IHHTIntermittierendes Hypoxietraining – hin zu mehr Energie und Leistung

Intermittierendes Hypoxietraining (IHHT) wird wegen seiner gesundheitsfördernden Effekte so wohl zur adjuvanten Therapie chronischer Erkrankungen als auch als essenzieller Bestandteil der Präventionsmedizin geschätzt.

Inhalt
Pulsoxymeter am Finger.
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Wenn die Luft dünn wird - Hypoxietraining ist nicht nur im Leistungssport eine Option.

Intermittierendes Hypoxietraining (IHHT) hat sich zu einem festen Bestandteil vieler Arztpraxen entwickelt. Es wird wegen seiner gesundheitsfördernden Effekte so wohl zur adjuvanten Therapie chronischer Erkrankungen als auch als essenzieller Bestandteil der Präventionsmedizin geschätzt. Ziel dabei sind die unspezifische Erhöhung der körperlichen Widerstandsfähigkeit durch gezielte Mitophagie geschädigter Mitochondrien sowie die Optimierung der zellulären Atmung.

Zusammenfassung

Menschliche Leistung wird direkt durch die mitochondriale Energiegewinnung unserer Zellen bestimmt. Unsere Fähigkeit, dabei zu regenerieren und auf neue Herausforderungen adäquat zu reagieren, wird maßgeblich durch unser vegetatives Nervensystem reguliert. Gesunde Mitochondrien und ein funktionsfähiges Vegetativum sind daher von entscheidender Bedeutung (für High Performer und Athleten). Selbst durch kurze hypoxische Trainings wird eine signifikante Anzahl von Genen – vorrangig des HIF-1α und weiterer Wachstumsfaktoren – positiv beeinflusst, was zu einer indirekten Beeinflussung der Belastungstoleranz führt. Der Einfluss auf die zelluläre und nervale Regenerationsfähigkeit ist für den Sportler in Hinblick auf die Leistungsfähigkeit von enormer Bedeutung. Durch intermittierendes Hypoxietraining können nicht nur die parasympathische Aktivität und die Selbstregulation des ANS positiv unterstützt werden, sondern es kann auch aktiv als Unterstützung im Rahmen der Regeneration und zirkadianen Rhythmik eingesetzt werden. Damit ist das intermittierende Hypoxietraining ein sinnvolles, effektives und präventives Werkzeug zum Erhalt der Leistungsfähigkeit, zur Optimierung der Regenerationsfähigkeit sowie in der Therapie von Erkrankungen.

Mitochondriale Dysfunktion

Die oxidative Schädigung mitochondrialer DNA (mtDNA), die zu der sog. mitochondrialen Dysfunktion führt, ist einer der Hauptfaktoren menschlichen Alterns und der Entstehung chronischer Erkrankungen [1]. Eine kontinuierliche Erneuerung der Mitochondrien (Mitophagie und Mitogenese) kann den oxidativen Stress verringern, die Effizienz des oxidativen Stoffwechsels erhöhen, den Alterungsprozess verlangsamen und die Entwicklung altersbedingter Krankheiten verhindern und/oder verzögern [2]. Zur Entwicklung der mitochondrialen Dysfunktion tragen vor allem hyperkalorische, prozessierte Nahrung, eine chronisch inflammatorische Grundsituation, chronisch metabolische Azidose und Regulationsstörungen des autonomen vegetativen Nervensystems bei [3], [4]. Dies führt zu einer Dysregulation des Gesamtsystems mit einer unzureichenden Energieproduktion trotz ausreichend vorhandenen Sauerstoffs (Warburg-Syndrom) [5]. Physiologische Anpassungserscheinungen des menschlichen Stoffwechsels in Höhe werden primär durch den reduzierten Sauerstoffanteil der Atemluft (Hypoxie) sowie durch den hypobaren Umgebungsdruck induziert. Erst längere Aufenthalte in entsprechenden Höhenlagen führen zu einer Adaption der renalen, kardialen, pulmonalen und hämatologischen Organsysteme. Sicherlich die bekannteste physiologische Anpassung auf Höhenexposition ist die vermehrte Ausschüttung von Erythropoetin, welches zu einer Zunahme der sauerstofftransportierenden roten Blutkörper (Erythrozyten) und damit zu einer verbesserten aeroben Leistungsfähigkeit führt [6].

Intermittierendes Hypoxietraining (IHHT)

Den Status der „intermittierenden Hypoxie“ kennt man jedoch nicht nur aus der Klimatherapie, sondern auch aus dem Krankheitsbild der obstruktiven Schlafapnoe. Während Ersteres jedoch als gesundheitsförderlich eingeordnet wird, sind Patienten mit letzterem Beschwerdebild meist chronisch erkrankt und weisen multiple organische Problemfelder auf [7]. Zwar werden dieselben zellulären Sensoren und Signalwege aktiviert, jedoch scheinen die Intensität und die Dauer der Hypoxie von entscheidender Bedeutung zu sein. Dies kann darüber hinaus intraindividuell und im Laufe des Lebens variieren [8], [9].

Es wird unterschieden zwischen der intermittierenden Hypoxie in Episoden mit Generatoren in Minutenintervallen und der dauerhaften Hypoxie [10]. Heute wissen wir, dass eine therapeutisch eingesetzte intermittierende Hypoxie zu einer Vielfalt von positiven, gesundheitsfördernden, physiologischen Anpassungen führen kann [11]. Diese Reaktion kann sogar noch erhöht werden, wenn die normoxische durch eine hyperoxische Erholungsphase ersetzt wird [12], [13], [14]. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse wurde eine neue Form der Hypoxieexposition (intermittierendes Hypoxie-Hyperoxie-Training, IHHT) entwickelt. Dabei hat sich gerade der Wechsel dieser unterschiedlichen Sauerstoffgehalte besonders effektiv erwiesen in der Stimulation der mitochondrialen Biogenese und Mitophagie [11], [15].

Molekulare Mechanismen

Das IHHT induziert auf zellulärer Ebene eine Gesundung der Mitochondrien. Eine in Zeit und Intensität kontrollierte Hypoxie führt zu einer positiven Veränderung der Atmungskette, ohne dabei eine negative Energiebilanz zu erzeugen [16], [17]. Vielmehr kommt es zu einer Steigerung freier Sauerstoffradikale im positiven Sinne der Mitohormesis [18]. Einen zentralen Faktor stellt dabei der hypoxieinduzierbare Faktor (HIF-1α) dar, der unter hypoxischen Bedingungen innerhalb kürzester Zeit aktiviert wird [19], [20]. HIF-1α löst zahlreiche Reaktionen aus, die darauf abzielen, die Nutzung von Sauerstoff durch den Körper zu verbessern. HIF-1α wird in nahezu jedem Gewebe exprimiert, besonders hohe Konzentrationen konnten jedoch in Neuronen nachgewiesen werden, was die besondere Wirkung von IHHT auf neuronale Strukturen erklärt [21], [22]. Es handelt sich bei HIF-1α um einen Transkriptionsfaktor, der die Expression des vaskulären endothelialen Wachstumsfaktors (VEGF) und der VEGF-Rezeptoren steigert, die Expression von Genen verändert, die den Glukosetransport (über Induktion des GLUT-4-Glukosetransporters) steuern.

Zudem induziert HIF-1α die Produktion der Neurotransmitter Serotonin, Dopamin und GABA, führt zu einem Anstieg der Expression von glykolytischen Enzymen wie Aldolase, Laktatdehydrogenase, Phosphofructokinase und Pyruvatkinase sowie Erythropoetin-(EPO-)Genen [11].

Durch die mitochondriale Therapie wird vermehrt die zelluläre Energiegewinnung von Zuckerverbrennung auf Fettverbrennung umgestellt [23]. Damit hat der Körper die Möglichkeit, durch Optimierung der oxidativen Phosphorylierung eine deutlich höhere Energie zur Bewältigung einer Stressanpassungsreaktion zu generieren [24]. Die dabei entstehenden übermäßigen Sauerstoffradikale werden wie erwähnt reduziert, die mitochondriale Atmungskette wird optimiert, sodass sämtliche von der Zelle benötigten Nährstoffe besser an- und Stoffwechselprodukte abtransportiert werden können [25].

Dabei muss hervorgehoben werden, dass kurzfristiges intermittierendes Hypoxietraining wahrscheinlich nur in einem geringen Ausmaß zu einer Anpassung der Erythropoese führt [12], da ein längerer hypoxischer Reiz erforderlich ist, um „den erythropoetischen Stoffwechselweg so weit zu stimulieren, dass er die Ausdauerleistung nach dem Höhenaufenthalt verbessert“ [26], [27]. Diese Annahme wird dadurch gestützt, dass in früheren Studien keine signifikante Veränderung der Gesamthämoglobinmasse, des Erythrozytenvolumens oder anderer Erythrozytenindizes beobachtet wurde [12]. Ebenso scheinen Organanpassungen wie renale, pulmonale oder direkte kardiale Effekte einen intensiveren hypoxischen Reiz zu benötigen, um eine signifikante Veränderung aufzuweisen [6], [28].

IHHT optimiert die Konzentrationen von Stickstoffmonoxid (NO), indem es seine Synthese anregt und gleichzeitig seine Überproduktion einschränkt [29]. Die Synthese von NO aktiviert die Expression zellulärer Schutzfaktoren, darunter Hitzeschockproteine, Antioxidantien, Prostaglandine und der Cyclooxygenase [30]. Es kommt zu einer verringerten Aggregation von Blutplättchen, Leukozyten und Erythrozyten sowie zu einer Verringerung der Adhäsion von Leukozyten an den Endothelien. NO wirkt auf die glatten Muskelwände der Gefäße und entspannt sie. Dabei führt Hypoxietraining zu einer Verbesserung des Blutdrucks, indem es sowohl eine NO-Überproduktion als auch einen NO-Mangel verhindert [31].

Wird IHHT in der Intervallmethode (über mehrere Stunden, mehrfach die Woche) betrieben, so werden verschiedene biologische Anpassungsprozesse induziert. Es kommt zu einer verbesserten Angiogenese und Kapillarisierung des Gewebes, einer Anpassung der Herzleistung, einer Modulation der pulmonalen Funktionsfähigkeit, einer Regulation des autonomen Nervensystems sowie zu einer Beeinflussung neurogener Strukturen.

HIF-1α konnte als wichtigster proangionetischer Faktor unter hypoxischen Bedingungen identifiziert werden [32]. Dabei stellt die Regulation von HIF-1α zwar ein mögliches therapeutisches Ziel dar, muss jedoch abhängig vom Krankheitsbild unterschiedlich beurteilt werden, was sich auf mögliche Kontraindikationen von IHHT auswirkt: Bei ischämischen Erkrankungen wäre die HIF-1α-Hochregulation das Ziel [33], während bei Endometriose und Krebs die Herunterregulation von HIF-1α notwendig ist [34], [35].

HIF-1α steuert über eine positive Regulation von BNIP3 die Aktivität von Beclin 1 und reduziert damit durch Induktion der Autophagie die Mitochondrienmasse [36], [37]. Dabei werden vorrangig schadhafte Mitochondrien in den programmierten Zelltod getrieben, während sich gesunde Mitochondrien, die über die Aktivierung von PGC1-α und Stimulation der Superoxiddismutase und Glutathionperoxidase selektiv geschützt sind [38], weiterhin replizieren können.

Herzratenvariabilität, autonomes Nervensystem und Regeneration

Besonderer Fokus im Bereich der Stress- und Sportmedizin sollte auf die Regeneration und die Unterstützung der Regenerationsfähigkeit gelegt werden. Das Hypoxietraining hat einen signifikanten Einfluss auf das autonome Nervensystem (ANS). Während des IHHT hat sich daher als sinnvoller Biofeedback-Parameter die Messung der Herzratenvariabilität (HRV) erwiesen [39], [40], [41]. Die HRV ist ein weitverbreiteter Marker, der die kardiale Modulation durch sympathische und vagale Komponenten und damit die generelle Aktivität des ANS widerspiegelt. Die HRV ist die Variation der Schlag-zu-Schlag-Intervalle (RR-Zacken) und wird üblicherweise zur Bewertung der autonomen Modulation des Herzens, insbesondere der Interaktion zwischen Sympathikus und Parasympathikus, verwendet [42].

Während sich der Körper einem hypoxischen Reiz ausgesetzt sieht, kommt es zunächst zu einer Beschleunigung der Herzfrequenz [43], [44]. Infolge der verringerten Sauerstoffsättigung und der Aktivierung der peripheren Chemorezeptoren kommt es zu einer Aktivierung des Sympathikus, was ebenfalls zu einem Anstieg der Pulsfrequenz und einer peripheren Vasokonstriktion führt [45], [46]. Überdies kommt es durch eine reflektorische Parasympathikusaktivität zu einer subjektiven Entspannung, was man sich vor allem bei stressinduzierten Störungen zunutze machen kann [10], [46], [47]. Diese nachhaltige Verbesserung der vagalen Anpassungsfähigkeit kann als eine Art induziertes Vagustraining angesehen werden.

Das autonome Nervensystem (ANS) besteht aus dem parasympathischen Nervensystem (PNS), dem sympathischen Nervensystem (SNS) und dem enterischen Nervensystem (ENS). Es reguliert nicht willkürliche Reaktionen des Körpers, vor allem der glatten Muskulatur der Organe und damit deren Aktivität.

Das PNS – allen voran der Vagusnerv, der größte Nerv des Parasympathikus – beeinflusst direkt die körpereigenen regulativen und regenerativen Fähigkeiten, indem es physiologisch Ruhe und Verdauung unterstützt. Seine kardialen und gastrointestinalen Fasern regulieren die Herzfrequenz herab und den Tonus der glatten Darmmuskulatur sowie die Enzymsekretion herauf. Seine zervikalen Fasern verengen die Pupillen und ermöglichen eine Abschirmung von störenden Faktoren [48]. Das PNS hat somit direkten Einfluss auf Nahrungsaufnahme, immunologische Reaktionen und den Schlaf.

Weiterhin stellt der Vagus die Verbindung zwischen dem zentralen Nervensystem (ZNS) und dem enterischen Nervensystem dar. Diese Verbindung wird auch als Gehirn-Darm-Achse bezeichnet. Als bidirektionale Verbindung beeinflusst dieses System direkt Emotionen und die Schlafqualität [49]. Im Gegensatz dazu steht der Sympathikus, der umgangssprachlich auch als Kampf-oder-Flucht-Nerv bezeichnet wird [50]. Während sportlicher Aktivität ist vor allem der Sympathikus und in der Regeneration der Parasympathikus aktiv.

Die Herzfrequenz wird überwiegend durch das ANS reguliert. Der Mechanismus der (trainingsinduzierten) Tachykardie scheint sowohl parasympathische als auch sympathische Reflexkreise zu involvieren (Brainbridge-Reflex). Der letztgenannte Mechanismus ist wichtig zu erwähnen, da die sympathoadrenale Stimulation bei körperlicher Arbeit überwiegt [51].

Nach Beendigung eines Trainings kehren sich die o. g. ANS-Schaltkreise um: Die erste schnelle Phase der Herzfrequenzerholung (Sinken des Pulses) nennt man daher häufig „parasympathische Reaktivierung“. Es folgt eine „langsame Phase“ der Herzfrequenz-Dezeleration, die wahrscheinlich durch die Kombination der fortschreitenden Reaktivierung des Parasympathikus und die verringerte Aktivierung des Sympathikus verursacht wird. Die periphere Metaboliten-Clearance und Verringerung von zirkulierenden Katecholaminen sowie Thermoregulation scheinen dabei ebenfalls eine Rolle zu spielen [52], [53]. Je höher das Fitnessniveau ist, desto schneller tritt die parasympathische Reaktivierung nach dem Trainingsreiz ein und desto kürzer ist die für die Erholung benötigte Gesamtzeit [54], [55].

Das Ziel eines Trainings besteht darin, physiologische Anpassungen zu initiieren, welche die körperliche Leistungsfähigkeit verbessern. Das kardiovaskuläre System spielt dabei eine wichtige Rolle in der Erholung nach körperlicher Aktivität; entscheidend ist vor allem die vegetative Regulation der Durchblutung u. a. zur Thermoregulation, Zufuhr von Nährstoffen und Abtransport von Abfallprodukten. Als Biomarker für die kardiovaskuläre Erholung kann die Herzratenvariabilität (HRV) herangezogen werden. Die parasympathische Reaktivierung des Herzens nach einer Trainingseinheit ist dabei individuell unterschiedlich und scheint direkt mit der akuten und mittelfristigen Erholung (Superkompensation) zusammenzuhängen [56]: Die Regenerationsfähigkeit des ANS korreliert mit dem individuellen Trainingsstatus, wobei eine optimierte Regulation des ANS mit einer höheren Leistungsfähigkeit einhergeht [57].

Nicht nur eine optimierte Regenerationsfähigkeit, sondern auch eine erhöhte Toleranz gegenüber externen psychoemotionalen Stressoren spielen eine zentrale Rolle in der Leistungsfähigkeit. Dabei versteht man unter einer adäquaten Stresstoleranz die Fähigkeit des Organismus, auf negative pathogene externe Stimuli regulierend zu reagieren [58]. Stressfaktoren sind hier zwar nicht vermeidbar, aber durch die Aktivierung des Parasympathikus kann der Stresseinfluss während der Wettkampfphasen schnell minimiert werden [59], [60].

Dies führte zu der Erkenntnis, dass die vagale Kontrolle des Herzens als eine Fähigkeit zu betrachten ist, die die Stärke der Selbstregulierung widerspiegelt. Diese kann je nach Belastung und Regenerationstechniken entweder erschöpft oder regeneriert werden. Die Gruppe um Laborde führte daher den Begriff des „vagalen Tanks“ ein [61]. Die kardiale vagale Kontrolle entspricht dabei einem Barometer, das widerspiegelt, wie effizient die Selbstregulationsressourcen aktiviert werden können [62]. Diese Fähigkeit entspricht also der Anpassungsfähigkeit der Selbstregulierungsmechanismen des Organismus [63], [64].

Lange Zeit konnte nicht beantwortet werden, ob eine Erhöhung des Parasympathikus eine Folge der Regenerationsfähigkeit ist oder ob möglicherweise die Aktivität des Vagus einen direkten Einfluss auf die Regulationsfähigkeit des Individuums hat. Durch die Entwicklung von HRV-Biofeedback-Training konnte diese Frage nun beantwortet werden: Die HRV-Biofeedback-Behandlung hat nachweislich eine Auswirkung auf biologische, psychologische und leistungsbezogene Bereiche [65]. Es konnte nachgewiesen werden, dass Interventionen, die sich direkt positiv auf die HRV-Messung auswirken, die Erholung der kardialen Regulationsfähigkeit verbessern und die notwendige Erholungszeit nach Trainings reduzieren [66], [67].

Anwendung

Der Proband liegt meist während der Behandlung und trägt eine Atemmaske, über die abwechselnd sauerstoffreduzierte Atemluft (9–18 % O2) und je nach Einstellung Normoxie oder Hyperoxie (ca. 30 % O2) eingeatmet wird. Dabei trägt er einen Brustgurt zur HRV-Messung und 2 Pulsoxymeter zur Messung der peripheren Sauerstoffsättigung. Der Proband wird aufgefordert, sich zu entspannen und nicht ablenken zu lassen (z. B. durch das Mobiltelefon), da dies einen erheblichen Einfluss auf das ANS hat.

Das Vegetativum und die arterielle Sauerstoffsättigung reagieren als erste Instanzen unmittelbar auf den hypoxischen Reiz. In der akuten Phase der Hypoxie ist primär der Sympathikus aktiv. Die Überwachung der Herzfrequenzvariabilität (HRV) und die Veränderung des SpO2 werden daher als Indikatoren für die Bewertung der Wirksamkeit der Behandlung herangezogen [11]. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass der Proband keinem zu großen Stress ausgesetzt wird.

Um jedoch einen ausreichend großen physiologischen Stressreiz zu setzen, wird ein SpO2-Wert von weniger als 90 % angestrebt. Als maximale Untergrenze ist ein SpO2 von 73 % definiert. Vor jedem Training können die SpO2-Grenzen neu definiert werden, um den Reiz zu erhöhen oder zu senken. Bei einem Unterschreiten der Grenzen steuert das System gegen und ein höherer Sauerstoffgasgehalt wird inhaliert.

Welche Reaktionen sind im Körper des Probanden unmittelbar nach der IHHT zu beobachten? Eine positive physiologische Reaktion zeigt sich bereits nach Ablauf von 15–30 Minuten. Patienten beschreiben das Einsetzen eines Zustands allgemeiner Ruhe, oft begleitet von Entspannung und Schläfrigkeit, Verlangsamung der Atmung und der Herzfrequenz. Bereits nach 1 oder 2 Sitzungen verbessern sich Schlaf und Stimmung [11]. IHHT bei Sportlern mit Übertrainingssyndrom konnte bereits nach wenigen Einheiten ein verringertes Stressniveau, d. h. verringerter Sympathikotonus und stärkerer parasympathischer Antrieb, nachgewiesen werden [14].

Einsatz bei Leistungsträgern

IHHT bietet eine Vielzahl von kurzfristigen physiologischen Anpassungen, die wir uns für unsere Leistungsträger und auch Sportler zunutze machen können. Dabei muss hervorgehoben werden, dass intermittierendes Höhentraining nicht zu einer Anpassung der Erythropoese führt [12]. Vielmehr wird selbst durch kurze hypoxische Trainings eine signifikante Anzahl von Genen, vorrangig des HIF-1α und weiterer Wachstumsfaktoren, positiv beeinflusst, was eine indirekte Beeinflussung des Athleten durch Erhöhung der Belastungstoleranz nach sich zieht [68], [69], [70]. Darüber hinaus führt es zu einer Regulation des Gefäßtonus und der Gewebeazidität (pH) sowie der zellulären glykolytischen Kapazität [71]. Praktisch würde dies eine größere Pufferkapazität, erhöhte Milchsäuretoleranz und intramuskuläre Sauerstoffkapazität bedeuten.

Zudem kann das IHHT regenerativ genutzt werden: Hohe körperliche Belastungen führen zu einer lokalen Erhöhung von Laktat sowie zu einer generellen Ausschüttung von Sauerstoffradikalen. Die Erhöhung der antioxidativen Kapazität der Mitochondrien kann daher in einer erhöhten körperlichen Leistungsfähigkeit resultieren [72]. Darüber hinaus stimuliert IHHT die schnellere Kapillarerweiterung in Geweben und Organen, in denen ein viel niedrigerer pH-Wert und eine erhöhte Konzentration von Milchsäure (Laktat) herrscht im Vergleich zu nicht übersäuerten, gesunden Geweben [11]. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass Athleten unter Nutzen von Hypoxietraining besser regenerieren, sich die sportliche Leistung als Folge des Trainings effektiver steigern ließ und sich ein geringeres Stresslevel ausbildete [73].

Die Bedeutung von Schlaf als regenerativer Faktor und entscheidendes Element in der Leistungsfähigkeit wurde bereits ausführlich in der Medizin diskutiert [74], [75], [76]. Vor allem professionelle Sportler und berufliche Leistungsträger mit internationaler Tätigkeit sehen sich regelmäßig Zeitverschiebungen ausgesetzt, die zu einem deutlich beeinträchtigten Schlafmuster und reduzierter Regenerationsfähigkeit führen [77], [78], [79]. Gerade im Einsatz in stressigen Phasen, in denen Patienten über Erschöpfung, Müdigkeit und Schlafstörungen klagen, hat sich IHHT als sehr effektiv gezeigt. Patienten beschreiben nahezu sofort das Einsetzen von Schläfrigkeit, ein Ausbreiten innerer Ruhe und verbesserte Schlafqualität.

Dr. med. Percy Marshall
ist Facharzt für Physikalische und Rehabilitative Medizin sowie Sportmedizin und besitzt einen Master in Mikronährstofftherapie und Regulationsmedizin.

Dr. med. Andrea Gartenbach
ist Fachärztin für Innere Medizin. Sie ist Gründerin von Aera Health und seit 2023 selbstständig tätig im Bereich Longevity und Precision Medicine.

Interessenkonflikt: Die Autoren geben an, dass kein Interessenkonflikt vorliegt.

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