Aktivitäten (Muskelarbeit!) ab. Den Energieumsatz pro Tag bei leichter Freizeitgestaltung bezeichnet man auch als Freizeitumsatz, den bei körperlicher Arbeit als Arbeitsumsatz (Abb. 15.6). Selbst bei sehr hoher physischer Belastung steigt der Tagesumsatz nur auf ca. das Doppelte des Freizeitumsatzes.
Das Ausmaß körperlicher Aktivität wird im „physical activity level“ (PAL-Wert) ausgedrückt, dem Quotienten aus 24-h-Energieverbrauch und REE. Er liegt zwischen 1,2 (bettlägerig/Rollstuhl) und 2,4 (Schwerstarbeit). Um gesund zu bleiben, wird ein PAL-Wert von 1,7 empfohlen.

Kalorimetrie

Der Energieumsatz kann mittels Kalorimetrie direkt oder indirekt gemessen werden. Die direkte Methode (Abb. 15.7a) ist sehr aufwendig und wird deshalb nur selten durchgeführt. Einfacher ist die indirekte Bestimmung über den O2-Verbrauch mit spirometrischen Verfahren (Abb. 15.7b, Kap. 10.4). Der Energieumsatz errechnet sich aus O2-Aufnahme (fx06o2 [mL/min]) und mittlerem kalorischem Äquivalent (20,2 kJ/L O2; Kap. 15.1). Unter Normbedingungen ergeben sich daraus typische Durchschnittswerte für den Grundumsatz, z. B. (Abb. 15.6) für eine 30-jährige, 70 kg schwere Person.

Klinik

Krankheiten können den Grundumsatz verändern. Er erhöht sich bei Verletzungen, Verbrennungen, Fieber (Stoffwechselaktivität steigt!), Traumen oder Schilddrüsenüberfunktion (Hyperthyreose; um bis zu 100 %). Er sinkt bei Hypothyreose (um bis zu 40 %) oder Schock (Mangeldurchblutung!).

Körpertemperatur und Wärmebildung

Der Mensch ist ein endothermer Organismus, der seine Körpertemperatur anders als ektotherme Tiere (z. B. Amphibien) auch bei stark wechselnden Umgebungstemperaturen konstant halten kann.

RGT-Regel

Stoffwechselprozesse sind temperaturabhängig. Temperaturerhöhung um 10 °C verdoppelt in etwa, wie bei allen chemischen Reaktionen, ihre Geschwindigkeit (Van't-Hoff- oder Reaktions-Geschwindigkeits-Temperatur- bzw. RGT-Regel). Den Quotienten aus den bei einer Differenz von 10 °C bestimmten Reaktionsgeschwindigkeiten eines biologischen Prozesses nennt man Q10-Wert. Für stoffwechselabhängige Prozesse ist Q10 = 2–3.

Körperkern und Körperschale

Körperbereiche mit einer Temperatur von etwa 37 °C zählen zum Körperkern (Schädel-, Brust- und Bauchhöhle, Abb. 15.8). Diese Region ist homoiotherm (gleich warm). In den Extremitäten, der Haut und in hautnahen Schichten variiert die Temperatur stärker, ist niedriger als im Körperkern und regional unterschiedlich (28–36 °C). Diese Körperschale ist poikilotherm (wechselwarm). Bei Umgebungstemperaturen unter 25 °C (unbekleidete Person) ist der 37-°C-Kern verkleinert und in der verbreiterten Schale bilden sich axiale und radiale Temperaturgradienten aus (Abb. 15.8). Bei Umgebungstemperaturen über 30 °C ist der 37-°C-Kern vergrößert.
Die Körperkerntemperatur
    • steigt bei körperlicher (v. a. schwerer) Arbeit

    • schwankt im Tagesverlauf mit einem Minimum am frühen Morgen (Abb. 15.9)

    • steigt unter Einfluss von Schilddrüsenhormonen und Catecholaminen (Stoffwechsel ↑)

    • schwankt zyklusbedingt (vor der Ovulation etwa 0,5 °C niedriger als danach, Abb. 15.9).

Körperkerntemperaturmessung

Als Standardwert gilt die Temperatur in der Aorta ascendens bzw. im Ösophagus, die jedoch nur invasiv erfassbar ist. Praktisch misst man die Körperkerntemperatur daher am zuverlässigsten im Rektum, weniger zuverlässig unter der Zunge (sublingual) oder am Trommelfell (tympanal). Am wenigsten zuverlässig ist die axilläre Messung.

Topografie der Wärmebildung

Die inneren Organe im Körperkern bilden unter Ruhebedingungen etwa 60 % der Körperwärme, die Muskeln ein Viertel (Abb. 15.10). Die Ruhewärmeproduktion eines Menschen beträgt pro Tag 7,1–8,4 MJ (85–100 W). Im Alter sowie im Schlaf sinkt die Wärmebildung. Schwere Arbeit kann sie kurzzeitig bis auf das 20-Fache des Ruhewerts erhöhen. Dann übernimmt die Muskulatur bis zu 90 % der Wärmeproduktion (Abb. 15.10).

Thermisches Gleichgewicht

Die Körperkerntemperatur lässt sich nur konstant halten, wenn sich Wärmebildung und -aufnahme mit der Wärmeabgabe die Waage halten. Viele Faktoren (Abb. 15.11) diktieren dieses Gleichgewicht. Die Wärmebilanz ist bei Umgebungstemperaturen von 25–30 °C ausgeglichen (thermische Neutralzone), wird jedoch von Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, Windverhältnissen und Bekleidung beeinflusst. Temperaturen von 27–31 °C werden unter Grundumsatzbedingungen als behaglich empfunden (Indifferenztemperatur; abhängig u. a. von Klima, ethnischer und permanenter Anpassung).

Durchblutungsanpassung

Im Bereich der Indifferenztemperatur werden Wärmebildung und -abgabe allein durch die Regulation der Hautdurchblutung ausbalanciert. Dieser Prozess wird vorwiegend noradrenerg-sympathisch reguliert: Bei Kälte steigt die Sympathikusaktivität und führt zur Konstriktion der Hautgefäße der Akren (Finger, Hände, Füße, Ohren) durch Kontraktion der glatten Gefäßmuskulatur (α-Rezeptoren) sowie zum Verschluss der oberflächennahen arteriovenösen Anastomosen (Abb. 15.12). Umgekehrt sinkt bei Hitze die Sympathikusaktivität: Die Hautgefäße dilatieren, die Anastomosen öffnen sich (→ Wärmeabgabe ↑).

Wärmebildung bei Kältestress

Fällt die mittlere Hauttemperatur unter 32 °C, führt die einsetzende periphere Vasokonstriktion zur Vergrößerung der Körperschale (Isolation!). Wärme kann durch willkürliche Muskeltätigkeit vermehrt gebildet werden (Verhaltensanpassung).
Kältezittern: Bei Kälte wird der Muskeltonus reflektorisch erhöht; Muskelzittern setzt ein (Frequenz ≈ 10 Hz; Aktivierung phasischer Muskeln); am stärksten ist es bei Kerntemperaturen um 34–35 °C. Dabei wird Wärme bis zum 5-Fachen des Grundumsatzes erzeugt (wie bei Schwerstarbeit).
Zitterfreie Wärmebildung: Säuglinge können im Gegensatz zu Erwachsenen Wärme zitterfrei im braunen Fettgewebe bilden (Kap. 18.8).

Klinik

In der Herzchirurgie macht man sich die RGT-Regel zunutze: Der zu operierende Patient wird künstlich in Hypothermie versetzt. Dadurch sinkt der Energieumsatz des Herzens, und die mögliche Operationszeit verlängert sich.

Wärmeabgabe und Temperaturregulation

Innerer Wärmetransport

Die im Körper gebildete Wärme wird zunächst in die kühlere Peripherie transportiert. Dieser innere Wärmetransport variiert durch schwankende Hautdurchblutung sehr stark. Die größte Variabilität der Durchblutung zeigen die Akren (Finger 1 : 600, Hand 1 : 30). Diese Anpassung beruht auf der Änderung des Sympathikotonus unter Einfluss hypothalamischer Neurone (systemische Durchblutungsanpassung, Kap. 15.3) sowie auf lokalen Regulationsmechanismen des Gefäßtonus (Kap. 9.13). Eine Besonderheit der akralen Hautdurchblutung ist die Kältevasodilatation (Lewis-Reaktion): In kalter Umgebung (Hauttemperatur < 15 °C) kontrahieren sich die Hautgefäße zwar stark, erweitern sich jedoch in regelmäßigen Abständen (Schutz vor Kälteschäden?).

Wärmeaustauschmechanismus

Nach dem Gegenstromprinzip (Abb. 15.12) bewegen sich zwei unterschiedlich warme Flüssigkeitsströme (tiefe Arterien flankiert von je 2 Venen) in gegenläufiger Richtung dicht aneinander vorbei. Bei Kälte wird die Wärme des arteriellen Blutes aus dem Körperkern an das kühlere Blut der benachbarten Venen aus der Schale abgegeben; außerdem sinkt die Schalendurchblutung. Bei Hitze wird das arterielle Blut aus dem Kern in die sich öffnenden venösen Hautgefäße geleitet. Die Wärme wird zu Thorax und Extremitäten, bevorzugt aber zu den Akren geleitet. Da deren Oberflächen-Volumen-Verhältnis relativ groß ist, können sie viel Wärme an die Umgebung abgeben.

Formen von Wärmeabgabe

Wie viel Wärme nach außen abgegeben wird, hängt von der Temperaturdifferenz zwischen Körper und Umwelt ab. Bei Indifferenztemperatur ist der Wärmeverlust am kleinsten (Abb. 15.13). Die Abgabe erfolgt über 4 Wege:
Konvektion: In einer nur wenige mm dünnen Schicht nahe der Körperoberfläche erwärmt sich die Luft, steigt auf und kühlt den Körper dadurch. Diese Wärmeabgabe ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen Luft und Haut (3,5 W/m2 je 1 °C); sie steigt mit sinkender Umgebungstemperatur (Abb. 15.13). Kleidung verringert die Wärmeabgabe, Wind erhöht sie stark.
Konduktion (Leitung): Dabei wird Wärme durch direkten Kontakt mit einem Flüssig- oder Festkörper abgegeben. Außer vom Temperaturgradienten hängt die Abgabe von der Leitfähigkeit des Kontaktmaterials und der Größe der Kontaktfläche ab. Diese Form der Wärmeabgabe ist in kaltem Wasser besonders gravierend (Wärmeleitfähigkeit von Wasser 25-mal höher als die von Luft!). Außerdem ist das Kontaktmaterial hier zusätzlich bewegt (Konvektion).
Strahlung: Unter Ruhebedingungen unterhalb der Indifferenztemperatur werden > 50 % der Körperwärme durch langwellige Infrarotstrahlung abgegeben (Abb. 15.13). Die Abgabe erreicht in geschlossenen Räumen 5,4 W/m2 pro 1 °C Temperaturdifferenz zwischen Haut und Wänden. Wärme kann durch Strahlung auch aufgenommen werden, bei Sonnenbestrahlung sogar bis zu 800 W/m2.
Verdunstung: Oberhalb der Indifferenztemperatur und bei starker Wärmebildung (körperliche Arbeit) wird Wärme hauptsächlich durch Verdunstung von Schweiß abgegeben (Perspiratio sensibilis Abb. 15.13), und zwar 2.400 kJ je L verdunstetes H2O. Ein Erwachsener gibt in einer Stunde maximal etwa 500 mL/m2 Schweiß ab. Das entspricht einer Wärmeabgabe von 333 W/m2 pro Stunde, wenn der Schweiß verdunstet (und nicht abtropft!). Selbst unter Ruhebedingungen verdunstet aus Hautporen austretendes Wasser, außerdem wird Wasser ständig mit der Atemluft abgegeben (Perspiratio insensibilis). Daraus folgt ein täglicher Wasserverlust von etwa 500 mL (Wärmeabgabe von 25 % des Grundumsatzes). Die Verdunstung ist abhängig von der Differenz der Wasserdampf-Partialdrücke von Umgebungsluft (Luftfeuchtigkeit) und Schweiß auf der Hautoberfläche (Abb. 15.14). Nur wenn der H2O-Partialdruck der Luft niedriger ist als der auf der Haut (6,3 kPa), kann Wärme durch Verdunstung abgegeben werden.

Temperaturregulation

Ein Regelkreis, dessen Funktionsprinzip einer technischen Temperaturregelung entspricht, hält die Körpertemperatur in engen Grenzen (Abb. 15.15). Das Regelzentrum liegt in der präoptischen Area des vorderen Hypothalamus. Es vergleicht die Istwerte (Haut- bzw. Kerntemperatur) mit dem Sollwert (wohl 37 °C). Als Regelgröße fungieren äußere (Kalt- und Warmrezeptoren der Haut; Kap. 3.4) und innere Thermorezeptoren (thermosensible Areale in Hypothalamus, Rückenmark und an der dorsalen Magenwand). Sie leiten über afferente sensorische Bahnen zum Regelzentrum. Weichen Ist- und Sollwert voneinander ab, werden mittels negativer Rückkopplung über efferente vegetative (bzw. motorische: Muskelzittern!) Nervenfasern die verschiedenen Stellglieder automatisch verändert (Abb. 15.15). Außerdem führt bewusste Empfindung von thermischem (Dis-)Komfort (sensorischer Kortex!) zur Verhaltensanpassung: So wechselt man zu einem wärmeren Ort oder zieht sich wärmer an.

Regelgrenzen und Fieber; Akklimatisation

Können die Stellglieder im Temperaturregelkreis (Abb. 15.15) trotz maximaler Aktivität den Sollwert nicht erreichen, sind die Regelgrenzen überschritten; es droht Hyper- oder Hypothermie.

Hyperthermie

Bei Hyperthermie (Wärmestau) erhöht sich die Körperkerntemperatur ohne Verstellung des Sollwerts. Übermäßige Wärmeaufnahme wird durch Dehydration unterstützt, da diese das Schwitzen hemmt. Temperaturerhöhung steigert den Energieumsatz und führt zur Zunahme von Herzfrequenz und -zeitvolumen, O2-Aufnahme und Ventilation.
    • Hitzekollaps: Flüssigkeits- und Elektrolytverluste (z. B. bei schwerer Arbeit in heißer Umgebung; Kerntemperatur < 39 °C) → erniedrigtes Blutvolumen → Kreislaufversagen

    • Sonnenstich: längere Sonneneinstrahlung auf Kopf und Nacken → Reizung der Hirnhäute (Meningismus) → Übelkeit und Erbrechen

    • Hitzschlag: Körperkerntemperatur > 40 °C → u. a. Krämpfe, Hirnödem, ausbleibende Schweißbildung → Kreislaufschock, Bewusstlosigkeit, Koma (lebensgefährlich!)

    • maligne Hyperthermie: übermäßige muskuläre Wärmebildung bei Narkosen (Kap. 4.4).

Hypothermie

Bei Hypothermie liegt die Kerntemperatur unter 35,5 °C. Die Blutgefäße in der Körperschale werden eng gestellt (Durchblutungsminderung zwecks Isolation!), und Kältezittern setzt ein. Grundumsatz sowie Herz-Kreislauf-, Ventilations- und Nierenfunktion sinken mit fortschreitender Unterkühlung zunehmend ab. Erniedrigte Aktivität der Na+-K+-ATPase (Kap. 1.4) bei starker Hypothermie führt zu gefährlichen Elektrolytstörungen. Die Gefahr einer Hypothermie besteht v. a. bei Aufenthalt im Wasser (Praxisfall), da Konvektion und Leitung dem Körper dort viel stärker Wärme entziehen als in Luft (Wärmeübergangszahl für Wasser 250-mal größer als für Luft).
Man unterscheidet verschiedene Stadien der Hypothermie (Praxisfall): Bei Kerntemperaturen von 30–32 °C kommt es zu Reaktionsverlust und Bewusstseinsstörungen, bei < 28 °C zu Bewusstlosigkeit und Paralyse. Bei 25–27 °C entsteht Kammerflimmern, und < 24 °C tritt der Tod ein.
Dieser passiven steht die aktive Hypothermie gegenüber, die durch Sollwertverstellung auf leicht erniedrigte Temperaturen auftritt (im Alter, im Schlaf, bei Bewusstlosigkeit, in Narkose).

Fieber

Bei Fieber erhöht sich die Körperkerntemperatur, da sich der Sollwert ändert (Abb. 15.16). Exogene Pyrogene (u. a. Viren, Bakterien, Endotoxine) stimulieren weiße Blutzellen zur Freisetzung endogener Pyrogene (Zytokine wie TNF-α, Interleukine) ins Blut (Abb. 15.17). Diese rufen eine Immunantwort und Akute-Phase-Reaktion hervor (Kap. 8.4). Die Zytokine können die Blut-Hirn-Schranke überwinden und steigern in der präoptischen Area des vorderen Hypothalamus (Organum vasculosum laminae terminalis, OVLT) die Produktion von Prostaglandin E2 aus Arachidonsäure. Dies geschieht durch Aktivierung der Cyclooxygenase. Prostaglandin E2 bewirkt im Hypothalamus die Sollwertverstellung (Abb. 15.17). Antipyretika wie Acetylsalicylsäure inhibieren die Prostaglandinsynthese (Cyclooxygenasehemmer) und senken den Sollwert.
Fieberkurve (Abb. 15.16): Aufgrund der Sollwertverstellung entsteht beim Fieberanstieg ein Kältegefühl. Die Wärmebildung wird durch Muskelzittern (Schüttelfrost) und Stoffwechselsteigerung erhöht; gleichzeitig sinkt die Hautdurchblutung (Vasokonstriktion). Hat der Istwert den angehobenen Sollwert erreicht, besteht eine Plateauphase. Das Fieber fällt ab, wenn sich der Sollwert wieder normalisiert. Es kommt zu Hitzegefühl, Schweißausbruch und vermehrter Hautdurchblutung (Vasodilatation).

Akklimatisation

Wiederholte Kälteexposition kann ein leichtes Nachlassen der Diskomfort-Empfindung bewirken (Kältehabituation); die Zitterschwelle sinkt.
An Hitze kann sich der Mensch besser anpassen. Hitzeakklimatisation erfolgt, indem die Schweißsekretion früher einsetzt, höhere Maximalwerte erreicht (Abb. 15.18) und weniger Elektrolytverluste verursacht (NaCl-Resorption ↑ in den Schweißdrüsen). Die Herzfrequenz ist in Ruhe und bei Arbeit vermindert. Dadurch sinkt die Körpertemperatur akklimatisierter Personen.

Klinik

Lawinenopfer können potenziell lange überleben (Energieverbrauch ↓). Bei der Wiederbelebung darf die Hautdurchblutung nicht zu stark erhöht werden (z. B. durch Massage), weil sonst kaltes Blut aus der Körperschale in den Körperkern gelangt und Kammerflimmern hervorrufen kann („Bergungstod“)! Verunglückte müssen daher von innen aufgewärmt werden, z. B. durch Einatmen sehr warmer Luft oder Einbringen warmer Flüssigkeit in den Bauchraum. Günstig ist der Einsatz der Herz-Lungen-Maschine (Praxisfall).

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