Ernährung und Verdauungssystem

Darmnervensystem; Motorik und Transport, Sensorik, Sekretion

 
 

© H. Hinghofer-Szalkay

Auerbach-scher Plexus: Leopold  Auerbach
Cajal-Zellen: Santiago Ramon y Cajal
gastro-kolisch:
γαστήρ = Bauch, κόλον = Darm, Wurst
Ileus: εἰλέιν = einschließen
Meissner-scher Plexus: Georg  Meissner
Migräne: Herleitung von ἡμικρανία = halber Schädel (nicht : migrare)
myentericus: μυς, μυός = Muskel, ἔντερον = Darm
plexus: plectere = flechten
Sekret: secernere = trennen, absondern
submucosus:
sub = unter, mucus = Schleim (mucosa: Schleimhaut)

Das gastrointestinale System ist motorisch aktiv: Verschluss (Sphinkter), Transport (Peristaltik), Speicherung (Akkommodation), Durchmischung (Segmentier-, Pendelbewegung, nichtpropulsive Peristaltik). Interstitielle (Cajal-) Zellen sind die Quelle für Spontanaktivität und basalen Organrhythmus (BER: basal electrical rhythm) verschiedener Darmabschnitte.

Das enterale Nervensystem funktioniert weitgehend autonom und enthält mehrere Nervenzelltypen (cholinerge, adrenerge, serotoninerge, purinerge, GABAerge). Das vegetative System ist aufgeschaltet und stellt u.a. funktionelle Beziehungen zwischen verschiedenen Darmabschnitten her (z.B. gastro-kolischer Reflex).

Im Nüchternzustand (interdigestive Phase) dienen alle 5-10 Minuten auftretende peristaltische Wellen - vom Magen bis zum Colon (MMC: migratory myoelectric complex) - der Reinigung des Darmes und dem Transport unverdaulicher Reste Richtung Enddarm.

Im Rahmen der Peristaltik aktiviert die Dehnung eines Darmabschnittes Kontraktion vor diesem  Abschnitt (aszendierender exzitatorischer Reflex) und Erschlaffung hinter ihm (deszendierender inhibitorischer Reflex) - vermittelt durch Neurone im plexus myentericus: Die einen fördern, die anderen hemmen Muskelzellen. Gleitet der Darminhalt weiter, verlagert sich mit ihm die Dehnungszone und damit das Reflexmuster.


Arten der Transportmotorik Elektromechanische Koppelung Enterales Nervensystem Sekretion im Darm Sensorik Motorik SIP-Synzytium und Schrittmacherfunktion Interdigestive Phase und migrierender Motorkomplex (MMC)
 
Das gastrointestinale System hat einige Autonomie, wird aber neural und humoral gesteuert
 

 
>Abbildung: Nervöse Steuerung des Gastrointestinaltrakts
Nach einer Vorlage bei Pearson Education, Inc / Benjamin Cummings 2004

Kurze Reflexbögen laufen auf der Ebene des Darms ab, lange involvieren das Zentralnervensystem

Die Transportfunktion im Darm  ist entsprechend den lokalen Anforderungen unterschiedlich organisiert und gesteuert:

  Die Speiseröhre verfügt über Transportperistaltik (an der sich quergestreifte und glatte Muskelzellen gemeinsam beteiligen) mit einer Geschwindigkeit von über 200 cm/min

  Der Magenfundus ist auf die Speicherung aufgenommenen Chymus spezialisiert, der Corpusanteil auf Mischperistaltik, der Antrumanteil auf mechanische Zerkleinerung

  Im Dünndarm beträgt die durchschnittliche Transportgeschwindigkeit 1-4 cm/min, die Transportperistaltik bewegt sich mit 30-120 cm/min voran); und

  Im Dickdarm ≈0,05-0,5 cm/min, wobei vorgeschaltete Darmabschnitte Einfluss nehmen (gastro-kolischer Reflex: Dehnung der Magenwand führt zu Kontraktionen des Colons - nervös und wahrscheinlich auch hormonell bedingt -, was den Darminhalt Richtung Sigmoid schiebt und Stuhldrang auslöst) und auch gegenläufiger Transport vorkommt.
 
Elektromechanische Koppelung
 

<Abbildung: Elektromechanische Kopplung in glatter Muskulatur
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016

Aktionspotentiale (spikes) an der glatten Muskelzelle führen zu Kationeneinstrom und erhöhen die Kalziumkonzentration im Zytoplasma (Calcium-spark). Freigewordene Ca-Ionen stehen dann für die elektro-mechanische Kopplung zur Verfügung, Kontraktion (Tonus-Erhöhung) der Zelle ist die Folge.

Der Ca-Speicher im sarkoplasmatischen Retikulum füllt sich sowohl aus dem Extrazellulär- (Orai) als auch aus dem Intrazellulärraum (SERCA).

  BKCa: Durch (intrazelluläres) Kalzium aktivierter big potassium (K) channel

 
STIC: spontaneous transient inward currents

  STIM: Stromal interaction molecule

 
STOC: spontaneous transient outward currents

Von der Erregung zur mechanischen Antwort. Die Aktivierung der glatten Muskulatur erfolgt (wie bei quergestreifter Muskulatur) durch Übertragung elektrischer Impulse (spikes, Aktionspotentiale) auf eine Reaktion zwischen Aktin- und Myosinmolekülen (elektro-mechanische Kopplung) - und damit Tonuserhöhung bzw. Kontraktion.

Im Mittelpunkt dieser Verknüpfung von elektrischem Signal zu mechanischer Antwort stehen Ca2+-Ionen, die aus intrazellulären Speichern (sarkoplasmatisches Retikulum) als auch aus dem Extrazellulärraum in das Zytoplasma der Muskelzellen eindringen.

Dazu braucht es verschiedene Typen von Kalziumkanälen, die teils in der Außenmembran (Store-operated calcium channel, caveolar voltage-gated calcium channel), teils in der Wand des sarkoplasmatischen Retikulums (IP3-Rezeptor, Ryanodinrezeptor) zu finden sind. Eine Kalziumpumpe (SERCA: Sarco / endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase) befördert Kalziumionen anschließend unter Energieverbrauch (ATPase!) wieder in den sarkoplasmatischen Speicher.

Geht der sarkoplasmatische Kalziumspeicher zur Neige, dann aggregieren STIM1-Moleküle (Stromal interaction molecule) in der sarkoplasmatischen Membran und bringen - aus ORAI aufgebaute -
Kalziumkanäle in der Außenmembran (Calcium release-activated calcium channel, CRAC) dazu, Kalzium in die Zelle einzulassen (<Abbildung). Dadurch werden die Kalziumspeicher wieder aufgefüllt.
 
Das Darmnervensystem kann verschiedene Motilitätsmuster generieren:

   Propulsive Peristaltik - von Speiseröhre bis Dickdarm beobachtbar - transportiert den Inhalt in Richtung oral → aboral.
 
   Nicht-propulsive Peristaltik im Dünndarm dient der Durchmischung des Darminhalts
 
   Akkommodation - Erweiterung ohne Druckanstieg (Erschlaffung, Compliancesteigerung) zur intermediären Speicherung - findet sich im Fundusteil des Magens sowie im Colon ascendens und im Rektum
 
   Pendelbewegungen und Segmentationsbewegungen des Dünn- und Dickdarms "reiben" den Chymus an der Darmschleimhaut entlang und dienen der Durchmischung
 
   Tonische Dauerkontraktion der Schließmuskel (Cardia, Pylurus, Iliocoecalsphincter) stellen funktionelle Darmabschnitte mit spezialisierten Funktionen her

Rhythmische Segmentations- und Pendelbewegungen erfolgen im Magen mit einer Frequenz von 3/min, im Duodenum ≈12/min, im Jejunum ≈10/min, im Ileum ≈8/min, im Colon ≈3/min.
 

Enterales Nervensystem
 
 
 
>Abbildung: Hierarchische Gliederung der vegetativ-nervösen Steuerung des gastrointestinalen Systems
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016
Lokale Mechanismen laufen auf der Ebene des Darmnervensystems ab. Darüber sind hierarchisch komplexere Reflexschleifen gestülpt - auf der Ebene autonomer Ganglien, des Rückenmarks, des Hirnstamms. Das Gehirn beteiligt sich über die zentrale Schaltstelle Hypothalamus, von hier aus erfolgen auch endokrine Regelungen (Hypophyse), werden motorische Programme abgerufen und komplexe Muster bearbeitet (Hunger / Sättigung, Osmoregulation / Durst, Ernährungsverhalten u.a.)

Hierarchie der funktionellen Struktur: Das für die Kontrolle der Tätigkeiten des GI-Systems sehr bedeutsame autonome Nervensystem ist hierarchisch gestuft aufgebaut. Diese Struktur spiegelt die phylogenetische Evolution wider. Jede Ebene verfügt über unabhängige, in sich strukturierte adaptive Muster. Die übergeordnete Koordination - mit Berücksichtigung der Gesamtsituation des Organismus im Zusammenhang mit Umweltfaktoren - erfolgt auf der Ebene des Gehirns, hier vor allem im limbischen System und Hirnstamm (inklusive Hypothalamus).

Man kann folgende Ebenen unterscheiden:

      Enterales Nervensystems (1 in der >Abbildung)
 

      Autonome Ganglien (2; eine analoge Steuerungsebene ist schon bei Würmern ausgebildet. Das ggl. cervicale superior enthält ≈106 Nervenzellen)
 
      Rückenmark (3) - diese Stufe findet sich allgemein bei Chordaten (Rückensaitentieren)
 
      Hirnstamm (4 - "Reptilgehirn")
 
      Höhere Zentren im Gehirn, insbesondere Hypothalamus (5).

Adressat dieses gestuften Kontrollsystems ist das Darmnervensystem. Der Parasympathikus wiegt überwiegend anregend, der Sympathikus überwiegend hemmend auf seine Aktivitäten.

Das aus mehreren Millionen Neuronen (vergleichbar der Zahl an Neuronen im gesamten Rückenmark) bestehende enterale Nervensystem (Darmnervensystem) - von Speiseröhre bis Analsphinkter, inklusive Gallenwege und Pankreas - koordiniert
 
     Motorik der glatten Muskulatur,
 
     sekretorische und resorptive Aktivitäten der Mukosa,
 
     Durchblutung und
 
     Neuroimmunfunktionen.

Das System arbeitet in hohem Grade autonom - seine Funktion bleibt auch in Abwesenheit sympathischer / parasympathischer Steuerung weitgehend erhalten.

Die Mehrzahl der Neuronen des Darmnervensystems liegt innerhalb des plexus myentericus Auerbach (in der Muskelwand) und plexus submucosus Meissner (an die Mukosa anschließend). Spezialisierte Nervenzellen fördern oder hemmen (je nach Transmitterstoff und Rezeptorbestückung) - örtlich und zeitlich gezielt - Motorik (verschiedene Bewegungsmuster), Sekretion (Wasser, Elektrolyte, Hormone) und Perfusion (Gefäßtonus - Vasodilatation → angeregte, Vasokonstriktion → reduzierte Durchblutung), Resorption sowie Bildung von Signalstoffen.
 

<Abbildung: Darmnervensystem
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, Elsevier 2003

Das enterale Nervensystem enthält sensorische, motorische und Interneuronen. Autonome Nerven können direkt, oder indirekt über Neuronen im plexus myentericus und submucosus wirken

Lokale Transmitter: Das Darmnervensystem nutzt zur Generierung dieser verschiedenen Muster spezialisierte Neurone:

       Cholinerg - hier gibt es

      präganglionäre Neurone sowie
 

      intrinsisch primär afferente Neurone (IPAN), diese bilden u.a. den afferenten Schenkel lokaler Reflexe für die Transportmotorik und können durch Serotonin oder den Darminhalt stimuliert werden;

     
Adrenerg (postganglionär sympathische) - diese rufen an α- und ß-Rezeptoren unterschiedliche Wirkungen hervor.
 
      Dopaminerg
 
     Nicht-adrenerg / nicht-cholinerg (NANC):

      GABAerg
 
      serotoninerg (5-HT) - der Großteil (≈90%) des im Körper erzeugten Serotonins befindet sich im Darm, vorwiegend in enterochromaffinen Zellen, zu einem kleinen Teil in Neuronen des Darmnervensystems. Mechanische oder chemische Reizung der Mukosa führt zur Serotoninfreisetzung aus enterochromaffinen Zellen. Das Serotonin wirkt parakrin auf spinal-afferente (über 5-HT3-Rezeptoren schmerzauslösend), vagale (über 5-HT3-Rezeptoren emetisch) und enterale Neuronen (über 5-HT3- und 5-HT4-Rezeptoren motilitätssteigernd). Serotoninagonisten fördern Darmpassage und Stuhlfrequenz; Antagonisten haben hingegen antiemetische und schmerzlindernde Wirkung und wirken "antikinetisch"
 

      purinerg (ATP)
 
      peptiderg - z.B. vasoaktives intestinales Peptid (VIP)Enkephaline (ENK)Substanz P (SP)Galanin (GAL)Dynorphin (DYN)
 
      nitriderg (NO)
 
Motilin und Somatostatin (SOM) sind weiters wichtige Regulatoren der Motilität sowie der Resorption von Flüssigkeit.



   
>Abbildung: Stark vereinfachtes Schema des Darmnervensystems
Nach einer Vorlage in Katzung / Trevor: Basic and Clinical Phyrmacology, 13th ed, McGraw-Hill 2014

Efferenzen von autonomen Zentren erreichen den Darm über sympathische (NA: Noradrenalin) und parasympathische Fasern (ACh: Azetylcholin).

Extrinsisch-primär afferente Neuronen (EPAN) senden sensorische Impulse zum ZNS.

Intrinsich-primär afferente Neuronen (IPAN) verteilen Information innerhalb des Darmnervensystems.

Exzitatorische (EN) und inhibitorische (IN) Neurone verwenden verschiedene primäre Transmitter, wie Neuropeptide (NP) und Serotonin (5HT). Diese Architektur ermöglicht u.a. peristaltischen Transport.

In der Schleimhaut finden sich u.a. absorptive (AC), sekretorische (SC) und enterochromaffine Zellen (EC), letztere geben Serotonin an ihre Umgebung ab

Anregung der glatten Muskulatur erfolgt vor allem durch Azetylcholin und Substanz P. Transmitter kommen z.T. kombiniert in Neuronen vor, z.B. in ACh/ENK/SP-Neuronen - diese sind cholinerg und verwenden Substanz P sowie (z.T.) Enkephalin als Kotransmitter. Sie erregen die Ringmuskulatur, oft ziehen ihre Axone einige Millimeter oralwärts, bevor sie in die Ringmuskulatur eintreten. Dadurch entfalten sie aszendierende exzitatorische Wirkung: Sie erzeugen einen Kontraktionsring hinter dem umfassten Bolus.

Relaxation der glatten Muskulatur erfolgt vor allem durch Plexus-myentericus-Neurone, die Stickstoffmonoxid (NO) und vasoaktives intestinales Peptid (VIP) als Transmitter verwenden. Ihre Axone ziehen vor dem Eintritt in die Ringmuskulatur einige Millimeter analwärts und entfalten eine deszendierende inhibitorische Wirkung, d.h. sie bilden einen Erschlaffungsring, der dem umfassten Bolus vorangeht und dadurch das Wandern der peristaltischen Welle erleichtert.

Diese intestinalen Reflexmuster werden durch sensorische Neurone vermittelt
(IPAN: Intrinsich-primär afferente Neuronen, >Abbildung), die u.a. durch mechanische Dehnung der Darmwand (durch einen umfassten Chymus-Bolus) angeregt werden. Die zahlreichen afferenten Fasern können durch Serotonin oder den Darminhalt stimuliert werden. Sensorische Afferenzen projizieren zum ZNS (EPAN: Extrinsich-primär afferente Neuronen; im N. vagus sind 80% der Fasern afferent).
 
Sekretion im Darm
 
 
<Abbildung: Steuerung der Sekretion im Dünndarm
Modifiziert nach Wood JD. Neuropathophysiology of functional gastrointestinal disorders. World J Gastroenterol 2007; 13: 1313-32


Sekretomotorische cholinerge Neurone des Darmnervensystems innervieren intestinale (Lieberkühn'sche) Krypten und Brunner'sche Drüsen. Kollateralen zu Blutgefäßen bewirken verstärkte Perfusion und unterstützen so die Sekretionstätigkeit.

Intrinsische Nervenfasern des Darmnervensystems (Transmitter: Somatostatin) sowie sympathische Fasern (noradrenerg) hemmen sekretomotorische Fasern; sie werden ihrerseits durch Histamin (präsynaptisch) gehemmt, die doppelte Inhibition ergibt indirekte Anregung der Sekretion.

Herabgesetzte Aktivität cholinerger
sekretomotorischer Neurone (z.B. durch Opioidwirkung) bewirkt Obstipation, Übererregung führt zu neurogener Diarrhoe, z.B. bei entzündlichen Prozessen wie colitis ulcerosa, Mastzelldegranulation bei Nahrungsmittelunverträglichkeit, oder Einwirkung von Enterotoxinen, z.B. Choleratoxin

In den Plexus submucosus ziehende cholinerge Fasern mit Neuropeptid Y, Dynorphin, Galanin oder VIP als Kotransmitter wirken sekretionsanregend (ACh/NPY-Neuronen, DYN/GAL/VIP-Neuronen) auf Zellen in Lieberkühn'schen Krypten und Brunner'schen Drüsen (<Abbildung). Sie werden einerseits durch Histamin und andere Entzündungsmediatoren direkt angeregt, andererseits durch intrinsische (somatostatinerge) und sympathische (noradrenerge) Neuronen gehemmt.

Diese letzteren Neurone werden wiedertum durch
Entzündungsmediatoren gehemmt, sodass Histamin sowohl direkt (exzitatorische somatische Rezeptoren am cholinergen sekretomotorischen Neuron) als auch indirekt sekretionsfördernd wirkt (indirekte Anregung durch Disinhibition).

Parasympathisch
-präganglionäre Fasern (cholinerg: ACh) innervieren sowohl erregende als auch hemmende Interneurone des Darmnervensystems.

Sympathisch
-postganglionäre (adrenerg: NA/NPY) wirken gefäßverengend, andere (NA/SOM) hemmen DYN/GAL/VIP-Neurone und hemmen so indirekt die Sekretion; wieder andere hemmen erregende Interneurone im plexus myentericus und dämpfen so die motorische Aktivität. Auch gibt es Neurone, die vom plexus myentericus auf sympathische Ganglien projizieren.


Das
Darmnervensystem wird durch Efferenzen des vegetativen Nervensystems moduliert, um die Situation des gesamten Organismus entsprechend zu berücksichtigen. So wird die Darmtätigkeit in einen Gesamtrahmen eingebunden, beispielsweise

  reduziert eine erhöhte Kreislaufanforderung (körperliche Arbeit, orthostatischer Stress, Wärmebelastung) Durchblutung und Aktivität im Darm (hoher Sympathikustonus);
 

  umgekehrt wird die Verdauungstätigkeit in einer "trophotropen" Situation gefördert (hoher Vagustonus).

Der Parasympathikus innerviert (mit nur ca. zweitausend extrinsischen Fasern) sowohl erregende als auch hemmende Neurone des Darmnervensystems; sympathische Fasern (Noradrenalin / Neropeptid Y) wirken vasokonstriktorisch. Es gibt auch Neurone, die vom plexus myentericus auf sympathische Ganglien zurückprojizieren.

Lokale Reflexe können über prävertebrale Ganglien ziehen und bewirken z.B. bei Dehnung eines proximalen Darmabschnitts die Relaxation eines weiter distal gelegenen. Das ZNS ist an solchen Reflexmustern, die weite Teile des Darms gemeinsam umfassen, nicht beteiligt (intestino-intestinale Reflexe).
 
Sensorik
  
Sensorische Neuronen melden Dehnungs-, chemische und Schmerzreize an prävertebrale Ganglien und ZNS. Einige ziehen über das Hinterhorn des Rückenmarks und haben thalamische und kortikale Projektionen (viszerosensorisches Rindengebiet der Insel). Sie bilden einerseits afferente Schenkel viszeraler Reflexe, andererseits führen sie zu bewussten Empfindungen (wie Übelkeit, Stuhldrang, Schmerz - viszerosensible Afferenzen). Die intrinsisch afferenten Fasern aus dem Darm sind cholinerg.
 
Motorik
  

Der plexus myentericus (Auerbach-Plexus ) in der muscularis-Schichte des Oesophagus, Magens und Darms (zwischen Longitudinal- und Zirkulärschichte gelegen) wird sowohl von sympathischen als auch parasympathischen Fasern angesteuert und dient der Steuerung der Motorik. Seine Neuronen werden durch präganglionär parasympathische Fasern angeregt, durch postganglionär sympathische (teils indirekt, d.h. durch Interaktion mit parasympathischen Fasern) über α2-Rezeptoren gehemmt. Kontraktion von Gefäßen und Sphinkteren ist α1-Rezeptor-vermittelt.

Peristaltik: Für diese koordinierte Transportmotorik kooperieren sensorische Nervenzellen mit oralwärts projizierenden
ACh/ENK/SP-Neurone und aboralwärts projizierenden NO/VIP-Neuronen:



      Ausgehend von der Dehnung eines Darmabschnittes, erregen von hier aus oralwärts projizierende plexus-myentericus-Neurone (die als Kotransmitter Enkephaline oder Substanz P verwenden) die Ringmuskulatur in einer einige Millimeter weit reichenden Kontraktionszone (aszendierender exzitatorischer Reflex).

      Gleichzeitig hemmen Neurone mit Stickstoffmonoxid (NO) und vasoaktivem intestinalen Peptid (VIP) als Transmitter aboralwärts gelegene Zellen der Ringmuskulatur (deszendierender inhibitorischer Reflex: Dilatationszone).

 

>Abbildung: Propulsive Peristaltik
Nach einer Vorlage in as.miami.edu

Die Ringmuskelschicht (stratum circulare) bildet auf der oralwärts gelegenen Seite des Bolus Kontraktionswellen, deren Position sich mit der Fortbewegung (grüner Pfeil) aboralwärts verlagert (strichlierte Linien).

Die Längsmuskelschicht (stratum longitudinale) zieht sich über dem Bolus zusammen, der Darm verkürzt sich und schiebt den Inhalt weiter.

Dieses Muster wird durch synaptische Verschaltungen im enteralen Nervensystems aufgebaut und bewegt sich mit der Verschiebung des Dehnungsreizes in der Wand (Dehnungsrezeptoren) über das Darmrohr. Es wiederholt sich in einer Weise, die den ganzen peristaltischen Komplex analwärts gleiten lässt

Eine Erschlaffungswelle geht also einer Kontraktionswelle voraus. Zusammen ergibt sich ein Muster, das  als Peristaltik bezeichnet wird und den Darminhalt von oral nach aboral weiterbefördert. Das Reflexmuster wandert analwärts, angeregt im jeweils gedehnten Darmsegment.
 
SIP-Synzytium und Schrittmacherfunktion
  

 <Abbildung: System Cajal-, Nerven-, glatte Muskelzellen im Darm
Nach Kurahashi M,  Mutafova-Yambolieva V, Koh SD, Sanders KM. Platelet-derived growth factor receptor-α-positive cells and not smooth muscle cells mediate purinergic hyperpolarization in murine colonic muscles. Amer J Physiol 2014; 307: C561-70

Das Bild zeigt das SIP-Synzytium, bestehend aus glatten Muskelzellen (smooth muscle), interstitiellen (Cajal-) Zellen und intramuskulären PDGFRα+ -Zellen. Diese  sind über gap junctions elektrisch verbunden (transzelluläre Erregungsübertragung).

 
  ADPR, Adenosin 5-Diphosphat-Ribose

   β-NAD, β-Nikotinamid-Adenin-Dinucleotid

 
 
ER, endoplasmatisches (sarkoplasmatisches) Retikulum

   P2YR, Purinrezeptoren

   SK3, kalziumaktivierte Kaliumkanäle (small conductance calcium-activated potassium channel 3)

Als Schrittmacher fungieren in der glatten Muskulatur des Darmrohres interstitielle (Cajal-
) Zellen (<Abbildung) in Magen, Dünn- und Dickdarm. Von ihnen geht ein basaler Organrhythmus (basal electrical rhythm, BER) aus: Rhythmisch oszillierende Potentialschwankungen der glatten Muskelzellen entstehen durch das Zusammenspiel von Cajal- und enterischen Nervenzellen, und die resultierenden Depolarisationsphasen triggern unter -45 mV Membranpotential Entladungen ("spikes"), was Kontraktionen auslöst.

Ca++-Verfügbarkeit: Dabei sind die Zellen der Longitudinalschicht eher auf einströmendes (extrazelluläres) Kalzium angewiesen, während solche der Zirkulärschicht gut auf intrazelluläre Speicher für die elektromechanische Kopplung zurückgreifen können.


Die verschiedenen Darmanschnitte weisen jeweils einen typischen Grundrhythmus ihrer motorischen Aktivität auf (basaler Organrhythmus). Muskel- und Nervenzellen in der Darmwand bilden das sogenannte SIP-Synzytium (<Abbildung), bestehend aus glatten Muskelzellen (smooth muscle), interstitiellen (Cajal-) Zellen und intramuskulären PDGFRα+ (platelet-derived growth factor-receptor α-positive) Zellen.

Diese Zellen sind über gap junctions elektrisch verbunden (transzelluläre Erregungsübertragung), sodass sich Zustandsänderungen über den Zellverband fortpflanzen.

Gap junctions verbinden die glatten Muskelzellen der Darmwand zu einem funktionellen Synzytium, das Änderungen des Membranpotentials transzellulär überträgt.
  
So breitet sich - z.B. purinerg bewirkte - Aufladung (Hyperpolarisierung) auf umliegende glatte Muskelzellen fort und stellt den Darm ruhig. Umgekehrt führt Freisetzung von Ca++-Ionen aus dem sarkoplasmatischen Retikulum zu Kontraktionswellen. Der basale Organrhythmus triggert aktionspotentialartige Entladungen, und diese (teils über Kalziumeinstrom) die Kontraktion.

Die Transportperistaltik hat im Darm eine Geschwindigkeit zwischen 30 und 120 cm/min, der Darminhalt wird pro Minute um etwa 1-4 cm weiterbewegt.

Intestinale Motilität: Die Beweglichkeit des Darms hat mehrfache Bedeutung:

      Transport,

      Aufbereitung und Resorption von Flüssigkeit, Nahrung, Elektrolyten, Vitaminen, Spurenelementen und anderen Wirkstoffen,

      Ausscheidung.

Die glatten Muskelzellen werden durch viele Reize mit fördernder oder hemmender Wirkung beeinflusst (Dehnung, Überträgerstoffe, Hormone).
Parasympathische Efferenzen fördern die Peristaltik, indem sie motorische Neurone nikotinisch-cholinerg anregen und Sphinkteren hemmen. Sympathische Fasern hemmen wiederum die parasympathischen Wirkungen und bremsen damit die Transportbewegung.

  Der plexus submucosus (Meissner-Plexus ) liegt zwischen Mukosa (Darmschleimhaut) und Muskelschicht, er wird von parasympathischen Fasern kontaktiert und steuert die Funktion der Mukosa (Sekretion, Absorption; Epithelmotorik; Immunvorgänge).

Hier finden sich sekretionsfördernde cholinerge Neurone mit Neuropeptid Y, sowie Neurone mit Dynorphin, Galanin und VIP als Kotransmitter.

Letztere werden inhibiert durch noradrenerge Neurone mit Somatostatin als Kotransmitter; diese Fasern wirken damit sekretionshemmend.
 
Interdigestive Phase und migrierender Motorkomplex (MMC)
 

>Abbildung: Migrierende Motorkomplexe (MMC's)
Nach einer Vorlage bei Ganong's Review of Medical Physiology (24th ed.), McGrawHill Inc.

MMC's wandern bei leerem Magen-Darm-Trakt mit einer Geschwindigkeit von ca. 5 cm pro Minute stetig vom Magen colonwärts (rosa Pfeile). Sie werden durch Nahrungsaufnahme vollständig unterdrückt (Verweildauer: grün) und tauchen 90-120 Minuten später wieder auf.

Gezeigt sind Phasen 2 (gelb) und 3 (blau)

Migrierender Motorkomplex:

In der interdigestiven Phase - wenn der Darm leer ist (Nüchternzustand) - hat die Peristaltik eine "Ausputzerfunktion", die auch das Bakterienwachstum kontrolliert. Während dieser Zeit ist der Pylorustonus niedrig, sodass große Brocken (bis >2 cm) aus dem Magen in den Dünndarm gelangen können. Auf diese Weise wird der Magen von Resten "gereinigt".

Vom Magen bis zum Colon laufen dann in etwa stündlichen Intervallen (je nach Darmabschnitt verschieden) Kontraktionswellen, die durch elektrische Entladungswellen (MMC: migrating motor complex,
migratory myoelectric complex ) getriggert werden. Die vom MMC getriggerten peristaltischen Wellen begünstigen den Transport unverdaulicher Reste Richtung Enddarm. Sie wandern mit einer ziemlich konstanten Geschwindigkeit von etwa 5 cm/min (>Abbildung).

In dieser "Reinigungsphase" werden Magen-, Gallen- und Bauchspeicheldrüsensekret gebildet, was einer "inneren Spülung" des Darms entspricht. Auch hindert der MMC Bakterien an einem retrograden Aufstieg vom Dick- in den Dünndarm. Ausgangspunkt des MMC ist der Magen, wo etwa alle 5-10 Minuten eine neue Aktivitätswelle ausgelöst wird. Die Dauer einer einzelnen MMC beträgt etwa eine Minute; Motilin beteiligt sich vermutlich an der Regulierung.

Das Nüchtern-Aktivitätsmuster der MMC's in Magen und Dünndarm gliedert man in mehrere Phasen:

  Phase 1: Ruhephase ohne motorische oder sekretorische Tätigkeit

  Phase 2: Unkoordinierte Motorik niedriger Intensität

  Phase 3: Starke Kontraktionen, Luft im Magen wird zusammengepresst (erzeugt "Magenknurren")






Schädigung oder mangelhafte Anlage der Darmnerven bedingt Störungen von Tonus und Peristaltik (z.B. Hirschsprung´sche Krankheit = Megacolon congenitum: Transportbehinderung im Dickdarm durch fehlende Darmnerven - Therapie: Entfernung des betroffenen Darmstücks).

Einige Medikamente werden nach einer Mahlzeit besonders rasch resorbiert, vermutlich, weil ihre Anwesenheit die Durchblutung des Splanchnikusgebietes steigert. Herzinsuffizienz oder Hypovolämie senken umgekehrt die Aufnahme von Medikamenten aus dem Darm.

Krankheitsbilder, welche die Motilität reduzieren (z.B. diabetische Neuropathie, Migräne
), können die Magenentleerung und damit Resorptionsvorgänge verzögern. Umgekehrt können Medikamente die Darmmotorik beeinflussen und damit die Aufnahme anderer Pharmaka beschleunigen oder bremsen.

Akut kritische Situationen ergeben sich aus einem Darmverschluss (Ileus ), der einen Transportstop im Darm bedingt. Dieser kann mechanisch (etwa durch Einklemmung) oder funktionell durch Darmlähmung (Paralyse) bedingt sein.

Ein paralytischer Ileus ist (im Gegensatz zum mechanischen) durch Abwesenheit intestinaler Muskelaktivität gekennzeichnet ("Totenstille" im Abdomen; die Anwesenheit von Darmgeräuschen schließt einen paralytischen Ileus aus).

Paralytischer Ileus kann zustande kommen durch

  massiven Sympathikuseinfluss ("reflektorischer" Ileus, z.B. bei operativen Eingriffen im Bauchraum)

  metabolische Entgleisungen - Sepsis, diabetisches Koma, Urämie, Hypokaliämie, Elektrolytstoffwechselstörungen ("metabolischer" Ileus)

  Gifte ("toxischer" Ileus, etwa nach diffuser Peritonitis)

 

  Über Therapieoptionen bei Ileuserkrankung, die von antiinflammatorischen Reflexmechanismen Gebrauch machen s. dort.



Eine Reise durch die Physiologie


  Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen: Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.