1. Einleitung

Eigene Forschungsarbeiten zur chronischen Bleineurotoxizität bei Arbeitern einer Kupferhütte (Pfister et al. 1995, 2001; Böckelmann & Pfister 2001; Böckelmann et al. 2002a,b; Böckelmann 2006) zeigten, dass bei der Ermittlung neurotoxischer Früheffekte durch Blei neben der Prüfung kognitiver und psychomotorischer Leistungen sowie neben neurophysiologischen Messungen (ENG, EMG, VEP) auch die Analyse autonomer Regulationsmechanismen des Herzens mittels nichtinvasiver Verfahren in Betracht kommen soll. Da bei Sportschützen, Polizisten, Schießstandtrainern und -reinigungspersonal eine hohe äußere und innere Bleibelastung vorkommen kann (Novotny et al. 1987; Ochsmann et al. 2007; Radtke 2007; Schierl et al. 2007), wurde im Rahmen einer arbeitsmedizinischen Untersuchung im Polizeiärztlichen Dienst Magdeburg und im Institut für Arbeitsmedizin an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg der Frage einer möglichen neurotoxischen Bleibelastung der Schießausbilder und des fraglichen Gesundheitsrisikos nachgegangen. Dabei handelte es sich um eine mehrdimensionale Untersuchung: ophthalmologisches, psychophysiologisches und psychologisches Screening. Die Ergebnisse der ophthalmologischen Tests sind bereits publiziert (Böckelmann et al. 2008). Die Resultate der Prüfung der kognitiven/psychomotorischen Leistungen werden gegenwärtig zur Publikation vorbereitet, so dass hier nur die Ergebnisse der psychophysiologischen Untersuchung vorgestellt werden. Dabei geht es um die Analyse der Herzfrequenzvariabilität (HRV) unter standardisierten Laborbedingungen.

Ziel der psychophysiologischen Untersuchungen war, den Einfluss langjähriger Bleiexposition bei Schießausbildern der Polizei auf das autonome Nervensystem bzw. auf die HRV-Parameter zu klären und festzustellen, ob sich die HRV als einer von mehreren Indikatoren zur Diagnostik einer möglichen neurotoxischen Frühschädigung bei chronischer Bleiexposition eignet, um neue Aspekte für die frühzeitige Prävention bei betreffenden Personen zu gewinnen.

Nach den Arbeiten aus dem Jahr 1984 von Müller und Koautoren (Müller et al. 1984) sowie 1994 von Araki und Mitarbeitern (Araki et al. 1992), die eine Einschränkung der Herzfrequenzvariabilität sowie deren Anteil Respiratorische Sinusarrhythmie bei Bleiexponierten beschrieben haben, fanden Teruya und Koautoren (Teruya et al. 1991) eine Abnahme der RR-Intervallvariabilität bei tiefer Atmung bei 172 männlichen bleiexponierten Arbeitern, besonders im Vergleich zweier Gruppen mit verschiedener Exposition „BPb über 300 µg/l“ gegen „BPb unter 200 µg/l“.

Die Suche nach Frühschädigungen des autonomen Nervensystems ist schon deshalb in das Interesse gerückt, da Veränderungen der Herznervenregulation sehr gut am Erfolgsorgan sichtbar gemacht werden können, was mehrfach gezeigt werden konnte (Pfister et al. 1995; Böckelmann & Pfister 2001; Böckelmann et al. 2002a,b; Böckelmann 2006).

Die Analyse autonomer Regulationsmechanismen des Herzens beruht auf dem Verständnis der Herzfrequenzvariabilität/Heart Rate Variability (HRV) als einer von mehreren Folgen der vegetativen Tonuslage der das Herz ansteuernden Nerven des autonomen Systems (Kuterman 1996; Leitlinie der DGAUM 2007, Pfister et al. 2007). Es ist bekannt, dass die tonische Aktivierung des vegetativen Nervensystems durch eine Balance der Zweige des N. sympathicus und N. vagus gekennzeichnet wird (Koepchen 1977, 1982). Damit können Veränderungen in der vago-sympathischen Balance für die Diagnostik neurologischer Störungen nutzbar gemacht werden (Zwiener 1990).

Basierend auf Literaturhinweisen werden bei einer längeren Bleibelastung eine veränderte vegetative Tonuslage und eine bevorzugte Schädigung an dem kardialen Vaguszweig erwartet. Daraus wurde folgende Hypothese abgeleitet: Bei bleibelasteten Polizeischießausbildern ist ein verminderter vagaler Tonus mit einer leicht erhöhten Herzfrequenz und einer stark reduzierten HRV bei den mentalen Provokationsaufgaben unter standardisierten Laborbedingungen zu erwarten. Man findet über unsere eigenen Studien hinaus (Böckelmann et al. 2002b; Böckelmann 2006) dazu auch in der Literatur vereinzelte Angaben (Murata et al. 1991a,b, 1993; Teruya et al. 1991). Das betrifft insbesondere eine Einschränkung der Kardioreaktivität und des Erholungsgeschehens von Herz-Kreislauf-Parametern nach Belastung unter Bleiwirkung.

2. Probanden und Methodik

Für die Teilnahme an unseren Untersuchungen wurden die betreffenden 12 Polizeibeamten (10 Männer und 2 Frauen) von dem Schießstand Magdeburg – Diesdorf angesprochen, von denen sich 10 (8 Männer und 2 Frauen) für die psychophysiologischen Untersuchungen bereit erklärten.

Für einen Vergleich der Testergebnisse der bleibelasteten Polizeibeamten mit einer nicht exponierten Kontrollgruppe wurden 10 alters- und geschlechtergematchte Paare gebildet. Alle Probanden nahmen freiwillig teil.

Die Kontrollpersonen sind Handwerker und Verwaltungsangestellte des Universitätsklinikums Magdeburg ohne neurotoxische Exposition. Die Arbeitsbedingungen der Kontrollpersonen wurden von uns kontrolliert und eine entsprechende Berufsanamnese mit der retrospektiven Expositionserfassung wurde bei allen Probanden erstellt.

Das Lebensalter der Personen beider Gruppen war gleich (42,4 ± 6,3 J. bei den Bleiexponierten und 42,5 ± 6,6 J. bei den Kontrollpersonen). Die Untersuchungen erfolgten in Laborräumen des Institutes für Arbeitsmedizin zum gleichen Tageszeitpunkt unter standardisierten Bedingungen und umfassten eine 5-minütige Ruhephase, eine ca. 20-minütige Provokationsphase (mentale und psychomotorische Aufgaben) sowie eine 5-minütige Erholungsphase.

Die psychophysiologischen Untersuchungen basieren auf dem Mehrebenenkonzept von Fahrenberg (1969), da zu einer umfassenden Beurteilung eines Probanden seine psychometrisch erfassbare Leistungsfähigkeit, die dabei resultierende Beanspruchung (online erfasste physiologische Beanspruchungsdaten; in allen drei Phasen erfolgte die Aufzeichnung von Herzrhythmusparametern) und sein subjektives Befinden (psychologische Befindensdaten) gehören. Zum Nachweis neurotoxischer Früheffekte, die durch Bleiexposition induziert werden können, wurden in dem psychophysiologischen Teil der Studie etablierte und validierte psychometrische/psychologische Verfahren eingesetzt:

· Zahlengedächtnistest (ZG) mittels Swedish Performance Evaluation System SPES (Böckelmann 2006),

· Einfachwahlreaktion (RT) als Test für die psychomotorische Geschwindigkeit (Wiener Testsystem, Fa. Schuhfried, Österreich) und

· Motorische Leistungsserie (MLS) (Wiener Testsystem, Fa. Schuhfried, Österreich).

Die Befindens- und Erlebensdaten wurden mittels der Borg-Skala erfasst.

In dieser Arbeit werden nur die Beanspruchungsdaten (Herzfrequenz und deren Variabilitätsparameter) vorgestellt. Die psychometrischen Verfahren wurden hier nur als mentale Provokationsaufgaben eingesetzt. Die Testleistungen werden in einer anderen Publikation veröffentlicht.

Ein nichtinvasives Verfahren, das eine autonome kardiovaskuläre Funktionsdiagnostik ermöglicht und somit Aussagen über das Vorliegen einer autonomen Neuropathie machen kann, ist die Analyse der Herzfrequenzvariabilität (Heart Rate Variability – HRV). Unter der HRV versteht man die Schwankungen jeweils zweier aufeinander folgender normaler Herzschläge. Die Methoden der HRV-Analyse differenziert man in die des Zeit- (time domain), Frequenz- (frequency domain) und Phasenbereichs (phase domain) (Eckoldt 1984, Abel et al. 1992; Cerutti et al. 1995; Esperer 1995, Esperer & Klein 1995; Esperer et al. 1998; Malik 1995; Schmidt & Morfill 1995; Leitlinie der DGAUM 2007; Pfister et al. 2001, 2007). Da es hier nur um kurze Erfassungszeiten geht, wurden nur die HRV-Parameter im Zeit- und Frequenzbereich in die Auswertung einbezogen.

Die Detektion der QRS-Komplexe erfolgte mit Hilfe des Systems Biocom 1500 (Biocom Technologies, USA). Aus einer lückenlosen Folge von NN-Abständen (Interbeat-Intervalle oder Herzperiodendauern) wurden folgende HRV-Parameter des Zeitbereichs berechnet:

· SDNN: Standardabweichung aller NN-Abstände in [ms] und

· rMSSD (Root Mean Square of Successive Differences): Quadratwurzel des Mittelwertes der Summe aller Differenzen zwischen benachbarten NN-Abständen in [ms].

Für die Bewertung der Rhythmizität ist nach erfolgter Spektralanalyse mittels schneller Fourier-Transformation (FFT) sowohl der Flächeninhalt des gesamten Leistungsdichtespektrums (Total Frequency Power – TFP), als auch der Flächeninhalt der üblichen Frequenzbereiche (Bänder) bedeutsam. Hier wurden folgende HRV-Parameter des Frequenzbereichs in die Auswertung einbezogen:

· 0,0400 – 0,150 Hz: LF-Band (low frequency band),

· 0,1500 – 0,400 Hz: HF-Band (high frequency band) und

· der Quotient LF/HF (wird dabei als Kriterium der sympatho-vagalen Balance angesehen (Leitlinie der DGAUM 2007)).

Für die HRV-Analyse wurden die 5-minütigen Abschnitte der Vortest-Ruhe und der Nachtest-Erholung genommen. Aus dem Teil „psychometrische Tests“ wurde der Testabschnitt gleicher Dauer (die letzten 5 Minuten des Gedächtnistests) ausgewählt. Damit war die Voraussetzung für die HRV-Analyse im Frequenzbereich gegeben.

Bei der Arbeitsplatzbesichtigung zwecks Arbeitsplatzanalyse wurden insbesondere arbeitstechnische und persönliche Schutzmaßnahmen und die allgemeinen hygienischen Arbeitsbedingungen bei der Schießanlage erfasst. Bei Wartungsarbeiten (Einbau neuer Geschossfänge, Installation der Gewebegummimatten/ Transportbandgummi vor dem Geschossfang als Splitterschutz) wurde von den Schießausbildern bis zum letzten Jahr die normale Dienstkleidung der Polizei getragen. Die Arbeitsplatzmessung erfolgte nach TRGS 402. Es wurde eine Analyse mittels Flammen- und Graphitrohr-AAS durchgeführt. Die Proben wurden sowohl in der Ausbildungshalle (in den Bereichen Kfz/Farbmunition, Halle/Pfefferspray, Farbmunition) personenbezogen und ortsgebunden als auch am Schießstand im Freien (Mittelband, rechte und linke Bahn, sowie beim Mattenwechsel während der Wartungsarbeit) genommen. Neben dem Raumluftmonitoring wurde auch ein biologisches Monitoring durchgeführt. Es wurde jeweils ein aktueller Blutbleiwert (BPb) für den entsprechenden Probanden als Wert der inneren Exposition ermittelt. Teilweise lagen auch die Blutbleiwerte aus dem vergangenen Jahr vor. Die analytische Bestimmung des BPb im Blut geschieht aus 20 µl Vollblut (heparinisiert) nach der Additionsmethode mit Graphitrohr mit Hilfe der Atomabsorptions-Spektroskopie (Fa. Perkin Elmer – Zeemann AAS 4100 ZL). Bei der Berufsanamnese wurde sehr gründlich nach dem Umgang mit anderen Gefahrstoffen gefragt, wie z.B. Schädlingsbekämpfungsmittel (Alkylphosphate, Carbamate, chlorierte Kohlenwasserstoffe), organische Lösemittel, Metalle (Quecksilber, Mangan, Thallium, Arsen, Aluminium, organische Zinnverbindungen) und toxische Gase (Kohlenmonoxid, Blausäure, Schwefelwasserstoff), da diese bekanntermaßen neurotoxische Wirkungen entwickeln und somit den gesuchten Bleieffekt verdecken können.

Die Blutbleiwerte bei den Kontrollpersonen wurden nicht erfasst, was man bemängeln könnte. Die Möglichkeit einer zusätzlichen Bleibelastung (Rauchverhalten, alte Bleirohre, Hobbybereich usw.) wurde allerdings abgefragt.

Als Ausschlusskriterien für die Gesamtstudie galten: arterielle Hypertonie, Diabetes mellitus, regelmäßiger Umgang mit neurotoxischen Stoffen im Hobby- und Freizeitbereich, Medikamenten- und Alkoholabusus (Alkoholkonsum über 80 g/Tag), bekannte Augenerkrankungen sowie Visus unter 0,67. Diese Kriterien trafen für unsere 20 Probanden nicht zu, so dass alle für die Auswertung einbezogen werden konnten.

Die statistischen univariaten Analysen (Levene-Test der Varianzgleichheit, T-Test für die Mittelwertgleichheit) wurden mit Hilfe von SPSS 15.0 für Windows durchgeführt. Die Testentscheidungen bei der statistischen Auswertung basierten auf einem Signifikanzniveau von 5%. Zur Darstellung der Ergebnisse wurden Mittelwert und Standardabweichung (MW ± SD) verwendet.

Die statistischen Unterschiede werden mit t, *, ** oder *** bezeichnet:

t: p < 0,1 **: p < 0,01

*: p < 0,05 ***: p < 0,001

Im Falle eines nicht signifikanten Ergebnisses wird kein Zeichen vergeben.

Für die Dosis-Wirkungs-Beziehungen zwischen den einzelnen Variablen der Bleibelastung und HRV-Parameter wurden Korrelationsanalysen durchgeführt.

3.1 Soziodemografische Daten

Das Alter beider Gruppen (Bleiexponierte und Kontrollpersonen) war statistisch gleich (p = 0,954). Die beiden Gruppen unterschieden sich auch im Bezug auf den Alkoholkonsum nicht (Bleiexponierte 8,74 ± 12,1 g/Tag und Kontrollen 12,7 ± 11,1 g/Tag; p = 0,451). Sowohl das Alter als auch der Alkoholkonsum können einen Einfluss auf die Herzfrequenz und deren Variabilität haben und werden in verschiedenen Studien als Konfounder betrachtet. Diese beiden Kovariablen sind in dieser Studie in beiden Gruppen statistisch gleich.

Mit dem Durchschnittswert von 4,1 ± 5,2 (0–15) Zigaretten pro Tag war die bleiexponierte Gruppe mit der Kontrollgruppe vergleichbar.

3.2 Expositionsdaten

Die Gruppe der Polizeibeamten war im Durchschnitt 12,0 ± 9,1 Jahre bleibelastet, wobei die Kontrollgruppe keinen Umgang mit neurotoxischen Stoffen hatte. Die innere Bleibelastung (Blutbleiwert) der Schießausbilder betrug 98,5 ± 58,5 µg/l, wobei bei einzelnen Probanden die maximalen Blutbleiwerte im letzten Jahr bei bis zu 252 µg/l lagen.

Eine berufliche Bleibelastung bei den Kontrollpersonen war nicht vorhanden und eine Umweltbleibelastung war sowohl bei den Polizeibeamten als auch bei den Kontrollpersonen (alte Bleirohre usw.) nicht gegeben.

3.3 Herzfrequenz/HRV-Daten

Bei dem Vergleich der Herzfrequenzwerte in den drei verschiedenen Phasen der Untersuchung (Ruhe, mentale Belastung und Erholung) bei beiden Gruppen wurden keine signifikant unterschiedlichen Differenzen zwischen beiden Gruppen festgestellt, wobei die Herzfrequenzwerte der Bleiexponierten immer höher als die der Kontrollpersonen waren (Abbildung 1).

Bei weiterer Betrachtung des Herzfrequenz-Verlaufs ist ein unterschiedliches Verhalten dieses Beanspruchungsparameters bei den Bleiexponierten festzustellen: Probanden mit einem höheren mittleren Blutbleispiegel (Nr. 2 mit BPb von 119,6 µg/l und Nr. 10 mit BPb von 119,0 µg/l) demonstrierten kaum eine Auslenkung bei den psychomentalen Testaufgaben. Allerdings wurde dieser Effekt bei einem Probanden (Proband Nr. 4 mit BPb von 252 µg/l) auch nicht gefunden.

Die Standardabweichung der berechneten NN-Verteilungen (SDNN) als Parameter der HRV aus dem Zeitbereich (Abbildung 2) war bei den Bleiexponierten im Vergleich zu den Kontrollpersonen kleiner, wobei sich dies aber nur in der Erholungsphase statistisch bestätigen ließ (p = 0,003). In den beiden anderen Untersuchungsphasen (Ruhe und Belastung) wurden nur tendenzielle Unterschiede festgestellt (p = 0,064 bzw. 0,079). Dieser Nachweis einer verminderten Herzfrequenzvariabilität ist als Ausdruck einer Einschränkung der HRV zu werten.

Sowohl in den belastungsfreien Phasen (Ruhe und Erholung) als auch unter der mentalen Belastung unterschieden sich die rMSSD-Werte zwischen den beiden Gruppen statistisch signifikant (Abbildung 3). Die Bleiexponierten haben einen reduzierten rMSSD-Wert im Vergleich zur Kontrollgruppe, was auch als eine Einschränkung der HRV zu betrachten ist.

Der Quotient LF/HF, der als Kriterium der sympatho-vagalen Balance angesehen werden kann, ist bei den Bleiexponierten höher als bei den Kontrollpersonen, wobei diese Unterschiede statistisch aber nicht zu bestätigen waren (Abbildung 4). Diese Quotientenvergrößerung in der Gruppe der Bleibelasteten ist auf deren geringere Vagusaktivität zurückzuführen.

Betrachtet man die Herzfrequenzwerte (Hf) in der Erholungsphase und vergleicht diese mit dem individuellen Hf-Wert in der Ruhephase, sieht man keine bedeutsamen Unterschiede (Abbildung 5) in beiden Gruppen. Ganz anders verhalten sich die HRV-Parameter aus dem Zeitbereich. Diese Beanspruchungsparameter erreichen in der 5-minütigen Nachbelastungs- bzw. Erholungsphase nicht ihren Ausgangswert.

Das Erholungsverhalten der HRV-Parameter in beiden Gruppen (Exponierte und Kontrollen) ist in der Abbildung 6 dargestellt. Die Auslenkung der Beanspruchungsparameter (Hf, SDNN, rMSSD und LF/HF) ist in beiden Gruppen zwar verschieden, die Unterschiede sind aber statistisch nicht signifikant, wenn man die Werte in der Testbelastungsphase und anschließender Erholung gegenüberstellt.

Die Ergebnisse der Dosis-Wirkungs-Analyse zeigen im Allgemeinen keine Korrelationen zwischen der Expositionsdauer oder dem Blutbleispiegel und den kardiophysiologischen Beanpruchungsparametern aus dem Zeit- und Frequenzbereich in der Ruhephase, wobei hier dieses statistische Verfahren nur innerhalb der Gruppe der Bleiexponierten durchgeführt wurde. Bei den Kontrollpersonen wurden die Blutbleiwerte nicht erfasst.

4. Diskussion

Die Ergebnisse unserer Untersuchung ließen die Resultate mehrerer Autoren (Araki et al. 1994; Müller et al. 1984; Teruya et al. 1991) bestätigen: Die Herzfrequenzvariabilität ist bei bleibelasteten Personen eingeschränkt. Diese Aussage wäre aber wegen der nur relativ kleinen Stichprobe noch durch Untersuchungen an größeren Kollektiven und ggf. durch Längsschnittbeobachtungen zu bestätigen.

Im Gegensatz zu unseren früheren einschlägigen Arbeiten, die deutliche Effekte bei Bleiexponierten erst in der dynamischen Betrachtung des Verhaltens der HRV-Parameter in dem Übergang von Belastungs- zur Erholungsphase sowie bei dem Vergleich in einer Längsschnittsuntersuchung (Test-Retest-Vergleich) zeigten, konnten wir bei der Gruppe der bleiexponierten Schießausbilder deutliche HRV-Effekte (signifikant bei rMSSD und tendenziell bei SDNN) bereits schon im Querschnittsvergleich (Bleiexponierten vs. Kontrollpersonen) feststellen. Die Abnahme der HRV ist auf die Bleibelastung der Polizeibeamten zurückzuführen, da die Probanden in beiden Gruppen alters- und geschlechtergematcht ausgewählt wurden und auch bezüglich der anderen Konfounder (Alkoholkonsum, Medikamente) übereinstimmten. Die untersuchten Polizeibeamten waren bisher klinisch völlig unauffällig. Hier wären für die vollständige Beantwortung der Frage der Bleiwirkung auf die HRV aber noch Längsschnittsvergleiche notwendig.

Es wurden aber keine Dosis-Wirkungs-Beziehungen zwischen den Expositionsparametern (sowohl dem Blutbleispiegel als auch der Expositionsdauer in Jahren) und der Herzfrequenzvariabilität gefunden. Hier wäre kritisch anzumerken, dass bei den Kontrollpersonen keine Blutbleiwerte bestimmt wurden. Bei weiteren Untersuchungen sollte man auch die Bleibelastung nicht beruflich exponierter Kontrollpersonen erfassen, damit Korrelationsanalysen durchgeführt werden können.

Eine reduzierte HRV ist neben den klassischen Risikofaktoren wie Fettstoffwechselstörungen, Bluthochdruck, Rauchen, Diabetes mellitus, Übergewicht, Bewegungsmangel und genetische Disposition und auch neben den arbeitsbezogenen Stressoren ein Risikoparameter bei der Entstehung der koronaren Herzkrankheiten. Es ist aber gegenwärtig unklar, ab wann eine reduzierte HRV Begleiterscheinung einer gestörten Herzfunktion ist und welche Mechanismen im Einzelnen den Zusammenhang zwischen Herzgesundheit und Variabilität der Herzschlagfolge bilden. Jedenfalls haben ausdauertrainierte jugendliche Menschen eine sehr hohe HRV in Ruhezuständen und ältere Personen nicht.

Eine Berücksichtigung der HRV ist im kardiologischen Schrifttum relativ selten (van Amselvoort et al. 2000), wobei aber seit langem bekannt ist, dass Herz-Kreislauf-Patienten, Diabetiker (diabetische Polyneuropathie) und alte Menschen durch eine eingeschränkte HRV auffallen (Mackay et al. 1980; Guo et al. 1987; Shannon et al. 1987; Pagani et al. 1988; Zwiener 1990; Bellavare 1995; Freeman 1995; Odemuyiwa 1995; Voss & Esperer 1995; Löllgen 1999).

Für die Praxis ist bedeutsam, dass der Arbeitsmediziner/Betriebsarzt den bleiexponierten Patienten bei den vorgeschriebenen Vorsorgeuntersuchungen auf diesen Sachverhalt aufmerksam machen sollte. Dem Kardiologen und Allgemeinmediziner ist zu empfehlen, auf die Berufsanamnese seiner Patienten zu achten, wenn sie mit Stoffen Umgang hatten oder noch haben, die auf das vegetative NS wirken (Schwermetalle, organische Lösemittel).

Die gefundenen Ergebnisse sollten an größeren Probandengruppen (nicht nur bei den polizeilichen Schießausbildern, sondern auch bei Sportschützen und dem Reinigungspersonal von Sportschießanlagen) geprüft werden. Dazu sind auch die Unfallkassen und die anderen Versicherungsträger anzusprechen.

An dieser Stelle möchten wir Frau CTA Marita Forner und Herrn Dr. Winter (Institut für Arbeitsmedizin) für die arbeitstoxikologischen Messungen herzlich danken.

5. Literatur

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* Herrn Prof. Dr. rer. nat. habil. Eberhard Alexander Pfister zum 65. Geburtstag gewidmet