Kinderchirurgie
Autoren
Sibylle Koletzko und Michael J. Lentze

Physiologie des Verdauungstraktes im Kindesalter

Die Physiologie des Verdauungstraktes von Neugeborenen, Säuglingen und Kindern unterscheidet sich nicht grundsätzlich von der des Erwachsenen. Das Alter des noch wachsenden Kindes bestimmt jedoch nicht nur Länge und Größe der an der Verdauung beteiligten Organe, sondern auch Entwicklung und Ausreifung physiologischer Funktionen. Daher wird in diesem Kapitel auf die altersabhängige Entwicklung physiologischer Funktionen eingegangen. Diese spielt v. a. bei Frühgeborenen, Neugeborenen und jungen Säuglingen eine herausragende Rolle.
Die Physiologie des Verdauungstraktes von Neugeborenen, Säuglingen und Kindern unterscheidet sich nicht grundsätzlich von der des Erwachsenen. Das Alter des noch wachsenden Kindes bestimmt jedoch nicht nur Länge und Größe der an der Verdauung beteiligten Organe, sondern auch Entwicklung und Ausreifung physiologischer Funktionen. Daher wird in diesem Kapitel auf die altersabhängige Entwicklung physiologischer Funktionen eingegangen. Diese spielt v. a. bei Frühgeborenen, Neugeborenen und jungen Säuglingen eine herausragende Rolle.

Entwicklung des Gastrointestinaltraktes: Digestion und Absorption von Nahrungsmitteln

Die Entwicklung des Gastrointestinaltraktes während der fetalen Reifung in utero ist Voraussetzung für das Überleben nach der Geburt. Sowohl die digestive und absorptive Kapazität der intestinalen Organe als auch der Kontakt mit pathogenen Keimen durch ein aktives angeborenes und erworbenes Immunsystem garantiert normales Wachstum und Gedeihen im frühen Leben des Neugeborenen und Säuglings. Der Gastrointestinaltrakt hat digestive, absorptive und sekretorische Aufgaben sowie eine Barrierefunktion. Er ist auch Teil des endokrinen Systems und stellt das größte immunologische Organ im Menschen dar. Der Fetus bereitet den Gastrointestinaltrakt für das extrauterine Leben vor. Hierbei müssen Nahrungsmittel verdaut und aufgenommen werden, der Transport durch den Darm bewerkstelligt und eine Barriere errichtet werden für die diversen pathogenen und apathogenen Keime und dem symbiotischen Leben mit ihnen im Dickdarm. Antigene müssen erkannt und verarbeitet werden, ohne den ganzen Körper krank zu machen.
Der menschliche Darm entwickelt sich aus einem Schlauch aus Mesoderm mit einem Kern aus Endoderm, aus dem sich später die glatte Muskulatur bzw. das Darmepithel entwickeln. Aus der Neuralleiste wachsen spezialisierte Nervenzellen in der 5.–12. Embryonalwoche in kraniokaudaler Richtung als Basis für das enterische Nervensystem (ENS). Dabei wird zunächst der Plexus myentericus (Auerbach) gebildet, der vorwiegend für die Motilität zuständig ist. Durch Vordringen von Nervenzellen durch die innere Muskelschicht wird der Plexus submucosus (Meissner) geformt. Er beeinflusst Sekretion und Absorption.
In der 3. Gestationswoche kann man dann den Vordarm, den Mitteldarm und den Enddarm unterscheiden. Ösophagus und Magen entwickeln sich aus dem Vordarm, beginnend in der 4. Gestationswoche. An der Grenze zwischen Vordarm und Mitteldarm entwickeln sich das Pankreas, die Gallenwege und die Leber durch Ausstülpung in der 5. Gestationswoche. Der Dünndarm verlängert sich in der 6.–7. Gestationswoche, und führt seine Rotation von 270° gegen den Uhrzeigersinn durch. Ein Ausbleiben dieser Rotation ist mit verschiedenen Ausprägungen der Malrotation verbunden. Die Funktionen des Gastrointestinaltraktes entwickeln sich parallel zu den morphologischen Veränderungen.

Ösophagus und Magen

Ösophagus und Magen entwickeln sich aus dem Vordarm in der 4. Gestationswoche und sind in der 10. Woche so weit morphologisch entwickelt, dass sie auch ihre Funktion übernehmen können, denn der Fetus beginnt ja ab der 16. Gestationswoche, Fruchtwasser zu schlucken. Das Volumen des verschluckten Fruchtwassers beträgt bei Beginn 2–7 ml/Tag, später etwa 20 ml/Tag in der 20. Gestationswoche und etwa 450 ml/Tag am Geburtstermin.
Die Säureproduktion reift erst über die ersten Monate nach der Geburt heran. Intragastrale pH-Werte zwischen 1 und 2 werden schon in den ersten postpartalen Tagen gemessen, aber die basale und die durch Pentagastrin stimulierte Säureproduktion erreicht erst zum 8. Lebensmonat ihr Plateau.
Bei Neugeborenen besteht eine Hypergastrinämie. Die Konzentrationen des Gastrins im Blut sind höher als bei Erwachsenen. Möglicherweise dient Gastrin als Wachstumsfaktor für die Dünndarmschleimhaut und damit zur Verbesserung der intestinalen Verdauungsfunktion.
Pepsin erreicht seine volle hydrolytische Aktivität um den Geburtstermin herum, ist aber bereits auch schon bei Frühgeborenen von 1000 g nachweisbar und hat bereits die halbe Aktivität verglichen mit der bei reifen Termingeborenen.

Dünndarm

Zwischen der 9. und der 26. Gestationswoche entwickelt auch der Dünndarm seine digestive und absorptive Kapazität ausgehend von einem primitiven undifferenzierten Epithel zu einem voll differenzierten Organ mit Krypten und Villi, was zu einer enormen Vergrößerung der absorptiven Oberfläche führt. In der 10. Gestationswoche sind die meisten absorptiven Mechanismen wie Enzyme und Transporter erstmals messbar. Sie reifen bis zur 25. Woche zur vollen Aktivität heran. Dies ist wichtig für die Bewältigung der „Abfälle“ aus dem Turnover der Zellen, die sich ab der 11.–12. Woche alle 5 Tage erneuern und auch durch Apoptose absterben. Die gesamte Oberfläche des Dünndarms muss demnach alle 5 Tage rezirkuliert werden.
Der Gastrointestinaltrakt ist in der Lage, Abfälle aus dem Turnover der Zellen zu verdauen und zu rezirkulieren. Außerdem können mit dem Fruchtwasser verschluckte Substanzen verdaut und absorbiert werden. Dies trifft sowohl für die Kohlenhydrate als auch für die Proteine zu.

Kohlenhydrate

Die Saccharase-Isomaltase, die ab der 10. Woche messbar wird, kann bereits komplexe Kohlenhydrate sowohl in α1-4-glykosidischer Verknüpfung als auch in α1-6-glykosidischer Verbindung hydrolysieren (Abb. 1). Sie übernimmt damit die Funktion der sehr viel später aktiv werdenden α-Amylase des Pankreas. Körpereigenes Glykogen kann durch die Saccharase-Isomaltase bereits hydrolysiert werden. Laktose kann ebenfalls fetal hydrolysiert werden, allerdings fehlt hierfür das Substrat Laktose, die erst postnatal über die Muttermilch zugeführt wird. Die volle Aktivität der Laktase wird mit 32. Wochen erreicht. Die Gabe von Muttermilch oder einer Frühgeborenenmilch ist aber aus Sicht der Laktaseaktivität auch bei Frühgeborenen unter 32 Gestationswochen kein Problem. Eine gewisse Laktosemalabsorption ist auch bei reifen Säuglingen physiologisch und fördert das sich entwickelnde intestinale Mikrobiom. Nach Spaltung der Laktose werden die Produkte Glukose und Galaktose über den natriumabhängigen Glukosetransporter 1 (SGLT 1) aufgenommen, der bereits in der 10. Woche erscheint (Davidson et al. 1992). Die Kapazität der Saccharase-Isomaltase für die Hydrolyse von Stärke ist begrenzt. Damit können Frühgeborene und Neugeborene nur begrenzte Mengen von Stärke abbauen

Proteine

Trypsinogen ist in der 24. Woche und aktives Trypsin in der 26. Woche nachweisbar. Die für die Aktivierung des Trypsinogens erforderliche Enterokinase der Bürstensaummembran erscheint in der 24. Woche. Die durch die Digestion anfallenden Produkte wie Peptide und Aminosäuren können durch die Peptidasen der Bürstensaummembran hydrolysiert und anschließend über die Aminosäuretransporter bzw. die Dipeptidtransporter aufgenommen werden, die wie die Zuckertransporter in der 10. Woche messbar sind und bis zur 25. Woche ihre volle Aktivität entfalten (Abb. 1; Adibi 2003).

Lipide

Was die Fettverdauung angeht, so werden die Magen-Lipase und Pankreas-Lipase zwischen der 24. und 26. Woche voll aktiv (Menard 1994). Die durch Gallensäuren stimulierte Muttermilch-Lipase hilft nach der Geburt im Konzert der anderen Lipasen, das Fett zu verdauen (Abb. 2; Boehm et al. 1991). Einzig die α-Amylase des Pankreas reift sehr viel später heran. Ihre volle Aktivität wird im 6. Lebensmonat erreicht. Größere Mengen von Stärke können erst dann gut verdaut werden. Bis dahin übernehmen die Saccharase-Isomaltase und Maltase-Glucoamylase diese Funktion (Terada und Nakanuma 1995).

Digestive Kapazität

Im Dünndarm selbst besteht ein deutlicher Unterschied zwischen Duodenum und Ileum, was die Länge der Zotten und deren digestive Kapazität angeht. Während die Zotten im Duodenum etwa 0,8 mm lang sind, sind die des Ileums nur ca. 0,5 mm lang. Damit vermindert sich die digestive Kapazität und die Oberfläche von proximal nach distal. Positiv beeinflusst wird dieser Gradient im Duodenum durch die Nahrung, negativ durch Hungern und durch parenterale Ernährung. Im Ileum dagegen besteht dagegen eine höhere adaptative Kapazität. Bei Verlust von proximalem Dünndarm, wie z. B. bei Operation eines Volvulus mit konsekutivem Kurzdarmsyndrom, kann das Ileum die digestive und absorptive Kapazität deutlich erhöhen. Hier kann das Ileum zur erhöhten Adaptation gebracht werden (Abb. 3).
Die Mechanismen, die zur Adaptation führen, sind vielfältig. Die oral aufgenommene Nahrung hat hierbei den Haupteinfluss auf die Adaptation. Freie Fettsäuren, kurz- und langkettige Fettsäuren, eine Diät mit hohem Proteinanteil, fraglich Glutamin und Kohlenhydrate sind die wesentlichen Faktoren, die die Adaptation positiv beeinflussen. Disaccharide sind hierbei wirksamer als Monosaccharide. Außerdem beeinflussen die Sekretionen aus Pankreas und Galle die Adaptation sowie Hormone und Wachstumsfaktoren. Ein dem Enteroglukagon ähnliches Peptid, das „glucagon-like peptide 2“ (GLP2) hat hierbei die stärkste adaptative Wirkung gezeigt. Seine Sekretion in den L-Zellen des unteren Ileums und Kolons wird durch Nährstoffe stimuliert. Mit Teduglutid steht ein Langzeitanalogon von GLP2 zur Therapie von Kindern und Erwachsenen mit Kurzdarm zur Verfügung, bei denen eine weitere Adaptation und damit Unabhängigkeit von einer parenteralen Ernährung durch andere Maßnahmen nicht erreicht werden kann (Carter et al. 2017) (Abb. 4; Tappenden 2006; Alpers 2006).

Entwicklung der Motilität des Gastrointestinaltraktes

Die gastrointestinale Motilität ist das Ergebnis einer gerichteten Aktivität der glatten Muskulatur im Magen-Darm-Trakt. Sie sorgt nicht nur für den reibungslosen Transport des Speisebolus oder von Flüssigkeit von der Mundhöhle bis zum Anus, sondern ist auch Voraussetzung für eine adäquate Verdauungsleistung. Sie unterliegen einer komplexen myogenen, neurogenen, hormonalen und immunologischen Regulation (Wallace und Burns 2005).

Ösophagus- und Magenmotilität

Der Ösophagus ist ein Muskelschlauch, der feste Speisen und Flüssigkeit in den Magen transportieren soll. Beim Abschlucken öffnet sich der obere Ösphagussphinkter vorübergehend. Der Bolus wird durch kräftige, einschnürende Kontraktionen nach distal transportiert. Mit Beginn der peristaltischen Welle im proximalen Ösophagus öffnet sich bereits der untere Ösophagussphinkter. Früh- und Neugeborene haben einen niedrigen Sphinkterdruck im Ösophagussphinkter und häufiger transitorische Relaxationen ohne Schluckakt, sodass ein gastroösophagealer Reflux häufiger auftritt. Auch die Magenentleerung unterliegt einem Reifungsprozess mit einer langsameren Entleerung bei Früh- im Vergleich zu Reifgeborenen. Muttermilch wird schneller entleert als Säuglingsmilch auf Kuhmilchbasis.

Dünndarmmotilität

Bei der motorischen Aktivität unterscheiden wir die Nüchternaktivität von der postprandialen Aktivität. Vor der 31. Woche kann kaum eine geordnete Nüchternaktivität beobachtet werden, sondern nur einige zufällige Kontraktionen. Zwischen der 31. und 34. Woche treten besser koordinierte Muskelkontraktionen auf. Am Geburtstermin finden sich schließlich gut unterscheidbare Phase-I-, -II- und -III-Kontraktionen des migrierenden Motorkomplexes als Ausdruck gereifter Nüchternaktivität (Bisset et al. 1989).
Die postprandiale Aktivität entwickelt sich dementsprechend. Bei Frühgeborenen der 31. Woche konnte keine postprandiale Aktivität gemessen werden (Bisset et al. 1988a). Zwischen der 31. und 35. Woche kommt es zu einer leichten postprandialen Aktivität und nach der 35. Woche zu einer geordneten typischen postprandialen Aktivität (Bisset et al. 1988b).
Die Motilität und ihre Entwicklung stellen somit den limitierenden Faktor für die Ernährung von Frühgeborenen dar, da die digestiven und absorptiven Funktionen bereits früher und in ihrer Aktivität besser entwickelt sind.
Die fehlende oder nur wenig ausgeprägte Motilität zwischen der 24. und 35. Gestationswoche macht in diesem Zeitabschnitt die Ernährung von Frühgeborenen zu einer schwierigen und durch mannigfache Rückschläge gekennzeichnete Zeitperiode, in der dann auch die typischen Komplikationen wie die nekrotisierende Enterokolitis auftreten.

Intestinale Barrierefunktion und Kolonisation des Gastrointestinaltraktes

Der Gastrointestinaltrakt stellt eine Barriere für verschluckte oder durch die Nahrung zugeführte Antigene dar. Es werden unterschieden:
  • Die nichtimmunologischen Abwehrmechanismen beinhalten die Magensäure, Pankreas- und Gallesekretionen, die Schleimschicht auf der Mukosa, den Zell-Turnover und den Blutfluss im Darm.
  • Zu den immunologischen Abwehrmechanismen zählen wir Komponenten der Muttermilch wie sIgA, Lymphozyten, Makrophagen, Leukozyten und Komplement. Laktoferrin, Lysozym, Lipasen, Laktoperoxidase, Oligosaccharide dagegen sind nichtimmunologische Faktoren der Muttermilch, die zur Barrierefunktion beitragen.
Die Entwicklung des intestinalen Immunsystems erfolgt während der Schwangerschaft. Es besteht aus 3 Komponenten:
  • Lymphfollikel der Peyer-Plaques: Die ersten Anlagen der Peyer-Plaques finden sich in der 11. Woche, jedoch noch ohne Lymphozyten (Owen und Jone 1974). In der 24. Woche finden sich 45, in der 29. Woche 60 und bei Geburt 120 Peyer-Plaques. Die Zahl steigt im Teenageralter auf 250, um dann graduell bis zum 90. Lebensjahr wieder auf 100 abzufallen. Die Lymphfollikel werden ab der 16. Woche mit T- und B-Lymphozyten besiedelt.
  • Lymphoide Zellen in der Lamina propria: Vor der Geburt sind keine IgA-positiven Zellen nachzuweisen. Sie finden sich in den ersten 12 Tagen nach der Geburt in der Mukosa ein. T-Zellen sind bereits ab der 12. Woche vorhanden.
  • Intraepitheliale Lymphozyten: Sie finden sich ebenfalls schon in der 12. Woche der Gestation.
Die Dünndarmmukosa exprimiert Rezeptoren für enterale Infektionen. Eine geringere Rezeptordichte bei Säuglingen z. B. für bestimmte Toxine erklärt, warum eine Besiedlung mit Clostridium difficile vom Neugeborenen besser vertragen wird als bei älteren Kindern und Erwachsenen. Die Kolonisation des Gastrointestinaltraktes beginnt unmittelbar nach der Geburt und hängt vom Geburtsmodus ab. Vaginal entbundene Neugeborene weisen ein anderes intestinales Mikrobiom auf als durch Kaiserschnitt entbundene. Die Ernährung mit Muttermilch begünstigt Bifidobacterium bifidum und Laktobazillen im Vergleich zu nicht gestillten Säuglingen. Das Mikrobiom ist in den ersten Lebensmonaten noch sehr leicht durch äußere Einflüsse wie Ernährung, aber besonders auch Antibiotika auch längerfristig beeinflussbar (Yasmin 2017).
Literatur
Adibi SA (2003) Regulation of expression of the intestinal oligopeptide transporter (Pept-1) in health and disease. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol 285:G779–G788CrossRefPubMed
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Yasmin F, Tun HM, Bonya TB, Gutman DS, Chari RS et al (2017) Cesarean section, formula feeding, and infant antibiotic exposure: separate and combined impacts on gut microbial changes in later infancy. Front Pediatr 5:200CrossRefPubMedPubMedCentral