Anatomie und Physiologie des arteriellen Systems (mit Kapillaren)

Die Gefäßentwicklung beginnt beim menschlichen Embryo etwa am 18 Tag p.c. Zu diesem Zeitpunkt differenzieren sich Angioblasten (endothelial precursor cells, EPCs) zu flachen Endothelzellen und bilden bläschenartige Strukturen, die sich zu schlauchartigen Strukturen verbinden und schließlich Gefäße bilden. Dieser Prozess, der als Vaskulogenese bezeichnet wird, führt zur Ausbildung eines ersten intraembryonalen Gefäßsystems. Als Ursprung gilt das Splanchnicus-Mesoderm (Schoenwolf et al. 2015). Die Vaskulogenese wird stimuliert durch Faktoren des Endoderms und der Extrazellularmatrix. Der primär durch Vaskulogenese gebildete Gefäßplexus wird durch Angiogenese erweitert (Abb. 1). Hierbei kommt es zur Gefäßsprossung und Intussuszeption, einer Gefäßteilung, sowie einer Fusion bestehender Gefäße. Parallel zur Angiogenese findet weiterhin Vaskulogenese statt. EPCs wandern in noch nicht vaskularisierte Regionen aus, wo sie proliferieren und zu einer Gefäßneubildung führen (z. B. die dorsalen Aorten).

Während der dritten Embryonalwoche bilden sich die ersten Aortenbogenarterien beidseits des Vorderdarms aus. Sie verlaufen vom Aortensack zu den kranial beidseits angelegten dorsalen Aorten (Abb. 2). Mit dem Beginn der Herzaktion (etwa 25 Tage p.c.) beginnt die Blutzirkulation durch diese Gefäße. Während der Verlagerung des Herzschlauchs von kranial nach thorakal vorne bilden die Aortenbogenarterien einen bogenförmigen Verlauf aus. Weitere Paare von Aortenbogenarterien bilden sich in der 4.–5. Embryonalwoche in kranio-kaudaler Folge. Sie alle verbinden den Aortensack am distalen Ende des Ausflusstraktes des Herzens mit den in dieser Höhe bilateral angelegten dorsalen Aorten (Abb. 3). Dieses primäre Gefäßsystem unterliegt nachfolgend einem tiefgreifenden Umbau, in dessen Verlauf sich die späteren asymmetrischen Strukturen der großen Arterien des oberen Thoraxraums ergeben.

Nachdem das erste Paar der Aortenbogenarterien zwischen dem 22. und 24. Tag gebildet wurde, entstehen durch fortschreitende Vaskulogenese und Angiogenese zunächst die paarigen 2. bis 4. Aortenbogenarterien zwischen Aortensack und den beiden dorsalen Aorten (Abb. 3) und als letzte, etwa am 29. Tag, zwei als 6. Aortenbogenarterien bezeichneten Gefäße. Etwa gleichzeitig mit dem Auftreten der 6. Aortenbogenarterien werden die beiden kranialen Paare der Aortenbogenarterien wieder zurückgebildet und lediglich kleine Reste bleiben als Teil der späteren Maxillararterien und Stapediusarterien beidseits erhalten (Schoenwolf et al. 2015). Damit liegen am 29. Tag typischerweise drei paarige Aortenbogenarterien vor (die 3., 4. und 6.). Nun setzt eine seitenungleiche Weiterentwicklung bzw. Regression ein, die letztlich in der Ausbildung des von rechts vorne nach links hinten verlaufenden Aortenbogens führt, der als unpaariges Gefäß Anschluss an die kaudal des vierten Thorakalsegments, aus den paarigen dorsalen Aorten fusionierte, singuläre Aorta hat.

In der weiteren Entwicklung obliterieren zunächst die Verbindungsstellen zwischen der 3. und 4. Aortenbogenarterie beidseitig (Abb. 3). Danach (etwa am 35. Tag) bilden sich beidseitig kraniale Extensionen der 3. Aortenbogenarterien und der damit verbundenen Abschnitte der dorsalen Aorten aus, woraus die Aa. carotides communes und die proximalen Abschnitte der Aa. carotides internae entstehen. Das distal folgende Segment der Aa. carotides internae entsteht hierbei aus Resten der dorsalen Aorten kranialwärts der Obliterationsstellen. Die distalen Verlängerungen der Aa. carotides internae und die Ausbildung der Aa. carotides externae erfolgen durch Gefäßsprossung.

Mit der 7. Woche setzt eine weitgehende Regression der rechten dorsalen Aorta ein (Abb. 3b, c). Überreste des rechten dorsalen Aortenbogens verbinden ein Segment der rechten 4. Aortenbogenarterie mit der rechten 7. Intersegmentalarterie, woraus das Anfangssegment der rechten A. subclavia entsteht. Aus dem Aortensack entsteht ein Abschnitt der Aorta ascendens mit Übergang in den Aortenbogen und die Abzweigung des Truncus brachiocephalicus dexter. Letzterer stellt den Übergang in die rechte A. carotis communis und die rechte A. subclavia sicher, die aus der 3. und 4. Aortenbogenarterie rechts hervorgegangen waren. Die Fortsetzung des aus dem Aortensack gebildeten Anfangssegments des Aortenbogens bildet die vergrößerte linke 4. Aortenbogenarterie. Dieser aus der linken 4. Aortenbogenarterie stammende Teil des Aortenbogens beginnt distal vom Abgang der linken A. carotis communis und reicht etwa bis zum Abgang der linken A. subclavia, die als 7. Intersegmentalarterie links angelegt ist. Distal des Abgangs der A. subclavia geht die deszendierende Aorta aus der erhaltenen linken dorsalen Aorta hervor, die nach kaudal verläuft.

Das als 6. Aortenbogenarterie bezeichnete Gefäß bildet zunächst links eine Verbindung zwischen Truncus arteriosus und der Pars descendens des Aortenbogens (Abb. 3b). Nach Längsteilung des Truncus arteriosus behält die so auf der linken Seite entstandene A. pulmonalis die Verbindung zum deszendierenden Abschnitt des Aortenbogens in Form des Ductus arteriosus (Botalli) aufrecht (Abb. 3c).

Die großen unpaaren Abgänge der Bauchaorta entstehen als zunächst paarige Verbindungen zu den Dottersackgefäßen. Mit der Rückbildung des Dottersacks übernehmen diese dann unpaarigen Gefäße die Versorgung des oberen, mittleren und unteren Bauchraums sowie des Beckens. Zunächst in Höhe der Zervikal- und Thorakalsegmente gelegen wandern diese Gefäßabgänge aus der Aorta nach kaudal (Hinrichsen 1990; Schoenwolf et al. 2015). Der Truncus coeliacus und seine Äste übernehmen die Versorgung des unteren Ösophagus bis zur Pars descendens des Duodenums sowie von Leber, Gallenblase, Pankreas und Milz. Die A. mesenterica superior versorgt den Magen-Darmtrakt bis etwa zur linken Kolonflexur und die A. mesenterica inferior die weiter kaudalen Darmabschnitte bis zum oberen Rektum.

Paarige Gefäßabgänge aus der Aorta abdominalis versorgen die Nebennieren, die Gonaden und die Nieren. Die Entwicklung dieser Gefäße verläuft deutlich unterschiedlich (Schoenwolf et al. 2015). Die Arterien für die Versorgung der Nebennieren entspringen ursprünglich im Bereich der oberen Lumbalsegmente aus der Aorta. Zusätzliche, aber untergeordnete, arterielle Gefäße können sich aus den Nierenarterien oder den unteren Zwerchfellarterien entwickeln. Die Gonadenanlagen werden ursprünglich aus Gefäßabgängen etwa in Höhe des 10. Thorakalsegmentes versorgt. Während die Gonaden (besonders beim Mann) weit nach kaudal wandern, verlagern sich die arteriellen Gefäßursprünge nur bis etwa in die Höhe der 3. bis 4. Lumbalsegmente nach kaudal. Im Gegensatz hierzu sind die embryonalen Nachnierenanlagen, aus denen sich die adulte Niere entwickelt, zunächst in der Sakralregion lokalisiert und wandern während der Embryonalentwicklung nach kranial in die oberen Lumbalregionen (Hinrichsen 1990; Schoenwolf et al. 2015). Sie erhalten ihre Versorgung über eine Reihe zeitlich begrenzt ausgebildeter Gefäßverbindungen aus der Aorta. Diese Gefäße werden während des Aszensus der Nieren gebildet und wieder abgebaut. Eine nicht rückgebildete Nierenarterie kann daher kaudal der regulären A. renalis als akzessorische Nierenarterie bestehen bleiben. Auch von der Gefäßversorgung der Urniere, die embryologisch der endgültigen Niere vorausgeht, können Gefäße persistieren. Diese akzessorischen Arterien verlaufen zum oberen Pol der adulten Niere (Hinrichsen 1990).

Die Versorgung der Extremitäten mit Gefäßen erfolgt parallel zu ihrer Längenentwicklung durch Gefäßsprossung. Im Zeitverlauf kommt es durch Entwicklung paralleler Gefäße und nachfolgend partieller Regression zu einem physiologischen Gefäßremodelling. Besonders deutlich ist dies an den unteren Extremitäten, die zunächst hauptsächlich über Aa. ischiadicae versorgt werden (Schoenwolf et al. 2015). Deren Versorgungsgebiet geht aber mit der Entwicklung der A. femoralis zurück. Am adulten Kreislauf ist eine A. ischiadica typischerweise nicht mehr am dorsalen Oberschenkel nachweisbar. Es können in seltenen Fällen Anastomosen über Perforansarterien zur A. profunda femoris bestehen. Am Unterschenkel bleibt mit der A. peronea ein Rest der distalen Verzweigungen der ursprünglichen A. ischiadica erhalten (Schoenwolf et al. 2015). Die zunächst zentral angelegte A. interossea wird mit der Entwicklung der lateral gelegenen Aa. tibiales anterior et posterior und Aa. fibulares profunda et posterior superficialis zurückgebildet (Hinrichsen 1990).

An der oberen proximalen Extremität bleibt die Versorgung über eine zentral gelegene A. brachialis durchgehend erhalten. Am Unterarm besteht zunächst eine dominierende Versorgung der Arcus palmares über die A. mediana. Diese wird im weiteren Verlauf zurückgebildet, wenn die Versorgung sukzessive über die A. ulnaris und die A. radialis erfolgt. Die A. mediana und die embryonal bereits früh entwickelte A. interossea versorgen dann nur kleinere axial gelegene Gewebe am Unterarm (Hinrichsen 1990).

Allgemeiner Wandaufbau. Bei dem grundsätzlich einheitlichen Aufbau der Arterien werden folgenden Schichten unterschieden (Abb. 4).Zwischen den herznahen Abschnitten der Aorta und den weiter distal gelegenen Arteriensegmenten ändert sich die Zusammensetzung der Gefäßwand in charakteristischer Weise. Herznah dominiert in der Media Elastin, was den Gefäßabschnitten eine gelbliche Farbe verleiht. Das Elastin bildet hier gefensterte Membranen, deren Zahl altersabhängig bis auf etwa 70 zunimmt (Abb. 4). Zwischen den im Zeitverlauf auch dicker werdenden elastischen Membranen liegen glatte Muskelzellen und extrazelluläre Matrix. Arterien vom elastischen Typ weisen eine hohe Dehnbarkeit auf und nehmen damit eine wichtige Funktion als Windkesselgefäße ein. Das Ausmaß der Tonusbildung ist gering. Eine eigenständige Membrana elastica interna ist nicht regelmäßig vorhanden und eine Membrana elastica externa fehlt. Mit zunehmendem Abstand vom Herzen steigt der Anteil glatter Muskelzellen an der Media, wobei bis zu 40 Lagen glatter Muskelzellen bestehen (Junqueira und Carneiro 1996). Die übrige Media wird durch die Proteine der extrazellulären Matrix, vorzugsweise Elastin und Kollagene ausgefüllt (Abb. 4). Muskelstarke Arteriensegmente weisen eine geringe druckpassive Dehnbarkeit auf. Über den Kontraktionszustand der glatten Muskelzellen ist die Gefäßwandsteifigkeit kurzfristig regulierbar.

Versorgung der Gefäßwand. Die dickwandigen Arterien verfügen über eine eigene Gefäßversorgung der Adventitia und teilweise der Media (Vasa vasorum oder Vasa privata). Diese gewährleisten die Versorgung der Zellen der Gefäßwand mit Nährstoffen und Sauerstoff sowie den Abtransport von Reaktionsproduktion und Kohlenstoffdioxid. Die der Intima nahen Gewebeschichten werden über Diffusionsprozesse aus dem Gefäßlumen versorgt.

Gefäßnerven. Die Gefäßwände der Arterien sind reichhaltig adrenerg innerviert. Die Nerven treten von der Adventitia in die Gefäßwand ein. Primärer Transmitter in den adrenergen Nervenplexus ist Noradrenalin, in geringem Umfang Adrenalin. Parasympathische Nerven, deren Transmitter am Effektorgewebe Acetylcholin ist, sind nur an speziellen Kreislaufabschnitten wie den äußeren Genitalorganen funktionell relevant.

Die Beziehung zwischen dem Druckgradienten und der Blutströmung im großen Kreislauf ist nicht linear (Abb. 5). Dies spielt eine erhebliche Rolle bei der Durchblutungsregulation in der Mikrozirkulation im Rahmen der Autoregulation (Abschn. 3.3 Gefäßwiderstände und deren Regulation, Myogene Regulation). Der Anteil der Makrozirkulation am peripheren Widerstand ist gering. Folge hiervon ist, dass unter physiologischen Bedingungen der mittlere Blutdruck bis zu den Leitungsarterien nur wenig abnimmt (Abb. 5). In Gegenwart von Gefäßstenosen kann der Druckabfall an Leitungsgefäßen aber erheblich sein.

Volumenstrom und Strömungsgeschwindigkeit. In der angiologischen Diagnostik werden häufig Strömungsgeschwindigkeiten gemessen. Veränderungen der Strömungsgeschwindigkeit entsprechen denjenigen des Volumenstroms, wenn der Gefäßquerschnitt konstant ist.

Die Zusammenhänge zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Gefäßdurchmesser sind für klinische Belange bei der Beurteilung von Gefäßstenosen von großer Bedeutung (de Waard et al. 2018; Zierler 2020). Abb. 6 zeigt schematisch Gefäßquerschnittsflächen, die in unterschiedlichem Ausmaß (25, 50 und 75 %) durch eine Stenosierung verlegt sind. Infolge der Querschnittsreduktion muss die Blutflussgeschwindigkeit in dem stenosierten Gefäßsegment im Vergleich zu prä- und poststenotischen Gefäßsegmenten ansteigen (Kontinuitätsgesetz).

Bei zirkulären Stenosen verhalten sich die Querschnittsveränderungen proportional zum Quadrat des inneren Gefäßradius (A ~ r² · π). Damit ergeben sich relative Veränderungen der Gefäßradien als Quadratwurzel der Änderungen des Gefäßquerschnitts (Abb. 6). Unter Nutzung des Hagen-Poiseuille’schen Modells (online Dokument Mikrozirkulation, Abschn. 2) kann für diese Bedingungen der relative Blutdruckabfall über Gefäßsegmente mit reduziertem Querschnitt (Stenosen) hergeleitet werden. Hierbei gilt, dass bei konstantem Volumenfluss der Druckabfall mit der vierten Potenz der Radiusabnahme ansteigt (Δp ~ 1/r⁴). Wie in der Abb. 6 dargestellt, ergibt sich ein kleiner Druckabfall über Stenosen bei bis zu 50 %iger Querschnittreduktion. Bei 75 %igen Querschnittsreduktionen nimmt der Druckabfall allerdings um das 16-fache zu, verglichen mit einem gleich langen nicht stenosierten Gefäßsegment. Ein Druckabfall von 1 mm Hg würde also auf 16 mm Hg zunehmen. Der Überlegung liegen die Annahmen zugrunde, dass sich der Volumenstrom nicht verändert hat und der Blutfluss laminar erfolgt.

Auch unter physiologischen Bedingungen treten infolge hoher Strömungsgeschwindigkeit in der Aorta ascendens und im Aortenbogen intermittierend Turbulenzen auf, was über die erhöhte Reibung und dem daraus resultierenden Energieverlust zu einem (kleinen) zusätzlichen Druckabfall führt.

Volumendehnbarkeit. Die herznahe Aorta speichert vorübergehend etwa die Hälfte des Schlagvolumens. Dieses gespeicherte Blutvolumen fließt nach Schluss der Aortenklappe in Richtung der peripheren Arterien ab. Die Speicherfunktion (Windkessel) der Aorta unterstützt die Glättung des arteriellen Pulses, was die Effizienz der Pumparbeit steigert. Die Speicherfunktion wird durch den speziellen Gewebeaufbau der Aorta unterstützt (Abb. 4). Sie trägt zur Effizienzsteigerung der kardialen Pumparbeit bei.

Pulswellengeschwindigkeit. Die physiologische Pulswellengeschwindigkeit in der Aorta beträgt bei jungen Personen herznah etwa 5 m/s und steigt zu den peripheren Arterien auf etwa 10 m/s an (Brandes 2019). Von der Pulswellengeschwindigkeit ist die Strömungsgeschwindigkeit des Blutes zu unterscheiden, die erheblich langsamer ist. Bei einem Herzschlagvolumen von 70 ml, einer Herzfrequenz von 60/min und einem Innenradius der proximalen Aorta von 2,5 cm errechnet sich die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in der proximalen Aorta mit etwa 0,14 m/s.

An der altersabhängigen Zunahme der Pulswellengeschwindigkeit sind zwei Faktoren beteiligt: 1) der Volumenelastizitätskoeffizient (Δp/ΔV), der als Kehrwert der Compliance (ΔV/Δp) aufgefasst werden kann, und 2) das Volumen des Gefäßsegmentes. Beide Faktoren tragen zur Steigerung der Pulswellengeschwindigkeit infolge Alterung der Aorta (Remodelling) in ähnlichem Umfang bei (Abb. 7). Im Kindesalter liegt bei einer relativ steilen Kurve der Druck-Volumenbeziehung ein kleines Gesamtvolumen vor. Daher ist trotz relativ geringer Volumendehnbarkeit die Pulswellengeschwindigkeit niedrig und entspricht etwa derjenigen im frühen Erwachsenenalter.

Wandspannung. Der transmural wirkende Druck steht im Gleichgewicht mit der Spannung innerhalb der Gefäßwand. Man kann beide als Gegenkräfte im Gleichgewicht auffassen. Die Wandspannung (K) ist hierbei die innerhalb der Gefäßwand auftretende Kraft bezogen auf die Querschnittsfläche der Gefäßwand (Kraft/Fläche). Die Wandspannung steigt bei Zunahme des transmuralen Druckgradienten, bei Zunahme des Gefäßinnenradius und bei Abnahme der Gefäßwanddicke.

Strompuls. Das vom linken Ventrikel in der Auswurfphase geförderte Schlagvolumen erzeugt einen Strompuls. Die Auswurfgeschwindigkeit des Schlagvolumens ist in der frühen Auswurfphase am höchsten und erzeugt eine maximale Strömungsgeschwindigkeit in der Aorta ascendens von etwa 1,4 m/s. Die Auswurfgeschwindigkeit nimmt dann während der weiteren Auswurfphase kontinuierlich ab. Daraus resultiert ein Strompulssignal, das annähernd eine Dreieckform hat (Abb. 8). Die Fläche dieses Dreiecks entspricht dem Schlagvolumen. Am Ende der Auswurfphase resultiert ein kurzer negativer Strompuls. Er entspricht einem Strompuls gegen die Aortenklappe und der kapazitiven Füllung der Koronargefäße mit Beginn der Relaxationsphase des linken Ventrikels. Der Strompuls in der Aorta wird während dieser Zeit nach peripher weitergeleitet. Strompulse ändern sich im Verlauf der Makrozirkulation in charakteristischer Weise (Abb. 8b). In der abdominalen Aorta und in den Aa. iliacae tritt eine Phase mit invertiertem Blutfluss auf (Hecker 2019).

Druckpuls. Der lokale Druckpuls resultiert aus der Volumendehnung der Gefäßwand, die zum Anstieg der Wandspannung führt, sowie durch den Druck, der durch den gegen den peripheren Widerstand vorwärts geschobenen Blutfluss entsteht. Da das Blut nicht kompressibel ist, geht mit dem Druckpuls ein Querschnittspuls einher. Auch dieser breitet sich nach peripher aus. Der Zusammenhang zwischen Stromänderung (Strompuls) und Druckänderung (Druckpuls) wird durch den Wellenwiderstand beschrieben (Hecker 2019).

Grundsätzlich nimmt der arterielle Mitteldruck in Richtung Peripherie ab. Der systolische Blutdruck steigt in der Regel jedoch aufgrund der vorhin erwähnten Phänomene an, und der diastolische Blutdruck nimmt geringfügig ab. Diese Verhältnisse gehen einher mit einer Veränderung der Form des arteriellen Druckpulses. Während herznah ein Druckpuls mit kleiner Amplitude und Inzisur registriert wird, wird an peripheren Arterien des Beines ein Druckpuls mit großer Amplitude und mit einer deutlichen dikroten Welle registriert (Abb. 8a). Die Inzisur der Aortendruckkurve ist nur herznah nachweisbar. Eine dikrote Welle kann bei zunehmender Versteifung der Aorta auch herznah auftreten. Sie tritt dann zeitlich enger an das Druckpulsmaximum heran.

Wandaufbau. Der bei den Arterien beschriebene dreischichtige Wandaufbau liegt auch im Bereich der Mikrogefäße vor (Abb. 9). Jedoch fehlt der Tunica intima bei den Arteriolen typischerweise eine subendotheliale Schicht (Junqueira und Carneiro 1996). Daher stehen die Endothelzellen direkt mit den darunterliegenden Muskelzellen in Verbindung (gap junctions). Die Media ist gut ausgebildet. Sie besteht vorwiegend aus Muskelzellen, die in den präkapillären Arteriolen 1–5 Lagen ausmachen. Als extrazelluläre Matrix liegen Kollagene und Elastin vor. Die Gefäßwand der Arteriolen ist etwa so dick wie der lichte Durchmesser der Gefäße, sodass eine Arteriole mit einem luminalen Durchmesser von 20 μm eine Wanddicke von 20–30 μm aufweist. Daraus ergibt sich eine relativ geringe Wandspannung (siehe online Dokument Makrozirkulation, Abschn. 6). Durch den Kontraktionszustand der glatten Muskelzellen werden die Gefäßwanddicke und dadurch die lichte Weite des Gefäßes moduliert. Die Arteriolensegmente sind so besonders geeignet, den peripheren Widerstand kurzfristig zu regulieren. Hier erfolgt zu einem großen Teil der longitudinale Druckabfall im Gefäßsystem (Abb. 5). Über die Adventitia, die spärlich ausgebildet ist, treten zahlreiche sympathische Nervendigungen an die Gefäße, was eine schnelle neurogene Regulation des Gefäßtonus unterstützt.

Die Kapillaren bestehen aus Endothelzellen, die zum Gefäßlumen mit einer Gykokalyx ausgestattet sind (Woodcock und Woodcock 2012), einer Basallamina abluminal und, in regional unterschiedlicher Ausprägung, Perizyten (Caporarello et al. 2019). Die Endothelzellen und die Basallamina kontrollieren die Permeabilität der Gefäßwand. Die Perizyten können durch Abrundung die Mikrostrombahn von außen einengen und sind so an der Regulation der Kapillarperfusion beteiligt.

Endothelzellen. Die einschichtig angeordneten Endothelzellen bestimmen wesentlich die Permeabilität der Kapillarwand (Sperandio und Brandes 2019). Sie sind untereinander durch gap junctions verbunden. Für den Durchtritt von Gasen, Stoffen oder Zellen durch die Kapillarwand ergeben sich damit charakteristische Durchtrittsmöglichkeiten (Abb. 10). Gase (O₂, CO₂) können sowohl trans- als auch parazellulär permeieren. Wegen der im Vergleich mit den interendothelialen Spalten großen Endothelzelloberfläche dominiert in diesem Fall der transzelluläre Weg. Wasser durchquert die Kapillarwand einerseits über interzelluläre Lücken, andererseits transzellulär über Aquaporin-Kanäle der Endothelzellen. Wasserlösliche, kleinmolekulare Substanzen können parazellulär diffundieren oder über Transportproteine die Zellmembran überwinden. Lipophile Stoffe, wie Fettsäuren, werden über Membrantransporter transzellulär aus der Kapillare extrahiert. Für Leukozyten besteht nach Adhäsion an der Endothelzelloberfläche die Möglichkeit der trans- und parazellulären Diapedese.

Strukturelle Barrierefunktion von Endothelzellen. Es bestehen erhebliche regionale Unterschiede in der Permeabilität der Endothelzellschicht. Die Barrierefunktion korreliert mit strukturellen Unterschieden (Abb. 10).Stoffwechselaktivität des Endothels. Endothelzellen sind metabolisch hochaktiv (Rohlenova et al. 2018). Sie sind beteiligt an der Produktion von Stoffen der extrazellulären Matrix (Kollagen, Elastin, Proteoglykane), Faktoren der Blutstillung (z. B. von-Willebrand-Faktor, Stickstoffmonoxid (NO), Prostazyklin, Endothelin) und Wachstumsfaktoren wie bFGF. Außerdem verfügen Endothelzellen über katalytische Aktivitäten beispielsweise für die Umwandlung von Angiotensin I zu Angiotensin II (ACE) und für die Hydrolyse von extrazellulären Nukleotiden (ATP, ADP) zu Adenosin (CD39, CD38, CD73) (Abb. 11).

Regulation der Funktion von Endothelzellen. Endothelzellfunktionen werden über Zelloberflächenrezeptoren moduliert. Diese bestehen beispielsweise für Katecholamine, ATP, Adenosin und Acetylcholin. Mechanosensoren nicht umfassend geklärter Identität vermitteln Wirkungen der Oberflächenschubspannung ausgelöst durch den Blutfluss (Fang et al. 2019). Zytokinfreisetzung (z. B. TNF-α, IL-1) und Expression von Adhäsionsmolekülen wie Selektine (E-Selektin, P-Selektin) und Vascular/Cellular Adhesion Molecules (ICAM-1, ICAM-2, VCAM-1) vermitteln die Interaktion von Endothelzellen und Leukozyten im Rahmen von Entzündungsprozessen (Abb. 11).

Endothel-Thrombozyteninteraktionen. Die Interaktion ist von grundlegender Bedeutung für die Regulation der Blutstillung und -gerinnung (Jelkmann 2019; Schuh 2019). Das normale Endothel übt eine hemmende Wirkung auf die Plättchenaktivierung durch die Freisetzung endothelialer Autakoide wie NO, Adenosin und Prostacyclin (PGI₂) aus. Bei Verletzung des Endothels werden subendotheliale Matrixproteine frei gelegt, die an Thrombozytenrezeptoren binden. Hierdurch wird die Aktivierung der Thrombozyten auslöst. Bindungsprotein zwischen Thrombozyten und subendothelialen Kollagenfasern ist hierbei der von-Willebrand-Faktor (vWF), der von den Endothelzellen synthetisiert wird. Bindungsstelle des vWF auf den Thrombozyten ist das Glykoprotein Ib (GP1b). Über diese Prozesse ist die Endothelfunktion an der Initialisierung der primären Hämostase beteiligt, an die sich die Plättchenkomponente und die Gerinnungskomponente anschließt (Schuh 2019). Einfluss auf die Gerinnungskomponente hat das Endothel über die Bildung von Thrombomodulin (Jelkmann 2019). Über den ebenfalls von den Endothelzellen gebildeten tissue Plasminogen Activator (t-PA) ist das Endothel auch an der Fibrinolyse beteiligt. Gehemmt wird t-PA durch Plasminogen-Aktivator-Inhibitor (PAI), der ebenfalls von Endothelzellen gebildet wird.

Endothelsprossung und Gefäßwachstum. Angiogenese ist ein Prozess der Gefäßneubildung, der besonders in der Embryonalentwicklung von Bedeutung ist (siehe Abschn. 1.1).

Kapillaroberfläche und Transitzeit. Entscheidend für den Blut-Gewebeaustausch von Stoffen ist die Transitzeit durch die Kapillaren und die Permeabilität der Endothelzellschicht.

Parameter von Gefäßwiderständen. Der Widerstand von Gefäßen wird hauptsächlich vom Innenradius des Gefäßes, und hieraus abgeleitet der Querschnittsfläche des Gefäßlumens, bestimmt. Für eine Verdopplung oder Halbierung des Widerstandes sind lediglich knapp 20 % ige Veränderungen des Innenradius notwendig.

Es werden parallele und serielle Anordnungen von Widerständen unterschieden. Die Betrachtung paralleler Widerstände ist für das Verständnis der Durchblutungsverteilung von Bedeutung. Die Beachtung serieller Widerstände ist bedeutsam für die klinisch wichtige Situation proximaler Gefäßstenosen. Die hiermit verbundene Zunahme des proximalen Gefäßwiderstandes (Makrozirkulation, 2.2 Volumenstrom und Strömungsgeschwindigkeit) kann nämlich durch Abnahme des distalen Gefäßwiderstandes kompensiert werden. Parallele und serielle Widerstände ergänzen sich im Gefäßnetzwerk.

Aktueller (basaler) Gefäßtonus. Das Gefäßsystem muss zu jedem Zeitpunkt einen gewissen Gefäßtonus aufbringen. Nur so kann der arterielle Blutdruck aufrechterhalten werden. Die Gesamtheit des Gefäßtonus bestimmt den peripheren Widerstand. Dieser hat einen quantitativ größeren regulatorischen Einfluss auf den arteriellen Blutdruck als das Herzzeitvolumen.

An der Einstellung eines normalen Gefäßtonus sind zahlreiche Mechanismen beteiligt. Hierzu zählen:Gefäßtonus > online Dokument Mikrozirkulation, Abschn. 5

Membranpotenzial und Gefäßtonus. Das Membranpotenzial glatter Muskelzellen liegt bei etwa −60 bis −40 mV. Es kann in antagonistischer Weise durch Steigerung von Kaliumströmen einerseits (Hyperpolarisation) und Steigerung von Natrium- bzw. Calciumströmen andererseits (Depolarisation) verändert werden (Abb. 12). Die Regulation von Kaliumströmen erfolgt einerseits über die transmembranäre Konzentrationsdifferenz von K⁺-Ionen (Nernst-Potenzial), andererseits über die Veränderung des Leitwerts der Kanäle (Bordes Jr et al. 2020). An einwärts gleichrichtenden K⁺-Kanälen steigt der Leitwert bei Zunahme der lokalen extrazellulären Kaliumkonzentration im klinisch relevanten Bereich so deutlich an, dass der Effekt der Leitwertänderung die Wirkung des veränderten Nernst-Potenzials übertrifft. Infolge dessen hyperpolarisieren die betroffenen glatten Muskelzellen und ihr Tonus sinkt.

Pharmako-mechanische Kopplung. Glatte Muskelzellen verfügen im Gegensatz zu quer gestreiften Muskeln über die Möglichkeit der Kraftkontrolle ohne Veränderung des Membranpotenzials. Diese sogenannte pharmako-mechanische Kopplung wird aktiviert über Membranoberflächenrezeptoren, die direkt zur Aktivierung einer intrazellulären Signalkaskade führen, über die eine Modulation der zytosolischen Ca²⁺-Konzentration und/oder eine Modulation der Phosphorylierung der regulatorischen Leichten Kette des Myosins (MLK) erfolgt (Abb. 12). Bei der pharmako-mechanischen Kopplung resultieren Veränderungen der zytosolischen Ca²⁺-Konzentrationen aus einer veränderten Freisetzung oder Aufnahme des sarkoplasmatischen Retikulums. So stimuliert der Botenstoff IP3 die Freisetzung von Ca²⁺-Ionen aus dem sarkoplasmatischen Retikulum. In der Folge steigt der Muskeltonus. Im Gegensatz hierzu fördern die Botenstoffe cAMP und cGMP die Aufnahme von Ca²⁺-Ionen in das sarkoplasmatische Retikulum, was von einer Abnahme des Muskeltonus gefolgt ist. Die Botenstoffe führen über Signalkaskaden auch zu Veränderungen des Phosphorylierungsgrades der MLK derart, dass die Veränderungen der Ca²⁺-Konzentrationen funktionell verstärkt werden (Abb. 12).

Myogene Regulation (Bayliss-Effekt). Dehnung der Gefäßwand durch Zunahme des transmuralen Drucks löst eine lokale Vasokonstriktion aus. Abnahme des transmuralen Drucks führt zur gegenteiligen Reaktion. Diese Anpassungen des Gefäßtonus sind essenziell für die Autoregulation, die z. B. an Hirn-, Nieren- und Koronargefäßen funktionell wichtig ist, weil hierdurch die Durchblutung dieser Organe bei Druckänderungen im physiologischen Bereich konstant gehalten wird. Die zugrunde liegende Gefäßreaktion wird wahrscheinlich über eine dehnungsabhängige Aktivierung von Kationenkanälen vermittelt, in deren Folge die zytosolische Ca²⁺-Konzentration verändert wird (Hecker 2019). Die myogene Gefäßtonusregulation ist pathophysiologisch von großer Bedeutung bei der Kompensation von Gefäßwiderstandserhöhungen an Leitungsarterien, z. B. infolge Atherosklerose. Über das stenosierte Gefäßsegment resultiert ein erhöhter Druckabfall. Der distal der Stenose reduzierte transmurale Gefäßdruck verursacht eine myogen vermittelte Widerstandsabnahme in der Mikrozirkulation. Diese kompensiert weitgehend die makrovaskuläre Widerstandszunahme, wodurch der Gesamtwiderstand des Gefäßes nahezu konstant bleibt (siehe online Dokument Mikrozirkulation, Abschn. 3). Unterhalb eines Blutdrucks von 60 mm Hg distal einer Gefäßstenose wird die myogene Tonusanpassung unzureichend und die Ruhedurchblutung nimmt ab.

Durchblutungsregulation. Die Mechanismen der Gefäßtonusregulation sind vielfältig (Deussen 2019; Sperandio und Brandes 2019; Hecker 2019). Tab. 1 gibt einen Überblick. Die Mechanismen können in vielfältiger Weise miteinander interagieren. Ihre funktionelle Bedeutung differiert zwischen unterschiedlichen Gefäßgebieten. Bei den lokalen Mechanismen werden myogene, endotheliale und lokal metabolische Faktoren unterschieden. Systemisch wirksame Faktoren betreffen primär neuronale und humorale Mechanismen. Bei genereller Aktivierung lokaler Mechanismen können systemische Wirkungen auftreten, z. B. auf den arteriellen Blutdruck. So wird NO generell von den Endothelzellen gebildet. Als Reaktion auf eine systemische Blockade der NO-Bildung kommt es daher an vielen Gefäßen zu einer Vasokonstriktion und folglich zum Blutdruckanstieg (siehe online Dokument Mikrozirkulation, Abschn. 5). Die metabolischen Mechanismen bilden eine heterogene Gruppe, wobei die Mediatoren typischerweise von den Parenchymzellen gebildet werden. Aber auch pO₂-Gradienten über die Gefäßwand könnten Gefäßtonus regulierend wirksam sein (Deussen et al. 2006). Bei den Blutkomponenten ist aufgrund der Konvektion der Blutströmung vorzugsweise eine systemische Wirkung anzunehmen. Eine lokale Wirkung ist möglich, wenn Leukozyten am Endothel haften bzw. nach Migration in die Gefäßwand übergetreten sind.

Blutdruckvariabilität. Der arterielle Blutdruck wird einerseits in physiologischen Grenzen reguliert, andererseits sind innerhalb dieser Grenzen Blutdruckrhythmen (periodische Blutdruckschwankungen) typisch.

Die physiologischen Blutdruckschwankungen korrelieren mit der Herzfrequenzvariabilität, was durch parallele Wirkungen auf die Herzfrequenz und den Gefäßtonus erklärt werden kann. Blutdruckschwankungen werden entsprechend ihrer Periodendauer unterteilt (McCraty und Shaffer 2015). Blutdruckschwankungen erster Ordnung (0,8–1,3 Hz) werden durch die periodische Förderung des Schlagvolumens hervorgerufen, diejenigen zweiter Ordnung (0,15–0,4 Hz) durch den Einfluss der Atmung. Blutdruckschwankungen dritter Ordnung (0,04–0,15 Hz) treten infolge zentralnervöser Aktivitätsschwankungen auf. Weitere physiologische Periodiken auf den Blutdruck erfolgen circadian, hormonell und saisonal bedingt.

Blutdruckregulation. Es wird nach kurzfristigen und langfristigen Regulationsmechanismen differenziert (Schubert und Brandes 2019). Die kurzfristigen Regulationsmechanismen basieren auf Kreislaufreflexen. Über die druckabhängige Dehnung der Gefäßwand werden reflektorische Anpassungen der neuronalen Aktivität in Sympathikus und N. vagus ausgelöst. Reflektorische Gegenregulationen werden innerhalb weniger Sekunden wirksam. Langsame Veränderungen des Blutdrucks werden durch die arteriellen Pressorezeptoren nicht erfasst. Langsame und anhaltende Mechanismen der neuro-humoralen Blutdruckkontrolle beruhen groß Teils auf Veränderungen im Wasser- und Elektrolythaushalt. Volumenzunahme im Kreislauf führt über eine Dehnung der Vorhöfe zur Aktivierung vagaler Afferenzen, die die zentrale Sekretion von antidiuretischem Hormon (ADH) hemmen. Vorhofdehnung aktiviert weiterhin die Freisetzung von atrial-natriuretischem Peptid (ANP) aus Vorhofmyozyten. Wichtigstes Regulationsorgan für diese neuro-humoralen langfristigen Mechanismen ist die Niere. Auch das Renin-Angiotensin-Aldosteronsystem (RAAS), das eng durch die Kalium-Natrium-Bilanz und den efferenten Sympathikus reguliert wird, hat als wichtige regulatorische Zielgebiete die Gefäßwand und die Niere.

Kreislaufregulation. Typische Situationen, die eine Kreislaufregulation erfordern, betreffen die Übergänge zwischen Liegen und Stehen, Bettruhe, Orthostase, körperliche Arbeit, psychischer Stress, Hypoxie und Hyperkapnie, Tauchreflex, Cold Pressor Test u. a. (Levick 1998). Die in vielen Fällen beteiligten schnellen Regulationsmechanismen sind typischerweise über Reflexe vermittelt. Weitere Mechanismen der Durchblutungsregulation können hiermit interagieren. Ein Beispiel ist die metabolische Regulation der Muskeldurchblutung bei körperlicher Arbeit. Bei langfristigen Lageänderungen, wie Bettruhe werden verstärkt humorale Systeme wirksam.