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

 
Integration der Organsysteme
 
Physiologie der Haut
© H. Hinghofer-Szalkay

Akren: ἄκρος = äußerstes Ende, Spitze
apokrin: ἀπο = von (weg), κρῑ́νω = absondern
Dermis: δέρμα = Haut
ekkrin:
ἐκ = heraus, κρῑ́νω = absondern
Keratin: κέρας = Horn
Langerhans-Zellen: Paul Langerhans
Melanin, Melanozyt: μέλας = schwarz
Phäomelanin: φαιός = dunkel
Pheromon: φέρειν = überbringen, ὁρμᾶν = erregen
Piloerektion: pilus = Haar, erigere = aufrichten


Die Haut ist Sinnesorgan (Mechano-, Thermo-, Nozizeption), immunologische Barriere, Vitaminproduzent (D-Hormon), Wärmeaustauscher, Schweißproduzent und schützt vor Strahlung und Austrocknung. Ihre Durchblutung kann so groß werden wie das gesamte Ruhe-Herzminutenvolumen (vasodilatierende Wirkung von Kininen); die Haut kann in ihren Venengeflechten beträchtliche Mengen Blut speichen. Interstitielle Flüssigkeit gelangt über kutane Lymphgefäße in den Kreislauf. Vor Strahlung schützt die Pigmentierung (Melanozyten bilden Eumelanin und transferieren es an Keratinozyten).

Eine erwachsene Person kann bei Hitzeeinfluss bis zu 3 Liter Schweiß pro Stunde produzieren (pro Tag bis >10 Liter). Dabei verliert der Körper außer Wasser auch Natrium, Chlorid, Laktat (Schweiß-pH ~4,5) sowie geringe Mengen an Harnstoff, Aminosäuren, Laktoferrin, evt. Pharmaka (z.B. Kokain, Opiate), Magnesium. Schweiß ist hypoton, die osmotisch bedeutsamste Komponente ist Kochsalz.

Afferente Nervenfasern bringen Information über Berührung, Vibration, Kälte und Wärme, sowie Schmerz an das Zentralnervensystem heran; autonom-efferente Nerven steuern Gefäße und Drüsen (Schweiß, Talg, Pheromone). Kutane Neurone vermitteln Axonreflexe und interagieren mit - teilweise trophischen - Faktoren wie CGRP, NPY, Substanz P, VIP, Neurokinin A und Somatostatin; diese wirken z.T. als trophische Signalsubstanzen.


Aufgaben der Haut
Schweiß  Hautdurchblutung Hautfarbe und Pigmentierung immunologische Eigenschaften  Sinnesorgan Haut

Core messages
  
Die Haut hat eine Vielfalt von Funktionen
 
Die Haut ist ein komplexes Organ (>Abbildung), ihre Gesamtmasse beträgt beim Erwachsenen mehr als 10 kg, die Oberfläche ~2m2.
 

>Abbildung: Unbehaarte und behaarte Haut
Nach einer Vorlage in depure.org

Die Haut unterscheidet sich an verschiedenen Stellen des Körpers durch Festigkeit, Durchblutung, Schweiß- und Talgproduktion, Besatz mit Rezeptoren (Haarfollikelrezeptoren vs. Meissner-Körperchen) u.a.
 
Die epitheliale Epidermis (Oberhaut) besteht aus
mehreren Schichten, das stratum corneum (Hornschicht) ist im Allgemeinen 10-20 µm dick, am Scrotum nur 5 µm, an den Fußsohlen bis 600 µm.
 
Die Dermis ist gut einen Millimeter dick und reich an Blut- und Lymphgefäßen, die u.a. topisch auf die Haut aufgetragene Stoffe aufnehmen und weitertransportieren können. Sie enthält Mechanorezeptoren und Nervenfasern, Haarbälge und Drüsen


Die wichtigsten Eigenschaften und Aufgaben der Haut sind die folgenden:

  
  Größtes Sinnesorgan; die Haut nimmt Sinnesreize auf (Oberflächensensibilität, Temperatur-, Schmerzsinn - die Oberhaut ist durchschnittlich 2-3 mm dick und wiegt ~5 kg) und leitet diese Information weiter - die Haut enthält schätzungsweise ~80 km Nervenfasern
 
     Mechanischer / physikochemischer Schutz (vor Eindringen von Fremdstoffen, Verlust von Körperflüssigkeit) - ohne Epidermis würde der tägliche Flüssigkeitsverlust über Verdampfung etwa 20 Liter betragen. Die Abdichtung erfolgt über Desmosomen (an ihnen verankern sich Keratinfäden - Tonofilamente, Intermediärfilamente - in der Zelle), Schlussleisten (tight junctions) u.a.; in die extrazellulären Spalträume zwischen den Epithelzellen sind Lipide zur Abdichtung eingelagert
 
     Aufenthaltsort von ~1012 Mikroorganismen (Hautflora), immunologischer Infektionsschutz, vor allem angeboren (residente - im Gegensatz zur transienten - Hautflora)
  
     Thermischer Ausgleich - Wasserverlust und Schweißsekretion (bis zu mehrere hundert Schweißdrüsen pro cm2 Haut, am dichtesten an den Fußsohlen), Wärmeaustausch, Piloerektion ("Gänsehaut") - der Mensch verfügt über ~5.106 Haare. Ein Haar kann ~3 kg Gewicht tragen. Haare wachsen pro Woche um ~2 mm; die musculi arrectores pilorum sind glatte Muskelzellen
 
über den Wärmeaustausch mit der Umgebung s. dort
 

<Abbildung: Haut und Vitamin D-Synthese
Nach einer Vorlage in scientificpsychic.com

Vitamin D3 entsteht in der Haut unter Einwirkung von UV-B-Licht aus 7-Dehydrocholesterin. Die Leber konvertiert zu 25(OH)-, die Niere zur biologisch aktiven Form 1,25(OH)2-Vitamin D3 (Calcitriol) - dieser Schritt wird durch mehrere Faktoren reguliert


     Schutz vor Strahlung - die Haut stellt eine Barriere gegen das Eindringen von Strahlung verschiedener Wellenlänge (Infrarot, sichtbar, UV) und Beschaffenheit (nicht-ionisierende, ionisierende Strahlung) dar. Die Bildung von Melanin erhöht die Schutzfunktion gegenüber schädigenden Wirkungen von UV-Licht, verstärkte Durchblutung kann lokale Erhitzung der Haut besser ableiten.
 
     Vitamin D-Synthese in Keratinozyten (7-Dehydrocholesterin → UV-B-Strahlung → 25-Hydroxycholecalciferol). Vitamin D3 entsteht in der Haut unter Einwirkung von UV-B-Licht (280-320 nm) aus 7-Dehydrocholesterin (<Abbildung). In einem weiteren Schritt konvertiert die Leber Vitamin D3 mittels Vitamin-D-25-Hydroxylase zu 25(OH)-Vitamin D3, die Niere schließlich mittels 1α-Hydroxylase zur biologisch aktiven Form 1,25(OH)2-Vitamin D3 (Calcitriol). Dieser letzte Schritt steht unter mehrfacher hormoneller Kontrolle (ParathormonCalcitonin).
  
     Schutz vor Austrocknung durch die Aktivität von Schweiß- (sweat glands) und Talgdrüsen (sebaceous glands, >Abbildungen), die sich vor allem in der Achselhöhle und der Perianalregion finden.

Talg
ist eine ölig-wachsartige Substanz und besteht aus Triglyzeriden, Estern, Squalenen und freien Fettsäuren, enthält Vitamin E und stellt einen pH-Wert der Haut zwischen 4,5 und 6,2 ein (antibakterielle Wirkung). Er stammt aus apokrinen, d.h. membranumhüllte Partikel produzierenden Drüsenzellen, die ständig erneuert werden. Talg hat eine Schutz- und wasserabweisende, aber auch emulgierende Wirkung auf den von ekkrinen Drüsen erzeugten Schweiß. Seine Sekretion wird gefördert durch Dihydrotestosteron und gehemmt durch Östrogene.

Es gibt zwei Arten von Schweißdrüsen:


>Abbildung: Drüsen in der Haut
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016

Apokrine Schweißdrüsen sind an Haarfollikel gebunden und produzieren Substanzen, die nach der Sekretion in dessen Trichter  durch bakterielle Einwirkung zu Stoffen umgesetzt werden, die den "natürlichen" Körpergeruch bestimmen.

Ekkrine
Schweißdrüsen (2-4 Millionen, besonders zahlreich an Stirn, Handflächen und Fußsohlen) produzieren Schweiß, der für die Regulation der Körpertemperatur nortwendig ist (Verdunstungskälte);  sie bilden auch bakterizide Stoffe (z.B. Dermcidin)


    Ekkrine Drüsen produzieren Schweiß für die Thermoregulation (größte Drüsendichte im Bereich der Handflächen und Fußsohlen - über Schweiß s. unten).
 
    Apokrine Duftdrüsen sind ähnlich strukturiert wie ekkrine, münden aber in Haartrichter (Achselhöhle, Genitalregion). Ihr Sekret enthält Proteine, Lipide und Steroide. Ihre Funktion wird durch Katecholamine angeregt, d.h. in Situationen von Stress, Angst, sexueller Erregung (Warnsignal, Pheromonwirkung). Bis zum Eintreten der Pubertät bleiben die apokrinen Drüsen inaktiv.

Der Flüssigkeitsverlust über die Haut wird untergliedert in

  
  Perspiratio insensibilis, die "passiv", also ohne Aktivierung der Schweißdrüsen über die Haut abgegebene Flüssigkeitsmenge - etwa 10 ml/kg Körpergewicht / 24 Stunden (0,3 - 1,0 l/d), bei einer erwachsenen Person kann von einem auf diesem Weg erfolgenden (unvermeidlichen) täglichen Flüssigkeitsverlust von gut einem halben Liter ausgegangen werden
 
     Perspiratio sensibilis, die durch Aktivierung der Schweißproduktion abgegebene Flüssigkeitsmenge - kann von Null bis zu mehreren Litern pro Tag betragen

     Repräsentation nach außen bzw. Kommunikation (Hautbeschaffenheit, Farbe, Durchblutung - Erröten! -, Pheromone ). Schweiß (aus apokrinen Drüsen, >Abbildung) enthält Duftstoffe, die Information über den emotionalen Zustand des "Senders" beinhalten (z.B. "Angstschweiß": Dieser enthält Stoffe, die über den Geruchssinn unbewusst die Gehirnaktivität beeinflussen).

     Resorption: Über die Haut können fettlösliche Wirkstoffe (transdermale therapeutische Systeme), aber auch Gifte (z.B. Phenole) aufgenommen werden. Höhermolekulare bzw. hydrophile Stoffe (z.B. Desinfektionsmittel) werden hingegen von der Haut kaum aufgenommen. Das stratum corneum stellt die Hauptbarriere dar (Wassergehalt <10%, zum Vergleich: ~70% im Korium).

Hyperämisierende Stoffe oder auch "Schleppersubstanzen" steigern die
Hautpermeabilität.

Liegen Exfoliationen oder Erytheme vor, oder f
ehlt das Epithel (wie bei Verbrennungen), dann kann ein Vielfaches des normalerweise möglichen kutanen Austausches mit der Umgebung auftreten.

  Über die Abschätzung der Hautoberfläche s. dort
 
 
Schweißproduktion und -wirkung
 

Schweiß ist ein hypotones Sekret der (im Schnitt etwa 2 Millionen) Schweißdrüsen, das in erster Linie der Kühlung dient.
  
   
<Abbildung: Schweißproduktion
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016
Im Azinus (unten) wird Chlorid transzellulär sezerniert, Natrium parazellulär. Der basolaterale Mechanismus zur Anreicherung von Chlorid umfasst Na/K-Pumpen, Kaliumkanäle und Na/K/Cl-Symporter. Es entsteht eine ungefähr plasmaisotone, kochsalzreiche Flüssigkeit.
 
Im Ausführungsgang (oben) wird Kochsalz zurückgewonnen - apikal durch einen ENaC und CFTR, basolateral durch Na/K-ATPase, Kalium- und Choridkanäle. Ergebnis ist hypotoner Schweiß, die Zusammensetzung hängt von der Durchflussrate ab (>Abbildung unten).
 
Anregung der primären Schweißproduktion erfolgt normalerweise cholinerg, ist aber auch adrenerg möglich; die Rückresorption von NaCl - z.T. in Austausch mit Kalium - wird durch Aldosteron angeregt (nicht dargestellt)


     Da der Übergang von flüssiger in dampfförmige Form pro Liter Wasser ~600 Cal (~2,4 MJ) Energie erfordert, kommt es durch das Verdampfen von Schweiß zu effizienter Abkühlung auch dann, wenn die Lufttemperatur über der Hauttemperatur liegt. (Vorausgesetzt, die Luft ist nicht wasserdampfgesättigt, was z.B. in den Tropen der Fall sein kann - dann funktioniert die Hitzeabfuhr über Evaporation nicht mehr, Kreislauf und Wärmeregulation sind extrem belastet.)

Zum Vergleich: Der Energieverbrauch einer ruhenden Person beträgt weniger als 90 Cal/h. Das Verdunsten von einem Liter Wasser auf der Haut kann eine Energiemenge abführen, die derjeniger entspricht, die man im Ruhezustand in ~6 Stunden produziert.

Die Schweißsekretion (Sudomotorik) wird vom Hypothalamus koordiniert, andere Teile des ZNS beteiligen sich an der Steuerung von Hautdurchblutung und Sudomotorik ( s. dort). Die Schweißdrüsen werden durch sympathische Fasern über muskarinische Rezeptoren cholinerg (!) angeregt (nicht noradrenerg wie sonst bei sympathisch-postganglionären Fasern).
    
Acetylcholin regt die Schweißsekretion über muskarinerge Rezeptoren an.
   

>Abbildung: Zusammensetzung des Schweißes als Funktion der Sekretionsrate
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016

Die Ausführungsgänge resorbieren aus dem Primärsekret (im Wesentlichen physiologische Kochsalzlösung) NaCl zurück; bei Schweißverlust um ~5 ml/(min.m2) sind die Natrium (rote Kurve) - und Chloridwerte (grüne Kurve) besonders niedrig (maximale Effizienz der kanalikulären Reabsorption).
 
Die Kaliumkonzentration (
blaue Kurve) ist bei minimaler Schweißsekretion am höchsten (4-5fach höhere Werte als im Blutplasma, Aldosteroneffekt) und sinkt mit der Sekretionsleistung etwa auf Blutwerte ab. Mit ansteigendem Schweißfluss nehmen die Natrium- und Chloridwerte wieder zu (auf rund die Hälfte der Werte, die sich im Blutplasma finden).
 
Bei zystischer Fibrose (=Mukoviszidose) ist der CFTR-Chloridtransporter defekt, die Kochsalz-Rückresorption ist weitgehend eingeschränkt und die Kochsalzwerte im Schweiß sind unphysiologisch hoch (strichlierte Kurven)


Eine erwachsene Person kann bis zu ~3 Liter pro Stunde (pro Tag bis über 10 Liter) schwitzen. Durch den Flüssigkeitsverlust kann es zu Dehydrierung kommen.

Gleichzeitig gehen dem Körper außer Wasser auch im Schweiß gelöste Stoffe verloren.

Zusammensetzung: Schweiß besteht zu >99% aus Wasser. An organischen Bestandteilen finden sich u.a. Laktat (Schweiß-pH ~ 4,5), Harnstoff, Aminosäuren, Laktoferrin. Weiters sind im Schweiß auch Pharmaka nachweisbar (z.B. Kokain, Opiate).

Bezüglich der Mineralien weist Schweiß geringere Konzentrationen auf als das Blutplasma, mit Ausnahme von Kalium, das in den Ausführungsgängen z.T. gegen Natrium ausgetauscht wird mit dem Ergebnis, dass [K+] - bei niedriger Schweißsekretion - sogar wesentlich höher sein kann als im Blutplasma (bis ~20 mM, >Abbildung).

Dabei ist die Zusammensetzung des Schweißes von der Flussrate abhängig: Bei geringer Schweißmenge haben die Ausführungsgänge ausreichend Zeit, die Zusammensetzung des Primärsekrets zu modifizieren und Kochsalz zurückzugewinnen (Natrium- und Chloridwerte bis auf ~20 mM sinkend). Bei steigender Schweißmenge steigen die Werte als Zeichen unvollständiger Ausschöpfung der Rückresorptionskapazität ([Na+] auf ~70 mM, [Cl-] auf ~60 mM, >Abbildung).

Der Verlust von etwas mehr als 1 mg Magnesium pro Liter Schweiss ist zwar nicht zu vernachlässigen, aber immer noch gering im Vergleich zur täglichen Aufnahme von mehr als 100 mg (zum renalen Magnesiumhandling
s. dort):
 
 

Elektrolyte im Schweiß
Na+ ~1,2 g/l (~50 mM/l)
    
(Serum 142 mM/l)
Ca++
~15 mg/l (~0,4 mM/l)
    
(Serum 2,5 mM/l)
K+ ~0,1 g/l (~5 mM/l)
    
(Serum 4 mM/l)
Mg++ ~1,3 mg/l (~0,05 mM/l)
    
(Serum 0,9 mM/l)
   
   Die Konzentration der Spurenelemente kann besonders stark schwanken. Mittelwerte:
 
Spurenelemente im Schweiß
Fe++
~1 mg/l
    
(Serum 0,7-1,8 mg/l)
Cu++ ~0,5 mg/l
    
(Serum 0,75-1,3 mg/l)
Zn++ ~0,4 mg/l
    
(Serum 0,6-1,4 mg/l)
Cr+++ ~0,1 mg/l
    
(Serum 0,02-0,05 mg/l)
  
 
Die Haut als Kreislauforgan
   
Die Haut hat auch Bedeutung als "Player" im Kreislauf. Ihre Durchblutung kann sehr unterschiedlich sein: ~0,1 bis ~5 l/min (!), abhängig von Erfordernissen der Thermoregulation.

Kein Wunder, dass man unter Hitzeeinwirkung leicht kollabiert: Vasodilatation führt zu verbesserter Wärmeabgabe an die Umgebung, aber auch Füllung venöser Gefäße, was Blut vermehrt in die Peripherie - und damit den zentralen Teil des Kreislaufs in eine schwierige Situation - bringt.

Der Grund: Reduzierte Vorlast, verringertes Herzzeitvolumen, erschwerte Blutdruckregulation, verminderte Hirndurchblutung.

Dieses Reaktionsmuster kann sich bis zum Auftreten einer (Prä-) Synkope steigern: Wärmebelastung führt in Kombination mit zusätzlicher Kreislaufbelastung - aufrechte Körperlage, Muskelarbeit - zum Auftreten eines kardiovaskulären Kollaps.
 
  
>Abbildung: Strukturierung der Durchblutung von Akren und "normaler" Haut
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed. Saunders 2003

In Akren (Finger- und Zehenspitzen, Handflächen, Fußsohlen, Lippen, Nase, Ohrläppchen) finden sich arteriovenöse Anastomosen (im Nagelbett ca. 500 / cm2). Diese haben eine  niedrigen Ruhetonus und werden fast ausschließlich noradrenerg (vasokonstriktorisch) vom hypothalamischen Wärmezentrum gesteuert. Sie reagieren auch auf die lokale Temperatur - dilatieren bei Wärme, kontrahieren bei Kälte.
  
Reguläre Haut hat auch präganglionär-cholinerge Fasern, welche vermutlich die Freisetzung von Bradykinin aus Schweißdrüsen und damit
Vasodilatation bewirken

    NE, Noradrenalin    ACh, Acetylcholin


In Gebieten wie Finger- und Zehenspitzen (Nagelbett), Nasen und Ohren (Akren) finden sich arteriovenöse Anastomosen, die unter sympathischer Steuerung stehen (>Abbildung) und eine wichtige Rolle für die Thermoregulation spielen:

Unter thermoneutralen Bedingungen ist der Tonus der die Akren versorgenden sympathischen Fasern hoch, die Anastomosen sind weitgehend verschlossen (im Gegensatz dazu unterliegt die Haut des Körperstammes nur geringem sympathischem Tonus). Bei Kreislaufproblemen (wie bei starkem Blutverlust, Herzinfarkt, Kreislaufschock) werden die Gefäße der Haut extrem eng (Hautblässe) - verursacht durch hohen Sympathikustonus, Adrenalin, Angiotensin und Vasopressin. Kontraktion der Arteriolen stützt den arteriellen Blutdruck (erhöhter peripherer Widerstand), Kontraktion der Venen die Herzfunktion (verbesserter venöser Rückstrom).

Steigt die Kerntemperatur, reduziert sich der sympathische Antrieb, die Anastomosen in den Akren
gehen auf, die angeschlossenen Venenplexus werden gefüllt - und das erleichtert die Wärmeabgabe an die Umgebung.

 Absinken der Körpertemperatur führt zu Konstriktion der Gefäße (α-adrenerg vermittelt) und verringerter Wärmeabgabe von apikalen Hautregionen.
 
Bei Kälteeinfluss kontrahiert Noradrenalin kutane Arteriolen.
   
Umgekehrt führt Erwärmung zu Abnahme des Sympathikuseinflusses in diesen Gebieten und vermehrte Wärmeabgabe an die Umgebung. Blockade der sympathischen Impulse (<Abbildung) erhöht die Durchblutung der Akren um das ~4-fache. Im Ruhezustand existiert also eine erhebliche Sympathikuswirkung.

Vasodilatatorische Einflüsse auf die Haut außerhalb von Akren (Körperstamm, proximale Extremitätenregionen) sind teils cholinerger, teils peptiderger und nitriderger Natur: Sowohl in cholinergen Nervenfasern als auch in Schweißdrüsen finden sich VIP und nNOS.
 

<Abbildung: Wirkung sympathischer Blockade auf die Durchblutung der Hand
Nach Blessing W, McAllen R, McKinley M. Control of the Cutaneous Circulation by the Central Nervous System. Compr Physiol 2016, 6: 1161-97

Infrarotbilder (Thermokamera), aufgenommen vor (links: Kontrolle) und nach Gabe von Clozapin, einem Neuroleptikum, das die Sympathikusaktivität blockiert.
 
Bei ausgeschaltetem Sympathikus nimmt die Durchblutung der Haut stark zu - der Sympathikustonus reduziert die Perfusion der Akren


In der restlichen Haut des Körpers existiert im Indifferenzzustand kaum vasokonstriktorische sympathische Aktivität. Andererseits finden sich hier auch präganglionäre, cholinerge Fasern des Sympathikus. Welche Mechanismen (z.B. Kotransmitter wie CGRP, VIP; Kinine) als Faktoren kutaner Vasodilatation in Frage kommen, ist nicht eindeutig geklärt.
 
     Die kutane Perfusion ist extrem variabel. Unter Ruhebedingungen und Indifferenztemperatur beträgt die Durchblutung der Haut einer erwachsenen Person ~6% des Herzminutenvolumens (ca. 1/3 l/min). Die spezifische Durchblutung beträgt dann 10-20 ml/min/100g. Die minimale Durchblutung (z.B. bei intensivem Kälteeinfluss) beträgt lediglich
1 ml/min/100g, maximale Durchblutung hingegen (Hitzeeinfluss) 150-200 ml/min/100g.
 
      Hoher Sympathikustonus oder extreme Kälte kann die Hautdurchblutung bis auf ein Zwanzigstel reduzieren (auf ~20 ml/min). Die Vasokonstriktion wird über α2-Rezeptoren vermittelt
 
      Umgekehrt vervielfacht sich die kutane Perfusion unter der Wirkung von Hitze (z.B. Saunabesuch) und kann Werte von mehreren l/min erreichen. Die Wirkung erfolgt über erhöhte eNOS-Aktivität, teils auch über Substanz P und CGRP.

  Zur paradoxen Kältereaktion (Lewis-Reaktion) s. dort
 
 
>Abbildung: Sympathikuswirkung auf Hautvenen
Nach einer Vorlage in Rowell LB, Human Circulation: Regulation during Physical Stress. Oxford University Press, NY 1986

Eine Blutdruckmanschette wurde auf 250 mmHg aufgeblasen und komprimiert den arteriellen Zu- sowie den venösen Abfluss (Okklusion; konstantes Volumen in den Venen des Unterarms). Druckänderungen zeigen das Ausmaß reflektorischer Vasokonstriktion an.
 
Der intensivste venokonstriktorische Reflexeffekt zeigt sich bei Kältereizen, gefolgt von intensiver körperlicher Belastung, Schreckreaktion und tiefer Inspiration. Barorezeptorvermittelte Einflüsse durch orthostatische Reizung (HUT: head-up tilt, LBNP: lower body negative pressure) fehlen fast vollständig

Mit ihren ausgeprägten Venengeflechten stellt die Haut ein bedeutsames Blutreservoir dar. Die Venen in  der Haut sind intensiv mit sympathischen Fasern versorgt. Intensive Venokonstriktion erfolgt durch den Einfluss von Kälte, Stress, Muskelarbeit; orthostatische Kreislaufbelastung hat hingegen so gut wie keinen Effekt (>Abbildung).

  Zum Gegenstrom-Wärmeaustausch s. dort
 
Steigende Sympathikusaktivität verringert den arteriellen Blutzustrom zur Haut und entleert die Venen, sodass der venöse Rückfluss zum Herzen zunimmt und den Kreislauf unterstützt.


Hautfarbe und Pigmentierung
 

Die Farbe der Haut hängt von mehreren Faktoren ab, die "Bräunung" durch Melanin ist nur eine davon.

Perfusion: Die Hautfarbe hängt von der Füllung der Blutgefäße und dem Sauerstoffpartialdruck ab:

     Gut durchblutete Haut erscheint stärker koloriert (Erröten) als schlecht durchblutete (Erblassen) - damit ist die Haut auch ein Instrument der Mitteilung emotionaler Prozesse (Wut, Angst, Schock)

     An dünnen Hautpartien (insbesondere den Lippen) lässt sich die Sauerstoffsättigung des Blutes erkennen: Ist diese geringer als ~70% (arterielles Blut ist normalerweise zu >95% sauerstoffgesättigt), erscheinen die Lippen blau (Zyanose). Grund kann eine kältebedingte Unterdurchblutung (mit starker Sauerstoffausnützung), mangelnde Arterialisierung des Blutes in der Lunge, oder ausgedehnte arterio-venöse shunts (Herzfehler) sein.

Pigmentierung:
Helle Hauttypen (wenig Melanin) weisen rötliche Hautfarbe auf. Der Hauttyp ist durch die Ausprägung der Melaninbeladung bestimmt; diese ist genetisch und umweltbedingt (UV-Bestrahlung).

       UV-A (langwellig: Untergrenze 315-320 nm, Obergrenze 380-400 nm) bewirkt Konformationsänderung des Melanins und damit direkte Pigmentierung mit nur geringer Hautrötung (Erythem), die aber nur kurz andauert und keinen wesentlichen Lichtschutz sowie schädigende Begleiteffekte (Sauerstoffradikalbildung, Kollagenalterung, Melanomgefahr) zeitigt

       UV-B (kurzwellig: Untergrenze 280-290 nm, Obergrenze 315-320 nm) bewirkt hingegen verzögerte Pigmentierung (~3 Tage), die länger anhält und schützt, allerdings stärker erythembildend wirkt (Sonnenbrand) und starke kanzerogene Effekte haben kann (Basalzell-, Plattenepithelkarzinom). UV-B ist für die Bildung des Vitamin-D-Hormons in der Haut erforderlich

       UV-C (sehr kurzwellig: bis 290 nm) wird im Gewebe stark gestreut und dringt daher nicht tief in die Haut ein. Die Erdatmosphäre absorbiert UV-C aus dem Sonnenlicht
 

<Abbildung: Mechanismus der Hautbräunung
Nach D’Orazio J, Jarrett S, Amaro-Ortiz A, Scott T. UV Radiation and the Skin. Int J Mol Sci 2013; 14: 12222-48

Das Zusammenwirken zwischen Keratinozyten und Melanozyten ist hormonell koordiniert. Schädigung der Keratinozyten (UV-Strahlung) reguliert die Transkription von Pro-opiomelanocortin- (POMC-) Genen hoch, Melanozytenstimulierendes Hormon (α-MSH) entsteht.
 
MSH bindet an Melanocortin-1-Rezeptoren der Melanozyten, über cAMP werden Proteinkinase A (PKA), CREB (cAMP responsive binding element) sowie Transkriptionsfatoren (Tr-fakt) aktiviert. Letztere regen enzymatisch die Bildung von Melanin (Eumelanin) an. Dieses wird an die Keratinozyten weitergereicht


Melanozyten (~1000 / mm2 Haut) sind Epidermis-Pigmentzellen, die (aus dem Tyrosinstoffwechsel stammendes) Melanin an Epithelzellen abgeben. Melanozyten werden von den POMC-Abkömmlingen α-MSH und γ-MSH zur Dispersion ihrer Melanin-Granula angeregt (<Abbildung).

Dadurch wird das Pigment auf größere Flächen verteilt und ist optisch und strahlungsdämmend stärker aktiv.
MSH (Melanotropin) wird bei Auftreten eines Morbus Addison vermehrt produziert, was sich in einer verstärkten Hautbräunung zeigt.

Melanin kommt in mehreren Formen vor:

      Das dunkelbraune Eumelanin (es gibt schwarzes und braunes Eumelanin) wird aus Tyrosin und Levodopa gebildet und überwiegt bei dunklen Haar- und Hauttypen

      das gelblich-rötliche, schwefelhaltige Phäomelanin   dominiert bei helleren Hauttypen
 
      Neuromelanin findet sich im Gehirn, insbesondere in katecholaminergen Zellen der substantia nigra (pars compacta) sowie im locus coeruleus.



Wenn Melanin UV-Strahlung empfängt, konvertiert es durch molekulare Umwandlung (internal conversion) Energie in Wärme; der angeregte Zustand dauert extrem kurz, freie Radikale bilden sich kaum. Der melaninbedingte UV-Schutz kommt in der Tatsache zum Ausdruck, dass starke Pigmentierung mit geringem Melanomrisiko einhergeht.


Immunologie der Haut
 
Die Haut bildet eine physikalische Barriere gegen mikrobielle Invasionen des Körpers. Die Zellen des stratum corneum (>Abbildung) unterliegen einem programmierten Zelltod und formen eine keratin- und lipidreiche Schutzschicht; Hautschuppen werden kontinuierlich an die Umgebung abgegeben. Zusätzlich reagieren Keratinozyten aktiv auf Verletzungen und/oder Pathogene, indem sie antimikrobielle Proteine (Abtötung von Mikroben) sowie verschiedene Zytokine bilden (Anregung und Regulierung von Immunreaktionen).

Keratinozyten kommunizieren über Zytokine mit Immunzellen der Haut und orchestrieren so deren Immunantworten auf diverse Herausforderungen. Sie verfügen über zahlreiche verschiedene Mustererkennungsrezeptoren (PRRs), mit denen sie Verletzungen und eindringende Mikroorganismen detektieren und als "Wächterzellen" (sentinel cells) fungieren. Über MAMPs / PAMPs vermittelte Signale leiten entzündliche Vorgänge ein (Initiierung), gefolgt von vermehrter Zytokinfreisetzung (Amplifikation) und erhöhter Barrierewirkung durch vermehrten Aufbau von tight junctions. Ist der Angriff erfolgreich pariert, kommt es zum Umschalten auf einen anti-inflammatorischen Status (Resolution).
 

>Abbildung: Immunsystem der Haut
Nach Nestle FO, Di Meglio P, Qin J-Z, Nickoloff BJ. Skin immune sentinels in health and disease. Nature Rev Immunol 2009: 9, 679-91

Die Struktur der Haut reflektiert die Komplexität ihrer Funktion als Schutzbarriere, Temperaturregulator, sensorisches Organ und Abwehrsystem.

Zu den Spezialisten gehören dendritische Zellen, T-Zell-Untergruppen,
γδ-T-Zellen und natürliche Killerzellen


Haut und Schleimhäute (in Nase, Rachen, Nebenhöhlen, Luftwegen, Verdauungs- und Urogenitaltrakt) verhindern das Eindringen (Invasion) von Infektionserregern in den Körper. 

Zur primären Abwehrbarriere gehören auch Talg- und Schweißproduktion sowie die Anwesenheit einer obligaten Keimbesiedelung.


 
   Der niedrige pH-Wert der Haut (um 5,5 - “Säuremantel”) hemmt das Wachstum einiger Pathogene (antimikrobielle Wirkung von Fettsäuren), dasjenige physiologischer Hautbewohner (Normalflora) hingegen nicht. Oftmaliges Waschen mit Seife hat nur flüchtige Effekte, die Verschiebung des pH auf der Hautoberfläche bildet sich nach wenigen Stunden wieder zurück.
 
      Peptide und Lipide im Drüsensekret, u.a. das Lysozym (das auch in Tränenflüssigkeit, Nasensekret und Speichel vorkommt), Beta-Defensin, S100 (ein niedrigmolekulares Enzym, das von zahlreichen Zellen - auch Keratinozyten - produziert wird) und Cathelicidine.

Keratinozyten exprimieren Defensine, Zytokine und Chemokine in Abhängigkeit von Signalen, die von Immunrezeptoren der angeborenen Abwehr wie TLRs und NLRs ausgehen. Dringen Mikroben durch die Hautbarriere, initiieren Makrophagen, Mastzellen und Lymphozyten angeborene Abwehrmechanismen der Haut. Dabei erkennen diese über mustererkennende Rezeptoren entsprechende molekulare Muster (PAMPs).

Zahlreiche dendritische Zellen, vor allem
Langerhans-Zellen (<Abbildung) werden nach Antigenkontakt / Phagozytose von Fremdkörpern aktiviert und differenzieren aus. Sie bilden dabei Lektinrezeptoren, wandern in die Lymphknoten und präsentieren Lymphozyten (über deren Rezeptoren) die Antigen-Abbauprodukte vermittels MHC.

Die in der Haut zahlreich (~106/cm2, insgesamt ca. 20 Milliarden, hauptsächlich in der Dermis, nur 2% intraepidermal) vorkommenden T-Zellen sind zu 95% Gedächtniszellen. Diese CD4- und CD8-positiven Zellen bilden ein kutanes "Archiv" immunologischer Erfahrungen (resident memory T-cells). Bei neuerlichem Auftreten "ihres" Antigens steuern sie has Homing entsprechender Lymphozyten in die Haut.

Physiologisch vorhandene Mikroorganismen (etwa 1012 auf der Haut eines Erwachsenen, davon >20% in Haarfollikeln) verteidigen ihren Lebensbereich gegenüber anderen (potentiell schädlichen) und beugen auch Pilzbefall vor. Sie dringen normalerweise nicht in den Körper ein und werden mit der Abnutzung / Abstoßung der Keratinschicht fortlaufend entfernt (das Wachstum der Epidermis erschwert eine mikrobielle Invasion des Körpers).
 

<Abbildung: Dendritische Zellen werden durch Antigenkontakt mobilisiert
Nach einer Vorlage in medicinembbs.blogspot.co.at

Im Gewebe aktivierte Langerhans-Zellen werden mobil (Retraktion der Zellfortsätze) und wandern über die Lymphbahn in Lymphknoten ein, wo sie T-Zellen Antigene präsentieren


Andererseits können auch normalerweise auf der Haut vorhandene Mikroorganismen (Residenten-Flora), z.B. auf Händen und Fingern, pathogen werden, wenn sie ins Gewebe unter der Haut oder in die Blutbahn gelangen (Bakteriämie).
 
     Bei chirurgischen Eingriffen, Einführen von Gefäßkathetern usw. muss der Übertritt von Mikroben in die Operationswunde möglichst verhindert werden. Mikroorganismen sind von der Haut nicht restlos entfernbar, auch wenn ihre Zahl durch intensives Reinigen (Seife, Bürste etc.) für mehrere Stunden merklich reduziert ist (daher die Verwendung steriler Handschuhe und die Abdeckung eines Operationsfeldes zusätzlich zur Desinfektion).

Die Haut wird ständig erneuert (Gesamtzeit von Basalzellteilung bis Abschilferung ungefähr 4 Wochen):
 
   Pro Tag werden etwa 10 Gramm Hornschuppen abgestreift
 
   täglich verliert eine erwachsene Person ~100 Haare
 
   Haarwachstum ~2 mm pro Woche

Die Epidermis ist relativ trocken, was das Wachstum z.B. von Pilzen behindert (höhere Keimzahlen auf feuchter Haut, wie Achselhöhle, Hautfalten).

Aber alleine auf der Kopfhaut befinden sich mehr als 100.000 Talgdrüsen, und auf der gesamten Haut eines Erwachsenen über ~2 Millionen Schweißdrüsen, die
pro Tag ~800 ml (im Extremfall bis zu 18 Liter) Schweiß sezernieren.
 
  Näheres über das unspezifische Abwehrsystem des Menschen s. dort
   
Die Haut als Sinnesorgan
 
Hautstellen mit großem Auflösungsvermögen (=Schärfe der Unterscheidungsfähigkeit) weisen die größte Dichte an Mechanorezeptoren auf. Die Lippen haben z.B. wesentlich  kleinere und stark überlappende rezeptive Felder als die Oberarme oder der Rumpf. Das bedeutet mehr zentrale Neurone und große Projektionsflächen in der Großhirnrinde.

  Über die Haut als Sinnesorgan sowie über Haut und Schmerzsinn s. auch dort
  

>Abbildung: Struktur und Funktion der kutanen Mechanosensibilität
Nach einer Vorlage bei treccani.it

Links: Unbehaarte Leistenhaut (Lippen, Handflächen, Fußsohlen)
 
Rechts: Behaarte Haut (hier übernehmen Follikelrezeptoren die Rolle der Meissner-Körperchen)


Die Haut verfügt über afferente sowie autonom-efferente Nervenversorgung. In engem Zusammenhang mit der Reizung solcher kutanen Neurone stehen verschiedene Neuropeptide, die z.B. im Rahmen von Axonreflexen freigesetzt werden können (z.B. durch Schmerzeinwirkung oder Entzündungen): CGRP, NPY, Substanz P, VIP, Neurokinin A (ein Tachykinin), Somatostatin. Diese werden nicht nur bei verschiedenen Dermatosen aktiv, sondern wirken auch als trophische Faktoren.
 
  Zur Haut als Blutspeicher s. auch dort
 
  Zur Anpassung an klimatische Bedingungen s. dort

  Zahlreiche Studien haben den gesundheitsfördernden Effekt intensiv variierender Umweltfaktoren nachgewiesen. So werden Hautgefäße durch starken Temperaturwechsel (z.B. kalte Dusche nach Aufguss: bis ~100°C) zu effizienterer Regulation veranlasst und sind in der Lage, intensiver auf thermische Stressoren zu reagieren. Bei Hypertonikern zeigt sich ein blutdrucksenkender, bei Hypotonikern hingegen ein blutdrucksteigernder Effekt regelmäßigen Saunabesuchs. Das "Abhärtungs"-Konzept besagt, dass Regulationsvorgänge (wie Gefäßreaktionen) durch intensive Reizmuster herausgefordert werden und die physiologische Bandbreite (Anpassungsfähigkeit) zunimmt.

Allgemein nimmt das Wohlbefinden sowohl durch die resilienzsteigernden als auch entspannenden Auswirkungen von Kuren, Saunabesuchen, Fitnessmaßnahmen u.ä. zu, was auf eine Kombination physiologischer und psychoneuroimmunologischer Effekte zurückgeführt wird.
 

 
   Mukoviszidose-Diagnostik: Bei Verdacht auf zystische Fibrose (Mukoviszidose) kann ein Schweißtest zur Bestimmung der Natrium- und Chloridwerte vorgenommen werden. Zur Anregung der Schweißdrüsen werden muskarinische Rezeptoragonisten - wie das Alkaloid Pilokarpin - eingesetzt. Pilokarpin wirkt besonders schweißtreibend (es regt auch den Speichelfluss an).
 

 
      Die Haut ist das größte Sinnesorgan den Menschen (>10 kg, ~2 m2): Mechano-, Thermo-, Nozizeption
 
      Sie schützt physikalisch (mechanisch, thermisch, Strahlung), chemisch (Pufferwirkung), immunologisch (die Hautflora enthält ~1012 Mikroorganismen)
 
      Die Haut ist an der Vitamin-D-Synthese beteiligt (UV-B:  280-320 nm; 7-Dehydrocholesterin → 25-Hydroxycholecalciferol)
 
      Sie schützt vor Flüssigkeitsverlust (das stratum corneum enthält weniger als 10% Wasser), aber auch vor Austrocknung. 0,3-1,0 Liter Flüssigkeit verliert die Haut pro Tag "passiv" (perspiratio insensibilis), Schweißsekretion (aus ekkrinen Drüsen) unterstützt die Thermoregulation (perspiratio sensibilis). Die Verdampfung von 1 Liter Schweiß verbraucht 2,4 MJ Energie
 
      Ekkrine Schweißdrüsen sezernieren in ihren Azini ein proteinfreies Filtrat des Blutplasmas, die Ausführungsgänge resorbieren daraus Kochsalz zurück, der Schweiß wird hypoton - die Osmolalität ist abhängig von der Schweißproduktion
 
      Die Durchblutung der Haut kann zwischen <0,1 und etwa 5 l/min betragen - abhängig von den Erfordernissen der Thermoregulation. Die Akren werden anders gesteuert (AV-Anastomosen, rein noradrenerg-vasokonstriktorische Versorgung) als nichtapikale Haut (auch Vasodilation möglich)
 
     Die Farbe der Haut hängt von Durchblutung (rötlich: gut durchblutet, blass: schlecht durchblutet, bläulich: reduzierte Sauerstoffsättigung) und Pigmentierung ab. UV-B regt in Keratinozyten die Bildung von MSH an, dieses bewirkt in Melanozyten die Synthese von Melanin, das von den Keratinozyten aufgenommen wird. Helle Haut enthält Phäomelanin, dunkle Eumelanin
 
      Keratinozyten bilden auch Zytokine und Chemokine, und kommunizieren so mit Immunzellen. Schützend wirken der niedrige pH-Wert von 5-6, Lysozym und andere Faktoren, sowie die obligate Keimbesiedelung. Mikrobielle Merkmale (MAMPs: microbe-associated molecular patterns) werden mittels Mustererkennungsrezeptoren (PRRs: pattern recognition receptors) erkannt. Dendritische Zellen nehmen Fremdeiweiß auf und präsentieren es in Lymphknoten vermittels MHC - und über deren Rezeptoren - an Lymphozyten
 

 

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.