Frontiers in Physiology

Introduction

Ik heb het geluk gehad deel te nemen aan twee grote fysiologische onderzoeksexpedities naar extreme hoogten. De eerste was de Silver Hut expeditie in 1960-1961, waarbij een groep fysiologen enkele maanden op de zeer grote hoogte van 5.800 m (19.000 ft) verbleef, en we de fysiologische veranderingen maten die gedurende deze lange periode optraden. Aanvullende studies werden verricht tot 7.830 m. (25.700 ft). Het algemene doel was de mechanismen te bepalen waardoor mensen die normaal dichtbij zeeniveau leven, gedurende een langere periode reageren op ernstige hypoxie.

De tweede expeditie was de Amerikaanse Medische Onderzoeksexpeditie naar Everest die in 1981 plaatsvond. Hier was het fysiologische doel heel anders. Het doel was de eerste menselijke fysiologische gegevens te verkrijgen op de top van de Mount Everest (8.848 m, 29.028 ft) om te verduidelijken hoe mensen die normaal op zeeniveau leven de extreme hypoxie van het hoogste punt ter wereld kunnen overleven.

Silver Hut Expedition

Dit was het geesteskind van Sir Edmund Hillary die, samen met Tenzing Norgay, zeven jaar eerder als eerste de top van de Mt Everest had bereikt. Hillary had samengewerkt met Griffith Pugh, een fysioloog van grote hoogte, aan deze eerste beklimming van Everest, en beide mannen waren intens geïnteresseerd in het acclimatisatieproces dat mensen van dichtbij zeeniveau in staat stelt om naar zeer grote hoogten te klimmen.

Mijn bijzondere belangstelling ging uit naar het diffusievermogen van de longen. Het was gesuggereerd door Barcroft (1925) dat inspanning op grote hoogte zou resulteren in arteriële hypoxemie als gevolg van diffusiebeperking over de bloed-gas barrière. Om dit te testen lieten we de expeditieleden maximaal trainen op een fietsergometer, en we maten de arteriële zuurstofverzadiging met een nieuw verkrijgbare ooroximeter (West et al., 1962). Wij stelden vast dat er in feite een duidelijke daling was van de arteriële zuurstofverzadiging, ondanks de stijging van de alveolaire PO2 naarmate het werkniveau werd verhoogd. Dit was een sterk bewijs van diffusiebeperking onder deze omstandigheden van ernstige hypoxie. Duplicaat metingen bij mijzelf toonden een zuurstofverzadiging van slechts 33% bij maximale inspanning, hetgeen wees op zeer ernstige hypoxemie.

We hebben ook de diffusiecapaciteit voor koolmonoxide gemeten in de loop van de expeditie en toonden aan dat deze nauwelijks veranderde (West, 1962). De geringe toename kon worden verklaard door de polycythemie die zich ontwikkelde. De conclusie was dat de kenmerken van de bloedgasbarrière niet waren veranderd door langdurige blootstelling aan ernstige hypoxie. Dit was de eerste duidelijke demonstratie van diffusiebeperking van zuurstofoverdracht door de long tijdens zware inspanning op zeer grote hoogte.

Later in de expeditie werden metingen gedaan van de maximale zuurstofopname tijdens inspanning op de extreem grote hoogte van 7.440 m (24.400 ft) (Pugh et al., 1964). Extrapolatie van deze gegevens naar de hoogte van de top van de Everest suggereerde dat het onmogelijk zou zijn de top te bereiken zonder extra zuurstof. Bloedonderzoek toonde een duidelijke polycythemie aan bij de personen die op een hoogte van 5.800 m leefden. De gemiddelde hemoglobineconcentraties en hematocrietwaarden bedroegen respectievelijk 19,6 g/dl en 55,8%. Er waren aanwijzingen dat de aanvankelijke stijging van het hematocriet voornamelijk werd veroorzaakt door verlies van plasmavolume, maar later was er een grote toename van de rode celmassa. Het elektrocardiogram van mensen die op 5.800 m hoogte leefden toonde een duidelijke rechterventrikelhypertrofie, en in sommige tracings was er inversie van de T-golven in de borstafleidingen, wat vermoedelijk wees op ernstige myocardiale hypoxie (Milledge, 1963). Metingen van neuropsychometrische functies werden gedaan met behulp van kaart sorteren, en het bleek dat de snelheid van sorteren was verminderd, maar dat met een verhoogde concentratie de proefpersonen konden sorteren zonder fouten. Bij alle expeditieleden was er sprake van een ernstig, onophoudelijk gewichtsverlies terwijl zij op 5.800 m leefden; het gewichtsverlies lag tussen 0,5 en 1,5 kg per week. De algemene indruk was dat het voor mensen niet mogelijk zou zijn om voor onbepaalde tijd op deze zeer grote hoogte te leven (Pugh, 1962).

American Medical Research Expedition to Everest

Zoals hierboven opgemerkt, was het doel van deze expeditie om te verduidelijken hoe mensen de hypoxie van de hoogste hoogte ter wereld kunnen verdragen. Opmerkelijk was dat enkele maanden voordat de expeditie plaatsvond, twee Europese klimmers voor het eerst de top van de Mount Everest bereikten zonder gebruik te maken van aanvullende zuurstof. Deze prestatie verbaasde veel fysiologen, en riep veel vragen op over hoe het mogelijk was.

Het onderzoeksprogramma was zeer uitgebreid, en hier kan slechts een korte samenvatting worden gegeven. Metingen werden verricht in het basiskamp, op 5.400 m hoogte, in het geavanceerde basiskamp, op 6.300 m hoogte, en in het hoogste kamp op 8.050 m. We hoopten ook enkele metingen te kunnen doen op de top van Everest, hoewel dit erg ambitieus was. Als we terugkijken op de zes expedities die aan onze eigen expeditie voorafgingen, heeft niet één van hen de top bereikt. Als het slecht weer is, vergeet het dan maar, en een kritische factor is of voldoende expeditieleden fit genoeg blijven ondanks de extreme hoogte.

In het basiskamp hebben we de ventilatoire reactie op hypoxie gemeten, dat wil zeggen de mate waarin de ademhaling toeneemt wanneer de proefpersoon wordt blootgesteld aan een laag geïnjecteerd zuurstofmengsel. De resultaten waren opvallend. Het bleek dat de klimmer die als eerste de top bereikte de hoogste respons had, de klimmer die als tweede de top bereikte de op een na hoogste respons, en de klimmer die als derde de top bereikte de op twee na hoogste respons (Schoene et al., 1984). Dit moet gedeeltelijk toeval zijn, maar het suggereerde zeker dat er een verband bestond tussen de mate waarin klimmers hun ventilatie opvoeren, en hun tolerantie voor extreme hoogte. De reden hiervoor zal hieronder duidelijker worden.

Er werd een groot aantal studies uitgevoerd in het gevorderde basiskamp, maar slechts één, een neuropsychometrische studie, zal hier worden samengevat. Het is bekend dat de hersenen en het centrale zenuwstelsel zeer gevoelig zijn voor hypoxie. Als iemand bijvoorbeeld in een zwembad valt en 5 of 10 minuten later wordt gered, kan hij met succes weer tot leven worden gewekt, maar het centrale zenuwstelsel herstelt zich nooit volledig. Het was dan ook niet verwonderlijk dat wij op zeer grote hoogte veranderingen konden aantonen in metingen zoals het kortetermijngeheugen en de manipulatieve vaardigheid (zoals bepaald met een vingertiktest). Dit was niet onverwacht. Toen de expeditie terugkeerde naar de buurt van zeeniveau, bleek echter dat twee van de metingen abnormaal bleven. Dit waren het kortetermijngeheugen en de vingertiktest (Townes et al., 1984). Het was dus duidelijk dat iemand die terugkeert van deze extreme hoogten waarschijnlijk nog enige reststoornissen van het centrale zenuwstelsel zal hebben. Wij waren een van de eerste groepen die dit aantoonden, maar het is sindsdien vele malen bevestigd.

Enkele van de meest interessante bevindingen waren die van de top. We hadden een speciaal apparaat ontworpen en gebouwd dat de klimmer in staat stelde het laatste uitgeademde gas na een maximale uitademing te verzamelen, dat wil zeggen een alveolair gasmonster. Meer dan 34 monsters, waaronder vier van de top, werden teruggebracht naar UC San Diego in gasdichte blikken. Toen de alveolaire PCO2 werd uitgezet tegen de barometerdruk, die daalde naarmate de hoogte toenam, bleek dat de PCO2 op de top 7-8 mm Hg bedroeg. Dit was een bijna ongelooflijk lage waarde aangezien de waarde op zeeniveau ongeveer 40 mm Hg bedraagt. Deze extreem lage waarde benadrukt de enorme toename in alveolaire ventilatie die noodzakelijk is op deze extreme hoogten (West et al., 1983).

Toen zowel de alveolaire PO2 als de PCO2 werden uitgezet tegen de barometrische druk, ontstond een interessant beeld (figuur 1). Zowel de PO2 als de PCO2 daalden naarmate de hoogte toenam. De daling van de PO2 kwam door de vermindering van de lucht rond de klimmer ten gevolge van de verlaging van de barometerdruk. De daling van de PCO2 werd alleen veroorzaakt door de hyperventilatie van de klimmer. Het bleek dat wanneer de hoogte ongeveer 7000 m overschreed, er geen verdere daling van de alveolaire PO2 was. De figuur toont aan dat dit wordt verdedigd op een niveau van ongeveer 35 mm Hg. Met andere woorden, om op deze enorme hoogten te kunnen overleven, moet men een alveolaire ventilatie op gang brengen die de PCO2 tot ongeveer 8 mmHg terugdringt en zo de alveolaire PO2 op het zeer lage maar levensvatbare niveau van ongeveer 35 mm Hg houdt. Dit verklaart waarom er bij de metingen van de ventilatoire respons op hypoxie, waarnaar eerder werd verwezen, een correlatie bestond tussen de grootte van de respons en de tolerantie van de klimmer voor extreme hoogte. Als men niet in staat is een mate van hyperventilatie toe te passen die voldoende is om de alveolaire PCO2 te doen dalen tot ongeveer 7-8 mm Hg, kan men geen levensvatbaar niveau van PO2 in het alveolaire gas handhaven. Extreme hyperventilatie is dus een van de belangrijkste kenmerken van de fysiologische reactie op extreem grote hoogte.

Figuur 1. Waarden van de PO2 en PCO2 in het alveolaire gas van klimmers tijdens hun klim van zeeniveau (rechtsboven) naar de top van de Everest (linksonder). De PO2 daalt door de verlaging van de barometerdruk. De PCO2 daalt als gevolg van de toenemende alveolaire ventilatie. Boven een hoogte die overeenkomt met een PCO2 van ongeveer 20 mm Hg (ongeveer 7000 m), is er geen verdere daling van de PO2. Met andere woorden, deze wordt verdedigd bij ongeveer 35 mmHg. Dit kan alleen als de PCO2 voortdurend verder daalt door extreme hyperventilatie naarmate de hoogte toeneemt. Gemodificeerd uit Rahn en Otis (1949) en West et al. (1983).

De extreem lage alveolaire PCO2 roept de vraag op wat er met de arteriële pH is gebeurd. Het is redelijk om aan te nemen dat de arteriële en alveolaire PCO2 hetzelfde zijn. Gelukkig namen twee van de klimmers veneus bloed van elkaar af op de ochtend na hun succesvolle beklimming van de top, en de basis-exceswaarden konden dus worden gemeten. Toen deze waarden werden ingevoerd in de Henderson-Hasselbalch vergelijking, was de resulterende arteriële pH tussen 7,7 en 7,8. Dit is een extreme graad van respiratoire alkalose.

Een interessante vraag is waarom de nier geen bicarbonaat elimineerde om een metabole compensatie voor deze extreme alkalose te ontwikkelen en zo de pH dichter bij normaal te brengen. Dit is de gebruikelijke reactie als een respiratoire alkalose wordt opgewekt, bijvoorbeeld door hyperventilatie zoals soms voorkomt tijdens hysterie. De reden voor het ontbreken van metabole compensatie is niet volledig bekend, maar een mogelijkheid is dat deze klimmers waarschijnlijk een ernstig tekort aan volume hadden. Dit is een algemeen kenmerk van het naar grote hoogte gaan en bijvoorbeeld de klimmers die in het vooruitgeschoven basiskamp op 6300 m verbleven, vertoonden tekenen van chronische volumedepletie. Een verantwoordelijke factor op extreme hoogte is vermoedelijk de enorme hyperventilatie, maar ook de dorst is aangetast.

De fysiologische gevolgen van de ernstige alkalose zijn interessant. Andere studies hebben aangetoond dat een verhoogde zuurstofaffiniteit van hemoglobine de overleving in een hypoxische omgeving verhoogt. Vele jaren geleden werd aangetoond dat zoogdieren zoals de vicuña en de lama in de Zuid-Amerikaanse Andes een verhoogde zuurstofaffiniteit hebben (d.w.z. dat zij een naar links verschoven zuurstofdissociatiecurve hebben) in vergelijking met zoogdieren die op zeeniveau leven (Hall, 1937). Klimmers op zeer grote hoogte hebben dus dezelfde reactie.

Het is ook waar dat als men in het algemeen in het dierenrijk kijkt naar organismen die in een hypoxische omgeving leven, velen van hen een verhoogde zuurstofaffiniteit van het hemoglobine hebben ontwikkeld. Een van de beste voorbeelden is de menselijke foetus die, door een verschil in de aminozuursequentie van het hemoglobine, een duidelijk verhoogde zuurstofaffiniteit heeft met een P50 van ongeveer 19 mm Hg vergeleken met die van ongeveer 27 voor een volwassene. De menselijke foetus heeft naar volwassen maatstaven ernstige hypoxemie met een PO2 in de afdalende aorta van ongeveer 22 mm Hg, wat nog lager is dan die van een beklimmer op de top van de Everest. Het is inderdaad fascinerend dat de succesvolle klimmer het voordeel heeft van een verhoogde zuurstofaffiniteit van de hemoglobine. Dit helpt bij het laden van zuurstof in het pulmonale capillair. Men zou kunnen aanvoeren dat dit ook het ontladen van zuurstof in de periferie van het lichaam belemmert, maar studies hebben aangetoond dat het voordeel van het laden in de long groter is dan het nadeel van het ontladen in de perifere weefsels.

Een interessante vraag is wat het maximale zuurstofverbruik is van een klimmer op de top. Zoals eerder aangegeven, suggereerden eerdere metingen op extreme hoogte tijdens de Silver Hut expeditie dat alle op de top beschikbare zuurstof nodig zou zijn voor de basale zuurstof update, dat wil zeggen om het hart te laten pompen en de hersenen actief te houden. Het was onmogelijk om een fietsergometer op de top te plaatsen. We namen echter klimmers die zeer goed geacclimatiseerd waren en lieten hen maximaal trappen op een hoogte van 6300 m terwijl ze 14% zuurstof inademden. Dit gaf hen dezelfde geïnspireerde PO2 als op de top. De zuurstofopname onder deze omstandigheden bedroeg ongeveer 1 L/min, wat een miserabel laag maximaal zuurstofverbruik is, en overeenkomt met iemand die langzaam op de vlakte loopt. Toch is het blijkbaar net voldoende om een klimmer in staat te stellen de top te bereiken.

Bijdragen van de auteur

JW stelde het manuscript op, las het en keurde de ingediende versie goed.

Conflict of Interest Statement

De auteur verklaart dat het onderzoek werd uitgevoerd in afwezigheid van enige commerciële of financiële relaties die zouden kunnen worden opgevat als een potentieel belangenconflict.