Morphologie der Lunge und Entwicklung des Gasaustauschapparates

Der Luftwegsbaum der menschlichen Lunge ist nach dem Prinzip der unregelmäßigen Dichotomie aufgebaut, was bedeutet, dass sich von zentral bis peripher jeder Röhrenabschnitt in 2 Äste teilt. Die beiden Äste können aber von ungleichem Kaliber sein, und deren Abgangswinkel vom Stamm kann ebenfalls differieren. Insgesamt kommt es so nach der Trachea (=0. Generation) und den beiden Hauptbronchien (=1. Teilungsgeneration) zur Ausbildung von 22 intrapulmonalen Verzweigungsgenerationen (Abb. 1). Ein Gasaustausch setzt im Mittel erst ab der 15.–16. Generation, nach den Bronchioli terminales (letztes Segment ohne Alveolen) ein, nimmt dann aber peripheriewärts gegenüber der „Luftleitung“ rasch an Bedeutung zu. Die makroskopische Gliederung der Lunge reflektiert das Verzweigungsmuster der ersten Luftwegsgenerationen. So entstehen Lungenlappen und Lungensegmente (Abb. 2) und schließlich die kleineren bereits von Bronchiolen versorgten unvollständig septierten Lobuli und Acini. Der Acinus bezeichnet die funktionale Grundeinheit des Lungenparenchyms, welche von einem Bronchiolus terminalis versorgt wird.

Trachea und Bronchien enthalten in ihrer Wand Knorpelstücke, die entweder als hufeisenförmige, hinten offene Ringe oder als unregelmäßig geformte, in der Größe stark variable Platten in einer sog. Tunica fibrocartilaginea eingelassen sind. Bronchiolen dagegen sind knorpelfrei, besitzen aber eine funktionell bedeutsame Schicht glatter Muskulatur. Die epitheliale Auskleidung der Luftwege bildet von zentral bis peripher ein Kontinuum, dessen strukturelle Modifikation in Abb. 3 wiedergegeben ist. Die Bronchien werden von einem klassischen respiratorischen Epithel ausgekleidet: ein mehrreihiges Flimmerepithel mit eingestreuten Becherzellen, das auf einer kräftigen, auch lichtmikroskopisch auffälligen Basalmembran sitzt. Die sog. Basalzellen, welche mit ihrem Zellapex das Lumen nicht erreichen, stellen den Proliferationspool dar, der die funktionstragenden Zellen durch Teilung, Differenzierung und Reifung ersetzt. Im Epithel eingestreut finden sich auch neuroendokrine Zellen (APUD-Zellen, „amine precursor uptake and decarboxylation“). Diese Elemente können einzeln oder gruppiert in der Form von neuroepithelialen Körpern (NEB, Neuro-Epithelial Bodies) vorkommen. Neben hormonellen Aktivitäten werden dieser heterogenen Zellpopulation auch Funktionen im Bereich der Regeneration und der Sauerstoffdetektion zugeschrieben. Bronchioläre, mit Mikrovilli besetzte Bürstenzellen (= fragliche Chemorezeptoren) und Abwehrzellen sind ebenfalls in verhältnismäßig geringer Zahl eingestreut. Im Epithel vorkommende Nervenendigungen sind heute noch wenig untersucht, könnten aber mit ihrer Reaktivität auf Reizstoffe von großer Bedeutung sein.

In der Lamina propria der Schleimhaut findet sich ein auffallend kräftiges Netz von bevorzugt längs verlaufenden elastischen Fasern. Die seromukösen Glandulae tracheales und bronchiales erstrecken sich oft von der Lamina propria durch die verschiedenen Wandschichten hindurch bis in die Adventitia hinein. Diese Drüsen und die Becherzellen produzieren sowohl eine niedrig visköse Flüssigkeitsschicht, in der die Zilien schlagen, wie auch die klebrige muköse Deckschicht, deren Funktion nebst Befeuchtung der Luft im Abfangen von in der Einatmungsluft enthaltenen Partikeln besteht. Dank dem synchronisierten rhythmischen Zilienschlag werden die Partikel in effizienter Weise rachenwärts transportiert und durch Verschlucken entsorgt. Zur Peripherie hin nimmt das Epithel stetig an Höhe ab, um schließlich einschichtig zu werden. In den Bronchiolen werden die Becherzellen durch Keulen- oder Clubzellen (ehemals Clara-Zellen) ersetzt, welche dort zwischen 10 und 20 % der Zellpopulation ausmachen. Sie sind funktionell heterogen, wobei sie sicher sekretorisch tätig sind und verschiedene Bestandteile des Oberflächenfilms der Bronchiolen produzieren, u. a. stellen sie die Hauptquelle des Clubzell-sekretorischen Proteins (CCSP oder CC16) dar. Weitere wichtige Rollen der Keulen-Zellen sind Immunmodulation, Detoxikation (Sauerstoffradikale u. a.) sowie als Stammzellen für die Regeneration des Luftwegsepithels.

Die Lunge wird von 2 nicht vollständig getrennten Blutkreisläufen versorgt.

Die Lymphbahnen der Lungen halten sich an die gröberen Bindegewebsstrukturen, deren Anordnung hier kurz zu schildern ist.

Das bindegewebige Gerüst der Lunge lässt sich in 3 Anteile gliedern:

Diese Bauweise sorgt dafür, dass die dünnwandigen Bronchiolen des Lungenparenchyms auch beim Ausatmen offen bleiben. Lymphgefäße kommen nur im axialen und im Mantelbindegewebe vor. Im Lungenparenchym selbst wird die interstitielle Flüssigkeit des Lungenläppchens im Bindegewebe des Interalveolarseptums entweder zentralwärts zu den peribronchialen und perivaskulären Bindegewebsscheiden oder zunächst peripheriewärts ins Mantelbindegewebe hingeführt, wo sie von Lymphkapillaren aufgenommen wird, um schließlich hiluswärts abzufließen. Die ersten Lymphknotenstationen liegen intrapulmonal (Nodi lymphatici pulmonales), die nächsten liegen dann an den Lappenbronchien (Nodi lymphatici bronchopulmonales), die weiteren an den Hauptbronchien, an der Bifurkation sowie entlang der Trachea (Nodi lymphatici tracheobronchiales superiores et inferiores und Nodi lymphatici tracheales). Der Lymphabfluss gelangt links via Truncus bronchomediastinalis sinister und Ductus thoracicus und rechts via Truncus bronchomediastinalis dexter in die entsprechenden Venenwinkel (Vereinigungen der V. jugularis interna und der V. subclavia links und rechts).

Die Lunge wird sympathisch und parasympathisch innerviert. Die Nervenfasern aus Truncus sympathicus und N. vagus bilden ein Geflecht, das sich als Plexus pulmonalis um den jeweiligen Hauptbronchus ausbreitet und am Hilus in die Lunge eindringt. Der Plexus innerviert vornehmlich die glatte Muskulatur der Luftwege und Gefäße, aber auch Drüsen. Die Afferenzen in parasympathischen und sympathischen Fasern stammen von Dehnungs- und möglicherweise Chemorezeptoren und führen auch Schmerzempfindungen zentralwärts.

Der Gasaustausch der Lunge findet im Lungenparenchym in den Alveolen statt. Ab ca. der 15. Generation der Luftwege, dem Beginn eines Acinus, treten diese kleinen Bläschen auf (Abb. 1), die traubenförmige Gruppen bilden und die respiratorischen Bronchiolen und die Ductus und Sacci alveolares umlagern (Abb. 4). Es sind polyhedrische Strukturen, deren eine wandlose Seite sich zu den Luftwegen öffnet. Ihre dichte Packung wird oft mit der Anordnung von Honigwaben verglichen. Die hohe geometrische Komplexität des Lungenparenchyms wird auch durch die bemerkenswert hohe Zahl von annähernd 500 Mio. Alveolen im Adulten unterstrichen. Dies resultiert in einer hohen Gasaustauschoberfläche, welche im 1. Lebensjahr bereits 15–20 m² und bei Erwachsenen beeindruckende 140 m² erreicht.

Eine Alveolarwand ist, außer in den periphersten Bläschen, stets 2 benachbarten Alveolen gemeinsam und wird deshalb als interalveoläres (oder auch einfach alveoläres) Septum bezeichnet (Abb. 5). In der Alveolarwand liegt ein sehr dichtes Kapillarnetz, das ungefähr 50 % des Septumvolumens einnimmt. Ein Netz von elastischen Fasern und kollagenen Fibrillen zieht durch die Maschen des Kapillarnetzes. Es ist Teil eines Kontinuums, das durch das Lungenparenchym von der Pleura zum Hilus zieht und deshalb Brustwand- und Zwerchfellbewegungen bis in die Tiefe des Organs weitervermitteln kann. Die elastischen Fasernetze tragen zur Retraktionskraft der Lunge bei, allerdings nur etwa zu einem Drittel, da der größere Anteil durch Oberflächenkräfte an der Luft-Flüssigkeits-Grenze erzeugt wird.

Die Interalveolarsepten sind durch kleine rundliche Löcher durchbrochen, die sog. Kohn-Poren (Abb. 4). Sie haben einen Durchmesser von 3–15 μm und sind unter normalen Bedingungen durch eine Surfactant-Doppellage (s. unten) verschlossen. Aus diesem Grund ist wohl die Hypothese dass sie der Nebenbelüftung benachbarter Alveolen dienen, nicht korrekt. Hingegen stellen sie für die Makrophagen, welche im Surfactant an der Alveolaroberfläche herumkriechen, Durchtrittsstellen von einer Alveole zur anderen dar.

Die Luft-Blut-Schranke besteht aus 3 Komponenten (Abb. 5): eine äußerst dünn ausgezogene Typ-1-Epithelzellplatte, eine dünne Schicht interstitiellen Gewebes, die in den dünnsten Abschnitten der Barriere auf eine einfache Basalmembran reduziert ist, und eine dünn ausgezogene Endothelschicht. Die mittlere Schrankendicke, gewichtet entsprechend der Diffusionsrelevanz (= sog. harmonisches Mittel), liegt bei 0,6 μm. An vielen Stellen beträgt die Schrankendicke lokal unter 0.2μm. Auf der alveolären Oberfläche liegt ein dünner Flüssigkeitsfilm, der Surfactant, welcher an der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche die Oberflächenspannung herabsetzt, wodurch das Atmen erst möglich wird. Er stellt ein komplexes wässriges Gemisch von Phospholipiden und Proteinen dar, das elektronenmikroskopisch als Hypophase mit einem osmiophilen Oberflächenfilm dargestellt werden kann. Gleichzeitig füllt der Surfactant die Nischen und Vertiefungen des Alveolarepithels sowie die Kohn-Poren aus und glättet damit die innere Oberfläche der Lunge.

Zwischen 90 und 95 % der Gasaustauschoberfläche wird von Typ-1-Pneumozyten bedeckt. Es sind platt ausgezogene Zellen, die derart weitreichende dünne Zytoplasmalamellen (Dicke oft nur 0,05–0,2 μm) besitzen, dass sie wohl wegen dieser extremen Spezialisierung ihre Teilungsfähigkeit verloren haben. Die Kernregion dieser Zellen ist zwar dicker, aber spärlich mit Zellorganellen ausgestattet. Sie liegt oft in Maschen des Kapillarnetzes, wo sie nicht mit der Gasdiffusion interferiert. Eine einzelne Zelle kann mit ihren Ausläufern sogar beide Seiten eines Septums überziehen. Die Typ-2-Pneumozyten bedecken zwar nur 5–8 % der Alveolaroberfläche, sind aber als kleine, rundliche Nischenzellen wesentlich zahlreicher (bis 1,5-mal) als die Typ-1-Zellen. Ihr Zytoplasma ist gut mit Organellen ausgestattet und enthält apikal besondere Granula, die Lamellenkörperchen, welche die intrazellulär gespeicherte, sichtbare Vorstufe des Surfactants darstellen. Neben dieser sekretorischen Aktivität gelten die Typ-2-Zellen auch als Stammzellen für den epithelialen Zellersatz der Alveolaroberfläche: Dies bedeutet, dass sie sich in Typ-1-Pneumozyten differenzieren können.

Der Pneumozyt 3 schließlich ist ein seltener Zelltyp, der wegen seiner Bündel von typischen, an der Spitze abgeflachten Mikrovilli auch als pulmonale Bürstenzelle bezeichnet wird. Am häufigsten werden Bürstenzellen jedoch in den Luftwegen, besonders in den peripheren Bronchiolen gefunden. Ähnliche oder gleiche Zellen kommen aber auch in den Epithelien anderer vom Entoderm abstammenden Organe vor. Ihre Funktion ist (speziell im Respirationstrakt) unbekannt und ihr Wirken als Chemorezeptoren hypothetisch.

Da die Lunge konsequent auf die Gasaustauschfunktion ausgerichtet ist, verwundert es nicht, dass das parenchymale Interstitium volumenmäßig so knapp wie möglich ausgelegt ist. Zudem ist seine Anordnung so optimiert, dass eine Septumkapillare höchstens auf einer Seite von einem etwas breiteren Band von Interstitium flankiert wird; auf der anderen Seite finden sich jeweils die dünnen Abschnitte der Luft-Blut-Schranke (Abb. 5).

Die Zellen des interstitiellen Bindegewebes des alveolären Septums stellen keine einheitliche Population dar. Neben Produktion und Unterhalt der Fasern und der extrazellulären Matrix des Septums hat ihre Kontraktilität eine große funktionelle Bedeutung. Sie verspannen Epithelien und Endothelien miteinander und regulieren die Compliance des Bindegewebsraums. Sie können dadurch unter physiologischen Bedingungen die Akkumulation von Flüssigkeit im interstitiellen Raum verhindern. Obschon die Zellen generell als Myofibroblasten bezeichnet werden, muss man heute annehmen, dass je nach Lokalisation (lungenperipher oder -zentral,oder entsprechend der Position im Septum) ihre Funktion spezifisch angepasst ist. Sie können auf Differenzierung und Funktion des darüber liegenden Epithels Einfluss nehmen.

Die Endothelzellen schließlich bilden die Kapillarwand. Mit ihren dünnen Ausläufern ähneln sie den Typ-1-Zellen, breiten sich aber weniger weit aus. Die Lungenkapillaren sind vom geschlossenen Typ, d. h. von einer undurchbrochenen Endothelzelllage umgeben. Zusätzlich werden sie von einer Basalmembran umhüllt, die sie sich an den dünnen Stellen der Luft-Blut-Schranke mit den Pneumozyten teilen. Die Kapillarendothelien sind mit Perizyten assoziiert.