Lunge

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Anatomie & Physiologie

Anatomie der Lunge

• Die Lunge besteht aus zwei getrennten Lungenflügeln, die beiderseits die seitlichen Hälften des Brustraums ausfüllen.
• Die Lungenflügel sind durch tiefe Einschnitte in Lungenlappen unterteilt.
  • Der rechte Lungenflügel besteht aus drei, der linke aus zwei Lungenlappen. Hier fehlt der mittlere Lungenlappen, so dass Platz für das an dieser Stelle sitzende Herz ist.
  • Die Lungenlappen werden wiederum in Lungensegmente aufgeteilt.
• Jeder Lungenflügel ist von einer Hülle, der Pleura visceralis, überzogen, die - nur durch einen engen Flüssigkeitsspalt getrennt - an die Pleura parietalis grenzt, welche die innere Thoraxwand, das Zwerchfell und das Mediastinum überzieht.
• Die beiden Pleurablätter - zusammen oft als Brustfell bezeichnet - sind gegeneinander verschiebbar. Am Hilus der Lunge (Eintrittsstelle des Hauptbronchus und der Gefäße in den Lungenflügel) geht die Pleura visceralis in die Pleura parietalis über.

Atemwege

Obere Atemwege

• Physiologisch gelangt die Einatmungsluft durch die Nase, wo sie erwärmt, befeuchtet und gereinigt wird, bei forcierter Atmung außerdem durch die Mundhöhle in den Rachen (Pharynx), der bis zum Kehlkopf (Larynx) als gemeinsamer Weg für Luft und Speise dient.

Untere Atemwege

• Am Kehlkopf trennen sich Luft- und Speisewege, die Luft strömt nunmehr durch die Trachea (Luftröhre) und die Stammbronchien in den sich mehr und mehr verästelnden Bronchialbaum der Lunge.
• Die Trachea stellt ein weitlumiges, bindegewebiges Rohr dar, in das hufeisenförmig gekrümmte Knorpelspangen eingelagert sind, die auf ihrer offenen Seite durch glatte Muskelfasern verspannt werden.
• In Höhe des fünften Brustwirbels gabelt sich die Trachea in die beiden Stammbronchien, die schräg abwärts gerichtet beiderseits am Lungenhilus in einen Lungenflügel eintreten. Jeder Stamm- oder Hauptbronchus gibt mehrere Äste ab, die sich unter Lumenabnahme immer weiter aufteilen.
  • An der Gabelung (Bifurcatio tracheae) zweigt der linke Stammbronchus (Bronchus principalis sinister) etwas stärker als der rechte (Bronchus principalis dexter) ab.
    • Aus diesem Grund wird, wenn zu tief intubiert wird, meist nur der rechte Lungenflügel beatmet. Die Auskultation sollte daher unbedingt beidseitig erfolgen.
  • Die Stammbronchien teilen sich zunächst in die Lappenbronchien auf. Da es insgesamt nur fünf Lungenlappen gibt, sind auch die Lappenbronchien nicht symmetrisch angeordnet, sondern wie folgt:

    Linker Lungenflügel	Rechter Lungenflügel
    Bronchus lobaris superior sinister	Bronchus lobaris superior dexter
    -	Bronchus lobaris medius dexter
    Bronchus lobaris inferior sinister	Bronchus lobaris inferior dexter

  • Von den Lappenbronchien gehen die Segmentbronchien aus, die wiederum in noch kleinere Strukturen übergehen.
• Die größeren Bronchien sind durch Knorpelspangen, die kleineren durch Knorpelplättchen versteift. Diese Einlagerungen sorgen dafür, dass die Bronchien auch bei den Druckschwankungen während des Atmens stets offen gehalten werden.
• Durch zwischen und unter den knorpeligen Versteifungen liegende glatte Muskelfasern kann der Durchmesser der Bronchien verändert werden.
• Der Tonus der Bronchialmuskulatur wird vor allem durch das vegetative Nervensystem gesteuert, wobei eine erhöhte Aktivität des Parasympathikus bronchokonstriktorisch und eine des Sympathikus bronchodilatierend wirkt.
  • Die Effekte des Parasympathikus werden über die Aktivierung von M₃-Rezeptoren, die des Sympathikus über die Aktivierung von &beta₂-Adrenozeptoren und Inhibition von M₁-Rezeptoren vermittelt.
  • Diese Effekte werden physiologisch während der Inspirations- bzw. späten Exspirationsphase genutzt, um die Lungenbelüftung zu einem gewissen Grade zu unterstützen.
• Daneben gibt es Einflüsse durch das nicht-adrenerge-nicht-cholinerge System (NANC-System) und die C-Fasern, wobei ersteres erweiternd und letztere verengend wirken.
• Auch bei Entzündungen des Bronchialepithels freigesetzte Mediatoren können den Tonus der glatten Muskelzellen erhöhen und zu einer Bronchokonstriktion beitragen. Dieser Mechanismus spielt z.B. beim Asthma bronchiale eine Rolle.
• Die Innenwand der Trachea und der Bronchien ist mit einem sogenannten Respirationsepithel ausgekleidet, das Flimmerhaare trägt, die durch oral gerichtete Bewegungen eingeatmete Partikel und Bronchialsekret nach außen befördern können.
• Unter dem Epithel findet man gemischte Drüsen, die sowohl ein seröses als auch ein muköses Sekret absondern.
• Von den Bronchioli an fehlen die Flimmerhaare und die knorpeligen Versteifungen der größeren Bronchien.
• Das Epithel wird niedriger, und geht schließlich in das flache Alveolarepithel über.
• Die kleineren Bronchien verzweigen sich mehrfach in die Bronchioli. Die kleinsten rein bronchialen Strukturen bezeichnet man als Bronchioli terminales. An sie schließen sich die Bronchioli respiratorii an, die an ihren Wänden bereits einige Alveolen tragen. 
• Etwa mit der 20. Aufspaltung münden die Bronchioli respiratorii in die Alveolargänge (Ductuli alveolares), die nun dicht mit Alveolen (Lungenbläschen) besetzt sind.
• Die Schleimhaut des Bronchialsystems stellt ein eigenes komplexes Immunkompartiment dar, das über zahlreiche spezifische und unspezifische Abwehrmechanismen verfügt. So findet man im Bronchialsekret u.a. Lysozym, Teile des Komplementsystems, IgG und IgM, sekretorisches IgA, Proteaseinhibitoren und Antioxidantien.
• Das Bronchialsekret wird durch den Zilienapparat der Schleimhäute zu den zentralen Atemwegen befördert (mukoziliäre Clearance), von wo es durch Husten expectoriert werden kann ("Husten-Clearance").

Alveolen

• Die halbkugeligen Alveolen mit einem Durchmesser von etwa 0,2 - 0,3 mm sind von einem dichten Kapillarnetz umgeben, das von venösem Blut aus der Arteria pulmonalis durchflossen wird.
• Die Gesamtoberfläche der Alveolen wird auf 80 - 90 m², von manchen Autoren auch auf bis zu 120 m², geschätzt, ihre Anzahl dürfte bei ungefähr 300 Millionen liegen.

  • Die Gesamtoberfläche der Alveolen ist somit größer als die Grundfläche eines Tennisplatzes!

• Infolge des engen Kontaktes zwischen dem Kapillarblut und der Alveolarluft (die Wanddicke gesunder Alveolen beträgt gerade einmal etwa 1 µm) bestehen hier sehr günstige Bedingungen für den Austausch der Atemgase.

Ventilation

Allgemeines

• Unter dem Begriff Ventilation versteht man den Lufttransport in den Atemwegen.
• Die für den Gasaustausch notwendige Belüftung der Alveolen (alveoläre Ventilation) wird durch einen rhythmischen Wechsel von Inspiration (Einatmung) und Exspiration (Ausatmung) bewirkt.
• Bei der Inspiration gelangt sauerstoffreiche Frischluft in den Alveolarraum, während bei der Exspiration sauerstoffarme, mit Kohlendioxid angereicherte Luft an die Umgebung abgegeben wird.
• In körperlicher Ruhe müssen etwa 0,3 l/min O₂ aufgenommen und ca. 0,25 l/min CO₂ abgegeben werden.
• Dazu ist ein Atemzeitvolumen (AZV) von rund 8 l/min nötig. Für die Aufnahme von einem Liter O₂ müssen also etwa 26 l Atemluft eingeatmet werden.

  • Der O₂-Anteil an der normalen Luft in Meereshöhe beträgt etwas unter 21 %.

• Von den eingeatmeten 8 l/min gelangen nur etwa 5,6 l/min in die Alveolen der Lunge, der Rest ist Totraumventilation.

Atemmechanik

• Die Luftbewegungen bei Ein- und Ausatmung kommen durch rhythmischen Wechsel von Brustraumerweiterung und -verengung zustande.
• Das Einatmen ist ein aktiver Vorgang, bei dem durch Kontraktion der Inspirationsmuskulatur das intrathorakale Volumen vergrößert wird.
• Beim Einatmen werden die Rippenbögen angehoben und gleichzeitig das Zwerchfell abgeflacht.
• Mit der Ausdehnung der Lunge sinkt der intrapulmonale Druck unter den äußeren Atmosphärendruck ab. Aufgrund dieses Druckgefälles strömt Luft in die Alveolen ein.
• Die Ausatmung ist dagegen (bei ruhiger Atmung) weitgehend passiv.
• Infolge ihrer Elastizität kehrt die über die Pleuraflüssigkeit mit dem Brustkorb verbundene Lunge in die Ausgangsstellung zurück.

Atemvolumen

• Das Volumen des einzelnen Atemzuges ist bei Ruheatmung, verglichen mit dem in der gesamten Lunge enthaltenen Gasvolumen, verhältnismäßig gering.
• Über das normale Atemzugvolumen hinaus können aber bei Bedarf sowohl bei der Inspiration als auch bei der Exspiration erhebliche Zusatzvolumina aufgenommen bzw. abgegeben werden.
• Auch bei tiefster Ausatmung ist es jedoch nicht möglich, die gesamte Luft aus der Lunge zu entfernen.
• Ein bestimmtes, als Residualvolumen bezeichnetes Restvolumen, bleibt in den Alveolen und den zuleitenden Luftwegen zurück.
• Dieses Residualvolumen verhindert (zusammen mit dem Surfactant), dass die Alveolen beim Ausatmen kollabieren.
  • Gemäß dem Laplaceschen Gesetz würden sich größere Alveolen aufgrund ihrer günstigeren Druckverhältnisse auf Kosten kleinerer Alveolen weiter ausdehnen.
  • Auch dies verhindert das Surfactant, indem es die Oberflächenspannung kleiner Alveolen stärker senkt, als die von großen.
• Zu den weiteren wichtigen Parametern der Lungenfunktion, die insbesondere bei der Diagnose und Verlaufskontrolle des Asthma bronchiale bedeutsam sind, gehören der Maximalwert des Ausatmungsstroms (Peak flow, Peak Expiratory Flow, PEF) und die Sekundenkapazität, d.h. das Luftvolumen, das nach maximaler Inspiration innerhalb einer Sekunde ausgeatmet werden kann (forciertes exspiratorisches Volumen, FEV).

Austausch der Atemgase

• In den Alveolen beträgt der O₂-Partialdruck ca. 13,3 kPa (100 mmHg), dagegen weist das venöse Blut in den Lungenkapillaren nur einen O₂-Partialdruck von ca. 5,3 kPa (40 mmHg) auf. Es besteht somit eine Partialdruckdifferenz für Sauerstoff von ca. 8 kPa (60 mmHg).
• Der CO₂-Partialdruck in den Alveolen beträgt ca. 5,3 kPa (40 mmHg), der CO₂-Partialdruck am Anfang der Lungenkapillaren etwa 6,1 kPa (46 mmHg). Die Partialdruckdifferenz für Kohlendioxid beträgt somit ca. 0,8 kPa (6 mmHg).

  • Zum Vergleich: Die normale Einatemluft (101,3 kPa, 760 mmHg) enthält O₂ in einem Partialdruck von 21,17 kPa (158,8 mmHg) und CO₂ mit 0,03 kPa (0,23 mmHg).

• Aufgrund dieser Partialdruckdifferenzen findet ein Gasaustausch an den alveolo-kapillären Membranen statt.
• Für den Ausgleich der Partialdrücke stehen jedem Erythrozyten nur etwa 0,75 sec pro Lungenpassage zur Verfügung, die sogenannte Kontaktzeit (zwischen Erythrozyt und Alveole).
  • Dass CO₂ trotz der geringen Partialdruckdifferenz ausreichend rasch diffundiert, beruht darauf, dass der Diffusionskoeffizient von CO₂ im Lungengewebe etwa 23mal höher ist als der von O₂.
  • Bei Belastung kann die Kontaktzeit auf ungefähr 1/3 des Ruhewertes absinken.
• Ein effektiver Austausch durch Diffusion erfordert eine große Austauschfläche und einen kleinen Diffusionsweg.
• Beide Voraussetzungen sind in der Lunge erfüllt:
  • Die Alveolaroberfläche ist mit etwa 80 - 90 m² sehr groß, und der Diffusionsweg mit nur etwa 1 µm sehr klein.
• Nach der Alveolarpassage beträgt O₂-Partialdruck des Blutes etwa 13,3 kPa, doch sinkt dieser durch Beimischung nicht Sauerstoff-angereicherten Blutes aus arteriovenösen Kurzschlüssen in der Lunge auf etwa 12,0 kPa zu Beginn der Aorta ab.
• Unter pathologischen Bedingungen kann es durch Einschränkung der Austauschfläche oder Verlängerung des Diffusionsweges zu einem unzureichenden Gasaustausch in der Lunge kommen.
• Eine Einschränkung der Austauschfläche liegt z.B. beim Lungenemphysem infolge eines Schwunds der Alveolarsepten und bei Atelektasen (Nichtbelüftung von Lungenabschnitten) vor.
• Eine Verlängerung des Diffusionsweges findet man vor allem beim Lungenödem durch Vermehrung der interstitiellen Flüssigkeit sowie bei Lungenfibrosen infolge einer Einlagerung von Bindegewebe.

Lungenperfusion

• Vernachlässigt man die geringe Blutmenge, die die Lunge über die Bronchialarterien ereicht, so entspricht die Lungendurchblutung dem HZV von (in Ruhe) etwa 5 - 6 l/min.
  • Zusammen mit der arteriovenösen O₂-Differenz von etwa 0,05 l O₂ pro 1 l Blut ergibt das so in die Peripherie gelangende O₂-Volumen den oben bereits erwähnten Wert von ca. 0,3 l/min (0,05 · 6).
• Der Blutdruck in der Arteria pulmonalis beträgt systolisch etwa 25 mmHg und diastolisch ca. 8 mmHg. Der sich daraus ergebende Mitteldruck von etwa 15 mmHg fällt bis zum Beginn der Lungenkapillaren auf etwa 12 mmHg ab, am Ende der Lungenkapillaren beträgt er nur noch etwa 8 mmHg.
  • Daraus lässt sich ableiten, dass das Lungengefäßsystem im Vergleich mit dem Körperkreislauf einen sehr geringen Strömungswiderstand hat.
  • Mit zunehmender Durchblutung wird dieser durch Dilatation der Lungengefäße und Eröffnung von Reservekapillaren weiter reduziert.
• Die eben angegebenen Werte gelten allerdings nur für die Lungenbezirke, die auf Höhe der Pulmonalklappe des Herzens liegen.
• Bei Gefäßen unterhalb dieses Niveaus kommt bei aufrechter Körperhaltung ein zusätzlicher hydrostatischer Druck der Blutsäule hinzu, der bis zu 12 mmHg betragen kann, in Gefäßen oberhalb ist der Druck entsprechend reduziert.
  • In Bereichen weit oberhalb der Pulmonalklappe, also nah an den Lungenspitzen, kann der präkapilläre Druck sogar subatmosphärisch werden. Hier werden die Kapillaren weitgehend durch die Alveolen komprimiert.
• Die Lungendurchblutung ist somit nicht über die gesamte Fläche der Lungen konstant, sondern vielmehr (bei aufrechter Körperhaltung) im oberen Teil deutlich reduziert und im unteren Teil relativ zur Mitte deutlich gesteigert.

Atmungsregulation

• Aufgabe der Atmungsregulation ist es, in Ruhe und bei Belastung die Ventilationsgröße der jeweiligen Stoffwechsellage optimal anzupassen und dabei den O₂- und CO₂-Partialdruck sowie den pH-Wert des arteriellen Blutes auf dem Sollwert zu halten.
• Atemtiefe und Atmungsfrequenz müssen dabei so aufeinander abgestimmt werden, dass die Atmungsarbeit unter möglichst ökonomischen Bedingungen erfolgt.
• Zur Bewältigung dieser Aufgabe verfügt der Organismus über ein komplexes Regelsystem.
• Die rhythmische Folge von Inspiration und Exspiration kommt durch das Zusammenwirken bestimmter Zellgruppen im Rautenhirn, den sogenannten Atmungszentren, zustande.
• Die abwechselnde Entladung von Neuronen, die die Inspiration bzw. Exspiration auslösen, bewirkt den zentralen Atmungsrhythmus.
• Dieser kann, den jeweiligen Bedürfnissen entsprechend, auf verschiedene Weise moduliert werden.
• Die Atmung wird gesteigert bei:
  • Einer Erhöhung des CO₂-Partialdruckes
  • Einer Abnahme des O₂-Partialdruckes
  • Einer Abnahme des arteriellen pH-Wertes.
• Die Blutgas- und pH-Wirkungen werden dabei z.T. über periphere Chemorezeptoren vermittelt.
• Solche Chemorezeptoren liegen auf beiden Halsseiten an der Teilungsstelle der Halsschlagader im Glomus caroticum.
  • Bei diesem handelt es sich um ein Paraganglion, d.h. um ein aus dem Parasympathikus hervorgegangenes Ganglion.
  • Weitere derartige Paraganglien finden sich in unmittelbarer Nähe des Aortenbogens.
• Während die Atmungssteigerung bei einer Abnahme des O₂-Partialdruckes ausschließlich über die Chemorezeptoren zustande kommt, wird diese bei einem Anstieg des CO₂-Partialdrucks und einer Erhöhung der H⁺-Konzentration nur zu einem geringen Teil auf diese Weise ausgelöst.
• Der überwiegende Einfluss von CO₂ und H⁺-Ionen auf die Atmung beruht auf einer direkten Wirkung auf chemosensible Strukturen im Hirnstamm.
• Neben den eben genannten spezifischen Reizen kann auch eine Reihe unspezifischer Reize die Atmung beeinflussen.
• Hierzu gehören u.a. Schmerz- und Temperaturreize. Ferner bewirken verschiedene Hormone (z.B. Epinephrin und Progesteron) eine Steigerung der Atmung.

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