Physiologie des Herzens


Koronargefäße, Stoffwechsel des Myokards, Herzmuskelenzyme

 
© H. Hinghofer-Szalkay

Infarkt: in-farcire = hinein-stopfen
Ischämie: ἴσχειν = zurückhalten, αἷμα = Blut
Koronare Perfusion: corona = Kranz, fundere = fließen, gießen
Kreatinkinase: κρἔας = Fleisch,
κίνησις = Bewegung
Troponin: τροπή = Wandel, Wechsel, Umschlag



Es gibt so gut wie keine Sauerstoffreserven im Herzmuskel - aber die ständig aktiven Myokardzellen können ohne O2-Zufuhr nur für kürzeste Zeit funktionieren. Das erklärt die Bedeutung unbehinderter Durchblutung (Herzkranzgefäße: Koronarperfusion). 5% des Herzzeitvolumens und 10% der gesamten Sauerstoffaufnahme des Körpers gehen in die Versorgung des Myokards. In Ruhe sind das pro Minute ca. 300 ml Blut und 30 ml Sauerstoff; bei körperlicher Belastung steigen diese Werte bis 5-fach an.

Außer dem Sauerstoff verbraucht das Myokard auch mit dem Blut angelieferte Energieträger: Mindestens 40% Fettsäuren (dazu wird Carnitin benötigt) und Neutralfette, mindestens 20% Glukose, mindestens 10% Laktat, weiters Ketonkörper, Pyruvat und Aminosäuren. Zur Metabolisierung dieser Substrate wird Sauerstoff benötigt.

Viele Faktoren beeinflussen den Blutstrom durch die Herzkranzgefäße: Metabolische, hämodynamische, neuronale, hormonelle. Je intensiver der Herzmuskel arbeitet, desto weiter werden die Koronararterien gestellt und umso höher ist die Durchblutung (Autoregulation).

Eine besondere Situation besteht in der Wand des linken Ventrikels, vor allem in den inneren Zonen: Hier schnürt in der Systole das Myokard die Arterien ab - die Perfusion ist stark reduziert. Die Wand des linken Ventrikels wird daher vor allem während der Diastole durchblutet - da läßt der "Würgegriff" des Muskelgewebes an seinen Versorgungsgefäßen nach.


Übersicht Koronardurchblutung und myokardialer Sauerstoffbedarf Substrate für den myokardialen Energiestoffwechsel Koronare Durchblutungssteuerung

 
>Abbildung: Aortenpuls (rot) und Blutströmung (grün) in der linken Koronararterie
Nach einer Vorlage in cvphysiology.com

  Der kontrahierte linke Ventrikel  Die Perfusion der Wand des linken Ventrikels während der Systole (a = Anspannungszeit, b = Austreibungszeit) ist geringer als während der Diastole (c)

Der Herzmuskel einer erwachsenen Person produziert bei körperlicher Ruhe ca. 0,1 MJ/min mechanische Arbeit. Das der Wirkungsgrad der Kontraktionstätigkeit kaum 20% beträgt, bedeutet das einen Sauerstoffbedarf von ≈10 ml pro 100 Gramm Myokard und Minute (≈30 ml O2/min bei einem 300 g schweren Herzen - entsprechend mehr bei Hypertrophie).

Klinisch lässt sich der myokardiale Sauerstoffverbrauch (Myocardial oxygen consumption MVO2) über das Produkt: Mittlerer systolischer Blutdruck mal (mittlerer) Austreibungszeit mal Herzfrequenz abschätzen (Tension-time Index TTI, <Abbildung):

<Abbildung: Ermittlung des Tension Time Index
Nach einer Vorlage bei derangedphysiology.com


Während der Austreibungszeit verbraucht das Myokard Sauerstoff für die Pumpfunktion. Das Produkt Austreibungszeit mal Herzfrequenz (in bpm) gibt die Zeit (als dimensionslose Fraktion, z.B. 0,2) während einer Minute an, in der das Myokard Blut fördert (systolischer Aktivitätsanteil). Multipliziert man diesen Wert mit dem mittleren Blutdruck in dieser aktiven Periode, ergibt sich der TTI als gutes Maß für den myokardialen Sauerstoffverbrauch.

Das Myokard ist auf fortwährende ausreichende Versorgung mit Sauerstoff angewiesen; bei ungenügender Durchblutung nimmt die Kontraktionskraft rasch ab.

Herzstillstand kann bereits wenige Minuten nach einem
Herzinfarkt (Myokardinfarkt ) auftreten, irreversible Schäden stellen sich nach ≈30 Minuten Blutleere ein, da ja das Herz auch für seine eigene Durchblutung sorgen muss (Koronargefäße ; normales Durchblutungsmuster s. <Abbildung unten).



Das Myokard wird durch den Koronarkreislauf (Koronarien = Herzkranzgefäße) versorgt.
 
  Die Koronardurchblutung beträgt 4-5% des Herzzeitvolumens, in Ruhe 70-80 ml/100 g Myokardgewebe (das Herz wiegt ≈300 Gramm), bei Belastung bis ≈400 ml/100g.
  Die Differenz zwischen maximaler und basaler koronarer Perfusion bezeichnet man als koronare Reserve (>Abbildung); als Quotient angegeben, erreicht sie bei Gesunden einen Wert von 4-5.


>Abbildung: Koronarreserve
Nach einer Vorlage bei thoracickey.com

Die Koronarreserve ist die Differenz der maximal möglichen (blau unterlegt) zur basalen (Ruhe-)Durchblutung der Herzkranzgefäße. Bei gesunden Gefäßen beträgt die Koronarreserve etwa 4-5, d.h. die Durchblutung kann bei Steigerung der Mokyardaktivität um diesen Betrag ansteigen.

Im Bild hat die Koronarreserve etwa den Wert 4 (links, Herzkranzgefäße offen). Mit zunehmender Einengung der Koronargefäße (Sklerosierung → koronare Herzkrankheit) bis auf etwa die Hälfte des Normalwertes (Abszisse) nimmt die koronare Reserve (rote Doppelpfeile) zunächst kaum ab, bei höherem Stenosegrad sinken sowohl Ruhedurchblutung (orange unterlegt) als auch Koronarreserve, schließlich treten sogar im Ruhezustand chronische Ischämiezeichen auf (EKG)


Die Koronardurchblutung hängt vom transkardialen Druckgradienten ab, das ist das Druckgefälle vom Koronararterienabgang bis zur Einmündung der venösen Gefäßäste in den sinus coronarius); er ist umgekehrt proportional zum koronaren Strömungswiderstand. Letzerer ist von zwei Faktoren bestimmt:

   
   Vaskuläre Komponente: Tonus der Koronargefäße. Deren Autoregulation ermöglicht in tiefen (subendokarialen) Schichten des linken Ventrikels ausreichende (diastolische) Perfusion, obwohl diese von der systolischen Drosselung der Koronardurchblutung besonders stark betroffen sind

   
   Extravaskuläre Komponente: Druck der Ventrikelwand während der Systole - die Kontraktion des linken Ventrikels "würgt" die Durchblutung ab (>Abbildung ganz oben), vor allem in den subendokardialen Schichten. Etwa 80% der myokardialen Durchblutung des linken Ventrikels findet während dessen Diastole statt (dieser Effekt ist im rechten Ventrikel, dessen Druckentwicklung nur ≈1/6 derjenigen der linken Kammer beträgt, nur schwach ausgeprägt) 
 
  Der Sauerstoffbedarf des Herzens (10 ml/100g/min in Ruhe, bis über 50 ml/100g/min bei Belastung) beträgt hingegen etwa 10% des gesamten Bedarfs des Körpers (Ruhe ≈30 ml/min, schwere Arbeit bis >150 ml/min). Dies kommt in der hohen O2-Extraktionsrate im Koronarkreislauf zum Ausdruck, sie ist mehr als doppelt so hoch (≈70% arterio-venöse Sauerstoffdifferenz) als für den gesamten Organismus im Ruhezustand typisch (≈25% AVDO2).
Das bedeutet auch, dass eine Steigerung des Sauerstoffangebots bei zunehmender Herzleistung weitgehend über eine Erhöhung der Durchblutung erfolgen muss (die Sauerstoffausschöpfung kann nicht mehr wesentlich gesteigert werden). Tatsächlich lässt sich die koronare Durchblutung bis auf das 5-fache steigern (Koronarreserve, s. oben).

Der Energiestoffwechsel des Myokards läuft fast ausschließlich aerob ab. 3/4 des Energiebedarfs entfallen auf die Kontraktion, die restlichen ≈25% auf Strukturerhaltung, Kalziumtransport (sarkoplasmatisches Retikulum) und Ionenpumpen an der Außenmembran. Etwa die Hälfte der Energie eines Herzzyklus wird in der (isovolumetrischen) Anspannungszeit konsumiert.





<Abbildung: Substratnutzung (% von gesamt) des Myokards bei körperlicher Ruhe und intensiver Arbeit


Im Ruhezustand dominieren Fettsäuren und Triglyzeride (>40%), bei intensiver körperlicher Belastung Laktat (≈60%)

  Substrate für den Energiestoffwechsel des Herzmuskels (<Abbildung): Als Substrat ür den aeroben Energiestoffwechsel (O2-Extraktion aus dem Blut ≈70%!)  dienen

     bei körperlicher Ruhe
zu ≈40% (bis 70%) Fettsäuren und Triglyzeride, zu ≥20% Glukose, zu ≈20% Laktat und zu ≈7% Ketonkörper, Pyruvat und Aminosäuren, wobei sich diese Substrate gegenseitig vertreten können, abhängig vom jeweiligen Angebot im Blut.

     Bei körperlicher Belastung verschiebt sich das Nutzungsprofil: Die Laktatoxidation bestreitet bis um die 60% (Laktat strömt reichlich aus der arbeitenden Muskulatur in den Kreislauf), die Fettsäureoxidation nur noch rund 20%. Der Glukoseanteil sinkt leicht ab (≈16%); Ketonkörper, Pyruvat und Aminosäuren bestreiten nur noch 2% des gesamten Energieaufwandes.

     Bei Feten und Neugeborenen ernährt sich das Myokard vorwiegend von Glukose und Laktat; später schaltet es auf das Erwachsenenmuster um.

     Ist das Myokard geschädigt (Ischämie ), können die Myozyten wieder auf die vorwiegende Nutzung von Glukose und Laktat zurückschalten.

Was immer der Herzmuskel für seinen Stoffwechsel nutzt: Letztlich dient es als Substrat für
oxydative Energiegewinnung (Zitratzyklus) zur ATP-Synthese. Darauf deutet schon der enorme Mitochondrienreichtum der Kardiomyozyten hin. Zwar können Herzmuskelzellen bei mangelndem Angebot ihren Glykogenvorrat nutzen (Glykogenolyse) und kurzzeitig auch anaerobe Glykolyse einsetzen, aber das kann den Energiebedarf höchstens für einige Minuten decken - spätestens dann treten Ischämiesymptome auf, falls sich Koronardurchblutung bzw. Sauerstoffangebot nicht normalisieren.



Die mechanische Arbeit des Herzens ist als Druck-Volumen-Arbeit beschreibbar.
  Das Herz wird vor allem durch Druckarbeit belastet. Um das Myokard zu schonen, wird daher klinisch die Nachlast (afterload) gesenkt, d.h. der Blutdruck reduziert. Weiters ist die Herzfrequenz direkt proportional dem Energieverbrauch; Frequenzsenkung entlastet das Herz.



>Abbildung: Bei Muskelarbeit nimmt der Laktatanteil
bis auf ≈60% des myokardialen Energiestoffwechsels zu


Bei körperlicher Belastung (Zunahme des myokardialen Sauerstoffverbrauchs um das 3- bis 4 fache) steigt der Laktatanteil für die Energiegewinnung bis über die Hälfte an (Milchsäure aus der Skelettmuskulatur, die bei Belastung einen Teil ihres Energiestoffwechsels anaerob bestreitet), der relative Anteil der anderen Substrate nimmt entsprechend ab (>Abbildung). In absoluten Werten gerechnet bedeutet das, dass die Energiegewinnung durch Laktatutilisation im Herzmuskel mehr als zehnfach (im Extremfall bis zu ≈20-fach) ansteigen kann.

Dass ein entsprechender Anstieg des Sauerstoffangebots (der koronaren Perfusion) stattfindet, liegt an der Fähigkeit zur metabolischen Autoregulation der myokardialen Durchblutung: Gesteigerte metabolische Aktivität der Kardiomyozyten bewirkt deren Freisetzung vasoaktiver Stoffe (Adenosin, Wasserstoffionen, CO2), welche die Arteriolen erweitern (Vasodilatation), den Strömungswiderstand senken und damit die Durchströmung erhöhen.



<Abbildung: Koronare Perfusionsmuster
Nach einer Vorlage in ekgcasestudies.com

Versorgungsgebiete der Koronararterien (typische Verteilung). Die drei Hauptäste sind

     der ramus cicumflexus (versorgt die posterolaterale Wand) und

     der ramus interventricularis anterior (versorgt Vorderwand, vorderes Septum, Ventrikelspitze), die von der a. coronaria sinistra gespeist werden, sowie

     die
a. coronaria dextra mit ihrem ramus interventricularis posterior (versorgt das rechte Herz und hinteres Septum sowie Sinus- und AV-Knoten)

Die Kontrolle des Gefäßtonus obliegt auch dem Endothel: Es bildet NO (dieses regt die Guanylatzyklase an, es entsteht cGMP) und Prostazyklin (das die Adenylatzyklase stimuliert, es entsteht cAMP). So kommt es ebenfalls zur Relaxation der glatten Gefäßwandmuskelzellen (Vasodilatation). Weitere Stoffe - wie Serotonin, Bradykinin, Histamin - können ebenfalls über Anregung endothelialer NO-Produktion zu Gefäßerweiterung führen und das koronare Blutangebot steigern.

Für die Metabolisierung von Fettsäuren ist die aus Methionin und Lysin bestehende Verbindung Carnitin notwendig: Langkettige Fettsäuren können nur gebunden an L-Carnitin durch das Membransystem der Mitochondrien gelangen.

   Carnitin ist kein essentieller Nahrungsbestandteil, der Körper kann es selbst synthetisieren.
Carnitin kommt in Fleisch, kaum in pflanzlicher Kost vor und kann mit einer Bioverfügbarkeit von ≈50-85% aus der Nahrung resorbiert werden, Vitamine und Eisen sind dabei essentielle Kofaktoren.
 


  Die Durchblutung des Myokards (koronare Perfusion) hängt ab von

  
Herzfrequenz

   Aortendruck

   nervösen Faktoren

   metabolischen (stoffwechselabhängigen) Faktoren.

Zu metabolischen Faktoren gehören

     lokale (Adenosin, H+,
CO2)

     endotheliale (NO, PGI2)

     Hormone (Katecholamine, Angiotensin II)

     Neurotransmitter (Noradrenalin, Azetylcholin)

     Autoregulation.
 
Abnahme des Sauerstoffpartialdrucks führt zur Bildung von Mediatoren, welche Vasodilatation und damit verbesserte Durchblutung bewirken. Der Herzmuskel passt also seine Durchblutung dem Bedarf an (metabolische Autoregulation).
Nimmt das Sauerstoffangebot an das Myokard ab (Ischämie), dann entsteht aus Pyruvat Laktat, und der Herzmuskel gibt Milchsäure ab, statt sie zu verbrauchen. Daher ist ein Anstieg der koronarvenösen Laktatkonzentration (genauer: ein Absinken des arterio-venösen Quotienten) ein klinischer Indikator für eine Myokardhypoxie.

Eine besondere Situation ist für den linken Ventrikel gegeben, denn er drückt während der Systole seine submyokardialen Gefäße zu. Nur während des diastolischen Zeitfensters, in dem der arterielle Druck über dem ventrikulären liegt, kann hier ausreichend Blut durch die Koronargefäße fließen (>Abbildung ganz oben).

Bei steigender Herzfrequenz nimmt die Dauer der Diastole stärker ab als die der Systole, was die anteilsmäßige Zeit für die Perfusion reduziert (limitierender Faktor).

Koronargefäße sind stark innerviert, aber der Sympathikus hat nur schwache direkte Wirkung auf die myokardiale Durchblutung. Die größeren Koronargefäße haben α-Rezeptoren (Konstriktion - manche Patienten können ihre Koronarien aktiv verengen), kleinere ß2-Rezeptoren (Dilatation).
Herzkranzgefäße haben auch purinerge, peptiderge und nitriderge Innervation; Hemmung der NOS reduziert die koronare Ruhedurchblutung um ein Drittel.




  Belastung und Sauerstoffbedarf des Herzmuskels läßt sich grob aus dem Produkt aus Herzfrequenz (min-1) und systolischem Druck (mmHg) abschätzen (rate-pressure product - hoch: >30.000, niedrig: <15.000, bei körperlicher Ruhe deutlich niedriger). Daraus ergibt sich, dass z.B. bei gegebenem Blutdruck eine niedrigere Herzfrequenz wesentlich zur Effizienz der Sauerstoffversorgung beiträgt (Sportlerherz: Niedrige Ruhe-Schlagfrequenz). Eine hohe Schlagfrequenz steigert das Risiko einer Unterversorgung (kardiale Ischämie).
Liegt z.B. der systolische Blutdruck bei 120 mmHg und die Herzfrequenz bei 60 bpm, beträgt der rate-pressure-Wert 7200.

  Ein Belastungs-EKG zeigt auf, ob die Blutversorgung des Myokards auch bei entsprechender Steigerung der Muskelarbeit gewährleistet ist (d.h. keine Ischämiezeichen auftreten). Bei Schädigung des Herzmuskels treten vermehrt Enzyme (Troponin , CK - Kreatinkinase , LDH - Laktatdehydrogenase, AST - Aspartat-Transaminase u.a.) aus dem Myokard aus, ihre Konzentration im Blut steigt auf unphysiologisch hohe Werte an. Die Enzymanstiege sind unterschiedlich spezifisch: Der Troponintest ist empfindlich und myokardtypisch, der Anstieg weiterer Enzyme kann auch andere Ursachen haben (z.B. Verletzung der Skelettmuskulatur, Leberschaden).
Ein herausragendes kardiologisches Problem ist die koronare Herzkrankheit (KHK): Sie stellt eine der häufigsten Todesursachen in westlichen Industrieländern dar. Aufgrund mangelhafter koronarer Durchblutung ist die Sauerstoffversorgung des Myokards unzureichend. Es kommt zu Änderungen im EKG (Ischämiezeichen) und zum Anstieg von Enzymwerten im Blutplasma. Eine KHK kann sich manifestieren als Myokardinfarkt, angina pectoris (über Schmerzlokalisationen auf die Haut s. dort), Herzrhythmusstörung oder plötzlicher Herztod. Die KHK wird akut durch Senkung des myokardialen Sauerstoffverbrauchs behandelt, und allgemein durch Bekämpfung von Risikofaktoren, wie Rauchen oder Bluthochdruck.

  Durchblutungsbehinderung und Sauerstoffmangel im Myokard schädigt die Herzmuskelzellen (Myokardinfarkt), was zu Steigerung der sarkoplasmatischen Ca++-Konzentration, Absinken des intrazellulären pH und dadurch Verschluss der gap junctions (elektrische Synapsen) führt. Dies bewirkt, dass das betroffene Gewebe von seiner Umgebung elektrophysiologisch abgekoppelt wird und die Ausbreitung der Schädigung begrenzt bleibt.


Eine Reise durch die Physiologie


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