Atemregulation und Gasaustausch bei Kindern und Jugendlichen

Die den Atemrhythmus generierenden Strukturen befinden sich in der Medulla oblongata und bestehen im Wesentlichen aus 3 Rhythmus-generierenden Neuronen-Gruppen: dem Prä-Bötzinger-Komplex, dem postinspiratorischen Komplex und dem Nucleus retrotrapezoideus mit der parafazialen respiratorischen Gruppe. Die ersten beiden Kerne sind unter Ruhebedingungen für Einatmung und postinspiratorische Phase verantwortlich, die 3. Gruppe wird bei erhöhter Anstrengung und damit verstärkter Atmung aktiviert und sorgt dann für eine aktive (und damit beschleunigte) Ausatmung. Diese Strukturen stehen in enger Verbindung und aktivieren bzw. hemmen sich über verschiedene Neurotransmitter und Neuromodulatoren gegenseitig. Die Neurone des Atemzentrums innervieren über nachgeschaltete Ausgangsneurone nicht nur die spinalen Motoneurone der Atemmuskulatur, sondern sorgen über eine Mitinnervation der Hirnnervenkerne auch für eine atemsynchrone Tonusänderung der Zungen-, Pharynx-, Larynx- und Bronchialmuskulatur. Diese Überleitung kann durch chronische intermittierende Hypoxie behindert werden. Während man früher davon ausging, dass sich unterschiedliche Atemformen wie Eupnoe und Schnappatmung räumlich getrennten Atemzentren zuordnen lassen, zeigen neuere Untersuchungen, dass alle von nur einen Zellverbund generiert werden, der nur jeweils anders konfiguriert wird.

Hierzu gehören verschiedene Chemo- und Mechanorezeptoren. Erstere reagieren auf eine Änderung der chemischen Zusammensetzung der sie umgebenden Flüssigkeit (z. B. Blut, Liquor) und werden in zentrale und periphere Chemorezeptoren unterteilt. Die zentralen Chemorezeptoren befinden sich vorwiegend an der ventralen Oberfläche der Medulla oblongata, aber auch im Nucleus tractus solitarius, Nucleus fastigius, Locus coeruleus und in der medullären Raphe. Sie werden durch eine Erhöhung der H⁺-Konzentration (ausgelöst z. B. durch Hyperkapnie) in der sie umgebenden Extrazellularflüssigkeit bzw. im Liquor cerebrospinalis stimuliert und reagieren sehr empfindlich. So führt bereits ein Anstieg des CO₂ um 1 mmHg beim wachen Erwachsenen zu einer Zunahme des Atemminutenvolumens um 20–30 %. Unterschiedlich lokalisierte zentrale Chemorezeptoren zeigen allerdings deutliche Unterschiede in ihrem Ansprechverhalten zwischen Wach- und Schlafzustand. Besteht die pH-Erniedrigung im Liquor über längere Zeit (2–3 Tage), so kommt es zu einem kompensatorischen HCO₃⁻-Anstieg und somit wieder zu einer Normalisierung des Liquor-pH. Dieses „Resetting“ der zentralen Chemorezeptoren kann dazu führen, dass Patienten mit chronischer Lungenerkrankung trotz deutlicher Hyperkapnie keinen verstärkten Atemantrieb aufweisen.

Die peripheren Chemorezeptoren befinden sich im Glomus caroticum an der Karotisgabel sowie in den Glomera aortica im Aortenbogen und der rechten A. subclavia. Sie werden vorwiegend durch Hypoxie, aber auch durch Hyperkapnie und Azidose stimuliert und sind ausgesprochen gut durchblutet. Daher ist die arteriovenöse O₂-Differenz innerhalb dieser Strukturen sehr gering, wodurch sie vorwiegend auf Änderungen des arteriellen, nicht des venösen pO₂ reagieren. Die paO₂-Schwelle, unterhalb derer diese Chemozeptoren aktiviert werden, liegt bei ca. 110 mmHg, d. h. sie sind bereits bei normaler Raumluftatmung aktiviert. Ihre Ansprechzeit ist so kurz, dass selbst die minimalen paO₂-Schwankungen, die im Rahmen eines Atemzyklus auftreten, zu messbaren Schwankungen in der Entladungsfrequenz der afferenten Nervenfasern dieser Glomerula führen.

Die zweite Gruppe von Rezeptoren, die an der Atemregulation beteiligt sind, umfasst verschiedene Mechanorezeptoren, wie z. B. die in der glatten Muskulatur der Atemwege befindlichen Dehnungsrezeptoren. Bei Dehnung der Atemwege kommt es zu einer reflektorischen Hemmung der inspiratorischen Atemtätigkeit, die vagusvermittelt ist und eine Überdehnung der Lunge verhindert. Dieser nach seinen Erstbeschreibern benannte Hering-Breuer-Reflex ist vor allem beim Neugeborenen und jungen Säugling sehr aktiv und führt hier u. a. dazu, dass es nach einer tiefen Inspiration in dieser Altersgruppe häufig zum Auftreten einer Apnoe kommt. Beim älteren Kind kommt es nicht zu einer völligen Atemhemmung, sondern meist nur zu einer Reduktion von Atemtiefe und -frequenz.

Zu den Mechanorezeptoren gehören ferner die Irritationsrezeptoren (C- und J-Rezeptoren). Die C-Rezeptoren befinden sich im Bereich des Atemwegsepithels der Trachea und größeren Bronchien, werden durch Gase, Rauch, Staub und Kaltluft stimuliert und führen dann zu Bronchokonstriktion, Husten, Hyperpnoe und Bradykardie. Beim jungen Säugling sowie im Schlaf kann eine Stimulation der C-Fasern statt eines Hustenreizes auch eine Apnoe auslösen. Die aufgrund ihrer juxtakapillären Position sogenannten J-Rezeptoren, die morphologisch den C-Rezeptoren sehr ähnlich sind, befinden sich in den Kapillarwänden und werden durch eine vermehrte Füllung der Lungenkapillaren und/oder Zunahme der interstitiellen Flüssigkeitsmenge stimuliert. Dies führt zu einer Tachydyspnoe oder, bei stärkerer Stimulierung, zu einer Atemhemmung. Klinisch spielen diese Rezeptoren vor allem bei Patienten mit Lungenödem, interstitiellen Lungenerkrankungen oder Pneumonien eine Rolle.

Weitere Mechanorezeptoren befinden sich im Nasopharynx und sind für verschiedene Reflexantworten wie Niesen, Husten und Bronchuskonstriktion verantwortlich. Klinische Bedeutung hat darüber hinaus vor allem der laryngeale Chemoreflex, der sowohl durch mechanische (Absaugen, Intubation) als auch chemische (Milch, saurer Mageninhalt) Stimuli aktiviert werden kann und zu Atemhemmung, Bradykardie, Glottisverschluss und Erhöhung des Lungengefäßwiderstands führt.

Hierzu gehören das Zwerchfell, die Interkostal- und Bauchmuskulatur sowie akzessorische Muskeln wie der M. sternocleidomastoideus. Für eine effiziente Atmung müssen diese Muskeln koordiniert aktiviert werden; dies ist allerdings vor allem beim jungen Säugling und im aktiven (REM-)Schlaf nicht immer der Fall. Hier kommt es dann zu einer paradoxen Atmung, bei der die inspiratorische Kontraktion des Zwerchfells mit einer Exspirationsbewegung der Interkostalmuskulatur einhergeht. Die Muskelkraft, die bei konstantem Atemzugvolumen unter paradoxer Atmung aufgebracht werden muss, ist 4-mal höher als unter synchroner Atmung.

Ein Anstieg des paCO₂ führt zu einer raschen Steigerung des Atemzugvolumens und der Atemfrequenz, wobei initial nur das Tidalvolumen und erst bei weiterem CO₂-Anstieg auch die Frequenz ansteigt. Tritt der paCO₂-Anstieg während des Schlafs auf, kommt es außerdem zu einer Aufwachreaktion, die über die peripheren Chemorezeptoren vermittelt wird und im ruhigen Schlaf (Non-REM) früher auftritt als im REM-Schlaf. Das relative Ausmaß der Steigerung des Atemminutenvolumens nimmt mit zunehmendem Alter zu. Auch das Intervall zwischen Einsetzen eines CO₂-Anstiegs und Zunahme der Atmung nimmt in den ersten Lebenswochen deutlich ab, was zu einer Stabilisierung der Atmung beiträgt.

Ein Absinken des paO₂ bei normalem paCO₂ führt unterhalb eines Grenzwerts von 50–60 mmHg zu einem Anstieg des Atemminutenvolumens. Die O₂-Antwortkurve verläuft allerdings weniger steil als die für CO₂. Bei gleichzeitig bestehender Hyperkapnie setzt dieser Anstieg früher ein und ist stärker ausgeprägt. Diese über die peripheren Chemorezeptoren vermittelte Hypoxieantwort ist deutlich reduziert oder sogar aufgehoben in den ersten Tagen nach Geburt sowie bei Kindern, die bereits ab Geburt hypoxisch sind, also z. B. in großer Höhe leben, ein zyanotisches Vitium aufweisen oder eine chronische Lungenerkrankung haben. Ähnlich wie Hyperkapnie löst auch Hypoxie im Schlaf eine Aufwachreaktion aus, die allerdings im Säuglingsalter häufig erst verzögert erfolgt. Bei länger bestehender Hypoxie ändert sich die Schlafarchitektur im Sinne einer Abnahme des Non-REM-Schlafs und Zunahme der Wachphasen.

Beim Feten und Neugeborenen kommt es bei Abfall des paO₂ zwar auch zu einer initialen, über die peripheren Chemorezeptoren vermittelten und meist nur schwach ausgeprägten Steigerung der Atmung, diese wird aber nach wenigen Minuten von einer zentralen Atemhemmung abgelöst, die bis zu einem völligen Sistieren der Atemtätigkeit (Apnoe) führen kann. Gleichzeitig kommt es zu einem deutlichen Abfall des O₂-Verbrauchs und über eine Engstellung der Stimmritze zu einer verzögerten Ausatmung („Knörksen“), womit Lungenvolumen rekrutiert wird. Teleologisch erscheint die hypoxische Atemdepression des Feten sinnvoll: Für diesen bedeutet Atmung zusätzlichen Energieverbrauch, der kontraproduktiv ist, wenn das über die Plazenta zur Verfügung gestellte Sauerstoffangebot reduziert wird. Postnatal ist diese unreife Hypoxieantwort zumindest teilweise für das häufige Auftreten von Atemstörungen vor allem bei Frühgeborenen verantwortlich. Das paO₂-Niveau, unterhalb dessen bei im Flachland geborenen Neugeborenen die Atmung unregelmäßig wird bzw. eine Hypoventilation einsetzt, liegt bei ca. 60–70 mmHg. Die Mechanismen, die dieser spezifisch fetoneonatalen Atemantwort zugrunde liegen, sind noch nicht völlig verstanden. Beteiligt sind u. a. Adenosinrezeptoren, deren Blockade zu einer Reduktion der hypoxischen Atemdepression führt, sowie die nur dieser Altersgruppe vorbehaltene Fähigkeit, den O₂-Verbrauch auf Kosten des Wachstums um bis zu 40 % zu senken, ohne das Überleben zu gefährden.

Beim Auftreten rezidivierender Hypoxie (auch auslösbar durch wiederholte elektrische Stimulation des Sinus caroticus) kommt es zu einer serotoninvermittelten Steigerung der Atmung, die auch nach Wegfall des auslösenden Stimulus noch stundenlang anhält. Dieses als „long-term facilitation“ (LTF, langfristige Bahnung) bezeichnete Verhalten spricht für eine Plastizität der Atemregulation, also für die Fähigkeit des Organismus, sich an anhaltende Veränderungen der Umgebungsbedingungen (z. B. Altern, Schwangerschaft) dauerhaft anzupassen. Sie ist auch relevant für das Verständnis von Krankheitsbildern, die mit rezidivierender Hypoxie einhergehen, wie z. B. dem obstruktiven Schlaf-Apnoe-Syndrom, bei dem die LTF reduziert ist. Für das Kindesalter gibt es Hinweise, dass die LTF bei Neugeborenen abgeschwächt ist, aber z. B. durch Koffeingabe gesteigert werden kann.

Ab der 7. Schwangerschaftswoche lassen sich beim menschlichen Feten Atembewegungen nachweisen, die vor allem für das intrauterine Lungenwachstum von großer Bedeutung sind. Diese Atembewegungen treten jedoch nicht im Non-REM-Schlaf auf und werden zudem durch Hypoxie gehemmt (Abschn. 2.2). Postpartal muss sich der Organismus plötzlich an ein wesentlich höheres Sauerstoffangebot, aber auch einen 2- bis 3-mal höheren Energieverbrauch adaptieren. Gleichzeitig ist Atmung plötzlich nicht mehr „Luxus“, sondern lebensnotwendig. Diesen geänderten Erfordernissen wird Rechnung getragen durch ein postpartales Umschalten (Resetting) der peripheren Chemorezeptoren auf ein entsprechend höheres paO₂-Niveau und ein Umstellen von der unregelmäßigen fetalen auf eine kontinuierliche Atmung. Hierfür sind wahrscheinlich das postpartale Absinken der Körpertemperatur und Ansteigen des paCO₂ verantwortlich, aber auch Umstellungen im Serotonin- und Prostaglandinstoffwechsel.

Die unterschiedlichen Schlafstadien haben wesentlichen Einfluss auf die Atemregulation. Im aktiven (REM-)Schlaf ist die Atmung unregelmäßig, der paO₂ niedriger, Atempausen häufiger und die Atemexkursionen – zumindest bei Früh- und Neugeborenen – überwiegend paradox. Die Atemfrequenz ist höher als im Non-REM-Schlaf, das Atemzugvolumen jedoch etwas niedriger, so dass das Atemminutenvolumen nur geringfügig höher ist als im Non-REM-Schlaf. Ferner sind in diesem Schlafstadium Seufzer relativ häufig, die z. B. bei Frühgeborenen im Mittel alle 2 min auftreten und dazu führen, dass durch Atemwegskollaps (z. B. infolge von Apnoen) zeitweilig nicht mehr an der Ventilation beteiligte Lungenabschnitte wieder rekrutiert werden. Im ruhigen (Non-REM-)Schlaf ist die Atmung dagegen typischerweise regelmäßig, Apnoen und paradoxe Atmung selten und der paO₂ höher als im REM-Schlaf. Periodische Atmung tritt in beiden Schlafstadien auf, wenn auch bevorzugt im REM-Schlaf. Im Verlauf der ersten 3 Lebensmonate kommt es zu einem deutlichen Abfall des REM- zugunsten einer Steigerung des Non-REM-Anteils, danach liegt der Anteil des Non-REM-Schlafs relativ konstant bei ca. 40–45 % der Schlafzeit.

Diese ist gekennzeichnet durch einen Wechsel zwischen jeweils einigen Atemzügen und kurzen Atempausen (4–10 s). Frühgeborene verbringen bis zu 50 % ihrer Schlafzeit in periodischer Atmung; sie ist aber auch bei reifen Neugeborenen und älteren Säuglingen physiologisch. Erwachsene zeigen unter Hypoxie-Exposition (z. B. im Bergland) periodische Atmung im Schlaf, außerdem bei globaler Herzinsuffizienz eine Sonderform der periodischen Atmung mit wellenförmig zu- und abnehmender Amplitude, die von Apnoen unterbrochen und als Cheyne-Stokes-Atmung bezeichnet wird. Die Pathophysiologie dieser Atemform ist noch nicht vollständig geklärt, eine wesentliche Rolle spielen aber offenbar eine hypoxievermittelte zentrale Atemdepression und ein niedriger O₂-Vorrat in der Lunge, der zu Oszillationen in der Aktivität der peripheren Chemorezeptoren führt.

Diese Atemform ist charakterisiert durch eine rasche, kraftvolle Inspiration mit verzögerter Exspiration und nachfolgender Atempause. Schnappatmung tritt auf, wenn der paO₂ unter ca. 10 mmHg fällt, unabhängig vom pH oder paCO₂. Sie ist Bestandteil der physiologischen Reaktion auf Asphyxie, die gekennzeichnet ist durch eine initiale Phase der Hyperventilation, nachfolgender sog. primärer Apnoe, Schnappatmung von variabler Dauer (30–60 min bei Neugeborenen, 2–3 min bei Erwachsenen) und anschließender terminaler Apnoe. Sie stellt einen sehr wirksamen Selbstwiederbelebungsmechanismus dar. Im Bereich der Pädiatrie ist die Schnappatmung vor allem deshalb von Interesse, weil ihr Versagen eine der Voraussetzungen dafür ist, dass es zum plötzlichen Kindstod kommen kann.

Als Apneusis bezeichnet man eine Atemform, die als lang andauernde Einatmung bzw. pathologisches Atemhalten imponiert und gefolgt wird von einer normal langen Exspiration. Sie wird allgemein als Ausdruck einer Schädigung im Bereich des Hirnstamms oder der Pons angesehen. Therapeutisch ist für das Kindes- und Erwachsenenalter eine Besserung dieser Symptomatik unter Behandlung mit dem Serotoninagonisten Buspiron beschrieben.

Die Lunge hat bis zur Geburt keine besondere Aufgabe; danach ist sie aber plötzlich absolut lebenswichtig. Die postpartale Adaptation muss daher sehr rasch erfolgen. So haben arterielle Blutgasmessungen gezeigt, dass der pO₂ bereits 10 min post partum von <20 auf ca. 50 mmHg ansteigt und 5 Stunden später bei 75 mmHg liegt. Bei diesem Wert verbleibt er zumindest über die nächsten 7 Tage. Dieser im Vergleich zum älteren Kind oder Erwachsenen noch relativ niedrige pO₂ ist bedingt durch die Durchblutung nicht entfalteter bzw. noch flüssigkeitsgefüllter Alveoli. Neugeborene haben außerdem aufgrund einer noch unvollständigen Ausbildung der Alveolarsepten eine vergleichsweise lange Diffusionsstrecke; dies stellt aber offenbar keinen diffusionslimitierenden Faktor dar. Beim Atemnotsyndrom des Frühgeborenen kommt es zu einem deutlich verstärkten Auftreten von intrapulmonalen Shunts, d. h. einem Blutfluss durch nichtventilierte Lungenabschnitte; bei der persistierenden pulmonalen Hypertension des Neugeborenen (PPHN) dagegen überwiegen Lungenabschnitte mit hohem Ventilations-Perfusions-Verhältnis. Bezüglich weiterer Aspekte dieser Krankheitsbilder sei auf Kap. „Grundlagen der Neonatologie“ verwiesen. Zusammenfassend gilt, dass Störungen des Gasaustauschs in der Neugeborenenzeit wesentlich häufiger als in späteren Lebensabschnitten auftreten.