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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