Die Leistung des Herzens und deren Anpassung
Jeder kennt das: Wir betätigen uns körperlich, und die Herzfrequenz geht in die Höhe. Warum ist das so? Und merkt das Herz immer von ganz alleine, dass es jetzt schneller schlagen muss, um die Bedürfnisse des Körpers zu befriedigen? Was ist das Herzminutenvolumen? Dabei werden Begriffe wie Chronotropie, Inotropie, Dromotropie, Bathmotropie und Lusitropie geklärt. Und auch die Herren Frank und Starling kommen zu ihrem Recht.
In Ruhe werden etwa 5 Liter pro Minute durch das Herz gepumpt. Unter Belastung ist dieser Wert durch Zunahme der Herzfrequenz und des Schlagvolumens auf 25 Liter steigerbar.
- Herzfrequenz, auch HF oder Schlagfrequenz genannt, bezeichnet die Zahl der Herzschläge pro Minute. Sie beträgt 60 – 80 in Ruhe. Im EKG können beispielsweise alle P-Wellen oder R-Zacken gezählt werden. Die Herzfrequenz ist demnach gleich der Anzahl von Herzzyklen pro Minute.(Die Herzfrequenz ist als Puls tastbar: Im Gegensatz zur Frequenz erfasst der Puls aber überwiegend die mechanischen Auswirkungen von Herzaktionen auf die direkte Umgebung oder deren Fortleitung in entferntere Regionen des Körpers durch das Gefäßsystem. Manchmal ist der peripher (= vom Rumpf entfernt, an den Extremitäten) getastete Puls langsamer als die Herzfrequenz im EKG. Das hängt mit früh einfallenden Extraschlägen am Herzen zusammen, die zu einer mechanisch unwirksamen Herzaktion führen, die also keinen Blutauswurf zur Folge haben. Diese unwirksamen Herzaktionen werden zwar vom EKG wahrgenommen, sind aber nicht als Pulswelle tastbar, da sie eben nicht zu einem Blutauswurf aus dem Herzen führen. Man spricht dann von einem Pulsdefizit.)
- Schlagvolumen: Die bei jeder Kammerkontraktion ausgeworfene Blutmenge beträgt 70 – 80 ml. [Das Schlagvolumen ist in geringem Maß vom Herz selbst steigerbar, wenn es nötig ist. Mehr dazu später.]
- Aus beiden Werten lässt sich das Herzminutenvolumen (kurz: HMV, auch als Herzzeitvolumen (HZV) bezeichnet) berechnen. Schlagvolumen multipliziert mit Frequenz = Herzminutenvolumen. Als Ergebnis erhalten wir die Blutmenge, die vom Herz in einer Minute ausgeworfen wird. In Ruhe liegt das Minutenvolumen bei durchschnittlich etwa 5 Litern. (Es variiert zwischen Frequenz 60 x Schlagvolumen 70 = 4.200 ml und Frequenz 80 x Schlagvolumen 80 = 6.400 ml.)
Bedarfsgerechte Anpassung
Dazu müssen wir einige Fachbegriffe klären. Es ist ungleich praktischer, einen Zustand mit einem Wort zu erfassen, anstatt jedes Mal alle Mechanismen dahinter herunterzuleiern.
Inotropie
Einwirkung auf die Muskelkraft. Dies geschieht über Beeinflussung der Kontraktilität, also die Fähigkeit des Herzmuskels, sich zusammenzuziehen. Dies hängt immer mit Kalzium zusammen. Stehen mehr Kalziumionen für den Kontraktionsprozess zur Verfügung, steigt die Kontraktionskraft.
Positiv inotrop meint: Die Myokardkontraktionskraft wird gesteigert. (Sei es durch Adrenalin, Noradrenalin, Katecholamine oder Substanzen wie Herzglykoside.)
Negativ inotrop meint: Die Myokardkraft gesenkt. (Das kann über Acetylcholin oder Beta-Rezeptoren-Blocker geschehen.)
Bathmotropie
Einwirkung auf die Reizschwelle. Über Beeinflussung der kleinsten Spannung, die zur Auslösung eines Aktionspotentials nötig ist, wird Einfluss auf Erregbarkeit des Herzmuskels genommen.
Positiv bathmotrop meint: Die Reizschwelle wird gesenkt, dadurch erhöht sich die Erregbarkeit, es kommt also bei geringeren Impulsen zur Kontraktion. (Adrenalin, Noradrenalin und Herzglykoside sind dafür geeignet. Erstgenannte sind sowohl körpereigene Transmitter als auch Medikamente.)
Negativ bathmotrop meint: Durch Erhöhung der Reizschwelle sinkt die Erregbarkeit, es sind also stärkere Impulse nötig, um eine Kontraktion auszulösen. (Acetylcholin und Lidocain sind Substanzen, die das können, wobei Acetylcholin auch als Tarnsmitter im Körper vorkommt.)
Dromotropie
Beeinflussung der Erregungsleitung. Gemeint ist: Wie schnell wird das Signal vom Sinusknoten, das sich über die Vorhöhe in Richtung des AV-Knotens ausbreitet, von diesem aufgenommen und zu den Kammern weitergeleitet?
Positiv dromotrop meint: Über einen erhöhten Calcium-Einstrom am AV-Knoten wird rascher ein Aktionspotential ausgelöst, die Erregung somit schneller weitergeleitet. (Dies geschieht durch den Sympathikus mit seinen Transmittern Noradrenalin und Adrenalin.)
Negativ dromotrop: Die Erregungsleitung wird durch vermehrten Austrom von Kalium herabgesetzt. (Durch den Transmitter des Parasympathikus, das Acetylcholin.)
Chronotropie
Einwirkung auf die Schlaggeschwindigkeit. Die Schlaggeschwindigkeit, also die Frequenz, hängt vom Sinusknoten als oberstem Taktgeber der Erregungsbildung ab.
Positiv chronotrop meint: Erhöhter Ca2+-Einstrom beschleunigt die Depolarisation der Zellen, die Frequenz wird dadurch gesteigert. (Noradrenalin, Adrenalin und sympathikusfördernde Medikamente (sog. β-Sympathomimetika) wie Orciprenalin, aber auch Theophylline haben so eine Wirkung.)
Negativ chronotrop meint: Durch vermehrten Kalium-Ausstrom wird die Depolarisation verlangsamt, die Frequenz sinkt. (Acetylcholin, der Transmitter des Parasympathikus, kann das.)
Wie aber erfolgt die Anpassung an den augenblicklichen Bedarf?
Das vegetative Nervensystem mit seinen beiden Anteilen Parasympathikus und Sympathikus wirkt entsprechend auf das Herz ein. Wesentlich einflussreicher ist dabei der Sympathikus: Er ist in der Lage,
- die Schlagfrequenz zu erhöhen (postive chronotrop),
- die Kontraktionskraft zu steigern (positive inotrop) und
- die Erregungsleitung zu beschleunigen (postive dromotrop) sowie
- die Reizschwelle zu senken und dadurch die Erregbarkeit zu erhöhen (positiv bathmotrop).
Kurz gesagt, wirkt er auf das Herz leistungsfördernd. (Schließlich ist der Sympathikus mit seinen Transmittern Noradrenalin und Adrenalin der für Aktion, Kampf und Flucht zuständige Teil des VNS.)
Der Parasympathikus hingegen hat eine beschränkte leistungshemmende Wirkung: Über den N. vagus ist er nur mit dem rechten Vorhof verbunden. Er wirkt negativ inotrop, negativ bathmotrop, negativ chronotrop und negativ dromotrop. (Die inotrope und bathmotrope Wirkung sind allerdings gering.)
Ungleich wichtiger ist es aber, in Momenten der steigenden Belastung (Flucht, Aktion, Stress) den Motor schnell zu höherer Leistung zu bringen. In Ruhe kehrt das Herz ohnehin in seinen Ausgangszustand zurück.
Frank-Starling-Mechanismus
Dieser von den gleichnamigen Herren entdeckte Mechanismus dient der Selbstregulierung des Schlagvolumens (in gewissen Grenzen). Bei verstärkter Vordehnung der Myokardfasern durch die diastolische Füllung kommt es zur Auswurfsteigerung der Kammern.
Anders ausgedrückt: Ein vermehrtes Blutvolumen in der Diastole mit entsprechend größerer Vorhofbefüllung (die sog. Vorlast) führt zu einer Zunahme der Kammerfüllung und nachfolgend — bei gleich bleibender Herzfrequenz — zu einer Erhöhung des bei der folgenden Systole ausgeworfene Schlagvolumens.
Oder ganz kurz gesagt: WYGIWYP — what you get is what you pump!
Wie geschieht das? Bei erhöhtem Aortendruck ist der Auswurf erschwert. Mehr Restblut verbleibt in der linken Kammer, die Vorlast ist erhöht und die Kammermuskulatur stärker gedehnt. Als Folge kontrahieren sich die Fasern stärker, der Blutauswurf erfolgt mit größerer Kraft, das Schlagvolumen wird erhöht und das in der Kammer verbleibende Restblut auf ein Normalvolumen verringert.
Bei ständiger Überdehnung der Muskelfasern (chronische Volumen-/Druckbelastung) jedoch ist das Vordehnungsoptimum überschritten (das meinte ich mit “in gewissen Grenzen”), und der Frank-Starling-Mechanismus greift nicht mehr. Vordehnungsoptimum meint das ideale Maß der Vordehung der Muskelfasern — ist es überschritten, dann ist die Herzmuskulatur “ausgelatscht”, “ausgeleiert”. (Vgl. Herzinsuffizienz.)
Funktion: exakte Abstimmung der Herzzeitvolumina von linker & rechter Kammer; beide Kammern sollen dasselbe Volumen pro Schlag auswerfen. Übersteigt nämlich das der rechten Kammer jenes der linken, so folgt ein pulmonaler Blutstau mit Lungenödem. ( Eine unbedeutend erscheinende Differenz von 1 ml ro Zyklus = Herzschlag zöge bereits nach 1 Minute ein Defizit von 60 – 80 ml nach sich –und das wiederum ist schon eine ganze Menge.)
Last, but not least: Die Lusitropie
Einfluss auf die Fähigkeit des Myokards zur schnellen und vollständigen Erschlaffung bezeichnet. Funktionell das volle Gegenteil der Inotropie, aber ebenso wichtig.
Positiv lusitrop meint: Steigerung der Entspannungsfähigkeit. (Adrenalin und Noradrenalin sind positiv lusitrop.)
Negativ lusitrop meint: Absenkung der Entspannungsfähigkeit durch vermehrte Ca++-Aufnahme in die Zellen. (Glykoside, die wir eben schon als positiv inotrop kennengelernt habben, sind dabei negativ lusitrop).
