Neue Screeningmethode: Gefäßschäden früher erkennen im CO2-Wasserbad

Forschende der Universität Duisburg-Essen und des Universitätsklinikums Düsseldorf entwickelten eine einfache Screeningmethode zur vaskulären Früherkennung. Das Verfahren stimuliert die Vasodilatation mittels CO₂-angereichertem Wasser. Die anschließende Erfassung der Gefäßreaktion erfolgt über die Nahinfrarotspektroskopie (NIRS). Gesunde Blutgefäße dilatieren schnell. Bei Gefäßerkrankungen ist diese Reaktion bereits im Frühstadium signifikant verlangsamt. Das neue Verfahren wird als NIRS-CO₂ abgekürzt.

Die Screeningmethode detektiert Gefäßschäden deutlich früher als etablierte Techniken. Zudem misst sie als bislang einziges non-invasives Verfahren zwei Funktionen gleichzeitig. Erfasst werden die endotheliale Funktion und die Aktivität der glatten Gefäßmuskulatur. „Das macht NIRS-CO₂ besonders interessant für die Früherkennung von Gefäßschäden bei Diabetes und Autoimmunerkrankungen, bei denen sowohl Endothel als auch Muskelschicht betroffen sind“, so Prof. Dr. Hideo Baba.

Mechanistische Aufklärung der CO₂-induzierten Vasodilatation

Kohlenstoffdioxid wird seit über einem Jahrhundert medizinisch genutzt. Typische Einsatzbereiche sind Kurbäder, Durchblutungsstörungen, Diabetes und die Intensivmedizin. In den sozialen Medien wird das Gas neuerdings zur Hautverjüngung beworben. Bislang fehlte jedoch der Nachweis einer mechanistischen Grundlage. Die aktuelle Studie liefert nun diese wissenschaftliche Basis. Sie zeigt, dass CO2 drei physiologische Mechanismen der Gefäßerweiterung simultan aktiviert.

Drei parallele molekulare Wirkmechanismen

In Kooperation mit dem Universitätsklinikum Düsseldorf wurden die drei Wirkprinzipien auf die Gefäßwand aufgeklärt: CO₂ stimuliert das Endothel zur Sekretion von Stickstoffmonoxid NO. Dieser Botenstoff relaxiert die glatte Gefäßmuskulatur.Zudem öffnet CO₂ spezifische endotheliale Kaliumkanäle SKCa und IKCa. Es imitiert damit den endothelialen Hyperpolarisationsfaktor. Direkt wirkt CO₂ auf die Gefäßmuskulatur durch Aktivierung elektrischer Kanäle. Die Relaxation erfolgt hierbei endothel-unabhängig. Die physiologische Wirkung ist direkt an den Gewebestoffwechsel gekoppelt. Vermittelt wird dieser Prozess über vaskuläre Carboanhydrasen. Dies begründet die Wirksamkeit klinischer Carboanhydrase-Hemmer bei Glaukomen, Höhenkrankheit und Herzinsuffizienz.

Experimenteller Versuchsaufbau und Kinetik-Messung

Der Unterarm der Probanden wird für einige Minuten in ein 32°C temperiertes Wasserbad gelegt. Nach der Bestimmung des Basalwerts erfolgt der Austausch gegen CO2-angereichertes Wasser. Mittels eines Kartuschensystems wird eine Konzentration von circa 4,2 Gramm CO₂ pro Liter eingestellt. Eine NIRS-Sonde am Unterarm detektiert die Konzentrationsänderungen in Echtzeit. Gemessen wird der Anstieg von oxygeniertem Hämoglobin HbO₂ und der Abfall von desoxygeniertem Hämoglobin HHb. Als Surrogat-Parameter für die Vasodilatationskapazität dient die Time to Intersection (TTI). Dies definiert die Zeitspanne bis zum Schnittpunkt beider Kurvenverläufe. Je kürzer die TTI, desto schneller steigt der HbO₂-Anteil an und desto besser ist die Gefäßerweiterung. Bei Gefäßerkrankungen ist die TTI deutlich verlängert“, erklärt Prof. Dr. Baba.

Präsymptomatische Diagnostik vaskulärer Schäden

Probanden mit kardiovaskulären Risikofaktoren zeigen in der Studie eine signifikant verlängerte TTI. Zu diesen Faktoren zählen Nikotinkonsum, Hypertonie, Diabetes und Hypercholesterinämie. Auch Patienten mit peripherer arterieller Verschlusskrankheit oder koronarer Herzkrankheit weisen verzögerte Werte auf. „Die Geschwindigkeit, mit der die Gefäße auf CO2 reagieren, ist ein direkter Spiegel der Gesundheit des Gefäßsystems“, so Prof. Baba. „Ein verzögertes Ansprechen ist ein frühes Warnsignal – und zwar bevor Beschwerden auftreten und bevor klassische Verfahren Abweichungen zeigen.“

Validierung gegen den klinischen Goldstandard

Im direkten Vergleich mit der Flow-Mediated Dilation (FMD) erwies sich NIRS-CO2 als überlegen. Die FMD gilt als bisheriger klinischer Goldstandard der non-invasiven Gefäßdiagnostik. FMD evaluiert ausschließlich die endotheliale Funktion. NIRS-CO2 erfasst zusätzlich die myogene Funktion der glatten Muskelzellen. Diese myogene Komponente ist bei Hypertonie, Herzinsuffizienz und pulmonaler Hypertonie oft pathologisch verändert. Sie war bisher non-invasiv nicht quantifizierbar.„Wir sehen in NIRS-CO2 ein besonders vielversprechendes Werkzeug für die Früherkennung von Gefäßschäden bei Diabetes und Autoimmunerkrankungen, zwei Erkrankungsbildern, bei denen sowohl das Endothel als auch die glatte Muskelschicht betroffen sind“, so Prof. Baba.

Quelle

Universität Duisburg-Essen (07/2026)