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Atemberaubende Studie


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An einer amerikanischen Universität wird inkomplett gelähmten Querschnittspatienten gezielt weniger Sauerstoff verabreicht. Durch diese simple und gleichzeitig wirkungsvolle Behandlung können sie besser gehen.

Auf Krücken betritt David Danda langsam den fensterlosen Raum im Center for Rehabilitation Medicine der Emory University in Atlanta, Georgia. Überall stehen Computer und medizinische Geräte, der typische Klinikgeruch liegt in der Luft.

David Danda ist inkomplett querschnittsgelähmt und leidet unter schweren neuronalen Ausfällen. (Brian Hall )
David Danda ist inkomplett querschnittsgelähmt und leidet unter schweren neuronalen Ausfällen.  © Brian Hall

Kurz nach ihm kommt Jason Galius. Er hat keine Gehhilfe, obwohl es ihm sichtlich schwerfällt, das Gleichgewicht zu halten. Die beiden setzen sich, sammeln Kraft, denn vor ihnen liegt ein langer Tag mit klinischen Tests und therapeutischen Übungen.
Studienteilnehmer Jason möchte seinen Beitrag für die Forschung leisten. (Brian Hall )
Studienteilnehmer Jason möchte seinen Beitrag für die Forschung leisten.  © Brian Hall


Jason ist 37 und Opfer eines Gewaltverbrechens. Im Alter von 16 Jahren geriet der Amerikaner mit philippinischen Wurzeln in Los Angeles unbeteiligt in eine Schießerei. Er wurde von fünf Kugeln getroffen. Eine davon ging in seinen Rücken und kam am Hals wieder heraus. Sie verletzte sein Rückenmark auf Höhe des siebten Halswirbels. Die Diagnose: inkompletter Querschnitt.
Inkomplett heißt, dass die Betroffenen nicht vollständig gelähmt sind, sondern eine gewisse Restmotorik oder Restsensibilität haben. Jason zum Beispiel spürt unterhalb der Verletzungsstelle nichts mehr. Seine Blase kann er nur schwer kontrollieren. Zudem fehlt ihm jegliche Empfindung für Lage und Haltung des eigenen Körpers: „Ich kann gehen, weiß aber nicht, wie und wohin.“ Genau wie Jason leidet auch David seit einigen Jahren unter schweren neuronalen Ausfällen. Der Grund: eine degenerative Wirbelsäulenerkrankung. Selbst mehrere Operationen konnten dem 68-jährigen Anwalt nicht helfen. Auch er ist inkomplett querschnittsgelähmt.
Beide wünschen sich nichts sehnlicher, als dass ihr Körper wieder normal funktioniert. „Ich will der sein, der ich vorher war. Das wäre für mich das Größte“, sagt David. Aus diesem Grund sind David und Jason hier, auf dem Emory-Campus. Sie nehmen an einer klinischen Studie unter der Leitung von Dr. Randy Trumbower teil und hoffen, dass sich dadurch ihr Gesundheitszustand verbessert.

Der Leiter der klinischen Studie: Dr. Randy Trumbower. Er arbeitet 60 Stunden pro Woche, für ihn Berufung und Leidenschaft. (Brian Hall )
Der Leiter der klinischen Studie: Dr. Randy Trumbower. Er arbeitet 60 Stunden pro Woche, für ihn Berufung und Leidenschaft.  © Brian Hall

Höhentraining als Therapie
David ist heute als Erster dran und bekommt eine Sauerstoffmaske. Die Maske versorgt ihn mit wechselndem Sauerstoffgehalt. Eine Minute lang atmet er normale Raumluft mit 21 Prozent Sauerstoff ein. Dann folgen 90 Sekunden mit nur neun Prozent Sauerstoff. Ungefähr die gleiche Luft würde man auf dem Nordamerikas, atmen. David wiederholt das ganze fünfzehn Mal. Um jedes gesundheitliche Risiko auszuschließen, werden Herzfrequenz, Blutdruck und Sauerstoffgehalt seines Blutes kontinuierlich überwacht. In der Fachsprache heißt diese Art der Behandlung milde intermittierende Hypoxie.

Während der Behandlung atmen die Probanden Luft mit nur 9 % Sauerstoffgehalt – was einer Höhe von 6.000 Metern über dem Meeresspiegel entspricht. (Brian Hall )
Während der Behandlung atmen die Probanden Luft mit nur 9 % Sauerstoffgehalt – was einer Höhe von 6.000 Metern über dem Meeresspiegel entspricht.  © Brian Hall

Spitzensportler setzen Hypoxie gezielt ein, um ihre Leistung zu steigern und besser zu regenerieren. Und auch bei Querschnittspatienten bewirken kurzzeitige Änderungen zwischen Luft mit wenig Sauerstoff und normaler Raumluft positive Veränderungen. „Die Grundannahme hinter unserer Arbeit beruht auf Erkenntnissen der Grundlagenforschung, wonach wiederholte Episoden von niedrigem Sauerstoffgehalt in der Atemluft zu Plastizität im Rückenmark führen können. Dadurch werden die motorischen Fähigkeiten der Patienten verbessert“, erklärt Trumbower.

Persönlich betroffen
Trumbower arbeitet seit 2009 an der Emory University, ist Assistant Professor und leitet die Forschungsabteilung des Instituts für Rehabilitationsmedizin. Er begann seine Karriere zunächst als Physiotherapeut. Die Tatsache, dass es damals nur wenige Therapien gab, um nach einer Rückenmarksverletzung Funktionen wiederherzustellen, frustrierte ihn. Daraufhin absolvierte er ein Studium im biomedizinischen Ingenieurswesen und suchte Denali, dem mit 6.190 Metern höchsten Berg nach vielversprechenden Lösungsansätzen. Ein trauriges Ereignis in seinem Privatleben festigte seinen Drang, eine Heilung zu finden: Trumbowers Vater erlitt eine hohe Querschnittslähmung.
Auf die Idee, intermittierende Hypoxie als mögliche Therapie für Rückenmarksverletzungen zu nutzen, kam er während seiner Zeit als Postdoktorand im Rehabilitation Institute von Chicago. Forschungskollegen untersuchten im Labor die Wirkung von Hypoxie. Ihre Erkenntnisse ermutigten Trumbower, den Ansatz in Richtung Klinik zu bringen. 2007 führte er den ersten Versuch mit einem Probanden durch. In den Folgejahren entwickelte er die Behandlung beharrlich weiter. Mit Erfolg: Die Teilnehmer einer vorherigen Pilotstudie, allesamt chronisch inkomplett gelähmte Patienten, konnten nach der Sauerstofftherapie besser, weiter und schneller gehen.

Teamplayer: Dr. Trumbower mit seiner interdisziplinären Mannschaft aus Klinikern, Ingenieuren, Physiotherapeuten und Nachwuchswissenschaftlern. (Brian Hall )
Teamplayer: Dr. Trumbower mit seiner interdisziplinären Mannschaft aus Klinikern, Ingenieuren, Physiotherapeuten und Nachwuchswissenschaftlern.  © Brian Hall

Neue Nervenverbindungen
Aber wie ist es möglich, dass eine Behandlung, bei der eine verringerte Sauerstoffmenge geatmet wird, die Bewegungsfähigkeit verbessern kann? „Die Methode unterstützt das Rückenmark bei der Ausbildung neuer Nervenverbindungen“, erklärt er David und Jason. „Das wird in drei Stufen erreicht: Zunächst wird stoßweise der Botenstoff Serotonin ausgeschüttet, was zu einer Kaskade von zellulären Veränderungen innerhalb des Rückenmarks führt.“ Und weiter: „Es kommt zur Bildung des Moleküls BDNF (brain derived neurotrophic factor; Anm.). Dieses Eiweiß verstärkt die Kommunikation über die Verletzungsstelle hinweg und führt zu einer stärkeren Weiterleitung von Signalen zu den Muskeln.“ Trumbower geht davon aus, dass der Effekt am größten ist, wenn man die Behandlung mit klassischer Rehabilitation kombiniert.

Ganganalyse als Erfolgskontrolle
Mit der jetzigen Studie möchte er noch offene Fragen klären: Welche Dosis in welcher Häufigkeit hat den größten Effekt und ist dennoch sicher für den Patienten? Warum genau gehen die Probanden schneller und weiter? Haben sie allgemein mehr Kraft und kompensieren dadurch, oder hat sich vielmehr die Koordination verbessert? Um das herauszufinden, führt sein Team im Anschluss an die Sauerstoffbehandlung eine umfassende Ganganalyse mit Jason, David und anderen Probanden durch.
Bevor sie eine vordefinierte Strecke auf und ab gehen, werden Elektroden auf ihre Beine geklebt. Diese messen, ob und vor allem wann welcher Muskel aktiv ist.

Elektroden messen, ob und wann welcher Muskel aktiv ist. (Brian Hall )
Elektroden messen, ob und wann welcher Muskel aktiv ist.  © Brian Hall

Daraus kann man Rückschlüsse auf die Koordination ziehen. Zusätzlich zeichnen Hochleistungskameras die Bewegungsabläufe von Hüfte, Knie und Sprunggelenken genauestens auf. Eine Platte im Boden misst, ob sie mit vollem Körpergewicht belasten oder sich zum Teil auf ihre Gehhilfen stützen. 

David Danda ist inkomplett querschnittsgelähmt und leidet unter schweren neuronalen Ausfällen. (Brian Hall )
David Danda ist inkomplett querschnittsgelähmt und leidet unter schweren neuronalen Ausfällen.  © Brian Hall

Dann gilt es die unzähligen Daten zu analysieren. Haben Jason und David durch die Sauerstoffbehandlung Fortschritte erzielt?

Eric und Andrew bei der Datenauswertung. Die beiden Ingenieure tüfteln zudem an innovativen technischen Lösungen für die Ganganalyse. (Brian Hall )
Eric und Andrew bei der Datenauswertung. Die beiden Ingenieure tüfteln zudem an innovativen technischen Lösungen für die Ganganalyse.  © Brian Hall

Hoffnungsträger
In ein bis zwei Jahren wissen Trumbower und sein Team mehr. So lange soll die klinische Studie insgesamt noch laufen. Ihre Hoffnung ist groß, dass die Behandlung Anwendung im klinischen Alltag finden wird. Und zwar nicht „nur“ für inkomplette Patienten, sondern auch für all jene, die mit einer kompletten Querschnittslähmung leben müssen.
Für Jason und David jedenfalls ist die Teilnahme an der Studie schon jetzt ein Erfolg.

Physiotherapeutin und Postdoktorandin Denise begleitet Jason bei der Ganganalyse. (Brian Hall )
Physiotherapeutin und Postdoktorandin Denise begleitet Jason bei der Ganganalyse.  © Brian Hall

„Seit ich hier bin, kann ich besser gehen. Ich kann wieder größere Schritte machen, und auch meine Spastiken sind weniger geworden“, sagt Jason nach der Therapie erschöpft, aber glücklich. David pflichtet ihm bei: „Beim ersten Mal habe ich für eine Strecke von 50 Metern sechs Minuten gebraucht. Jetzt schaffe ich in derselben Zeit 500 Meter.“ Einen Rollstuhl braucht er nur noch ganz selten. Und die Krücken, ist er überzeugt, kann er auch bald in die Ecke stellen.

Dr. Trumbower widmet sein gesamtes Leben der Behandlung von Querschnittspatienten. (Brian Hall )
Dr. Trumbower widmet sein gesamtes Leben der Behandlung von Querschnittspatienten.  © Brian Hall


STUDIENDESIGN 
Die Probanden atmen Luft mit wechselndem Sauerstoffgehalt (Interventionsgruppe) oder ganz normale Raumluft (Kontrollgruppe) ein. Anschließend wird mit ihnen eine Ganganalyse durchgeführt. Dieses Verfahren wiederholt sich zehn Tage lang. Dann erfolgt eine mindestens einmonatige Pause. Jetzt wechseln die Probanden in die jeweils andere Gruppe (Crossover-Prinzip), und das beschriebene Verfahren beginnt von neuem. Welcher Patient zu welcher Gruppe gehört, erfolgt per Zufallsprinzip (randomisiert). Sowohl die Patienten als auch Versuchsleiter und auswertende Forscher wissen vor Ende der Studie nicht, wer zu welcher Gruppe gehört, nur das durchführende Personal (Doppelblindstudie).
Mehr Informationen: www.inspirlab.com

David hofft, dass er in Zukunft wieder ganz allein gehen kann – ohne Hilfe. (Brian Hall )
David hofft, dass er in Zukunft wieder ganz allein gehen kann – ohne Hilfe.  © Brian Hall

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