Vorlesung WS 2004 (bis ende november)

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18.10.2004
Physiologie WS 0405
Atemphysiologie
1A Einführung
a. Aufgaben der Lunge
– Gasaustausch (CO2, O2)
– Metabolismus (z.B. Angiotensin I -> Angiotensin II durch ACE)
– Ausscheidung flüchtiger, toxischer Stoffe (z.B. Alkohol)
– Blutreservoir
– Filter für Gerinnsel (Herz, Gehirn!)
b. Warum ein eigenes Organ für Gasaustausch?
– Einzeller: Diffusion
Kann der Mensch durch die Haut atmen?
Im Prinzip ja, aber wie hoch ist die Eindringtiefe xO2?
Abhängig vom Krogh-Diffusions-Koeffizient -> 1,5*10-8l / (min*m*kPa)
jedenfalls xO2 = 0,37 mm
Fazit: es geht, aber es geht auf weite Strecken zu langsam
-> Diffusion auf kurze Strecken wichtig und notwendig!
c. Wobei wird O2 gebraucht, und wodurch entsteht CO2?
Nährstoffoxidation: Umsetzung Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße mit O2 zu CO2, H2O und
Wärme bzw ATP (bei Eiweißen +NH3).
d. von wo nach wo wird transportiert`?
Luft: 21% O2, 0,03 % CO2
Luft -> Lungenalveolen -> Kapillaren
e wie wird transportiert?
1. Ventilation
Konvektiver Transport (ATP) (konvektiv = mitführend)
2. Alveole -> Blut:
Diffusion
3. Verteilung mit dem Blutstrom:
Konvektiver Transport (ATP)
4. Blut -> Gewebe:
Diffusion
Störungen des Gastransportes
1. Ventilation: z.B.
Atemlähmung
zu wenig O2 in der Luft
2. Alveoläre Diffusion: z.B.
Lungenödem
3. Verteilung mit dem Blutstrom: z.B.
Anämie, Kreislaufversagen, Embolie
4. Blut -> Gewebe z.B.
Gewebehypertrophie
f. Merke
– Konzentration C = Menge / Volumen [mol/l] oder Masse / Volumen [g/l]
– Menge / Zeit [mol/s] = Volumen / Zeit [l/s] * C [mol/l]
– Fraktion F = Volumenanteil am Gesamtvolumen (l/l) u.a.
– Volumen/Zeit [l/s] = Gesamtvolumen / Zeit [l/s] * F [l/l]
– Dalton: Partialdruck P (in Gasen und Flüssigkeiten):
feucht: Pbarom = PO2 + PN2,PEG + PCO2 + PH2O
trocken: Pbarom – PH2O = PO2 + PN2,PEG + PCO2
– Px = Fx (Pbarom – PH2O)
1B Atemvolumina, Atemwegswiderstand
a. Spirometrisch messbare Atemvolumina
b. Atemzeitvolumen; Atemgrenzwert
c. Atemwegswiderstand; Tiffenau-Test
d. restriktive / obstruktive Atemstörungen, Ursachen
a. Spirometrisch messbare Atemvolumina
– Atemzugvolumen VT in Ruhe: ca 0,5 l
– inspiratorisches Reservevolumen IRV: ca 3,0 l
– exspiratorisches Reservevolumen ERV: ca 1,7 l
– Vitalkapazität VC: ca 5,2 l
Spirometrisch nicht messbar:
– Residualvolumen RV: ca 1,3 l
– RV + ERV = Funktionelle Residualkapazität FRC: ca 3,0 l
– RV + VC = Totale Lungenkapazität TLC: ca 6,5 l
b. Atemzeitvolumen; Atemgrenzwert
(exspiratorisches) Atemzeitvolumen VE (= VT)
„Lehrbuch“werte (Ruhe): VT = 0,5 l ; f= 16 min-1 -> VE = 8 l/min
VE Maximalwerte: Nichtsportler ca 100 l/min, Ausdauersportler ca 200 l/min
c. Atemwegswiderstand , Tiffenau-Test
Wie schnell man (aus)atmen kann, hängt ab
– vom Strömungswiderstand der (oberen!) Atemwege
– vom Gewebewiderstand von Lunge und Thorax
Tiffenau-Test: Messung der exspiratorischen Einsekundenkapazität
FEV1 (forciertes exspiratorisches Einsekundenvolumen) (l / erste s)
FVC (forcierte Vitalkapazität)
Relative FEV1 = absolute FEV1 / FVC
FEV1 normalerweise über 75% VC
erhöhter Atemwegswiderstand bei:
– Trachea-Einengung (z.B. bei Kropf)
– Stimmbandlähmung
– Brochitits (Schleimhautschwellung)
– Asthma (Bronchuskonstriktion, erhöht bei Ausatmung)
Einengung der Luftwege -> Strömungswiderstand v.a. Exspiratorisch erhöht :
Relative FEV1 erniedrigt: obstruktive Lungenerkrankung
-> erhöhter Ausatemdruck notwendig -> dynamische Atemwegskompression
d. restriktive / obstruktive Atemstörungen, Ursachen
Relative FEV1 erniedrigt
-> obstruktive Lungenerkrankung:
– Trablahzaha4zt0aw
Forcierte Vitalkapazität (F_VC) erniedrigt
21.10.2004
(b) Atemmuskulatur
Senkung von PA unter PB durch Inspirationsmuskeln
– Zwerchfell flacht ab
– Mm scaleni u.a. : Heben Thorax
– angestrengt: Mm intercostales externi u.a.
Anhebung von PA über PB für die Exspiration
– Erschlaffung der Inspirationsmuskeln
– passive Rückstellkräfte
– angestrengt: Bauchpresse, mm intercostales interni
( c) künstliche Beatmung
Mund-zu-Mund-Beatmung
– Überdruckbeatmung
– Ausatmung passiv oder Druck auf den Thorax
Überdruckbeatmung
– maschinell
– über Ventile
– evtl O2- Zugabe
– volumen- und druckgesteuert
– Ein- /Ausatmungsventil nahe am Mund (Verminderung des Totraums!)
– Beim Einatmen PA > Pbarom (behindert venösen Rückstrom!)
– Barotrauma-Gefahr!
Unterdruckbeatmung
– bei neuromuskulären Störungen (z.B. Poliomyelitis)
– Sprechen und Essen möglich
– Beim Einatmen PA < Pbarom (wie normal)
– Unterdruckkammer: passive Thoraxhebung/-senkung
(d)Warum folgt die Lunge den Zwerchfell- und Thoraxbewegungen?
– Der Thorax „will“ sich erweitern
– Die Lunge „will“ sich zusammenziehen
– aber die dünne Flüssigkeitsschicht im Pleuraraum verhindert dies, da sich Flüssigkeit
nicht dehnen lässt
– ein seitliches Verschieben der Pleurablätter gegeneinander ist jedoch möglich, ähnlich
wie zwischen zwei Glasscheiben, die feucht sind
(e) Pleuradruck (Ppl)
PA (Alveolardruck = intrathorakaler Druck) korreliert mit Ppl: Unterschied ist die
transpulmonale Druckdifferenz: Druckverlauf bei insp/exp hängt eng zusammen, Ppl etwa
6 mmH2O niedriger
(f) Pneumothorax
= Eindringen von Luft in den Pleuraraum
geschlossener Penumothorax
– Spontan-Pn. (Emphysemblase platzt)
– Barotrauma durch Überdruckbeatmung oder Tauchen
offener Pneumothorax
– traumatischer Pneumothorax
z.B. Rippenfraktur
– iatrogener Pneumothorax
z.B. Pleurapunktion, Lungenbiopsie
Ventil- (Spannungs-)Pneumothorax
– Luft rein, nicht mehr raus
– Druckerhöhung im Thorax komprimiert funktionierende Lungenseite zusätzlich
3A Luftzusammensetzung, O2-Verbrauch
(a) Gaszusammensetzung der Luft / der Ausatmungsluft (trocken)
FIO2 = 0,2 l
FICO2 = 0,0003
FEO2 = ca 0,17
FEO2 = ca 0,04
(b) O2-Verbrauch / CO2-Abgabe; RQ, max. O2-Verbrauch
O2-Verbrauch VO2 aus Bilanz:
Aufgenommenes O2-Volumen/Zeit – abgegebenes O2-Volumen/Zeit
VO2 = VE * FIO2 – VE*FEO2 = VE * (FIO2-FEO2);
in ruhe: VO2 = 8 *(0,2l – 0,17)=0,32 l/min
VO2 bei maximaler Arbeit
Untrainierter: f =40/min; VT =1,4 l ; FEO2 = 0,16 -> 2,8 l/min
Ausdauertrainierter: 5,2 l /min
CO2-Abgabe in Ruhe: VCO2 = 8*(0,035) = 0,28 l/min
3B Druck-Volumen-Verhältnisse: Compliance und Atemarbeit
(a) Transmuraler Druck
– die transmurale Druckdifferenz (Ptm) und die Wand-Elastizität bestimmen das Volumen
(V) eines Hohlkörpers, wobei
– Ptm = Pi(nnen) – Pa(ußen)
(b) Druck-Volumen-Kurve
– schrittweise Füllung (ΔV) und Bestimmung des jeweiligen ΔPtm ergibt eine Kurve, die
als Druck-Volumen-Kurve oder Dehnungskurve beziechnet wird
– man erhält die Compliance (Volumendehnbarkeit)
– das Flacherwerden der Kurve zeigt, dass für gleiche Volumenzuwächse steigende ΔPtm
benötigt werden, das heißt, ΔPtm / ΔV (=Steifigkeit = Elastance) des Ballons nimmt mit
zunehmender Füllung zu
– gebräuchlicher in der Physiologie ist der Kehrwert der Elastance, also ΔV / ΔPtm , der
Compliance oder Volumendehnbarkeit genannt wird
– mit steigender Dehnung (Kurve wird flacher) sinkt die Compliance also
(c ) transmuraler Druck von Lunge und Thorax
– Ptm der Lunge = PA – Ppl
– Ptm des Thorax = Ppl – (Pb) (vernachlässigbar)
– Ptm von Lunge + Thorax = PA – Ppl + Ppl = PA !!!
(d ) Kräfte zwischen Lunge und Thorax; Atemruhelage; Ruhedehnungskurven
Statische Ruhedehnungskurven: Thorax > Lunge
Thorax + Lunge -> s-förmig
(e ) statische Ruhedehnungskurve von Lunge + Thorax; inspiratorische und
exspiratorische Maxima
Statische Ruhedehnungskurve:
1. Atemruhelage: PA = 0
2. Inspirationslage: PA > 0
3. Exspirationslage : PA < 0
Maxima aus Inspirationslage:
4. maximaler Inspirationssog niedrig: kaum negativer Druck
5. maximaler Exspirationsdruck hoch: stark negativer Druck
Maxima aus Exspirationslage
6. Maximaler Inspirationssog hoch
7. Maximaler Exspirationsdruck niedrig
-> Müller-Versuch (Schnorchelatmung)
-> Valsalva-Versuch (Trompete blasen)
(f ) Compliance
– Die Compliance, C = ΔV / ΔPA , ist am größten (Kurve am steilsten) um die
Atemruhelage herum, d.h. Hier muss für Volumenveränderungen des Atemapparates
am wenigsten Druck/Kraft aufgewendet werden
– normal: C = 1,3 l/kPa (Lunge und Thorax je 2,6 l / kPa)
100x dehnbarer als ein gewöhnlicher Luftballon!
– Sinkt die Compliance (flachere Kurve), wird Atmen anstrengender
(g ) Ursachen für Verringerung der Compliance
– Alter
– erhöhte Blutfüllung der Lunge (stauung)
– alveoläres Lungenödem (Stauung)
– verminderte Brustkorbbeweglichkeit u.a.m
– Mangel an Surfactant
(h ) Oberflächenspannung
was ist die Ursache für die hohe Compliance des Atemapparates?
– bei Füllung der Lunge mit einer Salzlösung ist die Compliance höher als bei Füllung mit
Luft
– Schlussfolgerung: in der Lunge spielt die Oberflächenspannung an der Luft /
Flüssigkeitsgrenze eine wichtige Rolle
Die Oberflächenspannung (an jeder Flüssigkeits-Gas-Grenze) entsteht dadurch, dass die
Kräfte zwischen den Molekülen der Flüssigkeitsphase größer sind als zwischen der
Flüssigkeits- und der Gasphase
Laplace: Ptm = 2y / r [N*m-2 = Pa]
y = Oberflächenspannung [N*m-1], r = Radius (der Alveole)
Folge: der Druck ist in kleineren Alveolen größer als in großen Alveolen. Da die Alveolen
miteinaner verbunden sind, blasen die kleinen Alveolen (werden kleiner) die großen
Alveolen auf (vergrößern sich)
(i ) Surfactant
– Verringerung der Oberflächenspannung durch Detergenzien
– in vivo : Surface-active-agent = Substanzmishcung aus sog. TypII-Alveolarzellen
– Surfactantfilm auf der inneren alveolenoberfläche enthält u.a.
ca. 90% Phospholipide und Neutralfette
ca. 8% Surfactant-Proteine (SP-A, -B,-C,-D)
– Surfactant wird ab etwa der 35. Schwangerschaftswoche vermehrt sezerniert, es senkt
die Oberflächenspannung, (in kleinen Alveolen mehr als in großen). Damit
- stabilisiert Surfactant die Alveolen (=verhindert Atelektase)
- erhöht es wesentlich die Compliance (= senkt Atemarbeit)
- erleichtert es die Lungenentfaltung beim Neugeborenen
–
Surfactant-Mangel IRDS , ARDS!
22.10.2004
(a ) Anatomie und Funktion des Totraums
Das Atemzugvolumen VT gelangt nur z.T. In den Alveolarraum (alveolärer Anteil von VT),
ein Teil bleibt im Totraum = VD
„Tot“ ist der Totraum nur in Bezug auf den Gasaustausch
(b ) Totraumbestimmung
Bohr-Formel:
Totraum VD = (VT(FaCo2-FECo2))/FACO2
(c ) Totraumvergrößerung
1. Extern durch
- Schnorchel
- Atemgerätschläuche mit mundfernem Atemventil
2. Intern durch
- fehlende Durchblutung von Alveolarbezirken
- Diffusionshindernis
-> Entweder muss Atemzugvolumen VT steigen oder alveoläres Volumen VA sinkt ab!
(d ) Totraum- /Alveolar-Ventilation
Gesamtventilation (Atemzeitvolumen ) VE = f*VE (l/min)
Totraumventilation VD = f*VD (l/min)
Alveolarventilation: VA = f*VA (l/min)
VE = VD + VA (l/min)
bei flacher Atmung reduziert:
VT, VA, VA/VE
erhöht:
f, VD
konstant: VE, VD
(e ) Alveoläre Ventilation bestimmt Alveolargaszusammensetzung
1a. PAO2 = 13 kPa 1. Paco2 = 5kPa
wenn VA steigt (Alveolargas wird frischer):
4a. PaO2 steigt auf 17 kPa, 4. PaCO2 sinkt auf 2,5 kPa
Wenn der Stoffwechsel steigt, so steigen
PaCO2 = PACO2
-> Atemantrieb erhöht, VT erhöht -> VA erhöht
-> PACO2 normalisiert
-> verhinderung der respiratorischen Azidose
Pa = arterieller druck -> PA = Partialdruck
5. Alveolärer Gasaustausch und seine Störungen
(a ) Bau der Lunge
23 Verzweigungen der Trachea in Bronchien, Bronchiolen usw
bis zu Bronchioli respiratorii Totraum
Querschnittsfläche der Zuleitungszone wesentlich geringer
histologischer Aufbau siehe Histologie
(b ) 1. Ficksches Diffusionsgesetz
Trennfläche zwischen zwei Räumen, Fläche F [m ²], Dicke/Diffusionsstrecke l [m],
Konzentrationen C1 und C2 [mol/m3]
Diffusionskoeffizient D des Stoffes
F * D * ΔC / l [mol/s]
(c ) Gaskonzentration <-> Partialdruck
– Alveolenwand = Gas-Flüssigkeitsgrenze
– Gas-Konzentration Cgas , in Flüssigkeit ist abhängig
- vom Gas-Partialdruck, Pgas [Pa]
- von der Löslichkeit des Gases in der Flüssigkeit
--> αGas = Bunsen-Löslichkeitskoeffizient [mol*m-3*Pa-1]
Cgas = αGas * Pgas [mol*m-3]
oder (Fraktion F statt Konzentration C)
Fgas = α'Gas * Pgas [m-3 * m-3]
wobei α'Gas = α Gas * Molvolumen [m3*m-3*Pa-1]
α Gas ist abhängig von der Flüssigkeit und der Temperatur sowie von der Art des Gases
αO2 ist mehr als 20mal kleiner als αCO2
(d ) Krogh-Diffusionskoeffizient; O2-Diffusionskapazität
Das 1. Ficksche Diffusionsgesetz gilt generell für die Diffusion von gelösten Stoffen (auch
Gasen) in Gasen, Flüssigkeiten, Membranen etc.
Für die Atmung wird es etwas umgewandelt:
für ΔCGas wird αGas*ΔPGas eingesetzt, dann mit dem Molvolumen multipliziert, so dass dn ->
dV und αGas -> α'Gas, für D*α'Gas wird K (Krogh-Diffusionskoeffizient )[m2*s-1*Pa-1] eingesetzt
für ΔPGas wird ein durchschnittliches ΔPGas (oberstrich) eingesetzt
F * K/l wird DL (O2-Diffusionskoeffizient)
dV/dt -> VO2 (=O2-Aufnahme) -->>> VO2 = DL * ΔPGas (mit oberstrich)
(e ) Diffusionsfläche ; Emphysem
Wichtig: Viele , kleine Alveolen
Wären die Lungen eine einzige (kugelförmige) Riesenalveole (4l), so hätte diese eine
Oberfläche von 0,13 m². Tatsächlich sind es normalerweise 300mio Alveolen mit einem
Durchmesser von 0,3 mm, die eine Oberfläche F von knapp 100 m² haben
Emphysem: Viele kleine Alveolen verschmelzen zu wenigen großen Alveolen : F ↓
(f ) Diffusionsstrecke, Lungenödem
Diffusionsstrecke ?
Alveolarraum -> Alveolarmembran -> Plasma -> Erythrozyt: 1-3 ym
Lungenödem:
– Kapillardruck oder -durchlässigkeit erhöht
– gestörter Lymphabfluss
– onkotischer=kolloidosmotischer Druck ↓
-> Übertritt von Flüssigkeit
– ins Interstitium (interstitielles LÖ)
– in die Alveole (alveoläres LÖ)
-> Diffusionsstrecke erhöht
-> O2-Austausch gestört (Diffusionslimitierung)
(g ) Trieb“kraft“ der Diffusion = ΔP
ΔPO2 = PAO2 – Pvo2
ΔPCo2 = PvCO2-PACo2
ΔPO2= 13,33 – 5,33 = 8kPa
ΔPco2= 0,8 kPa
(h ) Kontaktzeit; Diffusions-/Perfusionslimitierung
nach ca 1/3 Kontaktzeit (diese 0,75s) Austausch abgeschlossen
-> Perfusionslimitierung
pathologisch z.B. bei Lungenödem: Diffusionslimitierung, Kontaktzeit reicht für Austausch
nicht aus. Bei beschleunigter Ventilation aufgrund körperlicher Arbeit sinkt
Sauerstoffdurchsatz dementsprechend sogar noch ab!
(i ) O2-Bindung und Perfusion
ΔPO2 wird aufrechterhalten, weil
– O2-Bindung an Hämoglobin
– Perfusion Q schafft aufgefrischtes Blut weg (Perfusionslimitierung)
-> Ventilation und Perfusion müssen aufeinander abgestimmt sein!
26.10.2004
Herz-Kreislauf-System
Welche Aufgabe hat das Herz im Kreislauf?
Pumpe, 2 Pumpensystem in Serie
li Herz Hochdrucksystem 120/80, re Herz Niederdruck 20/7mmHg
durch beide 5 l/Min
eine elektro-chemo-mechanische Maschine
elektrische aktivität steuert mechanische und indirekt metabolische Aktivität des
Herzmuskels
Kontraktionsdauer etwa so lang wie Aktionspotential
wdh: Nernst-Gleichung und Ionenkanäle
Myokardmembran in Ruhe vorwiegend für K+ permeabel
am Herzen hat eine K+ - Erhöhung dramatische Folgen (Dauererregung)
(10fache Erhöhung [K+]a : Membranpotential von -65mv auf -17mv)
in Herzchirurgie: Kardioplege Lösungen: Künstlicher Herzstillstand > 25mmol /l [K+]a
Ruhe- und Aktionspotential im Herzen
in Diastole Ruhepotential der Arbeitsmyokardzellen ca -85mV
Impuls aus Reizleitungssystem -> Erregung
AP ist eine schnelle Neuverteilung elektrischer Ladung über der Membran
schneller Einstrom von Na (~0,1ms) und Ca verursacht Depolarisation, Ausstrom von K
Repolarisation
dauer AP: Herz 200-400 ms, vgl Neuron 1-2 ms
Ruhepotential wird durch IK1 geprägt
IK1 -> Ionenkanäle, die zur Klasse der Kir2 Kanäle gehören
Gen eines Ca/Na-Kanals 4mal so lang wie ein K Kanal
Kir lässt Strom nur in einer Richtung durch
Nav (spannungsabhängige Na-Kanäle) im Herz: ~1000x schneller leitend als andere
Ionenkanäle im Herzen
„Schalten“ des Natriumkanals
durch Änderung der Spannung über die Membran: als Fühler dient ein Spannungssensonr
im Element S4 des Moleküls (geschlossene Pore -65mv, offene Pore -40mv)
Kanal geht nur kurz auf und schliesst sich von alleine schnelle wieder
Ina ist Grundlage des Refraktärzustandes des Herzens
die Ansprechbarkeit der Herzmuskulatur auf Reize ist während bestimmter Phasen des
Erregungsablaufs aufgehoben und vermindert- man spricht von einer absoluten oder
relativen Refraktärperiode (Ball in der Pore-Modell)
in der relativen Refraktärperiode ist theoretische wieder Erregung möglich, wenn Strom
hoch genug ist -> „Kammerflimmern“
Funktionelle Bedeutung der Refraktärperiode
Verlängerung des AP führt zur Verlängerung der Refraktärperiode
-> Erregung im Herzen läuft nicht „im Kreise“
der Herzmuskel ist im Ggs zum Skelettmuskel nicht tetanisierbar! Das maximum der
mechanischen Erregung liegt innerhalb der Plateauphase des Herzens
Das Plateau wird durch Ica geprägt
Ca als 2nd messenger, 2*10-7 mol in Ruhe, Ca-Strom immer in Zelle und depolarisierend,
muss über Pumpen hinausbefördert werden
werden Ca-Kanäle gehemmt sinkt Herzkontraktionskraft stark ab
frühe phase der Repolarisation durch Ica, späte Phase durch IK geprägt
Ruhepotential unter Hypo-/Hyperkaliämie
gesunde Herzmuskelzelle folgt überwiegend dem K-Gleichgewichtspotential (~bis -90 mV)
Hypokaliämie: K+ verliert an Gewicht auf der Aussenseite, Potential ist positiver als es sein
sollte
bei einer Ischämie (Kanal arbeitet nicht mehr) fällt Potential auf ~ -40 mV bei
Hypokaliämie, wenn man jetzt Kalium zu gibt (Hyperkaliämie erzeugt) steigt Potential
schnell an, es kann über Differenzen zwischen versch. Kanälen zu Arythmien kommen
merken: Ionale Grundlagen des Aps im Myokard
Ruhepotential durch Kaliumstrom
Aufstrich durch schnellen natriumstrom
Plateau durch calciumströme
Repolarisation durch Kaliumstrom
insgesamt 14 Unterstromkomponenten
Ratespielchen: depolarisierende Einzelströme gNa (schneller kurzer Peak), gCa (recht
gleichmäßiger Einstrom), gK1 (starker gleichmäßiger andauernder Ausstrom), gK
(langsam anwachsender lang dauernder Ausstrom)
Frequenzerhöhung:
steigerung langsame diastolische depolarisation
anheben des Ruhepotentials
herabsetzung schwellenpotential
Repolarisationzeit
Ionenströme im Sinusknoten
kürzer, nicht ganz so hoher Peak, depolarisiert etwas mehr
28.10.2004
Ionenströme im Sinusknoten
Warum entfernt sich das Potential spontan vom Ruhepotential?
If („funny“ z.b. im Herz) bzw Iq (z.b. im Thalamus)
Reaktion nicht auf Depolarisation sondern auf Hyperpolarisation
sind sehr stark depolarisierend
Bindestelle für zyklische Nukleotide
Klassifikation: CNG oder HCN-Kanäle
im Mausversuch knock-out eines der 4 HCN-Kanalsysteme
-> negativeres Ruhepotential
-> Puls unverändert (Kanal also nicht alleiniger Schrittmacher), aber dysrhytmisch
-> Fluktuationen des RR-Intervalls (Pulslänge) nur in Ruhe
Schneller Aufstrich im Sinusknoten durch Ca-Kanäle initiiert
distal im Erregungsleitungsystem weniger Steilheit
Overdrive suppression durch 3Na/2K ATPase (erregung durch hohe frequenzen führt zur
hemmung des schrittmachermechanismus)
Erregungsausbreitung
Ausganspunkt für die rhytm. Erregung ist der Sinusknoten. Von dort Ausbreitung über
Vorhöfe zum AV-Knoten , dann Ventrikel: His-Bündel, Purkinje-Fasern
Herz ist elektrisches Synzytium über gap junctions in Glanzstreifen
Pore: 2x6 Connexine machen 2 Connexone
Ausbreitungsgeschwindigkeit
sinusknoten niedrig,
vorhof hoch
av knoten niedrig
hisbündel hoch
purkinjefasern sehr hoch
myokard hoch
die Erregungsausbreitung im Herz (~220ms) ist vor Ende des AP (~300ms)
abgeschlossen -> die zuerst erregten Zellen sind folglich noch refraktär -> verhindert
Kreiserregungen
langsame avknotenleitung: verzögerungselement und tiefpass – kontraktion des vorhofes
kann zum abschluss kommen
das Herzaktionspotential gibt es nicht – je nach Lokalisation unterschiedlich
Schrittmacherpotentiale üblicherweise nur im Sinusknoten
Reentry
Länge der Erregungswelle < Ausbreitungsgeschwindigkeit * Refraktärzeit
ist diese Bedingung erfüllt ist man vor kreisender Erregung geschützt, Herz gesund
beim Reentry finden Erregungswellen im Herzen nach Durchlaufen einer gewissen
Wegstrecke zu ihrem Ausgangspunkt zurück, treffen diesen wieder ..kreisende Erregung
Ursachen:
– Leitungsgeschwindigkeit verkürzt
– Refraktärzeit verkürzt
– zu langer Weg (Hypertrophie)
vulnerable Periode: ansteigende Flanke der T-Welle
Frequenz
Sinusknoten: 70-80 primäres Zentrum
AV-Knoten 40-60 sekundäres Zentrum
His-Bündel etc 20-40 tertiäres Zentrum
weitere Störung der Erregungsbildung: Getriggerte Aktivität
spontane Oszillationen des Membranpotentials ,die als Nachdepolarissationen bezeichnet
werden
– EAP (early afterpolarisation) am Abbruch Plateauphase erneute Oszillation, die sich
aufschaukeln kann (Ursache z.B. zu kleiner Ausgleichender Kaliumstrom)
– LAP (late afterpolarisation) zum Zeitpunkt der Repolarisation
Plötzlicher Herztod (Long QT Syndrom)
gestörte Repolarisation der Zellen -> Verlängerung des QT-Intervalls
-> Herzrhytmusstörungen, z.B. anfallsweise auftretende Polymorphe ventrikuläre
Tachyarythmien („Torsades de pointes“) und zum plötzlichen Herztod
Mutationen in Kanälen (z.B. HERG Kanal aus der IK Komponente, aber auch bei Ina IK1)
Funktionsverlust von IK1 führt zur ventrikulären Arythmie
-> verlängertes AP
Andersen Syndrom: Kir2.1 Funktionsverlust
u.a. vergrößerter Augensabstand, Gaumenspalte, Mikrognathie... polymorphe ventrikuläre
Tachykardie, Long QT Syndrom, Ohnmachtsanfälle, Herzstillstandard, Kammeranarchie
-> Defibrillatorimplantate
Herzmuskelfaseranatomie
– quergestreifte Myokardfasern
– Zellgrenzen der Fasern durch Glanzstreifen markiert
– große, ovale Zellkerne
– mitochondrienreich
woher stammt das Ca2+ bei der Muskelkontraktion?
Beim Skelettmuskel fast ausschließlich aus intrazellulären Speichern des
sarkoplasmatischen Retikulums, beim Herzmuskel das meiste durch
spannungsgesteuerte Calciumkanäle im Sarkolemm
im Skelettmuskel sind die T-Tubuli dünner und die Triaden sind stärker ausgeprägt
im Herzmuskel „Diaden“, keine klaren SR-Zisternen
das extrazelluläre Ca im Herzen muss folglich relativ stabil gehalten werden
ich hab die Gleitfilamenttheorie verpasst
29.10.2004
elektromechanische Kopplung
erregung der HMZ ist ein elektrisches Phänomen, die Kontraktion ein mechanischer
Prozess: die Kopplung der Prozesse nennt man elektromechanische Kopplung
Ca2+ spielt dabei eine Schlüsselrolle bei seiner Abwesenheit tritt elektromechanische
Entkopplung auf.
RYR
DHPR
Dihydropyridin- und Ryanodinrezeptoren
die übertragung des transmembranären signals auf die membran des sarkoplasmatischen
retikulums erfolgt durch Dihydropyridinrezeptoren (DHPR = L-Typ Ca2+-Kanäle) und RYR
DHPR im T-Tubulus, RYR im SR, sehr nahe Beziehung, bei hypertrophem Herz
Funktionsstörung mit vergrößertem Spalt
Koordinierte RYR (Ca2+-Sparks: kleiner lokaler Calciumtransient an wenigen Kanälen – bei
Herzerregung werden Tausende Sparks synchronisiert)
Modulation der Herzkraft (Inotropie)
Neben der Beeinflussung der Ca2+-Austauschvorgänge lässtsich die Herzkraft durch
Hebung oder Senkung des transmembranären Ca2+-Einstroms kontrollieren. Dies ist
prinzipiell durch Sympathikus und Parasympathikus möglich (über cAMP)
Relaxation des Herzmuskels
Wenn die zytoplasmatische Ca2ü-Konzentration auf 10-7 mol/L absinkt, löst sich ca2+ aus
seiner Bindung an Troponin C und der Myofibrillenapparat relaxiert
dazu benötigt:
– primär aktiv: Ca2+-ATPase abhängig von Na+/K+-ATPase -> draussen, unabhängig
davon -> SR
– sekundär aktiv: Na+/Ca2+-Austauscher -> draussen
Sympathikus-unterstützt
Ca2+-Abhängigkeit der Kontraktion
jede muskelkontraktion benötigt Calcium. Die kraftentwicklung ist linear von der
intrazellulären Ca-Konzentration im bereich 10-7 mol/l abhängig. Beim skelettmuskel
kommt es ab einer bestimmten ap-frequenz zur superposition und tetanischer kontraktion
– der herzmuskel ist erst dann wieder zu erregen, wenn die kontraktion abgeschlossen ist
und ist somit nicht tetanisierbar
bei einer erhöhun
g der reizfrequenz verringert sich die dauer des aktionspotentials und die kontraktilität
erhöht sich langsam im laufe von minuten (treppe). Beide effekte werden durch eine
akkumulation von intrazellulären Na+ infolge der elektrischen Erregung ausgelöst, die
sekundär eine Akkumulation von Ca2+ nach sich zieht
Steuerung der Kraftentwicklung
wird über die Höhe der sarkoplasmatischen Calciumkonzentration, die
Calciumempfindlichkeit der Myofilamente und den Grad der Überlappung der
Myofilamente gesteuert
Herznerven
Vegetative Innervation
- parasympathisch: N. Vagus, 2 Äste, rechter -> Sinusknoten, linker -> AV-Knoten
Transmitter: Acetylcholin, Noradrenalin
– sympathisch: Nn. Cardiaci versogen Vorhof und Ventrikel nahezu gleichmäßig
Acetylcholin, Acetylcholin
Acetylcholinrezeptoren am Herz:
total viele unnötige muskarinische Rezeptoren (über IP3DAG oder cAMP)
nikotinische Rezeptoren (Kanäle mit verschiedenen Untereinheiten)
verschiedene adrenerge Rezeptortypen , α1, α2, β
die β1 stimulieren die Kontraktionskraft
Adrenerge Transmitter am Herz
Sympathikus und Parasympathikus steuern gemeinsam die Funktion von Herz und glatter
Muskulatur – auf gegensätzliche Weise
zwischen adrenergen und cholinergen Terminalen am Herzen bestehen präsynaptische
Interaktionen
chronotroper vegetativer Effekt
noradrenalin führt zu einer Zunahme, Acetylcholin zu einer Abnahme der diastolischen
Depolarisation im Sinusknoten. Dadurch wird bei Acetylcholin die Schwelle später –
negativ chronotrop -, bei Noradrenalin früher erreicht – positiv chronotrop.
Parasympathikus dominiert
Neurovegetative Regulation des Schrittmachers
Warum ändert sich die Steilheit des langsamen diastolischen Potentials?
Sympathikus -> Noradrenalin -> β1 adrenerger Rezeptor -> Gsα Signalprotein -> cAMP
hoch -> If Kanäle vergrößern Strom
Acetylcholin -> m² Acetylcholinrezeptor
-> Giα -> cAMP runter
-> Giβγ -> IKACh
Acetylcholin am Herzen – Mechanismus
Die Wirkung des Überträgerstoffs Acetylcholin am Herzen beruht auf einer Gβγvermittelten Erhöhung der Leitfähigkeit von Acetylcholin-gesteuerten Kir3 Kanälen (KACh)
der erregbaren Sinusknotenmembran
wenn KACh in der knockout Maus fehlt : puls verändert sich nicht
dromotroper vegetativer Effekt
Adrenalin beschleunigt am AV-Knoten die Anstiegssteilheit des Aps – Acetylcholin
verringert sie
Symp: Noradrenalin -> β1adrenerger Rezeptor -> cAMP hoch -> PKA -> Ical
öffnungswahrscheinlichkeit wird vergrößert -> Aufstrich wird steiler
Parasympathikus: Acetylcholin -> m² Acetylcholinrezeptor -> Gsα -> cAMP runter usw
inotroper Effekt der Herznerven
unter vaguseinfluss wird die Kontraktionsstärke des Vorhofmyokards durch Verkürzung
der Aktionspotentialdauer vermindert -> negativ inotroper Effekt
Sympathikus andersrum
2.1.2004
Lunge
a) Lungendurchblutung ~Herzzeitvolumen HZV
großer und kleiner Kreislauf in Serie blabla
b) Messung von HZV und SV: Ficksches Prinzip
Mengen-(Volumen-)bilanz
O2-Aufnahme/Zeit = VO2 = (O2-VolLunge -> li.Herz)/Zeit – (O2-Vol.re.Herz-> Lunge/Zeit)
VO2 = HZV*FaO2 – HZV * FVO2 [l/min]
= HZV *(FaO2-FvO2) [l/min]
HZV = VO2/(FaO2-FvO2) [l/min]
= VO2/avDO2
SV = HZV/Pulsfrequenz [l]
(c ) Ohm-Gesetz; Widerstand und Blutdruck in Lungen- und Körperkreislauf
Ohm-Gesetz:
(1)für Elektrizität: U[V] = I[A]*R[ohm]
(2)für Blutkreislauf: ΔP [mmHg] = Q [m³/s]*R [mmHg/(m3*s)] (Q = Durchblutung)
(3)für Gesamtkreislauf: ΔP [mmHg] = HZV [m³/s]*TPR [mmHg/(m3*s)]
TPR = totaler peripherer Widerstand
ΔP im Körperkreislauf: 100-2 = 98 mmHg
ΔP im Lungenkreislauf: 15-5 = 10 mmHg
-> Rlungenkreislauf = 1/10 von Rkörperkreislauf
-> rechtes Herz muss 90% weniger leisten als linkes
(d)Einfluss von HZV bzw. Pulmonalarteriendruck auf den Strömungswiderstand im
Lungenkreislauf
starres Rohr: lineare Steigerung ΔP mit Q
der Strömungswiderstand im Lungenkreislauf ist nicht konstant, sondern sinkt, wenn der
transmurale Druck steigt (Rekrutierung nichtdruchbluteter Arterien, Gefäßerweiterung)
in der Niere führt eine Druckerhöhung dagegen zur Steigerung des Strömungswiderstands
Hagen-Poiseuille: R ~1/r4
(e) die Lungendurchblutung ist atmungsabhängig
d.h. Abhängig vom Lungenvolumen
es existiert ein Optimum mit minimalem Gefäßwiderstand nach abfall Widerstand
extraalveolärer Gefäße und vor zu großem Anstieg alveolärer Gefäße (hohes
Lungenvolumen komprimiert alveoläre Gefäße)
(f) die Lungendurchblutung ist positionsabhängig
bei vertikalem Körper Dreizonengliederung der Lunge
Ursache: pulmonaler Perfusionsdruck relativ niedrig
oben: PA > Ppa > Ppv (Aussen-/Alveolardruck > Pulmonalarteriendruck > Pulmonalvenöser
Druck) -> Q gegen 0
mitte: Ppa > PA > Ppv relativ geringe Durchblutung
basis: Ppa > Ppv > PA volle Durchblutung
(g) Ventilations-/Perfusions-Verhältnis
VA/Q
nicht ventiliert: VA/Q = 0 , Blut bleibt venös (O2-arm)
nicht perfundiert: VA/Q gegen unendlich, funktioneller Totraum steigt
normal: VA/Q = 5,6/6 =~ 1
VA/Q in Lungenbasis unter 0,5 in Lungenspitze über 3
Bei ungünstigem VA/Q-Verhältnis spricht man von Verteilungsstörungen. Um diese zu
verhindern, wird in der Alveole der Po2 „gemessen“
Ist der Po2 niedrig (Hypoxie, z.B. wegen lokal niedriger lokaler VA), wird lokal Q gedrosselt:
Hypoxische Vasokonstriktion
-> Problem Höhenkrankheit z.B. über pulmonalen Hochdruck -> Höhen-Lungenödem
O2-Transport im Blut
(a) Physikalische Lösung von O2
PAO2 = 13,3 kPa -> PaO2 = 13,3 kPa
-> FaO2 = α'O2 * PaO2
α'O2 = 2,24*10-4 [l*(l Plasma)-1*kPa-1)
-> FaO2=0,003 l O2/l Plasma also fast nix
(b) Hämoglobin und seine Funktionen
Hämoglobin (Hb)
– Hb ist ein Protein mit vier Untereinheiten:
HbA1: 2 α- und 2 β-Ketten
(2-3% HbA2: 2 α- und 2 Δ-Ketten;
Fetus: HbF: 2 α- und 2 γ-Ketten)
– Hb enthält 4 Häm-Gruppen mit je 1 FeII, von denen jedes 1 O2 binden kann.
Wenn FeII zu FeIII oxidiert, entsteht, entsteht Methämoglobin (Met-Hb), das kein O2
binden kann. Met-Hb-Reduktase: beim Erwachsenen/Säugling
– Hb bindet 4erlei Liganden , nämlich
O2 (am Häm): desoxygeniertes Hb -> oxygeniertes Hb (HbO2)
CO2 (Carbamat-Bindung: CO2-Transport im Blut
H+-Ionen (Pufferfunktion der Histidin-Reste)
2,3,-Bisphosphoglycerat (Verschiebung der O2-Affinität des Hb) (1 mol/mol Hb.
Normalisiert O2-Affinität -> P0,5-Wert (s.u.) von 0,13 auf 3,6 kPa!)
(c ) Hüfner-Zahl, O2-Kapazität, O2-Sättigung
1 mol Hb = 64800 g Hb binden 1 mol O2 = 4*22,4 = 89,6 l
-> 1 g Hb bindet (theoretisch 1,38) praktisch 1,35 ml O2 (Hüfner-Zahl)
1 l Blut enthält ca. 150 g Hb
-> 1 l Blut (dieses Hb-Gehalts) kann max. 150*1,35 = 0,202 l O2 binden, d.h.
O2-Kapazität = Gesamt-Hb-Konz. * 1,35 [l O2 / l Blut]
Wieviel O2 das Blut tatsächlich enthält, darüber gibt die O2-Sättigung, SO2, Auskunft
O2-Sättigung = tatsächliche O2-Fraktion / max O2-Fraktion
= HbO2-Konzentration / Gesamt-Hb-Konzentration
Von der O2-Kapazität werden z.B. in körperlicher Ruhe nur ca 25% für den O2-Transport in
die Peripherie genutzt, d.h. Die
O2-Sättigung des gemischt-venösen Blutes beträgt ca 0,75
oder 75% (sinkt allerdings bei körperlicher Arbeit)
(d)O2-Bindung an Hb ist vom Po2 abhängig: O2-Bindungskurve
Hb-Kurve ist S-förmig wegen Erhöhng der O2-Affinität nach O2-Bindung an der ersten
Bindungsstelle (allosterische Veränderungen des Hb-Moleküls)
Mass für Affinität: Halbsättigungsdruck P0,5 (bei Hb 3,6 kPa)
(e) Rechts-/Linksverschiebung der O2-Bindungskurve
z.B. CO2, H+, 2,3-DPG, Temperatur
(f) Konsequenzen der O2-Bindungskurve
Steiler Kurventeil:
– hohe O2-Abgabe ohne große Druckänderungen möglich
(Trieb“kraft“ ΔPo2 für die O2-Abgabe in der Peripherie bleibt erhalten!)
Plateau
– Steigerung des Po2 nützt kaum
– mäßige Senkung des Po2 schadet kaum
Bohr-Effekt im steilen Teil:
– Rechtsverschiebung (Peripherie): mehr O2-Abgabe bei gleichem Po2
– Linksverschiebung (Lunge): erhöht O2-Beladung des Blutes bei niedrigem Po2
Muskelarbeit (hoher O2-Bedarf!):
– [H+] hoch (Milchsäurebildung) -> Rechtsverschiebung: bessere O2-Abgabe
(Verstärkunge des Effekts durch Temperaturerhöhung
Chronische Hypoxie: 2,3-DPG runter -> erhöhte O2-Aufnahme
(g) Veränderungen der O2-Kapazität , Zyanose
Erhöhte O2-Kapazität bei Polyglobulie (=Erythrozytose):
– Hypoxie (Herzfehler, chron. Lungeerkrankung, Höhenaufenthalt)
Erniedrigte O2-Kapazität bei Anämie:
– Eisenmangel, Vitamin-B12-Mangel, Folat-Mangel, Hb-Störungen
> 50 g/l desoxygeniertes Hb in den Kapillaren -> Zyanose
(h) Co-Bindungskurve; O2-Bindungskurve von Myoglobin , Met-Hb und fetalem Hb
issss klaaaa
aber: CO-Hb extrem hohe Affinität (zu CO)
Met-Hb wird gar nicht mehr gesättigt
4.11.2004 von Kerstin
10.Sauerstoffversorgung, Anoxie
a) Ficksches Diffusionsgesetz
Fläche, Strecke, Triebkraft
Gesamtfläche F ungefähr 1000m²
Diffusionsstrecke I = 10-25ym
deltaPo2 von Pao2 abhängig (-> Kragh-Zylinder)
Ziel: in den Mitochondrien der kritische Po2 von 0,14 Pa nicht unerschritten werden
b) Krogh-Zylinder
Po2 nimmt im Verlauf Arterie -> Kapillare -> Vene ab: hypoxämische Hypoxie
c) O2-Verbrauch eines Organs, O2-Extraktion
O2-Verbrauch: Vo2 = Qorgan*[O2]a – Qorgan*[O2]v
je größer Vo2 im Verhältnis zu O2-Angebot, desto größer ist die O2-Extraktion
Eo2 = ([O2]a – [O2]v)/[O2]a
Eo2 von Organ zu Organ verschieden
– Haut (0,04), Niere (0,07), Gehirn, Leber (ca 0,3)
– arbeitender Skelettmuskel (0,9)
– Myokard 0,6
zusätzlicher O2-Bedarf wird nicht nur durch Durchblutung Qorgan, sondern auch durch Eo2
gedeckt
d) Hypoxie, Anoxie
Ursachen für Hypoxie:
– hypoxämische Hypoxie (O2-armer Aufenthalt, Ventilation niedrig, O2-Diffusion niedrig)
-> Q + Eo2 erhöht
– anämische Hypoxie (O2-Kapazität erniedrigt) -> Q+Eo2 erhöht
– ischämische Hypoxie (Q erniedrigt , Arterienverschluss, -spasmus)
-> Eo2 erhöht erhöht ; Problem : Antransport von Glucose,... und Abtransport von
Stoffwechselprodukten nicht möglich
11.Atmungsregulation
a) Rhytmusgenerator in Neuronengruppen (Atem“zentrum“)
Inspiratorische und exspiratorische Neuronengruppen
– sind zu einem Rhytmusgenerator vernetzt
– beeinflussen sich gegenseitig
– werden tosnisch beeinflusst durch Afferenzen (ZNS, Körper)
– erhalten rückgekoppelte und nicht rückgekoppelte Atemreize
b) Regelung des Atemzugs
Inspiration: N. Phrenicus, darm Exspiration
-> Afferenzen
– Lungendehnung hemmt Inspiration (Hering-Breuer-Reflex), Sensoren in
Trachea+Bronchien
– Muskelspindeln der Atemmuskeln (außer Zwerchfell)
c) Atemrhytmen
-> flache Atmung (Lungenödem, Rippenverletzung)
vertiefte Atmung (Hyperkapnie, Azidose,...)
apneustische Atmung (Hypoxie,...)
ataktische Atmung (Meningitis,...)
Cheyne-Stokes-Atmung (erhöhter Hirndruck,..)
Schnappatmung (zerebrale Ischämie, Frühgeborene,...)
d) Regelung der Atmung über Blut-/Liquor-Gaspartialdruck
– periphere Chemosensoren (Glomera aortica + carotica)
– zentrale Chemosensoren (Vorderfläche der Medulla oblongata): pH-Wert des Liquors
-> „Atemantriebe“: Rückmeldung an Rhytmusgenerator
– CO2 erhöht: Erstickungsgefühl, Fluchtreflex
– O2 erniedrigt : Euphonie!
– Körperliche Arbeit: Mitinnervation, nicht Gaspartialdrücke
12.Höhenphysiologie
a) Menschen in der Höhe
b) Barometerdruck erniedrigt -> Pio2 erniedrigt
– mit zunehmender Höhe: Barometerdruck erniedrigt: 5000m : ½ , 7000m: 1/3
– Barometrische Höhenformel: PB (höhe) = PB (Meer)*e0,127*h(km) [kPa]
-> PB = 101 kPa -> Zugspitze: ca 69 kPa (3000m)
Fio2 bleibt in Höhe gleich
aber: Pio2 erniedrigt: Meereshöhe: 21,2 kPa; Zugspitze: 14,5 kPa
c) Mehratmung: „Höhengewinn“
– ohne Mehratmung: ab 5000m kritisch
– Grenze akuter Aufstieg (mit Mehratmung): 7000m
d) Alveolargasausgleich
PAo2= Pio2 – PAco2 / RQ -> wenn PAco2 erniedrigt -> PAo2 erhöht
-> bei Mehratmung: „Abatmung“ von CO2
Für Gipfelstürmer:
– Besteigung bei Hochdruckwetter: PB > normal
– „Dünne“ Luft weniger viskös: Strömungswiderstand erniedrigt
– O2-Atmung: „Höhengewinn“ erhöht
– reine O2-Atmung -> 12000 m
e) Mehratmung: Hyperventilation = Hypokapnie -> respiratorische Alkalose
PAco2 erniedrigt -> pH erhöht -> HCO3—Ausscheidung wird pH normalisiert (renale
Kompression)
– Linksverschiebung der O2-Bindungskurve -> bessere O2-Beladung
– HZV erhöht (an Atmung „gekoppelt“)
f) renale Kompensation der Alkalose
pH = pka + log [HCO3-] / (alpha*Pco2) (Henderson-Hasselbach-Gleichung)
-> [HCO3-] erniedrigt -> pH einigermaßen normalisiert
g) chronische Höhen-Akklimatisation
– PAo2 erniedrigt-> Pao2 erniedrigt
-> renale Erythropoietin-Ausschüttung (Erythrozyten + Hkt erhöht)
-> O2-Kapazität erhöht
– Pao2 erniedrigt -> Po2 im Gewebe erniedrigt
-> O2-Extraktion erhöht
-> Kapillardichte erhöht
-> oxidative Enzyme passen sich an
-> O2-Versorgung des Gewebes fast normal
h) akute Höhenkrankheit
– Lungenödem durch generalisierte hypoxische Vasokonstriktion
– Kopfweh, Müdigkeit, Übelkeit, Schlaflosigkeit
-> Ursachen:
Hypoxie: Mehrdurchblutung des Gehirns
Hypokapnie: Minderdurchblutung des Gehirns
– Hoher Wasserverlust durch:
hypoxiebedingte Mehratmung
osmotische Diurese
arbeitsbedingte Mehratmung
zu weniges Trinken
-> zu rasches, zu viele Trinken -> akute Hypoosmolarität des EZF (diffundier in Zellen)
i) chronische Höhenkrankheit
– im Alter: VE erniedrigt, Pao2 erniedrigt, Hkt erniedrigt (0,8->0,5)
hohe Blutviskosität -> hoher TPR -> hohe Herzbelastung
-> Herzinsuffizienz
5.11.2004
Niere- Salz-Wasser-Haushalt
1. Einführung in die Nierenphysiologie
(a ) Warum? Vom Einzeller zum Menschen
(b) Wo? Anatomie der Niere
(c ) Wozu`? Aufgaben der Nieren
Die Nieren sind lebenswichtig!
-> Nierenversagen (GFR < 10% der Norm):
– Retention von Endprodukten des Stoffwechsels (Entsorgungsfunktion), z.B. Harnstoff
aus dem Proteinstoffwechsel, Harnsäure aus dem Nucleotidstoffwechsel, Kreatinin aus
dem Muskelstoffwechsel
– Erhöhung von Na+, H2O, K+, Mg2+, Phosphat und Senkung von HCO3- im Organismus.
Ödeme, Hyperkaliämie, Azidose (Bilanzierungsfunktion)
– Blutdruckerhöhung (Blutdruckregulation)
– hormonale Störungen (endokrine Funktion)
z.B. renale Calcitriolbildung runter -> PTH hoch (sekundärer Hyperparathyreoidismus)
renale Erythropoietinbildung runter -> Erythrozytenzahl runter (renale Anämie)
– Stoffwechselfunktion, z.B. Anstieg von Peptidhormonkonzentrationen
(d ) Wie? Funktionsprinzip der Nieren
180 l/d Filtration im Glomerulus in den Tubulus+das Sammelrohr, davon 179 l/d
Resorption/Sekretions-bilanz und Ausscheidung
(e ) fraktionelle Ausscheidung
FE = ausgeschiedene Menge/Zeit durch glomerulär filtrierte Menge/Zeit
Menge/Zeit = Volumen/Zeit*Konzentration
FEHarnstoff 40%
FEGlucose gegen 0%
FEKreatinin 100%
FEWasser, Na, K geregelte Ausscheidung (K+ zw. Fast 0 und 150%)
Fep-AH 500%
Die glomeruläre Filtration und ihre Störungen, Glomerulonephritis
Ultrafiltration + ihre Triebkraft
– Permselektivität des glomerulären Filters
– Filtrationskriterien:
Molekülgröße (Molekulargewciht, Molekülradius
Ladung
– Treibkraft der Filtratoin: Effektiver Filtrationsdruck Peff
Peff = Pkap – Pbow – Pikap = 48-13-25 (mmHg) = 10 mmHg
(Pikap = onkotischer Kapillardruck)
Autoregulatio nder Nierendurchblutung
Nierendurchblutung RBF
steigt bis 80 mmHg konstant an, bleibt bis 170 mmHg konstant, unabhängig von
Innervation
GFR konstant zw. 80 und 170 mmHg mittlerer Blutdruck
Mechanismen der renalen Autoregulation:
– myogene Regulation (Bayliss-Effekt) der präglomerulären Gefäße
– Tubuloglomerulärer Rückkopplungsmechanismus über NaCl- sensitive Macula densa
im distalen Tubulus
ausserdem: renin-Angiotensin-Mechanismus: Widerstandserhöhung im vas effeerens am
Ende des Autoregulationsbereichs < 80 mmHg und Verhinderung des Absinkens der GFR
Routine: Nierenfunktionsbestimmung
– Indikatorstreifenschnelltest (Urintest): Bestimmung Protein, Blut, Glukose,...
– bestimmung best. Parameter des Blutes z.B. Plasmakreatinin
– Bestimmung der GFR und der Clearance Cx
GFR
das Flüssigkeitsvolumen, das von allen Glomeruli der Nieren pro Zeiteinheit filtriert wird
Funktion des hydrostatischen und onkotischen Druckgefälles über dem glomerulären
Filter , ca 180 l/d
Bestimmung über Indikatorsubstanz z.B. Inulin (mit Einschränkung auch endogenes
Kretainin)
Kriterien für Indikatorsubstanz
– frei filtrierbar
– keine Sekretion oder Resorption
– keine Verstoffwechslung in Niere
– keine Veränderung der Nierenfunktion
dh. filtrierte Menge = ausgeschiedene Menge
Berechnung der GFR
GFR [ml/min] = VU [ml/min]*Uln [g/l] / Pln [g/l]
Die Clearance Cx
Plasmavolumen, das bei einer Nierenpassage pro Zeiteinheit von einer Substanz X
vollständig befreit wird. Maß für exkretorische Nierenleistung
Berechnung Cx = Vu * Ux / Px
weitere Parameter der Nierenfunktion (bestimmbar)
– FE Fraktionelle Exkretion
– RPF renaler Plasmafluss
– FF Filtrationsfraktion
– RBF renaler Blutfluss
FE fraktionelle Exkretion
Quotient der Clearnace zur Inulin-Clearance , charakterisiert die Funktion
Berechnung
FE = Cx / Cin = Cx /GFR
bei Resorption FE < 1,0
bei Sekretion FE > 1
RPF renaler Plasmafluss
die Plasmamenge, die pro Zeiteinheit Niere durchströmt
wird sie vollständig ausgeschieden, entspricht die Clearance dem RPF, da alles gereinigt
wird
Bestimmung: Indikatorsubstanz PAH ,wird pro Passage zu 90% von Niere ausgeschieden
Berechnung : RPF = (VU * UPAH ) / PPAH
Korrektur, da nur 90% RPFpah = Cpah / 0,9
FF Filtrationsfraktion
anteil GFR am effektiven RPF
beträgt ca. 20%
Bestimmung : Inulin, PAH
Berechnung FF = GFR/RPF
RBF renaler Blutfluss
gesamtblutmenge, die Niere pro Zeiteinheit durchströmt
Bestimmung mittels PAH
1. RPFpah = Cpah / 0,9
2. RBF pah = RPFpah / (1-Hämatokrit)
Störungen der glomerulären Filtration
Physiologie
GFR sinkt bei:
– herabgesetzter hydraulischer Leitfähigkeit bzw. verminderter Filtrationsfläche
– Kontraktion des vas afferens bei konstantem systemischem Blutdruck
Kontraktion des vas efferens : Filtrationsdruck und GFR/RPF (FF) werden gesteigert
aber: gleichzeitig Senkung glomeruläre Durchblutung -> GFR kann auch vermindert
werden
Pathophysiologie: Glomerulonephritis
Definition: entzündliche Schädigung der Glomeruli
für etwa 10% aller chronischen Niereninsuffizienzen verantwortlich
idR schmerzlos, häufig nur zufällig entdeckt (Nierenparameter des Blutes)
granuläre Nierenoberfläche (statt glatt), stark nekrotisch, Bindegewebsvermehrung ->
Nierenversagen + Harnvergiftung
Ursachen:
– Immunkomplexnephritis: lokale Entzündungen durch Komplementaktivierung (über
hängengeblieben Antigen-Antikörperkomplexe), z.B. IgA-Nephritis , 20% aller
–
–
Glomerulonephritiden
Masugi- Nephritis: Autoantikörper gegen Basalmembran
Amyloidose: Ablagerung Amyloid durch hohe Konzentration filtrierbarer Proteine im
Plasma (z.B. Plasmozytom)
weitere Schädigungsmechanismen -> GFR
– chronisch hoher Druck in Glomeruluskapillaren z.B. bei arterieller Hypertonie,...
– mangelhafte Perfusion: z.B. bei Arteriosklerose
Folgen der gestörten GF
– vermehrte Filtration großer Teilchen (z.B. Albumin -> Proteinurie) und Filtration von
Blutzellen (Hämaturie)
– Folgen der Proteinurie: Hypoproteinämie und Ödembildung, da Filtration von Proteinen
in der Peripherie -> Proteinkonzentration und onkotischer Druck im Interstitium steigen
– renale Hypertonie: Ursache z.B. renale Ischämie
Widerstand von vas afferens und efferens nimmt zu: RPF sinkt bei idR erhöhtem
Filtrationsdruck -> reduzierte hydraulische Leitfähigkeit senkt GFR
verminderte renale Durchblutung stimuliert Renin-Angiotensin-Aldosteron-Sstem ->
Blutdruckanstieg
GFR -Abnahme schrnäkt NaCl- und H2O -Ausscheidung ein, was Hypertonie begünstigt
– Anämie: Untergang der EPO-bildenden Zellen in der Niere
– Urämie: Nierenversagen mit Harnvergiftung -> Nierenersatztherapie
Das nephrotische Syndrom
schwere Verlaufsform primärer und sekundärer renaler Erkrankungen, bei der Proteinurie,
Hypoproteinämie und periphere Ödeme vorliegen
Bsp Lidödem
Begleiterscheinungen
– Hyperlipidämie und Hypercholesterinämie
Hypoproteinämie fördert Lipidbildung in Leber, Lipide werden nicht filtriert
– Verlust von Plasmawasser ins Interstitium -> Mangel an Blutvolumen -> Durst, ADHAusschüttung , aldosteronaktivierung > zusätzlich Ödembildung und Hypokaliämie
sowie Alkalose, da Aldo renale K und H+-Ausscheidung fördert
– Erhöhte Thromboseneigung (vermutlich renaler Antithrombin3-Verlust
–
9.11.2004
EKG
Entstehung des EKG
Ausbreitung der elektrischen Erregung
-> Veränderungen der Potentialdifferenzen zwischen zwei Punkten (biphasisches
Potential)
Dipoltheorie: Summen- /Integralvektor (- -> +: Depolarisationsvektor),
Repolarisationsvektor
Dipol und elektrisches Feld
um einen Dipol entsteht ein elektrisches Feld mit Feldlinien und Isopotenziallinien
der Summenvektor generiert zwischen zwei Ableitpunkten eine Potentialdifferenz
Die im elektrischen Feld messbaren Potentialdifferenzen sind abhängig von
– Spannung des Dipols
(Anzahl der erregten Muskelfasern)
– Lage und Entfernung der Ableitelektroden
EKG Ableitung nach Einthoven
bei jeder EKG Ableitung wird die dreidimensionale Form auf eine zweidimensionale
Fläche projiziert. In den Extremitätenableitungen nach Eintoven betrachten wird die
Projektion der Vektorschleife in der Frontalebene . Die Ableitorte lassen sich als
Eckpunkte eines gleichseitigen Dreiecks auffassen, dessen Seiten die Abgriffsrichtungen
darstellen .Es handelt sich um bipolare Ableitungen, d.h. Es werden jeweils die
Potentialdifferenzen zwischen den Eckpunkten des Dreiecks gemessen.
Geometrisch ca. Ableitung I + III ergeben Ableitung II
EKG – allgemeine Terminologie
Bsp: Ableitung zwischen rechtem Arm und linkem Fuß (Einthoven II)
– Zacken, Wellen z.B. P,R,T,...
– Strecken, Segmente, z.B. PQ
– Intervalle z.B. PQ-Intervall
EKG- Beziehung zum Erregunsablauf
P: Vorhoferregung
Q: Septumerregung
R: Erregung des Ventrikelmyokards
S: Erregung des basalen Ventrikels
T: Repolarisation des Ventrikels
Ableitformen – Vektorkardiographie
Die Verbindungslinie der Spitzen der Summationsvektoren zu jedem Zeitpunkt der
Herzerregung resultiert in einer 3-dimensionalen Struktur (Hüllkurve) -> Vektorschleife
Messung durch Paare von Ableitelektroden, die über einen Osziloographen verbunden
werden. Die Größe der Auslenkung ist abhängig von der Größe der Auslnekung des
Integralvektors -> Vektorkardiographie
Die Vektorschliefe hat beim Gesunden ihren größten Ausschlag nach links-unten-hintenm
Extremitätenableitungen
Außer dem bipolaren Extremitätenableitungen nach Einthoven gibt es noch die unipolaren
Ableitungen nach Golberger (aVR, aVL und aVF). Bei unipolaren Ableitungen wird ein
definierter Ort an der Oberfläche (z.B. rechter Arm) gegen eine Referenzelektrode (oder
Erde) abgeleitet . Das bedeutet , dass ein positiver Ausschlag entsteht, wenn der
Summationsvektor zur Ableitelektrode zeigt
Goldberrger – Eindhoven : Wechsel im 30° Rhythmus, Anwendung beider Methoden
kombinierbar um mehr unterschiedliche Richtungen betrachten zu können, modernes
EKG hat 12 Spuren
Brustwandableitungen
Die Brustwandableitungen unterteilen die Projektion der Vektorschleife auf die
Horinzontalebene in 6 Segmente
Bipolar: Nehb (D,A, I )
Unipolar: Wilson (V1-V6) (+6 Spuren von Goldberger und Einthoven : 12spuren-EKG,
Tawera-kreis: deren Darstellung in einem Kreis)
Elektrische Herzachse – Herzlage
Die elektrische Herzachse ist die Richtung, in die der größte Ausschlag des
Summationsvektors in den Einthoven Ableitungen zeigt.
Normalerweise stimmt die elektrische Herzachse annähernd mit der anatomischen
Längsachse überein. Bei Hypertrophie eines Ventrikels kann sich die Herzachse
verschieben.
Die frontale QRS Schleife hat eine längliche Form und gibt die elektrische Herzachse an.
EKG Diagnostik – Lagetypen
– Aus der Kenntnis der elektrischen Herzachse (R-Vektor) ist die anatomische Herzachse
weitgehend ableitbar
– Bestimung : Fällung des Lotsder R-Zacken von mindestens zwei Ableitungen
– Der Winkel alpha, den die elektrische Herzachse mit der Horinzontalen einnimmt,
definiert die verschiedenen Lagetypen des Herzens
Lagetypen: Rechts-/Steil-/Links-/Horinzontal-/Indifferenztyp
das pathologische EKG
das EKG spielt eine wichtige diagnostische Rolle bei Veränderungen der Herzerrgung als
Ursache oder Folge von Störungen der Herztätigkeit
– Frequenz
– Ursprung der Erregung
– Extrakaridale Einflüsse
– Rhythmusstörungen
– Leitungsstörungen
– Herzlage
– Primär kardiale Störungen der Erregungag
– Lokalisation, Ausdehnung
Veränderungen des Herzrhytmus
Eine der wichtigsten Anwendungen des EKG ist die Erkennung von
Herzrhytmusstörungen. Auch beim Gesunden ist die Herzfrequenz nicht völlig konstant,
sondern sie schwankt in Abhängigkeit von der Aktivität des autonomen Nevensystems
(„respiratorische Arrythmie“) Eine verminderte Variabilität ist oft eines der ersten
Anzeichen für eine Herzerkrankung (auch z.B. Diabetes)
Herzfrequenz
f = Registrierungsgeschwindigkeit [cm*min-1] / R-R Abstand [cm]
normaler Sinusrhytmus
Rhythmusstörungen
Sinustachykardie (>90/min) (Ursachen Hyperthyreose, Anämie, Herzklappenfehler,
Alkohol, Stress, Schafentzug, Fieber, Druck auf Karotissinus)
Sinusbradykardie (<50/min) (Ursachen Training, Medikamentöse Nebenwirkungen,
Digitalis, beta-Blocker)
Veränderter Erregungsursprung
Entstehen die Erregungen im Av-Knoten oder im Ventrikel, werden die Vorhöfe und das
zugehörige Erregungsleitungssystem rückläufig erregt
Extrasystolen
Ventrikuläre Extrasystolen entstehen, wenn ein geschädigter Teil des Ventrikels spontan
Aktionspotentiale generiert. („ektopischer Fokus“). Der Weg, den die Erregung über die
Ventrikelmuskulatur zurücklegen muss. Ist in diesem Fall eheblich länger als beim
Sinusrhytmus. Dies manifestiert sich in einem abnorm breiten und irregulär geformten
QRS Komplex
Als Extrasystolen werden vorzeitige Herzschläge bezeichnet, die den Grundrhytmus
verändern (RR-Abstand zu gering, nichtkompensatorische Pause)
Man unterscheidet supraventrikuläre Extrasystolen (Sinusknoten, Vorhof, AV-Knoten) und
Ventrikuläre Extrasystolen (Ventrikel) (normaler Herzschlagrhytmus setzt 1x aus nach der
Extrasystole, da Myokard refraktär, kompensatorische Pause)
Atrioventrikuläre Leitungsstörungen
Bei Schädigung der Zellen des Reizleitungssystems (O2-Mangel, Arteriosklerose,
Entzündung) kann die Überleitung zum Ventrikel verlangsamt werden oder sogar ganz
blockiert sein
Störungen der AV-Überleitung können im AV-Knoten (proximal) sowie den His-Bündeln
und Tawara-Schenkeln (distal) aufrtrten
Bradykardie: Herzblock 1. Grades (PQ-Intervall > 200ms)
Herzblock 2. Grades (partieller Leitungsblock, z.B. 2:1 Block, nur jedes 2. Signal kommt
im Ventrikel an) (Unterscheidung Wenckebach vs Mobitz)
Herzblock 3. Grades: Vollständige Blockade, Atrium und Ventrikel schlagen unabhängig
(Adam-Stokes-Anfall)
-> Leistungsverlust, Schwindel
idR Entstehung durch kurzfristige Ischämie (z.B. Angina-pectoris-Anfall)
Herzschrittmacher
– Bedarfsgerechte Steuerung
– 20-30 g
– 3x4 cm
– Batteriedauer > 10 Jahre
– subcutan unterhalb des Schlüsselbeins
Patienten führen ein normales Leben
Interferenz mit elektrischen/elektronischen Geräten
Elektronische oder magnetische Sicherungsanlage, Kassen in Kaufhäusern,
Sicherheitsschleusen, Suchbügel an Flughäfen, Großradaranlagen,
Rundfunksendeanlagen, Mobil-/Autotelefone (Taxi), Heilstimulation, Kosmetik, Zahnärzte
Vorhofflimmern, -flattern
Beim Vorhofflimmern und -flattern erfolgt die Erregungsausbreitung über die Vorhöfe
unkoordiniert, es bestht eine absolute Arrhytmie zwischen Vorhöfen und Ventrikeln.
Erstaunlicherweise sind die hämodynamischen Auswikrungen eher gering
Auslöser:
Mitralklappenstenose, Vorhofhypertrophie, Koronarverschluss
Folgen:
Blutgerinnselbidlung
-> Embolien
Therapie:
Medikamentös (Digitalis, Calcium-Antagonisten, Chrinidin), Marcumar, Aspirin (sekundär)
Atriale kreisende Erregung („makro-Reentry“)
a langsam einleitender Abschnitt mit kurzer Refraktärzeit
b schnell leitender Abschnitt mit längerer Refraktärzeit
WPW-Syndrom: Kurzschlüsse Atrien-Ventrikel (mikrochirurgisch Therapierbar)
Kammerflimmern /-flattern
irreguläre Ausschläge ohne erkennbare EKG-typische Form. Es kommt keine
hämodynamisch wirksame Füllung und Entleerung zustande – Lebensgefahr
Auslöser:
O2-Mangel, Koronarverschluss, Überdehnung, Unterkühlung, Vergiftung (Narkose),
elektrischer Unfall
Therapie:
Medikamentös, Defibrillation („Defi“)
extrazelluläre Elektrolyte und O2-Mangel
Elektrolytstörungen lösen typische EKG-Veränderungen auf
z.B. Hypo-/Hyperkaliämie (U erhöht/T erhöht)
Myokardinfarkt
bei Unterbrechung der Blutzufuhr über die Koronararterien kommt es zum Herzinfarkt.
Dies geht typischerweise einher mit Schmerzen im Thorax („vernichtungsschmerz“),
großer Angst und Blutdruckabfall („Zentralisation des Kreislaufs“). Das EKG verändert sich
mit charakteristischem Zeitverlauf
ST-Hebung durch Verletzungsstrom
Q,T negativ durch Ausbleiben der Erregung an der Elektrode
ST-Hebung wird kleiner durch Abkoppeln des Infarktgebietes
11.11.2004
Herzmechanik
Druck-Volumen-Beziehungen im Herzen
isotonische Kontraktion (Volumenänderung)
isometrische Kontraktion (Druckänderung)
Unterstützungskontraktion (zunächst Druck-, dann Volumenänderung)
Druck (N/ m²) * Volumen (m³) = Arbeit (Nm)
Druck-Volumen-Schleife:
Normaler Herzzyklus (Unterstützungszuckung):
– Ruhedehnungskurve (bis 180 ml, relativ wenig Druck, danach stark ansteigend, hohe
Compliance)
– isovolumetrische Maxima
– isobare Maxima
– EDV (Enddiastolisches Volumen)
– SV (Schlagvolumen)
– Ejektionsfraktion = SV/EDV
– Unterstützungsmaxima
– Vorlast (Preload): EDV -> enddiastolische Wandspannung
– Nachlast (Afterload): Aortendruck -> dafür notwendige Wandspannung, um diesen zu
überwinden
Druckverlauf in Vorhof und Ventrikel
-> Laplace-Beziehung: K = P*r / 2d
nach Öffnung der Klappe (Aorta): linker Ventrikel -> Konstriktion
Wandspannung bei Verkleinerung des r -> P hoch
Starling-Präparat
– vergrößerter venöser Rückstrom (Bsp: im Liegen)
-> Vorlast vergrößert (EDV hoch)
-> Auswurf vergrößert (SV hoch)
– verkleinerter venöser Rückstrom:
-> Vorlast verringert (EDV runter)
-> Auswurf verringert (SV runter)
– vergrößerter Widerstand im Kreislauf:
zunächst bei 1. HS: SV runter
erneute Füllung (Summe, da kein kompletter Auswurf) EDV hoch -> SV wieder
normalisiert
– bei körperlicher Belastung (Sympathikus)
-> kontraktile Kraft hoch (erhöhter Ca2+-Einstrom)
-> Auswurf gegen höheren Druck bzw. SV hoch (bei gleichem Druck)
Steuerung der Kraftentwicklung
Kontraktilität des Herzmuskels
Eine Steigerung der Kontraktilität bezieht neben der Zunahme der Kraftentwicklung auch
eine Verkürzung der Kontraktionszeit mit ein
Die Kontraktionsgeschwindigkeit des Herzmuskels ist lastabhängig
Rekrutierung von Querbrücken, Änderung der Kontraktilität
Kontraktionsgeschwindigkeit hängt ab von
– Änderungsgeschwindigkeit der sarkoplasmatischen Ca-Konz
– passiver Vorderhnung des Muskels
– Geschwindigkeit der Myosinkopfbewegung
Herzarbeit
P*V + ½*m*v2
Druck-Volumen-Arbeit + Beschleunigungsarbeit (Standard 1,2 Nm)
Das Herz leistet Arbeit, indem es das Schlagvolumen (V) gegen den Gefäßwiderstand
unter Druckaufwand (P) verschiebt und dessen träge Masse (m) auf eine Geschwindigkeit
(v) beschleunigt.
DV-Arbeit li ventrikel: 87%, re ventrikel 12%
Beschleunigungsarbeit li ventrikel 1%, re ventrikel 10%
Klinik: Muskelarbeit, Ateriosklerose, Alter : 25-75%
Beziehung Druckbelastung- Herzleistung – Wirkungsgrad:
Wirkungsgrad wird schlechter, wenn Nachlast zu groß wird
Herzhypertrophie
Wird das Herz wiederholt oder ständig einer erhöhten Arbeitsbelastung ausgesetzt, so tritt
eine langfristige strukturelle Anpassung ein
– Hypertrophie: reversible Dicken- und Längenzunahme der Muskelfasern ,
Gewichtszunahme von 250-300g auf 500 g
– Dilatation : Erweiterung der Hohlräume: Dilatative Kardiomyopathie
Ursachen:
– Leistungssport („Sportlerherz“)
– Chronische Volumenbelastung (Aortenklappeninsuffizienz,
Pulmonalklappeninsuffizienz, Vorhofseptumdefekt)
– Chronische Druckbelastung (pulmonale oder arterielle Hypertonie, Pulmonal- und
Aortenklappenstenose
Entwicklung: Ventrikeldruck P hoch -> Wandspannung K hoch
Kompensation: konzentrische Hypertrophie -> Wandspannung normalisiert
Herzversagen: Hypertrophie mit Dilatation -> Wandspannung K hoch (Radius vergrößert
sich, nach Laplace das gravierendste, circulus vitiosus)
chronische Herzinsuffizienz
Bei der Herzinsuffizienz ist das Herz nicht mehr imstande, die erforderliche Förderleistung
zu erbringen
Vorwärtsversagen (forward failure): Auswirkungen der verminderten Auswurfleistung des
Herzens mit niedrigem Blutdruck und verminderter Organperfusion stehen im Mittelpunkt
der Erkrankung
Rückwärtsversagen (backward failure): Auswirkungen der Rückstauung, z.B. Ödeme,
stehen im Vordergrund der Betrachtung
insuffizientes Herz kann nur kleineres Volumen ausschütten, Vorlast erhöht
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