Transport im kardiovaskulären System (Kreislauf, Blut, Lymphe)

Hämodynamische Prinzipien (Volumen, Druck, Strömung, Widerstand)


 
© 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)
Blut: indogermanische Wurzel - "bhle" = quellen
Compliance (engl) = Fügsamkeit, Einverständnis
Dikrotie: δι = doppelt, κρὁτος = Schlag
Hämodynamik: αἷμα = Blut, δύναμις = Kraft
Kirchhoff-Gesetze: Gustav Robert Kirchhoff
Puls:
pellere, pulsum = klopfen, schlagen
Sphygmo-manometrie, -graphie: σφυγμός = Puls, Herzklopfen; μανός = dünn, μέτρον = Maß(stab), γραφή = Schrift

vasoaktiv: vas = Gefäß, agere = bewegen, treiben


Das einfachste Kreislaufmodell besteht aus einer Pumpe (Herz) und einer simplen Gefäßschleife: vom Herzen weg (arteriell - hoher Druck) und zum Herzen zurück (venös - geringer Druck). Dazwischen liegt der "periphere Widerstand", eine Engstelle, welche den Druck stark reduziert (kleine Arterien, Arteriolen, präkapilläre Sphinkteren). Der Widerstand ist eine virtuelle Größe; steigt sein Betrag, dann nimmt die Strömung (Durchblutung) ab, und der Druckunterschied zwischen vor und hinter dem Widerstand nimmt zu.

Dieses simple Modell (ohne Verzweigungen) zeigt schon fundamentale hämodynamische Tatsachen auf: (1) Je höher das (Blut)Volumen, desto höher die (Blut)Druckwerte; (2) die periphere Durchblutung (Kreislauf) entspricht der Pumpleistung (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.

Berücksichtigt man Gefäßaufzweigungen, ergibt sich logischerweise, dass die (hydrodynamische) Leitfähigkeit des Gefäßsystems der Summe der nebeneinander liegenden ("parallelen") Leitfähigkeiten der Teilkreisläufe entspricht (der Kehrwert des peripheren Widerstandes ist die Summe der Kehrwerte der Einzelwiderstände).

Das Herz pumpt stoßweise, das Schlagvolumen gelangt portionsweise in die Aorta. Daher pulsiert der Innendruck, was durch die Dehnbarkeit der Schlagader gedämpft wird ("Windkesseleffekt"). Je steifer die arteriellen Wände, desto größer sind die Druckschwankungen, d.h. der Unterschied zwischen maximalem ("systolischem") und minimalem ("diastolischem") Blutdruckwert, also die Blutdruckamplitude.

Der periphere Widerstand ergibt sich aus dem Zustand der kleinen Versorgungsgefäße: Werden sie enger, spricht man von Vasokonstriktion, erweitern sie sich, von Vasodilatation. Vasokonstriktion bewirken sympathische Nervenfasern (sie verwenden Noradrenalin); auch andere Stoffe (Angiotensin, Endothelin, Thromboxane..) können Gefäße verengen. Teilweise Gefäßverengung ermöglicht die "Umleitung" von Blut zu anderen Gebieten (kollaterale Vasokonstriktion).

Vasodilatation ergibt sich, wenn vasokonstriktorische Einflüsse nachlassen (z.B. sinkender Sympathikustonus). Der Blutdruck weitet dann die Gefäße (druckpassive Dilatation). Das kann durch Substanzen unterstützt werden, die bei Gewebeaktivität freiwerden und auf diese Weise perfusionsfördernd wirken (z.B. Stickstoffmonoxid, Prostazyklin, CO2, Adenosin, CGRP).


Blutvolumen Prinzipien der Hämodynamik Strömungsgesetz arterieller Blutdruck arterielle Druckwelle und Blutdruckamplitude Windkesseleffekt peripherer Widerstand Compliance Basistonus und Ruhetonus Vasokonstriktion Vasodilatation und Autoregulation Kininsystem


>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), Versorgungsgefäßen (Kapillaren), Blutspeicher (periphere Venen) und Gefäßen, deren Füllung die Vorlast des Herzens bestimmt (zentralvenöser Teil)

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



 
  Blutvolumen. 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).
  Hypovolämie = reduziertes Blutvolumen infolge Blutverlust (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, wird als "effektives Blutvolumen" bezeichnet (unscharfe Definition).

    Als zentrales Blutvolumen bezeichnet man (exakt) den Inhalt zwischen Pulmonal- und Aortenklappe - ein Teil davon kann vom linken Herzen als Füllungsreserve herangezogen werden.



 

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

  1. Mit dem Blutvolumen steigt der Druck. Größeres Blutvolumen (Hypervolämie) ergibt erhöhten Blutdruck


  2. Summe der Durchblutungswerte im Körper = Herzzeitvolumen. Stärkere Durchblutung bedeutet höhere Pumpleistung


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


  4. Die Volumendehnbarkeit (Compliance) - Volumenänderung pro Druckänderung - ist im Venensystem  mindestens ≈20mal höher als im Arteriensystem

Hämodynamik beschreibt die Wechselwirkungen zwischen Volumen, Druck, Blutströmung und mechanischen / geometrischen Eigenschaften der Gefäßwände.

Zwar ist der Blutdruck von vielen Größen abhängig, unter anderem der Salz-Wasser-Bilanz des Körpers; doch für Kurzzeiteffekte kann der Kreislauf als geschlossenes, elastisches System betrachtet werden.

Aus dieser einfachen Analogie leiten sich hämodynamische Gesetzmäßigkeiten ab.




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

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


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. Der venöse Druck im Kreislauf ist insgesamt relativ gering und verändert sich kaum - abgesehen von lageabhängigen (hydrostatischen) Druckschwankungen.

Transmuraler Druck: Der Unterschied zwischen Innen- und Außendruck (Blutdruck - Gewebedruck) an der Gefäßwand bestimmt deren Dehnung und damit auch den Gefäßwiderstand. Je größer der transmurale Druck, desto stärker ist das Gefäß gedehnt, sein Durchmesser nimmt (je nach der Dehnbarkeit) zu.

Arterien sind meist stark aufgedehnt; Venen weniger, sie können auch kollabiert sein (wenn der transmurakle Druck negative Beträge annimmt - vgl. dort). Bei 45-Grad-Lagerung liegt der Kollapspunkt der Jugularvene normalerweise etwa 2 cm über dem Sternum (s. dort). Auch Arterien können einen negativen transmuralen Druck erfahren, z.B. subendokardiale Gefäße im linken Ventrikel während der Diastole. Der Lungenkreislauf ist durch entsprechende Zonen ausgezeichnet (in aufrechter Lage sind die apikalen Gebiete nur während der systolischen Blutdruckspitzen geöffnet).

Arteriensystem: Größter Druck, größte Strömungsgeschwindigkeit

Die Aorta ist durch einen hohen Anteil an Elastin ausgezeichnet. Dieses auf das Doppelte seiner Ruhelänge dehnbare Protein ermöglicht die Zwischenspeicherung eines Teils des vom linken Ventikel ausgeworfenen Schlagvolumens (Windkesselwirkung), was

     das Herz entlastet (geringere Nachlast),

     die Pulsamplitude reduziert und

     die Blutströmung kontinuierlicher werden lässt.

Arteriolen: Größter Strömungswiderstand

Arteriolen
können durch Verringerung ihres Querschnitts (Vasokonstriktion; Poiseuille-Gleichung) den Strömungswiderstand erhöhen und - entsprechend dem Tonusmuster im Kreislauf - die Verteilung von Blutstrom und Blutvolumen verändern.

Kapillaren: Größte Anzahl, größter Gesamtquerschnitt

Kapillaren (etwa 5-10 Milliarden, mittlere Länge ≈0,5-1 mm, Durchmesser ≈5-10 µm) 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).


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


Nervöse Beeinflussung: Blutgefäße sind durch sympathische Nervenfasern beeinflussbar. Noradrenalin wirkt über α-Rezeptoren anregend auf glatte Gefäßmuskelzellen und bringt diese zur Verengung (Vasokonstriktion). Arterien und Kapillaren sind kaum innerviert; Arterien dienen (außer der Leitung von Blut) der Dämpfung diskontinuierlicher Volumenbelastung (Windkesseleffekt) sowie der Pulswellenfortpflanzung, Kapillaren dem Stoffaustausch. Anders ist es mit Arteriolen und Venen / Venolen:

     Arteriolen regeln den Strömungswiderstand, was einerseits zentral (Sympathikus), andererseits lokal beeinflusst wird (bedarfsabhängige Autoregulation)

Venen: Größtes Volumen

     Venolen und Venen speichern mindestens 50% des gesamten Blutvolumens, ihre Kontraktion erhöht das Blutangebot an das Herz (Vorlast). Unterstützt wird der Blutstrom Richtung Herz 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.
  Daher sind es Arteriolen einerseits, Venen und Venolen andererseits, die intensiv mit sympathischen Fasern versorgt sind (peripherer Widerstand, venöse Compliance).



Einige Daten zu den Gefäßabschnitten im Vergleich:

 

Arterien Arteriolen Kapillaren Venolen
Venen

Aorta





Vv. cavae
Innendurchmesser
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)
4,5
20
400
4500
4000
40
18

Werte aus Mohrman DE / Heller LJ, Cardiovascular Physiology, 8th ed. McGraw Hill 2014




  Strömungsgesetz
  
Blut strömt (abgesehen vom Trägheitsmoment fließenden Blutes) infolge eines Druckunterschieds:
  Je größer der Druckunterschied (D1-D2) und je kleiner der Strömungswiderstand (W) zwischen zwei miteinander kommunizierenden Gefäßabschnitten, desto stärker ist die Strömung zwischen ihnen (z.B. die Durchblutung der betreffenden Region):
 
  Strömung = (D1-D2) / W
 

<Abbildung: Strömung entsteht durch einen Druckunterschied

Je größer der Druckunterschied - verursacht durch eine Pumpe (oder 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)

Der (virtuelle) Wert für W (Strömungswiderstand des betreffenden Gewebes, Organs, Körpers) kann durch Umstellung der Formel aus Durchblutung, arteriellem und venösem Druck errechnet werden:
 
Strömungswiderstand = (arterieller - venöser Druck)  /  Perfusion
 
Je höher der Widerstand (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).

 

>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

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

  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

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

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


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


  Arterieller Blutdruck. Die vereinfachte Formel für den gesamten Kreislauf (venöse Druckwerte vernachlässigt) lautet:


Arterieller Blutdruck ≈ Herzzeitvolumen  x  peripherer Widerstand
 
z.B.: Blutdruck 100 mmHg, Herzzeitvolumen 5 l/min → 100 mmHg = 5 l/min x 20 Widerstandseinheiten (hier: mmHg / (l/min))


>Abbildung: Kreislaufschema
Nach: 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.
 
Die gesamte hydrodynamische Leitfähigkeit (Lgesamt) der Kreislaufperipherie ergibt sich aus der Summe der Leitfähigkeiten  (L1 + L2 + ... Ln) in den einzelnen (parallel oder "nebeneinander" geschalteten) Perfusionsstrecken.

Der Widerstand (R)
entspricht dem Kehrwert der Leitfähigkeit. Statt der Summe der Leitfähigkeiten ergibt sich daher für den gesamten peripheren Strömungswiderstand (total peripheral resistance) analog zum ersten Kirchhoff-Gesetz , dass der Kehrwert des Gesamtwiderstandes der Summe der Kehrwerte der Einzelwiderstände entspricht:
 
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).
 
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.
 

 

<Abbildung: Arterielle Pulswellen, die an Aorta und Femoralarterie synchron registriert wurden
Nach: 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). Die Pulskurven sind auf Grund von Druckwellenreflexionen mindestens dikrot (zweigipflig). S = höchster (systolischer), D = niedrigster (diastolischer) Druck eines Pulses an der jeweiligen Messstelle

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


  Arterielle Pulswelle : Das Herz pumpt mit jeder Austreibungszeit 50-100 ml Blut (ein Schlagvolumen) in die Aorta. Dies führt zu einem Druckanstieg und zur Auslösung einer Druckwelle (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).



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 so einfach:

     Der mittlere arterielle Druck (mean arterial pressure) ist ausschließlich durch das Herzminutenvolumen und den peripheren Widerstand bestimmt, entsprechend dem oben ausgeführten Strömungsgesetz. Man kann seinen Betrag nach der Faustregel diastolischer Druck + (Blutdruckamplitude / 3) abschätzen (nichtlinearer Zeitverlauf des Drucks, s. Abbildungen).
 
Arterieller Mitteldruck ≈ 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.

     Die Blutdruckamplitude (pulse pressure, 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).
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).



Die Blutdruckamplitude nimmt im Allgemeinen mit dem Alter zu (>Abbildung), was mit abnehmender Compliance ("Gefäßverhärtung") erklärt wird: Ein gegebenes Schlagvolumen bewirkt einen größeren Drucksprung.

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´]. 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).

"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

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.





Die mit reichlich elastischen Fasern ausgestattete Aorta hat die Fähigkeit, einen Teil des Schlagvolumens "zwischenzuspeichern" und dämpft dadurch den Anstieg des Drucks während des Herzschlags ("Windkesseleffekt"). Umgekehrt gibt sie während der Diastole das aufgefangene Blut an die Peripherie weiter, und die Blutdruckamplitude bleibt in einem Bereich von ≈5-6 kPa (≈40 mmHg). Versteift sich die Aortenwand (Arteriosklerose), nimmt dieser dämpfende Effekt ab und die Blutdruckamplitude zu.

Herznahe arterielle Gefäße, die zur Zwischenspeicherung des Schlagvolumens und Dämpfung der Druckamplitude beitragen, nennt man "Windkesselgefäße" (Windkessel vessels).



<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, die Perfusion bleibt (wenn auch auf niedrigerem Niveau) bestehen, obwohl der Zustrom am Eingang des Arteriensystems sistiert

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 ist ersichtlich, dass die Pulswellengeschwindigkeit bei mittelgroßen (nicht-sklerosierten) Arterien im Blutdruckbereich von 75-125 mmHg zwischen etwa 4 und 8 m/s beträgt.

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.



 
 
>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

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). Der physiologische Bereich ist blau gekennzeichnet


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 (total peripheral resistance TPR): Dieser hängt vom Kontraktionszustand der kleinen arteriellen Gefäße (kleine Arterien, Arteriolen, Metarteriolen) 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 Kalziumionen 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  (πr4) / (8ηl)
 
wobei Q = Strömung, ∂p = Druckdifferenz, r = Innenradius, η = Viskosität der Flüssigkeit und l = Gefäßlänge.

Physiologisch betrachtet heißt das, dass schon geringgradige Gefäßverengung (z.B. über Aktivierung von α-Rezeptoren) bereits zu einer deutlichen Erhöhung des Fließwiderstandes führt. Die Durchblutung eines Gefäßes wird im Wesentlichen über seinen Innendurchmesser beeinflusst (Vasokonstriktion, Vasodilatation). 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




  Dehnbarkeit der Gefäße (Volumencompliance). Unter Compliance (C) versteht man (physikalisch und physiologisch) die mechanische Dehnbarkeit eines Hohlkörpers. Sie ist definiert

  als Volumen pro Druck - z.B. ergibt sich bei einer bestimmten Blasenfüllung - im steady state - ein entsprechender Blaseninnendruck, passive zeitabhängige Dehnungseffekte - "Plastizität" (zeitabhängige Veränderungen) - kommen dazu

  oder als Volumenänderung ∂V pro Druckänd  erung ∂p.

C = ∂V/∂p
 
Dies ist funktionell besonders interessant: Der Betrag hängt vom Füllungszustand des betreffenden Systems ab. Da die Druck-Volumen-Kurve von Hohlorganen nichtlinear ist, nimmt die Compliance mit zunehmender Füllung immer mehr ab (die Wände des Hohlkörpers werden steifer).

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.




 
Gefäßtonus. Bei inaktiver glatter Muskulatur in der Gefäßwand sorgen lediglich bindegewebige Elemente für eine Druck-Volumen-Charakteristik, die man als Basistonus bezeichnet. Dessen Betrag ist von der Gefäßinnervation unabhängig. 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 den Basistonus bewirken.

Gefäße sind meist nicht völlig relaxiert, sondern weisen einen gewissen Aktivierungsgrad auf; der Effekt der im "Ruhezustand" vorliegenden glattmuskulären Kontraktion addiert sich quasi zum Basistonus, das Resultat ist ein Ruhetonus. Dies ist sozusagen der physiologische Grundzustand. Zusätzlich zum Ruhetonus können sich verschiedene Effekte auf die glatten Muskelzellen der Gefäßwand einstellen (Dehnung, z.B. Bayliss-Effekt; biochemische Umgebung, z.B. pCO2; Hormone; Transmitter, insbesondere Noradrenalin; Temperatur); Resultat ist meistens eine Vasokonstriktion, gelegentlich auch eine Vasodilatation, oder auch die Auslösung rhythmischer Vorgänge (Autorhythmie) - je nach Reiz und Beschaffenheit des konkreten Gefäßes.



 
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 Kalziumeinstrom 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. Die aktive Verengung des Gefäßdurchmessers erfolgt durch Kontraktion von Gefäßmuskelzellen. Diese kann durch mechanische, elektrische oder chemische Reize ausgelöst werden.

Dehnung des Gefäßes kann z.B. selbständig (myogen) Kontraktion auslösen (Bayliss-Effekt).

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 Kalzium in die Zelle diffundieren lassen.
 
  Spannunsgesteuerte Kalziumkanäle 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 Pumpe (SERCA: Sarcoplasmic / endoplasmic reticulum calcium ATPase, Kalziumpumpe des sarkoplasmatischen / endoplasmatischen Retikulums) in das sarkoplasmatische Retikulum 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-Protein) Kalziumkanäle 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 Kalziumfreisetzung und Aktivierung der Myosin-Leichtkettenkinase (MLCK)

     Depolarisation (Zwischenschritte unklar) öffnet L-Typ-Kalziumkanäle (→ Aktivierung MLCK)

  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) oder Vasodilatation (ETB-Rezeptor). Der Mechanismus der Vasokonstriktion ist wie oben beschrieben (PLC, IP3, DAG, Ca++).

Endothelin 1 wird auch über Prostaglandine im Gelbkörper des Ovars freigesetzt, was hier die Durchbutung senkt und die Luteolyse einleitet.

  Thromboxan aus aktivierten Blutplättchen wirkt ebenfalls über einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor

   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 Kalziumspiegel durch Hemmung spannungsgesteuerter Ca++-Kanäle (VDCC: voltage-dependent Ca
++ channels), Aktin-Myosin-Bindungen lösen sich, das Resultat ist Dilatation

Rechts: Vasoaktive Stoffe, welche den KATP inaktivieren, steigern den intrazellulären Kalziumspiegel 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.

Blutgefäße haben einen Kontraktionszustand (Tonus), der endothelial (z.B. Endothelin) und nerval (
katecholaminerg-sympathikoton) aufrechterhalten wird. Die Erschlaffung eines Gefäßes erfolgt meist indirekt über hemmenden Einfluss auf diese Faktoren. So kann die Aktivität postganglionär-sympathischer (vasokonstriktorischer) Nervenfasern über cholinergen Einfluss (Muskarinrezeptoren M2, M4) gehemmt und dadurch die Freisetzung von Noradrenalin unterdrückt werden.

Vasodilatation erfolgt infolge Hyperpolarisierung von Gefäßmuskelzellen. Dies kann metabolisch oder mechanisch bewirkt sein. 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:


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 (H+-Ionen, Laktat, Kaliumionen, CO2, Adenosin, ADP).

Mechanisch: Gesteigerte Blutströmung erhöht die Schubspannung im Endothel und löst die Freisetzung verschiedener Stoffe aus, wie

  NO (Stickstoffmonoxid), das im Endothel durch eNOS aus Arginin gebildet wird. Die Synthese von NO wird muskarinerg (M3) in Endothelzellen angeregt. NO regt die Guanylatzyklase in glatten Gefäßmuskelzellen an, was über Aktivierung von Proteinkinasen zu einer Senkung des Kalziumspiegels und Erschlaffung der Muskelzellen führt. Dies hat Vasodilatation zur Folge. Erweiterung des Gefäßdurchmessers senkt den hydrodynamischen Widerstand und steigert die Durchblutung - s. dort und >Abbildung

  Prostazyklin, das wie NO bei Erhöhung der Schubspannung aus dem Endothel freigesetzt wird, die Adenylatzyklase in Gefäßmuskelzellen aktiviert und diese so über cAMP entspannt

  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 RNS-Processing des Kalzitoningens, wirkt als Vasodilatator ≈10fach stärker als gefäßerweiternde Prostaglandine und bis zu ≈100mal stärker als Stoffe wie Azetylcholin. Er wirkt schon in femtomolarer Konzentration und ist damit (auf molarer Basis) der stärkste bekannte Vasodilatator. Seine Wirkungen entfaltet es u.a. in Gehirn (CGRP kann über Stimulierung noradrenerger Neurone auch blutdrucksteigernd wirken), Herzmuskel (positiv inotrop-chronotrop) und Niere; direkt in den Kreislauf eingebracht wirkt es blutdrucksenkend
 



<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) und wirken vor allem über Bradykinin-2-Rezeptoren (B2R - dicker Pfeil: starke Aktivierung), ein wenig auch 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 Kalzium (Ca2+) und Phospholipase-2 (PLA2). Die Aktivierung der intrazellulären Signalketten führt zur Bildung von Stickstoffmonoxid (NO) und Prostaglandinen (PG)

ACE: Angiotensin I-converting enzyme ECE: Endothelin-converting enzyme Gi, Gi-Protein Gq, Gq-Protein NEP: Neprilysin PI-PLC, Phosphatidylinositol-spezifische Phospholipase C

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.

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

Kinine wirken auf Kininrezeptoren; diese sind G-Protein-gekoppelt und werden unterschieden als

    B1-Rezeptoren, die vor allem im Rahmen von Entzündungen auftreten, und

    B2-Rezeptoren, die von den meisten Zellen exprimiert werden und u.a. vasodilatierende Effekte vermitteln.

Kinine bewirken auch

    erhöhte Gefäßpermeabilität,

    hemmen die Plättchenaggregation,

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

    wirken als Radikalfänger und

    reizen Schmerzrezeptoren.



  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.



Eine Reise durch die Physiologie


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