In den frühen Embryonalstadien teilt sich die Ausflussbahn kranial von der Herzanlage in sechs Arterienpaare auf (Aortenbögen).

Transkript

1 Herz C-6 H. M. Piper EINLEITUNG Ein 5-jähriger Mann unternimmt mit seinem Sohn eine Fahrradtour. Beim Erklimmen einer Steigung stöhnt er plötzlich auf, steigt vom Rad und fällt ins Gras. Er ist leich, und sein Gesicht ist schmerzverzerrt. Er fasst sich an die Brust und klagt üer eklemmende Schmerzen. Der Sohn fühlt den Puls. Dieser ist nur schwach zu tasten und hat eine hohe Frequenz. Mit seinem Handy ruft der Sohn einen Notarzt, der dem Vater ein Beruhigungsmittel spritzt und ihn mit der Verdachtsdiagnose ¹akuter Myokardinfarktª ins nächste Krankenhaus ringt. In der dortigen kardiologischen Ateilung wird diese Diagnose mittels EKG und einer Blutanalyse estätigt. Eine röntgenologische Darstellung (Koronarangiographie) der Herzkranzgefäûe zeigt einen Verschluss im Ramus interventricularis anterior. Dieser Verschluss wird mit einer in die Herzkranzgefäûe vorgeschoenen Sonde mechanisch wiedereröffnet (perkutane transluminale Koronarangioplastie). Vom Auftreten der Schmerzsymptome is zu diesem Eingriff sind drei Stunden vergangen. Eine eingehende funktionelle Nachuntersuchung des Herzens zeigt nach einer Woche, dass der zeitweilige Gefäûverschluss keine leienden Schäden am Herzen hinterlassen hat. p A 6.1 Entwicklung des Herzens Das Herz entwickelt sich aus einem S-förmigen Gefäûschlauch. Zuerst werden ein Ventrikel und ein Vorhof angelegt Bulus cordis Ventrikel Atrium Perikard Perikardhöhle Sinus venosus Bulus cordis Sulcus uloventricularis Ventrikel Truncus arteriosus linkes Atrium Die Morphogenese des Herzens eginnt in der 3. Emryonalwoche mit einer schlauchartigen Herzanlage innerhal der schon geildeten Perikardhöhle (A. 6-1 a, ). Das kraniale Ende des Herzschlauchs (Truncus arteriosus) entspricht den späteren arteriellen Ausflussahnen, der kaudale Teil (Sinus venosus) den Körpervenen. Der Herzschlauch wächst viel schneller als die umgeende Perikardhöhle, dadurch nimmt die Herzanlage eine S-Form an. Der Durchmesser einzelner Anteile dieser Form weitet sich durch Wachstum aus. Dadurch deutet sich ereits ein mehrkammeriges System an (Ende 3. Emryonalwoche). Am kranialen Gefäûpol liegt der Bulus cordis, auf den die Anlage einer einzelnen Herzkammer (Ventrikel) folgt. Daran schlieût sich ein einzelner Vorhof a Aortenogen Perikardhöhle Bulus cordis linker Ventrikel c linkes Atrium aortale Ausflussahn rechtes Atrium Conus cordis traekulärer Anteil des rechten Ventrikels d Truncus arteriosus linkes Atrium Sulcus interventricularis pulmonale Ausflussahn c A Entwicklung des Herzens. (a) Herzschleife zu Beginn der 4. Emryonalwoche (Ansicht von links). () Differenzierung der Herzschleife in Ventrikel, Atrien und Ausflusstrakt in der Mitte der 4. Emryonalwoche (von links). (c, d) Herz zu Beginn der 5. Emryonalwoche mit den Anlagen der eiden Atrien und Ventrikel (c von links, d von vorn). Nach Langmann J. Medizinische Emryologie. 2. Aufl. Thieme Verlag, Stuttgart (1972). (e) Schematische Darstellung der Teilung der Ausflussahn durch ein spiralig eingewachsenes Septum zu Beginn der 6. Emryonalwoche. Nach Goerttler K. In Bargmann W, Doerr W (Hrsg) Das Herz des Menschen. Band 1. Thieme Verlag, Stuttgart (1963) e rechtes Atrium Truncus arteriosus Conus cordis rechter Ventrikel linkes Atrium Atrioventrikularkanal linker Ventrikel 6.1 Entwicklung des Herzens 139

2 (Atrium) an, der aus einem Teil der Anlage des Sinus venosus entsteht. Der Herzschlauch macht ei dieser Schleifen- und Segmententwicklung eine Linksdrehung, so dass der Bulus cordis nahe der Mittellinie, der emryonale Ventrikel linksseitig im Thorax liegt. Aus dem Truncus arteriosus und dem oeren Anteil des Bulus cordis (Conus cordis) differenzieren sich später die Ausflussahnen von rechtem und linkem Ventrikel. Der untere Anteil des Bulus cordis stellt die Anlage für den rechten Ventrikel dar, eine äuûere Einkerung (Sulcus interventricularis) und eine korrespondierende innenseitige Wandvorwölung am Üergang zum emryonalen Ventrikel präformieren die spätere Grenze zwischen linkem und rechtem Ventrikel (A. 6-1 c, d). Eine Engstelle zwischen emryonalem Ventrikel und Vorhof ildet den Atrioventrikularkanal (5. Emryonalwoche; A. 6-1 e). Die weitere Herzdifferenzierung führt zur Entwicklung von Septen im Bereich der Ventrikel- und Vorhofanlagen sowie zur Aufteilung der arteriellen Ausflussahn in einen pulmonalen und aortalen Anteil (A. 6-1 e). Man kennt heute ereits einige Gene, die für Transkriptionsfaktoren codieren, deren zeitlich agestufte Aktivierung essentiell für eine geordnete und damit normale Herzentwicklung ist. Dazu zählt z. B. GATA4, der für die Mittellinienverschmelzung des S-förmigen Herzschlauchs erforderlich ist und an die DNA-Sequenz GATA indet (Aschn. A-14.4). Für die Entwicklung der Ventrikel wird z. B. der Faktor Nkx2.5 enötigt. Ventrikel und Ausflussahn sowie die Atrien der Herzanlage teilen sich durch das Einwachsen von Trennwänden in rechten und linken Ventrikel, die pulmonale und die aortale Ausflussahn sowie rechtes und linkes Atrium Trennung der Ventrikel und der Ausflussahn. Die Anlagen des linken und rechten Ventrikels erweitern sich durch Wachstum nach auûen. Am Sulcus interventricularis stoûen diese Wachstumskräfte aufeinander, und zwischen ihnen ildet sich ein muskuläres interventrikuläres Septum, das aer eine offene Verindung ürig lässt (Foramen interventriculare; 6. Emryonalwoche). In der gemeinsamen Ausflussahn des rechten und linken Ventrikels, die vom Truncus arteriosus und Conus cordis geildet wird, entsteht durch das Vorwachsen längs verlaufender Geweeleisten eine zusammenhängende Trennwand, deren zwei Anteile als Truncus- und Conusseptum ezeichnet werden (A. 6-1 e). Diese Trennwand hat einen spiralförmigen Verlauf, wodurch die Ausflussahn für den rechten Ventrikel (Truncus pulmonalis) frontal und die Ausflussahn für den linken Ventrikel (Aorta) dorsal zu liegen kommt (7. Emryonalwoche). Der untere Aschnitt des Conusseptums wächst in Richtung der Ventrikel vor und verschlieût allmählich das Foramen interventriculare des Septum interventriculare. Später wird ein Teil dieses interventrikulären Septums indegeweig ersetzt und ildet dann die firöse Pars memranacea des Septum interventriculare. Foramen ovale V. cava superior Atrium dextrum V. cava inferior Sinus coronarius Ventriculus dexter Septum interventriculare Septum secundum Vv. pulmonales Septum primum Atrium sinistrum Ventriculus sinister Mm. papillares A Querschnitt durch das Herz eines Neugeorenen. Das Septum interventriculare ist geschlossen. Im Septum primum der Vorhöfe efindet sich eine sekundär entstandene Öffnung, die durch das später entstandene Septum secundum ereits teilweise üerdeckt wird. Der verleiende Durchtrittsspalt heiût wegen seiner Sichelform in seitlicher Ansicht Foramen ovale. Im pränatalen Kreislauf flieût das Blut aus dem rechten Vorhof (Pfeil) üer diesen Weg in den linken Vorhof. Nach Ferner H. Eingeweide und Kreislauf. In Ferner H, Stauesand J (Hrsg.) Benninghoff/Goerttler. Lehruch der Anatomie des Menschen. Band Aufl. Uran & Schwarzenerg, München (1975) In den frühen Emryonalstadien teilt sich die Ausflussahn kranial von der Herzanlage in sechs Arterienpaare auf (Aortenögen). Diese oliterieren teils schnell wieder (1., 2., 5.). Aus den herznächsten 6. Aortenögen entsteht die Anlage der Pulmonalstromahn; nach Teilung der Ausflussahn entspringen sie aus dem Truncus pulmonalis. Aus den 4. Aortenögen entwickeln sich Teile des Arcus aortae und der rechten A. suclavia. Aus den 3. Aortenögen entstehen Teile der Karotiden. Trennung der Atrien. Die zunächst einkammerige Anlage des emryonalen Atriums dehnt sich hinter den Truncus arteriosus aus (4. Emryonalwoche). Aus einer mittelständigen Faltung in der Wand dieses Hohlraums entsteht eine zunächst unvollständige Scheidewand, das Septum primum. Die verleiende Öffnung zwischen den eiden Atrien, das Ostium primum (A. 6-2), wird langsam verschlossen. Im emryonalen Kreislauf ist zu diesem Zeitpunkt die Lunge noch nicht entwickelt. Das Blut muss vom rechten in den linken Vorhof flieûen. Dies wird dadurch ermöglicht, dass während des Zuwachsens des Ostium primum ein Durchruch des interatrialen Septums an anderer Stelle entsteht, das so genannte Ostium secundum (5. Emryonalwoche; A. 6-2). Am Ostium secundum wächst in der Folge eine Geweefalte (Septum secundum) vor, die es zunehmend wieder adeckt. Zum Zeitpunkt der Geurt ist vom Ostium secundum noch ein sichelförmiger ovaler Spalt vorhanden, der als Foramen ovale (A. 6-2) ezeichnet wird. Meistens schlieût sich dieses Foramen ovale durch die veränderten Druckverhältnisse nach Einsetzen des Lungenkreislaufs nachgeurtlich recht schnell, da die genannte Geweefalte auf den Rand des Ostium secundum gedrückt wird. In 2 % der Fälle leit dieser Verschluss aer aus. Ein persistierendes offenes Foramen 14 Kapitel C-6 Herz

3 ovale ist hämodynamisch fast immer edeutungslos, da der Blutfluss durch diese kleine Öffnung nur sehr gering ist. Bildung der Herzklappen. Mit der Ausildung des interatrialen Septums geht auch eine Trennung des zunächst einheitlichen Atrioventrikularkanals in eine Doppelöffnung einher. Die Atrioventrikularklappen entstehen in diesen Öffnungen durch ein wulstartiges Vorwachsen des Mesenchyms an den Öffnungsrändern (a 6. Emryonalwoche). Diese Vorwölungen werden dann teilweise unterhöhlt und ausgedünnt, so dass am Schluss die rückenartigen Strukturen der Segelklappen mit ihren Verankerungen in den Papillarmuskeln stehen leien (A. 6-2). Wenn die Mitteltrennung der zunächst gemeinsamen arteriellen Ausflussahn weitgehend ageschlossen ist, ilden sich an ihrem oeren Ende höckerige Vorwölungen der Gefäûwand, aus denen sich halmondförmige Scheien entwickeln. Diese wachsen aufeinander zu und ilden in der aortalen und pulmonalen Ausflussahn je ein Klappensystem (6.±7. Emryonalwoche). Wegen ihrer zum Ventrikel hin vorgewölten Form werden diese Klappen Taschenklappen oder Semilunarklappen genannt. Herzfehler ei Neugeorenen lassen sich auf typische Störungen der Herzentwicklung zurückführen Störungen in der Herzentwicklung führen zu typischen ¹Herzfehlernª ei Neugeorenen (Ta. 6-1). Hier seien nur einige genannt. Wie oen ereits erläutert, ist ein Offenleien des Foramen ovale zwischen den Vorhöfen eine meist harmlose Anomalie. Entwicklungsstörungen ei der Verkleinerung des Ostium secundum hinterlassen hingegen groûe, hämodynamisch wirksame Defekte. Die verleiende Rechts-Links- Taelle 6-1. Häufige angeorene Herzmissildungen Bezeichnung Entstehung Korrektur Vorhofseptumdefekt (ASD) Ventrikelseptumdefekt (VSD) Fallot-Tetralogie (Pulmonalarterienstenose, VSD, reitende Aorta) Transposition der groûen Arterien (Aorta aus rechtem, A. pulmonalis aus linkem Ventrikel) Stenosen der Semilunarklappen Entwicklungsstörung des Septum primum oder des Septum secundum Entwicklungsstörung des Septum interventriculare Entwicklungsstörung des Conusseptums Ausleien der Spiraldrehung des Conusseptums Verschluss Verschluss VSD-Verschluss, Erweiterung der Pulmonalarterie Gefäûverlagerung (Switch-Operation) Verwachsungen der Klappenanlagen Klappensprengung, Klappenersatz Verindung im nachgeurtlichen Kreislauf führt einen Teil des venösen Blutes an den Lungen vorei und verhindert damit eine ausreichende Sauerstoffaufnahme. Als Folge haen Kinder mit einem solchen Defekt wegen des hohen Anteils von desoxygeniertem Hämogloin im arteriellen System eine läuliche Hautfare (Cyanose, ¹Blue Baiesª). Eine häufige Fehlildung im Bereich der Ausflussahn des Herzens ist die so genannte Fallot-Tetralogie. Sie eruht auf einer ungleichen Teilung des Conus cordis durch eine zu weit nach vorne gelagerte Bildung des Septums zwischen der Aorten- und Pulmonalarterienanlage. Als Folge entstehen (1) eine Pulmonalarterienstenose; (2) ein Defekt des Ventrikelseptums, dessen oere Anteile einen Anteil des Conusseptums mit einschlieûen müssten; (3) eine ¹reitende Aortaª, deren Einflussahn zu weit nach rechts, üer den Ventrikelseptumdefekt, ausgedehnt ist; und (4) eine Hypertrophie des rechten Ventrikels als Folge seiner Druckelastung. Bei dieser Konfiguration flieût Blut aus dem rechten Ventrikel an der Lungenstromahn vorei direkt in die Aorta. Es kommt deshal auch hier zur Cyanose. Box 6-1. Helen Taussig und die Blue Baies Die Amerikanerin Helen Taussig (1898±1986) gilt als Begründerin der Kinderkardiologie. Ihren Wunsch, an der Harvard Medical School Medizin zu studieren, konnte sie sich nur mit Verzögerung erfüllen, da ihr als Frau zunächst der Zugang verwehrt lie. So studierte sie zuerst nur Anatomie, woei sie sich esonders mit Herzund Lunge efasste. Diese esonderen Kenntnisse halfen ihr später, als sie sich als ¾rztin mit herzkranken Kindern eschäftigte. Es gelang ihr, als erste die pathophysiologischen Zusammenhänge ei Kindern mit einer Fallot-Tetralogie (Blue Baies) zu verstehen. Sie erkannte, dass für das Üerleen dieser Kinder das Ausmaû der pulmonalen Durchlutung von entscheidender Bedeutung ist und entwickelte das Konzept für eine ahnrechende Operation, die eine künstliche Kurzschlussverindung zwischen rechter A. suclavia und A. pulmonalis herstellt und so der Lunge vermehrt Blut für den Gasaustausch zuführt. Diese Operation wurde 1944 erstmals von dem Chirurgen Alfred Blalock durchgeführt. Von Taussig und Blalock wurde immer wieder eschrieen, wie ewegend der Moment war, als nach der Operation ei diesem ersten Kind die läuliche Hautfare einer rosigen Erscheinung wich. Die Blalock- Taussig-Shunt-Operation hat Tausenden von Kindern ein längeres Leen ermöglicht und wird auch heute noch in modifizierter Form durchgeführt. 6.1 Entwicklung des Herzens 141

4 é Aus dem kranialen Teil des primitiven Herzschlauchs entstehen die Ausflussahnen von rechtem und linkem Ventrikel, aus dem mittleren Teil der rechte Ventrikel, aus dem kaudalen Teil der linke Ventrikel, und aus der Anlage des Sinus venosus entstehen die Vorhöfe. Während der Herzentwicklung vollzieht der Herzschlauch im Thorax eine Drehung nach links. Daher liegt die Anlage des rechten Ventrikels nach vorn, die des linken Ventrikels etwas nach hinten versetzt. Die Septen zwischen den Herzkammern und Vorhöfen werden aus mehreren Entwicklungselementen geildet. Wird deren Differenzierung gestört, kommt es zu Septumdefekten. Die ursprünglich gemeinsame Ausflussahn des Herzens wird durch Einwachsen eines spiraligen Septums in einen vorderen pulmonalen und hinteren aortalen Teil aufgeteilt. Einettung des Herzens. Das Herz ist ein intrathorakales Organ, das zwischen linker und rechter Lunge ins Mediastinum eingeettet ist (Aschn. C-5.4). Etwa zwei Drittel des Herzens liegen links von der Mittellinie. Von frontal etrachtet hat das Herz in seiner Lage im Thorax die Form einer dreiseitigen Pyramide, deren Spitze nach vorn unten links zeigt und deren Basis nach hinten oen rechts gerichtet ist (A. 6-3 a, ). Man ezeichnet deshal den unteren, konisch zulaufenden Anteil auch als den Apex des Herzens, den stumpfen oeren Gefäûpol als seine Basis. Beim Erwachsenen ist das Herz etwa faustgroû und 3 g schwer. Es stellt eine doppelte Pumpe mit jeweils zwei muskulären Hohlkammern dar. Daei git es auf der rechten und der linken Seite jeweils einen Vorhof (Atrium) und eine Herzkammer (Ventrikel). Das Muskelgewee des Herzens wird als Myokard ezeichnet. Das Herz ist verschielich in einen serösen Sack, den Herzeutel, eingeettet. Dieser ist mit ca. 2 ml einer serösen Flüssigkeit gefüllt. Die Herzeutelhöhle (Cavitas pericardialis) ist herzseitig durch das viszerale Serosalatt, das Epikard, egrenzt. Das parietale Serosalatt ildet zusammen mit der darauf aufliegenden Bindegewesschicht, dem Pericardium firosum, die äuûere Wand der Herzeutelhöhle, das Perikard. Das Perikard ist am vorderen unteren Rand mit dem Centrum tendineum des Zwerchfells fest verwachsen. Die Umschlaglinien zwischen dem viszeralen und dem parietalen Blatt des Herzeutels liegen den Gefäûen an, die in das Herz hineinund aus dem Herzen herausführen (A. 6-3 c). Sie liegen deshal an der hinteren und oeren Seite des Herzsitus. Kollagenfaseründel des perikardialen Bindegewees ilden Faserringe um die groûen Gefäûe und fixieren so den Herzeutel an diesen Stellen. Da das Herz kaudal üer das Perikard am Diaphragma verankert ist, während es mit den anderen Anteilen des Perikards und den zuführenden Gefäûen im Thorax elastisch aufgehängt ist, ewegt sich der Schwerpunkt des Herzens ei der Entleerung der Ventrikel auf das Diaphragma zu (Ventileenenmechanismus; s. u.). Die Festigkeit des Pericardium firosum egrenzt die Dehnung der Ventrikel. Es enthält zwei is drei sich üerkreuzende Kollagenfaserschichten, die sich ei zunehmender Dehnung wie ein Scherengitter gegeneinander verstellen. Durch dieses Bauprinzip ist der Herzeutel gut verformar, solange er nicht üerdehnt wird. Üerdehnungen treten z. B. auf, wenn ein Ventrikel an Gröûe zunimmt oder wenn sich Flüssigkeit in der Herzeutelhöhle ansammelt. Letzteres kann ei Perikardentzündungen oder Blutungen auftreten. Groûe Volumenansammlungen komprimieren die Ventrikel und ehindern damit ihre Pumpfunktion (Herzeuteltamponade). p A 6.2 Anatomie des Herzens Das Herz liegt, nach links ausladend, mittig im Thorax. Üer den Herzeutel ist es kaudal am Diaphragma fixiert. Kranial liegt der Gefäûpol des Herzens mit seinen Ausflussahnen Einstrom- und Ausflussahnen. Der kranial liegende Gefäûpol des Herzens enthält zu- und aführende Gefäûe. Der Rücklauf des Blutes aus dem groûen Kreislauf erfolgt üer die Vv. cavae inferior und superior, die gemeinsam in den rechten Vorhof münden. Von dort flieût das Blut in den rechten Ventrikel und wird von diesem üer seine Ausflussahn, den Truncus pulmonalis, in den kleinen Kreislauf (Lungenkreislauf) ausgeworfen. Der Rückfluss des Blutes aus dem kleinen Kreislauf erfolgt üer vier Pulmonalvenen, die oxygeniertes Blut führen und paarig aus linker und rechter Lunge entspringen, in den linken Vorhof. Aus dem linken Vorhof gelangt das Blut in den linken Ventrikel, um von hier üer die Aorta in den groûen Kreislauf ausgeworfen zu werden. In der Ventileene esitzt das Herz eine feste indegeweige Stützstruktur, die als Herzskelett ezeichnet wird. Die Areitsmuskulatur ist aus zirkulär und spiralig verlaufenden Muskelzügen aufgeaut Herzskelett. Neen den muskulären Anteilen enthält das Herz auch Bindegewee, das fein verteilt die Kammermuskulatur durchzieht und zwischen Vorhöfen und Ventrikeln eine üerwiegend indegeweige Stützstruktur für das Gesamtorgan ildet, das so genannte Herzskelett. Das Herzskelett liegt in der Ventileene des Herzens (A. 6-3 e). Es umspinnt die eiden Atrioventrikularklappen und die Wurzeln von Aorta und Truncus pulmonalis. In die Tiefe setzt sich das Herzskelett noch ein Stück weit in die Pars memranacea des Kammerseptums fort, die am Faserring um die Aorta ansetzt. Die Areitsmuskulatur von Vorhöfen und Kammern wird durch Bindegeweszüge des Herzskeletts funktionell vollständig voneinander getrennt, ist aer dennoch mechanisch fest miteinander verknüpft. Nur die speziellen Muskelfasern des Erregungsleitungssystems durchtunneln das Herzskelett. Wandaufau. Funktionell kann man ei rechter und linker Herzhälfte einen Niederdruck- und einen Hochdruckanteil 142 Kapitel C-6 Herz

5 Aorta V. cava superior Aorta Truncus pulmonalis V. cava superior Aa. pulmonales dextrae Vv. pulmonales sinistrae Vv. pulmonales dextrae Aa. pulmonales sinistrae Atrium sinistrum A. coronaria sinistra Atrium dextrum Ramus circumflexus A. coronaria dextra Ramus interventricularis anterior V. cava inferior Ventriculus sinister Ventriculus dexter Aa. pulmonales dextrae Vv. pulmonales sinistrae Vv. pulmonales dextrae Atrium sinistrum V. posterior Atrium dextrum Sinus coronarius V. cava inferior Ventriculus sinister a Ventriculus dexter V. cardiaca media Aorta Truncus pulmonalis V. cava superior Umschlagfalte Perikard und Plexus cardiacus N. phrenicus: A. V. pericardiacophrenica Aorta V. cava superior A. pulmonalis Vv. pulmonales dextrae Sinus transversus pericardii Sinus oliquus pericardii Pleura parietalis V. cava inferior Vv. pulmonales sinistrae Vorwölung durch Ösophagus Pars diaphragmatica pericardii A. pulmonalis sinistra Vv. pulmonales sinistrae Vv. pulmonales dextrae Atrium sinistrum Valva aortae Valva trunci pulmonalis Valva atrioventricularis sinistra Atrium dextrum Mm. papillares Valva atrioventricularis dextra Septum interventriculare V. cava inferior Ventriculus dexter c Valvula semilunaris dextra Cuspis anterior Cuspis posterior Valvula semilunaris anterior Cuspis septalis Valvula semilunaris sinistra ventral dorsal A. coronaria sinistra Valva aortae Valva atrioventricularis dextra Valvula semilunaris posterior A. coronaria dextra Conus arteriosus Valva trunci pulmonalis d Valvula semilunaris dextra Valvula semilunaris sinistra Ventriculus sinister Mündung der V. cardiaca media Cuspis anterior Cuspis posterior Sinus coronarius Valva atrioventricularis dextra e A Anatomie des Herzens. (a) Ansicht von vorne, () Ansicht von hinten. (c) Umschlagfalten des Perikards ei herausgenommenem Herzen. (d) Querschnitt durch das Herz. Blick auf die hintere Hälfte, (e) Ansicht der Ventileene des Herzens von oen 6.2 Anatomie des Herzens Y:/ft1/auftrag/proedit/l8168/umruch/teil-c/kap6.3d*** ***13:22:33 Format: A3 842 x 1191 pts Original: x pts *setpagedevice* 143

6 unterscheiden. Dem Niederdrucksystem gehören die jeweils zuführenden Gefäûe und die Vorhöfe an, den Hochdruckanteil ildet der jeweilige Ventrikel. Entsprechend der Druckverteilung ist die Muskulatur in den Vorhöfen nur gering ausgeprägt, viel stärker ist sie in den Ventrikeln. Der rechte Ventrikel muss geringere Drücke aufauen, da er das Blut nur durch die Lungenstromahn efördern muss, die einen geringen Gesamtwiderstand hat. Die Muskulatur des linken Ventrikels ist am stärksten ausgeildet (durchschnittlich ca. fünfmal dicker als eim rechten Ventrikel). Dieser Ventrikel muss die treiende Kraft für den Bluttransport durch den ganzen Rest des Körpers aufringen. Die Ventrikel erfüllen ihre Pumpfunktion durch Kontraktion ringförmig verlaufender Muskulatur. Bei einem Schnitt durch die Ventrikelwand kann man gro drei Verlaufsrichtungen der Muskelzüge unterscheiden. Unter dem Epikard liegen spiralig verlaufende Muskelzüge, die von der Herzasis zum Apex asteigen. Am Apex ziehen sie nach innen in die Tiefe und ilden eine an der Innenwand der Ventrikel spiralig aufwärts streende Formation. Diese innerste und äuûerste Muskelschicht wird von einer in etwa zirkulären Mittelschicht der Muskulatur getrennt, die aus Azweigungen der eiden angrenzenden Muskelschichten hervorgeht. Aufgrund dieser speziellen Anordnung der Muskulatur ergit sich ei der Kontraktion der Ventrikel nicht einfach eine pulsierende Einwärts-Auswärts- Bewegung, sondern eine um die Herzachse leicht rotierende, ¹spiraligeª Bewegung der Ventrikelmuskulatur. Deformationen der Ventrikel, z. B. als pathologisches ¹Remodelingª (Aschn. C-6.11), stören diesen Bewegungsalauf und damit auch die Pumpfunktion. Auûen liegt der Muskelschicht des Myokards das seröse Epithel des Epikards auf. Innen wird es vom Endokard ageschlossen, einem Plattenepithel mit einer dünnen Unterschicht von Bindegewee mit vereinzelten glatten Muskelzellen. Das Endokard ist strukturell und iochemisch dem Gefäûendothel sehr ähnlich (z. B. hemmt es die Blutgerinnung). Es üerzieht auch die freien Flächen der Herzklappen. Im rechten und linken Ventrikel springen einzelne endokardüerzogene Muskelstränge ins Lumen vor. In den Einflussahnen ilden diese ein alkenartiges Netzwerk (Traeculae carneae). Trotz der grundsätzlichen ¾hnlichkeiten im Wandaufau ist die makroskopische Geometrie von linkem und rechtem Ventrikel sehr verschieden. Die linke Kammer hat in der Diastole eine länglich-konische Form. Im Längsschnitt ilden äuûere Kammerwand und das Septum etwa eine U-Form. Die rechte Kammer liegt diesem U als eine halmondförmige flache Tasche an. Die eiden Atrien sind durch das interatriale Septum, die Ventrikel durch das interventrikuläre Septum getrennt. Die Septen werden vom Myokard geildet. Die Trennung zwischen Atrien und Ventrikeln liegt in der indegewesreichen Ventileene. Sie wird hier durch ringförmige Klappenstrukturen geildet, die einen gerichteten Blutstrom erlauen (A. 6-3 d, e). In der Ventileene efinden sich zwei Arten von Klappen: Segelklappen für die Trennung von Vorhöfen und Ventrikeln und Taschenklappen in den Ausflussahnen der Ventrikel Atrioventrikularklappen (A.6-3 d, e).auf der rechten Seite efindet sich zwischen Atrium und Ventrikel eine Klappe mit drei segelartigen Strukturen (Cuspes), die Trikuspidalklappe. Auf der linken Seite git es eine Atrioventrikularklappe mit zwei Segeln, die Bikuspidalklappe (Mitralklappe). In der Erschlaffungsphase der Ventrikel, d. h. ei entspannter Areitsmuskulatur, geen die Atrioventrikularklappen der Druckdifferenz zwischen Vorhof und Ventrikel nach und öffnen sich mit dem einströmenden Blut ins Cavum des jeweiligen Ventrikels (s. u.). Zu Beginn der Kontraktionsphase der Ventrikel wird es wichtig, dass jedes der Klappensegel durch Sehnenausläufer (Chordae tendineae) vorgespannt werden kann. Die Chordae haften an konischen Ausläufern der Ventrikelmuskulatur, den so genannten Papillarmuskeln, an. Die Anspannung der Papillarmuskeln erfolgt zu Beginn der Ventrikelkontraktion und verhindert, dass die Klappen durch den Aufau des intraventrikulären Drucks nach atrial durchschlagen, was zu einem Reflux von Blut aus dem Ventrikel in den Vorhof führen würde (zur Klappenfunktion s. Aschn. C-6.6). Semilunarklappen (A.6-3 d, e).an der Basis der groûen aus dem Herzen entspringenden Gefäûe, der Pulmonalarterie (Truncus pulmonalis) und der Aorta, liegen Klappen anderer Bauart, nämlich so genannte Taschenklappen (Semilunarklappen), die Pulmonalklappe und die Aortenklappe (Aschn. C-6.6). Sie haen ihre Namen von der taschenartigen, halmondförmigen Gestalt ihrer jeweils drei Klappenlätter. Diese sind gegen das Ventrikelinnere kuppelförmig vorgewölt. Während der Diastole der Ventrikel drückt der höhere Druck in der Ausflussahn die drei Blätter zum Klappenschluss zusammen. Segel- und Taschenklappen estehen im Kern aus indegeweigen Faserplatten, die an allen freien Flächen vom Epithel des Endokards üerzogen sind. Das Herz hat eine eigene nutritive Gefäûversorgung, das Koronarsystem. Es entspringt aus der Aorta und mündet in den rechten Vorhof Koronarsystem. Das Herz wird durch ein eigenes Gefäûsystem nutritiv versorgt (A. 6-4, Ta. 6-2). Unmittelar oerhal der Aortenklappe entspringen aus dem Stamm der Aorta die rechte und linke Koronararterie. Diese verlaufen zunächst (von oen etrachtet) in der Einkerung zwischen Atrien und Ventrikeln, dem Sulcus atrioventricularis. Von der linken Koronararterie zweigt der Ramus anterior interventricularis a, der an der Vorderseite des Herzens an der Grenzlinie zwischen rechtem und linkem Ventrikel asteigt, sowie der Ramus circumflexus, der im Sulcus atrioventricularis am äuûeren Rand der Ventileene nach dorsal verläuft, um an hintere Aschnitte des Ventrikels und das linke Atrium zu gelangen. Die Koronararterien liegen an der Auûenseite des 144 Kapitel C-6 Herz

7 A. coronaria dextra V. cardiaca parva a Sinus coronarius Valva aortae Ramus interventricularis posterior A. coronaria sinistra V. cardiaca media V. cardiaca magna Ramus circumflexus RV LV RV LV RV LV Normaltyp Linkstyp Rechtstyp V. posterior ventriculi sinistri Ramus interventricularis anterior A Herzkranzgefäûe. (a) Schema der Anatomie (Arterien rot, Venen lau). () Variailität der arteriellen Gefäûversorgung. Querschnitt durch die Ventrikel (RV ˆrechter Ventrikel; LV ˆ linker Ventrikel). Versorgungsgeiet der rechten Koronararterie: schwarz; Versorgungsgeiet der linken Koronararterie: weiû. Nach Leonhardt H. Innere Organe. In Kahle W, Leonhardt H, Platzer W. Taschenatlas der Anatomie. Band 2. Thieme Verlag, Stuttgart (1973) Herzmuskels im epikardialen Fett- und Bindegewee. Von hier treten kleine Versorgungsarterien senkrecht in die Wand ein und verästeln sich dort is in Kapillaren. Der Rückstrom des Blutes erfolgt üer Koronarvenen, die dem Verlauf der oerflächlichen Koronararterien folgen, sich aer an der Rückseite des Herzens zu einem gemeinsamen Gefäû zusammenschlieûen, dem Koronarsinus (Sinus coronarius). Der Koronarsinus öffnet sich in den rechten Vorhof. Ein kleiner Anteil des venösen Blutes des Herzens (< 1%) wird auch üer die Theesi-Venen (Vv. cardiacae minimae) direkt in das Cavum der Ventrikel entlassen. Taelle 6-2. Die Koronargefäûe des Menschen Arterien A. coronaria sinistra (entspringt aus Sinus aortae) git a: Ramus interventricularis anterior Ramus coni arteriosi Ramus lateralis Rami interventriculares septales Ramus circumflexus Ramus atrialis anastomoticus Rami atrioventriculares Ramus marginalis sinister Ramus atrialis intermedius Ramus posterior ventriculi sinistri Ramus nodi sinuatrialis Ramus nodi atrioventricularis Rami atriales A. coronaria dextra (entspringt aus Sinus aortae) git a: Ramus coni arteriosi Ramus nodi sinuatrialis Rami atriales Ramus marginalis dexter Ramus atrialis intermedius Ramus interventricularis posterior Rami interventriculares septales Ramus nodi atrioventricularis Ramus posterolateralis dexter Venen Sinus coronarius (mündet in Atrium dexter) nimmt auf: V. cardiaca magna V. posterior ventriculi sinistri V. cardiaca media V. cardiaca parva V. oliqua atrii sinistri Direkt im Atrium dexter münden: Vv. cardiacae anteriores Vv. cordis minimae Variailität des Koronarsystems. Die arterielle Versorgung des Herzmuskels durch die zuführenden Koronargefäûe ist sehr variael. Beim so genannten Normaltyp der Koronarversorgung versorgt die rechte Koronararterie den üerwiegenden Teil des rechten Vorhofs, den dorsalen und lateralen Teil der rechten Kammer und die dorsale Hälfte des Ventrikelseptums (A. 6-4 ). Der Rest wird üer die linke Koronararterie versorgt, woei der Ramus circumflexus den linken Vorhof und die Hinterwand des linken Ventrikels durchlutet. Beim Rechtstyp ist die Versorgung durch die rechte Koronararterie stärker ausgeprägt. Hier üernimmt die linke Koronararterie nur die Vorderwand des linken Ventrikels und kleine vordere Anteile von Septum und rechtem Ventrikel. Beim Linkstyp der Koronarversorgung ist die Verteilung gerade umgekehrt. Hier ist die Versorgung der rechten Koronararterie im Wesentlichen auf kleinere Teile des rechten Vorhofs und laterale und dorsale Anteile des rechten Ventrikels eschränkt. Die Versorgungsgeiete von linker und rechter Koronararterie üerlappen sich immer ein wenig. Für die Pathophysiologie ist wichtig, dass Sinusknoten, AV-Knoten und das Erregungsleitungssystem (Aschn. C-6.4) in der Regel nur durch die rechte Koronararterie versorgt werden. Deshal haen Gefäûveränderungen in der rechten Koronararterie auch häufig Erregungsleitungs- und Rhythmusstörungen (Aschn. C-6.4) zur Folge. 6.2 Anatomie des Herzens 145

8 é Das Herz esteht funktionell aus zwei doppelkammerigen Pumpen, die jeweils aus einem Atrium und einem Ventrikel estehen. Zwischen Atrium und Ventrikel liegt die Ventileene, die zwei Segelklappen für die Trennung von Atrien und Ventrikeln und zwei Taschenklappen für die Trennung der Ventrikel von ihren Ausflussahnen enthält. Das Herz wird von einem eigenen Gefäûsystem versorgt, das rechts mit der rechten Koronararterie und links mit der linken Koronararterie und deren Verzweigung in den Ramus anterior interventricularis und den Ramus circumflexus eginnt. Der Rückstrom des Blutes aus dem Koronarsystem erfolgt durch ein gemeinsames venöses Endgefäû, den Koronarsinus, in den rechten Vorhof. 6.3 Elektrische Eigenschaften und zelluläre Funktionen des Areitsmyokards Das Areitsmyokard esteht aus quergestreiften Muskelzellen, die Organellen der Energieproduktion (Mitochondrien), der Calciumregulation (sarkoplasmatisches Reticulum) und einen sarkomerischen Kontraktionsapparat enthalten Areitsmyokardzellen weisen eine groûe ultrastrukturelle ¾hnlichkeit zu Skelettmuskelfasern auf, auch wenn Letztere als zelluläre Fusionsprodukte eine viel gröûere Längenausdehnung haen. Insesondere ist der sarkomerische Myofirillenapparat grundsätzlich so aufgeaut, wie in Aschn. B-19.1 eschrieen. Die Muskulatur des Areitsmyokards esteht aus sehr groûen Einzelzellen (A. 6-5 a, ). Zellen des ventrikulären und atrialen Areitsmyokards sind grundsätzlich sehr ähnlich aufgeaut, woei die Muskelzellen der Vorhöfe allerdings schlanker und länger als die der Ventrikel sind. Das Zellinnere (A. 6-5 c) ist zu 85 % mit Myofirillen pp A BC p PH Erythrocyt Kapillarlumen Bindegewee Nexus Sarkolemm Kapillarendothel Glanzstreifen sarkoplasmatisches Reticulum a Zellkern (Firocyt) Erythrocyten in Kapillaren Glanzstreifen Glanzstreifen Zellkerne (Herzmuskelzellen) A-Bande I-Bande Sarkomer M-Linie Z-Linie T-Tuulus Mitochondrien Kern Glanzstreifen c A (a) Lichtmikroskopische Darstellung der zellulären Struktur des Herzmuskels. Die Einzelzellen ilden untereinander ein enges Netzwerk, die strukturelle Basis des funktionellen Syncytiums. Bild von Prof. Minuth, Regensurg. () Schematische Darstellung der Vernetzung von Herzmuskelzellen. (c) Schematische Darstellung der Ultrastruktur des Myokards (nach elektronenmikroskopischen Aufnahmen). Nach Berne RM, Levy MN. Physiology. 2. Aufl. Mosy, St. Louis (1988) 146 Kapitel C-6 Herz

9 und Mitochondrien ausgefüllt. Letztere stellen unter Sauerstoffverrauch das ATP für die Kontraktion der Myofirillen ereit (Aschn. B-19.3). Die Zellmemran der Herzmuskelzelle, das Sarkolemm, umhüllt die Zelle nicht nur, sondern verästelt sich auch in Form kleiner Kanälchen (T-Tuuli) in den Zellkörper. Die Oerfläche der T-Tuuli steht in engem räumlichen Kontakt mit den Endstücken eines intrazellulären tuulären Kanälchensystems, dem sarkoplasmatischen Reticulum (Aschn. B-19.3). Das sarkoplasmatische Reticulum stellt einen groûen intrazellulären Speicher für Ca 2+ -Ionen dar. Der enge räumliche Kontakt mit den T-Tuuli ist mit einer funktionellen Kopplung verunden, da Erregung der Zellmemran im Bereich der T-Tuuli zu einer Freisetzung von Ca 2+ aus dem sarkoplasmatischen Reticulum führt (s. u.). Das so freigesetzte Ca 2+ trägt wesentlich zur Kontraktion der Myofirillen ei. Die Myofirillen der Herzmuskelzelle haen eine Sarkomerenstruktur. Wie eim Skelettmuskel (Aschn. B-19.3) ist ein Sarkomer in Herzmuskelzellen aus parallel angeordneten dicken und dünnen Filamenten aufgeaut. Das häufigste Protein in den dicken Filamenten ist Myosin, das häufigste der dünnen Filamente Actin. Nach der Gleitfilamenttheorie von H. E. und A. F. Huxley findet die Kontraktion in Form einer gleitenden Parallelewegung von Actin und Myosin statt. Man stellt sich diese Translationsewegung modellhaft wie eine Ruderewegung der Myosinköpfe entlang der Actinfilamente vor. Der Querrückenzyklus, der aus dem Andocken des Myosins am Actin, der Translationsewegung und dem Loslösen des Myosins vom Actin esteht, stellt den molekularen Antrie mit Myosin als Motor und ATP als Energiequelle dar (Aschn. B-19.4). Herzmuskelzellen sind üer Zell-Zell-Verindungen mechanisch und funktionell eng gekoppelt. Sie ilden daher ein funktionelles Syncytium Zell-Zell-Verindungen. Herzmuskelzellen sind an ihren Enden durch die so genannten Glanzstreifen (Disci intercalares) verunden. Diese Zell-Zell-Verindungen verdanken ihren Namen ihrer im polarisierten Licht doppelrechenden Memranstruktur. Hier stoûen die Zellenden aufeinander (A. 6-5 a±c). Die Zellenden enacharter Zellen sind daei stufenartig untereinander verzahnt. Besondere Kontaktstrukturen innerhal der Glanzstreifen sorgen für mechanischen Zusammenhalt und chemische und elektrische Kommunikation (Aschn. A-18.2). An den Strukturen vom Typ der Fascia adhaerens sind die dünnen Filamente der Myofirillen üer verschiedene Zwischenproteine am Zellende verankert. Die Macula adhaerens (Desmosom) stellt eine Verindung dar, die durch interzelluläre Kontaktproteine dem mechanischen Zusammenhalt enacharter Zellen dient. Der funktionellen Kommunikation zwischen enacharten Zellen dienen die Gap Junctions (Nexus). Die darin enthaltenen zellverindenden Connexone (Aschn. A-18.2) zeichnen sich nicht nur durch hohe elektrische Leitfähigkeit aus, sondern sind auch für niedermolekulare cytoplasmatische Sustanzen durchlässig, z. B. Elektrolyte, Glucose, Lactat etc. Sie ermöglichen damit auch eine metaolische Kopplung von Nacharzellen. Durch diese Form von Kopplung ilden üer Glanzstreifen verundene Herzmuskelzellen ein funktionelles Syncytium. Die Areitsmyokardzellen weisen unerregt ein stailes Ruhememranpotential auf. Das Aktionspotential der Areitsmyokardzellen ist ± verglichen mit dem anderer erregarer Zellen ± ungewöhnlich lang (2±4 ms) Ruhepotential. Die Muskelzellen des Areitsmyokards sind elektrisch erregare Zellen, die aer ohne äuûere Erregung in einem stailen Ruhezustand leien. Unter diesen Ruheedingungen ist das Zellinnere gegenüer dem Auûenraum negativ polarisiert, üer dem Sarkolemm liegt ein Memranpotential, d. h. eine transmemranäre Spannung, von ca. 9 mv. Diese Spannung kann man messen, indem man eine Mikroelektrode in das Zellinnere einsticht und eine Differenzmessung gegenüer einer extrazellulären Elektrode durchführt. Dieses Ruhememranpotential der Herzmuskelzelle entspricht etwa dem Nernst-Gleichgewichtspotential für K +. Tatsächlich esitzt das Sarkolemm im Ruhezustand eine groûe Leitfähigkeit für K + und nur sehr geringe Leitfähigkeit für andere Ionen. Im ruhenden Herzmuskel sind die Ionenaktivitäten für das intrazelluläre K + ca. 14 mmol L ±1, für das extrazelluläre K + ca. 4 mmol L ±1. Beim Einsetzen dieser Werte in die Nernst-Gleichung (Aschn. A-9.2) ergit sich für das Kaliumgleichgewichtspotential: 4 E K ˆ 61 mv ˆ 94 mv 14 Im Ruhezustand wird die Kaliumleitfähigkeit der Areitsmyokardzelle durch den so genannten Einwärtsgleichrichter (i K1 ) estimmt, einen Kaliumkanal, der ei Depolarisation auf Werte positiver als 7 mv schnell inaktiviert wird. Einwärtsgleichrichter nennt man Kaliumkanäle, die um und unterhal von E K die gröûte Leitfähigkeit aufweisen. Das Aktionspotential eginnt mit Aktivierung eines Natriumeinstroms (schnelle Depolarisation). Daran schlieûen sich Aktivierungen eines Calciumeinstroms (Plateauphase) und von Kaliumausströmen (Repolarisationen) an Aktionspotential. Wird die Nacharzelle einer noch ruhenden Zelle elektrisch erregt, führt dies zu kleinen Ladungsverschieungen zwischen den Oerflächen der eiden Zellen und, üer die Gap Junctions, auch zwischen den Zellinnenräumen, weil sich durch das Aktionspotential an der erregten Zelle Ladungsveränderungen eingestellt haen. Die kleinen Ströme zwischen den Nacharzellen depolarisieren auch die nicht-erregte Zelle ein wenig. Erreicht die Depolarisation einen Schwellenwert von ca. 7 mv, werden sehr schnell spannungsahängige Natriumkanäle geöffnet. Die K + -Einwärtsgleichrichter werden ei diesem Potential ereits inaktiviert. Durch Aktivierung des Natriumeinstroms kommt es zu einer schnell zunehmenden weiteren Depolarisation (A Elektrische Eigenschaften und zelluläre Funktionen des Areitsmyokards 147

10 a Memranpotential (mv) +5 i Na i Ca L i to i Cl i K i K1 1 Overshoot initiale Spitze (1) Aufstrich () Plateau (2) Ruhepotential (4) Zeit [ms] 2 Zeit [ms] Repolarisation (3) A Das Aktionspotential der Areitsmyokardzelle. (a) Das Aktionspotential hat 4 Phasen. Phase ist eine schnelle Depolarisation (Aufstrich). Eine teilweise Repolarisation nach dem Aufstrich estimmt die folgende Phase 1 (initiale Spitze), die in Phase 2 (Plateau) üergeht. Die endgültige Repolarisation (Phase 3) führt zurück zum Ruhememranpotential (Phase 4). () Relative Stromstärken der eteiligten Ionenkanäle: i NaˆNatriumstrom; i Ca L ˆCalciumstrom (L-Typ); i to ˆtransienter Kaliumauswärtsstrom; i Cl ˆChloridstrom; i k ˆverzögerter Gleichrichter; i K1 ˆEinwärtsgleichrichter. Die Pfeile geen die technische Stromrichtung an: ˆ Einwärtsstrom; ˆ Auswärtsstrom ). Diese ildet den Aufstrich des Aktionspotentials (Phase des Aktionspotentials). Der Natriumeinstrom heiût wegen seiner raschen Kinetik auch ¹schneller Natriumeinstromª (i Na ). Da während dieser Phase das Plasmalemm fast nur von dieser groûen Natriumleitfähigkeit estimmt wird, stret das Memranpotential in Richtung des Natriumgleichgewichtspotentials. Die intrazelluläre Na + -Aktivität liegt ei etwa 1 mmol L ±1, die extrazelluläre ei 14 mmol L ±1. Daraus errechnet sich nach der Nernst-Gleichung für das Natriumgleichgewichtspotential ein Wert von 6 mv. Dieser Wert wird aer eim Aufstrich des Aktionspotentials nicht erreicht, da die Natriumkanäle spannungsahängig geschlossen und inaktiviert werden (Aschn. B-1.4, B-1.5). Dieser Prozess eginnt ei einem Wert von etwa 4 mv und ist innerhal von ca. 1 Millisekunde eendet. Das Memranpotential erreicht noch einen leicht positiven Wert von 2 mv (Overshoot), dann schlieût sich eine frühe partielle Repolarisation an (Phase 1). Für die partielle Repolarisation während dieser initialen Spitze des Aktionspotentials sind ein weiterer Kaliumausstrom (transienter Auswärtsstrom, i to ) sowie ein Cl ± -getragener Auswärtsstrom (i Cl ) verantwortlich. (Cl ± -Ionen flieûen in die Zelle hinein, wegen ihrer negativen Ladung stellt dies aer elektrisch einen Auswärtsstrom dar!) Plateauphase und Repolarisation. An die initiale, kurze Repolarisation schlieût sich eine lange Plateauphase (Phase 2) an, während der das Memranpotential etwa ei mv liegt. Diese Phase ist durch ein Gleichgewicht zwischen den zuvor genannten repolarisierenden Strömen und einem Einwärtsstrom estimmt, dem langsamen Calciumeinstrom (i Ca ), der auf der spannungsahängigen Aktivierung von so genannten L-Typ-Calciumkanälen eruht. Diese Kanäle werden ei einer Memranspannung oerhal von ca. 4 mv aktiviert und haen eine sehr lange Öffnungszeit. Sie estimmen die Plateauphase des Memranpotentials für etwa 3 Millisekunden (2±4 ms je nach Herzfrequenz und Lokalisation der Zellen). Wenn die Calciumkanäle inaktivieren und die Wirkung repolarisierender Ströme üerhand nimmt, eginnt die letzte Phase des Aktionspotentials (Phase 3), die endgültige Repolarisation. An der Repolarisation sind eine Reihe unterschiedlicher Ströme, vor allen Dingen Kaliumströme eteiligt. Besonders wichtig ist ein so genannter K + -Auswärtsgleichrichter (verzögerter Gleichrichter, i K ), der im Gegensatz zu dem Einwärtsgleichrichter (i K1 ) erst in der depolarisierten Zelle und mit zeitlicher Verzögerung aktiviert wird. (Auswärtsgleichrichter nennt man Kaliumströme, die in Auswärtsrichtung, d. h. oerhal von E K, gröûer sind als in Einwärtsrichtung, d. h. unterhal von E K ). Während der Repolarisationsphase üerwiegt damit wiederum die Leitfähigkeit der Zellmemran für K +. Folglich stret das Memranpotential wieder dem K + -Gleichgewichtspotential von ca. 9 mv entgegen. Daei üernimmt zunehmend wieder der Einwärtsgleichrichter (i K1 ) die Führung. Dieser estimmt das Memranpotential auch nach Alauf des Aktionspotentials, d. h. unter elektrischen Ruheedingungen (Phase 4). Ionenverschieungen. Im Verlauf eines Aktionspotentials kommt es zu Verschieungen von Na + -, K + -, Cl ± - und Ca 2+ - Ionen zwischen Intra- und Extrazellulärraum. Die Mengen sind aer so klein, dass die transsarkolemmalen Konzentrationsdifferenzen von Na +,K +,Cl ± und Ca 2+ während eines einzelnen Erregungszyklus kaum verändert werden. Für eine langfristige Aufrechterhaltung der Ionenhomöostase müssen dennoch Na +,Cl ± und Ca 2+ aus dem Zellinneren wieder heraustransportiert und K + dem Zellinneren wieder zugeführt werden. Für Na + und K + wird diese Aufgae durch die Na + - K + -ATPase (Natriumpumpe) des Sarkolemms üernommen, die die eiden Ionen entgegen ihren jeweiligen Konzentrationsgradienten unter Energieaufwand üer die Zellmemran austauscht. Für Cl ± ist der Weg des Auswärtstransports nicht klar. Der durch die Natriumpumpe aufgeaute Na + -Gradient 148 Kapitel C-6 Herz

11 stellt auch die treiende Kraft für den Na + -Ca 2+ -Austauscher (Aschn. A-9.6) dar, der Ca 2+ entgegen seinem Konzentrationsgradienten im Austausch gegen Na + üer die Zellmemran aus der Zelle heraustransportiert (s.u.). Während des Plateaus des Aktionspotentials ist die Areitsmyokardzelle nicht erneut erregar (Refraktärität). Die Länge der Refraktärität edingt,dass der Herzmuskel nur Einzelkontraktionen durchführt Refraktärperiode. Während der Plateauphase des Aktionspotentials ist die Herzmuskelzelle elektrisch asolut refraktär (A. 6-7 a). Dies edeutet, dass während dieser Zeit kein weiteres Aktionspotential ausgelöst werden kann. Die Länge der Plateauphase ist im Allgemeinen gröûer als die einer Einzelzuckung. Im Herzmuskel kann es deshal nicht zur Superposition von Einzelzuckungen oder sogar zur Tetanisierung kommen, was funktionell auch nicht sinnvoll wäre, da die Ventrikel des Herzens ihre Pumpfunktion nur ei zeitlich agesetzten Einzelkontraktionen erfüllen können (A. 6-7 ). Die asolute Refraktärphase endet während der Repolarisationsphase ei einem Memranpotential von etwa 4 mv, weil oerhal dieses Werts die schnellen Natriumkanäle durch ihre Spannungsahängigkeit vollständig inaktiviert a Memranpotential [mv] Aktionspotential Zeit [ms] Aktionspotential Kontraktion 2 Zeit [ms] A (a) Refraktärperiode der Areitsmyokardzelle. Während der asoluten Refraktärperiode ist auch ei sehr hohen Reizstärken kein weiteres Aktionspotential auslösar. Während der relativen Refraktärperiode sind verkleinerte Aktionspotentiale mit erhöhter Reizstärke auslösar. () Schematischer Vergleich von Aktionspotentialdauer und Kontraktionsdauer im Herzmuskel 5 leien (Aschn. B-1.5). Repolarisiert die Zelle üer diesen Wert hinaus zu negativeren Potentialen, werden die Natriumkanäle wieder teilweise aktivierar. Aktionspotentiale werden dann auch wieder auslösar; diese haen aer zunächst eine geringere Anstiegssteilheit, sind von kürzerer Dauer und werden auch zwischen Nacharzellen nur langsam fortgeleitet (relative Refraktärphase). Während der relativen Refraktärphase ist die Erregarkeit im Areitsmyokard für kurze Zeit ziemlich inhomogen ausgeprägt. Dieser Umstand egünstigt zusammen mit der reduzierten Erregungsfortleitung die Entstehung von Arrhythmien vom Typ einer kreisenden Erregung (Aschn. C-6.4). Das wesentliche Element der elektromechanischen Kopplung in den Zellen des Areitsmyokards ist die Calciumfreisetzung aus dem sarkoplasmatischen Reticulum Calciummoilisierung. Als elektromechanische Kopplung ezeichnet man den Signalmechanismus, der in einer Muskelzelle das Aktionspotential mit der Kontraktion verindet (Aschn. B-19.5). Wichtigster Signalstoff sind daei Ca 2+ -Ionen, die in der ruhenden Zelle nur mit einem Zehntausendstel der extrazellulären Konzentration vorliegen (1 ±7 mol L ±1 im Vergleich zu 1 ±3 mol L ±1 ). Während der Plateauphase des Aktionspotentials strömt Ca 2+ in das Zellinnere ein (A. 6-8 a). Die eingeströmte Calciummenge ist relativ klein, sie stellt aer einen Trigger für das nachfolgende Geschehen dar. Innerhal der Zelle git es einen an den T-Tuuli lokalisierten Verstärkermechanismus für das Calciumsignal. Die T- Tuuli haen engen Kontakt mit den terminalen Zisternen des sarkoplasmatischen Reticulums. Zwischen eiden Memranen liegt nur ein enger Spalt. Werden die L-Kanäle in der Memran der T-Tuuli geöffnet, strömt Ca 2+ in diesen Spalt und erhöht so lokal die Calciumkonzentration. Die angrenzende Memran des sarkoplasmatischen Reticulums enthält Kanalmoleküle, die sich ei Anstieg der Calciumkonzentration öffnen. Die Kanäle werden Ryanodinrezeptoren genannt, da sie den Hemmstoff Ryanodin spezifisch inden. Üer diese Kanäle wird dann das im sarkoplasmatischen Reticulum in starker Anreicherung gespeicherte Ca 2+ freigesetzt (sog. calciuminduzierte Calciumfreisetzung). Das so freigesetzte Ca 2+ trägt 75% oder mehr zum Anstieg der cytosolischen Calciumkonzentration in der erregten Myokardzelle ei. Adrenerge Modulation der Calciumfreisetzung. Üerträgerstoffe des Sympathikus (Noradrenalin aus den sympathischen Nervenendigungen im Herzen, Adrenalin aus dem sympathisch stimulierten Neennierenmark) stimulieren 1 - Adrenorezeptoren im Sarkolemm der Herzmuskelzellen (A. 6-8 ). Dies führt ± vermittelt durch stimulatorische G-Proteine ± zu einer Aktivierung der memranständigen Adenylatcyclase. Es wird vermehrt zyklisches AMP (camp) geildet, das die Protein-Kinase A (PKA) aktiviert. PKA phosphoryliert verschiedene funktionell wichtige Proteine der Herzmuskelzelle. Phosphorylierung des L-Kanals erhöht dessen Offenwahrscheinlichkeit und damit den Calciumstrom wäh- 6.3 Elektrische Eigenschaften und zelluläre Funktionen des Areitsmyokards 149

12 Sarkolemm Na + Ca 2+ Ca 2+ Calciumkanal SR Na + -Ca 2+ - Austauscher Myofirillen Calciumpumpe Troponin C Troponin I Kontraktion P Troponin C camp PKA Ca 2+ -Freisetzungskanal SR SR Calcium- Ca 2+ kanal Ca 2+ camp camp PKA ATP P G AC R T-Tuulus Adrenalin Noradrenalin Sarkolemm Aktionspotential Ca 2+ Ca 2+ - Freisetzungskanal PKA Ca 2+ P PL SR-Terminalzisterne Calciumpumpe a A (a) Schema der elektromechanischen Kopplung. () ¾nderung in der elektromechanischen Kopplung ei Stimulation myokardialer -Adrenorezeptoren (R) durch Adrenalin oder Noradrenalin. Rezeptorstimulation aktiviert üer stimulatorische G-Proteine (G) die Adenylatcyclase (AC). An der AC wird zyklisches AMP (camp) geildet, das die Protein-Kinase A (PKA) aktiviert. Die PKA phosphoryliert den L-Typ-Calciumkanal und aktiviert ihn damit. Die PKA phosphoryliert auch Troponin I, was die Affinität von Troponin C für Ca 2+ herasetzt. Als weiteres Zielprotein phosphoryliert die PKA Phospholaman (PL). Dadurch wird die Calciumpumpe des SR aktiviert, denn PL hemmt im unphosphorylierten Zustand deren Aktivität rend der Plateauphase des Aktionspotentials. Erhöhter Calciumeinstrom ewirkt sekundär auch eine erhöhte Calciumfreisetzung aus dem sarkoplasmatischen Reticulum. Die Ansprecharkeit der Ryanodinrezeptoren durch cytoplasmatisches Ca 2+ wird eenfalls durch eine PKA-vermittelte Proteinphosphorylierung erhöht (Effekte der PKA auf die sarkoplasmatische Calciumrückspeicherung s. u.). Elektromechanische Kopplung. Durch Freisetzung von Ca 2+ aus dem sarkoplasmatischen Reticulum steigt die cytosolische freie Calciumkonzentration von einem Ruhewert von 1 ±7 mol L ±1 in der erregten Myokardzelle auf maximal etwa 1 ±5 mol L ±1 an. Dieser Anstieg erfolgt relativ gleichmäûig im Cytosol und aktiviert den kontraktilen Apparat. Ca 2+ indet dort an das Regulatorprotein Troponin C, das mit Actin assoziiert in den dünnen Filamenten vorliegt. Troponin C ildet zusammen mit Troponin I, Troponin T und Tropomyosin einen kooperativen Komplex. Solange Troponin C kein Ca 2+ geunden hat, verhindert die Lage des Tropomyosins die Ausildung einer Querrücke zwischen Myosin und Actin. Es wirkt also gewissermaûen als Bremsklotz. In Gegenwart von Ca 2+ kommt es zu Konformationsänderungen in diesem Molekülkomplex, wodurch Tropomyosin so verlagert wird, dass Myosin an Actin inden kann. Dadurch werden Querrückenzyklen ermöglicht, die den molekularen Motormechanismus der Muskelkontraktion darstellen (Aschn. B-19.6). Phosphorylierung von Troponin I durch PKA vermindert die Affinität von Troponin C für Ca 2+ und reduziert somit die Calciumsensitivität der Myofirillen. Deshal ist ei Stimulation des Sympathikus die Calciumsensitivität des kardialen kontraktilen Apparats reduziert. Dass dennoch unter Sympathikusstimulation eine gröûere Kraftentwicklung auftritt, liegt an dem deutlich vergröûerten Calciumeinstrom (s. o.). Box 6-2. Künstlicher Herzstillstand Bei chirurgischen Eingriffen am Herzen ist es häufig notwendig, das Herz mechanisch still zu stellen, um dann störungsfrei operieren zu können. Die Funktion von Herz und Lunge muss dann von einer Herz-Lungen-Maschine üernommen werden, die das zentralvenöse Blut ansaugt, mit Sauerstoff anreichert und in den groûen Kreislauf pumpt. Neen der Stillstellung des Herzens ist es ei Herzoperationen häufig auch unvermeidlich, dass die Koronardurchlutung unterrochen und so das Myokard ischämisch wird. Für die Stillstellung des Herzens (Kardioplegie) und als Ischämieschutz werden nach Anschluss der Herz-Lungen-Maschine so genannte kardioplegische (myokardprotektive) Lösungen ins Herz perfundiert, die die elektromechanische Kopplung unterrechen und den Energieedarf des Herzens senken. Zu den Wirkprinzipien dieser Lösungen gehört es, die Kardiomyocyten durch Erhöhung der extrazellulären Kaliumkonzentration zu depolarisieren, um eine elektrische Refraktärität zu erreichen, und das konktraktionsauslösende Ca 2+ aus dem Extrazellulärraum auszuwaschen. 15 Kapitel C-6 Herz