Blutdruck, Wasserhaushalt, Säure-Basen-Status


Verteilungsräume, Flüssigkeitshaushalt und Blutdruckregulation


 
© H. Hinghofer-Szalkay

Angiotensin: ανγειον = (Blut)Gefäß, tendere = (an)spannen
Indikator: in-dicere = ansagen, ankündigen
Infusion: fundere = gießen, schütten, fließen
Kinetik:
κινεῖν = bewegen
tractus solitarius: tractus = Ausdehnung, Lage (von trahere = ziehen), solitarius = einzeln (von solus = allein)



Verteilungsräume (Compartments) sind gedachte (errechnete) Volumina, in denen sich ein bestimmter Stoff (Indikator) zu einer bestimmten Zeit verteilt hat, nachdem er in das Blut eingebracht wurde (Indikatorverdünnungsprinzip). Dieses Konzept kann sich mit realen, anatomisch definierten Räumen mehr oder weniger exakt decken und eignet sich dann für klinisch relevante Abschätzungen des Flüssigkeitsgehalts im Organismus (Gesamtkörperwasser), intra- und extrazellulärem, intra- (Gefäße) und extravaskulärem (interstitiellem) Raum.

   -- Verteilt sich ein Indikator im Blutplasma (was durch den Kreislauf rasch erfolgt) und bleibt dort im Wesentlichen "gefangen", kann man aus der applizierten Menge und seiner Konzentration (nach vollständiger Durchmischung) auf das Plasmavolumen zurückrechnen (Konzentration = Menge pro Volumen).

   -- Wird der Indikator (z.B. Inulin) während des Beobachtungszeitraums laufend ausgeschieden (Niere), sinkt seine Konzentration noch während des Verteilungs- bzw. Beobachtungszeitraums. Ersetzt man die gleiche Menge Indikator, die pro Zeit verlorengeht (Infusionspumpe), kann der Konzentrationswert im Blut konstant gehalten werden (was die Berechnung des Verteilungsvolumens vereinfacht).

   -- Mathematische Verfahren erlauben auch - trotz sich ändernder Konzentration nach single-shot-Injektion des Indikators - die Berechnung von (virtuellen) Kompartimentvolumina. Verteilungsräume werden nach "ihrem" Indikator benannt, z.B. "Natriumraum", "Inulinraum" (diese entsprechen in etwa dem extrazellulären Raum).

Der Indikator muss für die Messung in Blutproben eindeutig und spezifisch detektierbar sein (Radioaktivität, Färbung).


Kompartimente Natrium, extrazelluläres Volumen, Kreislauf Verteilung infundierter / injizieret Substanzen
 


>Abbildung: Kompartimente und Systeme
Nach einer Vorlage bei Sinauer Associates (2001)


Kompartimente  sind - morphologisch definierbare oder virtuelle - Volumina, in denen sich körpereigene oder körperfremde Stoffe verteilen, nachdem sie in den Extrazellulärraum (in die Blutbahn) eingebracht wurden - durch körpereigene Produktion (z.B. Kreatinin in der Muskulatur) oder durch Einbringen von außen (z.B. Injektion eines Pharmakons oder einer Indikatorsubstanz ).

Die Flüssigkeitsvolumina, um die es geht, werden von physiologischen Regelmechanismen in engen Bereichen gehalten (z.B. das Blutvolumen), was für die normale Funktionalität wichtig ist (z.B. Blutdruck,
Kreislaufstabilität, Perfusion von Organen etc). Dazu gehört die Aufnahme und Ausscheidung von Wasser und Elektrolyten (Volumenregulation).

Die Nieren sind unverzichtbar
für die Ausscheidung von Wasser, Salzen und einigen "harnpflichtigen" Stoffen; sie sind das exekutive Organ für die Regulierung der Körperflüssigkeiten. Zu diesen zählt der Transportraum, der außerhalb der Zellen liegt (extrazelluläre Flüssigkeit), ein Teil davon ist das Blutplasma.

Ausreichendes Blutvolumen ist eine Voraussetzung für ein normales Funktionieren des Kreislaufs. Daher besteht ein enger Zusammenhang zwischen Flüssigkeits- und Blutdruckregulation; die Niere ist direkt in die Aufrechterhaltung der Blutversorgung des ganzen Organismus involviert.

Der Körper besteht zu einem Großteil aus Wasser, das sich unterschiedlich auf Subkompartimente verteilt: Rund 40% des Körpergewichts sind intrazelluläres, rund 20% extrazelluläres Wasser (bei hohem Fettanteil sind die Zahlen niedriger, bei niedrigem höher). Die extrazelluläre Flüssigkeit ist als primärer Verteilungsraum für Substrate, Hormone,
Stoffwechselprodukte, Medikamente etc. besonders signifikant:

Flüssigkeit
% Körper-
gewicht
Volumen (Liter)
erwachsene Person, 70 kg
Interstitiell
15
10,5
Blutplasma
5
3,5
Transzellulär
1
0,7
Summe: Extrazellulär (gesamt)
21
14,7

Zahlen nach Lin / Smith / Pinnock, Fundamentals of Anaesthesia, 4th ed., Cambridge University Press 2016
 
Dabei besteht auch eine Altersabhängigkeit: Neugeborene bestehen zu 80% aus Wasser, Babys mit 6 Monaten zu 70%, Einjährige zu 60% - das bleibt dann ziemlich lang unverändert, erst bei älteren Personen nimmt der Wasseranteil am Körpergewicht weiter ab, auf etwa 50%.




  Da Natrium das Leitkation der extrazellulären Flüssigkeit ist, stellt seine Regulation einen Schlüsselmechanismus sowohl der Osmo- als auch der Volumen- und damit Kreislaufregulation dar (Abbildung unten). Rezeptoren in Kreislauf und Leber informieren den nucleus tractus solitarii über verfügbares Blutvolumen und Kochsalzaufnahme; über den Hirnstamm werden Blutgefäße (peripherer Widerstand) und Nieren (Salzausscheidung) entsprechend gesteuert.
 


<Abbildung: Regelkreis für Natriumhaushalt und Blutdruckregulation
Nach: Guyenet PG, The sympathetic control of blood pressure. Nature Rev Neurosci 2006; 7: 335-46

Renale Natriumresorption und damit Blutvolumenregulation werden durch eine Rückkopplungsschleife stabilisiert, welche atriale Volumenrezeptoren im Herzen, den nucleus tractus solitarii im Hirnstamm, den nucl. paraventricularis im Hypothalamus und renale sympathische Nerven umfasst

Die Aktivität renaler Sympathikusfasern wird von arteriellen Barorezeptoren beeinflusst, die primär über rostral-ventrolaterale Areale der medulla oblongata wirken, sowie über die Osmolarität in Blut und Gehirn (periphere Osmorezeptoren, Natriumsensoren im Hypothalamus)

Angiotensin (AT II) und Aldosteron beeinflussen die entsprechende Aktivität im nucleus paraventricularis des Hypothalamus, der spezialisierte Neuronen für die Steuerung der Nieren oder von Arteriolen im gesamten Organismus enthält

Dadurch können regulatorische Teilmechanismen gezielt beeinflusst werden

Adäquater arterieller Blutdruck ist für die Nierenfunktion entscheidend: Unter 10 kPa (75 mm Hg) sind Nierendurchblutung und Harnbildung erschwert. Bei mangelnder Blutversorgung aktiviert die Niere das Renin-Angiotensin-Aldosteron-System.

Aldosteron fördert die Rückgewinnung von Kochsalz (Abbildung) in Niere, Schweiß- und Speicheldrüsen, Dünn- und Dickdarm, und fördert die Ausscheidung von Kalium und H+. Es erhält das extrazelluläre Volumen aufrecht. Daraus ergibt sich seine positive Wirkung auf Blutvolumen und Kreislauf.

Vasopressin (ADH) wird bei Volumenmangel (insbesondere bei akuter Hypovolämie) vermehrt sezerniert, es ist das "Wassersparhormon" des Organismus und verstärkt die Rückresorption von Wasser in den Nieren.

Volumenmangel stimuliert auch das Durstempfinden, das sowohl über Druck- und Volumenfühler im Kreislauf, Osmorezeptoren und hormonelle Einflüsse (z.B. Angiotensin II) im Gehirn ausgelöst wird - Wasseraufnahme hilft, eine Dehydration wieder auszubalancieren.





    Wohin gelangen infundierte Stoffe, und wie schnell?

Verteilung, Anreicherung, Umbau und Ausscheidung eines Stoffes im Körper werden als Kinetik
dieser Substanz bezeichnet. Diese hängt von Fettlöslichkeit, Größe und  Ladung des Moleküls, sowie dem Zustand der Kapillarwände, des Interstitiums, der Zellmembranen, des Stoffwechsels und der Ausscheidungswege ab.


>Abbildung: Physiologisches Kompartmentmodell
Wikipedia

Physiologische Verteilungsräume - wie z.B. Intra- und Extrazellulärraum - können Grundlage für Modellrechnungen sein. Solchen Kompartimenten werden aufgrund experimenteller Untersuchungen Kenngrößen zugewiesen (Volumen, Austausch bestimmter Indikatoren u.a.). Das hier gezeigte Kompartmentmodell unterscheidet Räume, die sich an der Anatomie orientieren (Lunge, Herz, Darm, Nieren etc.). Ein gutes Modell kann Eintritt, Verweildauer und Eliminierung bestimmter Stoffe (auch Medikamente) in Verteilungsräumen des Organismus gut voraussagen. Modelle sollen weder zu simpel noch zu komplex angesetzt sein, um einerseits befriedigende Ergebnisse zu liefern, andererseits für die Praxis geeingent zu sein

Kompartimente: Der Organismus kann als ein System von Verteilungsräumen gesehen werden, in denen sich Stoffe vorzugsweise aufhalten - Beispiele sind der Intra- und der Extrazellulärraum, der Intra- und der Extravasalraum usw. Ein besonders wichtiger Verteilungsraum ist das Plasmavolumen, d.h. der extrazelluläre Anteil des Blutvolumens - bei erwachsenen Personen rund 3 Liter (abhängig von mehreren Größen, u.a. dem Hämatokrit: bei 3 l Plasma und einem Hämatokrit - Volumenanteil von Blutkörperchen - von 0,4 ergibt sich 5 Liter Blutvolumen). Im Plasmavolumen lösen sich primär die meisten Stoffe, welche die Blutbahn betreten, und das Blutplasma ist die primäre Quelle von Flüssigkeit, die in das Gewebe filtriert (und den Zellen zur Verfügung gestellt) wird.

All diese Verteilungsräume haben definierte Aufgaben zu erfüllen (z.B. das Blutvolumen als Basis-Zustandsgröße für die normale Kreislauffunktion).

Ein “Indikator” (z.B. farbige oder radioaktive Substanz) wird injiziert, seine Vermischung im Verteilungsraum abgewartet und seine Konzentration bestimmt (je größer der Verteilungsraum, desto kleiner die Konzentration des Stoffes).

Das Grundprinzip lautet: Konzentration des Indikatorstoffes (nach seiner Verteilung) = Menge (M) des eingebrachten Indikators / Volumen (V), das ermittelt werden soll - oder:

c = M/V

Das gesuchte Volumen errechnet sich als M/c.



Die Größe dieser physiologischen Verteilungsräume stellt eine wichtige Information für den Arzt dar. Allerdings sind diese Volumina nicht direkt meßbar, sondern nur indirekt bzw. durch komplizierte Verfahren. Allgemein nennt man die Abschätzung eines solchen Verteilungsvolumens eine Kompartmentanalyse: Das Volumen, in dem sich ein Stoff verteilt, kann durch Indikatorverdünnung gemessen werden.

Meist nimmt man nach Injektion mehrfach Blutproben, misst den Zeitverlauf des Konzentrationsabfalls und extrapoliert den Verteilungsraum zum Zeitpunkt der Injektion (Kompensation für Ausscheidungsverlust). Kompartmentgrenzen werden von den sich verteilenden Indikatorstoffen selten strikt eingehalten, was die Berechnung von Verteilungsräumen erschwert. (Andererseits wäre ohne solche "Undichtigkeiten" der Stoff unbegrenzt im Kompartment gefangen und könnte nie ausgeschieden werden.)


Kennt man das Volumen einer Körperflüssigkeit, so kann man aus der Konzentration eines Stoffes dessen Menge im Kompartiment berechnen. Zum Beispiel:
Wie viel Plasmaeiweiß befindet sich bei einer Eiweißkonzentration von 70 g/l in der Blutbahn, wenn das Plasmavolumen 3 Liter beträgt? (Antwort: 210 g)

Kleine Moleküle gelangen aus der Blutbahn rasch ins Interstitium. Große Moleküle (Kolloide, Plasmaeiweiße) bleiben zunächst weitgehend im Blutplasma - der Verlust von Albumin beträgt z.B. 5% der im Plasma vorhandenen Menge pro Stunde.


<Abbildung: Kompartimente - Zellen, Kapillaren, Interstitium
Nach einer Vorlage in Porth's Pathophysiology, 7th ed., 2005 Lippincott Williams & Wilkins


Der Übertritt von Stoffen über Kompartimentgrenzen hinweg beruht auf

     Transport auf dem Blut- oder Lymphweg

     Filtration durch Kapillarwände (druckabhängig)

     Diffusion (konzentrationsabhängig; kann durch Permeasen unterstützt sein)

     aktivem Transport (gegen ein Konzentrationsgefälle; energieverbrauchend)

     Osmose (Diffusion von Wasser durch semipermeable Grenzflächen)

     anderen Mechanismen, z.B. Mitwandern gelöster Stoffe (solvent drag, “Lösungsmittel-Sog”)

In der Blutbahn verteilen sich infundierte Stoffe innerhalb von Minuten (Kreislauf als Mischorgan; durchschnittliche Rezirkulation in ≤1 Minute). Die Aufnahme in das Interstitium (vorwiegend durch Filtration, solvent drag) und von hier in die Zellen (durch Diffusion und Transport) dauert Stunden bis Tage.


Eine Reise durch die Physiologie


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