9. – 12. Schuljahr

Holger Weitzel

Todesursache? Wasser!

Das Osmose-Konzept anwenden und zur Erklärung nutzen

2015 starb bei einem Triathlon in Frankfurt am Main ein 30-jähriger Brite. Die Mediziner stellten eine Schwellung des Gehirns fest. Der Grund dafür: mangelnde Salzzufuhr. Der Sportler hatte während des Wettkampfs ausschließlich Leitungswasser getrunken.

Fast 100.000 Läufer haben 2015 allein bei einem der vier größten deutschen Marathonveranstaltungen (Berlin, Hamburg, München, Frankfurt) das Ziel erreicht (de.statista.com). An den etwa 600 Triathlonveranstaltungen 2014 in Deutschland haben mehr als 250.000 Starter teilgenommen (dtu-info.de). Ihre Zahl nimmt dabei seit Jahren stetig zu. Kurz: Ausdauersportarten erfreuen sich großer Beliebtheit. Bis vor kurzem galt für AusdauersportlerInnen die einhellige Empfehlung, vor, während und nach den Wettkämpfen möglichst viel zu trinken, um einer Austrocknung des Körpers und damit einem Leistungsverlust vorzubeugen. 🔎
Vor diesem Hintergrund erschrecken Nachrichten, die von kollabierenden Athleten und sogar von Todesfällen bei den Massenveranstaltungen berichten, die auf so genannte Wasserintoxikationen oder alltagssprachlich Wasservergiftungen zurückzuführen sind. Ursache der Wasserintoxikation ist meist eine übermäßige Aufnahme und renale Retention von Wasser, die eine Störung des Elektrolythaushaltes nach sich zieht.
Hyponatriämie
Übermäßige Wasseraufnahme in kurzer Zeit bei gleichzeitigem Elektrolytverlust über den Schweiß führt zu einer Zunahme des Extrazellulärvolumens und zu einer Abnahme der extrazellulären Osmolarität. Für die extrazelluläre Osmolarität ist in erster Linie die Natriumionenkonzentration bedeutsam. Von einer Hyponatriämie wird gesprochen, wenn die Natriumionenkonzentration im Extralzellulärraum 135mmol/l unterschreitet (Smolle 2010). Bei einem gesunden Menschen beträgt sie im Extrazellulärraum ca. 140mmol/l und im Intrazellulärraum 10mmol/l. Kontrolliert wird die Konzentration der Natriumionen über Osmosensoren im vorderen Hypothalamus. Reguliert wird sie in engen Grenzen über die durstinduzierte Wasseraufnahme und die Wasserausscheidung an den Nieren. Es genügen Abweichungen vom Normwert von 1%, um ein Durstgefühl auszulösen oder die Wasserabgabe zu reduzieren (Thews u.a. 2007).
Kommt es z.B. durch Schwitzen zu einem Wasserverlust im Körper, steigt die Natriumionenkonzentration im Serum an. Neuronen im vorderen Hypothalamus lösen in diesem Fall eine Durstempfindung aus, die Wasserrückresorption in den distalen Tubuli der Nephrone der Nieren wird als Reaktion auf eine verstärkte Ausschüttung des antidiuretischen Hormons (ADH) gefördert und damit die Flüssigkeitsausscheidung aus der Niere (Diurese) herabgesetzt (Material 3 🔎). Zugleich induziert ADH in höherer Konzentration eine Verengung der arteriellen Gefäße und trägt dadurch zur Steigerung des Blutdrucks bei. Daher rührt sein synonymer, heute aber nicht mehr gängiger, Name Vasopressin.
Akute Hyponatriämie durch Sport
Bei Ausdauerwettkämpfen können Hyponatriämien dann auftreten, wenn die Athleten große Wassermengen (> 3 Liter) in kurzer Zeit zu sich nehmen. Verstärkt wird der Effekt der Wasseraufnahme durch den gleichzeitigen Verlust an Natrium über den Schweiß und die verminderte Urinbildung unter der körperlichen Anstrengung. In diesem Fall kann die Natriumionenkonzentration im Serum rasch unter einen kritischen Wert von 135mmol/l sinken. Mediziner sprechen in diesem Fall von einer akuten Hyponatriämie. Mit ihr einher gehen Symptome wie Übelkeit, Erbrechen, Desorientiertheit, Verwirrtheit, Krämpfe, etc. Besonders problematisch ist die Auswirkung der Hyponatriämie auf das Zentralnervensystem. Ab einer Natriumionenkonzentration von weniger als 125 mmol/l kommt es zu einer erheblichen Verschiebung des osmotischen Gradienten zwischen Extra- und Intralzellulärraum mit der Folge der Wasseraufnahme vor allem in die Gliazellen des Gehirns. Auf Ebene des Organs entsteht ein diffuses Hirnödem.
Einige Risikofaktoren für eine akute Hyponatriämie
Einige Risikofaktoren für eine akute Hyponatriämie
hoher Konsum von Flüssigkeiten mit unzureichendem Elektrolytgehalt (über 3 L),
Gewichtszunahme während des Laufes durch die Flüssigkeitszunahme,
Wettkampfzeit beim Marathonlauf von über 4 h als Hinweis für einen eher niedrigen Trainingszustand,
niedriger Body-Mass-Index (BMI)
Behandlung akuter Hyponatriämien
Dass bei Ausdauerwettkämpfen akute Hyponatriämien entstehen können (exercise-associated hyponatremia), ist unter Sportmedizinern seit mehr als 20 Jahren bekannt (Noakes 1992). Problematisch ist die unzureichende Kenntnis dieser Erkrankung beim notfallmedizinischen Personal bei sportlichen Großveranstaltungen (Trautwein 2009). Bei Marathonläufen treten leichte Hyponatriämien etwa bei jedem siebten Läufer, schwere Hyponatriämien (Natriumionenkonzentration unter 120mmol/l) etwa bei jedem 200. Läufer auf (Almond u.a. 2005). Bedenkt man, dass bei einem Marathonlauf mehrere Zehntausend TeilnehmerInnen verzeichnet werden, allein am Berlin-Marathon haben 2015 41224 LäuferInnen teilgenommen (bmw-berlin-marathon.com), so ist potentiell bei circa 200 von diesen mit einer schweren Hyponatriämie zu rechnen. Werden diese Athleten genauso wie dehydrierte Sportler mit hypotonen Infusionen behandelt, dann kann dadurch die Hyponatriämie sogar noch verstärkt werden. Ursache für potentielle Fehlbehandlungen in Folge von Unkenntnis sind die sich zum Teil überschneidenden Symptome von Dehydratation und Hyponatriämie wie Übelkeit und Erbrechen. Erschwerend hinzu kommt, dass durch das Erbrechen eine verstärkte Sekretion von ADH ausgelöst wird (Smolle 2010). Gemeinsam mit der Gabe von hypotonen (Glucose-)Infusionen kommt es zu einer vermehrten Flüssigkeitsresorption in der Niere mit der Folge eines weiteren Absinkens der Natriumionenkonzentration.
Die richtige Therapie besteht bei leichten Hyponatriämien in einem Verzicht auf Flüssigkeitsaufnahme so lange, bis wieder spontan Urin gebildet wird. In schwereren Fällen wird eine Hyponatriämie mit Natriumchlorid-Lösungen (isotonisch bis 10%ig) behandelt und dadurch die Serumkonzentration an Natriumionen langsam erhöht (Trautwein 2009).
Zur Vermeidung von Hyponatriämien gilt daher heute im Unterschied zur Situation von vor einigen Jahren die Empfehlung, nach Durstgefühl zu trinken und eine Gewichtszunahme durch zu hohe Flüssigkeitsaufnahme während des Wettkampfes zu vermeiden (Maharam u.a. 2006). Auch kann elektrolythaltigen Getränken etwas Kochsalz beigemischt werden. Für die Aufnahme der elektrolythaltigen Getränke gilt aber die gleiche Empfehlung wie für Wasser.
Bemerkungen zum Unterricht
Diffusion und Osmose sind zentrale Konzepte, die im Biologieunterricht vielfältig benötigt werden. Mit dem hier vorgestellten vereinfachten Modell zu den osmotischen Vorgängen bei akuter Hyponatriämie wird ein humanbiologisches Beispiel gegeben, das zur Anwendung des Wissens um Osmose herausfordert und dessen Erkenntnisse auf andere Elektrolytstörungen übertragen werden können. Damit wird ein Beitrag geleistet, zunächst isoliert erlerntes Fachwissen in Anwendungswissen zu überführen.
Zudem kommen akute Hyponatriämien bei Ausdauersportlern recht häufig vor (bis zu 13% aller TeilnehmerInnen, Trautwein 2009). Erst in letzter Zeit steigt aber das Wissen um deren Existenz bei Sportlern und medizinischen Betreuern vor Ort, da deutschsprachige Literatur zu dem Thema selten ist. Damit leistet das Unterrichtsbeispiel auch einen Beitrag zur Aufklärung zum Thema.
Tod durch Wasservergiftung
1. Unterrichtsabschnitt
Zunächst werden die SchülerInnen anhand eines fiktiven Zeitungsartikels (Material 1 🔎 ) dazu aufgefordert, eine vorläufige Erklärung für die Entstehung einer Wasservergiftung zu entwickeln. Vorausgesetzt wird die Behandlung der Vorgänge bei der Osmose.
Osmose und Hirnödem
2. Unterrichtsabschnitt
Darauf aufbauend erarbeiten die SchülerInnen auf reduzierter Ebene die zellulären Vorgänge, die zu einem Hirnödem führen (Material 2 🔎 ). Auf eine Thematisierung der Öffnung von K+ - und Cl--Kanälen sowie die Erhöhung der Aktivität von K+/Cl--Symportern als zelluläre Reaktion auf die osmotische Zellschwellung wird verzichtet. Am Ende von Material 2 wird der Bogen zu einer möglichen Falschtherapie von akuter Hyponatriämie geschlagen und damit eine erneute Anwendung des Osmose-Konzepts eingefordert.
Wasserregulation durch ADH
3. Unterrichtsabschnitt
Im dritten Unterrichtsabschnitt wird am Beispiel des ADH der Einblick in die Entstehung des Durstgefühls und die Regulation der renalen Wasserabgabe gegeben. Dabei wird auch die Funktion von Aquaporinen beim zellulären Wassertransport beleuchtet. Über die stressbedingte Freisetzung von ADH wird wiederum der Bogen zur akuten Hyponatriämie geschlagen. An dieser Stelle kann die Lehrperson z.B. im Vortrag kurz auf Behandlungsmöglichkeiten einer Hyponatriämie eingehen. Aufbauend auf dem angebahnten Wissen können die SchülerInnen über eine Internetrecherche Empfehlungen für eine Flüssigkeit- und Elektrolytaufnahme bei Ausdauersport erarbeiten und hierzu beispielsweise auf WWW-Seiten nach Mineralwässern suchen, die für den unterschiedlichen Elektrolytbedarf in Ruhe oder bei Sport geeignet sind.
Literatur
Almond, C.S./Shin, A.Y./Fortescue, E.B. u.a. (2005). Hyponatremia among runners in the Boston Marathon. N Engl J Med, 352 (15), S. 15501556
Fenske, W./Christ-Crain, M. (2016). Neue Erkenntnisse zur Hyponatriämie. Dtsch Med Wochenschr, 141 (7), 457460
Hew-Butler, T. u.a. (2015). Statement of the Third International Exercise-Associated Hyponatremia Consensus Development Conference. Carlsbad, California
Köneke, J. (2015). Tod nach Ironman. Frankfurter Rundschau
Maharam, L.E.A. u.a. (2006). IMMDAs revised fluid recommendations for runners & walkers. http://aimsworldrunning.org/guidelines_fluid_replacement.htm; erstellt: 06.05.2006
Scheuter, C./Rutishauser, J. (2011). Hyponatriämie. Therapeutische Umschau, 68, 327336
Smolle, K-H. (2011). Hyponatriämie. DoctorConsult The Journal. Wissen für Klinik und Praxis, 1, S. 223227
Spormann, R. u.a. (2012). Kasuistik interaktiv Ein Marathon mit dramatischen Folgen. Anästhesiol Intensivmed Notfallmed Schmerzther, 47, S. 696702
Thews, Mutschler, Vaupel (2007). Anatomie, Physiologie, Pathophysiologie des Menschen. Stuttgart: Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft
Trautwein, S. u.a. (2009). Hirnödem nach Marathonlauf. Notfall Rettungsmedizin, 12, S. 287289
Autor
Holger Weitzel, geb. 1969; Professor für Biologiedidaktik an der Pädagogischen Hochschule Weingarten.
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