Kreislauf - Institut für Physiologie
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Kreislauf - Institut für Physiologie
Charité Universitätsmedizin Berlin Physiologie für Bioinformatik Aufbau und Funktion des Kreislaufsystems Helmut Habazettl Institut für Physiologie Widerstand ΔP R= Q l r MAP − ZVD TPR = HMV MAP = HMV x TPR 8η ⋅ l R= 4 r ⋅π r ⋅π Q = ΔP 8η ⋅ l 4 Kreislauf: Einteilung Lungenkreislauf Kleiner Kreislauf Körperkreislauf Systemkreislauf Großer Kreislauf Kreislauf: Einteilung Venöses Blut Arterialisiertes Blut O2-arm O2-reich CO2-reich CO2-arm Kreislauf: Einteilung Austauschsystem, 98% der Oberfläche ( ca. 300 m2) Niederdrucksystem Kapazitätssystem ca. 85% des BV ca. 99.5% der Compliance (200 ml / mmHg) Hochdrucksystem Widerstandssystem ca. 70% des Widerstands ca. 0.5% der Compliance (1 ml / mmHg) Ausgleich von Volumen‐ schwankungen Pfortader Verteilung der Durchblutung Kontrolle des Blutdrucks Füllung und Compliance ΔV C= ΔP Statischer Blutdruck (bei Herzstillstand) Kreislauf‐ abschnitte Regelung und Steuerung SOLLWERT REGELZENTRUM Afferenz Efferenz MESSFÜHLER STELLGLIED GEREGELTE GRÖSSE STÖRGRÖSSE Regelung und Steuerung SOLLWERT REGELZENTRUM Afferenz Efferenz MESSFÜHLER STELLGLIED GEREGELTE GRÖSSE STÖRGRÖSSE Barorezeptorenreflex Messfühler und Afferenzen Arterielle Barorezeptoren = Pressorezeptoren Vagus, Glossopharyngeus (Blau) Grün: periphere arterielle Chemorezeptoren Gelb: Vagus (Efferenzen) Deetjen/Speckmann © Urban & Fischer 1999 Barorezeptorenreflex Messfühler + Afferenzen „Regelzentrum“ Efferenzen Afferenzen Medulla Oblongata („Kreislaufzentrum“) NTS: Nucleus tractus solitarii NA: Nucleus ambiguus; X: Nucleus dorsalis nervi vagi; Efferenzen: Vagus +/– Sympathikus +/– über IL, Nucleus intermediolateralis Kapazitätsgefäße Schmidt/Lang/Thews © Springer 2005, modifiziert Barorezeptorenreflex Messfühler Proportional-Differenzial-Verhalten (P-D-Rezeptoren) Spezifische Vagusefferenzen umgekehrt Deetjen/Speckmann © Urban & Fischer 1999 Barorezeptorenreflex Messfühler (Barorezeptoren) Afferenzen (N. X, N. IX) „Regelzentrum“ (Kerne der Medulla oblong.) „Sollwert“ (von limb. System, Hypothalamus u.v.a.m) Efferenzen (hier nur Sympathikus dargestellt!) Arterieller Blutdruck Stellglieder: Herz Widerstandsgefäße Kapazitätsgefäße Deetjen/Speckmann © Urban & Fischer 1999 Stellglieder I: Herz - Vegetative Ansteuerung Sympathikus Sinusknoten AV-Knoten Erregungsabnahme Myokard-Kontraktilität Atrien) Koronarien Parasympathik. Frequenzzunahme (β1) Erregungszunahme (β1) Frequenzabnahme Zunahme (β1) Abnahme (nur Dilatation (β2) Stellglieder I: Herz - Vegetative Ansteuerung Chronotropie und Dromotropie Sinusknoten AV-Knoten Klinke/Silbernagl © Thieme 1996 Stellglieder I: Herz - Vegetative Ansteuerung Inotropie Myokardiale Inotropie (Kontraktilität) Ach Æ weniger Trigger-Kalzium (nur Atrien) NA/A Æ mehr Trigger-Kalzium (Ventrikel + Atrien) Klinke/Silbernagl © Thieme 1996 Stellglieder II: Gefäße - Vegetative Ansteuerung A) Beispiel: Arteriole mit glatten Gefäßmuskelzellen, sympat. Fasern mit Varikositäten (auch an Venen B) Sympathikusaktivierung: NA Æ α1–Rezeptoren Æ Konstriktion C) Konstriktion/Dilatation in Abhängigkeit von AP-Frequenz ß–Rezeptoren (z.B. Koronarien) NA Æ Dilatation Klinke/Silbernagl © Thieme 1996 Barorezeptorenreflex Komplett Messfühler (Barorezeptoren) Afferenzen (N. X, N. IX) „Regelzentrum“ (Kerne der Medulla oblong.) „Sollwert“ (von limb. System, Hypothalamus u.v.a.m) Efferenzen (hier nur Sympathikus dargestellt!) Arterieller Blutdruck Stellglieder: Stellgröße: Herz Frequenz + Schlagvolumen Widerstandsgefäße TPR Kapazitätsgefäße venöser Rückstrom Geregelte Größe: arterieller Blutdruck Deetjen/Speckmann © Urban & Fischer 1999 Barorezeptorenreflex Schmidt/Lang/Thews © Springer 2005, modifiziert Barorezeptorenreflex „Blutdruck-Zügler“ „Buffer-Nerves“ Klinke/Silbernagl © Thieme 1996 Druckregulation auch über Renin-Angiotensin-System Messfühler: Intrarenaler Barorezeptorähnlicher Mechanismus = Druckabhängige Reninfreisetzung („Afferenz“ + „Efferenz“) Angiotensin II Druckabh. Reninfreisetzung Stellglieder: Widerstandsgefäßweite, Kapazitätsgefäßweite Renin Angiotensin II Arterieller Blutdruck Geregelte Größe: arterieller Blutdruck Deetjen/Speckmann © Urban & Fischer 1999, modifiziert Kreislaufanpassung: Orthostase Passiv: Blut „versackt“ in Beinvenen zentrales Blutvolumen nimmt ab ZVD nimmt ab FSS-M: SV nimmt ab arterieller Druck nimmt ab Aktiv: Barorezeptoren-Reflex Sinusknoten: Hf steigt1 Widerstandsgefäße: TPR steigt1+2 Kapazitätsgefäße: Kapazität nimmt ab1+2 Myokard: SV nimmt zu, nicht kompen- sierend1 1. Sympathikus 2. Renin-Angiotensin Konsequenz rechts: Hf , Diastolischer + Systolischer Druck Schmidt/Lang/Thews © Springer 2005 Konsequenz links: Mitteldruck, HZV, Kreislaufanpassung: Beispiel dynamische körperliche Belastung Sauerstoffverbrauch = Maß für Beanspruchung Haut: Thermoregulation! Klinke/Silbernagl © Thieme 1996 Kreislaufanpassung: Beispiel dynamische körperliche Belastung nicht erschöpfende, dynamische Muskelarbeit mit großer beteiligter Muskelmasse (1 zentrale „Mitinnervation“) 2 Widerstandsgefäße: lokale Vasodilatation 3 Widerstandsgefäße: kollaterale Vasokonstriktion 2+3 Æ Totaler peripherer Widerstand 4 Herzfrequenz 5 Schlagvolumen 6 Kapazitätsgefässe 4+5+6 Æ Herzzeitvolumen HZV+TPR Æ mittlerer arterieller Blutdruck Schmidt/Lang/Thews © Springer 2005 Kreislaufanpassung: Beispiel dynamische körperliche Belastung Ausdauertraining: Herzfrequenz versus Schlagvolumen Rolle der beteiligten Muskelmasse bei dynamischer Arbeit TPR Æ diastolischer arterieller Druck Klinke/Silbernagl © Thieme 1996 Druckabhängige Reninfreisetzung NORMAL 100 60 mmHg Aktivität Sympath. Nierennerven normal + Na-Bestand normal 80 [nmol Ang I/ml/h] Plasma-Renin-Aktivität 90 70 60 70 mmHg 50 40 30 20 80 mmHg 90 mmHg 100 mmHg 10 0 E. Seeliger 2004 60 70 80 90 100 110 120 [mmHg] Blutdruck in der Nierenarterie Sympathikusabhängige Reninfreisetzung [nmol Ang I/ml/h] Plasma-Renin-Aktivität ASNN = Aktivität Sympathische Nierennerven 100 90 60 mmHg 80 ASNN erhöht Na-Bestand normal 70 60 50 70 mmHg ASNN normal 40 80 mmHg 30 ASNN vermind. 90 mmHg 20 100 mmHg 10 0 E. Seeliger 2004 60 70 80 90 100 110 120 [mmHg] Blutdruck in der Nierenarterie Zentrale Kreislaufsteuerung • Barorezeptorreflex • Druckdiurese • Renin-Angiotensin-Aldosteronsystem (RAAS) • Antidiuretisches Hormon (ADH) • Natriuretische Peptide (ANP, BNP, CNP) Steuerung: Kreislaufanpassung an diverse „Herausforderungen“ „Sollwert“ – Verstellung? Hier: hemmende und aktivierende Zuströme zu sympathoexcitatorischen Neuronen der Medulla oblongata Zentrum Herz-Kreislauf, Atmung Rhythmen! INPUT Visceral: z.B. Chemorezeptoren Somatisch: z.B. Schmerz Limbisches System: Psychoemotional Hypothalamus: Homeostase, z.B. Thermoregulation Zentrale Motorik: „Mitinnervation“, „Startreaktion“ Klinke/Silbernagl © Thieme 1996 Kreislauf‐ abschnitte R= ΔP Q C Δ P = R VQ Puls Puls Pulswellenreflektion Dehnbarkeit der großen Gefäße hoch: Pulswellengeschwindigkeit (PWG) niedrig Puls Pulswellen‐ Geschwindigkeit Blutdruck Alter Pulswellengeschwindigkeit Dehnbarkeit der großen Gefäße niedrig: Pulswellengeschwindigkeit (PWG) hoch Augmentations Index (AI) Pulsdruck REASON Studie PWV: Pulse Wave Velocity AI: Augmentation Index AI: 1st quartile 1 PWV < 9.4 m/s 0.75 AI: 2nd quartile 9.4 < PWV < 12.0 m/s 0.50 AI: 3rd quartile 0.25 AI: 4th quartile PWV > 12.0 m/s 0 0 35 70 105 140 Duration of follow-up (months) Blacher J et al. Circulation. 1999;99:2434-2439. 0 35 70 105 140 Duration of follow-up (months) London GM et al. Hypertens. 2001;38:434-438. Blutdruckmessung nach Riva/Rocci und Korottkof Kreislauf‐ abschnitte R= ΔP Q C Δ P = R VQ Arteriole im Skelettmuskel Hagen – Poiseuille: R= 8ηl r4π Verteilung des koronaren Widerstands Druckprofil in Koronargefäßen Kontrolle Dipyridamol Arterien Arteriolen Venolen Venen K a p i l l a r e n Durchmesser Chilian et al., Am. J. Physiol 1989 Widerstandsgefäße: Regulation der lokalen Durchblutung VARIABILITÄT: organspezifisch Unterschiede Ruhe (z.B. Niere vs. Muske Überwiegend Konstriktion (Niere) Überwiegend Dilatation (Hirn, Myokard) Konstr./Dilat. ähnlich möglich Muskel x 20! Steuerung des Widerstandes an Arterien, Arteriolen und präkap. Sphinkte myogene Regulation Entzündungs- und Anaphylaxie-Mediatoren (R ~ 1/r4) Zentrale Angebotssteuerung: Sympathische Nerven via Noradrenalin A) Arteriole mit glatten Gefäßmuskelzellen, sympathischen Fasern mit Varikositäten (auch an Venen!) B) Sympathikusaktivierung: NA Æ α1–Rezeptoren Æ Konstriktion C) Konstriktion/Dilatation in Abhängigkeit von AP-Frequenz α−Blocker, Leitungsanästhesie / RM-nahe Leitungsanästhesie Æ Widerstandsabnahme ß–Rezeptoren (z.B. Koronarien) NA Æ Dilatation Zentrale Angebotssteuerung: Nebennierenmark via Adrenalin NNM: Adrenalin Æ Blut Æ ß–Rezeptoren Æ Dilatation Æ α1–Rezeptoren Æ Konstriktion Ob Konstriktion oder Dilatation hängt in erster Linie ab vom lokalen Rezeptorenbesatz! NNM: generalisierte Reaktion („Notfall“-Reaktion) Rezeptorensensivität β: A>NA, α: NA>A NA>>A NNM: A>>NA; Sympath. Nervenendigung: Lokale Steuerung durch Nachfrage: metabolischer Cocktail Lokale Steuerung durch Nachfrage: metabolischer Cocktail Funktionelle Hyperämie Bedarfsdeckung: Die aktuelle Höhe des lokalen metabolischen Umsatzes der zu versorgenden Parenchymzellen bestimmt über die aktuelle Höhe der lokalen Durchblutung („Jeder holt sich, was er braucht!“) Ausnahme: Niere Lokale Steuerung: Schubspannung via NO τ Viskosität x Strömungsgeschw. ∼ −−−−−−−−−−−−−−−−−− Radius Klassisch: NO-Bildung im Endothel: L-Arginin, NO-Synthetase, Stimuli: Schubspannung, Wirkstoffe wie Acetylcholin, Serotonin, Histamin, Kinine Test: flow-mediated dilation Alternativ: Nitrit-Reduktase Hb Stimulus: Hypoxie NO - Pharmakologie Lokale Steuerung: myogene Reaktion fängt Druckschwankungen ab Blutgefäße sind zirkulär dehnbar. Für ein gegebenes Gefäß hängt die passive Aufdehnung von der transmuralen Druckdifferenz (= Blutdruck – Außendruck) ab. Die mitgedehnten zirkulären Gefäßmuskelzellen können darauf mit aktiver Kontraktion reagieren. Sir William Maddock Bayliss 1860 – 1924, britischer Physiologe Lokale Steuerung: myogene Reaktion fängt Druckschwankungen ab ↑ Blutdruck Æ Dehnung Æ Vasokonstriktion Æ Durchblutung normalisiert ↓ Blutdruck Æ Entdehnung Æ Vasodilatation Æ Durchblutung normalisiert Autoregulation: Änderungen des arteriellen Blutdrucks innerhalb des physiologischen Druckbereichs führen zu verhältnismäßig geringen Änderungen der Durchblutung. Stromzeitvolumen = Durchblutung (ml/min) In der Niere sind neben der Myogenen Reaktion (= Bayliss-Effekt) noch zwei weitere Mechanismen am Autoregulations-verhalten beteiligt. Arterieller Mitteldruck (mmHg) Acetylsalizylsäure und Glukokortikoide Glukokortikoide ASS Lüllmann, Mohr, Hein, 2010 Kreislauf‐ abschnitte Mikrozirkulation Kreislauf Mikrozirkulation Arteriolen (150 – 10 µm) Kapillaren (10 – 4 µm) Venolen (10 – 150 µm) W. Harvey, 1628 De motu cordis et sanguinis in animalibus M. Malpighi, 1661 De pulmonibus observationes anatomicae Microvascular networks (mouse m. cremaster) Microvascular networks: (mouse m. cremaster) Kapillaren im Skelettmuskel Kapillar‐ Typen Haut, Lunge Fettgewebe, .. Dünndarmmucosa Milz, Knochenmark ZNS Kapillartypen „Kreisläufe“ Neuere Daten: Filtration: ca. 8l/d Reabsorption: ca. 0l/d Mikrozirkulation: Diffusion 1: Transzellulär lipophile Substanzen ca. 300m2 2: Parazellulär kleine hydrophile Substanzen ca. 0.03m2 effektive Porenradius ca. 5 nm 3: Parazellulär große hydrophile Substanzen Mikrozirkulation: Diffusion EKG: Brustwandableitungen Mikrozirkulation: Flüssigkeitsaustausch Pumpleistung Rückstrom Pump‐ leistung Rückstrom Druckverteilung im Gefäßsystem im Normalzustand sowie bei maximaler Dilatation bzw. Konstriktion Abb.8.17 Viskosität ‐ Schubspannung ‐ Hämatokrit Viskosität ‐ Kapillardurchmesser ‐ Hämatokrit Rheologie Dia 3 µm Hkt 0.15 Dia 7 µm Hkt 0.45 Dia 17 µm Hkt 0.75 6 relative Viscosität 6 Hkt: 60 5 4 5 D: 1000 µm 100 50 4 20 3 10 45 3 30 2 15 2 7 1 1 10 100 Durchmesser, µm 1000 0 20 40 60 Hämatokrit 80 Kreislauf‐ abschnitte 100µm Zusammenfassung Große Arterien: Windkessel Blutleitung Kleine Arterien, Arteriolen: Widerstandsgefäße Regulation von Blutdruck und Durchblutung Kapillaren: Austauschgefäße große Oberfläche dünne Wand langsamer Blutstrom Venolen Venen Kapazitätsgefäße hohe Compliance Transmigration von Leukozyten Venolen Entzündung: Adhäsion und Emigration von Leukozyten