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

    
Sexualität, Reproduktion, Entwicklung und Wachstum

  Entwicklung, Wachstum, Adoleszenz
© H. Hinghofer-Szalkay

Akromegalie: ἄκρον = Spitze, μέγας = groß
Bilirubin: bilis = Galle, ruber = rot
icterus neonatorum:
ἴκτερος = Goldamsel, neo-natus = Neugeborenes
Menarche: μήν = Monat, ἀρχή = Anfang
Netrine: netr (Sanskrit) = Führer
Semaphorine: σημα = Zeichen, φορός = Träger
umbilikal: umbo = Schildbuckel; umbilicus = Mittelpunkt, Nabel
Tanner-Schema: James Tanner
Thelarche: θελ
ε = Brustwarze, ἀρχή = Anfang


Der erste postpartale Atemzug verlangt dem Neugerorenen beträchtliche Anstrengung ab - eine Druckexkursion von etwa 10 kPa bewegt knapp 40 ml Luft (später reicht ein Druckaufwand von ~0,2 kPa). Schon mit den folgenden Atemzügen wird die Ventilation leichter; die volle Entfaltung der Alveolen nimmt mehrere Tage in Anspruch.

Unmittelbar postpartal treten Sauerstoffmangel (die Partialdruckwerte müssen auf neue Niveaus ansteigen), geringes Blutzuckerniveau (das hebt den Adrenalinspiegel, Leberglykogen und Fettsäuren werden genutzt) und Abkühlung auf (die extrauterine Wärmeregulierung muss erst trainiert werden).

Nach wenigen Tagen sind Hypoxie, Hypoglykämie und Hypothermie verschwunden, aber der Bilirubinspiegel hat sich stark erhöht: Die Leber muss erst lernen, mit Gallenfarbstoffen (aus dem Hämoglobinabbau) umzugehen. Die Haut färbt sich gelblich (icterus neonatorum), erst nach etwa einer Wochen beginnen die Bilirubinwerte wieder zu sinken.

Die (auf das Gewicht normierte) Nierenfunktion ist zunächst eingeschränkt (~5fach erhöhte Verweildauer nierengängiger Medikamente); ein halbes Jahr später hat sich die normierte Funktionskapazität etwa verzehnfacht (auf das Doppelte der Referenzwerte für Erwachsene), ein Zeichen enorm gesteigerter Funktionsfähigkeit.

Das körperliche Wachstum steht unter dem Einfluss mehrerer Hormone, führend sind das Wachstumshormon (Somatotropin) und das von ihm abhängige IGF1. Steuernd wirkt das hypothalamische GHRH, das unter dem Einfluss einer Fülle neuroendokriner Faktoren steht. Die Vorgänge im wachsenden Knochen sind ebenfalls vielfältig gesteuert - mechanisch, parakrin und endokrin.


Hypoxie, Hypoglykämie und Hypothermie
Weitere postpartale Anpassungen Entwicklung und Wachstum

Core messages
   
Anpassung an extrauterine Lebensbedingungen
 
Das Neugeborene ist sofort nach seiner Geburt mit stark veränderten inneren und äußeren Faktoren konfrontiert. Die plazentaren Versorgungsfunktionen müssen schlagartig von "eigenen" Organfunktionen übernommen werden: Der Kreislauf stellt sich vom fetalen zum autonomen Schema um, die Atmung übernimmt (nach einer transietne Phase der Hypoxie) den Atemgasaustausch, die Nieren die Ausscheidung harnpflichtiger Stoffe, die Leber die Gallebildung usw.

Dazu kommen veränderte Umweltbedingungen: Das reizarme "Schweben" in der thermoregulierten Amnionflüssigkeit wird ersetzt durch ein klares Oben-unten, die Haut liegt auf einer festen Unterlage auf, die Sinnesorgane melden ein fundamental verändertes Reizmuster, die Temperatur ist größeren Schwankungen unterworfen, der Darm resorbiert extern zugeführte Nahrung usw.



>Abbildung: Fetalkreislauf

Die Sauerstoffsättigung im Blut der diversen Gefäße ist farblich angedeutet. Das Gehirn erhält besonders gut arterialisiertes Blut mit hohem Sauerstoffpartialdruck


Unter der Geburt und unmittelbar danach hat das Neugeborene (mindestens) drei Stoffwechselprobleme: Hypoxie, Hypoglykämie und Hypothermie. Weiters steigt der Bilirubinspiegel postpartal 4-5 Tage lang stark an.

    Hypoxie: Konstriktion der Umbilikalarterien beendet die Versorgung mit arterialisiertem Blut aus der Plazenta, der Sauerstoffpartialdruck sinkt, das Atemzentrum wird angeregt.

Nabelvenen kontrahieren nicht,
so dass bis zu 100 ml Blut aus der Plazenta in das Baby fließen, wenn es unter der hydrostatischen Ebene der Plazenta positioniert ist - beim Neugeborenen beträgt das Blutvolumen etwa 300 ml, d.h. diese "Autotransfusion" erhöht es um ~30%.

Der Sauerstoffpartialdruck in der vena umbilicalis (Nabelvene) liegt bei nur ~3,5 kPa (<30 mmHg), die Sauerstoffsättigung des Hämoglobins beträgt dennoch ~60% (im Vergleich: arterielles Blut postpartal ~13 kPa pO2, Sättigung >90%). In der arteria umbilicalis (Nabelarterie) findet sich ein pO2 von ~2 kPa (Sättigung 25-30%).
 
     Der Betrag der arteriovenösen Sauerstoffdifferenz (zwischen Nabelvene und Nabelarterie ~30%)
und der O2-Anlieferung an das Gewebe sind trotz des niedrigen pO2 sehr ähnlich wie beim Erwachsenen.

Parallel verläuft die Umstellung von fetalem zu adultem Hämoglobin ( s. dort). Ein hoher Hämatokrit (50-60%) bei ~8 Millionen Erys/µl Blut verleiht dem Neugeborenen eine hohe Sauerstofftransportkapazität (~25 ml O2/100 ml Blut, im Vergleich zu ~20 Vol% beim Erwachsenen).
  
   Hypoglykämie: Am ersten Tag sinkt der Blutzuckerspiegel des (nunmehr von der Mutter unabhängigen) Neugeborenen auf die Hälfte des Normalwertes, der Insulin/Glukagon-Quotient sinkt, der Adrenalinspiegel steigt, die Leber-Glykogenreserven werden aufgebraucht; freie Fettsäuren werden vermehrt verwertet, ab dem 2. Tag stabilisiert sich die Stoffwechselsituation durch entsprechende Enzyminduktionen, der Blutzuckerspiegel kehrt in den Normbereich zurück.
 
   Hypothermie: Unmittelbar nach der Geburt sinkt die Körpertemperatur des Babys für 1-2 Tage um 1-2°C und "normalisiert" sich dann im Laufe einer Woche wieder. Das Absinken der Körpertemperatur beruht auf folgenden Faktoren:

     Große Hautoberfläche relativ zur Körpermasse
 
     Geringe thermische Isolierung (wenig Fettgewebe)
 
     Geringe Neigung zu Muskelzittern
 
     Ungenügende Thermoregulation (unverhornte Haut bedingt starke evaporative Kühlung)
  

<Abbildung: Quellen des Wärmeverlusts
Nach einer Vorlage in Safe Motherhood: Thermal Protection of the Newborn, a Practical Guide. WHO 1997
Der Wärmeverlust erfolgt über Strahlung (Radiation) - wenn Gegenstände (Wände) in der Umgebung kühl sind -, Verdunstung (Evaporation) - wenn die Luft nicht wasserdampfgesättigt ist - und Leitung (Konduktion) über die Unterlage. Evaporation wird durch Luftbewegung (Konvektion) unterstützt


Der Abkühlungsstress aktiviert die Ausschüttung von Adrenalin und TSH → Thyroxin, was das braune Fettgewebe anregt und die Wärmebildung durch teilweise Abkopplung in der Atmungskette fördert (Thermogenin).

Die Präzision der Thermoregulation ist bei Neugeborenen geringer, die Körperkerntemperatur schwankt stärker als im späteren Lebensalter.

 

 
Weitere postpartale Anpassungsvorgänge
 


Ernährung Bilirubinspiegel Immunsystem Atmung Kreislauf Nieren Gehirn, Auge
 
Ernährung
 

Die auf das Körpergewicht bezogene tägliche Eiweißzufuhr ist aufgrund des wachstumsbedingten Mehrbedarfs hoch:
  Kleinkinder benötigen mindestens 2 g Protein / kg KG pro Tag (Erwachsene 0,7-1,0 g/d).

  Eisenhaushalt: Der Hämatokrit beträgt bei Neugeborenen >50% (gibt hohe Sauerstofftransportkapazität), bei Einjährigen ~35%, bei Erwachsenen ~40%. Reife Neugeborene haben keinen Eisenmangel; überschüssiges Blut muss sogar abgebaut werden ("Trimenonreduktion").
  Erst in den Wachstumsphasen zwischen 7 und 12 Monaten sowie zwischen 12 und 16 Jahren ist der Eisenbedarf deutlich gesteigert (45-50 mg pro kg Gewichtszunahme) und es kann zu Eisenmangel kommen, was im Extremfall zu Störungen der Gehirnentwicklung führen kann.
 
Über die Muttermilch s. dort
 
Bilirubinspiegel
   
In den ersten Tagen nach der Geburt muss das Problem des steigenden Bilirubinspiegels (>Abbildung) unter Kontrolle gehalten werden:


>Abbildung: Nomogramm zu Bilirubinwerten im Blut des Neugeborenen
Nach einer Vorlage bei sharinghealth.ca / neonatal jaundice

Der tolerierbare Bilirubinspiegel-Grenzwert im Serum des Neugeborenen steigt während der 1. postpartalen Woche von ~5 auf ~15 mg/dl an


   Bilirubin bei Säuglingen (Plasma / Serum)
Frühgeburten: 24 h 17-137, 48 h 103-205, 3-5 Tage 171-239
µM/l
Termingeburten:
24 h 34-103, 48 h 1103-171, 3-5 Tage 68-137 µM/l

>1 Monat: Unkonjugiert 3,4-13,7 µM/l (0,2-0,8 mg/dl); Konjugiert
0-5,1 µM/l (0-0,3 mg/dl)
Gesamt:
3,4-18,8 µM/l (0,2-1,1 mg/dl)


Vor der Geburt bewerkstelligt die Leber der Mutter die Bilirubinausscheidung, nach der Geburt ist die Leber des Babys zunächst nicht in der Lage, das anfallende Bilirubin ausreichend auszuscheiden. Grund dafür ist die noch geringe Aktivität an UDP-Glukuronyltransferase, welche in der Leberzelle Bilirubin glukuroniert und dadurch löslich und gallengängig macht. Die steigende Bilirubinmenge wird zunächst weitgehend von Plasma-Albumin gebunden. Erst im Laufe einiger Tage steigt die hepatische Ausscheidungskapazität an, der Bilirubinspiegel im Blut stabilisiert sich (>Abbildung: Etwa 15 mg/dl, mehr als das Zehnfache des Normalwertes bei erwachsenen Personen) und sinkt dann allmählich auf Normalwerte (bei Erwachsenen ≤1,1 mg/dl) ab.

Werte über 85 µmol/l (5 mg/dl) bewirken bei Neugeborenen beim Fingerdrucktest ikterisches Aussehen der Haut (bei Erwachsenen genügt weniger als die Hälfte dafür). Diese "Neugeborenengelbsucht" (icterus neonatorum
) manifestiert sich bei etwa jedem zweiten Baby auch an den Skleren und der Haut des Stammes, gilt aber bis zu den in der Abbildung als grüne Fläche ausgewiesenen Werten (in Anhängigkeit des postnatalen Alters) als physiologisch und - da vorübergehend - unbedenklich.
 

 
Immunsystem
 

Während der fetalen Entwicklung bilden sich verschiedenste Lymphozyten, unter anderem solche, deren Rezeptoren auf normale, körperspezifische Molekülmuster passen. Sie werden durch einen Ausleseprozess vernichtet, so dass beim routinemäßigen “Check” normaler Körperzellen dann zeitlebens keine Reaktion der Lymphozyten auftritt - die potentiell gefährlichen sind ausgeschaltet worden.

"Nestschutz": Die eigenständige Antikörperbildung setzt postpartal nur verzögert ein und ist erst mehrere Monate nach der Geburt weitgehend aktiv. Während dieser Übergangsperiode genießt das Baby einen Schutz durch Antikörper der Mutter: Einerseits im Blutkreislauf (über die Plazentarschranke übergetretenes IgG), andererseits im Darm über IgA der Muttermilch (Infektionsprophylaxe). Dieser Immunschutz entspricht der aktuellen mikrobiologischen Bedrohungslage, der Mutter und Kind gemeinsam ausgesetzt sind, und ist insoferne "maßgeschneidert".

Die Darmflora ist nach ca. einem Monat stabil etabliert (bei durch Kaiserschnitt Entbundenen dauert dieser Prozess länger, auch das mikrobielle Muster ist anders zusammengesetzt). Zuerst überwiegen Colibakterien und Streptokokken; erst nach 1-2 Jahren stellt sich eine Darmflora ein, deren Muster der von Erwachsenen entspricht.

In der Schwangerschaft verändert sich die Scheidenflora: Es treten u.a. vermehrt Mikroorganismen (Lactobacillus johnsonii) auf, die Milch abbauen und normalerweise in der Darmflora vorkommen. Bei der Geburt werden diese Mikroben auf die Haut des Säuglings übertragen und von diesem zum Teil verschluckt. Man nimmt an, dass dies zum Ansiedeln dieser Bakterien im Darm des Neugeborenen führt und das Verdauen der Muttermilch erleichtert.
 
Atmung
 
Mit der Geburt kommt es zu den ersten Atemzügen des Babys, die mit hohem inspiratorischem Arbeitsaufwand einhergehen: Elastische und Oberflächenkräfte Kräfte erschweren die Inspiration, die Druckschwankungen liegen um eine Größenordnung über dem Betrag späterer physiologischer Werte. Die Oberflächenspannung, die sich bei der Bildung von Luft-Flüssigkeits-Grenzen in den Lungenbläschen aufbaut, wird durch die Anwesenheit von Phospholipiden (Surfactant) um eine Zehnerpotenz reduziert. Surfactant wird von Typ-II-Pneumozyten synthetisiert; dazu ist die Wirkung von Glucocorticoiden (Cortisol) von maßgebender Bedeutung.

Physiologischer Cortisolstoß: Unmittelbar vor der Geburt regt ein stressbedingt massiver Glucocorticoidausstoß der Gebärenden die Sekretion von Surfactant in der Lunge des Babys an.
Bereits nach wenigen Atemzügen "normalisiert" sich die Atemmechanik. Bis zur vollständigen Entfernung der Flüssigkeit aus der Lunge vergehen mehrere Tage.

Die Ruhe-Atemfrequenz beträgt bei Neugeborenen ~50/min (Erwachsene: ~12/min).

Unreife Lungen, die noch nicht (ausreichend) Surfactant gebildet haben (Frühgeborene!), lassen sich besonders schwer entfalten (Neugeborenen-Atemnotsyndrom, respiratory distress syndrome).
  
Kreislauf
  
Ductus venosus und ductus arteriosus schließen sich (meist) Stunden bis Tage nach der Geburt funktionell (Kontraktion infolge steigenden pO2) und dann morphologisch (Zuwachsen der Anlagerungsränder). Das foramen ovale beginnt sich nach ~1 Stunde zu verschließen, dieser Vorgang ist nach wenigen Tagen abgeschlossen - allerdings nur bei 70-80% aller Menschen; ansonsten bleibt eine offene Verbindung zwischen den Vorhöfen bestehen (Vorhofseptumdefekt).

Bei einem offen gebliebenen foramen ovale (Vorhofseptumdefekt) kann es zu Erhöhung der rechtsventrikulären Vorlast kommen
 
 
<Abbildung: Verteilung der Hauptkompartimente des Körpers von Erwachsenen (links) und Neugeborenen (rechts) bezogen auf die Masse
Nach Dobson MB, Anaesthesia at the district hospital, WHO, Geneva 1988

Babys bestehen zu einem wesentlich höheren Prozentsatz ihrer Körpermasse aus Wasser als erwachsene Personen, was auf einem doppelt so großen Anteil an interstitieller Flüssigkeit beruht


Die Ruhepulsfrequenz ist bei Neugeborenen (Normbereich 70-170 Schläge pro Minute) mehr als doppelt so hoch wie beim Erwachsenen. Noch bei 10-jährigen Kindern beträgt die Ruhefrequenz ~90/min, erst beim Erwachsenen stellt sie sich auf 60-70/min ein.

Das Herzminutenvolumen beträgt beim Neugeborenen ~0,25 l/min/kg KG (knapp 0,9 l/min), beim Erwachsenen ~0,07 l/min/kg KG - die relative Perfusion des Körpers ist also beim Baby mehr als dreimal so hoch wie im Erwachsenenalter.


Der mittlere Ruheblutdruck des Neugeborenen beträgt ~9 kPa (~70 mmHg), des Erwachsenen ~13 kPa (~100 mmHg).

   
  Das interstitielle Flüssigkeitsvolumen des Neugeborenen hat einen wesentlich höheren Anteil am Körpergewicht als beim Erwachsenem (<Abbildung). Auch das Blutvolumen (intravaskuläre Flüssigkeit) ist relatv hoch (~85 ml/kg, im Vergleich zu ~70 ml/kg bei erwachsenen Personen). Damit ist die extrazelluläre Flüssigkeitsmenge etwa doppelt so groß wie beim Erwachsenen, und der Flüssigkeitsaustausch ist bezogen auf die Körpermasse wesentlich intensiver - Babys können rasch austrocknen (Dehydration); wenn sie schreien, haben sie oft einfach nur Durst.

Die Leukozytenzahl beträgt bei Neugeborenen 15 bis 40 Tausend pro µl Blut, bei Einjährigen ~10 Tausend, bei Erwachsenen 4-11 Tausend/µl.


Nierenfunktion
 

Auf die Körperoberfläche normierte glomeruläre Filtration und Tubulusfunktion sind beim Neugeborenen wesentlich geringer als beim Erwachsenen, daher ist die Verweildauer von Medikamenten, die renal ausgeschieden werden, etwa 5-fach höher.
 

>Abbildung: Scatterplot der ermittelten glomerulären Filtrationsrate bei knapp 3000 Personen
Nach Fenton A et al, Glomerular filtration rate: new age- and gender- specific reference ranges and thresholds for living kidney donation. BMC Nephrol 2018; 19, 336

Die GFR nimmt mit dem Alter ab. Bis 35 Jahre Lebensalter beträgt sie ~100 ml/min/1,73m2, dann nimmt der Betrag linear ab - bei Frauen rascher (7,7 ml/min/1,73m2 pro Dekade) als bei Männern (6,6). Der Mittelwert dieser Studie betrug bei Männern insgesamt 92, bei Frauen 88 ml/min/1,73m2

Bis zu 6 Monaten Lebensalter nehmen die Werte um etwa eine Zehnerpotenz auf etwa das Doppelte der Referenzwerte für Erwachsene zu (funktionelles Maximum), sinken dann allmählich auf letztere ab.

Im Erwachsenenalter hält sich der Betrag der GFR bis in die 4. Dekade im Schnitt bei etwa 100
ml/min/1,73m2 Hautoberfläche. Dann kommt es zu einem linearen Abfall und erreicht in der 8. Dekade einen Durchschnittswert von etwa 70 ml/min/1,73m2 (>Abbildung) - entsprechend einer Reduktion um ~30%.

   Zu GFR und Alter vgl. dort
 
Hirnentwicklung
 

Ein Fetus bildet pro Minute eine Viertelmillion neuer Neurone. Dabei müssen diese zu ihrer "richtigen" Stelle, und ihre Axone zu ihren Zielneuronen finden; dies erfolgt über eine räumlich-zeitlich abgestimmte Expression molekularer Leitsignale (Netrine, Semaphorine , über kurze Distanz auch Zelladhäsionsmoleküle). Erkennbare anatomische Strukturen des Gehirns treten zu verschiedenem Gestationsaltern auf. Bei der Geburt ist bereits der vollständige Satz an Nervenzellen gegeben (~100 Milliarden), die Vernetzung untereinander muss allerdings noch über mehrere Jahre entwickelt werden ("Hirnreifung").
  

<Abbildung: Entwicklung zerebraler Leistungen
Nach einer Vorlage in Nelson C, From Neurons to Neighborhoods: The Science of Early Childhood Development. National Academy Press, Washington DC 2000

Ein hohes Ausmaß an Synaptogenese hält bis in die Pubertät an


Das Erlernen und Anpassen der Motorik (motor learning) ist ein fortlaufender Prozess. Zentrale "Mustergeneratoren" (central pattern generators) beginnen schon früh in der fetalen Entwicklung, Bewegungsabfolgen auszulösen - auch ohne sensorischen Input. Das ist aus zahlreichen Untersuchungen an Tiermodellen bekannt und dürfte auch für den Menschen zutreffen. Es werden verschiedene Bewegungsmuster "durchgespielt", deren zeitlicher Ablauf mit Intaktheit und Reifung der motorischen Zentren korreliert.

Neugeborene zeigen spontane rhythmische Schreitbewegungen, wenn sie aufrecht positioniert werden und ihre Füße eine Unterlage berühren. Also existiert schon ein spinaler Mustergenetator, der durch den Sohlenkontakt angeregt wird (diese Reaktion ist auch bei anenzephalen Kindern zu beobachten, sie bedarf keiner kortikalen Auslösung).

Nach der Geburt
entwickeln sich die motorischen Fähigkeiten (motor skills) in einer typischen Abfolge (Sitzen mit 6 Monaten, erste Schritte spätestens mit einem Jahr etc). Dies hängt mit der Komplettierung der Funktionsmuster motorischer Systeme zusammen (supraspinale Kontrolle, u.a. Koordination durch das Kleinhirn und Reifung der Pyramidenbahn), welche erst mit der Pubertät vollständig erfolgt ist.

Der Prozentsatz des REM-Schlafs an der Gesamtschlafdauer ist beim Säugling (50%) und Kleinkind höher als beim Erwachsenen (20%). Das EEG zeigt bei Kindern niedrigere Frequenzen als beim Erwachsenen.
 
   
  Die Akkommodationsfähigkeit des Auges beträgt bei Kindern bis zu 15 Dioptrien (hohe Linsen-Elastizität).

 
Wie das Wachstum gesteuert wird
   
      Nomogramme Wachstumsentwicklung (Körperlänge, Körpergewicht bis 48 Monate)

An Entwicklung, Wachstum und Reifung mit zunehmendem Lebensalter sind viele Systeme beteiligt - nicht nur GH und IGFs, sondern auch andere endokrine Achsen. So sind die Schilddrüsenhormone für die normale Entwicklung des Organismus unentbehrlich - hypothyretoische Abweichungen führen zu Zwergwuchs und mentaler Retardation. Die Nebennieren zeigen eine definierte präpubertäre Entwicklung: Mit 5 Jahren bildet sich die zona reticularis aus, sie bildet Androgene (wie DHEAS), die mit 6 Jahren im Blut nachweisbar werden (Adrenarche) - das trägt zum Auftreten von Achsel- und Schambehaarung mit ~8 Jahren bei. Testosteron und Östrogene fördern das Wachstum beim Mann, Östrogene und Androgene bei der Frau.


   
>Abbildung: Wachstumshormon-IGF-System
Nach einer Vorlage bei alpco.com

Hypothalamisches Somatoliberin (growth hormone releasing hormone, GHRH) regt die Freisetzung von Wachstumshormon (growth hormone GH) an, Somatostatin (growth hormone releasing hormone, GHIH) hemmt sie. GH stimuliert die Produktion wachstumsfördernder Peptide, der Somatomedine, in der Leber: IGF1 regt das Muskelwachstum teils direkt an, teils über Induktion muskulären IGFs.
 
IGFs steigern über Lipolyse im Fettgewebe die Konzentration freier Fettsäuren im Blut (diese hemmen ihrerseits die GH-Freisetzung aus der Hypophyse) sowie den Blutzuckerspiegel über Förderung des Glykogenabbaus und Reduktion der Glykolyse; und sie senken die Konzentration an Aminosäuren im Blutplasma durch Förderung des Einbaus in den Bewegungsapparat

vgl. nachfolgende Abbildung


Somatotropin (Somatotropes Hormon STH, (h)GH = human growth hormone, Wachstumshormon) ist das mengenmäßig führende Hormon des Hypophysen-Vorderlappens. Sekretion: Es wird in 3-4 Pulsen pro Tag freigesetzt, wobei die Plasmakonzentration um 1-2 Zehnerpotenzen schwanken kann.
 
     
     GH-Referenzwerte s. dort
 
Gegen Erreichen der Pubertät hin nimmt die GH-Sekretion zu. Tut sie das nicht, kommt es zu Kleinwuchs. Die höchste GH-Bildungsrate besteht peripubertär, mit zunehmendem Alter nimmt die Sekretion wieder ab. GH-sezernierende Tumoren führen im Erwachsenenalter zu Akromegalie.
 
GH wirkt auf fast alle Zellen des Körpers (Muskeln, Gehirn, Herz, Fettgewebe u.a.) - über Rezeptoren mit Januskinase-Aktivität, sie gehören zur Zytokinrezeptor-Familie.

Die Anregung der Transkription entsprechender Gene führt in der Leber zur Bildung von Somatomedinen: Das wichtigste heisst IGF-I (insulin-like growth factor), es wirkt über Rezeptoren, die wiederum denjenigen des Insulins ähneln und zu den Typ-I-Rezeptoren gehören. Wachstumsfördernde Effekte auf den Knochen werden über IGF mediiert.


Muskuläres IGF1 ist auf die Leber negativ rückgekoppelt (bremsender Effekt), und hepatisches IGF hemmt seinerseits die GHRH-Freisetzung im Hypothalamus.

IGFs haben - zusammen mit Somatotropin (GH) - eine breite Wirkung auf den Metabolismus (>Abbildung):
 
     Sie regen die Lipolyse im Fettgewebe an und steigern dadurch die Konzentration freier Fettsäuren im Blut (diese hemmen ihrerseits die GH-Freisetzung aus der Hypophyse)
 
     sie fördern den Abbau von Glykogen bei gleichzeitiger Bremsung der Glykolyse, und steigern so den Blutzuckerspiegel (mögliche diabetogene Wirkung längerfristig erhöhter GH-Spiegel)
 
     und sie senken die Konzentration an Aminosäuren im Blutplasma durch Förderung der Proteinsynthese in Bindegewebs-, Muskel- und Knochenzellen; periostales und perichondrales Knochenwachstum werden angeregt. Vor dem Epiphysenfugenschluss stimulieren sie das Längenwachstum (IGF-1 ist der stärkste Förderer), nachher appositionelles (Dicken-) Wachstum.

GH und IGF-1 regen auch das Wachstum anderer Organe an (Haut, Herz, Leber, Milz).


 
<Abbildung: Wachstumskurve

Die Wachstumsgeschwindigkeit - von ~20 auf 0 cm Körperlänge / Jahr - zeigt mit Eintreten der Pubertät einen zweiten Gipfelwert, bedingt durch die wachstumsfördernde Wirkung von IGF-I sowie der Geschlechtshormone. Dieser pubertäre Wachstumsschub erfolgt bei Knaben um etwa 2 Jahre später als bei Mädchen

Kinder haben eine hohe GH-Produktion, die zur Zeit der Pubertät einen Gipfelwert erreicht (<Abbildung).

Bei Mädchen nennt man den Beginn der menstruellen Zyklen Menarche , der Brustentwicklung Thelarche , der adrenalen Hormonbildung Adrenarche. Zahlreiche Faktoren bestimmen den Zeitpunkt des Eintretens in die Pubertät.

Die Adrenarche (Androgenanstieg) kann zwischen dem 6. und dem 20. Lebensjahr auftreten.

Hemmende Einflüsse. Tumornekrosefaktor (TNF) und exogene Glucocorticoide hemmen den wachstumsfördernden IGF-Effekt und beschleunigen den Eiweißabbau im Muskel. Myostatin ist ein zur TGF-Familie gehörendes, hauptsächlich aus der Muskulatur stammendes Protein, welches das Muskelwachstum eindämmt; Inaktivierung bzw. genetische Veränderung des Myostatins führt zu starkem Muskelwachstum.

Die körperliche Entwicklung von Kindheit über Pubertät bis Adoleszenz wird üblicherweise nach dem Tanner-Schema
angegeben. Die Typisierung orientiert sich nach der Ausbildung von Genitalien, Brust und Behaarung:
 
Stadium
Schamhaar
Genitalien
Brust
Tanner I
vorpubertär
Flaumhaar
Hodenvolumen < 1,5 ml Penis klein
Keine fühlbare Brustdrüse
Warzenhof folgt den Hautkonturen der umgebenden Brust
Tanner II
Flaumige Haare an der Basis von Penis und Hodensack, gering pigmentiert
Auf äußeren Schamlippen
Hodenvolumen → 1,6 bis 6 ml
Haut des Hodensackes verdünnt, rötlicher erweitert
Penislänge unverändert
Brustknospe entwickelt sich
Brustdrüsengewebe wird tastbar
Warzenhof leicht vergrößert
Tanner III
Kräftiger, gekräuselt, dunkler
Hodenvolumen 6-12 ml
Penislänge nimmt zu
Brust beginnt sich zu wölben
Drüsengewebe größer als die Grenzen des Warzenhofes
Warzenhof wächst, bleibt in einer Ebene mit umgebendem Gewebe
Tanner IV
Ausbreitung über Schamhügel, noch nicht Oberschenkel
Hodenvolumen 12-20 ml
Hodensack wird größer und dunkler
Penisumfang und -Länge nehmen zu
Brustgröße und Erhebung nehmen zu
Brustwarze und Warzenhof heben sich von der Brustkontur ab
Tanner V
erwachsen
 Erwachsen, über Schenkel bis linea alba
Hodenvolumen >20 ml Hodensack und Penis ausgewachsen
Brust erreicht ihre Endgröße
Warzenhof bildet wieder eine Ebene mit der Brustkontur, aus der nur die Brustwarze hervorsteht
 
Das Längenwachstum des Körpers beginnt bei Mädchen mit ungefähr 9 und bei Knaben mit etwa 10 Jahren (und später) und endet mit 14-15 (f) bzw 14-17 Jahren (m).

Bei Mädchen sind die Brüste mit ungefähr 15 Jahren, die Schambehaarung mit ~14 Jahren entwickelt; die Menarche sollte zwischen dem 10. und 16. Lebensjahr auftreten.

Bei Knaben beginnt das Wachstum des Penis mit ~10 Jahren und endet etwa mit 13-16 Jahren; das Wachstum der Hoden kann ab dem 10. Lebensjahr beginnen und bis zum 17. anhalten. Die Schambehaarung sollte mit ~16 Jahren komplett ausgebildet sein.

         Zu Somatomedinen (IGFs) s. dort
 
Lebensalter und Gonadotropine: In der Fetalzeit sowie in der frühen Kindheit (mehrere Monate postpartal) steigen die Gonadotropinspiegel (FSH, LH) auf hohe Werte. Präpubertär sind sie niedrig (hohe Sensibilität der hypothalamisch-hypophysären Achse auf negative Rückkopplungswirkung der Steroide) und zeigen schwache Oszillationen.

Mit der Pubertät steigen die Werte während des Nachtschlafs, wo auch die Oszillationen stärker werden. Später sind die Werte auch während des Tages hoch und zeigen bei der Frau starke zyklische Schwankungen; das hypothalamisch-hypophysäre System reagiert beim Erwachsenen auf die Sexualhormonspiegel wenig empfindlich. In der Menopause sind die Gonadotropinwerte stark erhöht (fehlende Bremswirkung der Steroide auf die hypothalamisch-hypophysäre Achse).
  

>Abbildung: Einfluss systemischer (endokriner) und Wachstumsfaktoren auf den Knochenstoffwechsel
Nach Siddiqui JA, Partridge NC, Physiological Bone Remodeling: Systemic Regulation and Growth Factor Involvement. Physiology 2016; 31: 233-45

Parathormon (PTH) induziert die Differenzierung von Vorläuferzellen, die Expression von RUNX2 (Runt-related transcription factor 2, ein Transkriptionsfaktor) in Osteoblasten, und erhöht deren Zahl und Lebenszeit. Gleichzeitig regt es die Bildung von Osteoklasten an und stoppt die Expression des Glykoproteins Sclerostin, das die Knochenbildung hemmt.
 
Vitamin D regt ebenfalls die Differenzierung von Stammzellen an. Calcitonin fördert Osteoblasten und hemmt Osteoklasten.
 
Östrogene veranlassen Osteoblasten zur Apoptose.
 
Androgene wirken ebenfall knochenaufbauend, indem sie auf das RANKL-OPG-System einwirken.
 
Schilddrüsenhormone und Glucocorticoide hingegen regen Osteoblaeten an, letztere hemmen auch Osteoblasten. Wachstumsfaktoren (Growth factors) wirken allgemein anregend auf den Knochenaufbau.

  OPG, Osteoprotegerin bindet an RANKL und senkt die Produktion von Osteoklasten    RANK, receptor activator of nuclear factor kappa B ist ein Protein der Osteoklasten, Mutationen führen zu Knochenerkrankungen    RANKL, RANK ligand u.a. auf Osteoblasten, die Bindung an RANK führt zur Differenzierung von Klasten ( s. auch dort)


Das Gleichgewicht von Knochenauf- und abbau unterliegt zahlreichen steuernden Faktoren (>Abbildung). So hemmt Östradiol über Wirkung auf Osteoklasten die Knochenresorption (sie regt diese zur Apoptose an) und wirkt damit kräftigend auf das Skeletsystem.

Geschlecht: Östrogene und Androgene regen Knochenaufbau und -wachstum insbesondere während der Pubertät (<Abbildung unten) an.

Die Auswirkungen auf die Knochenmorphologie sind unterschiedlich:

     Unter dem Einfluss der spezifischen Hormonmuster entwickeln Mädchen Röhrenknochen mit geringerem Umfang, aber stärkerer Mineralisation (Knochendichte) der Compacta;
 
     Knaben haben stärkere Knochen mit größerem Durchmesser (und voluminösere Spongiosa), aber geringerer Compactadichte.
 


>Abbildung: Durchschnittliche Wachstumskurve (grün) und IGF-I (rot)
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016

Die Wachstumsgeschwindigkeit (cm Körperlänge / Jahr) zeigt mit Eintreten der Pubertät eine zweiten Gipfelwert, bedingt durch die wachstumsfördernde Wirkung von IGF-I sowie der Geschlechtshormone.
 
Der pubertäre Wachstumsgipfel erfolgt bei Knaben um etwa 2 Jahre später als bei Mädchen, die präpubertäre Wachstumsphase dauert bei ihnen dementsprechend länger und bewirkt bei Männern eine im Schnitt um 8% größere Körperlänge als bei Frauen

Da der pubertäre Wachstumsschub bei Knaben um ca. 2 Jahre später erfolgt als bei Männern, sind Männer im Durchschnitt größer als Frauen (Unterschied 8%). Der endpubertäre Schluss der Epiphysenfugen wird bei beiden Geschlechtern durch hohe Östrogenspiegel bewirkt - über direkten Einfluss auf Chondrozyten (Adrogene werden zu Östrogenen aromatisiert).

Umgekehrt führt
mit zunehmendem Alter sinkender Östradiolspiegel bei Männern und Frauen zu abnehmender Knochenstärke und Osteoporoseneigung.


Östrogene verkürzen die Lebenszeit von Osteoklasten und verlängern die von Osteoblasten und Osteozyten.
 

>Abbildung: Wachstum verschiedener Gewebe / Organe als Funktion des Lebensalters
Nach einer Vorlage bei Ganongs's Review of Medical Physiology, 24th ed. Lange Basic Science 2012

Die lymphatischen Gewebe erreichen etwa mit der Pubertät ihr Größenmaximum, ihre Masse ist etwa doppelt so groß wie im Alter von 20 Jahren. Zu dieser Zeit beginnen die meisten Gewebe und die Körpergröße ihren pubertären Wachstumsschub.
 
Das Gehirn nimmt im Sinne einer einfachen logarithmischen Wachstumskurve an Größe zu und hat in der Pubertät bereits seine Maximalgröße erreicht


Zahlreiche weitere endokrine Faktoren wirken bei der Steuerung des Knochenstoffwechsels zusammen, wie Schilddrüsenhormone (T3), Wachstumsfaktoren (IGF, FGF, TGF, M-CS), Zytokine (IL-1, TNF) und Prostaglandine. Testosteron regt die Aromatisierung zu Östradiol an und wirkt auf diese Weise knochenbildend und wachstumsfördernd.

Schilddrüsen-Unterfunktion führt nicht nur zu mangelnder Differenzierung (körperliche und mentale Leistungsdefekte), reduziertem Stoffwechsel und Sauerstoffverbrauch, Hypotonie, Hypothermie und Myxödem, sondern kann auch Zwergwuchs bewirken (Kretinismus).

Wachstumskurven dienen als Leitfaden für die Beurteilung der (nicht nur GH-abhängigen) Größenzunahme von Säuglingen und Kindern. Der spätpubertäre Wachstumsschub (m>f) ist durch verstärkte Sekretion von Wachstumshormonen und Geschlechtshormonen bedingt (<Abbildung).
 

<Abbildung: Bedeutung von Hormonsystemen für den Wachstumsprozess
Nach einer Vorlage bei Ganongs's Review of Medical Physiology, 24th ed. Lange Basic Science 2012

Schilddrüsenhormone haben postpartal die größte Bedeutung für das Körperwachstum (ab 3 Jahren abnehmend).
 
GH nimmt bis ~2 Jahre an Bedeutung zu und behält diese bis in die Pubertät.
 
Peripubertär wirken Testosteron und Östrogene starke wachstumsfördernd


Weitere Steigerung dieser Hormonwerte leitet den Schluss der Epiphysenfugen ein und beendet damit das Längenwachstum.

Geschlechtshormone bestimmen zusammen mit Wachstumshormonen die Ausbildung von Knochen, Muskeln, Bindegewebe (Stimmlage: Stimmbänder wachsen bei jungen Männern um ~50% an Länge, die endgültige Stimmlage wird mit ~15 Jahren erreicht), Haut (Bartwuchs) etc.

Unterschiedliche Sexualhormonmuster bewirken, dass Männer im Durchschnitt um die Hälfte höhere Muskel- und Knochenmasse haben als Frauen (anaboler Effekt der Androgene), deren Fettmasse andererseits das Doppelte dessen der Männer beträgt. Vor der Pubertät gibt es keine diesbezüglichen Unterschiede.





    Wird die Bindungskapazität des Albumins für (nach der Geburt gesteigerte) Gallenfarbstoffe überfordert, und Bilirubin tritt vermehrt in das Gewebe ein. Das kann u.a. im Nervensystem geschehen (unreife Blut-Hirn-Schranke), insbesondere die Basalganglien betreffen und eine Bilirubinenzephalopathie ("Kernikterus") mit neurologischen Schädigungen bewirken.

 
  Starker Stress unter der Geburt kann beim Feten zu vorzeitigem Anstieg des Motilinspiegels und damit Darmentleerung führen; Mekonium gelangt ins Fruchtwasser und wird aspiriert, was zu konnataler Pneumonie führen kann.

Wachstumsstörungen können durch einen Mangel oder Überschuss an Wachstumshormon (oder fehlenden Rezeptoreffekt) ausgelöst werden und wirken sich sowohl auf das Knochenwachstum als auch auf den endokrinen und Stoffwechselstatus aus:

  
  Hormonmangel oder fehlende Hormonwirkung: GH-Mangel kann durch Störungen im Hypothalamus (mangelnde GHRH-Freisetzung) oder in der Hypophyse bedingt sein (mangelnde Expression von GHRH-Rezeptoren). In der Peripherie kann sich ein Defekt der GH-Rezeptoren oder gestörte Wirkung von IGF-1 (Signaltransduktion) bemerkbar machen. Mangelnde GH-Wirkung ab der Kindheit führt zu hypophysärem Minderwuchs (proportioniert), GH-Mangel bei Erwachsenen hat metabolische Folgen. Defekte am GH-Rezeptor können dysproportionierten Zwergwuchs bedingen.

  
  GH-Überschuss (hormonbildendes Hypophysenvorderlappen-Adenom) ab der Kindheit führt zu Riesenwuchs (Gigantismus) oder (nur) zu Akromegalie, wenn das Adenom erst im Erwachsenenalter auftritt. Metabolische Störungen (Diabetes mellitus) und Aktivierung von Prolaktinrezeptoren durch hohe GH-Konzentration (Galaktorrhoe) sowie Organvergrößerungen (Kardiomegalie) können zusätzlich auftreten.
 

 
      Das Neugeborene ist mit Stoffwechselproblemen konfrontiert: Hypoxie, Hypoglykämie (Glukosespiegel sinkt auf die Hälfte des Normalwertes, die hepatische Glykogenreserve wird aufgebraucht, freie Fettsäuren werden vermehrt verwertet), Hypothermie (Stabilisierung innerhalb einer Woche durch Adrenalin und Thyroxin - braunes Fettgewebe, Thermogenin), erhöhter Bilirubinspiegel (icterus neonatorum). Kleinkinder benötigen mindestens 2 g Protein / kg KG pro Tag
 
      Eigenständige Antikörperbildung setzt postpartal nur verzögert ein. Die Leukozytenzahl beträgt bei Neugeborenen 15-40 tausend pro µl Blut (bei Erwachsenen 4-11.103/µl). Die Darmflora ist nach ca. einem Monat stabil etabliert (Colibakterien, Streptokokken), nach 1-2 Jahren entspricht die Darmflora der von erwachsenen Personen
 
      Das relative Herzminutenvolumen ist beim Neugeborenen dreimal so hoch wie beim Erwachsenen (~0,25 vs. ~0,07 l/ l/min/kg KG), die Ruhepulsfrequenz mehr als doppelt so hoch (70-170 bpm), der Ruheblutdruck beträgt ~70 mmHg. Erhöht sind auch relatives interstitielles, extrazelluläres und Blutvolumen sowie der Flüssigkeitsaustausch (Dehydrierungsgefahr bei Babys). Glomeruläre Filtration und Tubulusfunktion sind hingegen viel geringer als bei Erwachsenen, die Verweildauer von renal auszuscheidenden Medikamenten etwa 5-fach länger
 
      Bei der Geburt liegen ~100 Milliarden Nervenzellen vor, deren Vernetzung über mehrere Jahre aufgebaut wird ("Hirnreifung"). Motorische Fähigkeiten entwickeln sich in einer typischen Abfolge (Sitzen mit 6 Monaten, erste Schritte mit einem Jahr) parallel zur Reifung motorischer Systeme (u.a. Pyramidenbahn). Das EEG zeigt bei Kindern niedrigere Frequenzen als beim Erwachsenen. Der REM-Schlaf ist ausgeprägter (50% der Gesamtschlafdauer) als bei Erwachsenen (20%)
 
      Die körperliche Entwicklung von Kindheit über Pubertät bis Adoleszenz wird über das Tanner-Schema angegeben. An Entwicklung, Wachstum und Reifung sind GH und IGFs sowie Schilddrüsenhormone, Testosteron, Östrogene, Wachstumsfaktoren, Zytokine und Prostaglandine beteiligt. IGFs steigern den Spiegel an freien Fettsäuren (Lipolyse) und Glukose (Glykogenabbau), und senken die Aminosäurespiegel (Einbau in den Bewegungsapparat). Somatotropin (GH) wird in 3-4 Pulsen pro Tag freigesetzt, am stärksten peripubertär; es wirkt auf Muskeln, Gehirn, Herz, Fettgewebe. In der Leber entstehen Somatomedine, das wichtigste ist IGF-I. GH und IGF-1 fördern das Wachsrum von Haut, Herz, Leber, Milz. TNF und exogene Glucocorticoide hemmen den wachstumsfördernden IGF-Effekt und beschleunigen den Eiweißabbau im Muskel
 
      Postpartal steigen die Gonadotropinspiegel (FSH, LH), präpubertär sind sie niedrig; mit der Pubertät steigen sie wieder an, Oszillationen werden intensiver, bei der Frau bestehen zyklische Schwankungen. In der Menopause sind die Gonadotropinwerte stark erhöht (mangelnde Rückkopplung durch Steroidhormone). Der pubertäre Wachstumsgipfel erfolgt bei Knaben um etwa 2 Jahre später als bei Mädchen, resultierend in größerer Körperlänge. Östradiol bringt Osteoklasten zur Apoptose und wirkt so knochenaufbauend. Mädchen haben Röhrenknochen mit geringerem Umfang, aber stärkerer Mineralisation der Compacta, Knaben stärkere Knochen mit größerem Durchmesser (voluminösere Spongiosa), aber geringerer Compactadichte. Der Schluss der Epiphysenfugen wird bei beiden Geschlechtern (Adrogene werden zu Östrogenen aromatisiert) durch hohe Östrogenspiegel bewirkt (Einfluss auf Chondrozyten)
 

 

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.