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Kühlen Kopf bewahren


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Gehirn & Geist - epaper ⋅ Ausgabe 5/2022 vom 08.04.2022

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Bildquelle: Gehirn & Geist, Ausgabe 5/2022

HIRN AUF EIS | Kälte schützt Neurone vor dem Zelltod, der ihnen bei einem Kreislaufstillstand droht.

UNSERE AUTORIN

Linda Fischer hat als Wissenschaftsjournalistin für den Spektrum-Verlag, »WDR Quarks« und »klimafakten.de« gearbeitet. Seit 2021 ist sie Redakteurin im Ressort Wissen von »Zeit Online«.

Auf einen Blick: Schützende Kälte

1Menschliche Zellen verlangsamen ihren Stoffwechsel, wenn die Körpertemperatur sinkt. Das lässt sich medizinisch nutzen, etwa um das Gehirn während oder nach einem Kreislaufstillstand vor Schäden zu schützen.

2Ein Verfahren, der hypothermische Kreislaufstillstand, nutzt Temperaturen unter 30 Grad Celsius. Er kommt bei manchen Eingriffen am Herzen zum Einsatz und ermöglicht dort längere Operationszeiten.

3Die milde therapeutische Hypothermie verwenden Ärztinnen und Ärzte, wenn Menschen nach einer Reanimation in einem Koma verbleiben. Sie soll dem Gehirn der Betroffenen helfen, sich zu erholen.

Die normale Körperkerntemperatur eines erwachsenen Menschen liegt ungefähr ...

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... zwischen 36 und 37,5 Grad Celsius. In diesem Bereich arbeiten die Organe optimal, denn Stoffwechselprozesse, die von Enzymen menschlicher Zellen katalysiert werden, laufen dann besonders effizient ab. Ein paar Grad mehr oder weniger bringen das fein justierte System bereits aus dem Gleichgewicht. Hält ein Fieber oder eine Unterkühlung länger als einige Stunden an, kann das bleibende Gewebeschäden hinterlassen oder gar tödlich enden.

Eine Unterkühlung hat jedoch nicht nur negative Effekte. Das zeigt etwa der Fall der schwedischen Ärztin Anna Bågenholm. Sie hält einen unfreiwilligen Weltrekord, denn sie hat einen Unfall überlebt, bei dem ihre Körpertemperatur zwischenzeitlich auf unter 14 Grad Celsius sank. Heute arbeitet sie als Radiologin am Uniklinikum in Tromsø im nördlichen Norwegen. In genau diesem Krankenhaus retteten ihr Notfallmediziner vor mehr als zwei Jahrzehnten das Leben.

Im Mai 1999 war sie mit zwei Arbeitskollegen zum Skifahren im etwa 200 Kilometer südlich von Tromsø gelegenen Narvik unterwegs. Um 18.20 Uhr stürzte die damals 29-Jährige abseits der präparierten Pisten bei einem Wasserfall in einen Fluss. Ihre Begleiter konnten sie nicht befreien und verständigten den Notruf. Eingeklemmt unter einer Eisschicht verharrte Bågenholm 40 Minuten lang mit dem Kopf in einem Luftspalt, bis sie sich nicht mehr bewegte. Kurz darauf dürfte ihr Herz aufgehört haben zu schlagen. Bei normaler Körpertemperatur dauert es nach einem solchen Kreislaufstillstand nur wenige Minuten, bis die betroffene Person nicht mehr reanimiert werden kann und tot ist. Anna Bågenholm lag noch weitere 40 Minuten im eiskalten Wasser, bis ein Rettungsteam am Unfallort eintraf. Gemeinsam schnitten die Ersthelfer ein Loch ins Eis, zogen die junge Frau heraus und begannen sofort mit Reanimationsmaßnahmen. Kurze Zeit später traf ein Rettungshubschrauber ein, in dem sie mit Sauerstoff versorgt wurde. Um 21.10 Uhr, fast drei Stunden nach dem Unfall, erreichte er das Krankenhaus in Tromsø. Bågenholms Herz stand immer noch still, ihre Haut war eiskalt, ihre Körpertemperatur betrug 13,7 Grad Celsius. Die Ärzte vor Ort beschlossen: Sie würden die Frau erst für tot erklären, nachdem sie ihren Körper auf Normaltemperatur gebracht hatten. Sie schlossen sie an eine Herz-Lungen-Maschine an, die ihr Blut langsam erwärmte. Es dauerte bis zum Nachmittag des folgenden Tages, bis ihr Herz begann, wieder von selbst zu schlagen. Bågenholm benötigte nach dem Unfall monatelang Therapien und intensive Reha­ Maßnahmen. Ihr Weg zur Genesung war beschwerlich, doch sie erholte sich vollständig. Die Kälte hatte das Gehirn der jungen Frau vor bleibenden Schäden bewahrt.

Über Bågenholms Fall berichtete ihr Ärzteteam ein Jahr später im Fachmagazin »The Lancet«. Hätte sich ihr Körper schneller oder langsamer abgekühlt oder hätte die Patientin durch den Sturz mehr Verletzungen davongetragen, hätte sie den Unfall wahrscheinlich nicht überlebt, sagten die Fachleute später in Interviews.

Unterschiedliche Kältegrade

Bei Menschen spricht man von einer Hypothermie, wenn die Körpertemperatur auf unter 36 Grad Celsius abgesunken ist. Die Unterkühlung lässt sich in mehrere Kategorien unterteilen: in eine milde, eine moderate und eine tiefe beziehungsweise profunde Hypothermie. Wo die eine Stufe aufhört und die nächste beginnt, wird in der Fachliteratur sehr unterschiedlich beschrieben.

Oft sprechen Fachleute von einer milden Hypothermie, wenn die Temperatur auf zwischen 36 und 32 Grad Celsius sinkt. Dann kann der Körper ohne Sedierung selbst die normale Kerntemperatur wiederherstellen, etwa durch Muskelzittern oder indem er das Blut aus den Extremitäten in die Körpermitte umverteilt. Beim gezielten Temperaturmanagement nach einer Reanimation werden Patienten meist auf diesen Temperaturbereich gekühlt.

Je stärker die Kühlung, desto mehr Risiken sind damit verbunden. Spätestens unter 30 Grad Celsius drohen ernst zu nehmende Komplikationen. Es kann zu Herzproblemen kommen, etwa Herzrhythmusstörungen, und Betroffene verlieren das Bewusstsein. Im Bereich zwischen 20 und 30 Grad hört das Herz auf zu schlagen.

Ausschlaggebend war auch, dass ihre Begleiter sofort Hilfe anforderten. Nach ihrer Befreiung aus dem Wasser erhielt Bågenholm durchgehend bis zu ihrer Ankunft im Krankenhaus eine Herzdruckmassage und wurde beatmet. Außerdem hatte sie das Glück, dass die Ärzte in Tromsø die nötige Ausstattung hatten, um einen Fall wie ihren zu behandeln.

Bågenholms Skiunfall hat Medizinern geholfen, besser zu verstehen, wie man extrem unterkühlten Menschen das Leben retten kann. Er zeigt auch eindrucksvoll, dass eine Hypothermie manchen Schäden eines Kreislaufstillstands vorbeugt. Die Kälte hat dabei verschiedene Effekte, die von Vorteil sein können. Allen voran schützt sie das Gehirn – das Organ, das am empfindlichsten auf Sauerstoffmangel reagiert.

Frostige Behandlung

Eine medizinische Hypothermie, also eine Unterkühlung des Körpers zu Behandlungszwecken, wird heute vielerorts routinemäßig in der Notfallmedizin eingesetzt. Das Verfahren hat dazu beigetragen, dass sich die Überlebenschancen nach schweren Herzinfarkten deutlich verbessert haben. Es macht zudem Operationen möglich, die Menschen vor ein paar Jahrzehnten oft nicht überlebt hätten.

Im Krankenhaus unterscheidet man zwei Arten von medizinischer Hypothermie. Die erste wird heutzutage noch bei manchen Eingriffen am Gehirn genutzt sowie dann, wenn Chirurgen direkt am Herzen oder an den umliegenden großen Blutgefäßen arbeiten. Während solcher Operationen muss der Kreislauf vorübergehend gänzlich unterbrochen werden. Bei normaler Körpertemperatur wäre das nur für wenige Minuten machbar, ohne bleibende Hirnschäden zu riskieren. Um diesen Zeitraum zu verlängern, finden derartige Operationen bei Körpertemperaturen unter 28 und zum Teil auch unter 20 Grad Celsius statt. Fachleute nennen das eine tiefe Hypothermie oder einen hypothermischen Herzstillstand.

Das Verfahren ist nicht neu. Schon in den 1950er Jahren haben Ärztinnen und Ärzte Patienten für bestimmte Eingriffe heruntergekühlt. Seit den 1970er Jahren gilt die Methode als Standard, wenngleich sie nach wie vor eine besondere Herausforderung für das Operationsteam darstellt. Damals wie heute entschließen sich Mediziner normalerweise nur im Notfall dafür, einen hypothermischen Herzstillstand einzuleiten. Etwa dann, wenn es zu einer bestimmten Art der Aortendissektion kommt. Dabei reißt die Innenwand der Hauptschlagader ein und das Gefäß droht zu platzen, wodurch der Betroffene schnell innerlich verbluten würde. Ohne einen raschen chirurgischen Eingriff endet der Zustand mit hoher Wahrscheinlichkeit tödlich.

Wie eine Kühlung das Gehirn schützt

Menschliche Zellen brauchen für ihren Stoffwechsel Sauerstoff. Ohne ihn können viele enzymatische Reaktionen nicht mehr wie gewohnt ablaufen, und die Zelle stirbt nach kurzer Zeit ab. Besonders anfällig für Sauerstoffmangel sind Neurone. Gelangt kein sauerstoffreiches Blut mehr ins Gehirn, kann es schon innerhalb von Minuten stark und unwiederbringlich geschädigt werden. Zwar belastet der Mangel auch andere Organe, doch sie halten etwas länger ohne Sauerstoff aus und können abgestorbene Zellen im Anschluss eher wieder ersetzen.

Bei Kälte verringern menschliche Zellen ihre Stoffwechselaktivität, was dazu führt, dass sie weniger Sauerstoff verbrauchen. Fachleute schätzen, dass jedes Grad Celsius weniger den Sauerstoffbedarf im Gehirn um etwa fünf Prozent senkt. Dieser Spareffekt wird zum Beispiel bei bestimmten chirurgischen Eingriffen genutzt, bei denen der gesamte Blutkreislauf für kurze Zeit unterbrochen werden muss. Sie finden unter der tiefen Hypothermie statt, also bei sehr niedrigen Körpertemperaturen.

Zusätzliche Mechanismen kommen ins Spiel, wenn man Personen nach einer Reanimation über mehrere Stunden kühl hält. Die Maßnahme soll ein Zugrundegehen von Neuronen abwenden, das nicht sofort, sondern zeitversetzt eintritt. Zellen leiten nämlich ihren eigenen Tod ein, wenn etwas in ihnen stark aus dem Gleichgewicht gerät. So werden beschädigte Zellen beseitigt, die zur Gefahr für das Gewebe werden könnten. Bei Sauerstoffmangel sterben manche Neurone schnell ab – je länger die Situation anhält, desto mehr. Im Hirngewebe verursacht das Stress und Entzündungsreaktionen. Auch Zellen, die überleben, leiten mitunter Kettenreaktionen ein, an deren Ende ihre eigene Zerstörung steht. Das kann selbst dann passieren, wenn sie nur leicht beschädigt sind und sich nach Versorgung mit Sauerstoff eigentlich wieder erholen könnten.

Um den Untergang solcher Neurone zu verhindern, wird der Körper kurz nach der Wiederbelebung auf wenige Grad Celsius unter der Normaltemperatur gekühlt. Das soll einige der Kaskaden von Zerstörungsbotschaften hemmen und der Zelle die Chance geben, die Signalstoffe für den programmierten Zelltod abzubauen. So lässt sich das Absterben weiterer Neurone ganz oder zumindest zum Teil verhindern – je nachdem, wie sehr der Sauerstoffmangel schon gewirkt hat.

Für die Operation wird das Blut der Patienten durch eine Herz-Lungen-Maschine geleitet. Die Geräte filtern daraus Kohlendioxid heraus, reichern es mit Sauerstoff an und pumpen es zurück in den Körper. Zugleich können sie ihre Temperatur regulieren. Bei Bågenholm nutzte das medizinische Team diese Methode, um das Blut der Frau außerhalb ihres Körpers wieder aufzuwärmen. Um einen hypothermischen Herzstillstand auszulösen, wird es durch die Maschine gekühlt. So lässt sich die Körperkerntemperatur in sehr kurzer Zeit herunterregeln. Je kälter, desto mehr Zeit bleibt Operierenden, um Blutgefäße bei stillstehendem Kreislauf zu reparieren. Bei Temperaturen zwischen 14 und 20 Grad, so schätzten Forschende um Wael Saade von der Universität La Sapienza in Rom in einer 2020 veröffentlichten Studie, lässt sich das Gehirn bis zu 30 Minuten schützen.

Nach dem Eingriff wird das Blut in der Herz-Lungen-Maschine langsam aufgewärmt, bis das Herz des Operierten wieder zu schlagen beginnt. »Es gibt einige Risiken, die wir in solchen Fällen in Kauf nehmen«, erläutert der Anästhesist und Intensivmediziner Patrick Meybohm. Er sieht bei seiner Arbeit am Universitätsklinikum Würzburg regelmäßig Menschen, bei denen derartige Operationen notwendig werden. Auch wenn das Verfahren in den vergangenen Jahrzehnten deutlich sicherer geworden ist, lassen sich Hirnschäden nicht immer gänzlich vermeiden. Wegen möglicher Komplikationen, die infolge der Unterkühlung entstehen, müssen die Patientinnen und Patienten nach der Operation genau beobachtet werden. »Zum Beispiel beeinträchtigen niedrige Temperaturen die Blutgerinnung«, erklärt er. Viele Behandelte würden deshalb später im Heilungsprozess Blutgerinnungsstörungen zeigen. Der Nutzen des Eingriffs überwiege dennoch in bestimmten Fällen solche Gefahren.

Milde Kühlung zur besseren Erholung

Ein deutlich geringeres Risiko gehen Ärztinnen und Ärzte ein, wenn sie auf die so genannte milde therapeutische Hypothermie (auf Englisch: targeted temperature management, kurz TTM, übersetzt: gezieltes Temperaturmanagement) zurückgreifen. Während durch Unfälle wie den von Anna Bågenholm schon lange bekannt ist, dass niedrige Körpertemperaturen während eines Kreislaufstillstands schützen, liefern jüngere Studien Hinweise darauf, dass sie dem Gehirn auch hinterher als Therapie helfen.

Das Verfahren wird vor allem bei einer bestimmten Patientengruppe eingesetzt: Menschen, die nach einem Herzstillstand erfolgreich reanimiert wurden, ihr Bewusstsein jedoch nicht gleich wiedererlangten. Je länger Betroffene bewusstlos bleiben, desto schlechter ist ihre Prognose. Denn ihr Koma deutet darauf hin, dass der Sauerstoffmangel dem Gehirn zugesetzt hat. Selbst wenn die Person überlebt, trägt sie häufig bleibende neurologische Schäden davon.

Um dem Gehirn zu helfen, sich zu erholen, werden Patienten möglichst bald nach der Reanimation heruntergekühlt – üblicherweise für 24 Stunden auf 32 bis 36 Grad Celsius, also nur geringfügig unter die Normaltemperatur. Dazu nutzt man häufig Infusionen mit kalter Flüssigkeit, manchmal auch kühlende Matten oder Kaltkompressen. Die niedrigen Temperaturen bremsen verschiedene biologische Kettenreaktionen, die durch den Sauerstoffmangel ausgelöst wurden und die selbst dann weiterlaufen, wenn das Gehirn erneut mit Sauerstoff versorgt wird (siehe »Wie eine Kühlung das Gehirn schützt«). Ohne die Intervention würden diese darin münden, dass viele der betroffenen Zellen zu Grunde gehen und zusätzliche Schäden am Gehirn entstehen.

Mehrere Untersuchungen belegen eine Wirksamkeit der therapeutischen Hypothermie. »Es hat sich gezeigt, dass Menschen, die nach einem Kreislaufstillstand wiederbelebt und gekühlt wurden, deutlich weniger Behinderungen hatten«, fasst Jasmin Arrich zusammen. »Mittlerweile gibt es qualitativ hochwertige Studien, die die Wirkung der Therapie bestätigen.« Arrich ist Forschungsleiterin am Zentrum für Notfallmedizin des

Hauptsache, kein Fieber?

Nicht alle Fachleute sind von der Wirksamkeit der therapeutischen Hypothermie überzeugt. In einer 2022 veröffentlichten Übersichtsarbeit verweisen die Intensivmedizinerinnen Elena Kainz und Marlene Fischer vom Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf etwa auf eine große klinische Untersuchung von 2013. Bei 950 behandelten Personen hatte das Team um Niklas Nielsen von der Universität Lund in Schweden keinen deutlichen Unterschied zwischen einer Kühlung auf 33 und einer auf 36 Grad Celsius gefunden.

Die Autorinnen kritisieren frühere Arbeiten, bei denen in der Kontrollgruppe teils gar kein Temperaturmanagement stattfand – dadurch sei es möglich, dass die beobachteten positiven Effekte vor allem deshalb zu Stande kämen, weil mit der Hypothermie ein Fieber verhindert wurde. Sie betonen jedoch: Der Nutzen einer präzisen Temperaturkontrolle zur Fiebervermeidung bei komatösen Personen in den 24 Stunden nach einem Herzstillstand ist unumstritten.

Der Anaesthesist 10.1007/s00101-022-01091-1, 2022

Universitätsklinikums Jena und Hauptautorin einer Übersichtsarbeit, die bis 2016 veröffentlichte klinische Studien zur Wirksamkeit der Methode zusammengetragen und bewertet hat.

Die Analyse von Arrichs Team ergab: Von 437 Probanden in vier Studien überlebten 57 Prozent derjenigen, die gekühlt worden waren. Ohne Temperaturmanagement waren es 42 Prozent. Noch deutlicher war der Effekt bei den Langzeitfolgen. Nach therapeutischer Hypothermie lag der Anteil der Überlebenden mit keinem oder nur einem geringfügigen Hirnschaden bei 63 Prozent, also rund zwei Dritteln. In der Vergleichsgruppe lag der Anteil bei einem Drittel.

»Das Konzept ist seit Anfang dieses Jahrtausends in klinischen Studien gut untersucht worden«, fasst Arrich zusammen. Einige Kontroversen blieben zwar bestehen (siehe »Hauptsache, kein Fieber?«), aber seit 2005 wird die Maßnahme in internationalen Leitlinien empfohlen. Es sei eine der effektivsten Behandlungen, um eine neurologische Beeinträchtigung nach Kreislaufstillstand zu verhindern, so die Medizinerin. Nebenwirkungen gebe es dabei nur wenige. In einigen Studien haben Fachleute ein leicht erhöhtes Risiko für Lungenentzündungen gefunden, in manchen auch etwas niedrigere Kaliumwerte. »Das kann im Krankenhaus leicht behandelt werden«, fügt sie hinzu. Damit eignet sich die Therapie für fast alle Patientinnen und Patienten.

Beide Verfahren der medizinischen Hypothermie werden bereits in bestimmten Situationen angewandt. Doch es gibt immer noch offene Fragen zu ihrer Wirkung. Zum Beispiel, welche Temperatur nun die richtige ist. 32, 33 oder gar 36 Grad Celsius nach der Reanimation mit einem Kreislaufstillstand? »Tiefere Temperaturen als 33 Grad könnten vielleicht wirksamer sein, aber hier nehmen auch die Nebenwirkungen zu«, erklärt Arrich und ergänzt: »Über 36 Grad gibt es keine Wirkung mehr.« Die jüngsten Leitlinien des European Resuscitation Council vom März 2021 empfehlen dementsprechend Zieltemperaturen zwischen 32 und 36 Grad Celsius.

Ebenso sei die optimale Dauer der Therapie nicht ganz klar. Daten aus einer 2017 veröffentlichten Studie eines Teams um Hans Kirkegaard vom Aarhuser Uni­ versitätskrankenhaus in Dänemark deuten darauf hin, dass eine 48 Stunden lange Kühlung eventuell besser wirkt als die übliche 24-Stunden-Behandlung. Leider sei die Zahl der Probanden dieser Untersuchung etwas zu niedrig für eine verlässliche, statistisch signifikante Aussage, erläutert Jasmin Arrich. Größere Studien laufen bereits. Ähnliche Fragestellungen diskutieren Fachleute bei der tiefen Hypothermie. Außerdem untersuchen Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen, welche Möglichkeiten es gibt, die riskante Maßnahme im Einzelfall durch andere Methoden zu ersetzen oder sinnvoll mit weiteren Behandlungen zu kombinieren. Bereits heute werden Neurone oft nicht allein durch eine Kühlung vor Sauerstoffmangel geschützt. Die so genannte selektive Hirnperfusion ergänzt die Hypothermie mittlerweile, gerade wenn eine Operation länger dauert. Dabei wird das Gehirn vorübergehend gezielt über bestimmte Adern mit sauerstoffreichem Blut versorgt. Solche Methoden erlauben es, die Eingriffe auch bei etwas höheren Körpertemperaturen durchzuführen.

Einige Forschungsteams untersuchen aktuell, ob weitere Patientengruppen von den Maßnahmen profitieren könnten, etwa Personen mit einem Schädel- Hirn-Trauma. Die Verletzung zählt zu den häufigsten Todesursachen bei jungen Menschen. Studien zur therapeutischen Hypothermie bei Betroffenen lieferten bisher zum Teil widersprüchliche Ergebnisse. Vielleicht deswegen, weil die verwendeten Methoden noch viel Raum für Variationen ließen und die Daten damit nicht zuverlässig waren, folgerten Fachleute 2017 in einer Übersichtsarbeit. Auch bei einem Schlaganfall, in dessen Folge die Sauerstoffversorgung des Gehirns gestört werden kann, wird der mögliche Nutzen einer milden Kühlung diskutiert.

Eine Arbeitsgruppe um Samuel Tisherman von der University of Maryland untersucht aktuell einen besonders extremen Einsatz von Kälte: Sie will Menschen mit lebensgefährlichen Verletzungen, etwa Stich-oder Schusswunden, rasch auf bis zu zehn Grad Celsius herunterkühlen, so dass die Stoffwechselaktivität ihrer Neurone quasi zum Erliegen kommt (siehe dazu das Interview auf der nächsten Seite). Der Eingriff soll bei Personen erfolgen, die sonst fast sicher nicht überleben würden. Womöglich werden neben Anna Bågenholm also bald noch weitere Menschen bekannt werden, denen zuvor unerreichte Körpertemperaturen das Leben gerettet haben. H

QUELLEN

Arrich, J. et al.: Hypothermia for neuroprotection in adults after cardiopulmonary resuscitation. Cochrane Database of Systematic Reviews, 2016

Gilbert, M. et al.: Resuscitation from accidental hypothermia of 13·7°C with circulatory arrest. The Lancet 355, 2000

Kirkegaard, H. et al.: Targeted temperature management for 48 vs 24 hours and neurologic outcome after out-of-hospital cardiac arrest. A randomized clinical trial. JAMA 318, 2017

Lewis, S. et al.: Hypothermia for traumatic brain injury. Cochrane Database of Systematic Reviews, 2017 Dieser Artikel im Internet: www.spektrum.de/artikel/1995193