Antibiotika haben sich in der modernen Medizin als einer der bedeutendsten Fortschritte erwiesen, da sie die Häufigkeit und Sterblichkeitsraten mikrobieller Infektionen drastisch senken konnten. Ihre Fähigkeit, den klinischen Verlauf bakterieller Infektionen zu beeinflussen, hat die Lebenserwartung zahlloser Patienten verlängert. Antibiotika sind bei komplexen medizinischen Eingriffen wie Operationen, Implantationen, Transplantationen und Chemotherapien unverzichtbar. Die Entstehung antibiotikaresistenter Krankheitserreger gibt jedoch zunehmend Anlass zur Sorge, da die Wirksamkeit dieser Medikamente mit der Zeit nachlässt. Fälle von Antibiotikaresistenzen wurden in allen Antibiotikakategorien im Zuge mikrobieller Mutationen dokumentiert. Der von antimikrobiellen Medikamenten ausgehende Selektionsdruck hat zur Entstehung resistenter Stämme beigetragen und stellt eine erhebliche Herausforderung für die globale Gesundheit dar.
Um das drängende Problem der Antibiotikaresistenz zu bekämpfen, ist es unerlässlich, wirksame Infektionsschutzmaßnahmen zu implementieren, die die Ausbreitung resistenter Krankheitserreger eindämmen und gleichzeitig den Einsatz von Antibiotika reduzieren. Darüber hinaus besteht dringender Bedarf an alternativen Behandlungsmethoden. Die hyperbare Sauerstofftherapie (HBOT) hat sich in diesem Zusammenhang als vielversprechende Methode erwiesen. Dabei wird über einen bestimmten Zeitraum 100 % Sauerstoff bei einem bestimmten Druck inhaliert. Als primäre oder ergänzende Behandlungsmethode für Infektionen bietet HBOT neue Hoffnung bei der Behandlung akuter Infektionen durch antibiotikaresistente Krankheitserreger.
Diese Therapie wird zunehmend als primäre oder alternative Behandlung für verschiedene Erkrankungen eingesetzt, darunter Entzündungen, Kohlenmonoxidvergiftungen, chronische Wunden, ischämische Erkrankungen und Infektionen. Die klinischen Anwendungen der HBOT in der Infektionsbehandlung sind weitreichend und bieten Patienten unschätzbare Vorteile.
Klinische Anwendungen der hyperbaren Sauerstofftherapie bei Infektionen
Aktuelle Erkenntnisse sprechen eindeutig für die Anwendung der HBOT, sowohl als eigenständige als auch als begleitende Behandlung, und bieten infizierten Patienten erhebliche Vorteile. Während der HBOT kann der arterielle Blutsauerstoffdruck auf bis zu 2000 mmHg ansteigen, und der daraus resultierende hohe Sauerstoff-Gewebe-Druckgradient kann den Sauerstoffgehalt im Gewebe auf bis zu 500 mmHg erhöhen. Solche Effekte sind besonders wertvoll für die Heilung von Entzündungsreaktionen und Mikrozirkulationsstörungen, die in ischämischen Umgebungen beobachtet werden, sowie für die Behandlung des Kompartmentsyndroms.
HBOT kann auch Erkrankungen beeinflussen, die vom Immunsystem abhängen. Untersuchungen zeigen, dass HBOT Autoimmunsyndrome und Antigen-induzierte Immunreaktionen unterdrücken kann und so zur Aufrechterhaltung der Transplantattoleranz beiträgt, indem es die Zirkulation von Lymphozyten und Leukozyten reduziert und gleichzeitig die Immunreaktionen moduliert. Darüber hinaus kann HBOTunterstützt die Heilungbei chronischen Hautläsionen durch Stimulierung der Angiogenese, einem entscheidenden Prozess für eine verbesserte Genesung. Diese Therapie fördert auch die Bildung der Kollagenmatrix, eine wesentliche Phase der Wundheilung.
Besondere Aufmerksamkeit muss bestimmten Infektionen gewidmet werden, insbesondere tiefen und schwer zu behandelnden Infektionen wie nekrotisierende Fasziitis, Osteomyelitis, chronischen Weichteilinfektionen und infektiöser Endokarditis. Eine der häufigsten klinischen Anwendungen der HBOT ist die Behandlung von Haut-Weichteilinfektionen und Osteomyelitis, die mit niedrigem Sauerstoffgehalt einhergehen und oft durch anaerobe oder resistente Bakterien verursacht werden.
1. Diabetische Fußinfektionen
Diabetischer FußGeschwüre sind eine häufige Komplikation bei Diabetikern und betreffen bis zu 25 % dieser Bevölkerung. In diesen Geschwüren treten häufig Infektionen auf (in 40–80 % der Fälle) und führen zu erhöhter Morbidität und Mortalität. Diabetische Fußinfektionen (DFI) sind in der Regel polymikrobielle Infektionen mit einer Vielzahl identifizierter anaerober bakterieller Pathogene. Verschiedene Faktoren, darunter Funktionsstörungen der Fibroblasten, Probleme bei der Kollagenbildung, zelluläre Immunmechanismen und die Phagozytenfunktion, können die Wundheilung bei Diabetikern behindern. Mehrere Studien haben eine beeinträchtigte Sauerstoffversorgung der Haut als starken Risikofaktor für Amputationen im Zusammenhang mit DFI identifiziert.
Als eine der aktuellen Optionen für die DFI-BehandlungHBOT soll die Heilungsraten bei diabetischen Fußgeschwüren deutlich verbessern und so die Notwendigkeit von Amputationen und komplizierten chirurgischen Eingriffen reduzieren. Es minimiert nicht nur die Notwendigkeit ressourcenintensiver Verfahren wie Lappenoperationen und Hauttransplantationen, sondern ist auch kostengünstiger und hat im Vergleich zu chirurgischen Optionen nur minimale Nebenwirkungen. Eine Studie von Chen et al. zeigte, dass mehr als 10 HBOT-Sitzungen zu einer 78,3-prozentigen Verbesserung der Wundheilungsraten bei Diabetikern führten.
2. Nekrotisierende Weichteilinfektionen
Nekrotisierende Weichteilinfektionen (NSTI) sind häufig polymikrobiell, entstehen typischerweise durch eine Kombination aerober und anaerober bakterieller Pathogene und gehen oft mit Gasbildung einher. Obwohl NSTI relativ selten sind, weisen sie aufgrund ihres schnellen Fortschreitens eine hohe Sterblichkeitsrate auf. Eine rechtzeitige und angemessene Diagnose und Behandlung sind entscheidend für ein positives Ergebnis. HBOT wird als ergänzende Methode zur Behandlung von NSTIs empfohlen. Obwohl der Einsatz von HBOT bei NSTIs aufgrund fehlender prospektiver kontrollierter Studien weiterhin umstritten ist,Es gibt Hinweise darauf, dass es mit verbesserten Überlebensraten und Organerhalt bei NSTI-Patienten korreliert.Eine retrospektive Studie zeigte eine signifikante Verringerung der Sterblichkeitsrate bei NSTI-Patienten, die HBOT erhielten.
1.3 Wundinfektionen
Postoperative Infektionskrankheiten lassen sich anhand der anatomischen Infektionsstelle klassifizieren und können durch verschiedene Krankheitserreger verursacht werden, darunter sowohl aerobe als auch anaerobe Bakterien. Trotz Fortschritten bei Infektionskontrollmaßnahmen wie Sterilisationstechniken, dem Einsatz prophylaktischer Antibiotika und Verbesserungen bei chirurgischen Eingriffen bleiben postoperative Infektionskrankheiten eine hartnäckige Komplikation.
Eine bedeutende Studie untersuchte die Wirksamkeit von HBOT zur Vorbeugung tiefer postoperativer Wundinfektionen (SSI) bei neuromuskulären Skolioseoperationen. Präoperative HBOT kann die Häufigkeit von SSI deutlich reduzieren und die Wundheilung fördern. Diese nicht-invasive Therapie schafft eine Umgebung mit erhöhtem Sauerstoffgehalt im Wundgewebe, was mit der oxidativen Abtötung von Krankheitserregern in Verbindung gebracht wird. Darüber hinaus bekämpft sie den niedrigen Blut- und Sauerstoffgehalt, der zur Entstehung von SSI beiträgt. Neben anderen Infektionskontrollstrategien wird HBOT insbesondere für sauber kontaminierte Operationen wie kolorektale Eingriffe empfohlen.
1.4 Verbrennungen
Verbrennungen sind Verletzungen, die durch extreme Hitze, elektrischen Strom, Chemikalien oder Strahlung verursacht werden und hohe Morbiditäts- und Mortalitätsraten aufweisen können. HBOT ist bei der Behandlung von Verbrennungen hilfreich, indem es den Sauerstoffgehalt im geschädigten Gewebe erhöht. Während Tier- und klinische Studien gemischte Ergebnisse liefern hinsichtlichdie Wirksamkeit von HBOT bei der Behandlung von VerbrennungenEine Studie mit 125 Brandverletzten ergab, dass HBOT keinen signifikanten Einfluss auf die Sterblichkeitsrate oder die Anzahl der Operationen hatte, jedoch die durchschnittliche Heilungszeit verkürzte (19,7 Tage gegenüber 43,8 Tagen). Die Integration von HBOT in die umfassende Behandlung von Brandverletzten könnte die Sepsis bei Brandverletzten wirksam kontrollieren und zu kürzeren Heilungszeiten und einem geringeren Flüssigkeitsbedarf führen. Es bedarf jedoch weiterer umfangreicher prospektiver Forschung, um die Rolle von HBOT bei der Behandlung großflächiger Verbrennungen zu bestätigen.
1.5 Osteomyelitis
Osteomyelitis ist eine Infektion des Knochens oder Knochenmarks, die häufig durch bakterielle Erreger verursacht wird. Die Behandlung einer Osteomyelitis kann aufgrund der relativ schlechten Blutversorgung der Knochen und der begrenzten Durchdringung des Knochenmarks durch Antibiotika schwierig sein. Chronische Osteomyelitis ist durch persistierende Erreger, leichte Entzündungen und nekrotische Knochenbildung gekennzeichnet. Von refraktärer Osteomyelitis spricht man bei chronischen Knocheninfektionen, die trotz entsprechender Behandlung anhalten oder wiederkehren.
Es wurde gezeigt, dass HBOT den Sauerstoffgehalt im infizierten Knochengewebe signifikant verbessert. Zahlreiche Fallserien und Kohortenstudien deuten darauf hin, dass HBOT die klinischen Ergebnisse bei Osteomyelitis-Patienten verbessert. Es scheint über verschiedene Mechanismen zu wirken, darunter die Steigerung der Stoffwechselaktivität, die Unterdrückung bakterieller Krankheitserreger, die Verstärkung der antibiotischen Wirkung, die Minimierung von Entzündungen und die Förderung der Heilung.Prozesse. Nach der HBOT zeigen 60 % bis 85 % der Patienten mit chronischer, refraktärer Osteomyelitis Anzeichen einer Infektionsunterdrückung.
1.6 Pilzinfektionen
Weltweit leiden über drei Millionen Menschen an chronischen oder invasiven Pilzinfektionen, die jährlich zu über 600.000 Todesfällen führen. Die Behandlungsergebnisse bei Pilzinfektionen werden oft durch Faktoren wie veränderten Immunstatus, Grunderkrankungen und die Virulenz der Erreger beeinträchtigt. HBOT wird aufgrund seiner Sicherheit und nicht-invasiven Natur zu einer attraktiven Therapieoption bei schweren Pilzinfektionen. Studien deuten darauf hin, dass HBOT gegen Pilzpathogene wie Aspergillus und Mycobacterium tuberculosis wirksam sein könnte.
HBOT fördert die antimykotische Wirkung durch Hemmung der Biofilmbildung von Aspergillus. Eine erhöhte Wirksamkeit wurde bei Stämmen ohne Superoxiddismutase (SOD)-Gene beobachtet. Die hypoxischen Bedingungen bei Pilzinfektionen stellen eine Herausforderung für die Verabreichung antimykotischer Medikamente dar, sodass der erhöhte Sauerstoffgehalt durch HBOT eine potenziell nützliche Intervention darstellt, obwohl weitere Forschung erforderlich ist.
Die antimikrobiellen Eigenschaften von HBOT
Die durch HBOT erzeugte hyperoxische Umgebung löst physiologische und biochemische Veränderungen aus, die antibakterielle Eigenschaften stimulieren und sie zu einer wirksamen Zusatztherapie bei Infektionen machen. HBOT zeigt bemerkenswerte Wirkungen gegen aerobe Bakterien und vorwiegend anaerobe Bakterien durch Mechanismen wie direkte bakterizide Aktivität, Verstärkung der Immunantwort und synergistische Effekte mit spezifischen antimikrobiellen Wirkstoffen.
2.1 Direkte antibakterielle Wirkungen der HBOT
Die direkte antibakterielle Wirkung der HBOT wird größtenteils auf die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) zurückgeführt, zu denen Superoxidanionen, Wasserstoffperoxid, Hydroxylradikale und Hydroxylionen gehören, die alle während des Zellstoffwechsels entstehen.
Die Wechselwirkung zwischen O₂ und Zellbestandteilen ist entscheidend für das Verständnis der ROS-Bildung in Zellen. Unter bestimmten Bedingungen, die als oxidativer Stress bezeichnet werden, wird das Gleichgewicht zwischen ROS-Bildung und -Abbau gestört, was zu erhöhten ROS-Werten in Zellen führt. Die Produktion von Superoxid (O₂⁻) wird durch Superoxiddismutase katalysiert, die O₂⁻ anschließend in Wasserstoffperoxid (H₂O₂) umwandelt. Diese Umwandlung wird durch die Fenton-Reaktion noch verstärkt, die Fe²⁺ oxidiert und Hydroxylradikale (·OH) und Fe³⁺ erzeugt, wodurch eine schädliche Redoxsequenz aus ROS-Bildung und Zellschädigung eingeleitet wird.
Die toxischen Wirkungen von ROS zielen auf kritische Zellkomponenten wie DNA, RNA, Proteine und Lipide ab. Insbesondere DNA ist ein Hauptziel der H₂O₂-vermittelten Zytotoxizität, da sie Desoxyribosestrukturen zerstört und die Basenzusammensetzung schädigt. Die durch ROS verursachten physikalischen Schäden erstrecken sich auf die Helixstruktur der DNA und resultieren möglicherweise aus der durch ROS ausgelösten Lipidperoxidation. Dies unterstreicht die negativen Folgen erhöhter ROS-Werte in biologischen Systemen.
Antimikrobielle Wirkung von ROS
ROS spielen eine entscheidende Rolle bei der Hemmung des mikrobiellen Wachstums, wie die HBOT-induzierte ROS-Bildung zeigt. Die toxischen Wirkungen von ROS richten sich direkt gegen Zellbestandteile wie DNA, Proteine und Lipide. Hohe Konzentrationen aktiver Sauerstoffspezies können Lipide direkt schädigen und zur Lipidperoxidation führen. Dieser Prozess beeinträchtigt die Integrität der Zellmembranen und damit die Funktionalität membrangebundener Rezeptoren und Proteine.
Darüber hinaus unterliegen Proteine, die ebenfalls wichtige molekulare Ziele von ROS sind, spezifischen oxidativen Modifikationen an verschiedenen Aminosäureresten wie Cystein, Methionin, Tyrosin, Phenylalanin und Tryptophan. So wurde beispielsweise gezeigt, dass HBOT oxidative Veränderungen in mehreren Proteinen in E. coli induziert, darunter Elongationsfaktor G und DnaK, und dadurch deren Zellfunktionen beeinflusst.
Stärkung der Immunität durch HBOT
Die entzündungshemmenden Eigenschaften von HBOTwurden dokumentiert und erwiesen sich als entscheidend für die Linderung von Gewebeschäden und die Unterdrückung des Infektionsverlaufs. HBOT beeinflusst die Expression von Zytokinen und anderen Entzündungsregulatoren signifikant und beeinflusst die Immunantwort. Verschiedene experimentelle Systeme beobachteten unterschiedliche Veränderungen der Genexpression und Proteinbildung nach HBOT, die Wachstumsfaktoren und Zytokine entweder hoch- oder herunterregulieren.
Während des HBOT-Prozesses lösen erhöhte Sauerstoffwerte eine Reihe von zellulären Reaktionen aus, wie beispielsweise die Unterdrückung der Freisetzung entzündungsfördernder Mediatoren und die Förderung der Apoptose von Lymphozyten und Neutrophilen. Zusammengenommen verstärken diese Aktionen die antimikrobiellen Mechanismen des Immunsystems und erleichtern so die Heilung von Infektionen.
Darüber hinaus deuten Studien darauf hin, dass erhöhte Sauerstoffwerte während der HBOT die Expression entzündungsfördernder Zytokine wie Interferon-gamma (IFN-γ), Interleukin-1 (IL-1) und Interleukin-6 (IL-6) reduzieren können. Zu diesen Veränderungen gehört auch die Herunterregulierung des Verhältnisses von CD4:CD8-T-Zellen und die Modulation anderer löslicher Rezeptoren, was letztendlich zu einem Anstieg des Interleukin-10-Spiegels (IL-10) führt, der für die Bekämpfung von Entzündungen und die Förderung der Heilung entscheidend ist.
Die antimikrobiellen Aktivitäten der HBOT sind mit komplexen biologischen Mechanismen verknüpft. Sowohl Superoxid als auch erhöhter Druck fördern Berichten zufolge inkonsistent die HBOT-induzierte antibakterielle Aktivität und die Apoptose neutrophiler Granulozyten. Nach der HBOT verstärkt ein deutlich erhöhter Sauerstoffspiegel die bakterizide Wirkung neutrophiler Granulozyten, ein wesentlicher Bestandteil der Immunantwort. Darüber hinaus unterdrückt HBOT die Neutrophilenadhäsion, die durch die Interaktion von β-Integrinen auf Neutrophilen mit interzellulären Adhäsionsmolekülen (ICAM) auf Endothelzellen vermittelt wird. HBOT hemmt die Aktivität des neutrophilen β-2-Integrins (Mac-1, CD11b/CD18) durch einen Stickoxid (NO)-vermittelten Prozess und trägt so zur Migration neutrophiler Granulozyten zum Infektionsort bei.
Die präzise Umstrukturierung des Zytoskeletts ist notwendig, damit Neutrophile Pathogene effektiv phagozytieren können. Die S-Nitrosylierung von Aktin stimuliert nachweislich die Aktinpolymerisation und kann so die phagozytische Aktivität von Neutrophilen nach einer HBOT-Vorbehandlung fördern. Darüber hinaus fördert HBOT die Apoptose in menschlichen T-Zelllinien über mitochondriale Prozesse, wobei ein beschleunigter Lymphozytentod nach HBOT beobachtet wurde. Die Blockierung von Caspase-9 – ohne Beeinträchtigung von Caspase-8 – hat die immunmodulatorische Wirkung von HBOT nachgewiesen.
Die synergistischen Effekte von HBOT mit antimikrobiellen Wirkstoffen
In klinischen Anwendungen wird HBOT häufig zusammen mit Antibiotika eingesetzt, um Infektionen wirksam zu bekämpfen. Der während der HBOT erreichte hyperoxische Zustand kann die Wirksamkeit bestimmter Antibiotika beeinflussen. Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass bestimmte bakterizide Medikamente wie β-Lactame, Fluorchinolone und Aminoglykoside nicht nur über inhärente Mechanismen wirken, sondern teilweise auch auf den aeroben Stoffwechsel der Bakterien angewiesen sind. Daher sind das Vorhandensein von Sauerstoff und die Stoffwechseleigenschaften der Krankheitserreger entscheidend für die Bewertung der therapeutischen Wirkung von Antibiotika.
Es gibt signifikante Belege dafür, dass niedrige Sauerstoffwerte die Resistenz von Pseudomonas aeruginosa gegen Piperacillin/Tazobactam erhöhen können und dass eine sauerstoffarme Umgebung auch zur erhöhten Resistenz von Enterobacter cloacae gegen Azithromycin beiträgt. Umgekehrt können bestimmte hypoxische Bedingungen die bakterielle Empfindlichkeit gegenüber Tetracyclin-Antibiotika erhöhen. HBOT dient als praktikable ergänzende Therapiemethode, indem es den aeroben Stoffwechsel anregt und hypoxisch infiziertes Gewebe reoxygeniert, wodurch die Empfindlichkeit der Krankheitserreger gegenüber Antibiotika erhöht wird.
In präklinischen Studien reduzierte die Kombination von HBOT – zweimal täglich über 8 Stunden bei 280 kPa verabreicht – zusammen mit Tobramycin (20 mg/kg/Tag) die Bakterienlast bei infektiöser Endokarditis durch Staphylococcus aureus signifikant. Dies zeigt das Potenzial von HBOT als Zusatzbehandlung. Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass HBOT bei 37 °C und 3 ATA Druck über 5 Stunden die Wirkung von Imipenem gegen Makrophagen-infizierte Pseudomonas aeruginosa deutlich verstärkte. Darüber hinaus erwies sich die kombinierte Modalität von HBOT mit Cephazolin bei der Behandlung von Osteomyelitis durch Staphylococcus aureus in Tiermodellen als wirksamer als Cephazolin allein.
HBOT erhöht zudem die bakterizide Wirkung von Ciprofloxacin gegen Pseudomonas aeruginosa-Biofilme signifikant, insbesondere nach einer Exposition von 90 Minuten. Diese Verstärkung wird auf die Bildung endogener reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) zurückgeführt und zeigt eine erhöhte Empfindlichkeit bei Peroxidase-defizienten Mutanten.
In Modellen einer Pleuritis, die durch Methicillin-resistenten Staphylococcus aureus (MRSA) verursacht wurde, zeigte die Kombination von Vancomycin, Teicoplanin und Linezolid mit HBOT eine signifikant erhöhte Wirksamkeit gegen MRSA. Metronidazol, ein Antibiotikum, das häufig zur Behandlung schwerer anaerober und polymikrobieller Infektionen wie diabetischer Fußinfektionen (DFI) und postoperativer Wundinfektionen (SSI) eingesetzt wird, zeigte unter anaeroben Bedingungen eine höhere antimikrobielle Wirksamkeit. Zukünftige Studien sind erforderlich, um die synergistischen antibakteriellen Effekte von HBOT in Kombination mit Metronidazol sowohl in vivo als auch in vitro zu untersuchen.
Die antimikrobielle Wirksamkeit von HBOT bei resistenten Bakterien
Mit der Entwicklung und Verbreitung resistenter Stämme verlieren herkömmliche Antibiotika mit der Zeit oft ihre Wirksamkeit. Darüber hinaus kann sich HBOT als unverzichtbar bei der Behandlung und Vorbeugung von Infektionen durch multiresistente Erreger erweisen und als wichtige Strategie dienen, wenn Antibiotikabehandlungen versagen. Zahlreiche Studien haben die signifikante bakterizide Wirkung von HBOT auf klinisch relevante resistente Bakterien nachgewiesen. So reduzierte beispielsweise eine 90-minütige HBOT-Sitzung bei 2 ATM das Wachstum von MRSA erheblich. Darüber hinaus hat HBOT in Verhältnismodellen die antibakterielle Wirkung verschiedener Antibiotika gegen MRSA-Infektionen verstärkt. Berichte haben bestätigt, dass HBOT bei der Behandlung von Osteomyelitis, die durch OXA-48-produzierende Klebsiella pneumoniae verursacht wird, wirksam ist, ohne dass zusätzliche Antibiotika erforderlich sind.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die hyperbare Sauerstofftherapie einen vielseitigen Ansatz zur Infektionskontrolle darstellt, der die Immunantwort stärkt und gleichzeitig die Wirksamkeit bestehender antimikrobieller Wirkstoffe erhöht. Dank umfassender Forschung und Entwicklung birgt sie das Potenzial, die Auswirkungen von Antibiotikaresistenzen zu mildern und so Hoffnung im anhaltenden Kampf gegen bakterielle Infektionen zu geben.
Veröffentlichungszeit: 28. Februar 2025