Leistungsdiagnostik beim Post-COVID-19-Syndrom: Objektive Krankheitskriterien

Das Post-COVID-Syndrom (PCS) ist eine schwerwiegende Erkrankung, die länger als zwölf Wochen nach einer akuten SARS-CoV-2-Infektion andauert und mit einer Vielzahl von zum Teil nur schwer objektivierbaren Symptomen einhergeht [1]. Dazu zählen unter anderem Erschöpfung (Fatigue) mit verminderter körperlicher und mentaler Belastbarkeit, ein Hyperventilationssyndrom (HVS), ein posturales Orthostase-Tachykardie-Syndrom (POTS), anhaltende Schmerzen und Krankheitsgefühl nach Belastung (Post exertional malaise, PEM) sowie eine kognitive Dysfunktion (Brain Fog) [2].

PCS gehört zum großen Komplex der post-akuten Infektionssyndrome, die vor allem nach viralen, aber auch nach einigen bakteriellen und parasitären Erkrankungen auftreten [3]. Als Ursache wird eine Kombination von Organschädigung durch den Erreger und fehlgeleiteter Immunreaktion des Wirtsorganismus vermutet [1], doch im Detail sind die physiologischen und biochemischen Pathomechanismen noch Gegenstand der Forschung.

In diesem Beitrag werden Befunde der Laktatleistungsdiagnostik und der Spiro­ergometrie bei einem PCS-Fall vorgestellt. Mit beiden Verfahren kann zunächst die kardiopulmonale Leistungsfähigkeit anhand objektiver Messwerte wie der maximalen Sauerstoffaufnahmerate (VO2 max) und der Leistung an der individuellen anaeroben Schwelle bestimmt werden. Veränderungen der Laktat- und Atemgaskonzentrationen sowie der Ventilation bei ansteigender körperlicher Belastung lassen ferner genaue Rückschlüsse auf die Integrität der Atmung, des Gasaustausches, des Herz-Kreislauf-Systems und der Sauerstoffextraktion auf muskulärer Ebene zu. Hierdurch kann die Ursache einer erniedrigten körperlichen Leistungsfähigkeit einem Organsystem oder einem Pathomechanismus genauer zugeordnet werden.

Die hier beschriebene spiroergometrische Untersuchung ist zurzeit die einzige Möglichkeit, eine Einschränkung der körperlichen Leistungsfähigkeit bei PCS zu objektivieren. Wir möchten mit unserem Beitrag vor allem zeigen, wie man damit für Betroffene und Akteure im Gesundheits- und Rentensystem den Schweregrad bei PCS anhand objektiver pathophysiologischer Befunde sichern und die vielfältigen Symp­tome auf pathophysiologischer Basis vollumfänglich erklären kann.

Unsere Ergebnisse stehen der Annahme entgegen, dass die von den Betroffenen geäußerten Beschwerden rein psychopathologischer Natur seien. Um PCS in Zukunft besser zu therapieren, müssen die bisher üblichen Rehabilitationsverfahren grundlegend überarbeitet werden. Voraussetzung dafür ist, dass sich die Diagnostik vorrangig an internationalen Standards zur Feststellung der Arbeitsfähigkeit [4, 5] orientiert.

Fallbericht und Therapieaufbau

Im Folgenden werden die Ergebnisse der Eingangsuntersuchung und einer Kontrolle nach der Therapie bei einer PCS-Patientin verglichen, die in der Ambulanz der Abteilung Sportmedizin (JGU Mainz) betreut wurde. Die 45-Jährige litt seit Januar 2021 nach einer COVID-19-Erkrankung vorrangig an verminderter körperlicher Belastbarkeit in Verbindung mit Hyperventilation und Tachykardie sowie daran anknüpfend starker Erschöpfung, Muskelschmerzen, kognitiven Einschränkungen, Parästhesien, Wahrnehmungsstörungen und vegetativen Störungen. Ausführliche internistische, insbesondere kardiologische und pneumologische Untersuchungen im Ruhezustand zeigten normwertige Befunde. Auch neurologische, ophthalmologische und neuropsychologische Untersuchungen lieferten weder Erklärungen für die Symptome noch adäquate Therapieansätze.

Die Erstvorstellung der Patientin fand Anfang Juni 2022, die Kontrolle im August 2023 statt. Beide Male wurde eine vollumfängliche klinische Untersuchung, sportmedizinische Leistungsdiagnostik und therapeutische Beratung durchgeführt. Die Initialtherapie (in den ersten sechs Monaten) bestand aus einem täglichen Atemtraining zur Verbesserung der Kohlenstoffdioxid(CO2)-Toleranz und einer Bewältigungsstrategie für den Alltag, bekannt als PACING. Nach sechs Monaten begann eine online-geleitete Trainingstherapie im häuslichen Umfeld. Hierbei wurde dreimal pro Woche ein Ausdauertraining in Form eines Kurzintervalltrainings durchgeführt.

Unsere sportmedizinische Leistungsdiagnostik folgt den aktuellen Richtlinien des American College of Sports Medicine [6] und umfasst Fahrradergometrie mit Laktatleistungsdiagnostik, Belastungs-EKG und Spiroergometrie. Die Belastungssteigerung während der Fahrradergometrie basiert auf einem inkrementellen Stufenprotokoll. Die spiroergometrischen Daten (Atemzugvolumen, Atem­frequenz, O2-Auf­nahme und CO2-Abgabe) werden kontinuierlich mittels einer Atemzug-für-Atemzug-Analyse aufgezeichnet, die Herztätigkeit wird ebenso kontinuierlich mit einem 12-Kanal-EKG überwacht, und die Laktatkonzentration wird in Ruhe, am Ende jeder Stufe und nach drei Minuten Erholung aus dem Kapillarblut (Ohrläppchen) bestimmt. Die individuelle anaerobe Schwelle wird als sogenannte zweite Laktat-Schwelle (LT2) definiert.

Therapieergebnisse

Abbildung 1 zeigt einen Vergleich der Leis­tung an der LT2 zwischen der Eingangs- und Kontrolluntersuchung (14 Monate Therapie).

Vor der Therapie hatte die Patientin bereits zu Testbeginn einen leicht erhöhten Laktatwert von 2,3 mmol/l. Dieser stieg schon bei geringer Belastung rapide an, sodass die Untersuchung bei objektiver und subjektiver Ausbelastung bei 55 Watt (38 % des Soll-Werts) beendet werden musste (obere Kurve). Für vergleichbare gesunde Personen liegt der maximale Erwartungswert bei 120 Watt.

Die LT2 wurde mit 45,3 Watt bei 3,1 mmol/l Laktat festgelegt. Da allein schon eine normale Gehbelastung auf der Ebene rund 50 Watt erfordert, ist davon auszugehen, dass bei dieser Patientin die Laktaktspiegel unter Alltagsbedingungen im pathologischen Bereich lagen, was für eine unzureichende Sauerstoffversorgung der arbeitenden Muskulatur spricht. Nach der Therapie war die maximale Leistung auf 78 Watt gestiegen, was 70 % des Soll-Werts entsprach, und auch die Leistung an der LT2 hatte sich mit 56,5 Watt deutlich verbessert.

Abbildung 2 zeigt die Ergebnisse der atemphysiologischen Untersuchung vor und nach Therapie.

Die Atemökonomie, ausgedrückt durch den VE/VCO2-Slope (links), war bei der Eingangsuntersuchung mit einem Wert von über 45 so stark beeinträchtigt, dass ein Hyperventilations­syndrom Grad 4 diagnostiziert wurde. Nach der Therapie sank dieser Wert auf weniger als 36, was einem Grad 1 entspricht.

Hohe PETO2-Werte (> 100 mmHg) in der Eingangsuntersuchung sind ein Hinweis auf eine Hyperoxie, also auf eine Überversorgung des Körpers oder einzelner Körpersegmente mit Sauerstoff, und pathologisch niedrige PETCO2-Werte (< 35 mmHg) sprechen für eine Hypokapnie und damit für eine ventilatorische Alkalose. Diese wird durch die erhöhten Laktatwerte (Abb. 1) und die damit verbundene Säuerung in Ruhe und unter Belastung metabolisch zumindest teilkompensiert. In Übereinstimmung mit der Verbesserung der Atemökonomie wurde zum zweiten Untersuchungstermin eine starke Verbesserung des Gasaustauschs beobachtet (Abb. 2 rechts). Dieser Befund ging mit einer Verbesserung der subjektiven kognitiven Leistung einher.

Die maximale Sauerstoffaufnahme stieg zwischen den beiden Untersuchungszeitpunkten von 11,3 auf 19,4 ml/min/kg Körpergewicht (KG). Diese ökonomische Atemarbeit zog deutlich niedrigere Laktatspiegel und damit eine verminderte metabolische Säuerung nach sich.

All dies steht allerdings im Kontrast zu einem anhaltend pathologisch zu niedrigen maximalen Sauerstoffpuls (O2-Puls), der sich mit 7,44 versus 7,16 ml pro Herzschlag unter der Therapie nicht verbesserte. Ausgerechnet dieser Messwert steht als wichtigster Anhaltspunkt für den kausalen patho­physiologischen Mechanismus der Erkrankung, nämlich für eine verminderte O2-Extraktion ins Gewebe. Eine solche löst dann über afferente Bahnen eine überschießende Atem- und Herztätigkeit aus. Daraus ziehen wir den Schluss, dass unsere Kurz­intervall-Trainingsmethode zwar über periphere Anpassungsmechanismen die Symptome linderte und die Leistungs­fähigkeit steigerte, dass sie aber den zugrunde liegenden Pathomechanismus nicht erfolgreich durchbrechen konnte. In Anbetracht der Tatsache, dass sowohl der O2-Puls als auch die maximale Sauerstoffaufnahme mit 40 % bzw. 70 % weiterhin Werte unterhalb der Norm lagen, ist eine anhaltende körperliche Dekonditionierung der Patientin diagnostisch gesichert, die auf eine mangelnde Sauerstoffextraktion durch das Muskelgewebe und höchst wahrscheinlich auch durch das Gehirn und andere Gewebe zurückzuführen ist. Diese Annahme soll im Folgenden diskutiert werden.

Diskussion

Aufgrund unserer an mehr als 150 Personen in weit über 400 Untersuchungen gewonnenen Erfahrungen ist der hier vorgestellte Fall typisch für ein schweres PCS. Als Hauptbefund findet sich schon bei leichter körperlicher Last ein durch mangelnde O2-Extraktion in das Gewebe entstandenes Energiedefizit, das zu einer objektivierbaren Arbeitsunfähigkeit nach international anerkannten Kriterien führt [4]. Betroffene schildern eindrücklich, dass sie genau diesen Energiemangel als das Hauptproblem ihrer Erkrankung in muskulärer wie auch kognitiver Hinsicht empfinden. Bis zum Beweis des Gegenteils gehen wir deshalb davon aus, dass das Phänomen der unzureichenden Sauerstoffausschöpfung auch im Gehirn und den inneren Organen zu beobachten ist.

Die bei der Patientin erhobenen atem­physiologischen Messwerte sprechen für eine monatelange, schrittweise fortschreitende Entgleisung der kardiopulmonalen Regulation als Folge einer mangelnden O2-Extraktion in das Gewebe. Auch bei Gesunden können unter willentlicher Hyperventilation fast alle Hauptsymptome der PCS wie etwa Brain Fog, einseitige Schmerzen, Parästhesien, Schwindel, Wahrnehmungsstörungen und orthostatische Beschwerden erzeugt werden, aber die hier erhobenen Extremwerte der atemphysiologischen Untersuchung würden bei Gesunden zur Bewusstlosigkeit führen.

Unsere Beobachtungen führen zu der klaren Empfehlung, Rehabilitierungsversuche zur Wiedereingliederung ins Arbeitsleben anders als bisher üblich zu gestalten. Die scheinbare Gesundheit im Ruhezustand verleitet dazu, die Betroffenen physisch und kognitiv zu überlasten. Durch unsere fein abgestuften und individuell angepassten Maßnahmen, die die ventilatorisch-metabolische Entgleisung bei leichter Belas­tung berücksichtigt, erzielten wir die in Abbildung 2 aufgezeigte Verbesserung der autonomen Regulation des Atemantriebs und damit der körperlichen Belastbarkeit. Dieser Erfolg darf aber nicht darüber hinwegtäuschen, dass nach wie vor eine unzureichende O2-Extraktion in das Gewebe als Haupt­pathologie fortbestand.

Unsere hier skizzierten Annahmen stehen im Einklang mit aktuell diskutierten Pathomechanismen der COVID-19-Erkrankung, die sich in eine direkte Schädigung durch das Virus selbst und eine fehlgeleitete Immunreaktion des Wirtsorganismus einteilen lassen [1]. Autoantikörper gegen G-Protein-gekoppelte Rezeptoren können sowohl zur Hemmung als auch zur Verstärkung adrenerger Signale führen und so inhomogene Blutflussraten mit unangepasster lokaler Sauerstoffversorgung hervorrufen.

Diese kann aber auch durch eine anhaltende Schädigung der glatten Muskulatur in den Arteriolen oder des Kapillar­endothels durch das Virus sowie durch anhaltende Sauerstoffmangelversorgung des Gefäßbetts zustande kommen. Gegen eine rein viral ausgelöste „Schädigungs­hypothese“ spricht, dass den meisten schweren PCS-Fällen eher leichte Akutverläufe vorausgingen.

Als weitere Ursache der Mikrozirkulations- und O2-Extraktionsstörung sind thromboinflammatorische Prozesse im Kapillarbett zu diskutieren, die labor­diagnostisch beispielsweise durch erhöhte D-Dimere und Interleukinspiegel erfasst werden. Die dadurch ausgelöste Mikrothrombosierung bei COVID-19 führt zu einer weiteren Verschlechterung des Gasaustauschs an der Gefäßwand.

Schlussendlich kann sich auch eine Reduktion der oxidativen Kapazität in den Mitochondrien kritisch auf die O2-Extraktion auswirken, wenngleich unsere Pathophysiologie eher für eine primäre Mikrozirkulationsstörung spricht. Die andauernde Mangelversorgung mit Sauerstoff könnte die Mitochondrien über noch unbekannte Mechanismen dazu bewegen, ihre oxidative Kapazität zu verringern.

Schlussfolgerungen und Ausblick

Unsere Untersuchungen kennzeichnen PCS als eine primär physische und keinesfalls psychische Erkrankung. Es besteht lediglich eine Pseudoorgangesundheit, die vor allem daraus resultiert, dass die üblichen internistischen, neurologischen und psychologischen Untersuchungen in Ruhe durchgeführt werden und dass auch keine kardialen oder pulmonalen Dysfunktionen vorliegen, die mit dem Belastungs-EKG und der klassischen Lungenfunktionsprüfung objektiviert werden könnten.

Erst wenn man die hier geschilderte Laktatleistungsdiagnostik und Spiroergometrie in das Untersuchungsspektrum einbezieht, erkennt man eine hypoxiebedingte Störung der lokalen Energieversorgung unter Alltagsbedingungen, die bei den Betroffenen zur Dauererschöpfung und je nach Belastung auch zu Dauerschmerzen führt. Letztlich könnte die „Energielosigkeit“ ein Schutzmechanismus sein, der schwere hypoxische Organschäden zu verhindern hilft.

Offensichtlich ist eine rein organbezogene Medizin ohne Funktionstests nicht geeignet, die Pathologie des Post-COVID-Syndroms zu erkennen und erfolgreich zu therapieren. Einige klassische Marker für Entzündungen und Organschäden weisen zwar ab und an leichte bis mäßige Ausschläge in den pathologischen Bereich auf, doch dies sehen wir eher als logische Konsequenz des hier aufgezeigten Pathomechanismus an. Die gelegentlich auffälligen Werte von D-Dimeren, Cystatin C, hsCRP, HBA1c, Leberenzymen usw. müssen beim PCS keineswegs ursächliche Bedeutung haben; sie könnten vielmehr Indikatoren der Über­lastung bestimmter Organsysteme sein, die von den Betroffenen in Kauf genommen werden, um den an sie gestellten Anforderungen gerecht zu werden.

Aufgrund der Wechselhaftigkeit der Befunde liegt der Impuls nahe zu glauben, dass es unterschiedliche Formen von PCS geben müsse. Wir gehen aber bis zum Beweis des Gegenteils davon aus, dass sich die meisten Symptome auf den von uns postulierten Pathomechanismus einer gestörten Sauerstoffextraktion in belasteten Geweben zurückführen lassen. Bei anhaltender Missachtung der ernsten Symptome ist allerdings mit vielfältigen Organschädigungen zu rechnen, die dann durchaus zu einem bunten Krankheitsbild führen und mit klassischen Testverfahren objektivierbar sind.

Aktuell gängige neuropsychologische und körperliche Rehabilitationsmaßnahmen, sofern sie intensive kognitive und physische Dauerbelastungen beinhalten, sind kontraindiziert. PCS erfordert grundsätzlich neue Therapiekonzepte, vorrangig im häuslichen Umfeld der Betroffenen, die sich diagnostisch und therapeutisch an der mangelnden O2-Extraktion im Gewebe und allen resultierenden Folgen ausrichten.

Ausführliche Besprechung der spiroergometrischen Befunde

Im Folgenden finden Sie weitere Informationen zum Aufbau der 9-Felder-Wassermann-Grafik in Anlehnung an diesen Artikel sowie weiterführende Links zu den Forschungsarbeiten der Abteilung Sportmedizin der JGU Mainz, zum Thema Post-COVID-19-Syndrom (PCS) und zur medizinischen Trainingstherapie.

1. Evaluation der Wirksamkeit von Telerehabilitation bei Patient:innen mit Post-COVID-19 Syndrom (PCS)

Eine Studie der Abteilung Sportmedizin Mainz in Kooperation mit der Berufsgenossenschaft für Wohlfahrtspflege und Gesundheitsdienst (s. Studien-Flyer als PDF).

Die Studie finden Sie auch beim Deutschen Register Klinischer Studien (DRKS): https://www.drks.de/DRKS00032394 sowie WHO Register Klinischer Studien: URL: https://trialsearch.who.int.

2. Dieses und viele weitere aktuelle Forschungsprojekte der Abt. Sportmedizin JGU Mainz finden Sie unter:

Forschung | Sportmedizin, Prävention und Rehabilitation (uni-mainz.de)

3. Mehr zum Thema Post-COVID-19 Syndrom (PCS) und Atem- und med. Trainingstherapie finden Sie hier:

https://youtu.be/9NoOtxNyEPQ

https://youtu.be/FwAlG6zg0jQ

Spiroergometrischer Befund (9-Felder-Grafik nach Wassermann)

Die Abbildung 3 zeigt die grafische Auswertung einer typischen spiroergometrischen Untersuchung am Beispiel der in diesem Artikel vorgestellten Patientin. Dabei repräsentieren die Felder 2 und 3 (von links nach rechts) in erster Linie die kardiovaskuläre Funktion, während die Felder 6 und 9 den Gasaustausch darstellen. Feld 4 wird sowohl von der Ventilation als auch vom Herz-Kreislauf-System beeinflusst. Die mit roten Kreisen hervorgehobenen Felder sind wesentlich für die leistungsphysiologische Charakterisierung des PCS. Im Feld 2 liegt der Sauerstoffpuls (O2-Puls = VO2/Hf) durchgängig weit unter der leicht blau gestrichelten unteren Normwertgrenze. Dieser Wert gibt an, wieviel O2-Extraktion ins Gewebe und nachfolgende Verstoffwechselung im Gewebe pro Herzschlag erreicht wird. Diese steht im Einklang mit einer Hyperventilation (VE/VCO2-Slope im Feld 4 sowie EQO2 und EQCO2 in Feld 6) und resultierend erhöhtem oxidativem Stress in der Lunge (PETO2-Erhöhung in Feld 9), sowie mit einer entsprechenden durch Hyperventilation induzierten, ventilatorischen Alkalose (erniedrigter PETCO2 Feld 9). In der Folge ist der zentrale Parameter der kardiopulmonalen Leistungsfähigkeit, die maximale Sauerstoffaufnahmerate (VO2max), stark reduziert und es ist keine Arbeitsfähigkeit nach internationalen Richtlinien [6] gegeben (Feld 3).