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: φαεινός = glänzend, leuchtend
 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, Lactat (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
  
   Melanin

Praktische Aspekte        Core messages
Über die Bedeutung der Haut für den Kreislauf s. u.a. dort
 
 
 Abbildung: Aufbau der menschlichen Haut
Nach einer Vorlage bei Thibodeau / Patton, Anatomy & Physiology (6th ed), Mosby Elsevier 2007
Links unbehaarte, rechts behaarte Haut.
 
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 Haut separiert einerseits das Innere des Körpers von der Umwelt und beschützt es vor physikalischen, chemischen und biologischen Gefahren (Verletzung, Hitze / Kälte, Strahlung, aggressive Substanzen, Krankheitserreger) und stellt andererseits ein Passageorgan für Wärmeaustausch, sensorische Reize, auch Signalübertragung dar. Sie schützt vor Schäden durch UV-Strahlung, nutzt diese gleichzeitig zur Synthese von Vitamin-3-Hormon. Ihre Durchblutung hat eine besonders große Schwankungsbreite und ihre Venengeflechte können eine beträchtliche Blutmenge speichern.
 
Die Haut hat eine Vielfalt von Funktionen
 
Die Haut hat eine Gesamtmasse von 4-5 kg. Dank guter Isolierung mittels ihrer Epidermis ( Abbildung; überlappende Zellen und interzelluläre Lipide) verhindert die Haut unkontrollierten Wasserverlust über ihre Oberfläche von ~2m2. So diffundieren nur geringe Mengen von Wasser durch die Haut nach außen und werden an die Umgebung abgegeben (Teil der perspiratio insensibilis, welche auch den Wasserverlust durch die Atmung umfasst und insgesamt pro Stunde 20-50 ml beträgt; diese Verdampfung verursacht einen Teil des evaporativen Wärmeverlusts des Körpers).
 
Über Brandwunden oder großflächige Abschürfungen können wesentlich höhere Mengen an Wasser von der Haut verdampfen. Erhebliche Dehydration kann in kurzer Zeit auftreten, die durch Infusion von Elektrolytlösungen wettgemacht werden muss.
 

Abbildung:  Epidermis und Desmosom (schematisch)
Nach einer Vorlage in Burge / Matin / Wallis, Oxford Handbook of Medical Dermatology, 2nd ed. 2016 (links) und Ohno S, The genetic background of arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy. J Arrhythmia 2016; 32: 398-403 (rechts)
Links: Ketarinozyten rücken von der regenerativen Schicht (stratum basale) schrittweise (stratum spinosum, stratum granulosum, stratum lucidum) zur Oberfläche (Pfeil) und verändern dabei Form und Funktion. Die 12 bis 200 Zellen dicke Hornzellschicht (stratum corneum) enthält Zellen (Hornzellen, Korneozyten), die nicht mehr vital sind, aber eine mechanisch, chemisch und immunologisch aktive und zusammen mit extrazellulären Fetten wasserabweisende Schutzschicht aufbauen. Diese wird im Rahmen kontinuierlicher Abschuppung (äußerste Schichte: stratum disjunctum, hier verlieren die Zellen ihren wechselseitigen Kontakt) laufend erneuert.
Die Zellen des stratum granulosum sind sowohl über Desmosomen als auch über tight junctions miteinander verknüpft.
  
An die Basalmembran sind die Zellen mittels Hemidesmosomen fixiert. In das stratum basale sind Melanozyten eingelagert. Die Zellen der Epidermis bilden mittels Keratinfilamenten und Desmosomen ein mechanisch widerstandsfähiges Netzwerk.
 
Inset rechts: Desmosomen enthalten spezialisierte Proteine (Desmocollin, Desmoglein, Plakophilin, Plakoglobin, Desmoplakin), welche benachbarte Zellen miteinander (von Zytoskelett zu Zytoskelett) mechanisch verknüpfen und so die notwendige Festigkeit des zellulären Netzes gewährleisten
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
     Anregung der Synthese proinflammatorischer Komponenten bei Verletzungen der Haut ( Abbildung)
 

 Abbildung: Reaktionen eines Keratinozyten auf einen Verletzungsreiz
Nach einer Vorlage bei Misbah / Spickett / Dalm, Chapel and Haeney's Essentials of Clinical Immunology (7th ed.), Wiley Blackwell 2022
Auf eine Noxe (mit dem Blitzsymbol angedeutet) antworten Keratinozyten mit der Produktion entzündungsfördernder Faktoren:
  
Eikosanoide erhöhen die Gefäßpermeabilität, wirken vasodilatierend und regen Chemotaxis an
  
Wachstumsfaktoren (z.B. TGF, FGF, PDGF) wirken auf die Synthese und fördern das Wachstum von Bindegewebszellen
  
Chemokine triggern Chemotaxis an zahlreichen verschiedenen Zelltypen
  
Zytokine (wie IL-1, IL-6, TNF-α) aktivieren Endothelzellen (Expression von Adhäsionsmolekülen), Makrophagen und neutrophile Granulozyten
  
Interferone limitieren virale Infektionen, modulieren die Synthese bindegewebiger Elemente und erhöhen die Expression von MHC

     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
 
    Schutz vor Strahlung - s. dort

 
Abbildung: Haut und Vitamin D-Synthese
Nach einer Vorlage in sphweb.bumc.bu.edu
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

    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 (Parathormon, Calcitonin).

    Schutz vor Austrocknung sowie immunologischer Schutz durch die Aktivität von Schweiß- (sweat glands) und Talgdrüsen (sebaceous glands), 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 schmutz- 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):
 
    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.

Bis zum Eintreten der Pubertät bleiben die apokrinen Drüsen inaktiv.
 
 
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 notwendig ist (Verdunstungskälte);  sie bilden auch bakterizide Stoffe (z.B. Dermcidine)
Der Flüssigkeitsverlust über die Haut wird untergliedert in

     Perspiratio insensibilis, die ohne Aktivierung der Schweißdrüsen über Haut und Atmung 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 fehlt 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
 
 
Schweiß: Produktion, Wirkung, Zusammensetzung
 
  idg. sueid- schwitzen
Zusammensetzung / Komponenten
 
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
Azinuszellen (coil cells, unten) sezernieren Chlorid transzellulär, Natrium parazellulär. Der basolaterale Mechanismus zur Anreicherung von Chlorid (unten rechts) umfasst Na/K-Pumpen, Kaliumkanäle und Na/K/Cl-Symporter. Chloridionen verlassen die Zelle an der apikalen Membran via Chloridkanäle (unten links), das dadurch entstehende lumen-negative Potential treibt die parazelluläre Natriumsekretion an. Es entsteht primäres Sekret, eine ungefähr plasmaisotone, kochsalzreiche Flüssigkeit.

 Apikale / basolaterale Membran s. dort
 
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)
Verdampfungswärme: Da der Übergang von flüssigem Wasser zu Wasserdampf pro Liter 2,4 MJ (~570 Cal) Energie erfordert, kommt es durch das Verdunsten von Schweiß an der Körperoberfläche 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 / Komponenten
 
Schweiß besteht zu >99% aus Wasser. An organischen Bestandteilen finden sich u.a. Lactat (Schweiß-pH ~ 4,5), Harnstoff, Aminosäuren, Lactoferrin. 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)

 (Serum 142 mM)		 Ca++
 		~15 mg/l (~0,4 mM)

 (Serum 2,5 mM)
K+ ~0,1 g/l (~5 mM)

 (Serum 4 mM)		 Mg++ ~1,3 mg/l (~0,05 mM)

 (Serum 0,9 mM)
   
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 - ruhige Orthostase (aufrechte Körperlage), Muskelarbeit - zum Auftreten eines kardiovaskulären Kollaps.

In der Haut reicht die Gefäßversorgung nur bis in die Dermis; die Epidermis ist avaskulär. Die Venengeflechte der Haut sind sehr ausgeprägt (vgl. dort) und können große Mengen Blut aufnehmen; das geschieht bei erhöhter Hautperfusion (ist also weitgehend über die arterielle Durchblutung gesteuert), die bei intensivem Hitzeeinfluss bis zu etwa 5 l/min betragen kann (das Ruhe-Herzzeitvolumen wird dadurch verdoppelt).

Bei hohem Sympathikustonus kontrahieren die Gefäße in der Haut (Vasokonstriktion Arteriolen → Widerstandserhöhung → weniger Blut in die Mikrozirkulation → weniger Blut in Venen; Vasokonstriktion Venen → Complianceerniedrigung → Entspeicherung → verbesserter Rückstrom zum Herzen). Ein Teil des gespeicherten Blutes wird so Richtung zentrales Blutvolumen verschoben und stabilisiert als "Autotransfusion" die Kreislauffunktion.
 
  
Abbildung: Strukturierung der Durchblutung von Akren (apical skin) 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 einen 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

Akren: In Gebieten wie Nasen und Ohren, Fingern und Zehen ist das Verhältnis Oberfläche zu Volumen hoch; diese Gebiete eignen sich sehr gut für den Wärmeaustausch. Hier (insbesondere im Bereich der Nagelbette, Finger- und Zehenspitzen, Nasenspitze) finden sich - parallel zum Kapillarkreislauf angeordnete - 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, dann sinkt der sympathische Antrieb, die Anastomosen in den Akren öffnen sich, 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
   
Vasodilatatorische Einflüsse auf die Haut außerhalb von Akren (Körperstamm, proximale Extremitätenregionen) erfolgen teils mittels Azetylcholin (cholinerge sympathische Fasern der Haut!), teils sind sie peptiderger und nitriderger Natur: Sowohl in cholinergen Nervenfasern als auch in Schweißdrüsen finden sich VIP und nNOS.

In warmer Umgebung kann Blockade der sympathischen Innervation nichtapikaler Haut Vasokonstriktion und verringerte Hautdurchblutung zur Folge haben - was beweist, dass es sympathische Vasodilatation gibt (der genaue Mechanismus ist unklar).
 
Im Bereich der Akren führt Erwärmung zu Abnahme des Sympathikuseinflusses und vermehrte Wärmeabgabe an die Umgebung. Blockade der sympathischen Impulse ( Abbildung) erhöht die Durchblutung der Akren um das ~4-fache. Im Ruhezustand besteht also in den Akren ein erheblicher Sympathikustonus.
 
 
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 Haut der größten Teile 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.
 
Entleerung kleiner Gefäße durch mechanische Reizung: Streicht man mit einem festen Gegenstand über die Haut, erscheint hier für einige (bis zu 60) Sekunden ein heller Streifen (white reaction). Ursache ist die Kontraktion glatter Gefäßmuskelzellen, die zu einer Entleerung von Blut aus der betreffenden Mikrozirkulation (insbesondere Venolen) führt.

Triple response: Führt man die mechanische Reizung mit stärkerer Kraft durch, treten mehrere Phänomene auf: Innerhalb weniger Sekunden tritt ein geröteter Streifen auf, Ausdruck lokaler Vasodilatation (red reaction), die für Minuten andauern kann und wahrscheinlich durch (von irritierten Zellen freigesetztes) Histamin bedingt ist. Die Rötung kann über die unmittelbar mechanisch gereizte Zone hinausgehen (flare reaction), bedingt durch einen Axonreflex. Ist die Reizintensität noch stärker, kann auch vermehrte Filtration in das Gewebe auftreten (was u.a. durch Histamin bedingt ist), was innerhalb einiger Minuten zur Ausbildung einer lokalen Schwellung - einer Quaddel (wheal) - führt. Diese ist dann meist von einem geröteten Hof umgeben.


Hautfarbe und Pigmentierung
 
- 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.

    Als Melanin   bezeichnet man eine Gruppe von oligo- bis polymer angeordneten Biomolekülen, die von Melanozyten gebildet werden (Melanogegese) und Haut, Schleimhäute, Gehirnhäute, Sinnesorgane (Iris) u.a. pigmentieren.

 
Abbildung: Strukturvariante von Eumelanin
Wikipedia
Melanine werden in Melanosomen (speziellen Zellorganellen) aus der Amionosäure Tyrosin aufgebaut und kommen in unterschiedlicher oligo- bis polymerer Form vor, eine davon ist Eumelanin, das seinerseits verschiedene molekulare Anordnungen haben kann. Eine davon ist hier dargestellt.
 
Eumelanin findet sich in der Haut und in Haaren. Diese erscheinen bei hoher Konzentration dunkel gefärbt; bei geringer Eumelaninkonzentration in Anwesenheit anderer Pigmente grau; ist nur Eumelanin in geringer Konzentration vorhanden, erscheinen sie blond
Der häufigste Typus heißt Eumelanin (Abbildung), gefolgt von Phäo-, Neuro- und anderen Melaninen. Chemischer Ausgangspunkt ist die Oxidation der Aminosäure Tyrosin. Die Pigmentierung der Haut verleiht Schutz vor Strahlung (UV), darüber hinaus gehende biologische Bedeutungen diverser Pigmentierungen sind nur zum Teil bekannt.
 
 
Abbildung: Melaninproduktion
Nach einer Vorlage bei Thibodeau / Patton, Anatomy & Physiology (6th ed), Mosby Elsevier 2007
Melanozyten sind Zellen, die von Melanoblasten abstammen; diese wandern aus der Neuralleiste in die Haut (stratum basale) und andere Gewebe (Haare, Regenbogenhaut des Auges u.a.) aus. In der Haut beginnt die Bildung von Melanosomen (diese enthalten Melanin) während der Schwangerschaft.
 
Melanozyten reichen Melanosomen an Hautzellen (Keratinozyten) weiter. Dort sammeln sich diese in Form einer kappenförmigen Struktur so an, dass der Zellkern (und damit die DNA) gegen UV-Strahlung maximal geschützt ist

Melanozyten (~1000 / mm2 Haut) sind Pigmentzellen, die Melanin an Epithelzellen in der Epidermis abgeben. Sie exprimieren Tyrosinase - das Enzym, das aus der Aminosäure Tyrosin DOPA (Dihydroxyphenylalanin) bilden kann. DOPA wird dann in die Oligo- bzw. Polymerform Melanin umgewandelt.

Melanozyten entstehen aus Melanoblasten, die im 2. Schwangerschaftsmonat aus der embryonalen Neuralleiste zuerst in die Dermis und dann in die Epidermis auswandern. Etwa in der Mitte der Schwangerschaft beginnen diese Zellen, Melanin zu produzieren; bei stark pigmentierten Menschen früher als bei hellhäutigen. Die Reifung zu Melanozyten äußert sich in der Bildung von Melanosomen ( Abbildung) aus Prämelanosomen.

Pigmentierung: Der Hauttyp ist durch die Ausprägung der Melaninbeladung bestimmt; diese ist genetisch und umweltbedingt (UV-Bestrahlung). Helle Hauttypen mit eher rötlicher Hautfarbe bilden mehr Phäomelanin (das weniger UV-Schutz verleiht) als dunkle Hauttypen, die mehr Eumelanin bilden und bei denen die Melaninbildung früher beginnt als bei Hellhäutigen. Das dunkelbraun bis schwarz gefärbte Eumelanin bietet einen intensiveren UV-Schutz.

Menschen verschiedener Hauttypen unterscheiden sich nicht wesentlich in der Ausstattung an Melanozyten (etwa gleiche Zahl), aber dunkelhäutige Menschen enthalten mehr Pigmentgranula je Zelle als hellhäutige.

Menschen mit Albinismus, die auf  Grund eines Gendefekts kein Melanin produzieren können, weisen eine normale Anzahl von Melanozyten in ihrer Haut auf.
 

 
       UV-A (langwellig: Untergrenze 315-320 nm, Obergrenze 380-400 nm) bewirkt Konformationsänderung des Melanins und damit direkte Pigmentierung. Belichtung mit UV-A führt zu geringgradiger Hautrötung (Erythem), die nur kurz andauert und keinen wesentlichen Lichtschutz verleiht. Zu den schädigenden Effekten von UV-A gehören Sauerstoffradikalbildung, Kollagenalterung und Melanomrisiko

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

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

Sind UV-bedingte Schäden am Erbgut aufgetreten, kann die betroffene DNA durch Reparaturmechanismen (Enzyme) wieder instandgesetzt werden.
 
  
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. DNA sowie Schädigungen 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 Transkriptionsfaktoren (Tr-fakt) aktiviert. Letztere regen enzymatisch die Bildung von Melanin (Eumelanin) an. Dieses wird an die Keratinozyten weitergereicht und so die Haut besser vor UV-Schäden geschützt.
 
UV-induzierte Pigmentierung kann auch durch andere Mechanismen gefördert werden

Melanozyten werden von den POMC-Abkömmlingen α-MSH und γ-MSH zur Dispersion ihrer Melanin-Granula angeregt (Abbildung).

  Über Melanocortine und Melanocortinrezeptoren (MCR) s. dort

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. UV-Licht aktiviert Tyrosinase in tyrosinhältigen, als Prämelanosomen bezeichneten Vesikeln. Dieses Enzym katalysiert - wenn angeregt - die Umwandlung der Aminosäure Tyrosin (über DOPA) zu Melanin. Das Prämelanosom verliert seine Struktur, wird zu einem "reifen" Melanosom und über sich abschnürende Zytoplasmafortsätze an Nachbarzellen abgegeben.
 
Die Melaninsynthese wird außer durch UV-Licht auch durch MSH angeregt ( s. auch dort).

Der melaninbedingte UV-Schutz kommt in der Tatsache zum Ausdruck, dass starke Pigmentierung mit geringem Melanomrisiko einhergeht.
 
Die Farbe der Haut hängt von mehreren Faktoren ab, die "Bräunung" durch Melanin ist nur eine davon. Eine wesentliche Rolle spielt auch die Durchblutung:

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.
 
Immunologie der Haut
 
Die Haut bildet eine physikalische Barriere gegen mikrobielle Invasionen des Körpers. Keratin der Hautoberfläche und das Sekret von Hautdrüsen machen es Mikroben schwer, diese Barriere zu überwinden. Auch produzieren Epithelzellen antimikrobielle Peptide (Defensine, Cathelicidine), welche die Membran von Bakterien und einigen Virenarten angreifen und diese dadurch eliminieren können. Dazu kommen intraepitheliale T-Lymphozyten, z.T. vom "traditionellen" αβ-, z.T. vom γδ-Typ.

Nichts desto weniger befinden sich nicht nur auf der Hautoberfläche, sondern auch in der Tiefe der Haut Mikroorganismen: Viren in Haarfollikeln, Talg- und Schweißdrüsen, Pilze in Haaren und Talgdrüsen ( Abbildung):

 
Abbildung: Mikroorganismen in der Haut
Nach Grice EA & Segre JA, The skin microbiome. Nature Rev Microbiol. 2011; 9: 244-53
Die Haut ist ein Ökosystem mit hunderten von Arten an Mikroorganismen - Bakterien, Viren, Pilzen und Kleintieren. Gleichzeitig stellt sie eine Barriere dar - physikalisch, chemisch, biologisch -, sodass Mikroorganismen möglichst nicht in das Körperinnere gelangen.
 
Auf der Hautoberfläche finden sich Stäbchen und Kokken, z.B. Proteobakterien und Staphylokokken. Diese sind untereinander und mit anderen Mikroorganismen der Haut biologisch komplex verknüpft. Pilze wachsen sowohl als Hyphen als auch als Zellen in der Haut. Viren liegen frei oder in Bakterien vor. Verschiedene Milbenarten leben in oder nahe bei Haarfollikeln

Die in der Haut lebenden Mikroorganismen und der Wirtsorganismus haben sich über lange Zeiträume der Evolution hinweg gemeinsam und kofunktional entwickelt und aufeinander eingestellt. Dabei spielen u.a. lokale Faktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit, Talggehalt der Haut jeweils eine Rolle, und verschiedene Hautstellen weisen unterschiedliche typische mikrobielle Besiedlungsmuster auf.

Die Ökologie der Haut hängt von vielen Faktoren ab: Lage auf der Körperoberfläche (talgige, feuchte oder trockene Haut - s. dort), Alter, Geschlecht, Genotyp, Zustand des Immunsystems, Ernährung u.a. (endogene Faktoren) sowie exogene Faktoren, z.B. klimatische Bedingungen. Die Mehrzahl der auf der bzw. in der Haut lebenden Mikroorganismen ist harmlos und kann dem Wirtsorganismus Vorteile bieten, z.B. durch Streitigmachen des kutanen Ökosystems gegenüber Pathogenen (Verdrängungseffekt).

Die Zellen des stratum corneum (Abbildungen) 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). Zytokine werden bei entsprechender Anregung auch von Lymphozyten und Makrophagen freigesetzt, sie regulieren die Immunantwort (einschließlich allfälliger Entzündung).

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: Interaktion zwischen angeborenem und adaptivem Immunsystem in der Haut
Nach Clark R, Kupper Th. Old Meets New: The Interaction Between Innate and Adaptive Immunity. J Investig Dermatol 2005; 125: 629-37
Dringen Bakterien durch die epitheliale Barriere (Verletzung), produzieren Keratinozyten Zytokine, Chemokine und antimikrobielle Peptide. Das führt zu Abwehrmechanismen, wie das Einwandern von Leukozyten aus dem Blut; Phagozyten töten Mikroorganismen (angeborene Immunität) und aktivieren dendritische Zellen. Diese wandern über die Lymphbahnen in regionale Lymphknoten.
 
Dort präsentieren sie bakterielle Antigene an T-Lymphozyten, CD8-positive "Killer"-Lymphozyten wandern aus dem Lymphknoten aus, betreten den Blutkreislauf und kommen über diesen Weg zum infizierten Gewebe zurück. CD4-positive "Helfer"-Zellen regen ihrerseits B-Lymphozyten zur Antikörperproduktion an. Diese neutralisieren Pathogene über Erkennung spezifischer bakterieller Moleküle (adaptive Immunität), steuern antikörpergesteuerte Phagozytose und verstärken die Antigenpräsentation
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.
 
      Von Keratinozyten und Drüsen produzierte Peptide (AMPs: antimicrobial peptides), u.a. Lysozyme (die auch in Tränenflüssigkeit, Nasensekret und Speichel vorkommen), Beta-Defensin, S100 (ein niedrigmolekulares Enzym, das von zahlreichen Zellen - auch Keratinozyten - produziert wird), Granine (saure Proteine, z.B. das gegen Bakterien, Hefen und Pilze wirksame Catestatin), Cathelicidine. Schweißdrüsen (ekkrin) sezernieren auch ein 110-AS-Protein (Dermcidin), aus dem auf der Haut bakterizide ("natürliches Breitbandantibiotikum") und antifungale Peptide abgespaltet werden (wie der proteolysis-inducing factor PIF), die bei niedrigem pH-Wert ("Säureschutzmantel" der Haut) stabil sind und einen Teil der angeborenen Immunabwehr darstellen.

       Lipide in Zellen und Sekreten.

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).
 
 
  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 Epidermis ist 0,05-1,5 mm dick. Ihre äußerste Schicht - das stratum corneum - besteht aus abgestorbenen Zellen, die laufend abgeschilfert werden (und damit auch Mikroorganismen entfernen). Diese Schicht ist trocken, wasserdicht, bakterienabweisend. Ständige Mitoseaktivität im stratum basale sorgt für Nachschub mit frischen Zellen.
 
Die Struktur der Haut reflektiert die Komplexität ihrer Funktion als Schutzbarriere, Temperaturregulator, sensorisches Organ und Abwehrsystem.
 
Zu den Spezialisten in der Epidermis gehören Melanozyten (bilden Melanin) und Langerhans-Zellen (hautspezifische Makrophagen); im stratum spinosum und basale finden sich seltene T-Zellen (vor allem CD8+ zytotoxische). Zu den spezialisierten Immunzellen der Haut zählen weiters dendritische Zellen, T-Zell-Untergruppen (Th1, Th2 und Th17-Zellen), γδ-T- sowie NK-Zellen. Dazu kommen Makrophagen, Mastzellen und Fibroblasten

Zahlreiche dendritische Zellen (Langerhans-Zellen) - im Gewebe der Haut sitzende Makrophagen - 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 das 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 werden Langerhans-Zellen durch die Aufnahme von Antigenen (hier angedeutet: auf Bakterien) aktiviert und mobil (Retraktion der Zellfortsätze) und wandern über die Lymphbahn in Lymphknoten ein, wo sie die Antigene an T-Lymphozyten 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 angeborene 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, 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 verwendet man Pilokarpin, das muskarinisch wirkt (es regt auch den Speichelfluss an und senkt den Augeninnendruck).
 

 
      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
 

 




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