Physiologie: Herz und Kreislauf

Ein stabiler Kreislauf ist Voraussetzung für die Funktion von Zellen und Geweben, da er die Versorgung mit Sauerstoff, Nährstoffen, Signalstoffen usw. sowie den Abtransport von Kohlendioxid und Metaboliten sichert. Beispiel: Nur wenige Sekunden unterbrochener Hirndurchblutung, und schon treten Verwirrung, Kreislaufkollaps und Bewusstlosigkeit auf. Unterbrechung der zerebralen Perfusion über wenige Minuten führt zu schweren, teils irreversiblen Schäden am Nervensystem.

Das Blut besteht fast zur Hälfte aus Zellen (Hämatokrit) - warum fließt es dennoch so gut? Damit es leicht durch Gefäße gelangt, müssen die Blutkörperchen flexibel sein: Insbesondere die roten Blutkörperchen (Erythrozyten) sind enorm verformbar - sie haben keinen Zellkern und eine speziell verstärkte Zellmembran, die den ständigen Verformungskräften in der Strömung für ihre Lebensdauer von mehreren Monaten standhält. Sie können sogar durch Kapillaren fließen, die enger sind als ihr Ruhedurchmesser (~7µm).

Hämorheologie untersucht die Fließfähigkeit des Blutes. Im Normalfall hoch, muss diese plötzlich abnehmen, wenn Blut aus verletzten Gefäßen austritt, um den Blutverlust gering zu halten (Blutstillung, Hämostase): Vasokonstriktion (Gefäßkomponente), Verklumpung von Thrombozyten (Plättchenkomponente) und Bildung eines Fibrinnetzes (Gerinnungskomponente). Heilt die verletzte Stelle später wieder zu, wird das Fibringerinnsel enzymatisch entfernt (Fibrinolyse).

Erythrozyten (5 Millionen / µl Blut) verbleiben im Kreislauf, Leukozyten (weiße Zellen, 4-8 Tausend / µl) dagegen benutzen den Blutkreislauf nur gelegentlich als "Highway" und treten rasch wieder in das Gewebe aus, wo sie ihre Immunaufgaben erfüllen. Die Mehrzahl sind Granulozyten (vor allem "neutrophile"), etwa 30% Lymphozyten. Blutplättchen (Thrombozyten, ~0,3 Millionen/µl Blut) sind kleine, kernlose Zellfragmente.

Der arterielle Blutdruck ist die treibende Kraft für die Durchblutung aller Organe und wird aufwändig reguliert. Die Pumpleistung des Herzens (Herzzeitvolumen) und der Fließwiderstand am Ende des Arteriensystems (peripherer Gefäßwiderstand) ergeben den Blutdruck (Strömung mal Widerstand).

Hämodynamik befasst sich mit der Interaktion von Volumen, Druck und Strömung im Kreislauf. ≈60% des Blutes ist extrazelluläre Flüssigkeit (Blutplasma), die relativ hohe (70 g/l) Konzentration an Eiweiß (Plasmaprotein) ist wichtig für Transport verschiedener Stoffe, kolloidosmotischen Effekt, Pufferung (pH-Stabilisierung), Abwehr (z.B. Antikörper), Gerinnbarkeit und andere enzymatische Aktivitäten.

Ein Gramm Hämoglobin (roter Blutfarbstoff der Erythrozyten) kann bis zu 1,34 ml Sauerstoff binden, abhängig vom Sauerstoffpartialdruck (pO2). Bei normaler Hämoglobinkonzentration (≈150 g/l Blut) ergibt das rund 200 ml O2 pro Liter Blut (20 Volums-%). Je nach Bedarf und Durchblutung der Gewebe gibt Hämoglobin einen höheren (z.B. Herzmuskel) oder geringeren Anteil des Sauerstoffs ab (z.B. Niere), venöses Blut aus diesen Gebieten bringt unterschiedliche Mengen Sauerstoff zur Lunge zurück. Im Durchschnitt beträgt die "Ausnützung" bei körperlicher Ruhe etwa 25% (≈ 5 Vol-%) der arteriell angebotenen Menge. Bei körperlicher Belastung nimmt der Sauerstoffumsatz zu, bei Hochtrainierten mehr als 20-fach: Die Ausschöpfung des Hämoglobins kann bis ≈4-fach ansteigen (von ≈25 auf fast 100%), das Herzzeitvolumen bis ≈6-fach (4x6=24).

In der Mikrozirkulation werden O₂ und CO₂ ausgetauscht (Hämoglobin beteiligt sich auch am CO₂-Transport), weiters Stoffe, die der Versorgung, Informationsübertragung, Elektrolythomöostase, pH-Pufferung etc. dienen. Flüssigkeit wird durch die Gefäßwände gepresst (Filtration) und zum Teil wieder zurückgewonnen (Resorption), getrieben vom Blutdruck einerseits, dem kolloidosmotischen Effekt der Plasmaproteine andererseits (Filtrationsgleichgewicht).

Ein Teil der filtrierten Flüssigkeit gelangt dabei - zusammen mit einigem Plasmaprotein - in das Interstitium (Raum zwischen Gefäßen und Zellen) und wird von hier durch das Lymphgefäßsystem abtransportiert (andernfalls treten Lymphödeme auf). Beim Weg zurück zum Blutkreislauf gelangt die Lymphe durch Lymphknoten, immunologische Kontrollstationen, die an strategisch wichtigen Punkten überall im Körper positioniert sind.