Flüssigkeit atmen wie in The Abyss: Ist das wirklich möglich?

1. Eine Flüssigkeit, in der Säugetiere atmen können
2. Das eigentliche Problem ist nicht nur der Sauerstoff
3. Perfluorcarbon wurde tatsächlich bei Patienten eingesetzt
4. Was hat das mit einer Dialyse zu tun?
5. Flüssigkeitsbeatmung und ECMO wurden bereits kombiniert
6. Warum Flüssigkeit für extreme Tiefen interessant ist
7. Eine künstliche Lunge müsste deutlich kleiner werden
8. Wie ein realistischer Nachfolger der „Abyss“-Technik aussehen könnte
9. Wie nah lag „The Abyss“ an der Wirklichkeit?

In James Camerons Science-Fiction-Klassiker „The Abyss“ atmet ein Mensch in extremer Tiefe keine Luft mehr, sondern eine sauerstoffhaltige Flüssigkeit. Was nach reiner Filmfantasie klingt, basiert auf realer Forschung. Tiere haben solche Flüssigkeiten tatsächlich geatmet, Primaten wurden damit beatmet und selbst beim Menschen wurden Perfluorcarbone in klinischen Studien eingesetzt. Besonders interessant wird das Konzept, wenn man Flüssigkeitsatmung mit einer modernen künstlichen Lunge kombiniert. Denn möglicherweise müsste ein Mensch die Flüssigkeit dann gar nicht mehr im eigentlichen Sinne „atmen“.

Es gehört zu den Szenen, an die sich viele Zuschauer von The Abyss bis heute erinnern. Der Tiefseetaucher Bud Brigman soll in eine Tiefe hinabsteigen, in der gewöhnliche Atemgasgemische zunehmend problematisch werden. Sein Helm wird deshalb vollständig mit einer Flüssigkeit gefüllt, die so viel Sauerstoff enthält, dass seine Lunge weiterhin arbeiten kann.

James Cameron hatte sich diese Idee nicht einfach ausgedacht. Flüssigkeitsatmung wurde zu diesem Zeitpunkt bereits seit Jahrzehnten wissenschaftlich untersucht. Für die bekannte Szene mit einer Ratte verwendete das Filmteam tatsächlich eine sauerstoffhaltige Fluorcarbon-Flüssigkeit. Das Tier atmete die Flüssigkeit während der Aufnahme. Für die Szenen mit Ed Harris wurde dagegen mit filmischen Tricks gearbeitet; der Schauspieler selbst atmete keine Flüssigkeit. Die wissenschaftliche Grundlage dahinter ist allerdings real und reicht wesentlich weiter zurück als der Film.

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Eine Flüssigkeit, in der Säugetiere atmen können

Normales Wasser eignet sich dafür nicht. Zwar enthält Wasser gelösten Sauerstoff, doch die darin verfügbare Menge reicht für die Lunge eines Menschen nicht aus. Unsere Atemorgane sind außerdem darauf ausgelegt, Sauerstoff aus einem Gasgemisch aufzunehmen und Kohlendioxid wieder an dieses Gas abzugeben. Anders sieht es bei bestimmten Perfluorcarbonen, kurz PFC, aus. Dabei handelt es sich um chemisch sehr stabile Verbindungen, die ungewöhnlich große Mengen verschiedener Gase lösen können. Dazu gehören sowohl Sauerstoff als auch Kohlendioxid. Bereits 1966 veröffentlichten die Forscher Leland Clark und Frank Gollan im Fachjournal Science Experimente, bei denen Säugetiere mit sauerstoffgesättigten Fluorcarbon-Flüssigkeiten beatmet wurden. Die Versuche zeigten, dass ein funktionierender Gasaustausch grundsätzlich auch dann möglich ist, wenn sich statt Luft eine geeignete Flüssigkeit in der Lunge befindet.

Für die Physiologie war das eine bemerkenswerte Erkenntnis. Die Lunge ist nicht zwangsläufig darauf angewiesen, dass sich gasförmige Luft in den Lungenbläschen befindet. Entscheidend ist vielmehr, dass an der Grenzfläche zwischen Alveolen und Blut ausreichend Sauerstoff zur Verfügung steht und das entstehende Kohlendioxid abgeführt werden kann. 1976 folgten Versuche mit Primaten. Drei erwachsene Tiere wurden mehrfach über jeweils etwa eine Stunde mit einer Fluorcarbon-Flüssigkeit beatmet. Die Blutgaswerte konnten während dieser Zeit in einem lebensfähigen Bereich gehalten werden, anschließend wechselten die Tiere wieder zurück zur normalen Luftatmung.

Die Versuche zeigten allerdings auch Probleme. Jahre später ließen sich noch Rückstände des verwendeten Fluorcarbons in Geweben sowie insbesondere in Lunge und Lymphsystem nachweisen. Schon früh wurde damit deutlich, dass eine grundsätzlich funktionierende Flüssigkeitsatmung noch lange keine unkomplizierte oder risikofreie Technik darstellt.

Das eigentliche Problem ist nicht nur der Sauerstoff

Auf den ersten Blick scheint die entscheidende Frage zu sein, ob eine Flüssigkeit genügend Sauerstoff transportieren kann. Bei geeigneten Perfluorcarbonen lässt sich dieses Problem zumindest technisch teilweise lösen. Schwieriger wird es bei der Mechanik der Atmung und bei der Entfernung von Kohlendioxid. Luft besitzt eine sehr geringe Dichte und lässt sich mit vergleichsweise wenig Kraft durch die Atemwege bewegen. Perfluorcarbon ist dagegen wesentlich dichter und viskoser. Eine solche Flüssigkeit durch Bronchien und kleinere Atemwege hinein- und hinauszubewegen erfordert erheblich mehr Arbeit.

Gleichzeitig produziert der menschliche Stoffwechsel permanent Kohlendioxid. Dieses CO? muss zuverlässig aus dem Blut entfernt werden. Steigt seine Konzentration zu stark an, sinkt der pH-Wert des Blutes. Es entsteht eine respiratorische Azidose, die innerhalb kurzer Zeit gefährlich werden kann. Das ist einer der Gründe, warum das im Film gezeigte Prinzip für einen Menschen schwierig wäre. Selbst wenn die Flüssigkeit genügend Sauerstoff enthält, muss sie ausreichend schnell bewegt werden, damit Kohlendioxid aus der Lunge herausgelangt. Forscher entwickelten deshalb unterschiedliche Formen der Flüssigkeitsbeatmung. Bei der Total Liquid Ventilation wird die Lunge vollständig mit einer geeigneten Flüssigkeit gefüllt. Spezielle Maschinen übernehmen anschließend das Ein- und Auspumpen definierter Flüssigkeitsmengen. Bei der Partial Liquid Ventilation wird dagegen nur ein Teil der Lunge mit Perfluorcarbon gefüllt, während weiterhin mit einem normalen Gasgemisch beatmet wird. Gerade die partielle Flüssigkeitsbeatmung wurde später auch bei Menschen untersucht.

Perfluorcarbon wurde tatsächlich bei Patienten eingesetzt

In den 1990er-Jahren galt die partielle Flüssigkeitsbeatmung zeitweise als vielversprechende Therapie für schwer geschädigte Lungen. Besonders Patienten mit akutem Atemnotsyndrom, dem sogenannten ARDS, standen im Mittelpunkt der Forschung. Die Idee war nachvollziehbar: Perfluorcarbon besitzt eine sehr niedrige Oberflächenspannung und kann in schlecht belüftete oder teilweise kollabierte Bereiche der Lunge gelangen. Dadurch hofften Forscher, bestimmte Lungenabschnitte wieder besser für den Gasaustausch nutzbar zu machen. 1994 wurde Perflubron beispielsweise bei zehn erwachsenen Patienten mit schwerem akutem Lungenversagen eingesetzt. Diese Patienten wurden bereits durch ein extrakorporales Unterstützungssystem versorgt. Während der Flüssigkeitsbeatmung verbesserten sich einige physiologische Messwerte, darunter Parameter des pulmonalen Gasaustausches.

Auch spätere kleinere Studien lieferten zunächst interessante Ergebnisse. Als größere kontrollierte Untersuchungen folgten, zeigte sich jedoch ein deutlich nüchterneres Bild. In einer Studie mit mehr als 300 ARDS-Patienten brachte die partielle Flüssigkeitsbeatmung keinen klinischen Vorteil gegenüber der konventionellen Beatmung. Gleichzeitig traten bei den behandelten Patienten teilweise häufiger Komplikationen wie Pneumothorax, Sauerstoffabfälle oder niedriger Blutdruck auf.

Eine spätere Cochrane-Auswertung kam ebenfalls zu dem Ergebnis, dass sich kein überzeugender Vorteil hinsichtlich Sterblichkeit oder Beatmungsdauer nachweisen ließ. Die Flüssigkeitsbeatmung verschwand deshalb weitgehend aus der klinischen Routineforschung. Das bedeutet allerdings nicht, dass das physikalische Prinzip falsch wäre. Die Versuche zeigten vielmehr, dass eine Technik, die unter kontrollierten experimentellen Bedingungen funktioniert, nicht automatisch eine bessere Therapie für schwer kranke Patienten darstellt.

Was hat das mit einer Dialyse zu tun?

An diesem Punkt wird eine andere Medizintechnik interessant. Die ursprüngliche Aufgabe der Lunge besteht aus zwei zentralen Vorgängen: Sauerstoff muss ins Blut gelangen und Kohlendioxid muss wieder heraus. Diese Funktionen lassen sich grundsätzlich auch außerhalb des Körpers durchführen. Genau das geschieht bei der extrakorporalen Membranoxygenierung, kurz ECMO. Blut wird dabei über große Gefäßzugänge aus dem Körper geleitet und durch einen Membranoxygenator geführt. Dort gelangt Sauerstoff in das Blut, während Kohlendioxid entfernt wird. Anschließend wird das Blut zurück in den Kreislauf gepumpt.

Das Prinzip erinnert tatsächlich an eine Dialyse. Während eine Dialyse bestimmte Stoffwechselprodukte und überschüssiges Wasser aus dem Blut entfernt, übernimmt ECMO einen Teil des Gasaustausches der Lunge. Noch näher an diesem Vergleich liegen Verfahren zur extrakorporalen CO?-Entfernung, kurz ECCO?R. Sie konzentrieren sich vor allem darauf, Kohlendioxid direkt aus dem Blut zu entfernen. In der Forschung wird deshalb gelegentlich sogar von einer Art „respiratory dialysis“ gesprochen.

Für Flüssigkeitsatmung ergibt sich daraus eine interessante technische Überlegung. Vielleicht müsste eine mit Flüssigkeit gefüllte Lunge gar nicht mehr den vollständigen Sauerstoff- und Kohlendioxidaustausch übernehmen. Die beiden Aufgaben ließen sich voneinander trennen. Die Flüssigkeit könnte vor allem dazu dienen, die Lunge unter hohem Umgebungsdruck in einem definierten Zustand zu halten. Die eigentliche Versorgung des Körpers mit Sauerstoff und die Entfernung des Kohlendioxids könnte gleichzeitig über einen extrakorporalen Kreislauf erfolgen. Damit würde eines der größten Probleme der klassischen Flüssigkeitsatmung entschärft: Die schwere Flüssigkeit müsste nicht mehr permanent mit hoher Geschwindigkeit ein- und ausgeatmet werden.

Flüssigkeitsbeatmung und ECMO wurden bereits kombiniert

Auch diese Kombination ist nicht völlig theoretisch. In einem Tierexperiment untersuchten Forscher Flüssigkeitsbeatmung gemeinsam mit ECMO bei jungen Schafen, deren Lungen zuvor experimentell schwer geschädigt worden waren. Nachdem die Tiere an eine ECMO angeschlossen worden waren, erhielt eine Gruppe eine konventionelle Beatmung, während eine zweite zusätzlich mit Perflubron behandelt wurde. Nach einigen Stunden zeigten sich in der Flüssigkeitsbeatmungsgruppe Verbesserungen verschiedener Lungenparameter. Unter anderem wurde eine bessere Lungencompliance gemessen. Außerdem konnte der benötigte ECMO-Blutfluss reduziert werden, während die gewünschte Sauerstoffversorgung erhalten blieb.

Das Experiment hatte nichts mit Tiefseetauchen zu tun und lässt sich nicht einfach auf einen gesunden Menschen übertragen. Es zeigt aber, dass Flüssigkeit in der Lunge und extrakorporaler Gasaustausch technisch miteinander kombinierbar sind. Für ein hypothetisches Tiefseesystem wäre genau diese Trennung interessant. Ein zukünftiger Taucher müsste dann möglicherweise nicht versuchen, literweise Perfluorcarbon mit seiner eigenen Atemmuskulatur zu bewegen. Stattdessen könnte eine Maschine den Kreislauf und die Blutgase kontrollieren, während die Lunge mit einer weitgehend inkompressiblen Flüssigkeit gefüllt bleibt.

Warum Flüssigkeit für extreme Tiefen interessant ist

Der Umgebungsdruck steigt im Wasser ungefähr um ein Bar pro zehn Meter Tiefe. Bei gewöhnlichem Tauchen muss das Atemgas deshalb unter entsprechend höherem Druck bereitgestellt werden. Gase verändern ihr Volumen unter Druck erheblich. Flüssigkeiten sind dagegen nur sehr gering kompressibel. Eine mit Flüssigkeit gefüllte Lunge besitzt deshalb andere mechanische Eigenschaften als eine luftgefüllte Lunge. Genau aus diesem Grund wird Flüssigkeitsatmung seit Jahrzehnten immer wieder im Zusammenhang mit extremem Tiefseetauchen diskutiert.

Das bedeutet allerdings keineswegs, dass damit sämtliche Druckprobleme des menschlichen Körpers verschwinden würden. Mittelohr, Nebenhöhlen und andere Hohlräume müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Auch das Nervensystem selbst reagiert auf extremen hydrostatischen Druck. Bei sehr großen Tauchtiefen kann beispielsweise das High-Pressure Nervous Syndrome, kurz HPNS, auftreten. Zu den beschriebenen Symptomen gehören Tremor, motorische Störungen und Beeinträchtigungen kognitiver Funktionen. Auch moderne Übersichtsarbeiten betrachten dieses Syndrom weiterhin als eine wichtige Grenze des menschlichen Tieftauchens.

Hinzu kommen Fragen der Dekompression, der Temperaturregulation, des Kreislaufs und der Wirkung hoher Drücke auf zahlreiche biologische Prozesse. Eine flüssigkeitsgefüllte Lunge würde also nur einen Teil eines sehr viel größeren physiologischen Problems lösen.

Eine künstliche Lunge müsste deutlich kleiner werden

Auch ECMO selbst ist derzeit weit davon entfernt, Teil eines tragbaren Tiefseesystems zu sein. Moderne ECMO-Anlagen werden überwiegend auf Intensivstationen eingesetzt. Sie benötigen Pumpen, einen Membranoxygenator, große Gefäßkanülen, Sensoren und eine sehr genaue Kontrolle der Blutgerinnung. Die Technik bringt erhebliche Risiken mit sich. Dazu gehören Blutungen, Blutgerinnsel, Infektionen und Schäden an Blutbestandteilen. Für einen gesunden Taucher wäre ein heutiges ECMO-System deshalb keine realistische Option. Die Forschung arbeitet jedoch seit Jahren an kompakteren extrakorporalen Unterstützungssystemen. Besonders im Bereich der CO?-Entfernung gibt es Ansätze mit kleineren Membranflächen, effizienteren Materialien und geringeren Blutflüssen.

Für ein tatsächliches Tiefseesystem müsste daraus irgendwann etwas entstehen, das wesentlich näher an einem künstlichen Organ als an einer heutigen Intensivstationsmaschine liegt. Es müsste klein, zuverlässig, druckfest und über lange Zeit sicher betreibbar sein. Gleichzeitig müsste es Sauerstoffversorgung, Kohlendioxidabtransport, Blutfluss und Gerinnung automatisch kontrollieren. Das ist gegenwärtig noch Zukunftsmusik.

Wie ein realistischer Nachfolger der „Abyss“-Technik aussehen könnte

Wenn man ausschließlich von bereits bekannten physiologischen Prinzipien ausgeht, könnte ein solches System anders funktionieren als im Film. Die Lunge würde zunächst kontrolliert mit einem geeigneten Perfluorcarbon gefüllt. Eine Maschine könnte Druck und Flüssigkeitsvolumen regulieren, ohne dass der Taucher die Flüssigkeit selbst vollständig ein- und ausatmen muss. Gleichzeitig würde Blut über einen extrakorporalen Kreislauf durch einen kompakten Membranoxygenator geleitet. Der Sauerstoff käme damit nicht primär aus der Flüssigkeit in der Lunge, sondern direkt über das Blut. Das produzierte Kohlendioxid würde ebenfalls über den Membranoxygenator entfernt.

Die Flüssigkeit hätte dann eine andere Hauptfunktion als bei der klassischen Vorstellung der Flüssigkeitsatmung. Sie würde vor allem den gasgefüllten Raum in der Lunge ersetzen und damit deren Verhalten unter hohem Druck verändern. Ein solches System existiert derzeit nicht. Es wäre auch nicht automatisch eine Lösung für kilometerweite Tauchgänge, weil zahlreiche weitere biologische Grenzen bestehen. Die einzelnen Bestandteile dieser Idee sind allerdings keineswegs reine Science-Fiction. Perfluorcarbon-Flüssigkeitsbeatmung wurde experimentell demonstriert, ECMO wird täglich in der Intensivmedizin eingesetzt und beide Verfahren wurden bereits gemeinsam untersucht.

Wie nah lag „The Abyss“ an der Wirklichkeit?

James Cameron hat mit The Abyss eine Technologie populär gemacht, deren wissenschaftliche Grundlage erstaunlich real ist. Die Darstellung im Film vereinfacht das Problem erheblich, doch Flüssigkeitsatmung gehört nicht in dieselbe Kategorie wie Warp-Antriebe oder Teleportation. Säugetiere wurden erfolgreich mit sauerstoffhaltigen Fluorcarbonen beatmet. Primaten überstanden Flüssigkeitsbeatmung und wechselten anschließend zurück zur normalen Atmung. Perfluorcarbone wurden bei schwer kranken Menschen klinisch untersucht. Extrakorporale Systeme können heute Sauerstoff ins Blut bringen und Kohlendioxid entfernen, wenn die eigene Lunge dazu nicht mehr ausreichend in der Lage ist.

Was bislang fehlt, ist die Integration dieser Technologien in ein kompaktes und sicheres System für einen gesunden Menschen unter extremem Umgebungsdruck. Ob ein solches System eines Tages tatsächlich einen Taucher in Tiefen bringen könnte, die heute unerreichbar sind, lässt sich derzeit nicht seriös beantworten.

Die eigentliche wissenschaftliche Faszination liegt deshalb weniger darin, ob wir irgendwann genau die Atemflüssigkeit aus The Abyss nachbauen können. Interessanter ist die Frage, ob zukünftige Technik die Aufgaben der menschlichen Lunge so weit übernehmen könnte, dass das klassische Atmen in extremer Tiefe gar nicht mehr notwendig wäre.

Aus der Filmidee würde damit kein Mensch, der gelernt hat, Flüssigkeit wie Luft zu atmen. Es wäre vielmehr ein Mensch, dessen Lunge und Kreislauf für eine begrenzte Zeit von einem technischen System unterstützt werden. Genau darin liegt der Unterschied zwischen einer spektakulären Filmszene und einer zumindest physiologisch nachvollziehbaren Zukunftstechnologie.