Atemphysiologie bei Säuglingen, Kindern und Jugendlichen

Die Nase trägt beim Säugling fast zur Hälfte, beim Erwachsenen sogar etwas mehr, zum gesamten Atemwegswiderstand bei. Generell ist der Widerstand bei Mundatmung viel kleiner als bei Nasenatmung. Aufgrund der speziellen Konfiguration der oberen Luftwege im Säuglingsalter atmen Neugeborene und Säuglinge fast obligat oder wenigstens präferenziell durch die Nase. Die Epiglottis ist relativ groß, weich und hoch im Pharynx gelegen, sodass diese dem weichen Gaumen anliegen kann, was die Nasenatmung begünstigt. Ebenfalls beeinträchtigt die verhältnismäßig große Zunge die Mundatmung. Neugeborene und Säuglinge sind wohl in der Lage bei Obstruktion der Nasenpassage durch den Mund zu atmen, jedoch deutlich weniger effizient als ältere Kinder. Deshalb kann bereits eine banale Rhinitis die Atmung des Säuglings erheblich beeinträchtigen. Während der ersten 2 Lebensjahre verlagert sich der Larynx dann kaudalwärts unter die Zunge, was die Mundatmung und die Sprachentwicklung erleichtert.

Nach der Nase ist der Larynx die engste Stelle der oberen Luftwege, wobei beim Säugling das Krikoid die größte Enge darstellt. Beim älteren Kind und beim Erwachsenen ist dies dann die Glottisöffnung (Stimmbänder).

Die Luftwege des Säuglings und Kleinkindes sind wohl relativ groß im Vergleich zu denjenigen eines Erwachsenen, hingegen in absoluten Maßen sind sie klein. Geringe Veränderungen im Durchmesser der Luftwege haben deshalb beim Säugling einen viel größeren Anstieg des Atemwegswiderstandes zur Folge, da sich dieser in der 4. Potenz jeder Verringerung des Radius erhöht. Zudem sind die Luftwege des Säuglings viel elastischer und können bei forcierter Atmung leichter kollabieren. Der dynamische Luftwegkollaps spielt in der Pathophysiologie obstruktiver Luftwegserkrankungen im Kindesalter deshalb eine wichtige Rolle. Der maximale Fluss durch die Atemwege ist also nicht nur durch den Atemwegsdurchmesser, sondern zusätzlich durch die hohe Compliance der Atemwegswand limitiert.

Beim Erwachsenen machen die größeren Luftwege (>2 mm im Durchmesser) den größten Teil des Atemwegswiderstandes aus, da die kleinen Luftwege eine viel größere Querschnittsfläche für den gesamten Luftfluss zu Verfügung stellen. Beim Säugling tragen die kleinen Luftwege proportional noch viel mehr zum gesamten Atemwegswiderstand bei. Dieser Anteil verringert sich aber mit zunehmendem Alter durch Zunahme von Länge und Durchmesser der Luftwege. Dies erklärt, warum Erkrankungen der ganz kleinen Luftwege (z. B. Bronchiolitis) beim Erwachsenen eher klinisch stumm verlaufen, jedoch beim Säugling deutliche Symptome und eine signifikante Zunahme der Atemarbeit verursachen.

Insgesamt trägt der Brustkorb beim Säugling wegen seiner Form, hohen Compliance und Deformierbarkeit wenig zur Atmung bei. Die Rippen liegen viel horizontaler, was die Effizienz der Interkostalmuskulatur den Thoraxdurchmesser zu vergrößern verringert. Aufgrund des weichen Thoraxskeletts kommt es beim Säugling bei vielen pathologischen Zuständen mit vermehrter Atemarbeit zu charakteristischen Retraktionen, d. h. der Thorax wird während der Inspiration eingezogen (paradoxe Atembewegung). Dabei wird viel Atemarbeit für das Einziehen von Rippen anstelle von Luft verschwendet. Dasselbe Phänomen kann bei Verlust der stabilisierenden Interkostalmuskulatur beobachtet werden (neuromuskuläre Erkrankungen, thorakale Rückenmarksverletzungen, REM-Schlaf etc.). Erst mit dem Erreichen des 1. Lebensjahres ist der Anteil des Brustkorbes an der Atmung mit dem Erwachsenen vergleichbar.

Richtige Alveolen werden erst etwa ab der 28. Gestationswoche gebildet und diese vergrößern sich in Zahl, Größe und Komplexität bis etwa zum 3. Lebensjahr. Das Lungenvolumen eines Termingeborenen verdoppelt sich bis zum 6. Lebensmonat und verdreifacht sich bis zum 1. Lebensjahr. Das unterschiedliche Wachstum von Luftwegen und Lungenparenchym wird als disynaptisches Wachstum bezeichnet und resultiert in Luftwegen, die in Bezug auf das Lungenvolumen bei Geburt relativ groß sind.

Lungenparenchym und Luftwege wachsen erst nach Abschluss der Alveolarisation gleichmäßig.

Die elastische Retraktionskraft des Lungenparenchyms (Alveolarsepten) nimmt mit Ausreifung und Wachstum der Lunge fortlaufend bis ins Adoleszentenalters zu. Durch ihren radialen Zug auf die Atemwege beeinflusst sie deren Kaliber und den Atemwegswiderstand. Wegen der geringen Zahl von Alveolen im Säuglingsalter ist der radiale Zug des elastischen Lungenfasergerüstes auf die Atemwege noch gering. Dies erklärt, warum die Luftwege im Säuglingsalter leichter und sogar trotz geringem Enfaltungsdruck kollabieren können.

Kollaterale Ventilationswege (intraalveoläre Kohn’sche Poren, bronchoalveoläre Lambert’sche Kanäle) sind bei Säuglingen noch nicht vorhanden und bilden sich erst ab dem 3. bis 4. Lebensjahr vollständig aus. Während eine Obstruktion der kleinen Luftwege (<2 mm im Durchmesser) bei älteren Kindern und Erwachsenen kaum eine Verminderung der Vitalkapazität zur Folge hat, da die verschlossenen Alveolen über kollaterale Kanäle ventiliert werden können, bleiben diese beim Säugling wegen der fehlenden kollateralen Ventilation von der Atmung ausgeschlossen. Dadurch wird das Ventilations-Perfusions-Gleichgewicht schneller gestört und das Auftreten von Hypoxämie und Hyperkapnie bei obstruktiven Erkrankungen der kleinen Luftwege (z. B. Bronchiolitis, Asthma) begünstigt.

Die Atemruhelage wird durch das Gleichgewicht zwischen der elastischen Retraktionskraft der Lunge und des Thorax bestimmt. Wegen der hohen Thoraxcompliance erreicht der Säugling sein Equilibrium bei einem relativ viel kleineren Lungenvolumen. Eine Exspiration bis zum elastischen Gleichgewicht ist für den Säugling jedoch ungünstig, da es dabei zum Atemwegskollaps kommen würde. Mittels verschiedener Regulationsmechanismen halten deshalb Säuglinge ihre Atemruhelage aktiv oberhalb des elastischen Gleichgewichtes:

Mit der Zunahme der elastischen Retraktionskraft und der besseren Stabilität des Thorax verschwinden diese Mechanismen gegen Ende des 1. Lebensjahres.

Das Zwerchfell ist der wichtigste Atemmuskel und jede Beeinträchtigung der Zwerchfellfunktion prädisponiert insbesondere den Säugling zu Atemnot (Zwerchfellparese, geblähtes Abdomen, Lungenblähung). Das ältere Kind kann eine Zwerchfellparese wegen der geringeren Thoraxcompliance viel besser kompensieren.

Zwerchfell und Interkostalmuskeln sind Antagonisten an der unteren Thoraxapertur und stabilisieren diese während der Inspiration. Der Ansatzwinkel des Zwerchfells an der unteren Thoraxapertur ist beim Säugling viel horizontaler als beim älteren Kind. Dadurch besteht die Tendenz zur Retraktion der unteren Rippen während der Inspiration, da das Zwerchfell den Thorax nach innen zieht – eigentlich eine exspiratorische Tätigkeit. Eine paradoxe Einwärtsbewegung der unteren Thoraxapertur während der Inspiration kann bei pulmonaler Überblähung (Hoover-Zeichen) beobachtet werden.

Bei Geburt besteht das Zwerchfell histochemisch hauptsächlich aus schnellen Typ-II-Muskelfasern und es ist deshalb relativ schlecht ausgerüstet eine hohe Atemarbeit aufrecht zu erhalten. Erst mit dem Erreichen des 1. Lebensjahres sind die langsameren, ermüdungsresistenten Typ-I-Muskelfasern vollständig ausgebildet. Ebenfalls benötigen Frühgeborene noch erhebliche Reifungsprozesse in der Koordination der Atemmuskulatur der oberen Luftwege und des Zwerchfells, was sie für obstruktive Apnoen anfällig macht.

Lungenphysiologisch unterscheidet man obstruktive von restriktiven Ventilationsstörungen. Bei vielen Lungenkrankheiten liegen jedoch kombinierte Funktionsstörungen vor, wobei meist eine der beiden Komponenten dominiert. In der Regel wird die Atemarbeit durch eine optimale Kombination von Atemzugvolumen und Atemfrequenz so ökonomisch wie möglich ausgeführt. Da tiefe Atemzüge einen großen Kraftaufwand verlangen, wird bei einer restriktiven Störung die Atmung flacher und die Frequenz erhöht, während bei obstruktiven Störungen die Atemfrequenz vermindert und das Atemzugvolumen erhöht wird. Eine Ausnahme dazu bildet der Säugling, da er aufgrund seiner besonderen Atemmechanik auf eine Erhöhung der Atemarbeit generell mit einer Zunahme der Atemfrequenz reagiert.