Energieumsatz, Grundumsatz und Kalorimetrie

Ein 46-jähriger Mann liegt am fünften Tag nach einem Polytrauma beatmet auf der Intensivstation. Nach einer gewichtsbasierten Formel wurde sein Bedarf auf 2 400 kcal täglich geschätzt, und die Sondenkost läuft seit zwei Tagen in voller Menge. Der Blutzucker steigt, der Insulinbedarf nimmt zu, und bei unveränderter Beatmung klettert das endexspiratorische Kohlendioxid langsam nach oben; ein Spontanatmungsversuch scheitert an einer hohen Atemfrequenz. Eine indirekte Kalorimetrie ergibt einen gemessenen Umsatz von 1 750 kcal täglich und einen respiratorischen Quotienten von 1,08. Der Patient wurde über Tage um fast ein Drittel überernährt, hat den Überschuss an Kohlenhydraten zu Fett umgebaut und dabei zusätzliches Kohlendioxid gebildet, das er abatmen muss. Ein anderer Patient mit großflächiger Verbrennung verliert im selben Zeitraum trotz scheinbar ausreichender Zufuhr sichtbar Muskelmasse, weil sein tatsächlicher Umsatz weit über der Schätzung liegt.

Der Energieumsatz ist eine unsichtbare Größe: Kein Monitor zeigt ihn an, und dennoch bestimmt er, wie viel Sauerstoff ein Patient braucht, wie viel Kohlendioxid er abatmen muss, wie viel Wärme er bildet und wie viel Ernährung ihm nützt, statt ihm zu schaden. Schätzformeln, die aus Gewicht, Größe, Alter und Geschlecht rechnen, liegen beim einzelnen Intensivpatienten erheblich daneben; in einer systematischen Übersicht reichten die Abweichungen gegenüber dem gemessenen Umsatz bis 43 Prozent nach unten und 66 Prozent nach oben.¹ Diese Einheit führt vom Begriff des Grundumsatzes über die Brennwerte der Nährstoffe und den respiratorischen Quotienten zur Messung am Krankenbett. Die Energiegewinnung in der Zelle, also Atmungskette und Adenosintriphosphat, steht in der Kachel Homöostase und Zellfunktion im Unterkapitel Mitochondrien, ATP und Energieumsatz; die Ernährungsziele des kritisch Kranken stehen in der Kachel Stress, Hormone und metabolische Regulation im Unterkapitel Katabolismus und Ernährung beim kritisch Kranken.

Der Stoffwechsel überführt die chemische Energie der Nahrung in Adenosintriphosphat und Kreatinphosphat und nutzt diese für mechanische Arbeit, für Synthesen und für den Aufbau von Ionengradienten. Bei jeder dieser Umwandlungen wird Wärme frei, und weil ein ruhender Mensch kaum äußere mechanische Arbeit leistet, erscheint in Ruhe nahezu die gesamte umgesetzte Energie am Ende als Wärme. Auf diesem Satz beruht die direkte Kalorimetrie, und er erklärt, warum Energieumsatz und Wärmebildung in der Physiologie oft gleichgesetzt werden. Die Einheit der Energie ist das Joule; in der Ernährungsmedizin ist die Kilokalorie weiterhin üblich, und eine Kilokalorie entspricht 4,184 Kilojoule. Weil Umsatz eine Energie pro Zeit ist, lässt er sich auch als Leistung in Watt angeben: Ein Watt über einen Tag entspricht 86,4 Kilojoule.

Der Grundumsatz ist der Umsatz unter streng festgelegten Bedingungen: morgens, nüchtern, liegend in körperlicher und geistiger Ruhe, bei normaler Körpertemperatur und bei einer Umgebungstemperatur, die weder Wärmebildung noch Wärmeabgabe erzwingt. Er beträgt beim Erwachsenen grob gemittelt etwas mehr als 7 Megajoule täglich, also rund 80 Watt oder gut 1 600 kcal, und hängt von Geschlecht, Alter, Körpergröße und Körpergewicht ab, genauer von der fettfreien, stoffwechselaktiven Masse. Der Ruheumsatz wird unter weniger strengen Bedingungen gemessen, meist im Liegen nach einer Ruhepause, aber nicht zwingend morgens und nüchtern; er liegt deshalb etwas über dem Grundumsatz. Am Intensivbett wird immer der Ruheumsatz gemessen, und zwar unter den Bedingungen des Augenblicks, also mit Fieber, Sedierung, Beatmung und laufender Ernährung.

Zum Grundumsatz addieren sich drei Anteile. Der Leistungsumsatz ist der Mehrverbrauch durch körperliche Aktivität und der variabelste Posten: Leichte Arbeit hebt den Tagesbedarf auf etwa 11 Megajoule, berufliche Schwerstarbeit bei Männern auf etwa 20 Megajoule je 70 kg Körpergewicht. Die nahrungsinduzierte Thermogenese, früher spezifisch-dynamische Wirkung genannt, ist der Aufwand für Verdauung, Resorption und Speicherung der Nahrung; sie ist ein kleiner, aber messbarer Anteil und beim Eiweiß größer als bei Glucose. Hinzu kommt die thermoregulatorische Thermogenese durch Kältezittern und zitterfreie Wärmebildung, die in Ruhe und bei behaglicher Temperatur ruht, bei Kälte aber den Umsatz vervielfachen kann; ihr Mechanismus und der Beitrag der einzelnen Organe zur Wärmebildung sind im dritten Unterkapitel dieser Kachel zur Wärmebildung und zum Wärmetransport dargestellt.

Für die Praxis heißt das: Wenn Sie einen gemessenen Umsatz lesen, fragen Sie, unter welchen Bedingungen er entstanden ist. Ein Wert unter tiefer Sedierung und Muskelrelaxation beschreibt einen Zustand, der mit Beginn der Mobilisation, des Spontanatmungsversuchs oder eines Delirs nicht mehr gilt; Atemarbeit, Unruhe und Physiotherapie addieren sich als Leistungsumsatz. Eine einmalige Messung ist deshalb eine Momentaufnahme, und sie gehört wiederholt, wenn sich der Zustand des Patienten ändert.

Den Energiegehalt eines Nährstoffs bestimmt das Verbrennungskalorimeter. In einer von Wasser umgebenen, wärmeisolierten Brennkammer wird eine abgewogene Menge mit Sauerstoff vollständig verbrannt, und die Erwärmung des Wassers ergibt den physikalischen Brennwert. Fette und Kohlenhydrate werden auch im Körper vollständig zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert; ihr physiologischer Brennwert, also die im Körper tatsächlich nutzbare Energie, ist deshalb gleich dem physikalischen. Er beträgt im Mittel 38,9 Kilojoule je Gramm für Fett und 17,2 Kilojoule je Gramm für verdauliche Kohlenhydrate. In der klinischen Rechnung werden daraus die gerundeten Werte von 9 und 4 kcal je Gramm.

Beim Eiweiß fallen beide Werte auseinander, und der Grund ist lehrreich. Der Körper oxidiert Aminosäuren nicht vollständig, sondern nur bis zum Harnstoff, der mit dem Urin ausgeschieden wird und in der Brennkammer selbst noch Energie liefern würde. Der physikalische Brennwert des Eiweißes liegt deshalb bei etwa 23 Kilojoule je Gramm, der physiologische nur bei etwa 17,2 Kilojoule je Gramm. Alkohol liefert rund 30 Kilojoule je Gramm und ist damit nach dem Fett der energiereichste Bestandteil der Nahrung. Aus diesen Zahlen folgt auch, warum der Organismus Energie als Fett speichert: Fett liefert je Gramm mehr als doppelt so viel Energie wie Kohlenhydrate und wird wasserfrei gelagert, während Glykogen mit seinem Hydratwasser gespeichert wird.

Am Patienten heißt das: Rechnen Sie jede energieliefernde Zufuhr mit, nicht nur die Sondenkost. Glucosehaltige Trägerlösungen, die Fettemulsion des Propofols und Citrat aus der regionalen Antikoagulation liefern Energie, die in keiner Ernährungsverordnung steht; wie groß dieser Anteil werden kann, ist im Unterkapitel zu Katabolismus und Ernährung der Kachel 07 ausgeführt. Den Fehler erkennen Sie an Hyperglykämie, steigenden Triglyceriden oder einem respiratorischen Quotienten über 1,0 bei scheinbar bedarfsgerechter Sondenkost.

Die direkte Kalorimetrie misst die abgegebene Wärme selbst. Der Mensch oder das Versuchstier befindet sich in einer isolierten Kammer, deren Mantel aus Flüssigkeit oder Eis die gesamte Wärme aufnimmt; aus der Erwärmung der Flüssigkeit oder aus der Menge des Schmelzwassers ergibt sich die Wärmeabgabe, die bei konstanter Körpertemperatur dem Umsatz entspricht. Das Verfahren ist genau, aber aufwendig, verlangt stabile Bedingungen über Stunden und ist in der Klinik nicht anwendbar. Es hat seinen Wert als Referenzmethode, an der die indirekte Kalorimetrie geeicht wurde.

Die indirekte Kalorimetrie misst nicht die Wärme, sondern den Gaswechsel, und schließt daraus auf den Umsatz. Ihr Grundgedanke ist, dass jede Oxidation eine feste Menge Sauerstoff verbraucht und dabei eine feste Menge Energie freisetzt. Am Beispiel der Glucose lässt sich das nachrechnen: Ein Mol Glucose, also 180 Gramm, verbraucht zur vollständigen Oxidation sechs Mol Sauerstoff, das sind unter Standardbedingungen 134,4 Liter, und setzt dabei 2 827 Kilojoule frei. Auf einen Liter Sauerstoff kommen damit 21 Kilojoule. Diese Energie je Liter verbrauchten Sauerstoffs heißt kalorisches Äquivalent. Es beträgt im Mittel für Kohlenhydrate etwa 21, für Fette etwa 19,6 Kilojoule je Liter Sauerstoff und liegt für Eiweiß dazwischen. Wer die Sauerstoffaufnahme kennt und weiß, welcher Brennstoff gerade verbrannt wird, kennt den Umsatz.

Technisch misst ein Kalorimeter die Konzentrationen von Sauerstoff und Kohlendioxid im Ein- und Ausatemgas sowie das Atemminutenvolumen und errechnet daraus Sauerstoffaufnahme und Kohlendioxidabgabe. Die Sauerstoffaufnahme ergibt sich aus der kleinen Differenz zwischen der eingeatmeten und der ausgeatmeten Sauerstoffmenge. Weil eingeatmetes und ausgeatmetes Volumen nicht exakt gleich sind, sobald weniger Kohlendioxid abgegeben als Sauerstoff aufgenommen wird, rechnet das Gerät über das Inertgas zurück, das weder aufgenommen noch abgegeben wird. Genau hier liegt die physikalische Grenze des Verfahrens: Je höher die inspiratorische Sauerstofffraktion, desto kleiner wird die Differenz im Verhältnis zum Messfehler der Sensoren, und oberhalb einer Fraktion von 60 Prozent wird die Messung unzuverlässig.² Beim spontan atmenden Patienten wird das Gas über eine Haube oder Maske gesammelt, beim beatmeten Patienten im Beatmungskreis.

Einen zweiten Zugang zur Sauerstoffaufnahme bietet das Fick-Prinzip: Das Herzzeitvolumen multipliziert mit der arteriovenösen Sauerstoffgehaltsdifferenz ergibt die Sauerstoffaufnahme des Körpers. Mit einem Pulmonaliskatheter lässt sich der Umsatz auf diese Weise abschätzen, und die europäische Leitlinie zur Intensivernährung bewertet diesen Weg ebenso wie die Kohlendioxidabgabe aus dem Beatmungsgerät als besser als jede Formel, wenn ein Kalorimeter fehlt.³ Die Grundlagen stehen im Unterkapitel Fick-Prinzip, VO₂, Extraktion, SvO₂ und ScvO₂ des Kurses zur Physiologie von Atmung und Kreislauf.

In der Praxis gilt: Eine Messung beginnt erst, wenn der Patient seit einiger Zeit in einem stabilen Zustand ist, ohne Absaugen, Lagerung oder Änderung der Beatmung. Die Positionsschrift einer Expertengruppe verlangt eine Messdauer von 30 Minuten oder bis zum Erreichen eines Gleichgewichts, definiert als Variationskoeffizient von Sauerstoffaufnahme und Kohlendioxidabgabe unter 5 Prozent über mehr als 5 Minuten.² Einen unruhigen Verlauf mit springenden Werten verwerfen Sie und wiederholen die Messung, statt einen Mittelwert daraus zu bilden.

Welcher Brennstoff gerade oxidiert wird, verrät das Verhältnis aus abgegebenem Kohlendioxid und aufgenommenem Sauerstoff, der respiratorische Quotient. Bei der Verbrennung von Glucose entstehen aus sechs Molekülen Sauerstoff sechs Moleküle Kohlendioxid; der Quotient beträgt 1,0. Fette sind sauerstoffarme, wasserstoffreiche Moleküle und brauchen mehr Sauerstoff je gebildetem Kohlendioxid; für das Neutralfett Tripalmitin ergibt die Reaktionsgleichung 102 Moleküle Kohlendioxid auf 145 Moleküle Sauerstoff, also 0,7. Eiweiß liegt mit etwa 0,8 dazwischen, eine gemischte Kost ebenfalls um 0,8 bis 0,85. Weil sich das kalorische Äquivalent zwischen 0,7 und 1,0 nur wenig und stetig ändert, lässt sich jedem Quotienten in diesem Bereich ein Äquivalent zuordnen, und das Produkt aus Äquivalent und Sauerstoffaufnahme ergibt den Umsatz.

Gemessen wird am Mund oder am Tubus allerdings nicht der zelluläre Quotient, sondern das Verhältnis des Gaswechsels an der Lunge. Beide stimmen nur im Gleichgewicht überein, und diese Unterscheidung ist der Schlüssel zur Deutung. Der Körper enthält große Kohlendioxidspeicher, vor allem als Bicarbonat, aber kaum Sauerstoffspeicher. Eine Hyperventilation wäscht Kohlendioxid aus diesen Speichern aus und hebt den gemessenen Quotienten, ohne dass sich am Stoffwechsel etwas geändert hat; eine Hypoventilation füllt die Speicher auf und senkt ihn. Eine metabolische Azidose, deren Protonen vom Bicarbonat gepuffert werden, setzt zusätzliches Kohlendioxid frei und hebt den Quotienten ebenfalls. Werte über 1,0 im Gleichgewicht sprechen für eine Lipogenese, also den Umbau überschüssiger Kohlenhydrate zu Fett, bei dem sauerstoffreiche Kohlenhydrate in sauerstoffarmes Fett überführt werden und Sauerstoff als Kohlendioxid frei wird. Werte um 0,7 zeigen eine überwiegende Fettoxidation, etwa im Fasten oder in der Ketose. Werte deutlich unter 0,7 lassen sich physiologisch kaum erklären und deuten zuerst auf eine Leckage oder einen Messfehler.

Die klinisch gebräuchliche Rechenvorschrift ist die Weir-Formel. Sie verrechnet Sauerstoffaufnahme und Kohlendioxidabgabe unmittelbar, sodass Quotient und Äquivalent nicht getrennt bestimmt werden müssen: Energieumsatz in kcal je Tag gleich 3,941 mal Sauerstoffaufnahme plus 1,11 mal Kohlendioxidabgabe, beide in Millilitern pro Minute, das Ganze mal 1,44; ein weiteres Glied berücksichtigt den Harnstickstoff und wird wegen seines kleinen Beitrags oft weggelassen.² Mit Werten in Litern pro Minute lautet der Faktor 1 440, weil ein Tag 1 440 Minuten hat. Ein Beispiel: Eine Sauerstoffaufnahme von 250 ml und eine Kohlendioxidabgabe von 200 ml pro Minute ergeben (985 plus 222) mal 1,44, also rund 1 740 kcal täglich. Die Formel zeigt zugleich, welcher Messwert zählt: Die Sauerstoffaufnahme geht mit dem größeren Faktor ein, sodass ein Fehler in ihr den Umsatz stärker verfälscht als ein gleich großer Fehler in der Kohlendioxidabgabe.

Übersetzt in das Handeln: Lesen Sie am Kalorimeter zuerst den Quotienten, dann den Umsatz. Liegt der Quotient außerhalb von 0,7 bis 1,0, prüfen Sie Dichtigkeit, Ventilation und Säure-Basen-Status, bevor Sie den Umsatz verwenden. Liegt er im Gleichgewicht anhaltend über 1,0, ist die wahrscheinlichste Ursache eine Überernährung mit Kohlenhydraten, und die Antwort ist eine geringere Zufuhr, nicht eine höhere Beatmung.

Die Allgemeinanästhesie senkt den Energieumsatz. Die Hirnaktivität wird gedämpft, der Muskeltonus fällt, Muskelrelaxanzien heben die restliche Muskelaktivität einschließlich des Kältezitterns auf, und die Körpertemperatur sinkt: Ungewärmte Patienten kühlen in Narkose typischerweise um 1 bis 2 Grad ab, zunächst durch Umverteilung der Wärme vom Kern zur Peripherie.⁴ Mit sinkender Temperatur verlangsamen sich die Enzymreaktionen, und der Umsatz sinkt weiter. Die Folgen sind am Beatmungsgerät sichtbar: Bei unveränderter Ventilation fällt das endexspiratorische Kohlendioxid, weil weniger gebildet wird. In der Aufwachphase kehrt sich das um, und Kältezittern kann den Sauerstoffverbrauch innerhalb von Minuten vervielfachen, gerade bei Patienten, deren Herz den Mehrbedarf schlecht decken kann; die Wärmebilanz im Operationssaal ist in den Unterkapiteln zu Wärmeabgabe und Thermoregulation ausgeführt.

Das Fieber steigert den Umsatz, weil biochemische Reaktionen mit steigender Temperatur schneller ablaufen und weil der Anstieg selbst durch Kältezittern und Vasokonstriktion erzeugt wird. Physiologisch liegt es deshalb nahe, Fieber beim Patienten mit knapper Sauerstoffreserve zu senken. Die Studienlage bestätigt diesen Schluss für harte Endpunkte nicht: Eine Metaanalyse aus 42 Studien mit 5 140 Teilnehmern fand für die Fiebersenkung weder eine Änderung der Sterblichkeit noch der schweren Nebenwirkungen, bei hoher Sicherheit der Evidenz.⁵ Der Mehrverbrauch ist real, aber er allein begründet keine routinemäßige Fiebersenkung; ob sie im Einzelfall sinnvoll ist, etwa bei kardialer Ischämie oder nach Hirnschädigung, wird in der Einheit zu Fieber und Hypothermie behandelt.

In der Sepsis ist der Umsatz nicht vorhersagbar. In der frühen, hyperdynamen Phase steigern Katecholamine, Zytokine und Fieber den Verbrauch; im schweren septischen Schock mit gestörter Mikrozirkulation und mitochondrialer Funktionsstörung kann er dagegen normal oder sogar vermindert sein, weil die Zellen den angebotenen Sauerstoff nicht mehr verwerten. Sedierung, Beatmung und Relaxation senken ihn zusätzlich. Die großflächige Verbrennung dagegen erzeugt die stärkste und längste Steigerung, die in der Intensivmedizin vorkommt: Katecholamine und Cortisol bleiben über Wochen erhöht, über die Wundflächen verdunstet Wasser und damit Wärme, und der Körper hält seine Temperatur auf einem höheren Niveau. Hier liegt jede Schätzung weit daneben, und der Eiweißabbau wird ohne ausreichende Zufuhr rasch lebensbedrohlich.

Am Patienten heißt das: Die Kohlendioxidabgabe ist das Spiegelbild des Umsatzes, und das Kapnogramm zeigt sie Ihnen fortlaufend. Steigt das endexspiratorische Kohlendioxid bei gleicher Beatmung, fragen Sie nach Fieber, Kältezittern, Unruhe und Überernährung; steigt es rasch und unerklärt mit Tachykardie und Muskelrigidität, denken Sie an die maligne Hyperthermie, die in der Kachel Erregung, Nerv, Muskel und autonome Regulation ausgeführt ist. Fällt es bei gleicher Beatmung, ist der Umsatz gesunken, oder das Herzzeitvolumen trägt das Kohlendioxid nicht mehr zur Lunge.

Die europäische Leitlinie zur Ernährung auf der Intensivstation empfiehlt, den Energieumsatz beim beatmeten Patienten mit indirekter Kalorimetrie zu bestimmen, mit Empfehlungsgrad B und 95 Prozent Konsens; steht kein Kalorimeter zur Verfügung, schätzen die Kohlendioxidabgabe aus dem Beatmungsgerät oder die Sauerstoffaufnahme aus dem Pulmonaliskatheter den Umsatz besser als Formeln.³ Der Grund liegt in der Ungenauigkeit der Formeln. Eine systematische Übersicht mit 18 Studien und 160 Varianten von 13 Vorhersageformeln fand, dass auf Gruppenebene 38 Prozent der Formeln den gemessenen Umsatz um mehr als 10 Prozent unterschätzten und 12 Prozent ihn überschätzten; beim einzelnen Patienten waren je nach Formel bis zu 90 Prozent unterernährt oder bis zu 88 Prozent überernährt.¹ Formeln kennen weder die Sedierungstiefe noch das Fieber, weder die Atemarbeit noch die Phase der Erkrankung.

Wo kein Kalorimeter steht, bietet die Kohlendioxidabgabe aus dem Beatmungsgerät eine brauchbare Näherung. Viele Geräte zeigen sie fortlaufend an, und mit einem aus der Ernährung abgeschätzten respiratorischen Quotienten lässt sich daraus der Umsatz berechnen. Bei 84 beatmeten Patienten mit einem gemessenen Umsatz von im Mittel 1 823 kcal täglich überschätzte diese Methode den Wert systematisch um 141 kcal, also 7,7 Prozent; 61 Prozent der Werte lagen innerhalb von 10 Prozent und 76 Prozent innerhalb von 15 Prozent, und sie war damit genauer als die geprüften Formeln.⁶ Die Methode übernimmt allerdings alle Fehlerquellen der Kohlendioxidmessung und die Unsicherheit des angenommenen Quotienten.

Die Messung selbst verlangt Sorgfalt, und ihre Grenzen sind physikalisch begründet. Eine inspiratorische Sauerstofffraktion über 60 Prozent macht die Differenz zwischen ein- und ausgeatmetem Sauerstoff zu klein, Leckagen am Cuff, über bronchopleurale Fisteln oder Thoraxdrainagen entziehen dem Gerät einen Teil des Ausatemgases, und bei extrakorporaler Membranoxygenierung oder Nierenersatzverfahren wird Kohlendioxid oder Bicarbonat außerhalb der Lunge entfernt, sodass der Gaswechsel am Tubus nicht mehr den Stoffwechsel abbildet.² Ebenso verfälschen eine frisch veränderte Beatmung, eine Hyperventilation oder eine rasch wechselnde Azidose die Messung, weil sich die Kohlendioxidspeicher erst neu einstellen müssen.

Ob die genauere Messung auch das Ergebnis verbessert, ist die eigentliche Streitfrage. Eine Metaanalyse aus 8 randomisierten Studien mit 991 Patienten fand unter kalorimetriegesteuerter Energiezufuhr eine geringere Kurzzeitsterblichkeit mit einem relativen Risiko von 0,77, ohne Unterschied bei Beatmungsdauer und Verweildauer.⁷ Eine zweite Metaanalyse zeigte eine niedrigere 28-Tage-Sterblichkeit mit einem relativen Risiko von 0,79, aber keinen Unterschied bei der Sterblichkeit auf der Intensivstation und nach 90 Tagen.⁸ Die größte einzelne Studie zur zielgesteuerten Ernährung nach Kalorimetrie und Stickstoffbilanz fand bei 199 ausgewerteten Patienten keinen Unterschied in der körperlichen Lebensqualität nach sechs Monaten.⁹ Die Messung schützt also sicher vor groben Fehlern in beide Richtungen; ein Überlebensvorteil ist möglich, aber nicht gesichert.

Praktisch bedeutet das: Messen Sie bei beatmeten Patienten mit längerer Verweildauer, wenn die Bedingungen es erlauben, und wiederholen Sie die Messung bei Änderungen des Zustands. Verwenden Sie das Ergebnis nicht als Zielmenge ab dem ersten Tag, denn in der Akutphase deckt der endogene Umsatz einen Teil des Bedarfs, und empfohlen werden dann höchstens 70 Prozent des gemessenen Umsatzes, ab dem dritten Tag 80 bis 100 Prozent.¹⁰ Diese Zielgrößen und ihre Begründung sind im Unterkapitel zu Katabolismus und Ernährung der Kachel 07 ausgeführt.

Stellen Sie sich den Körper als Ofen vor, in den Brennstoff und Luft hineingehen und aus dem Abgas und Wärme herauskommen. Die Größe des Feuers lesen Sie am Sauerstoffverbrauch ab, denn jeder Liter Sauerstoff steht für etwa 20 Kilojoule, gleichgültig, was verbrennt. Die Art des Brennstoffs lesen Sie am Verhältnis von Abgas zu verbrauchter Luft ab, dem respiratorischen Quotienten: Holz aus Zucker gibt mehr Kohlendioxid je Liter Sauerstoff als Öl aus Fett. Ein Kalorimeter ist in diesem Bild ein Abgasmessgerät am Schornstein, und seine Aussage ist nur so gut wie die Dichtigkeit des Schornsteins.

Aus dem Bild folgen die typischen Fehlerquellen von selbst. Wenn der Schornstein leckt, fehlt Abgas, und die Messung wird zu niedrig; das sind Cuffleckage, Fistel und Drainage. Wenn Abgas an anderer Stelle abgezogen wird, erfasst das Messgerät nicht mehr alles; das sind Membranoxygenator und Nierenersatz. Wenn im Ofen ein Vorrat an Abgas gespeichert ist, der plötzlich ausgeblasen wird, steigt der Quotient, ohne dass sich der Brennstoff geändert hat; das sind Hyperventilation und Pufferung einer Azidose. Und wenn mehr Brennstoff angeliefert wird, als verbrannt werden kann, lagert der Ofen ihn um, indem er Zucker zu Fett umbaut, und bläst dabei zusätzliches Abgas aus; das ist die Lipogenese mit einem Quotienten über 1,0.

Das Modell erklärt auch, warum Narkose und Fieber gegensinnig wirken. Die Narkose dämpft das Feuer und öffnet zugleich die Fenster, weil die Vasodilatation Wärme an die Peripherie verteilt; der Kern kühlt ab, und das Feuer wird noch kleiner. Das Fieber stellt den Thermostaten höher, facht das Feuer an und schließt die Fenster durch Vasokonstriktion. In beiden Fällen gilt: Wer die Größe des Feuers kennen will, muss messen, denn jede Formel beschreibt nur einen Durchschnittsofen.

Was verändert die Anästhesie?

• Allgemeinanästhesie und Relaxation senken den Umsatz; bei gleicher Ventilation fällt das endexspiratorische Kohlendioxid, und das Atemminutenvolumen kann oft reduziert werden. Ein unerwarteter Anstieg unter stabiler Beatmung ist immer ein Befund.
• Die Wärmebildung sinkt, während die Wärmeabgabe durch Vasodilatation steigt; ohne aktive Wärmung fällt die Kerntemperatur um 1 bis 2 Grad, was den Umsatz weiter senkt und Medikamentenabbau und Aufwachzeit verlängert.
• In der Aufwachphase kehrt der Umsatz zurück, und Kältezittern kann ihn schlagartig vervielfachen; bei eingeschränkter kardialer oder pulmonaler Reserve ist das eine Belastungsprobe, die sich durch Wärmung vermeiden lässt.
• Propofol zur Langzeitsedierung liefert mit seiner Fettemulsion Energie und verschiebt den respiratorischen Quotienten in Richtung Fettoxidation; es gehört in jede Energiebilanz.
• Laparoskopien mit Kohlendioxidinsufflation erhöhen die Kohlendioxidabgabe am Tubus, ohne dass der Stoffwechsel steigt; eine Kalorimetrie unter diesen Bedingungen ist nicht verwertbar.

Wann wird diese Physiologie klinisch sichtbar?

• Scheiternde Entwöhnung bei einem Patienten mit hoher Kohlenhydratzufuhr, einem respiratorischen Quotienten über 1,0 und steigender Kohlendioxidlast; die Überernährung ist hier Ursache und nicht Nebenbefund.
• Unerklärter Anstieg des endexspiratorischen Kohlendioxids unter Narkose oder Beatmung als Zeichen eines steigenden Umsatzes durch Fieber, Zittern, Unruhe oder maligne Hyperthermie.
• Muskelschwund trotz rechnerisch ausreichender Ernährung bei Verbrennung, Polytrauma oder langer Sepsis, weil der tatsächliche Umsatz über der Schätzung liegt.
• Hyperglykämie und Hypertriglyceridämie unter voller Ernährung in der Akutphase, weil der endogene Umsatz nicht berücksichtigt wurde.
• Palliative Situationen, in denen Kachexie und Umsatz auseinanderlaufen und eine Steigerung der Zufuhr den Abbau nicht aufhält; hier leitet das Therapieziel und nicht der gemessene Umsatz.

• Grundumsatz und gemessener Ruheumsatz seien dasselbe. Der Grundumsatz ist an strenge Bedingungen gebunden; am Intensivbett wird ein Ruheumsatz unter Fieber, Sedierung, Beatmung und Ernährung gemessen, der nur für diesen Zustand gilt.
• Ein respiratorischer Quotient über 1,0 beweise einen Messfehler. Im Gleichgewicht zeigt er eine Lipogenese durch Überangebot an Kohlenhydraten; vorübergehend entsteht er durch Hyperventilation oder Pufferung einer Azidose.
• Eine gute Formel ersetze die Messung. Beim einzelnen Intensivpatienten weichen Formeln bis zu 43 Prozent nach unten und 66 Prozent nach oben ab; die Kohlendioxidabgabe aus dem Beatmungsgerät ist genauer als jede Formel.
• Der gemessene Umsatz sei ab dem ersten Tag die Zielmenge. In der Akutphase deckt der endogene Umsatz einen Teil des Bedarfs; die volle Zufuhr in dieser Phase führt zur Überernährung.
• Fiebersenkung sei wegen des Mehrverbrauchs immer angezeigt. Der Mehrverbrauch ist real, aber eine routinemäßige Fiebersenkung ändert Sterblichkeit und schwere Komplikationen nicht.

Merksätze

• In Ruhe wird fast die gesamte umgesetzte Energie zu Wärme. Der Grundumsatz des Erwachsenen liegt bei rund 80 Watt, etwas mehr als 7 Megajoule täglich.
• Ein Liter Sauerstoff steht für etwa 20 Kilojoule, gleichgültig, was verbrannt wird; die Sauerstoffaufnahme bestimmt deshalb den Umsatz.
• Der respiratorische Quotient zeigt den Brennstoff: 1,0 für Kohlenhydrate, 0,7 für Fett, über 1,0 im Gleichgewicht für Lipogenese.
• Narkose senkt den Umsatz, Fieber, Zittern, Sepsis und Verbrennung steigern ihn; die Kohlendioxidabgabe zeigt die Änderung am Monitor.
• Messen schlägt Schätzen, aber nur bei dichter Messstrecke, Sauerstofffraktion bis 60 Prozent und stabilem Gleichgewicht.

Aufgaben