Transport im kardiovaskulären System (Kreislauf, Blut, Lymphe)

Perfusion von Organen und Geweben


 
© H. Hinghofer-Szalkay

Autoregulation: αὐτός = selbst, regula = Latte, Leiste, Maßstab, Regel
Bayliss-Effekt: William Bayliss
Euler-Liljestrand-Mechanismus: Ulf von Euler, Göran Liljestrand
Hüfner'sche Zahl: Gustav v. Hüfner
Hypertonie, Hypotonie: ὑπέρ = über(mäßig), ὑπό = unter, τείνειν = spannen




Das Herzzeitvolumen wird auf die Durchblutung von Organen und Geweben aufgeteilt; zwischen diesen Teilkreisläufen kann Konkurrenz entstehen. So benötigt bei sportlicher Aktivität einerseits die Muskulatur viel Blut (z.B. 20 l/min), andererseits braucht die Haut eine für die Kühlungsaufgabe ausreichende Perfusion (≈5 l/min), wieder andere Gebiete (z.B. Herzmuskel, Gehirn) können keine Einbuße ihrer Blutversorgung tolerieren.

In solchen Situationen haben (über)lebenswichtige Gewebe Vorrang vor anderen, die vorübergehend auch mit wenig Sauerstoff auskommen; der Sympathikustonus ist dann typischerweise hoch, was in nicht aktiver Muskulatur ("kollaterale Vasokonstriktion") und im Splanchnikusgebiet (Darm, Pankreas, Nieren..) Durchblutung und Blutspeicherung minimiert (gut für das Herz). In aktiven Teilen des Bewegungssystems wird die Vasokonstriktion über Autoregulation überspielt und hohe Perfusion gesichert (gut für die Muskeln).

Etwa 20 ml Sauerstoff können mit 100 ml arterialisiertem Blut transportiert werden (1,34 ml/g Hämoblobin: Hüfner'sche Zahl). Davon schöpft das Gewebe je nach Bedarf einen gewissen Anteil (Sauerstoffextraktion), der Rest wird zur Lunge retourniert. Der Unterschied zwischen arterieller und venöser O2-Menge heisst arteriovenöse Sauerstoffdifferenz (AVDO2). Sie ist z.B. hoch im Herzmuskel (der viel O2 für seine Energieproduktion braucht) und gering in der Niere (deren vorwiegend funktionelle Durchblutung im Dienst der "Blutwäsche" steht).

Die spezifische Durchblutung ist auf 100g Gewebemasse normiert (z.B. kühle Haut 10, Gehirn 55, Myokard 80, Niere 400 ml/100 g/min). Stoffwechselintensive Organe haben hohe spezifische Werte für Sauerstoffverbrauch und Perfusion.

Die Mechanismen der Regulation und Anpassung der Kreislauffunktion spielen sich in unterschiedlichen Zeitbereichen ab: Sehr rasch (Sekunden) wirken z.B. Autoregulation, die dehnungsgetriggerte Gefäßkontraktion (Bayliss-Effekt) oder der Baroreflex; langsamer (Minuten bis Stunden) durch Hormone gesteuerte Adaptationen; Stunden bis Tage brauchen z.B. Veränderungen der Gefäß- und Gewebsdehnbarkeit (Compliance), des Flüssigkeitshaushaltes und der Nierenfunktion.


Auswurfleistung des Herzens AVDO2  Spezifische Durchblutung Regulationsmechanismen Organdurchblutung Reaktive Hyperämie Kreislaufschock


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


Widerstandsgefäße symbolisch als Wasserhähne gezeigt

Besonders speicherfähig sind die Venen der Bauchorgane (versorgt durch den N. splanchnicus) sowie die Venengeflechte der Haut


Das Herzzeitvolumen (HZV - cardiac output, CO) wird auf die Körpergebiete entsprechend dem Bedarf aufgeteilt. Der periphere Widerstand wird so eingestellt, dass die Gewebe ausreichend durchblutet werden, andererseits der arterielle Blutdruck aufrechterhalten bleibt. Das Ruhe-HZV des Erwachsenen beträgt drei Liter pro Minute und Quadratmeter Hautoberfläche (cardiac index) - z.B. bei 2 m2 Haut 6 l/min.

  Unter Basisbedingungen (körperliche Ruhe, Indifferenztemperatur) verteilt sich das Herzzeitvolumen etwa so:

  ≈30% für das Verdauungssystem - der größte "Verbraucher" von Durchblutung im Zustand körperlicher Ruhe

  ≈20% für die Nieren - notwendig für die "Blutwäsche"

  ≈15% für das Gehirn - die Gehirndurchblutung ist insgesamt weitgehend konstant (0,55 ml/min/g)

  ≈15% für die Muskulatur - das steigt bei körperlicher Belastung um bis zum Zigfachen des Ruhewertes

  ≈10% für das Fettgewebe - die Durchblutung entspricht hier etwa dem Anteil am Körpergewicht

  ≈5% für den Herzmuskel - das Myokard hat dabei weniger als ein halbes Prozent der Körpermasse

  ≈5% für andere Gewebe (dieser Anteil kann stark steigen, z.B. nimmt die Haut bei extremer Wärmebelastung bis zur Hälfte des - dann erhöhten - Herzminutenvolumens in Aspruch)


Diese Verteilung ändert sich insbesondere

  bei körperlicher Arbeit: Die Perfusion der arbeitenden Muskulatur nimmt bis zigfach zu, das Herzminutenvolumen steigt bis zum vier- bis fünffachen des Ruhewertes an.

Vasodilatatorische Mediatoren häufen sich, bedingt durch die Muskelaktivität, im Gewebe an und entspannen die glatte Gefäßmuskulatur, woraufhin der Blutdruck die Arteriolen weitet und Blut leichter in die Mikrozirkulation einströmt: Autoregulation, s. weiter unten

  bei Hitzeeinwirkung: Die Durchblutung der Haut nimmt enorm zu, das Herzminutenvolumen kann sich verdoppeln.

Kommt es systemisch (d.h. insgesamt im Kreislauf) zu einem Konflikt zwischen dem Bedarf für Muskelaktivität und Abkühlung, wird die Hautdurchblutung zugunsten einer Maximierung der Muskeldurchblutung gedrosselt. So können z.B. jagende / gejagte Tiere kurzfristig maximale Muskelleistung vollbringen (bis die Verfolgungsjagd wegen Hyperthermie abgebrochen werden muss).

Abnahme des Sympathikustonus, dadurch Vasodilatation etc, s. auch dort




Ein zentrales Konzept für die Beurteilung von Sauerstoffversorgung und -verbrauch des Gewebes ist die arterio-venöse Sauerstoffdifferenz (AVDO2). Sie gibt den Unterschied zwischen arteriellem und venösem O2-Gehalt des Blutes an, das durch ein Organ bzw. Gewebe fließt:

Ein Gramm Hämoglobin kann 1,34 ml Sauerstoff binden (Hüfner'sche Zahl ); 100 ml Blut enthalten etwa 15 Gramm Hämoglobin. Daher können in 100ml Blut ≈20 ml O2 transportiert (und dem Gewebe angeboten) werden (15 mal 1,34 = 20). Kennt man die Durchblutung eines Organs und die AVDO2, errechnet sich daraus der Sauerstoffverbrauch.
Beispiel: Gehirndurchblutung 800 ml/min, AVDO2 = 6 ml/100 ml. Der Sauerstoffverbrauch errechnet sich als 6 mal 8 = 48 ml/min (1/5-1/6 des gesamten Sauerstoffbedarfs des Körpers, der in Ruhe 250-300 ml/min beträgt).
 
Bei einem arteriellen O2-Gehalt von 20 ml/100 ml Blut (15 g/l Hämoglobin, vollständig sauerstoffgesättigt) würde sich in diesem Beispiel ein verbleibender venöser O2-Anteil von 14 ml/100 ml ergeben (20 - 6). Das Blut hat also ≈30% seines (arteriell angelieferten) Sauerstoffs abgegeben; ≈70% sind am Hämoglobin verblieben und gelangen zu Herz und Lunge zurück.

Dazu ist anzumerken, dass ein um 30%, d.h. auf 70 Sättigungs-% desoxigeniertes Blut bereits bläulich ("venös") aussieht
(blaue Lippen!), im Gegensatz zu (kirschrotem) voll oxigeniertem ("arteriellem") Blut.

Der Herzmuskel wird durch den Koronarkreislauf (Koronarien = Herzkranzgefäße) versorgt. Die Koronarperfusion wird bedarfsorientiert eingestellt (Autoregulation ), sie hängt weiters ab von Herzfrequenz, Aortendruck und Sympathikustonus. Bei körperlicher Belastung nimmt die Durchblutung des Herzmuskels bis auf das Fünffache des Ruhewertes zu, nimmt aber immer etwa 5% des HZV in Anspruch: Das heißt, die Koronarperfusion ändert sich proportional zum Herzzeitvolumen.

Eine besondere Situation ist für den linken Ventrikel gegeben, er drückt während der Systole seine submyokardialen Gefäße zu und wird in den inneren Schichten nur während der Diastole durchblutet (
vgl. dort).
 



<Abbildung: Spezifische Durchblutung in ml Blut / 100 g Gewebe / Minute

Höchste Werte in der Nierenrinde (vor allem für den Salztransport), gefolgt vom Myokard (Pumpfunktion)

  Spezifische Durchblutung: Wie groß die Perfusion bezogen auf eine bestimmte Organmasse ist, drückt den Blutbedarf des jeweiligen Gewebes aus und wird als spezifische Durchblutung angegeben (meist in ml Blut pro Minute pro 100 Gramm Organ - <Abbildung). Sie hängt vom metabolischen Aufwand ab: So beträgt sie
 
 
   für die Haut (Gesamtdurchblutung ≈0,4 l/min) ≈10 ml/min/100g, wenn sie "kühl" ist und nicht für die Wärmeabgabe genutzt wird (dann steigt diese Zahl auf das Zehnfache und mehr, und kann absolut ≈5 l/min erreichen)

 
   für das Gehirn global 55 ml/min/100g - wesentlich weniger in der weißen Substanz (≈20) und fast das Doppelte in der Hirnrinde (≈100 ml/min/100g)

 
   für den Herzmuskel ≈80 ml/min/100g, allerdings kann diese Zahl bis auf das Fünffache steigen, wenn der Körper maximal ausbelastet wird

 
   Leber und Milz haben einen spezifischen Blutbedarf wie die Hirnrinde (≈100 ml/min/100g)

 
   Spitzenreiter ist die Niere, die global ≈400 ml/min/100g benötigt, noch mehr die Rinde mit ≈530 ml/min/100g (Abbildung).
 
Zum spezifischen Sauerstoffverbrauch verschiedener Gewebe s. dort

Zur Blutdruckregulation s. dort.



Bei niedrigem Blutdruck (Herzzeitvolumen mal peripherer Widerstand) sinkt die Aktivität der parasympathischen Fasern zum Herzen, während der Sympathikus Herz und Blutgefäße anregt - Prinzip der negativen Rückkopplung: Die Senkung des Blutdrucks setzt einen Mechanismus in Gang, der den Fehler korrigiert.

Für die Kreislaufregulation können verschiedene Aspekte im Vordergrund stehen:

  Blutdruck - Durchblutung des ganzen Körpers

  Perfusion einzelner Organe (Eigenbedarf)

  Blutvolumen - Voraussetzung für das Funktionieren des Kreislaufs

  Zustand der Gefäße und des Herzens (Anregung, Herzinsuffizienz usw.).


 

>Abbildung: Doppelter Rückkopplungskreis für die Blutdruckregulation
Nach einer Abbildung in Katzung / Masters / Trevor, Basic & Clinical Pharmacology, 11th ed, McGraw Hill 2009

Der vegetativ-nervöse Kreis funktioniert über Baroreflex, hämodynamische Prinzipien und venöse Rückstromdynamik, der hormonelle über das Renin-Angiotensin - Aldosteron-System

Man kann die notwendigen Regulationsmechanismen nach ihrem Zeitverlauf einteilen:

  Im Sekundenbereich wirkende Mechanismen (>Abbildung oben), wie 

      Bayliss-Effekt - Dehnung der arteriolären Gefäßwand (Blutdruckanstieg) führt durch Aktivierung mechanosensibler Ionenkanäle in der Membran glatter Muskelzellen zu deren Depolarisierung, Kontraktion und damit Tonussteigerung und Widerstandserhöhung, wodurch die Perfusion der betroffenen Gefäße wieder sinkt.

Für das betroffene Organ bedeutet das, dass die Durchjblutung in einem bestimmten Regulationsbereich ziemlich konstant gehalten wird, und zwar autonom (ohne neuralem Einfluss).

Das trifft auf zahlreiche Organe zu, vor allem auf das Gehirn, die Nieren und die Skelettmuskulatur.

Im Pulmonalkreislauf ist dies anders: Hier reagieren die Gefäße (Typ P) druckpassiv.




<Abbildung: Barorezeptorreflex, Auswirkung auf das Herz
Nach L. Samuel bei interactive-biology.com


      Barorezeptorreflex (<Abbildung) - er wirkt kurzfristig; bei längerdauernder Abweichung (Stunden bis Tage) des arteriellen Ruheblutdrucks (Hypotonie: zu niedriger Blutdruck, Grenzwerte definitionsabhängig, etwa <100 mmHg systolisch und <60 mmHg diastolisch; Hypertonie: zu hoher Blutdruck, systolisch >140 mmHg, diastolisch >90 mmHg) nimmt seine Wirksamkeit stark ab (Adaptation)

      Kardio-pulmonale Reflexe, ausgelöst von Dehnungsrezeptoren in oder nahe den Herzvorhöfen.
 
      Autoregulation: Zu zentralen (neuronalen und hormonellen) regulativen Einflüssen kommen lokale (autoregulative). Beispielsweise wird die Gefäßweite in Gehirn oder Niere stark von Mechanismen und Stoffen beeinflusst, die örtlich begrenzt bleiben und hier präzise entsprechend dem lokalen Bedarf vasodilatierend wirken. Dabei spielen verschiedene kurzlebige Biomoleküle eine Rolle, wie Prostaglandine, Monoamine oder Gasotransmitter (CO, NO).

Stickstoffmonoxid (NO) wird bei gesteigerter Scherung der Gefäßinnenwand aus Endothelzellen freigesetzt; erhöhter transmuraler Druck reduziert hingegen die NO-Freisetzung (Festigung der Gefäßwand).
NO vermittelt parasympathisch vermittelte (cholinerge) Dilatation der Herzkranzgefäße (dieser Effekt tritt auch bei Infusion von Azetylcholin auf). Stickstoffmonoxid wurde ursprünglich als Endothelium-derived relaxing factor (EDRF) bezeichnet, als die chemische Struktur dieses gefäßerweiternden Prinzips noch nicht klar war.



  Im Minutenbereich wirkende Mechanismen. Hierher zählen kurzfristige hormonelle Einstellungen (>Abbildung unten), z.B. über Katecholamine, Aldosteron und Vasopressin (ADH). Vasopressin erhöht die Rückgewinnung von Wasser in der Niere; es wirkt in höherer Konzentration vasokonstriktorisch und damit blutdrucksteigernd.


  Im längerfristigen Zeitbereich (Stunden, Tage und länger) wirkende Mechanismen, welche - lokal, neural und humoral gesteuert - Nierenfunktion und Flüssigkeitshaushalt sowie schließlich morphologische Anpassungen (Gefäßwand, Muskelstärke..) betreffen. Sie beeinflussen das Blutvolumen in Relation zur Aufnahmefähigkeit (Compliance) von Gefäßen und Interstitium.


Kleines Molekül, große Ehren: 1998 erhielten Robert Furchgott, Louis Ignarro und Ferid Murad "für ihre Arbeiten über die Rolle von Stickstoffmonoxid als Botenstoff im Herz-Kreislauf-System" den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Murad wies nach, dass die Wirkung vieler gefäßerweiternder Medikamente durch Guanylatzyklase vermittelt wird (Freisetzung von Stickstoffmonoxid). Furchgott stellte unabhängig davon fest, dass Blutgefäße selbst einen "endothelium-derived relaxing factor" bilden können. Murad und Ignarro zeigten unabhängig voneinander, dass dieser Faktor Stickstoffmonoxid ist. Murad's Arbeitsgruppe gelang es später auch, die NO-Synthase zu  isolieren.





Perfusion verschiedener Organe und Gebiete:
 
Lungen Herzmuskel Gehirn Nieren Skelettmuskel Haut  Splanchnikusgebiet Leber

 
Die Lungen haben zwei Gefäßsysteme: Bronchial- und Pulmonalgefäße (>Abbildung).


>Abbildung: Gefäßsystem der Lunge
Nach einer Vorlage bei Nat Clin Pract Cardiovasc Med 2005


     Das System der Bronchialarterien versorgt das Lungengewebe mit arteriellem Blut. Zwischen Pulmonal- und Bronchialkreislauf gibt es geringgradige Querverbindungen.

     Das Blut aus dem rechten Herzen gelangt in die Pulmonalarterien (Lungenschlagadern) und von hier in die Alveolarkapillaren, wo der Gasaustausch stattfindet. Durch diese Gefäße fließt das gesamte Herzminutenvolumen. Das linke Herz hat ein um ≈1% höheres Herzzeitvolumen als das rechte, da ein wenig Blut aus dem Bronchialkreislauf direkt in den linken Ventrikel mündet.

Der Druck in den Lungenarterien beträgt im Schnitt knapp 2 kPa (systolisch 20-25 mmHg, diastolisch ≈10 mmHg). Dementsprechend beträgt der Arbeitsaufwand (Druck-Volumen-Arbeit) des rechten Ventrikels ≈1/6 desjenigen des linken Ventrikels (Aortendruck im Schnitt ≈12 kPa).

Atmung und venöser Rückstrom: Inspiration erniedrigt den intrapleuralen Druck (Sogeffekt), steigert die Strömung in der vena cava unmittelbar unterhalb der Leber (stärkerer venöser Rückstrom aus den unteren Körperpartien), und blockiert den Ausstrom von Blut aus der Leber. Bei der Exspiration dreht sich dieses Muster in etwa um (vgl. dort). Mit der Atmung pendelt der venöse Rückstrom zwischen wechselseitiger Bevorzugung der beiden venösen Zustromgebiete (aus der Leber einerseits, aus "extrasplanchnischen" Gebieten andererseits) zum rechten Herzen.


<Abbildung: Pulmonale Vasokonstriktion infolge Hypoxie (hypoxic pulmonary vasoconstriction HPV)
Nach Lumb AB, Slinger P, Hypoxic Pulmonary Vasoconstriction: Physiology and Anesthetic Implications. Anesthesiology 2015; 122: 932-46

A: Idealisierter Normalfall: Belüftung und Durchblutung in allen Regionen gleich groß, arterielles Blut voll (99%) sauerstoffgesättigt

B. Belüftung in einem Lungenabschnitt eingeschränkt, dadurch mismatch: Das Blut aus diesem Lungenabschnitt ist sauerstoffarm, die Sauerstoffsättigung des dem linken Herzen zuströmenden Hämoglobins sinkt (hier auf 93%)

C
: Kompensation durch
hypoxiebedingte Vasokonstriktion (HPV): Blutstrom (hier 1,25 l/min) zu schlecht belüftetem Abschnitt eingeschränkt (zugunsten des gut belüfteten: hier 3,75 l/min)), der Sauerstoffpartialdruck des dem linken Herzen zuströmenden Blutes nehmen zu, die Sauerstoffsättigung steigt (hier auf 98%)

Lungengefäße sind vorwiegend sympathisch innerviert und reagieren auf Dehnung sowie auf Sauerstoffmangel atypisch (<Abbildung):

    Bei Anstieg des Drucks in den Pulmonalgefäßen reagieren diese dehnungspassiv (nicht mit einem Bayliss-Effekt), was zur Folge hat, dass es zu Erweiterung und vermehrter Blutaufnahme kommt. Dadurch sinkt der Strömungswiderstand, die Perfusion steigt, wie in unten gelegenen Lungenabschnitten bei aufrechter Körperlage (hydrostatische Druckschichtung im Gefäßsystem s. dort). So werden gut belüftete Lungenpartien auch gut durchblutet (Venilations-Perfusions-Abgleich).

    Die glatte Muskulatur der Pulmonalgefäße reagiert jedoch aktiv auf niedrigen Sauerstoffpartialdruck (Hypoxie) mit Konstriktion: Man nennt dieses Phänomen hypoxic pulmonary vasoconstriction (HPV). Die Pulmonalarterien sind vom Typ P - "P" für pulmonal -; ihr Verhalten ist deswegen sinnvoll, weil schlecht belüftete Lungenabschnitte nur gering durchblutet werden (Euler-Liljestrand-Mechanismus ). Dafür werden gut belüftete Lungenabschnitte stärker durchblutet (<Abbildung).

Hypoxämie führt an anderen Arteriolen zu Vasodilatation, um so mehr Sauerstoff an das Gewebe zu bringen. Das Verhalten der pulmonalen Gefäße ist eine Besonderheit.





Rasche, reversible primäre Phase: Hypoxie hemmt sauerstoffsensitive Kaliumkanäle in den Pulmonalarterien. Der verringerte Kaliumausstrom führt zu Depolarisierung, und diese zu Aktivierung spannungsabhängiger Kalziumkanäle; die Muskelzellen der Gefäßwand kontrahieren, und die Perfusion nimmt ab. Dies erklärt die rasche Reaktion der Lunge auf Sauerstoffmangel (voller Effekt innerhalb weniger Minuten), die auch schnell reversibel ist.

Verzögerte, langanhaltende sekundäre Phase: Eine zweite, langsamere Phase (nach >40 min Hypoxie) hat andauernde Wirkung (Strömungswiderstand in der Lunge bleibt nach Beendigung der Hypoxie länger bestehen) und beruht wahrscheinlich auf der veränderten Expression betreffender Gene (Langzeit-Anpassung). Wahrscheinlich involviert der Mechanismus den Transkriptionsfaktor HIF (Hypoxia-inducible factor). Dieser wirkt (als Dimer) auf ein HRE (Hypoxia-responsive element) der DNS, welches die Expression hunderter Gene reguliert, einschließlich solcher für Erythropoese, Angiogenese und Metabolismus.

Die zweite Phase der Hypoxieantwort scheint übrigens durch Applikation von Eisen unterdrückt zu werden. Darin zeigt sich ein Zusammenhang zwischen der physiologischen Wirkung von Sauerstoff und der von Eisen - vielleicht über den HIF (dessen Aktivität in der Lunge durch Eisenmangel erhöht wird). Eisengabe bei Probanden, die sich an chronische Hypoxie (>4000 m Seehöhe) akklimatisiert haben und bei denen der systolische Pulmonalarteriendruck von ≈24 auf ≈40 mmHg angestiegen ist, senkt den Druck (z.B. auf ≈30 mmHg) über Wochen wieder ab.
 
Die Funktionen des Pulmonalkreislaufs sind:
 
  Atemgasaustausch, Arterialisierung des Blutes

  Füllungsreserve für den linken Ventrikel

  Aktivierung / Abbau hormoneller Substanzen (wie des Angiotensins)

  evt. Filterung von Emboli im Pulmonalblut - Gerinnseln (Thromben), Fett-Tröpfchen nach Knochenbrüchen (Fettemboli), Gasbläschen (Gasemboli). Emboli bleiben in der Mikrozirkulation der Lunge stecken und werden anschließend resorbiert bzw. abgebaut.


  Die Perfusion des Herzmuskels - die Koronardurchblutung - beträgt in Ruhe 70-80 ml/100 g Myokardgewebe (4-5% des Herzzeitvolumens; das Herz einer mäßig trainierten erwachsenen Person wiegt ≈300 Gramm). Der Sauerstoffbedarf des Myokards beträgt etwa 25 ml/min (ca. ein Zehntel des Gesamt-O2-Verbrauchs von ≈250 ml/min) bei körperlicher Ruhe.

Bei körperlicher Belastung steigen die Verbrauchswerte an. Die Sauerstoffextraktion beträgt schon in Ruhe 65-70%, d.h. es bleiben venös kaum mehr als 30% des angebotenen
O2 übrig (→ Sauerstoffbindungskurve: dies entspricht - bei normalen CO2-Werten - einem Partialdruck von etwa 20 mmHg (!). Bei Belastung kann die Extraktion daher nur um höchstens 30% zunehmen; die Mehrversorgung mit Sauerstoff erfolgt im Wesentlichen über eine Steigerung der koronaren Perfusion: Bis ≈400 ml/100g (eine Steigerung um das mehr als 5-fache des Ruhewertes).

Die Differenz zwischen maximaler und basaler koronarer Perfusion bezeichnet man als koronare Reserve; als Quotient angegeben, sollte sie einen Wert über 3,5 ergeben (bei Gesunden findet sich ein Wert von etwa 5, d.h. die Durchblutung der Herzkranzgefäße kann unter Belastung fünffach ansteigen).

Die Koronardurchblutung ist in erster Linie durch lokale metabolische Mechanismen reguliert:

  Wirkstoffe wie CO2, K+, H+ häufen sich mit zunehmender Muskelaktivität im Myokard an und bewirken Vasodilatation und bessere Blutversorgung

  Endotheliale Wirkstoffe wie Prostazykline, NO (diese wirken gefäßerweiternd)

  Hormonelle Wirkstoffe (Angiotensin und Adrenalin wirken gefäßverengend)

  Reaktionen der Gefäßwand auf Druckanstieg (Autoregulation)

  Autonom-nervöse Einflüsse auf die Koronargefäße: Koronararterien sind dicht mit sympathischen Fasern versorgt, dennoch reagieren Herzkranzgefäße auf sympathische Aktivität meist mit Vasodilatation. Der Grund: Der Sympathikus steigert Kontraktionskraft und Herzfrequenz und damit den Sauerstoffverbrauch des Myokards, was einen stärkeren (autoregulativ-vasodilatierenden) Einfluss auf die Gefäße hat als die α-Rezeptor-vermittelte Konstriktion. (Der Effekt kommt bei experimenteller Blockade der α-Rezeptoren noch deutlicher zum Ausdruck.)

Der linke Ventrikel komprimiert während der Systole seine eigenen Versorgungsgefäße, insbesondere die subendokardialen (tiefe Schichten); die linksmyokardiale Perfusion konzentriert sich auf die Diastole, wo der arterielle Druck über dem im Muskelgewebe liegt. Bei eingeschränkter Durchblutung der Herzkranzgefäße (koronarer Herzkrankheit) leiden die subendokardialen Muskelschichten am meisten, Myokardinfarkte treten am häufigsten in den inneren Schichten des linken Ventrikels auf.


  Unterbrechung der Gehirndurchblutung für nur einige Sekunden führt zu Bewusstlosigkeit, für einige Minuten (bei Körpertemperatur) zu bleibenden Schäden (bei Abkühlung des Kopfes erweitert sich diese Zeitspanne). Reflexe sorgen normalerweise durch Anpassung von Herzzeitvolumen und peripherem Widerstand zu Stabilisierung des arteriellen Blutdrucks und damit der zerebralen Perfusion.

 
<Abbildung: Gehirndurchblutung in Abhängigkeit von arteriellen O2- und CO2- Partialdrucken sowie arteriellem Blutdruck
Nach einer Vorlage in Stoelting's Pharmacology & Physiology in Anesthetic Practice, 5ed. 2014. Lippincott Williams&Wilki


Die Durchblutung des Gehirns (<Abbildung) ist insgesamt recht konstant (≈55 ml/min/100g), regional aber unterschiedlich (graue Hirnsubstanz ist stoffwechselintensiver und daher stärker durchblutet als weiße) und je nach aktuellem Energieumsatz wechselnd (gesteigert bei hohem Aktivitätslevel neuronaler Schaltkreise, stark erhöht bei epileptischen Massenentladungen).

Die richtige Adjustierung der Gehirndurchblutung ist in erster Linie durch lokale Mechanismen gewährleistet; Autoregulation sorgt für weitgehend konstante Gesamtdurchblutung über einen Bereich etwa zwischen 50 und 150 mmHg arteriellem Druck (auf Kopfhöhe).

Vor allem der
CO2-Spiegel im Blut beeinflusst die Gehirndurchblutung: Hyperkapnie (arterieller pCO2>45 mmHg) führt zu Erweiterung der Widerstandsgefäße und Durchblutungssteigerung im Gehirn; umgekehrt führt Hypokapnie (arterieller pCO2<35 mmHg) zu Vasokonstriktion und Absinken der zerebralen Perfusion (übertriebene Atemtätigkeit kann zu CO2-Mangel und Bewusstlosigkeit führen). Abnehmender pO2 (Hypoxie) steigert die Gehirndurchblutung. Weiters nimmt der Gefäßwiderstand mit steigendem Liquordruck zu, die Gehirndurchblutung ab.
 

  Die Nieren erhalten pro Minute etwa einen Liter Blut (20% des Ruhe-HZV). Beide Nieren wiegen etwa 300 g, ihre spezifische Durchblutung beträgt damit ca. 330 ml/min/100g, einer der höchsten Werte im Organismus (hohe funktionelle Perfusion).

Ein Mindest-Blutdruck von 70 mm Hg ist für einwandfreie Nierenfunktion und ausreichende Harnbildung notwendig. Die Nierendurchblutung wird durch Autoregulation stabilisiert und autonom-nervös gesteuert.
Die Nierendurchblutung ist bei Kreislauf- oder psychischem Stress herabgesetzt, z.B. bei körperlicher Belastung (>Abbildung), im Stehen, bei Hitzebelastung, auch bei Lärmeinfluss.
 
  Über die Steuerung der Nierendurchblutung s. dort

  Über die Messung der Nierendurchblutung (renale Perfusion) s. dort
 




>Abbildung: Aufteilung des Herzminutenvolumens bei Ruhe und maximaler Ausbelastung - bei untrainierten und maximal trainierten Personen
Nach: Joyner MJ, Casey DP. Regulation of Increased Blood Flow (Hyperemia) to Muscles During Exercise: A Hierarchy of Competing Physiological Needs. Physiol Rev 2015; 95: 549-601

Werte für gesunde erwachsene Personen. Die Muskeldurchblutung kann ≈40fach ansteigen. Die renale Durchblutung sowie die der Leber und des Gastrointestinaltrakts (Splanchnikusgebiet) nimmt bei Muskelbelastung stark ab, die des Herzmuskels (Koronarperfusion) proportional zur Belastung zu. Die zerebrale Perfusion bleibt im Wesentlichen gleich

  Die Durchblutung der Skelettmuskulatur entspricht vor allem der Arbeitsbelastung. Die Perfusion aktiver Muskeln kann auf das 20fache des Ruhewertes steigen (im Extremfall bis zu 40fach). Der Skelettmuskel ist das Organ mit dem größten Anteil an Kapillaren am Organgewicht (besonders dicht ist die Kapillarisierung der Typ-I-Muskeln). Belastung des Muskels führt lokal zu mehreren metabolischen Faktoren, die hier eine Vasodilatation und damit reaktive Hyperämie hervorrufen. Dazu gehören Abfall des Sauerstoffpartialdrucks, Zunahme des Kohlendioxidpartialdrucks, lokale Azidose, Anreicherung von Adenosin und Kalium.



  Sympathische Kontrolle: Die Arteriolen in der ruhenden Muskulatur (40-45% des Körpergewichts - der größte "Verbraucher" im Kreislauf) stehen unter starkem Einfluss des sympathischen Tonus. Dieser ist im Ruhezustand niedrig, fällt er aber weg (experimentell), nimmt die Durchblutung (ohne Muskelarbeit!) auf das Doppelte zu (Ausfall der Noradrenalinwirkung an α-Rezeptoren → arterioläre Vasodilatation). Bei maximaler Aktivität der sympathischen Fasern reduziert sich die Durchblutung in inaktiven Muskeln auf ≈25% des normalen Ruhewertes (Noradrernalinausschüttung → arterioläre Vasokonsriktion → Widerstandserhöhung).

Bei Muskelarbeit steigt der Anteil der Durchblutung der gesamten Skelettmuskulatur von ≈15% des (Ruhe-) Herzminutenvolumens auf bis >80% des (nunmehr stark erhöhten!) Herzminutenvolumens (Verhältnis etwa 1 zu 30). Die regulative Bandbreite ist also sehr groß: Die maximale Perfusion eines Muskels liegt beim Zigfachen seiner Ruhedurchblutung.

Ausgeprägte Autoregulation sichert den aktiven Muskeln ausreichende Durchblutung, während unbeteiligte Muskelpartien durch den Einfluss des Sympathikus weniger Blut erhalten.
  Muskelarbeit: Das Herzzeitvolumen steigt bei Ausbelastung und mäßigem Trainingszustand bis zum 4-5fachen des Ruhewertes an, vorwiegend durch Steigerung der Herzfrequenz (die Kreislaufantwort auf beginnende Muskelbelastung wird von der hinteren Insel koordiniert). Die Muskelpumpe gewährleistet effizienten Rückstrom zum Herzen; die Durchblutung von Nieren und Gastrointestinalsystem wird gedrosselt (und, wenn möglich, auch die der Haut).

Bei hochtrainierten Athleten sind infolge kurzer Höchstleistung Herzminutenvolumina bis zu ≈40 l/min gemessen worden (>Abbildung).
 
  Über die Muskeldurchblutung im Zusammenhang mit dem Herzminutenvolumen s. dort

  Über die Steuerung des Kreislaufs bei körperlicher Belastung s. dort

  Über Muskelarbeit und venösen Rückstrom ("Muskelpumpe") s. dort
 
Die Mikrostruktur der Blutgefäße im Skelettmuskel sichert die Durchblutung trotz starker mechanischer Verformungen (Verkürzung der Kapillaren bei Muskelkontraktion). Die kleinste funktionell steuerbare Perfusionseinheit besteht aus einer terminalen Arteriole, die sich in einige parallel zu den Muskelfasern laufende Kapillaren aufteilt (wo der Stoffaustausch stattfindet), das Blut in eine postkapilläre Venole weiterleitet und als microvascular unit bezeichnet wird.

Aktivierung der Muskelfasern (physische Belastung) ist ein Reiz zur Gefäßneubildung (angiogener Stimulus) - eines der wenigen Beispiele für physiologische Angiogenese auch nach Abschluß der körperlichen Entwicklung. Die bei Belastung auftretende Hypoxie im Muskelgewebe führt zur Sekretion von Wachstumsfaktoren, z.B. VEGF. VEGF wird in den Muskelzellen vesikulär gespeichert und wird bei Belastung in den Extrazellulärraum abgegeben. Hier wirkt er anregend auf Zellen, die in die Gefäßneubildung involviert sind. Dabei korrespondieren Satellitenzellen (Stammzellen der Muskulatur) und Endothelzellen (und Leukozyten) eng miteinander und beteiligen sich auch an Reparaturvorgängen nach Gewebeschädigung. Involvierte Signalstoffe sind außer VEGF FGF, IGF, HGF, PDGF u.a.


  Die Haut wird umso stärker durchblutet, je mehr Wärme abgegeben werden muss, und das HZV steigt bis aufs Doppelte des Ruhewertes an. Die Hautdurchblutung kann zwischen 0,1 l/min (niedrigster Wert) und 5 l/min (z.B. bei längerem Aufenthalt in einer Sauna) liegen.

Die hohe Hautperfusion dient auch der Durchblutung der Schweißdrüsen. Der Abtransport von Wärmeenergie wird durch Verdunstung unterstützt. Je stärker die Haut durchblutet wird, desto mehr Blut speichern die Venennetze der Haut, und der Blutrückstrom zum Herzen nimmt ab.

 
  Über Haut und Thermoregulation s. dort
 

Die Durchblutung des Verdauungsapparates beansprucht mit etwa 1,5 Litern pro Minute einen großen Anteil (in Ruhe 30-35%) des Herzzeitvolumens und ist damit stark kreislaufwirksam. Das Splanchnikussystem steuert die sympathische Versorgung der Baucheingeweide und damit die Perfusion des Gastrointestinaltrakts.

Gesteigerter Sympathikustonus bewirkt Vasokonstriktion, reduziert die Perfusion und führt zu Entspeicherung von Blut aus venösen Darmgefäßnetzen. Dadurch wird Blut für das Herz mobilisiert, der venöse Rückstrom verbessert und die Vorlast des Herzens erhöht. Herzminutenvolumen und arterieller Druck können so durch Verringerung der Darmdurchblutung und intestinal-venöse Konstriktion unterstützt und die Kreislaufsituation stabilisiert werden.
  Eine umfangreiche Mahlzeit kann die Durchblutung des Darms bis auf das Doppelte des Ruhewertes steigern. Umgekehrt kann maximaler Sympathikustonus (Stress, Muskelarbeit) die Durchblutung des Darms bis auf ≈20% des Normalwertes reduzieren.


 

<Abbildung: Reaktive Hyperämie

Roter Pfeil: Durchblutung (Perfusion) im Kontrollzustand

Reaktive (postischämische, postokklusive) Hyperämie (<Abbildung): Gewebe, die schwächer durchblutet werden als dies ihrem Stoffwechselbedarf entspricht, reagieren mit Erweiterung ihrer Widerstandsgefäße und erleichtern dadurch ihre Perfusion. Zeitlich gesehen bedeutet dies, dass auf eine Minderperfusion eine entsprechende Korrektur (Perfusionssteigerung) folgt. Da diese Hyperämie als Reaktion auf eine Störung (mangelnde Perfusion) erfolgt, spricht man von reaktiver Hyperämie.
Dieser Mechanismus ist sinnvoll, da er ein metabolisches Manko durch vermehrtes Sauerstoff- und Substratangebot wieder wettmacht. Die Reaktion entspricht dem typischen Zeitverlauf, der sich ergibt, wenn eine aus dem Gleichgewicht geratene Regelgröße durch ein Regelsystem wieder in den optimalen Bereich zurückgebracht wird. Dabei ergibt sich ein "Overshoot", bis sich die Regelgröße wieder auf den Sollwert eingependelt hat (<Abbildung).



Die reaktive Hyperämie ist ein kurzzeitiges Phänomen: Sie dauert einige Sekunden bis Minuten an. Ursache ist die lokale Anhäufung humoraler Faktoren (Metaboliten) im Gewebe, die während der vorausgegangenen Phase der Unterdurchblutung / Hypoxie ins Interstitium freigesetzt werden;
reaktive Hyperämie funktioniert unabhängig von neuralen Mechanismen. Dauert die vorausgehende Ischämiephase höchstens eine halbe Minute an, dominiert eine myogene Reaktion der Gefäßwand, bei längerdauernder Ischämie spielt auch der Abfall des Sauerstoffpartialdrucks eine Rolle. In jedem Fall spielt die Bildung von Stickstoffmonoxid eine Rolle.



Beispiel: Drückt man eine Zeit lang fest auf die Haut, werden hier die Blutgefäße komprimiert und die Haut wird unterdurchblutet - ein weißer Fleck ist sichtbar. Wird der Druck beendet, bleibt das Gewebe hypoxisch zurück, und das vorübergehend unterversorgte Gewebe - das in dieser Situation Vasodilatantien angereichert hat - wird nun vermehrt durchblutet, an Stelle des weißen bildet sich ein roter Fleck aus (beliebte Demonstration in manchen Physiologie-Übungen).

Eine alternative Vorgangsweise ist, Adrenalin in die Haut einzubringen - es führt zu intensiver Vasokonstriktion, und auch hier tritt ein weißer Fleck auf. Nach einiger Zeit verschwindet die "Störgröße" Adrenalin, und durch die jetzt aktive Vasodilatatien entsteht ein roter Fleck.

Reaktive Hyperämie lässt sich in mehreren Geweben / Organen nachweisen - so wurde z.B. gezeigt, dass auch die Leber zu reaktiver Hyperämie fähig ist, und zwar schon unter alltäglichen Bedingungen (wie orthostatische Einflüsse), die vorübergehend
zu reduzierter hepatischer Perfusion führen.





Erhöhter Druck in den Pulmonalgefäßen beeinflusst das rechte Herz und kann eine Hypertrophie verursachen (cor pulmonale), bedingt durch Lungenfibrose nach intensiver Strahlentherapie, Lungenemphysem, Lungentuberkulose u.a.
Kreislaufschock. Bei den meisten Schockformen ist  das Herzminutenvolumen herabgesetzt, entweder weil das Herz selbst geschädigt ist (kardiogener Schock), oder weil zu wenig Blut aus der Kreislaufperipherie zuströmt.

Angemessene Durchblutung aller Körpergebiete ist im Schock nicht mehr gewährleistet. Gehirn und Herzmuskel werden im Zustand der Zentralisation noch ausreichend mit Blut versorgt, nicht aber die Baucheingeweide, insbesondere die Nieren (die Durchblutung im Splanchnikusgebiet kann bei starker sympathischer Reizung um ≈80% sinken). Das führt bei längerer Schockdauer zu Schädigungen, die schließlich nicht mehr rückgängig gemacht werden können.

Wichtig sind daher rechtzeitige Gegenmaßnahmen. Diese müssen entsprechend der Schockursache erfolgen. Die Harnausscheidung zeigt an, ob die Nieren noch ausreichend mit Blut versorgt sind; sie soll nicht unter 0,5-1,0 ml pro kg Körpergewicht und Stunde betragen.

Folgende Ursachen bzw. Arten des Schocks können unterschieden werden:


  Volumenverlustschock: Blutverlust (Unfall; Blutung nach außen oder nach innen) führt zu ungenügendem Rückstrom zum Herzen und herabgesetztem Herzzeitvolumen. Volumenverlustschock behandelt man durch Auffüllen des fehlenden Volumens. Man verwendet u.a. Plasmaersatzstoffe, Infusionslösungen mit kolloidosmotischer Wirkung: Sie bleiben im Kreislauf und “saugen” interstitielle Flüssigkeit an.

  Kardiogener Schock: Schädigung des Herzens (meistens Herzinfarkt) bedingt ungenügendes Herzzeitvolumen. Kardiogenen Schock behandelt man durch  Entlastung und Stärkung der Herzfunktion, notfalls Herzmassage, Kardioversion (Defibrillation).

  Schock durch Fehlregulation des Gefäßtonus (z.B. infolge einer Verletzung von Hirnstamm oder Rückenmark: neurogener Schock) mit niedrigem peripherem Widerstand ("Fehlverteilungsschock", “Widerstandsverlustschock”) geht mit funktionell ungünstiger Verteilung des Blutvolumens (peripheres Pooling), Blutdruckabfall und Absinken des Herzzeitvolumens einher. Fehlverteilungsschock kann durch kreislaufwirksame Mittel und (auch) horizontale Lagerung behandelt werden.

Zur Akuttherapie des Kreislaufschocks gehören die Sicherung des Gasaustausches (Atmung), Bekämpfung von Azidose (Puffer) und Stabilisierung des Blutdrucks (Vasopressoren).


Eine Reise durch die Physiologie


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