Grundlagen und Methoden der Physiologie; molekulare und zelluläre Aspekte

 
Physiologische Grundlagen labormedizinischer Bestimmungsmethoden

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© H. Hinghofer-Szalkay

Albumin: albus = weiß (Eiweiß)
Elektrophorese: ἤλεκτρον = Bernstein,
φορος = tragend
Globulin: kugelförmiges Eiweiß, globus = Kugel
Granulozyt: granulum = Körnchen,
κύτος = Höhlung, Gefäß (Zelle)
Labormedizin: labor = Arbeit, medicus = Arzt
-phil: φίλος = Freund
Zytokin:
κύτος = Zelle, κίνησις = Bewegung


Labordiagnostische Untersuchungen können an zahlreichen Körperflüssigkeiten vorgenommen werden. Das am häufigsten verwendete Untersuchungsgut ist Blut bzw. Blutserum, da es eine Fülle von Information über den aktuellen Zustand von Zellen, Geweben und Organen enthält (Elektrolyte, Hormone, Substrate, Enzyme, Gerinnungsfaktoren, Zellen und Produkte des Immunsystems, Metabolite..). Blutproben erlauben die Bestimmung von "Blutbildern" (Erythrozyten, Hämoglobingehalt, Hämatokrit; Leukozyten, Thrombozyten) und geben so Aufschluss über Blutgastransport, Immunsituation und Plättchenstatus. Im Plasma können u.a. Konzentrationswerte extrazellulärer Eiweiße ermittelt werden (Albumin, Globuline), das erlaubt z.B. Rückschlüsse auf den Zustand von Leber, Nieren, Abwehrsystem etc.

Harnproben (Produkt der Nierenfunktion) geben Aufschluss über die renale Ausscheidungs- und Rückresorptionsleistung etc.
Auch die Analyse von Speichel, Schweiß, Tränenflüssigkeit, Liquor cerebrospinalis, Magensaft, Pankreas- und Gallesekret sowie Zervixsekret kann wichtige diagnostische Hinweise liefern.


Untersuchungsgut Messungen an Blutproben


>Abbildung: Klinisch-chemisches Labor
Quelle: www.ce-tech.com


Erkennung von Krankheiten berücksichtigt sehr unterschiedliche Aspekte: Was ist als physiologisch anzusehen, was ist ein Zeichen einer Erkrankung? Wie verlässlich sind die gesammelten Hinweise? Wie sammelt man sinnvoll und korrekt Proben für klinisch-chemische Untersuchungen, welche Möglichkeiten der Verfälschung sind zu berücksichtigen?
Labor(atoriums)medizin ist die wissenschaftlich-diagnostische Beschäftigung mit

  Blut (≈7% des Körpergewichts, isoton, spiegelt den Zustand praktisch aller Organe / Gewebe wider, deren Zellen Stoffe in den Extrazellulärraum und in den Kreislauf abgeben - bei Beschädigungen der Zellmembran teilweise organspezifische Substanzen, z.B. Enzyme, deren Konzentration im Blut diagnostisch aufschlussreich ist) - Blutplasma - Blutserum,

  Harn (Produkt der Nierenfunktion: Ausscheidungs- und Rückresorptionsleistung, Menge - normalerweise 1-2 l/d - und Osmolalität variieren stark mit Wasserbelastung, vegetativem und Hormonstatus) und anderen Flüssigkeitsproben:

  Speichel (≈1 l/d, Produkt der Parotis-, Sublingual- und Submandibulardrüsen, die unterschiedliche Mengen unterschiedlich zusammengesetzten, hypotonen Sekrets produzieren),

  Schweiß (dient primär der Kühlung durch Evaporation; bis mehrere l/d; normalerweise hypoton (niedriger Salzgehalt), Menge und Zusammensetzung physiologisch / medizinisch / diagnostisch bedeutsam),

  Tränenflüssigkeit (schützt Auge und Tränenwege, isoton, daher salzreich, enthält spezifische Schutzfaktoren),

  Liquor (Hirn-Rückenmarks-Flüssigkeit, ≈150 ml, isoton, Polsterungs- und chemische Stabilisierungsfunktion),

  Zervixsekret (Menge und Konsistenz zyklusabhängig),

  Verdauungssäfte (diagnostisch besonders bedeutsam Magensaft, Pankreas- und Gallesekret), u.a.

All diesen Flüssigkeiten kommen spezifische physiologische Aufgaben und Eigenschaften zu, und ihre Analyse gibt Aufschluss über die Funktion von Zellen, Geweben und Organen, die sich an ihrer Bildung (z.B. Leber), Veränderung und Entfernung (z.B. Nieren) beteiligen.


<Abbildung: Die Körperlage beeinflusst die Zusammensetzung des Blutes
Quelle: iap

Versuchsperson am Kipptisch in Kopf-Tieflage, Abnahme einer Blutprobe aus Kubilatvene

Im Vergleich zu aufrechter Körperlage (Sitzen, Stehen) nimmt die Konzentration vieler Blutkomponenten ab (Hämatokrit, Eiweißkonzentration), da es in den unteren Körperpartien zu Verlagerung von Gewebsflüssigkeit in die Blutbahn und damit Hämodilution kommt. Das Blutvolumen nimmt bei Wechsel von aufrechter zu liegender Körperposition innerhalb von Minuten um ≈10% zu


  Blut befördert Stoffe teils frei gelöst (wie Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoff, Salze, Glukose, Harnstoff, Aminosäuren, Proteine), teils an Protein gebunden (Fette, Schilddrüsen- und Steroidhormone); Informationsstoffe (Hormone, Wachstumsfaktoren); und Wärmeenergie, die über Haut und Schleimhäute an die Außenwelt abgegeben wird.

Einzelne Proteine werden mittels Antikörpern bestimmt, die spezifisch mit ihnen reagieren (Immunoassay). Weniger spezifisch ist die Elektrophorese: Dabei wird die Plasmaprobe in ein elektrisches Feld gebracht. Die verschieden stark geladenen Eiweißfraktionen trennen sich in Gruppen (Fraktionen) auf. Im Allgemeinen lassen sich Albumin und mehrere Globulin-Fraktionen unterscheiden.

Albumin macht 60% der Plasmaeiweiße aus und besteht aus einer einheitlichen Molekülart. Es bewirkt 90% des kolloidosmotischen Effekts, ist ein Reserveeiweiß, und transportiert u.a. das Schilddrüsenhormon Thyroxin. Die Albuminkonzentration im Blutplasma beträgt 40-50 g/l.

Globuline sind vielfältig in molekularer Form und Funktion: Gerinnungsfaktoren, Antikörper, Komplementfaktoren, spezifische Transportproteine. Die Globulinkonzentration im Blutplasma beträgt 20-30 g/l.


>Abbildung: Bestimmung von Hämoglobingehalt und Zellzahlen

Blutkörperchen werden aus einer verdünnten Blutprobe durch eine Messschranke geleitet. Dort verursachen sie Impedanzschwankungen, deren Größe mit dem Zellvolumen korreliert

MCV, mean corpuscular volume
    PMN = polymorphonukleäre Leukozyten (=Graulozyten)

Zu physiologischen Faktoren, welche die Messwerte  beeinflussen können, gehören Art der Probe (z.B. arterielles vs. venöses Blut), Alter und Geschlecht, Tageszeit (z.B. unterschiedliche Hormonausschüttung mit zirkadianen Rhythmen), Lagerung des Körpers (liegend, aufrecht), Muskelaktivität u.a.

Blutbildung: Blutkörperchen werden im roten Knochenmark nachgebildet, Lymphozyten in lymphatischen Geweben. Ihre Vorstufen sind in Präparaten von Knochenmarkpunktat zu finden. Zytokine regulieren Differenzierung, Teilung und Reifung der Zellen zu Erythro-, Leuko- und Thrombozyten.
 

Im Gegensatz zu Erythrozyten und Thrombozyten, die vollzählig in der Blutbahn bleiben, befinden sich nur 5% der Granulozyten und 2% der Lymphozyten im Blut - der Großteil des “Leukozytenpools” hält sich im Gewebe auf.

Auch unterscheiden sich die Blutkörperchen in ihrer Lebensdauer:

  Erythrozyten 3 bis 4 Monate

  Thrombozyten und Granulozyten 1-2 Wochen

  Kurzlebige Lymphozyten 5-10 Tage, langlebige vermutlich mehrere Jahre.

Daraus folgt, dass Leukozyten und Thrombozyten viel schneller nachgebildet werden als Erythrozyten. Daher findet man im roten Knochenmark auch vor allem Myelozyten (Vorstufen weißer Blutkörperchen) und wenig Erythroblasten (Vorstufen roter Blutkörperchen).

 
Die Zahl der Blutkörperchen ist, wie die Aufrechterhaltung von Stoffkonzentrationen im Blut, ein Resultat eines Fließgleichgewichts zwischen Abbau und Neubildung.

 

<Abbildung: Giemsa-Färbung

In der Mitte ein segmentkerniger neutrophiler Granulozyt

Da sich Leukozyten hauptsächlich außerhalb der Blutbahn aufhalten (Granulozyten zu 95%, Lymphozyten zu 98%), kann eine Umverteilung zwischen intra- und extravasalen bzw. kapillär fixierten Leukozyten ebenfalls Änderungen der Leukozytenzahlen im strömenden Blut bedingen.

     Zum roten und weißen Blutbild s. dort
 
Aus Blutproben lassen sich zahlreiche Rückschlüsse auf Organfunktionen ziehen:

  
  Enzymkonzentrationen spiegeln eventuelle Störungen an Zellen wider, diese sind z.T. organspezifisch (Niere, Herzmuskel, Leber u.a.)

     Verschiedene Marker werden verwendet, um diagnostisch wichtige Kenngrößen wie z.B. Herzminutenvolumen (Indikatordurchgang), glomeruläre Filtration (Inulinclearance), Nierendurchblutung (PAH-Clearance) usw. zu quantifizieren.


  Klinisch-chemische Laborwerte / Referenzbereiche



Eine Reise durch die Physiologie


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