Atemwege und Lunge

Die Lunge ist für die Atmung zuständig und besteht aus einem linken und einem rechten Lungenflügel. Jeder Lungenflügel ist wiederum in Lappen unterteilt und von einem System aus luftleitenden Wegen (den „Bronchien“) durchzogen. Diese enden in sog. Lungenbläschen (den „Alveolen“), in denen der Gasaustausch stattfindet. Die gesamten unteren Atemwege mit Ausnahme der Alveolen sind mit zilientragendem Epithel ausgekleidet, das zur Immunabwehr und Reinigung der Lunge beiträgt. Die Alveolen hingegen tragen eine sehr dünne Epithelschicht, damit die Atemgase Sauerstoff und Kohlendioxid möglichst leicht in die umgebenen Lungenkapillaren diffundieren können. Die Lungenkapillaren gehören zum kleinen Blutkreislauf, der sauerstoffarmes Blut von der rechten Herzkammer zur Lunge und sauerstoffreiches Blut von den Lungenkapillaren zum linken Vorhof führt. Die Lunge selbst wird über ein zweites Gefäßsystem versorgt. Die Durchblutung der Lunge wird auch als Perfusion bezeichnet und steht in engem Verhältnis zur Ventilation - der Verteilung der Atemgase in der Lunge. Diese wird durch Druckunterschiede zwischen Alveolarraum und Außenwelt angetrieben, die u.a. von der Atemmuskulatur erzeugt werden. Für Details zum Ablauf der Atmung siehe auch: Atemmechanik. Übrigens findest du auch eine Histo-Trainer-Folge zur Histologie von Lunge und Trachea in den jeweiligen Abschnitten zur mikroskopischen Anatomie.

Die Luftröhre bzw. Trachea verbindet den Larynx mit den Hauptbronchien der Lunge.

Makroskopische Anatomie

Steckbrief

• Funktion: Weiterleitung der Atemluft von der Epiglottis zu den Hauptbronchien und umgekehrt, Anfeuchten und Erwärmen der Atemluft, Immunabwehr, Transport von Schmutz und Schleim aus den Atemwegen (mukoziliäre Clearance)
• Lage: In Hals und Mediastinum, ventral des Ösophagus
  • Beginn: Unterhalb des Ringknorpels (Kehlkopf)
  • Ende: Kaudal in der Bifurcatio tracheae auf Höhe des 4. BWK
• Form: Röhrenförmig
• Größe: ca. 10 cm lang

Aufbau

Die Trachea ist aus hufeisenförmigen Knorpelspangen aufgebaut, die dorsal durch eine Muskel-Bindegewebs-Platte verbunden sind.

• Vorderseite: Ca. 20 hufeisenförmige Knorpelspangen, mit Bändern untereinander verbunden (Ligg. anularia)
• Rückseite (Paries membranaceus): Besteht aus Bindegewebe und Muskeln (dem sog. M. trachealis)
• Bifurcatio tracheae: Aufzweigung der Trachea in einen rechten und einen linken Hauptbronchus auf Höhe des 4. BWK
  • Linker Hauptbronchus geht waagerechter ab (Winkel von 35° zur Richtung der Trachea), da er durch das Herz "angehoben" wird
    • Der linke Hauptbronchus ist länger und dünner als der rechte Hauptbronchus
  • Der rechte Hauptbronchus weicht nur um 20° von der Richtung der Trachea ab
  • Ins Lumen der Bifurcatio ragt ein Knorpelsporn, der den Luftstrom lenkt (Carina tracheae)

Fremdkörperaspiration
Beim Verschlucken von Flüssigkeiten oder Fremdkörpern gelangen diese ins Tracheobronchialsystem (statt in die Speiseröhre), was als „Aspiration“ bezeichnet wird. Häufig sind davon Kinder im 2. und 3. Lebensjahr betroffen, aber auch Personen ohne entsprechende Schutzreflexe. Sind die Schutzreflexe erhalten, kommt es zu anfallsartigem Reizhusten, weiterhin können Stridor und Dyspnoe bestehen. Eine lebensbedrohliche Verlegung der Trachea führt zu massiver Luftnot, Zyanose und Asphyxie. Meist jedoch befinden sich die Gegenstände nach Aspiration in den Haupt- und Zwischenbronchien, aufgrund des steileren Abgangs häufiger im rechten als im linken Bronchus. Bei ineffektivem Hustenreiz kann mithilfe des Heimlich-Manövers eine Mobilisation des Fremdkörpers versucht werden.

Gefäßversorgung, Innervation und Lymphabfluss

Topografie der Trachea

Mikroskopische Anatomie der Trachea

Der mikroskopische Aufbau der Trachea entspricht dem der großen Bronchien (siehe: Mikroskopische Anatomie der Lunge).

Histo-Trainer zur Histologie der Trachea und der Lunge

Steckbrief

• Form: Die Lungenflügel ähneln einem abgerundeten Kegel
• Größe: Volumen von 1,5 L rechts und 1,4 L links
• Oberfläche: ca. 100 m²
• Gewicht: ca. 800 g
• Flächen und Ränder
  • Flächen
    • Facies costalis
    • Facies diaphragmatica
    • Facies mediastinalis
    • Facies interlobaris
  • Ränder: Margo anterior und inferior

Aufbau

Die Lunge besteht aus zwei Lungenflügeln, welche sich in Lungenlappen und diese wiederum in funktionelle Segmente einteilen lassen. Nach der Funktion unterscheidet man das luftleitende Bronchialsystem und die gasaustauschenden Alveolen.

Das luftleitende Bronchialsystem

Die Lappen- und Segmenteinteilung der Lunge entspricht der Aufspaltung des Bronchialsystems: Ein Lungenlappen entspricht somit dem Lungenabschnitt, der von einem Lappenbronchus mit Atemluft versorgt wird; ein Lungensegment wird analog durch das Versorgungsgebiet der Segmentbronchien definiert.

• Aufteilung des Bronchialsystems
  • Der Bronchialbaum spaltet sich ca. 20-mal dichotom auf
  • Je nach Stufe der Aufteilung unterscheidet man:
    • Hauptbronchien → Lappenbronchien → Segmentbronchien → Subsegmentbronchien usw.
  • Die Aufteilung der Bronchien bestimmt auch die Gliederung des Lungengewebes
    • Lungenflügel → Lungenlappen → Lungensegmente usw.
• Besonderheiten des linken Lungenflügels (bedingt durch die Lage des Herzens)
  • Nur zwei Lungenlappen und insg. 9 Lungensegmente links (rechts sind es drei Lappen und 10 Segmente)
  • Eher „waagerechter“ Abgang des linken Hauptbronchus von der Trachea

Der Bronchialbaum verzweigt sich ab der Bifurcatio tracheae etwa 20-mal in je zwei Anteile (dichotom)!

Der rechte Lungenflügel lässt sich in 10 Segmente einteilen, der linke Lungenflügel hingegen hat nur 9 Segmente, da ihm das Segment VII fehlt!

Nur der rechte Lungenflügel verfügt über einen Mittellappen. Dieser liegt keilförmig zwischen Ober- und Unterlappen an der vorderen Thoraxwand und kann nur von ventral auskultiert werden.

Von dorsal betrachtet reicht der untere Lungenunterlappen beidseits weit nach kranial und nimmt den größten Teil des Lungenflügels ein.

Bronchioli respiratorii und Alveolen

Mit den Bronchioli respiratorii beginnt der gasaustauschende Abschnitt der Lunge. Sie münden in den Alveolargang (Ductus alveolaris), der traubenförmig von einer Vielzahl an Alveolen umgeben ist (Sacculus alveolaris) .

• Funktion: Gasaustausch
• Gliederung: Bronchioli respiratorii → Ductus alveolares → Sacculi alveolares
• Anzahl: Insg. etwa 300 Millionen Alveolen mit einer Fläche von ca. 100 m²
• Aufbau
  • Die Bronchioli respiratorii münden in einen Ductus alveolaris, von dem aus die Sacculi alveolares abgehen
    • Auch von den Bronchioli respiratorii zweigen sich vereinzelt Alveolen ab
  • Alveolen sind voneinander durch Interalveolarsepten getrennt, die Kapillaren und elastische Fasern enthalten
    • Kohn'sche Poren: Kleine Löcher in den Alveolarsepten, die Austausch von Atemluft und Alveolarflüssigkeit zwischen benachbarten Alveolen erlauben

Gefäßversorgung und Innervation

Arterielle Versorgung

Es gibt zwei funktionell unterschiedliche Systeme von arteriellen Gefäßen in der Lunge: die Lungenarterien und die Bronchialarterien. Während die Lungenarterien sauerstoffarmes Blut tragen, das in der Lunge oxygeniert werden soll, gehören die Bronchialarterien zum Körperkreislauf und versorgen das Lungengewebe mit sauerstoffreichem Blut. Daher bezeichnet man die Bronchialgefäße auch als Vasa privata der Lunge, und die Lungengefäße als Vasa publica der Lunge.

• Lungenarterien (Vasa publica)
  • Funktion: Leiten das sauerstoffarme Blut aus dem rechten Herzen durch die Lunge, um dort den Gasaustausch zu ermöglichen
  • Verlauf: Gemeinsam mit gleichnamigen Bronchien zentral in den Lappen und Segmenten
  • Gliederung
    • Truncus pulmonalis
      • A. pulmonalis dextra und sinistra
        • Aa. lobares superior, inferior et media
          • Aa. segmentalis
• Bronchialarterien (Vasa privata)
  • Funktion: Versorgung des Lungengewebes mit sauerstoffreichem Blut (mit Ausnahme der Alveolen )
  • Verlauf: Abgang direkt aus der Aorta thoracica oder aus den Aa. intercostales posteriores als Rr. bronchiales
    • Ziehen von dorsal durch das Lungengewebe zu den Bronchien
    • Verlaufen im peribronchialen Bindegewebe

Venöser Abfluss

Das venöse System der Lunge lässt sich analog zu den Arterien in Lungenvenen und Bronchialvenen einteilen. Erstere führen sauerstoffreiches Blut zurück zum Herzen, während letztere sauerstoffarmes Blut in die V. azygos rechts und die V. hemiazygos links leiten.

• Lungenvenen (Vasa publica): Leiten sauerstoffreiches Blut aus der Lunge zum Herzen
  • Verlauf: Zwischen den Lungensegmenten im intersegmentalen bzw. interlobulären Bindegewebe
    • Vv. pulmonales superior und inferior: Münden je rechts und links direkt in den linken Vorhof
• Bronchialvenen (Vasa privata): Führen sauerstoffarmes Blut
  • Abfluss: Hauptsächlich in V. azygos rechts und V. hemiazygos links
    • Geringer Anteil fließt in die Lungenvenen ab

Vegetative Innervation und Lymphabfluss

In der Lunge gibt es ein subpleurales Lymphabflusssystem, das mit den Lungenvenen verläuft, und ein peribronchiales System, das mit den Lungenarterien verläuft. Beide fließen in den Nodi lymphoidei tracheobronchiales zusammen – für das subpleurale System sind diese sogar die erste Lymphknotenstation. Der Parasympathikus vermittelt an den Bronchien der Lunge v.a. eine Bronchokonstriktion und Sekretproduktion. Der Sympathikus bewirkt über β₂-Rezeptoren hingegen eine Bronchodilatation.

Topografie

Die Lunge nimmt den größten Teil des Thorax ein und grenzt somit an fast alle dort liegenden Strukturen. Klinisch sind die Lagebeziehungen z.B. beim Bronchialkarzinom relevant, da sie zu typischen Symptomen wie Heiserkeit führen können.

Die Lunge passt sich ihrer Umgebung an, weshalb die angrenzenden Organe Abdrücke (= Impressionen) auf der Lungenoberfläche hinterlassen!

Pancoast-Tumor
Bösartige Tumoren der Lungenspitze (= Pancoast-Tumoren) können wegen ihrer anatomischen Lagebeziehungen zu speziellen Symptomen führen. Durch destruktives Einwachsen in das Ganglion stellatum des Truncus sympathicus entsteht eine Trias von Ausfallsymptomen, die auch „Horner-Trias“ genannt wird: Auf der betroffenen Seite hängt das Augenlid (Ptosis), die Pupille ist verkleinert (Miosis) und das Auge erscheint in der Augenhöhle nach hinten verlagert (Enophthalmus). Bei dieser Symptomkonstellation sollte also auf jeden Fall ein Lungentumor ausgeschlossen werden, d.h. man sollte unbedingt weitere Untersuchungen veranlassen, um diese Verdachtsdiagnose abzuklären.

Lungenhilus

Als Lungenhilus wird jeweils der gemeinsame Gefäß- und Bronchialstamm der beiden Lungenflügel bezeichnet. Die relative Lage der Lungengefäße und Bronchien ist z.B. für die Interpretation von CT-Bildern wichtig.

Das Lungengewebe besteht aus dem Bronchial- und Alveolarbaum sowie aus dazwischen liegendem Bindegewebe mit Blut- und Lymphgefäßen. Die großen Bronchien haben wie die Trachea einen dreischichtigen Wandaufbau, von dem die Bronchioli und Alveolen abweichen. Letztere haben sehr dünne Wände, um die sog. Blut-Luft-Schranke besonders dünn zu halten und somit einen optimalen Gasaustausch zu ermöglichen. Übrigens findest du eine Folge des Histo-Trainers zur Histologie von Lunge und Trachea am Ende dieses Abschnitts.

Wandaufbau der Bronchien

Die Wand der Bronchien ist, wie auch die Wand der Trachea, aus drei Schichten aufgebaut : Das respiratorische Epithel (Flimmerepithel) der Tunica mucosa transportiert mittels beweglicher Kinozilien auf der Zelloberfläche kontinuierlich Schmutz und Schleim in Richtung Rachen.Die Knorpelplatten der Tunica fibromusculocartilaginea halten die Atemwege offen, wenn sich durch In- und Exspiration die Druckverhältnisse ändern. Die Tunica adventitia enthält Gefäße und Nerven.

Bronchioli und Alveolen

Im Verlauf der Hauptbronchien zu den Bronchioli respiratorii werden die Bronchialwände immer dünner und verlieren immer mehr ihrer ehemaligen Merkmale. Dadurch lassen sich die verschiedenen Abschnitte des Bronchialbaums genau zuordnen. Der Feinbau der Alveolen ist durch die dünnen einschichtigen Wände optimal an ihre gasaustauschende Funktion angepasst.

Bronchiolus

• Aufbau: Histologische Schichten wie bei den Bronchien mit folgenden Besonderheiten
  • Einschichtiges zylindrisches Flimmerepithel mit einzelnen Becherzellen
  • Kräftige, gitterartige Schicht aus glatter Muskulatur
  • Peribronchioläre, elastische Fasern
  • Keine Drüsen und kein Knorpel
• Funktion: Luftleitender (konduktiver) Abschnitt des Bronchialbaums
• Aufzweigung: In mehrere Bronchioli terminales

Bronchiolus terminalis

• Aufbau: Entspricht dem der Bronchioli mit folgenden Besonderheiten
  • Einschichtiges kubisches Flimmerepithel ohne Becherzellen
  • Keulenzellen in der Epithelschicht: Zilienfreie, sekretorische Zellen
• Funktion: Letzter luftleitender (konduktiver) Abschnitt des Bronchialbaums
• Aufzweigung: In mehrere Bronchioli respiratorii

Bronchiolus respiratorius

• Aufbau: Entspricht dem eines Bronchiolus terminalis mit folgenden Besonderheiten
  • Alveolen können hier schon vereinzelt in der Wand liegen
• Funktion: Erster am Gasaustausch teilnehmender Abschnitt des Bronchialbaums
• Aufzweigung: Die Bronchioli respiratorii münden über den Ductus alveolaris in die Alveolen

Sind Knorpel und Drüsen in der Wandschicht sichtbar, so handelt es sich um Bronchien. Liegen weder Knorpel noch Drüsen vor, so handelt es sich um Bronchiolen!

Alveolen

• Pneumozyten Typ 1
  • Ermöglichen den Gasaustausch (einer der Hauptbestandteile der Blut-Luft-Schranke)
  • Sind flache Epithelzellen, die untereinander durch Tight Junctions verbunden sind
  • Bedecken 95% der Alveolaroberfläche
• Pneumozyten Typ 2
  • Produzieren Surfactant (Phospholipide und spezielle Proteine), das die Oberflächenspannung herabsetzt
  • Weitere Funktion: Ersatz von Typ-1-Pneumozyten bei Gewebsverletzung
  • Sind kubische Epithelzellen mit Vakuolen
  • Bedecken die übrigen 5% der Alveolaroberfläche (liegen verstreut zwischen den Pneumozyten Typ 1)
• Alveolarmakrophagen
  • Bewegen sich luftseitig über die Pneumozyten
  • Phagozytose von Keimen und Schwebstoffen
  • Etwa 50 Alveolarmakrophagen pro Alveole

Surfactant setzt die Oberflächenspannung der Alveolen herunter, reduziert somit die Atemarbeit und macht eine normale Atmung erst möglich!

Atemnotsyndrom des Neugeborenen
Wird ein Kind vor der 32. Schwangerschaftswoche geboren, so haben die Typ-2-Pneumozyten häufig noch nicht genügend Surfactant produziert, um eine normale Atmung möglich zu machen. Betroffene Kinder sterben in etwa einem Drittel der Fälle trotz Beatmung. Daher wird versucht, die Lungenreife bei drohender Frühgeburt zu beschleunigen (sog. „Lungenreifeinduktion“), indem der Mutter ein Cortisonderivat gespritzt wird: Cortison bewirkt eine schnellere Reifung der Typ-2-Pneumozyten und somit die frühere Produktion von Surfactant. Bei der Behandlung der betroffenen Kinder kommt seit den Neunzigern auch künstlich hergestelltes Surfactant zum Einsatz.

Blut-Luft-Schranke (Alveolarmembran)

Die Lungenarterien transportieren sauerstoffarmes Blut in die Kapillaren, die sich den Alveolen anlagern. Damit der Gasaustausch dort ideal ablaufen kann, wird die Strecke zwischen Atemluft und Blut (Blut-Luft-Schranke) besonders kurz gehalten. Von den Kapillaren aus fließt das sauerstoffreiche Blut dann über die Lungenvenen zum Herzen.

• Ziel: Möglichst kurze Diffusionsstrecke zwischen Atemluft im Alveolarraum und Blut in den Kapillaren
• Aufbau (vom Blut zur Luft)
  • Kapillarendothel: Kontinuierliches Endothel
  • Gemeinsame Basallamina
  • Pneumozyten Typ 1
  • Surfactant-Schicht
• Resultierende Dicke: ca. 0,2–2 μm

Immunabwehr in der Lunge

Da die Lunge eine sehr große Oberfläche hat, die mit der Außenwelt in Verbindung steht, spielt die Immunabwehr hier eine besonders große Rolle. Sie wird insbesondere über die mukoziliäre Clearance sichergestellt. Wie wichtig diese für die Gesundheit des Menschen ist, lässt sich an Erkrankungen wie der Zystischen Fibrose erkennen, bei der die mukoziliäre Clearance eingeschränkt ist.

• Mukoziliäre Clearance: In den zilientragenden Luftwegen
  • Becherzellen und Drüsen produzieren Schleim, der zusammen mit Bakterien und Staub durch das Flimmerepithel nach oral transportiert wird
• Gewebsmakrophagen: Vor allem in den zilienfreien terminalen Bronchiolen
  • Phagozytieren Bakterien, Zelldetritus und Schmutzpartikel

Zystische Fibrose
Die zystische Fibrose (syn. Mukoviszidose) entsteht durch einen Gendefekt, der u.a. in der Lunge zur Produktion von sehr dickflüssigem Schleim führt. Da die Zilien des Flimmerepithels diesen zähen Schleim nicht gut transportieren können, ist die Immunabwehr der Lunge bei den Betroffenen beeinträchtigt. Es kommt vermehrt zu Infekten, die die Lunge auf Dauer irreversibel schädigen. Die beidseitige Lungentransplantation ist dann häufig die letzte Möglichkeit, die Patienten zu retten. Trotzdem werden die Patienten im Schnitt nur 35 Jahre alt.

Histo-Trainer Lunge und Trachea

Die Hauptfunktion der Lunge ist die Aufnahme von Sauerstoff ins Blut und die Abgabe von Kohlendioxid in die Atemluft. Dafür muss die Atemluft zunächst die Alveolen erreichen (siehe: Atemmechanik). Die Verteilung der Atemluft (Ventilation) wird dabei auf die Durchblutung (Perfusion) der Lungengefäße abgestimmt, damit der Gasaustausch gleichmäßig vonstattengeht. Das Atemzentrum passt die Atmung an die Bedürfnisse des gesamten Organismus an.

• Funktion der Lunge
  • Oxygenierung des pulmonalarteriellen Blutes
    1. Austausch der Atemgase O₂ und CO₂ zwischen Blut und Alveolarraum (siehe: Gasaustausch)
    2. Versorgung der Alveolen mit frischer Atemluft (siehe: Atemmechanik)
    3. Sicherstellen eines festen Verhältnisses zwischen Belüftung und Durchblutung der Lungenabschnitte (siehe: Ventilation und Perfusion)
  • pH-Regulation (siehe: Die Rolle der Lunge bei der pH-Regulation)

Der Gasaustausch ist die eigentliche Funktion der Lunge: Sauerstoff wird ins Blut aufgenommen (Oxygenierung), Kohlendioxid in die Atemluft abgegeben (Decarboxylierung).

• Ziel
  • Sauerstoffaufnahme (Normwert in Ruhe: 310 mL/min )
  • Kohlendioxidabgabe (Normwert in Ruhe: 260 mL/min)
    • Dient auch der pH-Regulation (siehe dazu auch: Säure-Basen-Haushalt)
• Mechanismus: Diffusion der Atemgase durch die Blut-Luft-Schranke und Ab- bzw. Hintransport mit dem Blut
  • Alveolokapilläre Kontaktzeit des Blutes: ca. 0,3–0,8 s
  • Diffusion ist nach dem Fick'schen Gesetz abhängig von:
    • Partialdruckunterschied zwischen Blut und Atemluft (ΔP_O2: 8 kPa; ΔP_CO2: 0,8 kPa)
    • Diffusionsleitfähigkeit (sog. Krogh-Diffusionskoeffizient): Stoffabhängige Kenngröße (für CO₂ etwa 23-mal größer als für O₂)
    • Verfügbarer Fläche (etwa 100 m² )
    • Diffusionsstrecke (etwa 0,6 μm)
• Nach dem Dalton-Gesetz gilt für die Partialdrücke:
  • p_Gas = p_gesamt × F_Gas

Die Partialdrücke und damit auch der Gasaustausch von O₂ und CO₂ im alveolären Gasgemisch hängen von der O₂-Aufnahme, der CO₂-Abgabe sowie der alveolären Ventilation ab. Dabei gilt, dass der alveoläre CO₂-Partialdruck umso geringer ist, je größer die alveoläre Ventilation ist.

Die O₂- und CO₂-Partialdrücke des Blutes gleichen sich über den Verlauf der Lungenkapillare komplett an die alveolären O₂- und CO₂-Partialdrücke an!

Interstitielle Lungenerkrankungen
Bei den interstitiellen Lungenerkrankungen (bspw. bei der Lungenfibrose ) kommt es zu einer Zunahme von Bindegewebe in der gesamten Lunge, u.a. auch im Bereich zwischen Alveolen und Kapillaren. Dadurch ist die Diffusionsstrecke erhöht und der Gasaustausch beeinträchtigt. Klinisch wird dies als verringerte Diffusionskapazität bezeichnet. Sie wird bestimmt, indem der Patient eine definierte Menge Kohlenmonoxid einatmet und anschließend im Blut kontrolliert wird, wieviel davon aufgenommen wurde.

Ventilation bezeichnet die Verteilung der Atemluft auf die verschiedenen Lungenanteile . Sie ist dafür verantwortlich, die Alveolen mit frischer Luft zu versorgen, sodass dort der Gasaustausch ermöglicht wird. Jene Abschnitte der Atemwege, die lediglich die Luft leiten und nicht am Gasaustausch teilnehmen, werden Totraum genannt.

• Räume der Ventilation: Bei der Ventilation wird zwischen dem Alveolarraum und dem Totraum unterschieden
  • Alveolarraum: Anteil der Atemwege, die am Gasaustausch teilnehmen
  • Funktioneller Totraum: Anteil der Atemwege, der belüftet wird, aber nicht am Gasaustausch teilnimmt
    • Normwert (beim Erwachsenen): ca. 150–200 mL
    • Einteilung
      • Anatomischer Totraum: Luftleitende Atemwege
        • Lässt sich bspw. über die Totraumventilation berechnen
          • Anatomischer Totraum = Totraumventilation/Atemfrequenz
      • Alveolärer Totraum: Alveolen, die belüftet, aber nicht durchblutet sind und deshalb nicht am Gasaustausch teilnehmen
    • Berechnung des funktionellen Totraums
      • Bohr-Totraumformel: V_T = V_E × (1 - (F_ECO2 / F_ACO2))
        • V_T = Totraumvolumen
        • V_E = Exspirationsvolumen
        • F_ECO2 = CO₂-Fraktion in der Exspirationsluft
        • F_ACO2 = CO₂-Fraktion in den Alveolen
• Parameter der Ventilation
  • Atemzeitvolumen (Atemminutenvolumen, AMV): Luftvolumen, das pro Minute ein- bzw. ausgeatmet wird
    • Atemzeitvolumen = Atemzugvolumen × Atemfrequenz
      • Atemfrequenz: Atemzüge pro Minute
  • Alveoläre Ventilation: Anteil des Atemzeitvolumens, der die Alveolen erreicht und damit am Gasaustausch teilnimmt
    • Alveoläre Ventilation = (Atemzugvolumen - Totraumvolumen) × Atemfrequenz
    • Ventilationskoeffizient: Anteil des alveolären Gasgemischs, der pro Atemzug ausgetauscht wird (in Ruhe 0,1–0,12)
  • Totraumventilation: Luftvolumen, das pro Minute den anatomischen Totraum durchströmt
    • Totraumventilation = Atemzeitvolumen - alveoläre Ventilation

Steigt die alveoläre Ventilation bspw. bei Hyperventilation an, so wird mehr CO₂ abgeatmet: Der CO₂-Partialdruck sinkt sowohl im Blut als auch in der Ausatemluft! Sinkt die alveoläre Ventilation hingegen, kommt es sowohl im Blut als auch in der Ausatemluft zu steigenden CO₂-Konzentrationen!

Steigt die alveoläre Ventilation, steigen auch alveolärer und arterieller O₂-Partialdruck. Der alveoläre O₂-Partialdruck nähert sich dabei dem O₂-Partialdruck der Inspirationsluft an. Sinkt hingegen die alveoläre Ventilation, sinkt auch der arterielle O₂-Partialdruck!

Da das gesamte Blutvolumen des Körpers die Lunge passieren muss, entspricht die Lungendurchblutung dem Herzzeitvolumen. Die Verteilung des Blutes auf die Lungenabschnitte hat jedoch großen Einfluss auf die Oxygenierung des Blutes. Daher wird sie durch spezielle Reflexe wie den Euler-Liljestrand-Mechanismus genau gesteuert. Details zum Lungenstoffwechsel werden in der Leistungsphysiologie dargestellt (siehe: Leistungsphysiologie und Altern).

• Lungendurchblutung: Entspricht dem Herzzeitvolumen (ca. 5 L/min)
• Verteilung der Durchblutung: Durchblutung in der Lungenbasis aufgrund der Schwerkraft stärker als in der Lungenspitze
• Blutdruck in den Lungengefäßen
  • Pulmonalarterieller Druck (Druck in der A. pulmonalis)
    • Pulmonalarterieller Mitteldruck (mPAP): 15 mmHg
    • Systolisch: 15–25 mmHg, diastolisch: 8–15 mmHg
  • Mittlerer Blutdruck der Lungenkapillaren: ca. 8 mmHg
    • Bleibt auch bei höherem Herzzeitvolumen niedrig, da sich die Lungenkapillaren bei Druckerhöhung passiv öffnen
• Ventilations-Perfusions-Verhältnis
  • Berechnung: Ventilations-Perfusions-Verhältnis = Alveolarventilation (V_A) / Alveoläre Perfusion (Q_A)
    • Physiologischerweise sind Alveolarventilation (V_A) und alveoläre Perfusion (Q_A) in etwa gleich, womit das Ventilations-Perfusions-Verhältnis der gesamten Lunge ungefähr bei 1 liegt → Es ergibt sich eine normale alveoläre Gaszusammensetzung (p_aO₂ von 100 mmHg und p_aCO₂ von 40 mmHg)
    • Wird die Lunge gar nicht belüftet, gilt V_A / Q_A = 0 und die alveoläre Gaszusammensetzung nähert sich der des venösen Blutes an
    • Wird die Lunge gar nicht durchblutet, gilt: V_A / Q_A = ∞ und die alveoläre Gaszusammensetzung nähert sich der atmosphärischen an
  • Ventilation-Perfusions-Verhältnis soll möglichst konstant gehalten werden
    • Hypoxische pulmonale Vasokonstriktion (Euler-Liljestrand-Mechanismus): Um das Ventilations-Perfusions-Verhältnis konstant zu halten, reagieren die Gefäße der Lunge auf Sauerstoffmangel mit einer Vasokonstriktion
• Lokale Unterschiede
  • Das Ventilations-Perfusions-Verhältnis ist in der Lungenspitze größer als in der Lungenbasis → O₂-Partialdrücke sind in der Lungenspitze höher als in der Lungenbasis
• Shuntperfusion
  • Anatomischer Shunt: Ca. 2–5% des Herzminutenvolumens wird an den Alveolen vorbeigeleitet (Blut aus Bronchialarterien, Pleuralgefäßen, Venen des linken Ventrikels sowie pulmonalen arteriovenösen Anastomosen) und nimmt physiologisch nicht am Gasaustausch teil
  • Intrapulmonaler Rechts-links-Shunt: Perfundierte, aber nicht belüftete Alveolen tragen nicht zur Oxygenierung des Blutes bei

Die Regulation der Atmung erfolgt zentral im sog. Atemzentrum in der Medulla oblongata. Es bewirkt eine rhythmische Innervation der Atemmuskulatur und wird durch verschiedene Atemreize beeinflusst.

• Atemzentrum: Nervenzellverband in der Formatio reticularis der Medulla oblongata
  • Innervieren die Atemmuskulatur rhythmisch → In- und Exspiration
  • Wird durch Atemreize beeinflusst
    • Stärkster Atemantrieb unter Normalbedingungen: Erhöhter CO₂-Partialdruck
    • Stärkster Atemantrieb bei chronischer Hyperkapnie (z.B. bei COPD): Erniedrigter O₂-Partialdruck

Ein CO₂-Partialdruck ab 70 mmHg dämpft das Atemzentrum, anstatt es zu stimulieren. Dies bezeichnet man auch als CO₂-Narkose!

Hyperventilation senkt den CO₂-Partialdruck im Blut und damit auch den Atemantrieb. Sind die O₂-Reserven im Blut aufgebraucht, bevor die CO₂-Akkumulation zum Atemreiz führt, kann daraus eine Bewusstlosigkeit folgen. Besonders gefährlich ist Hyperventilieren deshalb beim Apnoetauchen (sog. Schwimmbad-Blackout), da der fehlende Atemreiz nicht zum Auftauchen zwingt und somit Tod durch Ertrinken droht.

Sog. rückgekoppelte Atemreize (bspw. chemische Atemreize, Hering-Breuer-Reflex) werden im Sinne einer negativen Rückkopplung durch die von ihnen hervorgerufene Veränderung der Atmung selbst wieder vermindert. Steigt die Atmung bspw. aufgrund eines erhöhten CO₂-Partialdrucks an, wird dieser wieder vermindert, wodurch sich auch die Atmung wieder normalisiert. Nicht-rückgekoppelte Atemreize (bspw. Fieber, Schmerz) wirken dagegen auch bei einer Veränderung der Atmung weiter!

Pathologische Atmungsformen

Einige Atemmuster lassen es zu, auf die zugrunde liegende Störung zu schließen. Sie sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.

Die Anlage für die spätere Lunge entsteht als sog. Lungenknospe im ventralen Vorderdarm. Durch ca. 20-malige Aufteilung der Lungenknospe in jeweils zwei Tochterstrukturen (dichotome Verzweigungen) wird der Bronchialbaum einer Lunge gebildet. Für die gasaustauschende Funktion der Lunge ist insbesondere der Beginn der Surfactantproduktion um die 24. SSW p.c. von Bedeutung, die den Beginn der Überlebensfähigkeit des Fötus markiert. Die gesamte Lungenentwicklung lässt sich in fünf Phasen unterteilen: embryonale Phase, pseudoglanduläre Phase, kanalikuläre Phase, sakkuläre Phase und alveoläre Phase.

Embryonale Phase: Anlage der Lungenknospen

• Zeitpunkt: Etwa bis zur 6. SSW p.c.
• Bedeutung: Ausgangsstruktur sämtlicher Epithelien und Drüsen von Trachea, Bronchialsystem, Lunge und Larynx
• Ablauf
  • Ventral im Vorderdarm bildet sich die Laryngotrachealrinne.
  • Diese stülpt sich nach ventral aus und bildet dabei eine linke und eine rechte Lungenknospe.
  • Das Septum oesophagotracheale entwickelt sich zwischen Vorderdarm und Lungenknospen und trennt diese unvollständig.
    • Dabei bleibt eine kleine Verbindung im Bereich des späteren Pharynx erhalten.
  • Aus den Lungenknospen entstehen linker und rechter Hauptbronchus mit den Lappenbronchien.

Epithelien und Drüsen des Respirationstrakts gehen aus dem Vorderdarm hervor, mesenchymale Bestandteile wie Knorpel, Gefäße und Bindegewebe entstehen aus dem Mesoderm, in das die Lungenanlage einwächst!

Fetale Entwicklungsphasen: Dichotome Verzweigungen

• Zeitpunkt: Um die 6. SSW p.c. bis zum 8. Lebensjahr
• Bedeutung: Durch sukzessive Zweiteilung (dichotome Verzweigung) des Bronchialbaums entsteht die große innere Oberfläche, die für den Gasaustausch benötigt wird
• Ablauf: Man unterscheidet vier fetale Phasen:
  1. Pseudoglanduläre Phase (ca. 6.–16. SSW p.c.)
     • Die Lappenbronchien teilen sich weiter in Segmentbronchien auf
     • Durch weitere dichotome Teilungen entsteht der Bronchialbaum bis zu den Bronchioli terminales
     • Die bronchoepithelialen Zellen beginnen mit der Produktion von Amnionflüssigkeit
     • Histologie der distalen Bronchien ähnelt tubulo-azinösen Drüsen und zeigt einschichtiges kubisches bis zylindrisches Epithel
  2. Kanalikuläre Phase (ca. 16.–26. SSW p.c.)
     • Aus den Bronchioli terminales sprossen die Bronchioli respiratorii aus
     • Pneumozyten Typ I und Typ II beginnen sich zu differenzieren
  3. Sakkuläre Phase (ca. 26. SSW p.c. bis Geburt)
     • Ductus alveolares und Sacculi alveolares entstehen
     • Blutkapillaren vermehren sich und bilden gemeinsame Basalmembran mit dem Lungenepithel
  4. Alveoläre Phase (letzte Schwangerschaftswochen bis 8. Lebensjahr)
     • Alveolen mit dünnwandigen Septen reifen aus
     • Wachstum der gesamten Lunge

Der Beginn der Surfactantproduktion um die 24. SSW p.c. ist ein entscheidender Schritt für die Lebensfähigkeit des Ungeborenen!

Trachea

Wo beginnt die Trachea und wie weit reicht sie nach kaudal?

Wie unterscheiden sich der rechte und der linke Hauptbronchus voneinander und welche klinische Relevanz hat das?

Makroskopische Anatomie der Lunge

Beschreibe kurz den makroskopischen Aufbau der Lunge und nenne ihre funktionellen Abschnitte!

Was ist ein Lungensegment?

Wo liegt der Mittellappen und wo kann man ihn auskultieren?

Wie ist der gasaustauschende Abschnitt der Lunge aufgebaut?

Was versteht man unter den Vasa privata und den Vasa publica der Lunge?

Verlaufen die venösen Gefäße der Lunge ebenfalls mit den Bronchien?

Wie ist das Lymphabflusssystem der Lunge gegliedert?

An welche Strukturen grenzt die Facies mediastinalis des rechten und des linken Lungenflügels?

Beschreibe die Position der Gefäße und Bronchien im Lungenhilus links und rechts!

Mikroskopische Anatomie der Lunge

Beschreibe den allgemeinen Wandaufbau der Trachea und der Bronchien!

Welche Zellen liegen in der Lamina epithelialis der Bronchien?

Welche Drüsen befinden sich im Gewebe der Bronchien bzw. der Trachea und in welcher Schicht sitzen sie?

Wodurch ist eine Alveole histologisch gekennzeichnet bzw. woran erkennt man diese unter dem Mikroskop?

Wie unterscheidet sich der feingewebliche Aufbau der Bronchioli von den größeren Bronchien?

Wodurch sind die Pneumozyten Typ 2 histologisch gekennzeichnet und was ist ihre Aufgabe?

Welchen Zelltyp außer den Pneumozyten Typ 1 und 2 findet man noch in Alveolen?

Gasaustausch

Was bezeichnet man als alveolokapilläre Kontaktzeit und wie lang ist diese in etwa?

Wie hoch sind die Partialdrücke von CO₂ und O₂ in der Alveole und wieviel Prozent macht O₂ an der gesamten Luft innerhalb der Alveole aus?

Wie verhalten sich die O₂- und CO₂-Partialdrücke von Blut und Alveole nach beendetem Gasaustausch zueinander?

Ventilation

Was bezeichnet man als anatomischen Totraum und wie kann man diesen berechnen?

Wie berechnet sich das Atemzeitvolumen?

Was ist die alveoläre Ventilation und wie berechnet man sie?

Wie verhält sich der CO₂-Partialdruck im Blut und in der abgeatmeten Luft bei steigender alveolärer Ventilation?

Perfusion

Wie ist das Ventilations-Perfusions-Verhältnis in der Lungenspitze im Vergleich zur Lungenbasis?

Wie hoch ist der pulmonalarterielle Mitteldruck (mPAP) in etwa?

Wie wird der mittlere Blutdruck der Lungenkapillaren niedrig gehalten?

Was versteht man unter hypoxischer Vasokonstriktion?

Atemregulation

Beschreibe den Hering-Breuer-Reflex!

Was bezweckt Hyperventilieren vor dem Tauchen?

Welche pathologische Atmungsform kann bei metabolischer Azidose auftreten?

Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.