Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
 

     
Transport im kardiovaskulären System (Kreislauf, Blut, Lymphe)

Prinzipien der Hämodynamik, Hochdrucksystem
© H. Hinghofer-Szalkay


Arterie: ἀήρ = Luft (ar-teria = "die Luft Enthaltende" - der Befund von Luft in den Schlagadern Verstorbener veranlasste die alexandrinische Schule zu dem Schluss, dass den Arterien Luft aus der Lunge zugeführt wird)
Ballistokardiographie: βάλλειν = werfen (Blut wird in Aorta ausgeworfen)
Bayliss-Effekt: Sir William Bayliss (Schwager von Ernest Starling)
Blut: indogermanische Wurzel - "bhle" = quellen, aufblähen
Compliance (engl) = Fügsamkeit, Einverständnis
Darcy-Weisbach-Gleichung: Henry Darcy, Julius Weisbach
Dikrotie: δι = doppelt, κρὁτος = Schlag
Endothel: ἔνδον = innen, ζήλέὦ = wachsen
Hämodynamik: αἷμα = Blut, δύναμις = Kraft
Kapillare: capillus (lat) = Haar (Haar-Röhrchen)
Kirchhoff-Gesetze: Gustav Robert Kirchhoff
Laplace-Gesetz: Pierre-Simon Marquis de Laplace
Ohmsches Gesetz: Georg Simon Ohm
Puls: pellere, pulsum = klopfen, schlagen
Sphygmo-manometrie, -graphie: σφυγμός = Puls, Herzklopfen; μανός = dünn, μέτρον = Maß(stab), γραφή = Schrift
Traube-Hering-Mayer-Wellen: Ludwig Traube, Ewald Hering, Siegmund Mayer
vasoaktiv: vas = Gefäß, agere = bewegen, treiben



Das einfachste Kreislaufmodell besteht aus einer Pumpe (Herz) und einer Gefäßschleife: vom Herzen weg (arteriell - hoher Druck) und zum Herzen zurück (venös - geringer Druck). Der periphere Widerstand enger Gefäße (vor allem der Arteriolen, aber auch kleiner Arterien und präkapillärer Sphinkteren) ist eine virtuelle Größe; steigt sein Betrag, dann nimmt die Strömung (Durchblutung) ab, und der Druckunterschied vor / hinter dem Widerstand nimmt zu.

Schon dieses simple Modell zeigt fundamentale hämodynamische Charakteristika: (1) Je höher das (Blut)Volumen, desto höher die (Blut)Druckwerte; (2) die periphere Durchblutung im Kreislauf entspricht dem Herzzeitvolumen; (3) je größer der periphere Widerstand, desto stärker unterscheiden sich arterieller und venöser Druck; (4) das (gut dehnbarere) Venensystem hat geringere Drucke (und Druckschwankungen) als das weniger dehnbare Arteriensystem.

Unter Berücksichtigung der Gefäßaufzweigungen im Kreislauf ergibt sich, dass die hydrodynamische Leitfähigkeit des Gefäßsystems der Summe der (parallel zueinander angeordneten) Leitfähigkeiten der Teilkreisläufe entspricht; anders ausgedrückt: der Kehrwert des peripheren Widerstandes ist die Summe der Kehrwerte der Einzelwiderstände.

Jedes Schlagvolumen des Herzens gelangt stoßweise in die Aorta. Der Druck pulsiert, gedämpft durch die Dehnbarkeit der Schlagader ("Windkesseleffekt"). Je steifer die Wände, desto größer die Blutdruckamplitude, der Unterschied zwischen maximalem ("systolischem") und minimalem ("diastolischem") Blutdruckwert.

Der periphere Widerstand ergibt sich aus dem Zustand der Gefäße: Werden sie enger, spricht man von Vasokonstriktion, erweitern sie sich, von Vasodilatation. Vasokonstriktion bewirken sympathische Nervenfasern (Noradrenalin), Angiotensin, Endothelin, Thromboxane u.a. Kollaterale Vasokonstriktion leitet Blut in Nachbargebiete mit geringerem Widerstand um.

Vasodilatation ergibt sich durch den weitenden Effekt des Blutdrucks (druckpassiv), insbesondere wenn vasokonstriktorische Einflüsse nachlassen (sinkender Sympathikustonus). Das kann durch Substanzen unterstützt werden, die bei Gewebeaktivität freiwerden und auf diese Weise perfusionsfördernd wirken (z.B. Adenosin, Stickstoffmonoxid, Prostazyklin, CO2, CGRP).



Übersicht  Blutvolumen / Plasmavolumen Prinzipien der Hämodynamik Strömungsgesetz Arterieller Blutdruck Arterielle Druckwelle und Blutdruckamplitude Blutdruckschwankungen Windkesseleffekt  Peripherer Widerstand Compliance Gefäßtonus Vasokonstriktion Vasodilatation und Autoregulation Kininsystem  Praktische Aspekte

Core messages
 
Aufgabe des Kreislaufs (kardiovaskulären Systems) ist die Verteilung von Stoffen im Körper - zum Zweck von Ernährung, Wachstum, Reparatur. Dazu kommen die Verteilung von Wärmeenergie, Informationsübertragung (Hormone, Zytokine, Transmitter) und Immunschutz. Schließlich kann Blut seine hydrodynamischen Eigenschaften an die Umstände anpassen: Einerseits ist es gut fließfähig (geringe Viskosität), andererseits stoppt es Blutungen bei Gefäßverletzungen (hohe Viskosität).

Morphologie und Funktion. Die Wand von Blutgefäßen ist aus folgenden Geweben aufgebaut:

Endothel
: Endothelzellen bilden eine einschichtige Innenlage in allen Blutgefäßen. Kapillaren bestehen nur aus Endothel (s. dort), alle anderen Gefäße verfügen auch - in unterschiedlichem Ausmaß, je nach Funktion - über folgende Komponenten:

Elastische Fasern können gummiartig Dehnungskräfte aufnehmen, speichern und retournieren - insbesondere in Arterien (über Elastin s. dort)

Kollagenfasern stellen eine kaum dehnbare Stützstruktur dar (zu Kollagen vgl. dort)

Glatte Muskulatur ist in der Gefäßwand spiralig angeordnet, in elastischen Arterien eher parallel zur Längsachse, in muskulären eher ringförmig (je nach Funktion) - näheres zu Gefäßwand, Vasokonstriktion und Vasodilatation s. dort
 
Anpassungsfähigkeit: Wird ein Gefäß an eine Stelle mit unterschiedlichem Belastungsprofil verbracht (z.B. Transplantation einer Vene in einen arteriellen Abschnitt), ändert es seine Zusammensetzung und damit seine biologischen Eigenschaften entsprechend den Anforderungen seiner neuen Umgebung.
 
Gesetze der (Hydro-) Mechanik bestimmen die Kreislauffunktionen
 
Hydromechanik beschreibt das mechanische Verhalten von Flüssigkeiten - sowohl von unbewegten (Hydrostatik) als auch strömenden (Hydrodynamik). Blut ist zwar eine komplexe (nicht-Newtonische) Flüssigkeit, sein Verhalten im Kreislauf lässt sich aber gut über hydromechanische Prinzipien beschreiben. So gilt beispielsweise, dass eine bereits beschleunigte (etwa aus dem Ventrikel ausgeworfene) Blutsäule wegen ihrer Massenträgheit dazu tendiert, weiter zu strömen; dass der Aufbau eines Druckgradienten (wie durch Kontraktion von Herz-, Gefäß- oder Skelettmuskulatur) Blut strömen lässt; oder dass in einem flüssigkeitsgefüllten System Druckunterschiede auftreten, wenn es einer Beschleunigung unterworfen wird (hydrostatische Druckgradienten in Arterien, Venen und anderen flüssigkeitsgefüllten Hohlräumen) - wie im alltäglichen Beispiel der Verhinderung des freien Falls durch eine Gegenkraft (etwa beim Stehen auf festem Untergrund).


>Abbildung: Stark vereinfachte Darstellung des kardiovaskulären Systems
Nach einer Vorlage bei Mohrman DE / Heller LJ, Cardiovascular Physiology, 8th ed. McGraw Hill 2014

Reduziert auf Pumpe (Herz), Verteilersystem unter hohem Druck (Arterien), Druckreduktion (Arteriolen), Versorgungsgefäße (Kapillaren), Blutspeicher (periphere Venen) und Gefäße, deren Füllung die Vorlast des Herzens bestimmt (zentralvenöser Teil)


Hämodynamik ist die Übertragung der Gesetze der Hydrodynamik auf das spezielle Anwendungsgebiet der Blutströmung. Sie muss u.a. berücksichtigen, dass Blut als "flüssiges Gewebe" (Blutkörperchen in Blutplasma suspendiert, mit unterschiedlichem und jeweils komplexem biomechanischem Eigenschaften) in seinem hydrodynamischen Verhalten zum Teil erheblich von einer einfachen Flüssigkeit (wie Wasser, aus dem Blut hauptsächlich besteht) abweicht.

Das Herz beansprucht bis zu 10%
des Energieumsatzes im Körper (steigt dessen Umsatz, hat auch der Herzmuskel mehr zu leisten). Jeden Tag werden bis zu ~10.000 Liter Blut transportiert, gegen einen arteriellen Druck von ~2 kPa (rechter Ventrikel) bzw. ~13 kPa (linker Ventrikel).
 
1 kPa = 7,5 mmHg
 
Da es immer noch üblich ist, den Blutdruck in Millimetern Quecksilbersäule anzugeben, ist die Kenntnis der Umrechnung in die SI-Einheit Kilopascal wichtig (1 mmHg entspricht etwa 0,13 kPa).

  
Blutvolumen und Plasmavolumen
 
Das Blutvolumen insgesamt beträgt 5-10% des Körpergewichts, je nach Körperzusammensetzung (bei hohem Fettanteil ist der Prozentsatz niedrig, bei schlanken Menschen höher, bei normalgewichtigen Kindern recht hoch - 8-9%). Bei 70 kg Körpermasse kann man von ~5 Liter Blut ausgehen (7-8% des Körpergewichts).

Als zentrales Blutvolumen

Der Großteil des Blutvolumens (84%) befindet sich im systemischen Kreislauf, und hier vor allem im Venensystem (64%); knapp 9% entfallen auf den Pulmonalkreislauf, gut 7% auf das Herz am Ende der Diastole (Tabelle):
 
 
Verteilung des Blutvolumens
 
Absolutwerte: 70 kg schwere Frau. Bei einem 70 kg schweren Mann liegen die Absolutwerte um 10% höher.
 
Nach Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021
Region
Absolutes Volumen (ml)
Relatives Volumen (%)
Systemischer Kreislauf
4200
84
Aorta und große Arterien
300
6

Kleine Arterien
400

8

Kapillaren
300

6

Kleine Venen
2300

46

Große Venen
900

18

Pulmonal-
kreislauf
440
8,8
Arterien
130

2,6

Kapillaren
110

2,2

Venen
200

4,0

Herz (Ventrikel,
enddiastolisch)
360
7,2
Gesamt
5000
100
 
Gerundet bedeutet das: Das Hochdrucksystem beinhaltet 
~15%, das Niederdrucksystem ~80%, die Herzräume haben ~5% des gesamten Blutvolumens. Also bei 5 Liter Blutvolumen: Hochdrucksystem ~0,75 Liter, Niederdrucksystem ~4 Liter, Herzräume ~0,25 Liter (enddiastolisches Ventrikelvolumen jeweils ~0,13 l).

Man erkennt, dass das größte Blutreservoir in den Venen liegt; Vasodilatation in diesem Kreislaufabschnitt hat große funktionelle Folgen, weil hier der Druck abnimmt und weniger Blut zur Herzen zurückströmt, mit der möglichen Folge eines Kreislaufkollapses (Synkope). Auch Veränderungen des Blutvolumens haben entsprechende Folgen:
 
 
Hypovolämie
= reduziertes Blutvolumen infolge Blutverlusts (Stadium 1: bis -15%, Stadium 2: bis -30%, Stadium 3: bis -40%, Stadium 4: über -40%), Dehydration, Salzmangel
 
Hypervolämie = erhöhtes Blutvolumen - z.B. infolge Salz-Wasser-Retention bei Nierenversagen, Infusion von Plasmaersatzflüssigkeiten / Plasmaeiweiß oder hypertonen Flüssigkeiten

Je größer ein Volumenverlust, desto schwieriger ist die physiologische Kompensation der unzureichenden Füllung des Herzens (mangelhaftes preload) und Aufrechterhaltung von Blutdruck und Durchblutung.

Rechtes und linkes Herz greifen
bei plötzlicher Steigerung der Herzleistung auf das ihnen vorgelagerte Blutvolumen zurück:

  
  Derjenige Teil des venösen Blutvolumens, den das rechte Herz unmittelbar als funktionelle Reserve mobilisieren kann (unscharfe Definition), wird als effektives Blutvolumen bezeichnet. 

Das
zentrale Blutvolumen liegt zwischen Pulmonal- und Aortenklappe - ein Teil davon kann vom linkenHerzen als unmittelbare Füllungsreserve herangezogen werden (wenn der venöse Blutnachschub aus der Peripherie zum rechten Herzen vorübergehend nachlässt). Auch diese Definition ist insoferne unscharf, als der Inhalt des rechten Ventrikels manchmal dazugezählt wird  ("volumes of heart chambers and pulmonary circulation").
 
  Zur Regulation des Blutvolumens s. dort

  Wie bestimmt man das Blutvolumen? S. dort 

 
Prinzipien der Hämodynamik
  
Hämodynamik beschreibt die Wechselwirkungen zwischen Volumen, Druck, Blutströmung und mechanischen / geometrischen Eigenschaften der Gefäßwände. Die zugrundeliegenden hydrodynamischen Prinzipien beschreiben z.B. Umstellungen bei Änderung der Körperlage, der Durchblutung von Teilkreisläufen, plötzlicher Verringerung (Hämorrhagie) oder Erhöhung (Transfusion) des Blutvolumens.
 

<Abbildung: Einfluss von Blutvolumen, Herzleistung, Gefäßwiderstand und -dehnbarkeit auf hämodynamische Kenngrößen in einem simplen mechanischen Modell

  1. Dehnbarkeit: Mit akut vergrößertem Blutvolumen (symbolisiert durch Injektionsspritze) steigt - zumindest vorübergehend - der Druck (geschlossenes System mit definierter Dehnbarkeit elastischer Wände)
 

  2. Kontinuität: Summe der Durchblutungswerte im Körper = Herzzeitvolumen (Gleichbleibende Strömung in hintereinander geschalteten Abschnitten). Stärkere Durchblutung bedeutet höhere Pumpleistung des Herzens
 

  3. Der Strömungswiderstand zwischen Arterien- und Niederdrucksystem nimmt mit dem Grad der Vasokonstriktion (Verengung der Arteriolen) zu
 

  4. Die Compliance - Volumenänderung pro Druckänderung - ist im Venensystem  etwa um zwei Zehnerpotenzen größer als im Arteriensystem


Blutströmung: Damit Blut durch ein Hohlorgan bzw. Gefäß fließt, muss es entweder beschleunigt worden sein (und strömt aufgrund der Massenträgheit wie ein abgefeuertes Geschoß weiter, z.B. aus dem Herzen Richtung Aorta während der Austreibungszeit); oder es wird durch einen Druckgradienten befördert (z.B. von einer Arterie in eine Vene). Druckunterschiede im Kreislauf können hydrostatisch auftreten ("unten" höher als "oben") oder durch Kräfte aus dem Herzen (Systole) oder der Gefäßwand (Vasokonstriktion). Der wichtigste Faktor, der Blut durch den Kreislauf treibt, ist der Aufbau und Erhalt von Druckunterschieden.

Obwohl die Höhe und Regulation von Blutdruck und Durchblutung von vielen zusätzlichen biologischen Faktoren abhängt, wie z.B. von der Salz-Wasser-Bilanz des Körpers, kann der Kreislauf für Kurzzeiteffekte als geschlossenes, elastisches System betrachtet werden, in dem die Gesetze der Hämodynamik gelten.
 
Gesamtkreislauf: Den größten Anteil des Strömungswiderstandes im Kreislauf bieten kleine Arterien und vor allem die Arteriolen, in den Kapillaren ist der Druck (mit wenigen Ausnahmen, z.B. Glomerulumkapillaren) fast auf venöses Niveau abgesunken.
 

>Abbildung: Kreislauf in Zahlen
Modifiziert nach einer Vorlage bei R. TannerThies: Physiology - An Illustrated Review. Thieme 2011

Arteriensystem: Größter Druck, größte Strömungsgeschwindigkeit
 
Arteriolen: Größter Strömungswiderstand
 
Kapillaren : Größte Anzahl, größte Oberfläche
 
Venen: Größtes Volumen

Die Zahlen verstehen sich als Annäherungen
. Große Arterien haben einen Durchmesser von >10 mm, kleine ~1 mm, Arteriolen ~0,03 mm, Kapillaren ~6 µm, große Venen >15 mm.

Der Gesamtquerschnitt der Kapillaren ist im Lungenkreislauf (
~4000 cm2) größer - und der Strömungswiderstand geringer - als im großen Kreislauf (~3000 cm2).

Kapillaren bieten bei einer erwachsenen Person eine Austauschfläche von
~90 m2 in der Lunge, ~280 m2 in der Skelettmuskulatur.


Der venöse Druck im Kreislauf ist (im Mittel) gering und verändert sich kaum - abgesehen von lageabhängigen (hydrostatischen) Druckunterschieden:

Im Stehen ist der Venendruck über die Längsachse des Körpers sehr unterschiedlich (kollabierte Venen im Kopf-Hals-Bereich, prall gefüllte Venen in unteres Körperpartien), und bei Lagewechsel kommt es zu starken Volumenverschiebungen und Veränderungen des Herzzeitvolumens (Stehen ~5 l/min, Liegen ~7 l/min).
 
  
   Der transmurale Druck ist der Unterschied zwischen Innen- und Außendruck (Blutdruck minus Gewebedruck) an der Gefäßwand. Steigt der transmurale Druck, wird das Gefäß gedehnt, sein Durchmesser nimmt zu.

Eine Zunahme des Innendurchmessers senkt den Gefäßwiderstand. Bei Gefäßen, die sich druckpassiv verhalten (z.B. im Pulmonalkreislauf), ist dieser Zusammenhang sozusagen ungestört, und jeweils unten gelegene Lungenabschnitte
(Gefäße durch höheren hydrostatischen Druck stark aufgedehnt) werden so besser durchblutet als jeweils oben gelegene (was zur besseren Belüftung unten gelegener Alveolen passt).

Anders verhält es sich, wenn das Gefäß auf Dehnung aktiv mit Kontraktion seiner media reagiert (Bayliss-Effekt).
 
 
Zahlen zu Blutgefäßen (gerundet)
 
Nach Camasao DB, Mantovani D, The mechanical characterization of blood vessels and their substitutes in the continuous quest for physiological-relevant performances. A critical review. Materials Today Bio 2021; 10: 100106

große Arterien
mittlere Arterien
kleine Arterien
kleine Venen
mittlere Venen
große Venen
Durchmesser (mm)
>10
6-10
1-6
1-6
6-15
>15
Wanddicke (µm)
1500
1000
125-800
40-500
800
1200
Gesamtlänge (mm)
400
8000
160000
160000
8000
400
Druck (mmHg)
100
100
90-95
15
10
5
 
Die Aorta unterliegt hohem transmuralem Druck (systolisch bis 29 kPa - 220 mmHg - bei sportlichen Spitzenbelastungen) und hat einen großen Gefäßdurchmesser (innen ~25 mm). Das bedeutet hohe Wandspannung.

Diese wird durch eine besonders stark ausgeprägte Elastinschicht in der Außenwand aufgefangen. Elastin
ist ein auf das Doppelte seiner Ruhelänge dehnbare Protein; es ermöglicht die Zwischenspeicherung eines Teils des vom linken Ventikel ausgeworfenen Schlagvolumens. Auch die mittlere Muscularis- und die innere Kollagenlage sind kräftig entwickelt. Gemeinsam fangen diese Schichten die hohe Wandspannung der Aorta auf.

Elastische Fasern kommen nicht nur im Kreislauf vor (druckresistente Gefäße, Herzklappen), sondern auch in Lunge, Haut, Auge (Linse), Skelettsystem (Bänder) u.a. Sie bestehen in erster Linie aus dem Protein Elastin, das stark hydrophobe Abschnitte enthält (diese vermitteln die elastischen Eigenschaften) und dessen gekrümmten Moleküle miteinander quervernetzt sind. Bei Dehnung orientieren sie sich gemeinsam in Zugrichtung um, wobei sie kollektiv eine dehnungsproportionale Gegenkraft entwickeln.
 
Bei der Bildung elastischer Fasern gehen der Sekretion von Elastin Mikrofibrillen voraus (insbesondere das Glykoprotein Fibrillin, an das dann Elastin - das aus seiner Vorstufe Tropoelastin entsteht - bindet). Sie wirken als "Platzhalter" (z.B. bei der Entwicklung der Linse im Auge) und bilden ein Gerüstwerk, an dem sich die Organisation des Elastins im begtreffenden Bindegewebe orientiert.
 
Mutation des Fibrillin-1-Gens (in der Mehrzahl der Fälle vererbt) verursacht das Marfan-Syndrom, bei dem bindegewebig-elastische Elemente in Skelettsystem, Augen, Herz, Gefäßsystem, Lunge betroffen sind.
 
Elastin ist besonders gut dehnbar - ein Netzwerk aus Elastinfasern kann um mehr als 100% der Ausgangslänge seiner Elemente gedehnt werden, bevor es zu Einrissen kommt (Kollagen kann nur um 3-4% ohne strukturelle Schäden gedehnt werden).

Arterielle Hypertonie kombiniert mit Wandschwäche kann zur Ausbildung von Aortenaneurysmen (Aussackungen) führen. An der betroffenen Stelle nimmt der Gefäßdurchmesser noch mehr zu, und ein circulus vitiosus tritt auf: Die Wandspannung steigt weiter, es kann zum Einreißen der Gefäßwand kommen. Rupturiert die Innenwand (tunica intima), dringt Blut in die Aortenwand ein (Aortendissektion). Das kann zu Aortenruptur führen - mit Blutverlust nach retroperitoneal (20%) oder in die freie Bauchhöhle (80%).
 
      Arterien sind durch den Blutdruck meist aufgedehnt (positiver transmuraler Druck); sie verfügen über eine stark ausgeprägte Muskelschicht zwischen der äußeren Elastin- und der inneren Kollagenlage, um dem Dehnungsdruck standzuhalten und ihm aktiv zu begegnen (Gefäßtonus).
Gelegentlich können auch Arterien kollabieren (negativer transmuraler Druck), z.B. subendokardiale Gefäße im linken Ventrikel während der Systole. Der Lungenkreislauf ist durch entsprechende Zonen ausgezeichnet (in aufrechter Lage sind die apikalen Gebiete nur während der systolischen Blutdruckspitzen geöffnet).
 
       In Arteriolen ist die relative Ausprägung der Muscularisschichte am höchsten; Arteriolen können ihren Durchmesser aktiv besonders gut regulieren (lokal-metabolisch, neuronal-sympathisch oder humoral bedingt).

       Etwa 1-3.1010 Kapillaren (Länge ≤1 mm, Durchmesser 4-8 µm) versorgen den Körper mit Blut. Ihre Austauschoberfläche kann mehrere dm2 pro Gramm Gewebe betragen.

Arteriolen verzweigen sich stark, ihre Zahl ist geringer als die der entsprechenden (parallel geschalteten) Kapillaren

       Venen können gut mit Blut gefüllt (vor allem im Stehen in der unteren Körperhälfte) oder auch kollabiert sein (bei negativem transmuralen Druckbetrag - vgl. dort). Bei 45-Grad-Lagerung liegt der Kollapspunkt der Jugularvene normalerweise etwa 2 cm über dem Sternum ( s. dort). Die Venenwand besteht zu mehr als der Hälfte aus Kollagen; dieses ist wesentlich weniger dehnbar als Elastin (Faktor 100) und verhindert eine Überdehnung der Kapazitätsgefäße bei Steigerung des Innendrucks (bis zu einem Punkt, bei dem sich die locker angeordneten Kollagenfasern zu einer scherengitterartigen, festen Struktur ordnen, sind die Venen sehr leicht dehnbar).
 
Der funktionelle Unterschied zwischen den Gefäßabschnitten spiegelt sich in ihrer Zusammensetzung wider: In Kapillaren überwiegt das Endothel (95%), das in elastischen Arterien nur 5% ihrer Masse ausmacht; glatte Muskulatur dominiert in Arteriolen (60%); elastische Arterien sind reich an Elastin (40%); und Venolen bestehen zu 60% aus Kollagen (Tabelle):
 
 
Zusammensetzung der Wand von Blutgefäßen (%, gerundet)
 
Nach Herring / Paterson: Levick's Introduction to Cardiovascular Physiology, 6th ed. 2018


Endothel
glatter Muskel
Elastin
Kollagen
Elastische Arterie
5
25
40
27
Arteriole
10
60
10
20
Kapillare
95
0
0
5*
Venole
20
20
0
60

* Basalmembran

 
Die Aorta (Durchmesser 2,6 cm) sowie die Hauptschlagadern der Beine (aa. iliacae) und der Lunge (aa. pulmonales) - jeweils mit 1-2 cm Durchmesser - expandiesen mit jedem Herzschlag um etwa 10% und nehmen so das Schlagvolumen elastisch auf (Windkessengefäße) - ermöglicht durch ihren hohen Massenanteil an Elastin
, das 6-mal dehnbarer als Gummi ist. Diese "Windkesselfunktion" wirkt wie ein Stoßdämpfer und entlastet das Herz. Während der Systole wird so mechanische Energie gespeichert, in der Zeit der Diastole wieder abgerufen, der Blutdruck stabilisiert, und die Perfusion der Peripherie erfolgt ziemlich stetig.

Versteifung der elastischen Gefäße (Arteriosklerose) erhöht den Anteil der notwendigen
kardialen Beschleunigungsarbeit und kann den Energieaufwand bis zu verdoppeln.
 

<Abbildung: Mechanik der Wandspannung in einem Blutgefäß
Nach einer Vorlage in Herring / Paterson, Levick's Introduction to Cardiovascular Physiology, 6th ed. 2018

Der Innendruck pi drückt auf eine Fläche 2r.l, der Außendruck po wirkt in die Gegenrichtung. T (wall tension) entspricht der Wandspannung (K).

Die Dicke der Wand ist umgekehrt proportional der Wandspannung, die zum Standhalten gegen den transmuralen Druck (Innendruck - Außendruck) notwendig ist. Vasokonstriktion erhöht die Wanddicke, Vasodilatation verringert sie

Die Beziehung zwischen Wanddicke, Wandspannung (die Kraft, die auf den Wandquerschnitt einwirkt) und transmuralem Druck (Innendruck minus Außendruck) beschreibt das Laplace-Gesetz:
 

   
K = Wandspannung, p = transmuraler Druck (Druck innen minus Druck außen), r = Gefäßradius und d = Wanddicke.
 
    Diese Beziehung besagt, dass die dehnende Kraft in der Gefäßwand mit Druckbelastung und Gefäßdurchmesser zunimmt; und dass die Spannung (Kraft pro Fläche) in der Gefäßwand mit deren Dicke abnimmt. (Aus diesem Grund haben große Arterien besonders dicke Wände, während Venen mit dünnen Wänden auskommen.)

Als Elastizitätsmodul (E-Modul E,Young elastic modulus Y, Einheit Pa) bezeichnet man einen Proportionalitätsfaktor, definiert als die Kraft, die benöigt wird, um das betreffende Material um einen bestimmten Betrag zu dehnen (beispielsweise ist Kollagen um drei Größenordnungen steifer als Elastin). Bei mäßigem Innendruck fangen Elastinfasern einen Großteil der Dehnungskräfte (elastisch) auf; ist das Gefäß stark gedehnt, nimmt der Beitrag der (rigiden) Kollagenfasern an der Abstützung der Gefäßwand zu.

"Druckbelastung": Die Gefäßwand muß nicht dem Innendruck (bzw. transmuralen Druck) an sich widerstehen, sondern der Wandspannung (K). Je größer diese ist, desto mehr Elastin und Kollagen findet sich in der Gefäßwand. (Kapillaren haben gar keine Media, nur Endothel - die Wandspannung ist minimal, trotz eines Innendrucks, der größer als der venöse ist.)

Die Wandspannung (K) in Gefäßen und anderen Hohlorganen hat zwei einander ergänzende Komponenten: Passive durch Dehnung der Elastin- und Kollagengitter und aktive durch den Tonus der glatten Gefäßmuskulatur. Kontrahieren die Muskelfasern (bei konstantem [pi - po]), verschiebt sich das Kräftegleichgewicht: Der Radius nimmt ab, die bindegewebigen Elemente werden entlastet, die Fibrillen weniger gedehnt. Umgekehrt verhält es sich bei Vasodilatation: Die Muskelfasern entspannen, der Gefäßradius nimmt zu, und die Elastin- und Kollagenfasern müssen höhere Dehnungskräfte aufnehmen.

Blutgefäße sind durch sympathische Nervenfasern beeinflussbar. Noradrenalin wirkt über α-Rezeptoren anregend auf glatte Gefäßmuskelzellen und bringt diese zur Verengung (Vasokonstriktion).


>Abbildung: Strukturelle Merkmale von Blutgefäßen (schematisch)
Nach einer Vorlage bei biology-igcse.weebly.com

Blutgefäße (außer Kapillaren) haben eine dreischichtige Wand:
 
Die Intima, bestehend aus abgeflachten Endothelzellen und einer Basalmembran, durch die Endothelzellen Fortsätze zu Muskelzellen (myoepithelial junctions) hindurchstrecken und so mit der Media kommunizieren können. Die Intima ist die wichtigste Abdichtung gegen Verlust von Plasma und bildet vasoaktive Substanzen, z.B. Stickstoffmonoxid
 
Die Media für strukturelle Festigkeit (Kollagen, Elastin, spiralig angeordnet) und Kontraktionsvermögen (miteinander verknüpfte spindelförmige Muskelfasern). Diese Schicht widerstehrt der Belastung durch den Blutdruck, vor allem in Arterien
 
Die Adventitia ist eine nach außen unscharf gegen umgebendes Gewebe abgegrenzte Bindegewebsschicht. Hier befinden sich sympathische Varikositäten (Bildung, Speicherung und Freisetzung von Noradrenalin) und in größeren Gefäßen eigene Blutgefäße (vasa vasorum) für die Versorgung der (hier umfangreichen) Media. Extremitätenvenen enthalten auch Schmerzfasern (Schmerz bei Thrombophlebitis)

Die Ausprägung der Gefäßwand hängt von der Druckbelastung ab:
Venen
entwickeln z.B. dickere Wände, wenn sie als Bypass Verwendung finden (Gefäßchirurgie)


Die elastischen Eigenschaften relaxierter Blutgefäße bedingen eine Nichtlinearität ihrer Druck-Strömungs-Beziehung:
 

<Abbildung: Nichtlinearität der Druck-Strömungs-Charakteristik und Einfluss des Sympathikus
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021

Nach dem Poiseuille-Gesetz steigt die Fließrate (in einem starrwandigen Rohr und bei laminarer Strömung) linear mit dem treibenden Druck (schwarz strichlierte Linie) - ab dem Nullpunkt. Das ist bei Blutgefäßen anders: Erstes braucht es einen "kritischen Verschlussdruck", um das Gefäß aus einem kollabierten Zustand heraus zu öffnen (erst ab hier kommt es zu Perfusion); und zweitens nimmt der Durchmesser mit steigendem Druck zu, der Widerstand ab (nichtlinearer Anstieg der Strömung mit dem treibenden Druck).
 
Ohne Sympathikuseinfluss liegt der kritische Verschlussdruck bei etwa 6 mmHg (rote Kurve). Sympathische Aktivität (Wirkung auf α-Adrenozeptoren) erhöht den Gefäßtonus und steigert einerseits den kritischen Verschlussdruck, verflacht andererseits den Strömungsanstieg mit der Druckzunahme (engeres Gefäß, höherer Strömungswiderstand - blaue Kurve moderater, grüne Kurve intensiver Sympathikuseffekt)

Arteriensystem: Größter Druck, größte Strömungsgeschwindigkeit

Die Aorta speichert vorübergehend einen Teil des vom linken Ventikel ausgeworfenen Schlagvolumens (Windkesselwirkung), was
 
     das Herz entlastet (geringere Nachlast),
 
     die Pulsamplitude reduziert und
 
     die Blutströmung kontinuierlicher werden lässt.
 
Der Querschnitt der Aorta beträgt etwa 4 cm2 - so strömt das Blut hier am raschesten (Durchschnittwert 23 cm/s, Pulsationen zwischen 0 und ~60 cm/s). Die Aorta ist der Prototyp eines elastischen Gefäßes.
 
Mittelgroße Arterien (Durchmesser 0,1 - 1 cm) verteilen das Herzzeitvolumen
auf die verschiedenen Organe und Gewebe. Ihr Tonus wird durch sympathische Nerven sowie autoregulativ beeinflusst (Dilatation z.B. bei Muskelarbeit, Kontraktion z.B. beim Tauchreflex).
 
Mittelgroße Arterien übertragen arterielle Druckwellen, die an den engen Arteriolen (hoher Widerstand) teilweise reflektiert werden und zum Herzen zurücklaufen, wo sie an der geschlossenen Aortenklappe nochmals reflektiert werden können (hin- und herlaufende Wellen).

Terminale Arterien haben einen Durchmesser unter 0,5 mm und bieten - neben Arteriolen - einen Teil des peripheren Strömungswiderstandes im Kreislauf. Sie sind reich innerviert durch noradrenerge sympathische Fasern, die vasokonstriktorisch wirken.
 
Arteriolen: Größter Strömungswiderstand

Arteriolen
(Durchmesser 10-100 µm) können durch Verringerung ihres Querschnitts (Vasokonstriktion; Poiseuille-Gleichung) den Strömungswiderstand erhöhen (Widerstandsgefäße) und - entsprechend dem Tonusmuster im Kreislauf - die Verteilung von Blutstrom und Blutvolumen verändern. Terminale Arteriolen sind nur schwach sympathisch beeinflusst, unterliegen aber lokalen Einflüssen und stellen so die Durchblutung entsprechend dem Bedarf des umliegenden Gewebes ein.

Der Körper einer erwachsenen Person enthält 20-50 Millionen Arteriolen (unterschiedliche Angaben in der Literatur).
 
Kapillaren: Größte Anzahl, größter Gesamtquerschnitt

Kapillaren (etwa 10 Milliarden offene, insgesamt ~4.1010) , mittlere Länge ~0,5-1 mm; einzelne Kapillare: Durchmesser ~5-10 µm, Gesamtquerschnitt ~5.10-7 cm2) haben eine Wandfläche von insgesamt über 100 m2, was (bei einer Wanddicke von ~1 µm) den Austausch von Stoffen und Gasen zwischen Blut und Zellen in ausreichendem Maße ermöglicht (maximale Diffusionsstrecke zwischen Kapillaren und Zellen ~10 µm).
 
Die Zahl an parallel geschalteten Gefäßen ist im Bereich der Kapillaren am höchsten
 
Die Geschwindigkeit der Blutströmung in den Kapillaren beträgt aufgrund ihres hohen Gesamtquerschnittes nur etwa ein Zweihundertstel (~1 mm/s) derjeniger in der Aorta (Mittelwert 23 cm/s) - abhängigkeit von der Zahl offener Kapillaren (diese steigt bei körperlicher Belastung sowohl im großen Kreislauf als auch in der Lunge an). Das ergibt eine ausreichende Austauschzeit für die Blutgase.

Dass Kapillaren trotz ihres engen Durchmessers nur einen geringen Widerstand bieten (durchschnittlicher Druckabfall
~20 mmHg), ist auf mehrere Faktoren zurückzuführen: Ihre große Zahl, ihre geringe Länge ( ~1 mm), sowie die Tatsache, dass sich Blutkörperchen dem Strömungsprofil entsprechend verformen und sich in der Mitte der Kapillare "pfeilspitzenförmig" zu einer Art Gänsemarsch anordnen (vgl. Blutviskotität), was einen niedrigen Reibungswiderstand ergibt.

Auch unmittelbar vor echten Kapillaren - Metarteriolen - sowie nachher - kleine Venolen ohne Muscularis - ist ein gewisses Maß an Stoffaustausch möglich; man spricht insgesamt von Austauschgefäßen (exchange vessels) bzw. der Mikrozirkulation (dominiert wird diese von der Funktion der Kapillaren).

 
Venen: Größtes Volumen


     Venolen (Durchmesser 50-200 µm) und Venen speichern mehr als 50% des gesamten Blutvolumens (Kapazitätsgefäße). Aktivität ihrer sympathischen Fasern kontrahiert ihre Wand, das steigert den Innendruck und erhöht das Blutangebot an das Herz (Vorlast). Da Venen zahlreicher und weiter als Arterien sind, ist ihr Strömungswiderstand und Druckabfall (10-15 mmHg) relativ gering.

Unterstützt wird der Blutstrom Richtung Herz in den Extremitätenvenen durch Venenklappen (z.B. in der Muskulatur: "Muskelpumpe"). Die sympathische Beeinflussung der Venen wirkt sich - über das venöse Blutangebot - unmittelbar auf die Volumenleistung des Herzens aus.

Genau beschrieben wurden Venenklappen beim Menschen erstmals 1603 durch Girolamo Fabrizio (Hieronymus Fabricius ab Aquapendente) von der Universität in Padua (De Venarum Ostiolis). Dem gingen weniger akkurate Schilderungen im 16. Jh voraus (Vesalius, LusitanusSylvius, Estienne). Fabrizio war der Lehrer von William Harvey, dem Autor der berühmten Analyse des Blutkreislaufs (Exercitatio Anatomica de Motu Cordis et Sanguinis in Animalibus)
 


Arteriovenöse Anastomosen. Einige Gewebe - insbesondere Haut und Nasenschleimhaut - verfügen über weite Kurzschlussgefäße (Durchmesser 20-130 µm) zwischen Arteriolen und Venolen. Sie sind dicht mit vasokonstriktorisch wirkenden sympathischen Fasern innerviert und dienen der Temperaturregulation (Haut) sowie der Anwärmung eingeatmeter Luft (Nase). Über den Gegenstrom-Wärmeaustauschmechanismus
s. dort.
 
Einige Daten zu Gefäßabschnitten im Vergleich:

 

Arterien Arteriolen Kapillaren Venolen
Venen

Aorta





Vv. cavae
Innendurchmesser
(pro Gefäß)
25 mm
~4 mm
~30 µm
~5 µm
~70 µm
~5 mm
30 mm
Wanddicke
2 mm
~1 mm
~20 µm
~1 µm
~7 µm
~0,5 mm
1,5 mm
Zahl
1
~160
5x107
1010
108
~200
2
Querschnitt, cm2 (gesamt pro Kategorie)
4,5
20
400
4500
4000
40
18

Werte aus Mohrman DE / Heller LJ, Cardiovascular Physiology, 8th ed. McGraw Hill 2014
 
Aus diesen Zahlen (die erheblichen individuellen Schwankungen unterliegen, in verschiedenen Quellen deutlich differieren und daher nur als Richtwerte zu verstehen sind - vgl. die Zahlen in der oberen >Abbildung) lassen sich interessante Fakten herauslesen: Beispielsweise, dass der Gesamtquerschnitt in der Mikrozirkulation (Kapillaren) 1000-mal so groß ist (3000-4500 cm2) als derjenige der Aorta (3-4,5 cm2). Daraus folgt, dass sich die mittleren Strömungsgeschwindigkeiten in diesen beiden Kreislaufabschnitten um den Faktor 1000 unterscheiden (Aorta ~25 cm/s, Kapillaren ~0,25 mm/s). In den Hohlvenen (mit je ~7-9 cm2 Querschnittsfläche) ergibt sich eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit um die 7 cm/s. Die niedrige Strömungsgeschwindigkeit im Kapillarbereich ermöglicht ausreichenden Austausch von Atemgasen, Nährstoffen etc.

Die Strömung (I) an sich (Volumen pro Zeit) ist
- zumindest über die Zeit gemittelt - nach dem Kontinuitätsgesetz in allen (hintereinander geschalteten!) Kreislaufabschnitten gleich und identisch mit dem Herzzeitvolumen. Da Strömung gleich Gesamtquerschnitt (Q) mal Strömungsgeschwindigkeit (v), gilt

I = Qx . vx = Qy . vy .... etc

Ausnahmen können sich vorübergehend bei Umverteilung von Blut zwischen konsekutiven Abschnitten
ergeben. Allerdings erfolgen solche Verschiebungen physiologischerweise (z.B. im Rahmen des DeJager-Krogh-Mechanismus) im Wesentlichen innerhalb des Venensystems mit seiner hohen Dehnbarkeit (Compliance).

Eine weitere Ausnahme wäre bei akuter Veränderung des Blutvolumens gegeben: Kommt es zu einer arteriellen Blutung, pumpt das Herz mehr Blut (in das Arteriensystem) hinein als es (venös) empfängt (Blut geht nach außen verloren, das Blutvolumen nimmt ab). Bei einer Transfusion wäre es umgekehrt (venöser Zufluss vorübergehend höher als arterieller Abfluss).

 
Welche Faktoren bestimmen die Strömung?
  
Blut strömt infolge eines Druckunterschieds durch Gefäße (wenn es in Bewegung ist, hat es dann ein Trägheitsmoment):
 
     Je größer der Druckunterschied (p1-p2 oder ∂p) und je kleiner der Strömungswiderstand (R) zwischen zwei miteinander kommunizierenden Gefäßabschnitten, desto stärker ist die Strömung (Q) zwischen ihnen - z.B. die Durchblutung (Perfusion) der betreffenden Region:
 
 Q = (p1 - p2) / R
Strömung = Druckgradient / Widerstand

Diese Strömungsgleichung wird auch als Sonderform der Darcy-Gleichung (Darcy-Weisbach: Strömungsmechanik in porösen Medien) beschrieben und ist analog zum Ohm'schen Gesetz der Elektrizitätslehre (R = U / I) zu sehen, das aussagt, dass der elektrische Strom (I) sich proportional zum Potenzialgefälle U (analog: Druckgefälle p1 - p2) und umgekehrt proportional zum elektrischen Widerstand R (analog: Strömungswiderstand W) verhält.
 

<Abbildung: Strömung folgt einem Druckunterschied

Je größer der Druckunterschied - verursacht durch eine Pumpe (wie das Herz) -, desto mehr Flüssigkeit (Blut) strömt durch die Röhre (durch den Kreislauf), d.h. umso stärker kann die Perfusion sein.
 
Je größer der Strömungswiderstand (je enger die Widerstandsgefäße), desto größer wird der Druckunterschied (arterio-venös) - die Perfusion nimmt dabei ab (jeweils ceteris paribus)


Wo sitzt der Kreislaufwiderstand? Geht man vom linken Herzen aus und misst den arteriellen Mitteldruck entlang der Gefäßstrecke (Aorta → große Arterien → kleine Arterien), stellt man fest, dass der Druck bis in das Gebiet der kleinen Arterien kaum (~2 mmHg) absinkt, hier also auch kaum ein Strömungswiderstand besteht. Erst bei den feinen Aufzweigungen (kleine Arterien → Arteriolen) findet ein steiler Druckabfall bis zu kapillären Werten statt, ergo liegt an dieser Stelle der Großteil des Kreislaufwiderstandes: Der periphere Widerstand (total peripheral resistance TPR).
 

>Abbildung: Sympathikustonus, Gefäßdurchmesser und Strömungswiderstand

Im Normalzustand sind sympathische Fasern über das ZNS mäßig aktiviert, was (über Noradrenalinwirkung) eine mittlere Kontraktion der Blutgefäße und mittleren Strömungswiderstand ergibt (oben).
 
Bei Erhöhung der Aktivität sympathischer Nervenfasern (gesteigerte Aktionspotentialfrequenz) wird mehr Noradrenalin freigesetzt, die Gefäße kontrahieren, der Strömungswiderstand nimmt zu (links unten), die Durchblutung sinkt.
 
Bei erniedrigter Sympathikusaktivität ist es umgekehrt (rechts unten): Die Noradrenalinfreisetzung nimmt ab, der anregende Effekt auf die Gefäßmuskulatur schwindet, der Innendruck weitet das Gefäß: Vasodilatation; Resultat ist ein erniedrigter Widerstand und steigende Durchblutung


Der (virtuelle, da nicht direkt messbare, sondern aus Strömung und Druckdifferenz errechenbare) Wert für den Strömungswiderstand des gesamten Kreislaufs (TPR) oder eines Organs kann durch Umstellung der Strömungsgleichung aus entsprechender Durchblutung (Herzzeitvolumen oder Organperfusion), arteriellem und venösem Druck errechnet werden:
 
Strömungswiderstand R = arteriovenöse Druckdifferenz /  Durchblutung
 
Je höher der Betrag des Strömungswiderstandes (je enger das Gefäß), desto größer muss der Druck(unterschied) sein, um eine bestimmte Strömung (Durchblutung, Perfusion) zu bewerkstelligen.
Und:

Je stärker die Strömung bei gegebenem Druckgefälle, desto niedriger ist der Strömungswiderstand (desto weiter das Gefäß).

Dieser Zusammenhang ist dem Ohm'schen Gesetz analog und gilt in entsprechend adaptierter Form allgemein für Strömungen (Flüssigkeit oder Gas), z.B. von

  
  Atemluft zwischen Lunge und Außenluft (Widerstand der Atemwege: Druckunterschied Alveolen - Außenluft) - Je enger die Bronchien, desto schwerer die Atmung

  
  Blut - Durchblutung (Perfusion) von Organen (Gefäßwiderstand) - bei Entspannung der glatten Mukulatur weitet der Blutdruck die Arteriolen, das Organ wird besser durchblutet

  
  Lymphe - auch Lymphflüssigkeit strömt nach einem Druckgradienten, "Lymphherzen" können einen Druckgradienten erzeugen

  
  Liquor- bzw. Hirndruck (Davson-Gleichung) - erhöhter Abflusswiderstand (Verengung der Spalträume) steigert den Hirndruck

  
  Kammerwasser aus Auge in Tränengänge (Goldmann-Gleichung: Widerstand im Kammerwinkel) - Strömungswiderstand und Augeninnendruck steigen bei Pupillenerweiterung (Mydriasis)

  
  Harn (Widerstand der Harnröhre: Druckunterschied Blase - Außenwelt) - bei Prostatavergrößerung ist der Harnabfluss behindert, die Entleerungszeit der Blase steigt
 
Arterieller Blutdruck



<Abbildung: Engstellung der Arteriolen erhöht den Blutdruck
Nach einer Vorlage bei courses.washington.edu

Links befindet sich die Pumpe (Herz), die das System aufblast, rechts der periphere Ausflusswiderstand (symbolisiert durch Finger, die das Gefäß verengen)


Die vereinfachte Formel (mean blood pressure equation) für den gesamten Kreislauf (venöse Druckwerte vernachlässigt) formuliert den mittleren arteriellen Druck pA als das Produkt aus Herzzeitvolumen (HZV) und peripherem Strömungswiderstand TPR:


pA ~ HZV  x  TPR
  
   Beispiel: Blutdruck 100 mmHg, Herzzeitvolumen 5 l/min  →  100 mmHg = 5 l/min x 20 Widerstandseinheiten (hier: mmHg / (l/min))
 
Der Pulmonalkreislauf ("kleiner" Kreislauf) - d.h. die vom rechten Herzen zur Arterialisierung durch die Lunge beförderte Blutmenge - und der systemische ("große") Kreislauf - von Aorta bis zum rechten Vorhof - sind in Serie angeordnet (>Abbildung), was bedeutet, dass das Herzminutenvolumen durch beide Systeme gepumpt wird. (Kleine Unterschiede im Betrag ergeben sich durch den Bronchialkreislauf, s. dort.)

Steigt der Blutfluss im großen Kreislauf (z.B. bei Muskelarbeit), nimmt er im kleinen Kreislauf um denselben Betrag zu
 

>Abbildung: Kreislaufschema
Nach einer Vorlage in L. Rowell, Human Circulation - Regulation During Physical Stress. Oxford University Press 1986

Wasserhähne symbolisieren Widerstandsgefäße; diese sind im Allgemeinen parallel angeordnet, im Pfortaderkreislauf sind zwei Widerstandszonen hintereinandergeschaltet. Besonders speicherfähig sind die Venengeflechte der Bauchorgane sowie in der Haut


Der arterielle Druck steigt, wenn

     das Herz mehr pumpt und / oder

     der periphere Widerstand durch Kontraktion der betreffenden Gefäße (kleinste Arterien, Arteriolen, Metarteriolen) zunimmt.

Beides wird durch den Sympathikus angeregt; kleine Gefäße (insbesondere Metarteriolen) reagieren auf lokale Faktoren,
s. dort.

Der arterielle Blutdruck (genauer: der Druck an der Aortenwurzel) stellt für den linken Ventrikel die Belastung dar, gegen die er in seiner aktiver Phase (der Austreibungszeit) anarbeiten muss (Nachlast). Genau genommen ist es der dynamische Widerstand (Impedanz), den das Arteriensystem der Herzaktion entgegensetzt. Klinisch wird der arterielle Druck als Maß für die linkskardiale Nachlast gewertet.

Analog sind es die Druckverhältnisse im Lungenkreislauf (a. pulmonalis), welche die Nachlast für den rechten Ventrikel bedeuten.

 
Ruheblutdruck: Die Höhe des arteriellen Blutdrucks ist von mehreren Faktoren abhängig:

  
   Zustand - die Sollwerte des arteriellen Drucks beziehen sich auf psychischen und körperlichen Ruhezustand.

      Alter - Der Ruheblutdruck sollte bei Erwachsenen unter 130 / 85 liegen - auch in höherem Alter, soferne das Gefäßsystem nicht verändert ist (Arteriosklerose), in diesem Fall nimmt vor allem der systolische Blutdruck zu (geringer Windkesseleffekt, s. unten). Kinder zeigen etwas niedrigeren Ruheblutdruck:
 
Alter
systolisch (mmHg)
diastolisch (mmHg)
1-12 Monate
75–100
50–70
1-5 Jahre
80–110
50–80
6-12 Jahre
85–120
50–80
13-18 Jahre
95–140
60–90

Quelle:
Kirkpatrick T & Tobias K, Pediatric Age Specific. UCLA Health System
 
      Bei physischer Belastung (Muskelarbeit) nimmt der systolische Blutdruck proportional mit der Belastung zu (bis auf ~200 mmHg); der diastolische Wert steigt mit der Belastung nur geringgradig an.
 
  Näheres zur Blutdruckmessung s. dort
 

Arterieller Puls
 
Wirft der linke Ventrikel ein Schlagvolumen aus, baut sich Druck in der Aorta auf, der bis zu einem - während der Austreibungszeit erreichten - Maximalwert (systolischer Druck) ansteigt. Anschließend nimmt die Fördermenge ab und der Druck beginnt zu sinken. Elastische Strukturen in der Wand der großen arteriellen Gefäße dämpfen die Druckpulsation, sie wandeln einen Teil (70-80%) der kinetischen Energie (Beschleunigung der Blutsäule gegen den arteriellen Druck) in potentielle Energie um - die anschließend in kinetische Energie zurückverwandelt wird und zwischengespeichertes Blut weiterbefördert. Der Ventrikel investiert nur 20-30% seiner Energie unmittelbar in den Transport des Blutes in die Peripherie (run-off).

Dieser Windkesseleffekt wirkt wie ein Stoßdämpfer; der systolische Druck steigt nicht exzessiv an (wie bei versteifter Aortenwand), der diastolische (geringste) Druck sinkt nicht zu stark ab. Die Spanne zwischen systolischem und diastolischem Druck nennt man die Blutdruckamplitude (pulse pressure).

 Den jeweils höchsten Druck während eines Herzzyklus nennt man den systolischen, den jeweils niedrigsten den diastolischen Druck.
 

<Abbildung: Arterielle Pulswellen, die an Aorta und Femoralarterie synchron registriert wurden
Nach einer Vorlage in Mark JB: Atlas of Cardiovascular Monitoring. Churchill Livingstone NY 1998

Die Druckaufnehmer liegen - auf den Kreislauf bezogen - "hintereinander" (Aorta - Femoralarterie). Dividiert man ihren Abstand durch die Zeitverzögerung des beginnenden systolischen Druckanstiegs (roter Doppelpfeil), ergibt sich die Pulswellengeschwindigkeit (m/s).
 
Der Schluss der Aortenklappe am Ende der Austreibungszeit stoppt den kurzzeitigen Reflux von Blut und erzeugt in der Druckkurve eine Inzisur. Diese markiert die Grenze zwischen Systole und Diastole
 
Der Blutdruck in der Aorta beträgt z.B. 115 zu 75, in der Femoralarterie 125 zu 70 mmHg (Amplitude 40 vs. 55 mmHg). Der Mitteldruck separiert zwei gleich große Flächen (Druck mal Zeit) - in der Aorta etwa 50%, in peripheren Arterien etwa 35% der Amplitude über [D]. Er sinkt von der Aorta zu peripheren Arterien um etwa 2 mmHg
 
S = höchster (systolischer), D = niedrigster (diastolischer) Druck eines Pulses an der jeweiligen Messstelle


Eine scharfe Inzisur in der Druckkurve ist kennzeichnend für herznahe Gefäße
 
Die Systole läßt eine Druckwelle entstehen (Pulswellengeschwindigkeit: zentral ~4 m/s, peripher bis 10 m/s), die über das Arteriensystem in die Peripherie läuft (antegrad) und von dort infolge (teilweiser) Druckwellenreflexion zum Herzen zurück (retrograd). So ergeben sich an den verschiedenen Stellen des Arterienbaums unterschiedliche Pulswellenformen (<Abbildung), die an jeder Registrierstelle anders aussehen. Die Pulskurven sind auf Grund solcher Druckwellenreflexionen meist dikrot (zweigipflig, Abbildungen), insbesondere bei jüngeren Menschen; und sie verlaufen gegen Ende eines Druckzyklus flacher als zu dessen Beginn (nichtlinearer Druckverlauf).
 

>Abbildung: Druckwellen im Aortenpuls
Nach einer Vorlage in Nichols WW, O'Rourke M: McDonald's Blood Flow in Arteries: Theoretical, Experimental and Clinical Principles, 5th ed.

  Rot: Registrierte Druckkurven bei Hypotonie (links), normalem Blutdruck (Kontrolle, Mitte) und Hypertonie bzw. altersbedingter Gefäßversteifung (rechts). Die punktierten Kurven geben den Druckverlauf an, der sich ohne Reflexion aus der Peripherie abzeichnen würde. Reflektierte Druckwellen (grüne Flächen) wandern zum Herzen zurück und addieren sich zur primären Welle des Aortenpulses.
  
Bei normalem Blutdruck wanden die Druckwellen gemäß der arteriellen Dehnbarkeit mit 4 bis 10 m/s durch das System, die reflektierte Druckwelle erzeugt eine frühdiastolische Dikrotie.
  
Bei Hypotonie sind die Gefäße dehnbarer (hohe Compliance), die Druckwellen wandern langsamer durch das Arteriensystem und die Reflexionen kommen erst später an der Aorta an - es entsteht eine spätdiastolische Dikrotie (links).
  
Bei hohem Blutdruck bzw. Arteriosklerose sind die Gefäße weniger dehnbar (geringe Compliance), die Wellen wandern mit bis zu 15 m/s durch das System und die reflektierte Druckwelle trifft schon während der Systole an der Aorta ein, erzeugt eine systolische Flexion und erhöht den systolischen Druck (rechts)

 
Die >Abbildung erklärt die unterschiedlichen Pulsformen anhand des Vergleichs eines hypotonen, normotonen und hypertonen Aortenpulses. Die primäre, vom Herzen ausgehende Druckwelle wird vor allem an den großen Gefäßaufzweigungen (nach ca. 0,5 m) teilweise reflektiert und wandert zum Herzen zurück.

Je dehnbarer die Gefäße (hohe Compliance bzw. geringe Elastanz), desto geringer ist die Druckwellengeschwindigkeit und desto später trifft die reflektierte Welle an der Aortenwurzel ein (spätdiastolische Dikrotie bei Hypotonie, frühdiastolische bei Normotonie, systolische Überhöhung bei Hypertonie).


Die Pulswellengeschwindigkeit (Aorta: ≥400 cm/s) ist höher als die Strömungsgeschwindigkeit des Blutes (Aorta ≤25 cm/s)
 
  Zur Bestimmung der Pulswellengeschwindigkeit (transmission velocity) s. auch dort
 
Die vom Herzen ausgeworfene Blutsäule wandert mit einer mittleren Geschwindigkeit von 0,2 m/s vom linken Ventrikel durch die Aortenwurzel (0,2 m in einer Sekunde: stroke distance). Dass die Pulswelle viel rascher wandert als das Blut selbst, lässt sich am Beispiel einer mit Münzen gefüllten Röhre veranschaulichen: Drückt man eine Münze hinein, fällt eine Münze am anderen Ende aus der Röhre (hohe Druckwellengeschwindigkeit), während die Säule selbst nur um die Dicke einer Münze weitergerückt ist (geringe Strömungsgeschwindigkeit).
 

  
Klinische Bedeutung: Man kann den systolischen Druck als Maß für das Schlagvolumen, den diastolischen für den peripheren Widerstand, und den mittleren Arteriendruck als Maß für die Steifigkeit der Arterienwände werten. Doch liegen die Dinge nicht ganz so einfach:

      Der mittlere arterielle Druck (mean arterial pressure) ist ausschließlich durch das Herzminutenvolumen und den peripheren Widerstand bestimmt, entsprechend dem oben ausgeführten Strömungsgesetz.

Der arterielle Mitteldruck teilt die jeweilige Druckkurve in zwei gleich große Flächen: Eine zwischen der Druckkurve über, und eine unter ihm. Die Druckkurve der Aorta ist so geformt, dass der Mitteldruck ziemlich genau in der Mitte zwischen dem systolischen und dem diastolischen liegt. Bei einer peripheren Arterie (Femoralis, Brachialis) liegt dieser Wert etwa 35% des Amplitudenbetrags über dem diastolischen Druck:

 
Arterieller Mitteldruck in einer peripheren Arterie ~ diastolischer Druck + (1/3 x Blutdruckamplitude)
 
      Systolischer und diastolischer Druck - und damit auch die Blutdruckamplitude - sind in komplexer Weise durch Schlagvolumen, Herzschlagfrequenz, peripheren Widerstand sowie arterielle Compliance beeinflusst.
 

      Der Kehrwert der Compliance (ΔV/Δp) wird als Volumenelastizitätskoeffizient E´ (Δp/ΔV) bezeichnet. Gut dehnbare Gefäße - insbesondere Venen - haben einen niedrigen [E´], weniger gut dehnbare (Arterien) einen hohen [E´].
 
Mit dem Betrag des Elastizitätskoeffizienten steigt die Pulswellengeschwindigkeit
   
Das Druck-Volumen-Verhältnis ist nichtlinear: Je stärker Gefäße gefüllt sind, desto rigider werden ihre Wände (angespannte Kollagenstrukturen). Mit zunehmendem Innendruck nimmt der Betrag der Compliance ab, derjenige des Elastizitätskoeffizienten zu (Versteifung).

Der Volumenelastizitätsmodul κ (kappa) setzt eine Volumenänderung in Beziehung zum Gesamtvolumen, ist also ein Maß für eine relative Volumenänderung und damit für die Dehnbarkeit einer Gefäßwand. Definiert ist er als Volumenelastizitätskoeffizient mal Gesamtvolumen des betreffenden Gefäßes:

κ = E´. V
 
Eine Pulswelle läuft umso schneller, je größer der Betrag des Volumenelastizitätsmoduls κ des betreffenden Gefäßes ist
 
[κ] wird als Kennzahl für die Bestimmung der Pulswellengeschwindigkeit genutzt, da der Betrag umso höher ist, je härter (weniger dehnbar) das Gefäß ist - und damit die Pulswelle rascher durch das Gefäß läuft.
 
"Altershochdruck": Falls die Wände der großen Arterien verhärtet sind, erzeugt die Austreibung des Blutes aus dem linken Ventrikel eine höhere systolische Druckzunahme (abnehmender Windkesseleffekt). Falls der Tonus der Arteriolen alterungsbedingt erhöht ist (was nicht sein muss), resultiert durch Erhöhung des peripheren Widerstandes ein Anstieg des arteriellen Mitteldruckes.
 

<Abbildung: Pulswellen und dazugehörige Druck-Volumen-Kurven
Nach einer Vorlage bei Mohrman DE / Heller LJ, Cardiovascular Physiology, 8th ed. McGraw Hill 2014

Arterielle Pulskurven sowie Druck (blau) / Volumen (grün)-Beziehung einer 20-jährigen (links) und einer 70-jährigen Person (rechts).
 
Die arterielle Dehnbarkeit (Compliance, durch rotes Dreieck angedeutet) nimmt mit zunehmendem Alter meist ab, das Füllungsvolumen der Arterien zu. Die Menge an Kollagen in der Gefäßwand steigt an, die Fasern sind stärker miteinander verknüpft, die Compliance nimmt ab


Aus der <Abbildung ist zu ersehen, dass die arterielle Compliance mit zunehmendem Blutdruck (bzw. Blutvolumen) abnimmt. Ein erhöhtes Schlagvolumen führt sofort zu einer deutlichen Steigerung von systolischem Druck und Blutdruckamplitude; Änderungen des peripheren Widerstandes wirken sich hingegen kaum auf den Betrag der Blutdruckamplitude aus.

Auch die Geschwindigkeit des Zustroms an Blut in ein arterielles Gefäß beeinflusst dessen Compliance: Je rascher das Gefäß gefüllt wird, desto stärker steigt der Druck pro eingefülltem Volumen (Viskoelastizität der Arterienwand). Aus diesem Grund nimmt die effektive arterielle Compliance bei körperlicher Belastung ab (raschere arterielle Füllung bei gesteigerter kardialer Pumpfunktion).
 

 
      Pulsatile Strömung und Beschleunigung: Zwischen Druckdifferenz, Beschleunigung und Strömung besteht ein Zusammenhang, der nicht aus dem Strömungsgesetz alleine zu erklären ist (die Darcy-Gleichung gilt für eine stete Strömung, nicht für Beschleunigungspulse).


>Abbildung: Druck, Beschleunigung und Strömung in der Aorta
Nach Snell RE, Clements JM, Patel DJ, Frey DL, Luchsinger PC. Instantaneous blood flow in the human aorta. J Appl Physiol 1965; 20: 691-5

 Der Druckgradient ∆p beschleunigt zunächst die Blutsäule in der Aorta peripherwärts (p1>p2 - Zeit zwischen a und b, Beschleunigung positiv, grüne Kurve), dreht zum Zeitpunkt b um (p2>p1) und bremst den Blutstrom ab (Beschleunigung negativ), bis dieser herzwärts umdreht (Zeitpunkt c) und die Aortenklappe schließt


Die Blutpulsationen verhalten sich entsprechend dem 2. Newton'schen Gesetz (Beschleunigung ∆p = Kraft / Masse). Zu Beginn der Systole steigt der Druck zunächst in der proximalen Aorta, und der Druckgradient zur Peripherie treibt Blut aus dem Ventrikel Richtung Arterien.

Nach etwa 0,1 s erhöht sich der Druck in den Arterien über den in der Aortenwurzel (s. oben und >Abbildung; Punkt b), [∆p] wird negativ und die Blutsäule wird jetzt abgebremst. Schließlich dreht sich die Blutströmung Richtung Ventrikel um (sie wird negativ), was die Aortenklappe zudrückt (Zeitpunkt c in der >Abbildung).

Beschleunigungskurven können vom Körper registriert werden mit dem Ziel einer Abschätzung des Schlagvolumens (Ballistokardiographie). Mit modernen Registrier- und Berechnungsmethoden scheint diese als veraltet geltende Methode ein Revival zu erfahren. Im Zustand der Schwerelosigkeit bietet sich diese Methode an, weil der für die Registrierung problematische Effekt der Schwerkraft wegfällt (Monitoring des Herzminutenvolumens im Raumflug).
 
      Die Blutdruckamplitude (systolischer minus diastolischer Druckwert) kann für die Systolendauer näherungsweise als das Verhältnis Schlagvolumen / Compliance (Compliance = Volumenänderung / Druckänderung) quantifiziert werden (der gleichzeitige systolische Abfluss des Blutes wird dabei vernachlässigt). Je größer das Schlagvolumen und je kleiner die Compliance (je größer ihr Kehrwert, die Elastance), desto größer ist die Blutdruckamplitude (und vice versa).

 Steigt der Blutdruck, werden die Gefäße weniger dehnbar: Die Blutdruckamplitude nimmt oft mit dem Alter zu (>Abbildung), was teils mit arterieller Hypertonie, teils mit abnehmender Compliance ("Gefäßverhärtung") erklärt wird: Ein gegebenes Schlagvolumen bewirkt einen größeren Drucksprung. Ebenso nimmt der systolische Druck stärker zu, wenn die Auswurfgeschwindigkeit größer wird, wie bei körperlicher Belastung - die visköse Relaxation hat weniger Zeit, den Blutstoß weich abzufangen.
 
  
Wenn z.B. das Schlagvolumen 80 ml und die Compliance der herznahen Gefäße 2 ml/mmHg beträgt, ergibt sich eine Blutdruckamplitude von 40 mmHg (80 ml / 2 ml/mmHg).
 


Blutdruckschwankungen
 
Man kann unterschiedliche Oszillationen des arteriellen Blutdrucks beobachten, die sehr verschiedene Ursachen haben:
 
    Der rhythmische Wechsel zwischen "systolischem" und "diastolischem" Druck, der in Arterien auftritt, ergibt Druckpulse, die als Blutdruckschwankungen I. Ordnung bezeichnet werden (Abbildungen oben). Die Periodendauer entspricht dem Kehrwert der Pulsfrequenz (z.B. eine Sekunde bei 60 bpm) und ist direkt vom autonom-nervösen Gleichgewicht abhängig (Sympathikus: vasokonstriktorisch und positiv chronotrop, Parasympathikus: negativ chronotrop wirksam). Die Höhe des systolischen Drucks hängt vor allem von der Auswurfleistung des linken Herzens und der Dehnbarkeit des Arteriensystems ab, die des diastolischen Drucks vor allem von Pulsfrequenz und peripherem Strömungswiderstand.

Die Größe der Blutdruckschwankungen I. Ordnung entspricht dem Betrag der Blutdruckamplitude.

Oszillationen des Blutdrucks, die im Rhythmus der Atmung auftreten, nennt man Blutdruckschwankungen II. Ordnung (respiratorische (Sinus-) Arrhythmie, respiratorische Blutdruckschwankungen). Bei einer Atemfrequenz von 12-20/min entspricht das einer Periodendauer von 3-5 Sekunden. Einatmung (intrathorakaler Druck und Vagustonus) erhöht, Ausatmung senkt die Herzfrequenz (intrathorakaler Druck und Vagustonus↑). Die Größe dieser Oszillationen wird häufig als Maß für den Vagustonus verwendet (mittels EKG-Monitoring leicht registrierbar, aber begrenzt spezifisch).

Blutdruckschwankungen III. Ordnung (Traube-Hering-Meyer-Wellen bzw- -Oszillationen, THM-Wellen) treten vermutlich im Zusammenhang mit Oszillationen der Baro- bzw. Chemorezeptorreflexe und des (vom Sympathikus gesteuerten) peripheren Gefäßtonus auf. Die Oszillationen lassen sich sowohl in Blutdruck- als auch EKG-Registrierungen erkennen und hängen eng mit solchen des Sympathikustonus zusammen (pharmakologische Blockade der vaskulären α-Adrenozeptoren lässt Blutdruckschwankungen III. Ordnung verschwinden). Die Periodendauer beträgt ~10 Sekunden (Frequenz ~0,1 Hz) und ist unabhängig von Körperlage, Geschlecht oder Alter.

Blutdruckschwankungen II. und III. Ordnung haben normalerweise ein relativ geringes Ausmaß (bis 5 mmHg, im Stehen bis 20 mmHg).
Intensivere Blutdruckschwankungen II. und III. Ordnung legen eine Labilität der Blutdruckregulation nahe.
 
Stresseinflüsse physikalischer, seelischer oder körperlicher Art bewirken schließlich belastungsabhängige Veränderungen des Blutdrucks, die z.B.

     hydrostatische Ursache haben (so folgt der Blutdruck - arteriell, venös - positionsabhängig Lageänderungen des Körpers, außer im jeweiligen hydrostatischen Indifferenzpunkt),

     vom Gehirn ausgehen (vegetative Reaktionen auf Erregung, Freude, Angst, Verunsicherung etc), oder

     aus der aktiven Körperperipherie erzwungen werden (z.B. Autoregulation der Muskelperfusion).
 
Zirkadiane Rhythmen bewirken, dass der Blutdruck im Schlaf auf niedrigere Werte reguliert wird als im Wachzustand, wo Gipfelwerte am frühen Vormittag sowie am späten Nachmittag beobachtet werden (unabhängig von aktivitätsabhängigen Schwankungen bei psychischer oder physischer Belastung).
 
Windkesseleffekt
 
Pumpt der linke Ventrikel ein Schlagvolumen in Aorta und zentrale arterielle Gefäße, dehnen sich deren Wände elastisch auf und nehmen während der Austreibungszeit einen Großteil davon (70-80%) auf - kinetische wird in potentielle Energie verwandelt. Das dämpft den Druckanstieg während des Herzschlags ("Windkesseleffekt", man nennt mit zahlreichen elastischen Fasern ausgestattete arterielle Gefäße auch Windkesselgefäße - windkessel vessels). Das bedeutet, die großen Arterien haben - im Vergleich zu kleineren - eine relativ hohe Dehnbarkeit (Compliance): ~2 ml / mmHg.

Während der Diastole geben die großen arteriellen Gefäße
das aufgefangene Blut an die Peripherie weiter (potentielle Energie wird zu kinetischer zurückverwandelt), die Strömung des Blutes zur Peripherie erfolgt relativ kontinuierlich, und die Blutdruckamplitude (pulse pressure) bleibt in einem Bereich von ~5-6 kPa (~40 mmHg, z.B. 120/80).

Versteift sich die Wand der großen Arterien durch abnehmende Dehnbarkeit der Media (Arteriosklerose), nimmt dieser dämpfende Effekt ab und die Blutdruckamplitude zu - ein häufiger Befund in höherem Alter.

 

<Abbildung: Windkesseleffekt

Während der Systole wird ein Teil des Schlagvolumens zur elastischen Dehnung der herznahen Gefäße (Aorta) verwendet. Dadurch muss weniger Blut in die Peripherie beschleunigt werden und der Ventrikel wird entlastet.
 
In der Diastole wird die investierte Energie zur weiteren Versorgung der Peripherie mit Blut verwendet, Blut strömt aus der Aorta Richtung Peripherie - die Perfusion bleibt (wenn auch auf niedrigerem Niveau) bestehen, obwohl der Zustrom am Eingang des Arteriensystems sistiert


Herznahe arterielle Gefäße, die zur Zwischenspeicherung des Schlagvolumens und Dämpfung der Druckamplitude beitragen, nennt man "Windkesselgefäße" (Windkessel vessels).
 
Mit sinkender Dehnbarkeit der Aorta nimmt der systolische Druck zu (abnehmende Windkesselwirkung)

 
Pulswellengeschwindigkeit (PWG, pulse wave velocity): Die Geschwindigkeit, mit der die Pulswelle durch das Arteriensystem läuft, beträgt 4-5 (Aortenwurzel) bis ~10 m/s (Peripherie - die Pulswelle braucht vom Herzen bis zur Fußarterie ~0,2 Sekunden). Aus der >Abbildung unten ist ersichtlich, dass die Pulswellengeschwindigkeit bei mittelgroßen (nicht-sklerosierten) Arterien im Blutdruckbereich von 75-125 mmHg zwischen etwa 4 und 8 m/s beträgt.
 
  
>Abbildung: Arterieller Gefäßquerschnitt (Fläche), Dehnbarkeit und Pulswellengeschwindigkeit als Funktion des Innendrucks
Nach Lacolley P, Regnault V, Segers P, Laurent S. Vascular Smooth Muscle Cells and Arterial Stiffening: Relevance in Development, Aging, and Disease. Physiol Rev 2017; 97: 1555-617

Schwarze Kurve: Typische nonlineare Abhängigkeit der luminalen Querschnittsfläche einer mittelgroßen Arterie als Funktion des Blutdrucks. Der physiologische Druckbereich ist blau gekennzeichnet.
 
Bei steigendem Druck wird die mechanische Belastung zunehmend vom Elastin auf (das steifere) Kollagen übertragen - daher die Nonlinearität sowie die mit dem Druck abnehmende Dehnbarkeit (grün) und zunehmende Pulswellengeschwindigkeit (magenta)


Aus Registrierungen arterieller Pulse (Sphygmographie ) können Rückschlüsse auf Eigenschaften der Arterienwand gezogen werden, da diese Eigenschaften die Propagation der Druckwellen mitbestimmen. Dabei müssen Begleitumstände berücksichtigt werden, wie z.B. die Größe des Herzminutenvolumens, die vegetativ-neurale Aktivität, die Körperlage u.a.

  
  Die Messung der Pulswellengeschwindigkeit im Aortenbereich gilt als "Goldstandard" zur Abschätzung der Elastitität (Dehnbarkeit) des zentralen (herznahen) Arteriensystems. Abnehmende Dehnbarkeit (Versteifung: Arteriosklerose) bewirkt ein rascheres Fortschreiten der Druckwelle, d.h. sie erhöht die Pulswellengeschwindigkeit - sie nimmt im Durchschnitt der Population mit zunehmendem Lebensalter etwa auf das Doppelte der Werte von Kindern / Jungendlichen zu.
 
Peripherer Widerstand
  
     Der periphere (systemische) Strömungswiderstand (total peripheral / systemic vascular resistance TPR) ist eine virtuelle Größe und berechnet sich aus dem Quotienten Druckgefälle (arterieller - venöser Druck) / Durchblutung. Er entsteht im Wesentlichen durch die Passage des Blutes durch kleinste arterielle Gefäße, die mit ihrer geringen inneren Weite wenig hydraulische Leitfähigkeit bieten.

Anders ausgedrückt, setzen sie ihrer Durchströmung einen hohen Widerstand entgegen. Das Resultat ist ein - durch Reibungsverlust bedingter - Druckabfall gegen den Ausgang des Gefäßes hin.

Der arterielle Blutdruck (pA) kann als das Produkt aus Herzzeitvolumen (HZV) und Strömungswiderstand (TPR) formuliert werden (s. oben), daher kann der periphere Widerstand geschrieben werden als
 
TPR = pA    HZV
 
Der Betrag des Widerstandes wird z.B. in mmHg / (ml/s) angegeben (PRUs: peripheral resistance units).

Da die arteriolären Gefäße im Kreislauf nebeneinander (parallel, nicht seriell) angeordnet sind, ergibt die Summe all ihrer Leitfähigkeiten die Gesamt-Leitfähigkeit des (großen bzw. kleinen) Kreislaufs.
Die gesamte hydrodynamische Leitfähigkeit (Lgesamt) der Kreislaufperipherie ergibt sich aus der Summe der Leitfähigkeiten  (L1 + L2 + ... Ln) in den einzelnen Perfusionsstrecken.

Da der Widerstand als Kehrwert der Leitfähigkeit definiert ist, ergibt sich weiter, dass der Kehrwert des Gesamtwiderstands gleich der Summe der Kehrwerte der Einzelwiderstände ist. Statt der Summe der Leitfähigkeiten ergibt sich daher für den gesamten peripheren Strömungswiderstand (total peripheral resistance) analog zum ersten Kirchhoff-Gesetz :
 
1 / Rgesamt = 1 / R1 + 1 / R2 + ... 1 / Rn
 
Liegen Widerstände ausnahmsweise hintereinander - wie bei bei arteriellen Gefäßen zum Darm plus Pfortadergefäßen zur Leber -, ergibt sich der Gesamtwiderstand (analog zum zweiten Kirchhoff-Gesetz) aus der Summe der Einzelwiderstände, also

Rgesamt = RDarm + RLeber.
 
Öffnen sich die Widerstandsgefäße eines Teilkreislaufs (z.B. in der Haut), dann wird ein größerer Teil des Herzzeitvolumens durch dieses Gebiet geleitet ("shunt"). Soll der Blutdruck dabei nicht absinken, muss sich das Herzzeitvolumen entsprechend erhöhen, wenn der Blutdruck und die Durchblutung anderer Gebiete nicht sinken soll (z.B.
bei Hitzeeinfluss oder körperlicher Belastung).

 
Welche physiologischen Messwerte sind für die Berechnung eines peripheren Widerstandswertes relevant?
 
I
m großen Kreislauf kann der Gesamtbetrag des Strömungswiderstandes aus der Differenz Aortendruck (z.B. 13,4 kPa) minus Druck im rechten Vorhof (0,4 kPa) - hier also 13 kPa - dividiert durch das Herzminutenvolumen (~6 l/min oder 0,1 l/s) - errechnet werden: In diesem Beispiel ergibt sich ein Richtwert (SI-Einheiten) von

130 kPa pro l/s
 
Ein anderer Lehrbuch-Richtwert (Annahme: 100 - 3 mmHg, 5 l/min) lautet

20 mmHg pro l/min


Da das Herzminutenvolumen stärker von der Position des Körpers abhängt (z.B. im Liegen 7 l/min, im Stehen 5 l/min) als der Blutdruck (der reflektorisch stabilisiert wird), ist der periphere Widerstand in aufrechter Körperlage (upright) wesentlich höher als in liegender (supine) Position - bedingt durch den höheren Sympathikustonus.

Zum Beispiel:
 

Aortendruck (gemittelt)
Druck im rechten Vorhof (gemittelt)
Herzminuten-
volumen
Liegen
100 mmHg
4 mmHg
7 l/min
Stehen
96 mmHg
0 mmHg
5 l/min
  
  Wie stark unterscheidet sich in diesem Beispiel der periphere Widerstand (Liegen vs. Stehen)?

  Liegen: 96 / 7 = 13,7 mmHg pro l/min  
  Stehen: 96 / 5 = 19,2 mmHg pro l/min

  Ergebnis: Der Widerstand steigt durch das Aufrichten des Körpers um 40% des Liege-Wertes an.
 
Der Widerstand im großen Kreislauf
entsteht zu
 
     3/4 in den "Widerstandsgefäßen" (kleine Arterien, Arteriolen, Metarteriolen);
 
     1/4 tragen die Kapillaren (Mikrozirkulation) bei.

  Der Widerstand im Lungenkreislauf ("kleinen" Kreislauf) ist wesentlich geringer, er beträgt nur ~7% des Widerstandes im großen Kreislauf. Physiologisch steht er vor allem unter dem Einfluss des pCO2.
 
Der Widerstand der arteriellen Gefäße hängt von ihrem Kontraktionszustand ab. Arteriolen sind relativ muskelstark (>Abbildung) und verfügen über einen basalen, vom Innendruck abhängigen Tonus, der aktiv erzeugt wird, also aus der Kontraktion ihrer Muskulatur stammt (myogener Tonus). Seine Entstehung ist nicht ganz geklärt, wahrscheinlich spielen dehnungsempfindliche Ionenkanäle eine Rolle.

Zu beachten ist, dass der Blutdruck eine stetige mechanische Dehnung der Gefäßwände verursacht und den myogenen Tonus hervorruft (die dilatierende Kraft stammt letztlich - via Blutdruck - vom Herzen).

Zusätzlich zum myogenen Tonus stehen die Gefäße unter dem steuernden Einfluß des Sympathikus. Sympathische Fasern setzen Noradrenalin frei, das über α1-Rezeptoren, Aktivierung der Phospholipase C und Proteinkinase C
Calciumionen aus endoplasmatischen Speichern freisetzt und zu weiterer Kontraktion der glatten Muskelzellen führt (neurogener Tonus).

Weiters kommen lokale Faktoren zur Beeinflussung des arteriolären Tonus dazu: So können endotheliale "Messergebnisse" stromaufwärts an die Arteriolen vermittelt werden (vielleicht erfolgt Übertragung über die Endothelzellen), und im Interstitium kann sich
bei Aktivität des Gewebes oder Organs eine Fülle verschiedener Stoffe anhäufen und die Arteiolen entsprechend beeinflussen - typischerweise im Sinne von Tonusverminderung, Dilatation und damit Durchblutungssteigerung.

     In einigen Organen (wie Skelettmuskulatur, Myokard, Gehirn) sind lokale Faktoren von führender Bedeutung für den Zustand der Widerstandsgefäße - sie bestimmen ihre Durchblutung selbst, entsprechend dem Bedarf. In anderen (wie Haut, Nieren, Splanchnikusorgane) ist es vorwiegend der Sympathikustonus, der den Tonus der Arteriolen steuert - die Perfusion dieser Organe steht im Dienste der allgemeinen Kreislaufregulation. In einem Notfall (Zentralisation im Kreislaufschock) ist die Durchblutung von Gehirn und Herzmuskel - vor allen anderen Abnehmern - so am längsten gesichert.

Von welchen physikalischen Randbedingungen hängt die Durchblutung (Blutströmung durch Widerstandsgefäße) ab? Bei laminarer Strömung gilt das Hagen-Poiseuille-Gesetz, wonach die Durchlässigkeit eines Gefäßes mit der vierten Potenz des Radius zunimmt:

 
Q = ∂p  x  . r4) / (8ηl)
 
wobei Q = Strömung, ∂p = Druckdifferenz, r = Innenradius, η = Viskosität der Flüssigkeit und l = Gefäßlänge.

Da Strömung =
∂p / R (Poiseuille-Gesetz), gilt für den Strömungswiderstand R
 
R = 8ηl / π . r4
 
Dass der Strömungswiderstand mit der vierten Potenz des Innenradius abnimmt, ist ein ganz wesentliches Prinzip für die Kreislaufregulation, denn schon geringe Veränderungen des Gefäßzustandes (Vasokonstriktion- z.B. über Aktivierung von α-Rezeptoren - vs. Vasodilatation) führt zu deutlichen Effekten bei der Durchblutung des betreffenden Gewebeareals.

Die Leitfähigkeit eines Gefäßes steigt mit der vierten Potenz des Gefäßradius - der Strömungswiderstand verhält sich umgekehrt proportional dazu
 
Die Durchblutung eines Gefäßes wird im Wesentlichen über seinen Innendurchmesser beeinflusst. Andere Faktoren - wie Gefäßlänge oder Blutviskosität - sind vorgegebene Größen und nicht als Stellglied zur raschen Änderung von Perfusion oder Blutdruck geeignet.
 



Die meisten Blutgefäße stehen unter Dauerbeeinflussung durch sympathische Impulse ("Sympathikustonus": Ausschüttung von Noradrenalin → Vasokonstriktion). Andererseits weitet der Blutdruck die Gefäßwände (mechanische Vasodilatation). Die systemische Blutdruckregulation bedient sich daher aktiver vasokonstriktorischer Wirkung des Sympathikus.

So wirken einerseits die zentrale Blutdruckregulation, andererseits gezielt-
lokale Einflüsse zusammen.

Perfusionsbudget: Die Blutdruckregulation kann mit dem Staatshaushalt verglichen werden: Die einzelnen Ressorts geben Geld aus, das Finanzministerium muss mit begrenzten Mitteln haushalten. Umgesetzt auf den Kreislauf: Einerseits haben verschiedene Ressorts (Organe) Eigenbedarf (weite Gefäße → hoher Blutstrom), andererseits ist die Geldmenge (Blutvolumen) begrenzt, und der gesamte periphere Widerstand muss hoch genug sein, um den Blutdruck stabil zu halten (enge Gefäße → hoher Druck).

Die Blutdruckregulation beruht auf einem Kompromiss, der - nachfrageorientiert - auf optimale Durchblutungswerte abzielt. Ist die Summe dieses Bedarfs erhöht (wie bei körperlicher Belastung), muss das Blut rascher zirkulieren: Das Herzzeitvolumen steigt an.

Die stärkste Steigerung des Bedarfs entsteht bei körperlicher Belastung: Das Herzzeitvolumen kann ~4-5-fach (auf ≥20 l/min bei erwachsenen Personen) ansteigen. Bei Hitzeeinwirkung kann ferner die Hautdurchblutung auf ~5 l/min steigen (Kühlung des Körpers über die Haut!), dann verdoppelt sich das Herzzeitvolumen (auf ~10 l/min).

 
Über Vasodilatation s. weiter unten

  
Venen speichern schon bei geringem Füllungsdruck viel Blut
 
Unter Compliance (C) versteht man (physikalisch und physiologisch) die mechanische Dehnbarkeit eines Hohlkörpers. Sie ist definiert als

   
  Volumen V pro Druck p - z.B. ergibt sich bei einer bestimmten Blasenfüllung (im steady state) ein entsprechender Blaseninnendruck; oder als
 
      Volumenänderung ∂V pro Druckänderung ∂p, eine Größe, die auch ohne Kenntnis des absoluten Füllungsvolumens (z.B. des Blutvolumens im Kreislauf) ermittelt werden kann:



Die Definition der Compliance als ∂V/∂p ist besonders nützlich und funktionell relevant.

 

>Abbildung: Compliance (V/p) von Aorta und V. cava
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021

Die Volumendehnbarkeit der Aorta (links) ist im Vergleich zur Hohlvene (rechts) im niedrigen Druckbereich gering, unterstützt aber eine effektive Windkesselfunktion (bei einem Anstieg des transmuralen Drucks von 0 auf 100 mmHg nimmt das Volumen der Aorta um ~180% zu, von 0 auf 200 mmHg fast auf das Dreifache), was die systolische Belastung des linken Ventrikels (Nachlast) wesentlich reduziert.
 
Die Hohlvene (V. cava, rechts) ist im teilweise entleerten Zustand (ellipsoide Form bei transmuralem Druck <9 mmHg) enorm dehnungsfähig (~200% Volumenzunahme bei Druckanstieg von 0 auf 10 mmHg); bei adäquater Füllung nimmt die Compliance ab (Anspannung des kollagenen Stützgerüstes), sodass der venöse Rückstrom zum Herzen (Vorlast) gewährleistet ist. Bei extremer Dehnung versteift sich die Venenwand zusehends.
 
Die Compliance entspricht der Steilheit der jeweiligen Dehnungskurve. 100% ist das Volumen des vollständig relaxierten Gefäßes


Der Betrag der Compliance hängt nicht nur von der Wandbeschaffenheit des Gefäßes, sondern auch von seinem Füllungszustand ab (>Abbildung). Da die Druck-Volumen-Kurve von Hohlorganen nichtlinear ist, nimmt die Compliance mit zunehmender Füllung immer mehr ab (die Wände des Hohlkörpers werden steifer).

Zeitabhängige Veränderungen der Gefäßwandeigenschaften können die Compliance verändern (
"Plastizität", Wachstumsvorgänge, ..).

Der Kehrwert der Compliance ist der Volumen-Elastizitätskoeffizient E' (definiert als Druckänderung pro Volumenänderung).
 

Man kann die Compliance der herznahen Arterien vereinfacht mit ~2 ml/mm Hg angeben.

Die Compliance im Arteriensystem ermöglicht es, Druckschwankungen infolge der Herztätigkeit zu dämpfen (Windkesselfunktion). Als Faustregel gilt, dass (bei einer gesunden erwachsenen Person) pro ml zugeführtem Volumen
der Druck um 1 mmHg (0,13 kPa) ansteigt.

In das Venensystem müssen hingegen etwa 200 ml zugeführt werden (Bluttransfusion!), um den Druck um 1 mmHg zu steigern. Die Volumendehnbarkeit ist also etwa 200-fach höher als im Arteriensystem (Speichersystem).
 
 
Compliance (ml/mm Hg, gerundete Mittelwerte)
 
Aorta (herznahe)
Arterien (systemisch)
Venen (Niederdrucksystem)
2
1
200
 
Venen können allerdings arterienähnliche Eigenschaften annehmen, wenn sie in eine arterielle Position verbracht, d.h. anderen hämodynamischen Umständen ausgesetzt werden (z.B. koronarer Shunt aus transplantiertem Venenabschnitt).
 
      Das Arteriensystem beinhaltet etwa 750 ml Blut; die arterielle Compliance beträgt ca. 7,5 ml/kPa (1 ml / mmHg). Im Niederdrucksystem befinden sich mehr als 4 Liter Blut; die venöse Compliance beträgt 1500 ml/kPa (200 ml / mm Hg). 
 

<Abbildung: Kongestionsversuche zur Erforschung des venösen Kreislaufs
Aus William Harvey, Exercitatio anatomica de motu cordis et sanguinis in animalibus. Rotterdam: Arnold Leer, 1654


Noch im 16. Jahrhundert war es medizinische Lehrmeinung, dass das oszillierende Herz Blut in den Gefäßen lediglich hin-und herbewegt, um diese zu "durchspülen"; über die Funktionsweise des Lungenkreislaufs herrschten völlig falsche Vorstellungen.

1628 präsentierte William Harvey das Konzept eines geschlossenen Kreislaufs und der Pumpfunktion des Herzens - mit einem zwischen rechtes und linkes Herz geschalteten Lungenkreislauf ("De Motu Cordis"). Dieses Konzept beruhte auf dem Ergebnis systematischer Untersuchungen und logischer Schlussfolgerungen (und fasste auch Ergebnisse früherer Forscher, wie Serveto, Caesalpinus, Fabricius, zusammen).


Freilich hatte man schon im Altertum wichtige Erkenntnisse zur Physiologie des Kreislaufs gewonnen, die dann wieder verlorengingen; so betonte Eristratos im 3. Jh. vor unserer Zeitrechnung, dass der Puls in herznahen Arterien früher auftritt als in peripheren (Propagation der Pulswelle!). Der römische Arzt Archigenes beschrieb im 2. Jh. vuZ erstmals die Dikrotie (Zweigipfligkeit) des arteriellen Pulses. Galen stellte Untersuchungen zu verschiedenen Pulsformen an. Der Puls galt auch in der chinesischen Medizin als wichtiges diagnostisches Kriterium, hier wurden mehr als 30 Pulsqualitäten beschrieben.

Eine erste korrekte Beschreibung des Lungenkreislaufs gelang bereits im 13. Jahrhundert durch Ibn an-Nafis in Syrien (in Vergessenheit geraten, Schriften 1914 wiederentdeckt); allerdings rein theoretisch, während Harvey auch empirische Befunde nutzen konnte.

Die Frage der Verbindung zwischen arteriellen und venösen Gefäßen wurde schließlich Mitte des 17. Jh. durch Marcello Malpighi gelöst, indem er die Blutkapillaren beschrieb und so die Annahmen Harveys betreffend die Geschlossenheit des Blutkreislaufs bestätigte.


 
Wovon hängt der Gefäßtonus ab?

Gefäßtonus Bayliss-Effekt Funktionelle Hyperämie
 

Der Gefäßtonus ist der Zustand der Gefäßwand, der eine definierte Druck-Volumen-Charakteristik ergibt. Eine solche ist schon durch passive bindegewebige Elemente gegeben. Physiologischerweise stehen Blutgefäße aber immer unter dem Einfluss von Faktoren, welche die glatte Muskulatur (konstitutiv) anregen, wie myogene Antworten, aktive TRPC-Kanäle in der Myozytenmembran, Endotheline - sowie auch dilatierender Effekte, z.B. durch NO oder endothelabhängige Hyperpolarisierung.
 
Gefäßtonus
 

 Der Effekt der - bei Venen generell niedrigen - konstitutiven glattmuskulären Kontraktion addiert sich zu dem rein durch das Bindegewebe verursachten. Diesen Zustand nennt man Ruhetonus (basal tone). Da für die Kontraktion der Muskelfasern ein Einstrom von Ca++-Ionen erfolgen muss (elektromechanische Kopplung), können Ca++-Antagonisten den Muskeltonus minimieren und bei entsprechender Dosierung einen rein passiven Basistonus herstellen.

Gefäße weisen meist einen gewissen Aktivierungsgrad auf; zusätzlich zum Ruhetonus addieren sich verschiedene Effekte auf die glatten Muskelzellen - meistens mündend in eine Vasokonstriktion, gelegentlich auch eine Vasodilatation, oder die Auslösung rhythmischer Vorgänge (Autorhythmie) - je nach Reiz und Beschaffenheit des konkreten Gefäßes.

Der Gefäßtonus unterliegt dem Einfluss von

     Autoregulation der Durchblutung (Gehirn, Myokard, Nieren etc): Bayliss-Effekt

     Temperatur, z.B. Lewis-Reaktion

     Lokalen vasoaktiven Substanzen: Intrinsische wie die Vasodilatatoren Adenosin, CO2, Laktat, Phosphat, Hyperosmolarität, H2O2 sowie endotheliale Faktoren wie die Dilatatoren Stickstoffmonoxid, endothelial bewirkte Hyperpolarisation; Endotheline; auch Autakoide (Histamin, Bradykinin, Serotonin, Eikosanoide, plättchenaktivierender Faktor PAF - hauptsächlich bei Entzündungen oder Blutungen aktiv)

     Autonom-nervösen Einflüssen (sympathisch, vereinzelt parasympathisch), insbesondere Noradrenalin

     vasoaktiven Hormonen (Adrenalin, Vasopressin, Angiotensin). Insulin regt das Endothel zur Produktion von NO an und wirkt so vasodilatierend und antithrombotisch; Östradiol bewirkt in zahlreichen Geweben Vasodilatation - teils über Aktivierung von Kaliumkanälen, teils durch Wirkung auf eNOS
 

>Abbildung: Lokale und externe Faktoren der Gefäßsteuerung
Nach einer Vorlage in Herring / Paterson, Levick's Introduction to Cardiovascular Physiology, 6th ed. 2018

Die myogene Antwort ist der Bayliss-Effekt. Autakoide sind körpereigene vasoaktive Substanzen wie Histamin, Serotonin, Kinine, Eikosanoide, Angiotensin

NO, Stickstoffmonoxid


Die Einflussnahme auf den Tonus der Gefäßwand kann lokal oder von außen erfolgen (>Abbildung).
 
Zahlreiche Zellen regulieren die Durchblutung ihres Versorgungsgebietes auf lokaler Ebene über vasoaktive Substanzen, wie Nerven- und Muskelzellen (funktionelle oder metabolische Hyperämie oder metabolische Vasodilatation). Der Vorteil liegt in der stufenlosen Anpassung der Durchblutung an den Sauerstoffbedarf des Gewebes. Dieser Effekt wirkt sich vor allem auf die kleinen Gefäße (Arteriolen) aus.

Große Gefäße reagieren hingegen vor allem auf Belastung des Endothels über Schubspannung (Scherkräfte infolge Blutströmung) mittels Freisetzung von Vasodilatantien wie Stickstoffmonoxid oder Prostazyklin, aber auch auf Axonreflexe (aszendierende Vasodilatation).

Sympathische (noradrenerge) Effekte sowie myogene Antworten (Bayliss-Effekt) lassen sich an allen Arterien beobachten, vor allem an Widerstandsgefäßen.
 
Bayliss-Effekt
 
Die myogene Gefäßreaktion ist nach ihrem Entdecker William Bayliss benannt. Wird der Druck in einer Arterie oder Arteriole plötzlich erhöht, wird sie dadurch zunächst für einige Sekunden aufgedehnt (erhöhter Innenradius, reduzierter Strömungswiderstand, verstärkte Blutströmung), aber dann kontrahieren die meisten Gefäße (Druckanstieg → Dehnung → Konstriktion: Barinogene Kontraktion) - insbesondere in Gehirn, Nieren, Myokard (nicht in der Lunge oder Haut). Umgekehrt führt Druckerniedrigung zu Dilatation des Gefäßes (<Abbildung).
 
Zweck des Bayliss-Effekts ist die Stabilisierung der Durchblutung nachgeschalteter Organe trotz arterieller Blutdruckschwankungen
 

<Abbildung: Myogene Gefäßreaktion (Bayliss-Effekt)
Nach einer Vorlage in Herring / Paterson, Levick's Introduction to Cardiovascular Physiology, 6th ed. 2018

Strichlierte Linien zeigen die Perfusion in Abhängigkeit vom arteriellen Druck bei jeweils unverändertem Widerstand (konstantem Durchmesser) entsprechend dem Hagen-Poiseuille-Gesetz. Bei weiten Gefäßen (links) wäre der Widerstand gering, die Strömung hoch; bei engen Gefäßen (rechts) ist es umgekehrt. 
 
Die meisten arteriellen Gefäße antworten aktiv auf Änderung ihres Innendrucks (myogene Antwort, graue Pfeile), die Endpunkte liegen auf der blau gezeigten Kurve (Kurve der Autoregulation): Die Perfusion verbleibt in einem engen Strömungsbereich


Der Zweck dieses Mechanismus liegt darin, den Tonus der Gefäßwand zu stabilisieren und die Durchblutung trotz wechselnden Blutdrucks weitgehend konstant zu halten. Der Bayliss-Effekt ist eine Reaktion der Gefäßmuskulatur und bedarf keiner Nervenversorgung.



Der myogene Mechanismus funktioniert über Depolarisierung der Myozyten und Ca++-Einstrom: Dehnung der glatten Muskelzellen reduziert das Membranpotential auf etwa -40 mV (via TRP-Kanäle, Chloridkanäle (VRACs) und ENaCs), worauf L-Typ-Ca++-Kanäle öffnen und das einströmende Ca++ zur Kontraktion führt. Die Kontraktion wird durch die erhöhte Strömungsbelastung des Endothels (shear stress), die bei Verengung des Gefäßes auftritt, begrenzt (endotheliale Produktion von NO, endothelbedingte Hyperpolarisierung EDH).

Myogene autoregulative Vasokonstriktion erfolgt über Zunahme der Öffnungswahrscheinlichkeit spannungsgesteuerter Calciumkanäle in der Zellmembran glatter Gefäßmuskelzellen

Hemmung der Calciumkanäle erniedrigt den Gefäßtonus und erhöht die Durchblutung

So lange der Innendruck im Gefäß erhöht ist, bleibt auch die myogene Antwort aufrecht, denn die Wandspannung ist nach wie vor erhöht, auch im kontrahierten Zustand (Laplace-Gesetz). Offensichtlich reagieren die dehnungsempfindlichen Membrankanäle auf die Wandspannung, vermittelt über Integrine in der Membran, die auf Proteinkinasen wirken.

Die myogene Gefäßreaktion ist der wichtigste Mechanismus zur Autoregulation von Durchblutung und kapillärem Druck in Gehirn, Leber, Milz und Darm, und trägt auch zur Stabilisierung der Perfusion in Nieren und Herzmuskel wesentlich bei.
 
Funktionelle (metabolische) Hyperämie

In Gehirn und quergestreifter Muskulatur nimmt die Durchblutung fast linear mit dem Sauerstoffverbrauch zu - bedingt durch metabolische Vasodilatation, vermutlich vermittelt über vasodilatatorisch wirkende Substanzen, die im Interstitium des aktiven Gewebes vermehrt anfallen (wie K+, Adenosin, Azidose, Hyperosmolarität etc).

Periphere Vasodilatation erhöht die Blutströmung in vorgeschalteten größeren Arterien, und dies löst über endothelial bewirkte Steigerung des Membranpotentials der glatten Muskelzellen
in der Gefäßwand (endothelial bedingte Hyperpolarisierung)  eine Erweiterung der größeren Gefäße aus. Beide Effekte tragen zu etwa gleichen Teilen zur funktionellen Hyperämie bei.
 
Vasokonstriktion: Engere Gefäße, erhöhter Widerstand
 
Zur Erinnerung: Die Gefäßmuskulatur gehört zum single-unit-Typ, d.h. die Zellen sind über gap junctions verbunden und Aktionspotentiale pflanzen sich über Gruppen benachbarter Zellen fort. Gesteuert werden sie einerseits durch lokal entstandene Mediatoren bzw. "Gewebehormone", andererseits durch den Sympathikus (Noradrenalin). Solche Substanzen bezeichnet man als vasoaktiv.
 

>Abbildung: Aktivierung einer Gefäßmuskelzelle
Nach einer Vorlage bei memorangapp.com

Ein Signalstoff (Hormon) aktiviert über einen Second-messenger-Mechanismus den Calciumeinstrom in das Sarkoplasma. Das aktiviert die Myosin-Leichtkettenkinase MLCK (Myosin light-chain kinase).
 
Diese phosphoryliert die regulatorische leichte Kette des Myosinmoleküls in glatten Muskelzellen (insbesondere Gefäße und Bronchien) und führt zu Kontraktion:
 
  Depolarisierung öffnet spannungsabhängige Ca++-Kanäle    Ca++ bindet an Calmodulin    der entstandene Komplex aktiviert die Myosin-Leichtkettenkinase    aktivierte MLCK phosphoryliert die leichte Kette des Myosins, wodurch es enthemmt wird    der Myosinkopf wird als ATPase aktiv    die glatte Muskelzelle kontrahiert sich

Die MLK-Phosphatase dephosphoryliert hingegen die leichte Kette des Myosins und wirkt relaxierend


Mechanismen der Vasokonstriktion. Dehnung des Gefäßes kann selbständig (myogen) Kontraktion auslösen (Bayliss-Effekt). Die aktive Verengung des Gefäßdurchmessers erfolgt durch Kontraktion von Gefäßmuskelzellen. Diese kann durch mechanische, elektrische oder chemische Reize ausgelöst werden. Der auslösende molekulare Faktor kann eine Erhöhung der intrazellulären Calciumkonzentration oder eine Senkung der Konzentration an cAMP bzw. cGMP sein:

[Ca++]i→ Calmodulin MLCK-Aktivität→ MLC-Phosphorylierung→ Kontraktion Gefäßwand

[cAMP]→ PKAMLCK-PhosphorylierungMLCK-Aktivität→ MLC-Phosphorylierung→ Kontraktion Gefäßwand

[cGMP]→ PKGMLCK-PhosphorylierungMLCK-Aktivität→ MLC-Phosphorylierung→ Kontraktion Gefäßwand

Depolarisation der Zellen löst ebenso Kontraktion aus - wohl über Öffnung von
spannungsgesteuerten Ionenkanälen - wie das Aufbringen vasoaktiver Stoffe (Noradrenalin, Angiotensin, Vasopressin, Endothelin, Thromboxan), die über rezeptorvermittelte Mechanismen Calcium in die Zelle diffundieren lassen.
 
  
  Spannunsgesteuerte Calciumkanäle öffnen sich aufgrund einer Depolarisation, Ca++-Ionen diffundieren aus dem Extrazellulärraum und aus dem endoplasmatischen (sarkoplasmatischen) Retikulum in das Zytosol. Dort bindet es (reversibel) an Calmodulin, der entstehende Komplex aktiviert die Myosin-Leichtkettenkinase. Dieses Enzym phosphoryliert Myosin-Querbrücken, und der Kontraktionsvorgang ist aktiviert (<Abbildung).

"Ausgeschaltet" wird dies durch eine Phosphatase, welche die Phosphatgruppe vom Myosin entfernt und die Zelle wieder entspannen läßt.
Ca++-Ionen schließlich werden über eine ATP-abhängige Calciumpumpe des sarkoplasmatischen / endoplasmatischen Retikulums in dieses zurückbefördert; beim Transport nach extrazellulär hilft zusätzlich ein Na+-Ca++-Austauscher.

  
  Mediatoren / Transmitter lagern sich an Rezeptoren an, welche wiederum über nachgeschaltete molekulare Mechanismen (G-ProteinCalciumkanäle aktivieren und so die Zelle zur Kontraktion anregen (s. oben).

Beispiele:

      Katecholamine: Die Kontraktion glatter Muskelzellen über α1-Adrenozeptoren erfolgt auf zwei Wegen:

     Noradrenalin dockt an den Rezeptor, aktiviert Gq-Protein, was PLC aktiviert und IP3 freisetzt; dieses wirkt auf einen IP3-Rezeptor am sarkoplasmatischen Retikulum und bewirkt Calciumfreisetzung und Aktivierung der Myosin-Leichtkettenkinase (MLCK)

     Depolarisation (Zwischenschritte unklar) öffnet L-Typ-Calciumkanäle (→ Aktivierung MLCK)
 
Adrenalin wirkt über α1-Rezeptoren gefäßverengend
 
      Das Oktapeptid Angiotensin II entsteht im Renin-Angiotensin-Weg und wirkt auf einen Angiotensinrezeptor; weiters über PLC, IP3 wie oben

      Vasopressin wird bei Blutdruckabfall (Barorezeptoren) oder Volumenmangel (kardiopulmonale Rezeptoren) freigesetzt und erhöht über Wirkung an  V1A-Rezeptoren (PLC / IP3) den Gefäßtonus - vor allem im Splanchnikusbereich. Signale von Baro- und Volumenrezeptoren hemmen die Vasopressinausschüttung (tonische Inhibition), Blutdruckabfall fördert die Vasopressinsekretion (Disinhibition). Volumenmangel dominiert den Gesamteffekt auf die Hormonfreisetzung, sodass auch bei hypotoner Dehydratation Vasopressin trotz erniedrigter Osmolalität vermehrt ausgeschüttet wird.

Bei Belastunssituationen wie intensiver orthostatischer Belastung (insbesondere präsynkopal), Trauma, Schmerz, intensiven olfaktorischen, visuellen, auditiven Reizen oder Übelkeit wird Vasopressin in die Blutbahn freigesetzt (die Konzentration steigt vorübergehend auf mehr das Zehnfache des Ruhewertes) und wirkt volumensteigernd ("Wasserspareffekt", Kreislauf!), gefäßverengend und blutdrucksteigernd.

      Endotheline (ET1 bis ET3) aus Endothelzellen bewirken je nach Rezeptorreizung Vasokonstriktion (ETA-Rezeptor sowie ETB2-Rezeptor) - was für die meisten Gefäße zutrifft - oder Vasodilatation (ETB1-Rezeptor). ETA-Rezeptoren überwiegen im Hochdrucksystem, ETB-Rezeptoren im Niederdrucksystem des Kreislaufs.

Der Mechanismus der Vasokonstriktion funktioniert im Prinzip wie oben beschrieben; eine initiale Phase wirkt über Phospholipase C, IP3, DAG und öffnet intrazelluläre Ca++-Speicher; eine verzögerte Phase  involviert Calciumeinstrom aus dem Extrazellulärraum.
 
Endothelin 1 stammt aus Endothelzellen und wirkt gefäßverengend
 
Endothelin 1 wird auch über Prostaglandine im Gelbkörper des Ovars freigesetzt, was hier die Durchbutung senkt und die Luteolyse einleitet.

      Thromboxan A2 aus Endothelien und aktivierten Blutplättchen wirkt ebenfalls über einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor (TP-Rezeptor), der L-Typ Calciumkanäle öffnet.
 
   Katecholamine und Kreislauf. Infusion mittelgroßer Dosen (10 µg/min) von Adrenalin und Noradrenalin haben unterschiedliche Wirkungen:

     Noradrenalin wirkt vorwiegend über α-Rezeptoren stark vasokonstriktorisch, der Blutdruck steigt (systolisch und diastolisch) deutlich an. Der Baroreflex antwortet mit einer Senkung der Herzfrequenz.

     Adrenalin wirkt stark an ß-Rezeptoren; dadurch steigen Schlagkraft und Herzfrequenz (ß1), der systolische Blutdruck nimmt zu (erhöhte Herzleistung), der diastolische Blutdruck hingegen ab (vasodilatatorischer Effekt der ß2-Rezeptoren). Blockiert man vorher die ß-Rezeptoren, bewirkt eine Adrenalininfusion keine Steigerung, sondern Senkung der Herzfrequenz ("Adrenalinumkehr")
   
Geringe Dosen Dopamin (≤2,5 µg/kg/min) kontrahieren selektiv über Dopamin-(D1)-Rezeptoren renale und mesenteriale Blutgefäße; mittlere Dosen (2,5-5 µg/kg/min) steigern über kardiale ß1-Rezeptoren Schlagkraft und Herzfrequenz; hohe Dosen (>
5 µg/kg/min) wirken zusätzlich über α-Rezeptoren vasokonstorisch und blutdrucksteigernd.

Bei Kreislaufschock kann einer drohenden Unterdurchblutung der Nieren durch Dopamin-Infusion gegengesteuert und die Filtrationsleistung gesteigert werden. Direkter Dopamineffekt an
α-Rezeptoren kann aber die Perfusion peripherer Gewebe (Akren) gefährlich reduzieren. Dopamin wirkt außerdem an Tubulusepithelzellen natriuretisch.
 

<Abbildung: Glatte Muskelzelle: Dilatation und Konstriktion
Nach Flagg TP, Enkvetchakul D, Koster JC,  Nichols CG. Muscle KATP Channels: Recent Insights to Energy Sensing and Myoprotection. Physiol Rev 2010; 90: 799-829

Der ATP-sensitive K+-Kanal (KATP) bildet sich aus den Untereinheiten Kir6.x (inward rectifyer Kaliumkanal) und SURx (Sulfonylharnstoff- Rezeptor). Sein Zustand beeinflusst das Membranpotential der glatten Muskelzelle und damit ihren Kontraktionsgrad.
 
Links: Vasoaktive Stoffe, welche den KATP aktivieren, senken den intrazellulären Calciumspiegel durch Hemmung spannungsgesteuerter Ca++-Kanäle (VDCC: voltage-dependent Ca++ channels), Aktin-Myosin-Bindungen lösen sich Dilatation
 
Rechts: Vasoaktive Stoffe, welche den KATP inaktivieren, steigern den intrazellulären Calciumspiegel durch Aktivierung spannungsgesteuerter Ca++-Kanäle und führen so zu Konstriktion
 
NO kann durch Aktivierung der endothelialen NO-Synthase aus Arginin entstehen.

  AC = Adenylatzyklase   CGRP = calcitonin gene-related peptide    GC = Guanylatzyklase  PKA = Phosphokinase A  PKG = Phosphokinase G  PLC = Phospholipase C   VIP = vasoaktives intestinales Peptid

  
Zu vasoaktiven Substanzen s. dort   
 
Mechanismen der Vasodilatation
 
Soll die Durchblutung eines Gewebes erhöht werden, muss der Tonus der versorgenden Gefäße (Arteriolen) nachlassen, sodass der Blutdruck das Gefäß weiten kann (Vasodilatation), der Gefäßdurchmesser zu- und der Strömungswiderstand abnimmt. Vasodilatation kann die Durchblutung bis zu 20-fach steigern, insbesondere in der Haut (Thermoregulation), in Skelettmuskeln (Arbeitsleistung) oder in exokrinen Drüsen (Sekretion).

Der molekulare Mechanismus der Vasodilatation stellt sozusagen das Spiegelbild der Vasokonstriktion dar:

[Ca++]i → Calmodulin MLCK-Aktivität → MLC-Phosphorylierung → Dilatation Gefäßwand

[cAMP] → PKA MLCK-PhosphorylierungMLCK-Aktivität → MLC-Phosphorylierung Dilatation Gefäßwand

[cGMP] → PKG MLCK-Phosphorylierung MLCK-Aktivität → MLC-Phosphorylierung Dilatation Gefäßwand
 
Zu den chemischen Faktoren im Extrazellulärraum, die diese intrazellulären Reaktionen anstoßen, zählen niedriger pO2, erhöhter pCO2, Azidose, Kaliumionen, Laktat, ADP, Adenosin. Sie signalisieren den Bedarf nach erhöhter Perfusion. Im Pulmonalkreislauf sind die Gefäßreaktionen auf pO2, pCO2 und pH entgegengesetzt (je besser ein Lungenabschnitt belüftet ist - hoher pO2, niedriger pCO2 -, desto stärker wird er durchblutet).

Die Erschlaffung eines Gefäßes erfolgt oft indirekt: So kann die Aktivität vasokonstriktorischer Nervenfasern über cholinergen Einfluss (Muskarinrezeptoren M2, M4) gehemmt und dadurch die Freisetzung von Noradrenalin unterdrückt werden.
Erweiterung von Arteriolen steigert den Kapillardruck und damit die Filtration von Flüssigkeit in das Gewebe. Generelle Vasodilatation senkt den Blutdruck und kann zu Kreislaufversagen ("Widerstandsverlustschock") führen.

Eine zentral gesteuerte Vasodilatation erfolgt nur ausnahmsweise - cholinerg-parasympathisch in den Genitalorganen (Erektion von Schwellkörpern) und Herzkranzgefäßen (myokardiale Perfusionssteigerung).

Ansonsten stellt sich Vasodilatation lokal ein - je nach den Bedürfnissen des jeweiligen Gewebes (Autoregulation): Auf diese Weise wird vor allem in Gehirn, Nieren, Skelett- und Herzmuskulatur die Durchblutung bedarfsgemäß lokal eingestellt, und zwar:


      Mechanisch: Gesteigerte Blutströmung erhöht die Schubspannung im Endothel und löst die Freisetzung verschiedener Stoffe aus, wie Stickstoffmonoxid, Prostazyklin, EDHF und CGRP.

      Metabolisch: Lokale Faktoren, die bei Aktivität von Zellen vermehrt auftreten, führen im Bedarfsfall zu Gefäßerweiterung und Durchblutungssteigerung. Man spricht von lokal-chemischen bzw. -metabolischen Faktoren wie H+-Ionen (Azidose, Laktat), K+-Ionen, Hypoxie, CO2, Adenosin, ATP, Phosphationen, Hyperosmolalität, H2O2 (durch mitochondriale Superoxid-Dismutase aus Superoxid generiert). Alle diese Faktoren steigen konzentrationamäßig in der interstitiellen Flüssigkeit aktivierten Gewebes und haben gefäßerweiternde Wirkung, aber welche genau für metabolische Hyperämie verantwortlich sind, ist trotz eines Jahrhunderts intensiver Forschung immer noch ungewiss.

Wahrscheinlich hängt ihre relative Bedeutung von Situation, Belastungsausmaß und Organ / Gewebe ab. So reagieren Gefäße im Herz- oder Skelettmuskel
besonders intensiv auf K+ und Adenosin, im Gehirn auf K+ und pCO2.

Adenosin entsteht durch Abbau von AMP (Adenosin-Monophosphat), das beim Verbrauch von ATP aus aktiven Zellen in das Interstitium abgegeben wurde. Es kann bis zu 40% der länger anhaltenden metabolischen Hyperämie quergestreifter Muskeln bewirken. Adenosin wirkt
vasodilatierend über A2A-Rezeptoren → cAMP → Proteinkinase A (→ Erniedrigung zytosolisches [Ca++], verstärkter K-Ausstrom), über A1-Rezeptoren → Öffnung KATP-Kanäle, und über Reduktion cAMP-stimulierter Noradrenalinfreisetzung sympathischer Varikositäten.
 
Metabolische Vasodilatation kann durch Steigerung der Adenosinkonzentration erfolgen
 
Hyperpolarisierung von Gefäßmuskelzellen senkt den Ca++-Einstrom, das Gefäß senkt seinen Tonus. Dies kann metabolisch oder mechanisch bewirkt sein: Durch Anreicherung von K+ im Interstitium aktiver Skelettmuskulatur (metabolische Autoregulation), durch endotheliale Faktoren wie NO, PGI2 (EDH: Endothelium-derived hyperpolarisation), intensive Hypoxie.


 
Sowohl mechanisch als auch metabolisch bedingte Vasodilatation beginnt mit

     zunehmender Öffnungswahrscheinlichkeit von Ca++-Kanälen in der Membran von Endothelzellen.
 
     Der Calciumeinstrom aktiviert eine NO-Synthase in der Zelle, diese spaltet NO von Arginin ab. Dieses kurzlebige Gas (Halbwertszeit einige Sekunden) diffundiert zu benachbarten glatten Muskelzellen.
 
     Im Zytoplasma glatter Muskelzellen aktiviert NO zytosolische Guanylatzyklase. Diese bildet cGMP.
 
     cGMP aktiviert Proteinkinase G (PKG) und diese die Myosin-Leichtketten-Phosphatase (MLCP).
 
     MLCP dephosphoryliert Myosin-Leichtketten und dies führt zur Relaxation der glatten Muskelzelle.


Aktivierung der
Proteinkinase G führt in der glatten Muskelzelle über folgende Mechanismen zu Vasodilatation:
 
   Hemmung der IP3-vermittelten Freisetzung von Ca++ aus intrazellulären Speichern
 
   Phosphorylierung spannungsgesteuerter Ca++-Kanäle und damit Hemmung des    Einstroms
 
   Phosphorylierung von Phospholamban, einem Modulator der sarkoplasmatischen Ca++-Pumpe, was die Ca++-Einlagerung in das Retikulum beschleunigt
   
   Phosphorylierung und Öffnung Ca++-aktivierter Kaliumkanäle; die resultierende Depolarisation schließt L-Typ Ca++-Kanäle, der Ca++-Einstrom nimmt ab

  Vergleiche dort
 
Arterioläre Vasodilatation senkt den arteriellen Blutdruck
 
Übersicht: Vasodilatatorische Einflüsse
 
     Transmuraler Druck: Der Blutdruck dehnt die Gefäßwand "passiv" auf, die Kraft stammt von der Herzaktion
 
 
   Metabolisch (lokal): Purine (Adenosin, ADP, ATP), pCO2-Anstieg, pO2-Abfall, pH-Senkung, Anstieg extrazellulären [K+]
 
     Endothelial: Prostazyklin, NO, EDHF (endothelium-derived hyperpolarizing factor)

     Nerval: ß-adrenerg

     Humoral: Histamin, Kinine
 
Vasodilatation kann erfolgen
 
     cAMP-PKA-mediiert: Arteriolen in Skelettmuskel, Myokard und Leber sind reich an ß-Adrenozeptoren, die - wie auch Adenosin- (A2A), Histamin- (H2) und Prostazyklinrezeptoren (EP4) - wenn aktiviert - die Aktivität an Proteinkinase A erhöhen und dadurch
 
     Phospholamban phosphoryliert (inaktiviert) und so das "Abpumpen" von Ca++ in das sarkoplasmatische Retikulum fördert,
 
     verschiedene Kaliumkanäle phosporyliert und so ihre Öffnungswahrscheinlichkeit erhöht (Kaliumeinstrom → Hyperpolarisierung),
 
     die Leichtkettenphosphatase MLCP phosphoryliert / aktiviert und damit eine Entkoppelung des Kontraktionsmechanismus (Relaxation) bewirkt
 
     cGMP/PKG-mediiert: Stickstoffmonoxid (NO) und atriale natriuretische Peptide (ANP) aktivieren über cGMP die Proteinkinase G (PKG). Diese öffnet calciumaktivierte Kaliumkanäle und hyperpolarisiert glatte Muskelzellen, was bei Arteriolen zu Widerstandssenkung und Reduktion des arteriellen Drucks führt. Auch senkt es durch Blockade der Phospholipase C die 3 IP3-bedingte Freisetzung intrazellulär gespeicherter Calciumionen, was den Gefäßmuskeltonus weiter senkt.
 
Guanylatzyklase bildet cGMP, dieses aktiviert Proteinkinase G → Tonusreduktion der Gefäßmuskulatur → arterieller Blutdruck sinkt
 
Proteinkinase G (cGMP-dependent protein kinase) kommt in allen Arten glatter Muskulatur sowie in Thrombozyten in hoher Konzentration vor. Sie
findet sich in zahlreichen verschiedenen Zelltypen und hat außer für die Relaxation glatter Muskulatur noch weitere Funktionen (Nukleinsäuresynthese, Zellteilung, Plättchenaktivität, Spermienmotilität etc).
 
     Durch sinkende Empfindlichkeit (Desensibilisierung) gegenüber Ca++, was durch reduzierte Phosphorylierung des Myosins bei Hypoxie erfolgen kann
 
     Durch vasodilatierende Mediatoren wie Kinine, Histamin, NO, Prostazyklin, EDHF, CGRP
 
Bradykinin und Histamin wirken vasodilatatorisch

     Durch spezielle autonome Einflüsse:

      ß-adrenerg: Zirkulierendes Adrenalin kann auf diesem Wege (Sympathikus → Nebennierenmark (Sympathikus →  Adrenalinausschüttung) bei mentalem Stress Vasodilatation in Muskeln (z.B. des Unterarmes) bewirken (alerting response). Beteiligt ist an dieser Reaktion auch ein Nachlassen der Aktivität vasokonstriktorisch wirkender sympathischer Fasern.

      Cholinerg - sympathisch: Schweißdrüsen sind mit cholinergen (sudomotorischen) sympathischen Fasern innerviert. Diese begünstigen kutane Vasodilatation und Schweißproduktion. Das freigesetzte Acetylcholin veranlasst Endothelzellen zur Produktion von Prostazyklin (PGI2) und endothelialem hyperpolarisierendem Faktor (EDHF), VIP sowie NO.

      Parasympathisch: Hirnnerven dilatieren arterielle Gefäße in Gehirn, Herzmuskel, Speicheldrüsen, Pankreas (exokrin) und gastrointestinale Mukosa; parasympathische Fasern aus dem Sakralmark in Genitalien, Blase und Colon. Die aus der peripheren ganglionären Umschaltung entspringenden, kurzen postganglionären Fasern haben (so wie sympathische) Varikositäten, aus denen die Transmitter freigesetzt werden: Acetylcholin (M3-Rezeptoren), VIP, Substanz P und/oder NO.

Die Wirkung in den Speicheldrüsen (über chorda tympani) erfolgt über Acetylcholin, VIP und Substanz P; diejenige in der Bauchspeicheldrüse hauptsächlich über VIP ("peptiderg"); diejenige in der Submukosa des Darms über Acetylcholin und endothelial gebildetes NO. Die Wirkung auf die Gefäße der Schwellkörper ist nitriderg.
 
Stickstoffmonoxid Prostazyklin EDHF CGRP
     NO (Stickstoffmonoxid), ursprünglich als EDRF (endothelium-derived relaxing factor) bezeichnet, steigert die Durchblutung:



Endothelzellen bilden es aus Arginin durch Wirkung der NO-Synthase III (endotheliale Synthase eNOS) - teils konstitutiv, teils angeregt durch am Endothel wirkende Scherkräfte bzw. durch Stoffe wie Acetylcholin (M3-muskarinerg) oder Bradykinin.

NO diffundiert aus Endothel- in umgebende glatte
Gefäßmuskelzellen und regt hier eine lösliche Guanylatzyklase ("NO-Rezeptor") an; es entsteht cGMP, was über Aktivierung von cGMP-abhängigen Proteinkinasen (PKG) zu

 
   Phosphorylierung der MLCK (was diese hemmt und die Interaktion zwischen Aktin und Myosin reduziert),

 
   Phosphorylierung der SERCA-Calciumpumpe (was diese anregt, den sarkoplasmatischen Calciumspiegel senkt),

    Phosphorylierung calciumabhängiger Kaliumkanäle (was diese anregt und die Zelle hyperpolarisiert),

was zu Erschlaffung der Muskelzellen und Vasodilatation führt.

Erweiterung des Gefäßdurchmessers senkt den hydrodynamischen Widerstand und steigert die Durchblutung -
vgl. dort. NO ist einer der bedeutendsten Vasodilatatoren (Nitrate wie Nitroglyzerin wurden und werden in Akutsituationen verwendet, um über das entstehende NO Gefäße zu weiten, z.B. bei Angina pectoris).

Der hauptsächliche Reiz (60-80%) für die endotheliale Bildung von NO sind Scherkräfte (Schubspannung, shear stress), welche die Blutströmung auf die Endothelzellen ausübt: Endotheliale Glykokalix überträgt Scherkräfte auf Proteine eines IP3- Proteinkinase- Signalweges und aktiviert diese zur Bildung von endotheliales NO-Synthase. Da NO vasodilatierend wirkt, sinkt dadurch der Betrag der Schubspannung (negative Rückkopplung).

Dazu kommen Einflüsse wie Östrogene (hohe Östrogenspiegel in der Schwangerschaft) oder Insulin.

NO hat vor allem folgende Wirkungen auf Gefäße:

     Einfluss auf den Ruhetonus, Reduktion während der Schwangerschaft (erniedrigter Blutdruck trotz eines um bis zu 50% gesteigerten Herzminutenvolumens)

     Strömungsabhängige Vasodilatation bei Muskelarbeit (reduzierter peripherer Widerstand im Bereich der aktiven Muskeln steigert die Blutströmung und damit die Schubspannung am Endothel des versorgenden Gefäßes)

     Vasodilatation durch cholinerge parasympathische Fasern (Erektion)
 
     Prostazyklin (PGI2), das wie NO bei Erhöhung der Schubspannung über Wirkung von Prostazyklinsynthase (Abbau von Arachidonsäure) aus dem Endothel freigesetzt wird, die Adenylatzyklase in Gefäßmuskelzellen aktiviert und diese so über cAMP (das die MLCK phosphoryliert, s. oben) entspannt. Auch PGE1 wirkt stark vasodilatierend.
 
Prostaglandin E1 und I2 (=Prostazyklin) wirken stark gefäßerweiternd
 
     Besondere Bedeutung hat Prostazyklin für die Erschlaffung der Pulmonalarterie bei Neugeborenen.

    Für die Umwandlung von Arachidonsäure in Prostaglandine braucht man Zyklooxygenasen (COX:  Cyclooxygenase); wird diese medikamentös gehemmt (COX-Hemmer zur Dämpfung entzündlicher Prozesse), sinkt die Produktion von Prostazyklin.

     EDHF (Endothelium-derived hyperpolarizing factor), ein Konzept (mehrere Komponenten) eher als ein einzelner Faktor. EDHF wird ebenfalls durch Erhöhung der Schubspannung aus dem Endothel freigesetzt - vor allem in kleinen Arterien und in Arteriolen. EDHF überträgt möglicherweise den hyperpolarisierenden Effekt über Aktivierung von Ionenkanälen, oder über direkte Kontakte zwischen Endothel- und Muskelzellen
 
     CGRP (Calcitonin gene related peptide), ein Produkt alternativen neuronalen RNS-Processing des Calcitoningens, wirkt ~10fach stärker vasodilatierend als gefäßerweiternde Prostaglandine und bis zu ~100mal stärker als Acetylcholin - schon in femtomolarer Konzentration. Damit ist es (auf molarer Basis) der stärkste bekannte Vasodilatator.
 
CGRP wird von Nervenzellen gebildet - zentral und peripher. Über Stimulierung noradrenerger Neurone kann es (indirekt) auch blutdrucksteigernd wirken. Am Herzmuskel wirkt es positiv inotrop und auch chronotrop; direkt in den Kreislauf eingebracht wirkt es blutdrucksenkend.
 
Weiters wirkt CGRP als parakriner Mediator im Schmerzsystem.
  
Das Kininsystem
  
Auch Kinine (Bradykinin, Kallidin; >Abbildung) sind gefäßerweiternde Stoffe. Es sind Peptide (Bradykinin hat 9, Kallidin 10 Aminosäuren), die aus dem in der Leber gebildeten Prohormon Kininogen entstehen. Dieses wird aus der β2-Globulinfraktion abgespalten und kommt als hochmolekulares (HMWK) und niedermolekulares Kininogen (LMWK) vor.


>Abbildung: Kininsystem
Nach Tomita H, Sanford RB, Smithies O, Kakoki M. The kallikrein–kinin system in diabetic nephropathy. Kidney Int 2012; 81: 733-44

Kinine (rot: aktiv, blau: inaktiviert) entstehen durch die Einwirkung von Kallikreinen (plasmatischen Enzymen) auf Kininogene. Sie wirken vor allem über Bradykinin-2-Rezeptoren (B2R - dicker Pfeil: starke Aktivierung), ein wenig auch über B1R (dünner Pfeil: schwache Aktivierung).
 
Kininase I spaltet Arginin von Kininen ab, die Produkte wirken vor allem auf B1R. Kininase II  inaktivieren Kinine, indem sie zwei Aminosäuren entfernen.
 
Intrazelluläre Mechanismen umfassen Anstieg von Calcium (Ca2+) und Phospholipase-2 (PLA2). Die Aktivierung der intrazellulären Signalketten führt zur Bildung von Stickstoffmonoxid (NO) und Prostaglandinen (PG).

  ACE, Angiotensin converting enzyme  ECE, Endothelin-converting enzyme, Protease, die aus Präpro-Endothelinen Endothelin freisetzt  NEP, Neprilysin (=Neutrale Endopeptidase, Membran-Metallo-Endopeptidase), baut Peptidhormone ab  PI-PLC, Phosphatidylinositol-spezifische Phospholipase C, spaltet Protein von Phosphatidylinositol ab


Serumproteasen greifen diese Vorstufe an, insbesondere die am spezifischsten kininogenwirksame Kallikreine (Gewebskallikrein bildet Kallidin, Plasmakallikrein Bradykinin).

Bradykinin weitet die Gefäße
 
Kinine wirken auf Kininrezeptoren; diese sind Gq/i-Protein-gekoppelt, aktivieren Pospholipase C, steigern intrazelluläres [Ca++]  und werden unterschieden als

    B1-Rezeptoren, die vor allem im Rahmen von Entzündungen auftreten, Leukozyten aktivieren können und die Freisetzung von Prostaglandinen und NO sowie auch chronischen Schmerz und Vasodilatation bewirken; und


    B2-Rezeptoren, die von den meisten Zellen exprimiert werden und die meisten Bradykinineffekte bewirken - u.a. vermitteln sie vasodilatierende Effekte (über endotheliales NO, direkte Wirkung an glatten Muskelzellen kann über gesteigertes intrazelluläres [Ca++] konstriktorisch sein), Natriumausscheidung in der Niere (erhöhte Durchblutung, Hemmung der Resorption im Sammelrohr, Entstehung von akutem Schmerz, Freisetzung von Mediatoren.

Kinine bewirken auch

    erhöhte Gefäßpermeabilität,

    hemmen die Plättchenaggregation,

    triggern bei direkter Einwirkung Kontraktion glatter Muskeln (Bronchien, Darm, Uterus),

    wirken als Radikalfänger,

    stellen den fetalen Kreislauf auf postpartale Verhältnisse um (Schließen des ductus arteriosus, Kontraktion der Nabelgefäße, Dilatation der Pulmonalarterie).
 

 
     Systemisch ist ein vasodilatatorisches System (als Gegenpol zum vasokonstriktorischen Sympathikus) nicht notwendig, da der Blutdruck überall gefäßerweiternd wirkt und vasodilatatorische Mechanismen lokal verfügbar sind. Das erklärt, warum Blutgefäße auf parasympathische Versorgung weitgehend verzichten können (Ausnahme: Schwellkörperfüllung, Steigerung der Koronardurchblutung, vielleicht auch der Durchblutung der Skelettmuskulatur).





  Durch den Zusatz von Adrenalin und Noradrenalin zu Lokalanästhetika-Lösungen verbleibt das Pharmakon infolge der verringerten Durchblutung länger am Wirkort; gleichzeitig sinkt dessen systemische Toxizität. Adrenalinapplikation kann Herzrasen verursachen.

Herzinsuffizienz: Rechtsherzinsuffizienz führt zu Druckerhöhung in Venen und Kapillaren und dadurch (Starling-Kräfte) zu Ödemen in der Körperperipherie, vor allem in den Beinen (zusätzliche hydrostatische Belastung).

Linksherzinsuffizienz führt hingegen zu pulmonaler Hypertonie (mittlerer Druck in den Pulmonalarterien >20 mmHg), Druckbelastung in den Alveolarkapillaren und zu Lungenödem, was zu Atemnot und zum Auftreten feuchter Rasselgeräusche über der Lunge führt.

Hypervolämie (Erhöhung des Blutvolumens) kann verschiedene Ursachen haben (erhöhte Zufuhr, z.B. bei Infusion von Plasmaersatzstoffen; verringerte Ausscheidung, z.B. bei Nierenversagen). Das Herz findet eine erhöhte Vorlast vor und muss verstärkt Arbeit leisten, die koronare Durchblutung kann zu gering und das Myokard ischämisch geschädigt werden.

Chronische Volumenüberlastung des Herzens kann bei Klappeninsuffizienz auftreten, z.B. führt Mitralklappeninsuffizienz zu linksseitiger Vorhofhypertophie, Aortenklappeninsuffizienz zu Hypertrophie des linken Ventrikels. Dilatiert dabei der Herzmuskel, spricht man von exzentrischer Hypertrophie.

Hypovolämie (Erniedrigung des Blutvolumens) kann z.B. durch Blutverlust (gastrointestinale Blutungen sind eine häufige Ursache) oder verminderten Kochsalzgehalt im Körper (z.B. Nebennierenrindeninsuffizienz) bedingt sein. Die Kreislauffunktionen sind eingeschränkt, weil ein normales Blutvolumen Grundlage aller hämodynamischen Regulationsvorgänge ist. Es kann zu Synkopenneigung, hypovolämischem Schock und (unbehandelt) zum Tod durch Kreislaufversagen kommen.

  Bei schwerer Anaphylaxie mit Kreislaufschock und Kehlkopfödem wird Adrenalin verabreicht, insbesondere um einen vasokonstriktorischen Effekt zu bewirken und Blut aus dem Niederdrucksystem zu mobilisieren.
 

 
      Das Herz transportiert bis zu ~10.000 Liter Blut pro Tag, gegen einen Druck von ~2 kPa (rechter Ventrikel) bzw. ~13 kPa (linker Ventrikel), und konsumiert dabei ~10% der Stoffwechselenergie des Körpers. Das Blutvolumen beträgt 5-10% des Körpergewichts (bei 70 kg KG ~5 Liter) und wird mittels Indikatorverdünnung bestimmt: Je größer das Volumen, desto stärker wird der Indikator verdünnt → niedrige Konzentration. Die verwendete Substanz muss ungiftig, verlässlich messbar sein und während der Messdauer im Blutkreislauf verbleiben (Bindung an Protein oder Erythrozyten). Als effektives Blutvolumen gilt die funktionelle Füllungsreserve des rechten, als zentrales Blutvolumen (zwischen Pulmonal- und Aortenklappe) des linken Herzens
 
      Hämodynamik beschreibt Wechselwirkungen zwischen Volumen, Druck, Blutströmung und Eigenschaften der Gefäßwände für den Kreislauf als geschlossenes hydrodynamisches System. Sie erklärt Phänomene bei bei Änderung des Blutvolumens (Hämorrhagie, Transfusion), der Körperlage oder der Durchblutung von Teilkreisläufen. Der Unterschied zwischen Innen- und Außendruck an der Gefäßwand (transmuraler Druck: Blutdruck minus Gewebedruck) bestimmt deren Dehnung und damit auch den Gefäßwiderstand. Steigt der transmurale Druck, wird das Gefäß gedehnt, sein Durchmesser nimmt zu. Der höchste Druck (hohe Wandspannung) herrscht in den Arterien (reich an Elastin). Den größten Anteil des Strömungswiderstandes im Kreislauf bieten kleine Arterien und Arteriolen (>50% glatte Muskulatur; terminale Arteriolen steuern die Durchblutung entsprechend dem lokalen Bedarf). Kapillaren (~1 mm lang, ~95% Endothel) haben den größten Gesamtquerschnitt; Blut durchströmt sie mit ~1 mm/s, der Druck sinkt um ~20 mmHg; Blutkörperchen verformen sich entsprechend dem Strömungsprofil, was den Reibungswiderstand minimiert
 
      Die Intima ist die wichtigste Abdichtung gegen Verlust von Plasma und bildet vasoaktive Substanzen, z.B. Stickstoffmonoxid. Das Endothel (Wandfläche insgesamt >100 m2) kommuniziert mittels Zellfortsätzen mit Muskelzellen in der Media. Die Media verleiht strukturelle Festigkeit (Kollagen, Elastin) und Kontraktionsvermögen (glatte Muskelfasern). Die Adventitia beinhaltet sympathische Varikositäten und in größeren Gefäßen vasa vasorum für die Versorgung der Media. Extremitätenvenen enthalten auch Schmerzfasern. Das Laplace-Gesetz beschreibt die Beziehung zwischen Wanddicke, Wandspannung und transmuralem Druck: Dehnung der Gefäßwand nimmt mit Druckbelastung und Gefäßdurchmesser zu, mit dem Wanddurchmesser ab. Kontraktion der Muskelschicht entlastet die bindegewebigen Elemente. Bei Vasodilatation nimmt der Gefäßradius - und damit die Dehnung der Elastin- und Kollagenfasern - zu
 
     Gelegentlich ist der transmurale Druck in Arterien negativ, z.B. systolisch bei linksventrikulären subendokardialen Gefäßen (Durchblutung während der Diastole); im Lungenkreislauf sind apikale Regionen in aufrechter Lage nur während der systolischen Blutdruckspitzen geöffnet. Arteriolen können ihren Durchmesser aktiv besonders stark verändern. Venen speichern >50% des Blutvolumens (Kapazitätsgefäße) und sind teils stark mit Blut gefüllt (in den Beinen im Stehen), teils kollabiert. Aktivität sympathischer Fasern steigert den Innendruck und erhöht das Blutangebot an das Herz (Vorlast), assistiert von Venenklappen ("Muskelpumpe"). Im Stehen ist der hydrostatische Druck über die Längsachse des Körpers unterschiedlich, Lagewechsel bedingt Volumenverschiebungen und Veränderungen des Herzzeitvolumens (Stehen ~5 l/min, Liegen ~7 l/min). Bei 45°-Lagerung liegt der Kollapspunkt der Jugularvene ~2 cm über dem Sternum. Venen sind bis zu einem Punkt, an dem sich die Kollagenfasern scherengitterartig formieren, sehr gut dehnbar
 
      Druckgradienten und Masseträgheit bestimmen die Strömung von Blut. Je größer der Druckunterschied und je kleiner der Strömungswiderstand, desto stärker die Strömung (analog Ohm'sches Gesetz). Für den gesamten Kreislauf gilt: Arterieller Mitteldruck ~ Herzzeitvolumen x peripherer Widerstand (TPR). Bis zu kleinen Arterien sinkt der mittlere Druck im Artereinsystem kaum, der Strömungswiderstand ist gering; der periphere Widerstand liegt im Bereich der Arteriolen. Je enger ein Gefäß (Poiseuille: R~1/r4), desto geringer seine Perfusion
 
      Die Aorta wandelt ~75% der systolischen kinetischen Energie (Beschleunigung der Blutsäule) in potentielle Energie um, sie wird anschließend in kinetische Energie zurückverwandelt (zwischengespeichertes Blut weiterbefördert). Dieser Windkesseleffekt hält die Blutdruckamplitude gering (z.B. 120/80). Die Druckwelle (Pulswellengeschwindigkeit: zentral ~4 m/s, peripher bis 10 m/s; steigt mit sinkender Dehnbarkeit der Gefäßwände) läuft antegrad in die Peripherie und durch Reflexion zum Herzen zurück (retrograd) - viel schneller als die Strömung (Aorta 0,2 m/s). An verschiedenen Stellen des Arteriensystems resultieren unterschiedliche Pulswellenformen - diese sind meist dikrot und verlaufen gegen Ende eines Druckzyklus flacher als zu dessen Beginn. Der systolische Druck gilt als Maß für das Schlagvolumen, der diastolische für den peripheren Widerstand. Der arterielle Mitteldruck ist durch Herzminutenvolumen und peripheren Widerstand bestimmt, die Blutdruckamplitude  durch Schlagvolumen, Pulsfrequenz und arterielle Compliance. Je größer das Schlagvolumen und je geringer die Compliance, desto größer die Blutdruckamplitude. Die Druck-Volumen-Beziehung der Gefäße ist nichtlinear (sinkende Compliance mit zunehmendem Innendruck)
 
      Der Gefäßtonus entspricht einer definierten Druck-Volumen-Charakteristik und steht unter dem Einfluss zahlreicher Faktoren: Autoregulation der Durchblutung (Gehirn, Myokard, Nieren); lokale vasoaktive Substanzen (Adenosin, NO, Endothelin); extrinsische - autonom-nervöse (Sympathikus), endokrine (Adrenalin, Vasopressin, Angiotensin), Dehnung (Bayliss-Effekt), Temperatur (Lewis-Reaktion). Große Gefäße reagieren vor allem auf Belastung des Endothels über Schubspannung (Blutströmung) und auf Axonreflexe (aszendierende Vasodilatation). Sympathische Effekte sowie myogene Antworten (Bayliss) wirken vor allem an Widerstandsgefäßen. Der myogene Mechanismus funktioniert über dehnungsbedingte Depolarisierung und Ca++-Einstrom; erhöhte Strömungsbelastung des Endothels begrenzt die Kontraktion (NO, endothelbedingte Hyperpolarisierung): Autoregulation von Durchblutung und kapillärem Druck in Gehirn, Leber, Milz und Darm, Stabilisierung der Perfusion in Nieren und Herzmuskel. In Gehirn und quergestreifter Muskulatur steigt die Perfusion linear mit dem Sauerstoffverbrauch (metabolische Vasodilatation). Periphere Vasodilatation erhöht die Blutströmung in größeren Arterien, führt zu endothelial bedingter Hyperpolarisierung und Dilatation der größeren Gefäße
 
      Vasopressin wird bei Blutdruckabfall (Barorezeptoren), Volumenmangel (kardiopulmonale Rezeptoren) oder anderen Belastunssituationen freigesetzt (zentrale Disinhibition) und erhöht den Gefäßtonus vor allem im Splanchnikusbereich. Volumenmangel dominiert den Gesamteffekt auf die Hormonfreisetzung, sodass auch bei hypotoner Dehydratation Vasopressin trotz erniedrigter Osmolalität vermehrt ausgeschüttet wird. Vasopressin wirkt volumensteigernd, gefäßverengend, blutdrucksteigernd. Endotheline bewirken Vasokonstriktion (ETA-Rezeptor) oder Vasodilatation (ETB-Rezeptor). Noradrenalin wirkt vorwiegend über α-Rezeptoren stark vasokonstriktorisch, der Baroreflex antwortet mit einer Senkung der Herzfrequenz. Adrenalin steigert über ß-Rezeptoren Schlagkraft, Herzfrequenz und systolischen Druck. Geringe Dosen Dopamin kontrahieren renale und mesenteriale Blutgefäße, mittlere steigern Schlagkraft und Herzfrequenz, hohe Dosen wirken zusätzlich vasokonstorisch / blutdrucksteigernd
 
      Vasodilatation erfolgt durch Hyperpolarisierung - vermittelt über mechanische Reizung (Schubspannung), metabolische Autoregulation, endotheliale Faktoren, intensive Hypoxie, ß-adrenerg (Adrenalin), cholinerg (sympathisch oder parasympathisch). Vasodilatation kann die Durchblutung bis zu 20-fach steigern, insbesondere in der Haut (Thermoregulation), Skelettmuskeln (Arbeitsleistung), exokrinen Drüsen (Sekretion). Erweiterung von Arteriolen steigert den Kapillardruck und damit die Filtration von Flüssigkeit in das Gewebe. Generelle Vasodilatation senkt den Blutdruck und kann zu Kreislaufversagen ("Widerstandsverlustschock") führen
 
      Kinine sind gefäßerweiternde Peptide, die aus hepatisch gebildetem Kininogen durch Kininasewirkung entstehen. Sie wirken auf Kininrezeptoren, die von den meisten Zellen exprimiert werden, gefäßdilatierend (Bradykinin!), steigern die Gefäßpermeabilität, hemmen Plättchenaggregation, kontrahieren Bronchien, Darm und Uterus, wirken als Radikalfänger und stellen den fetalen Kreislauf auf postpartale Verhältnisse um (ductus arteriosus, Kontraktion der Nabelgefäße, Dilatation der Pulmonalarterie)
 

 

Eine Reise durch die Physiologie


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