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Foto: Archiv-WMW Skriptum
Prof. Dr. Wolfram Windisch Abteilung Pneumologie, Universitätsklinik Freiburg
 
Pulmologie 30. September 2009

Bis zur Erschöpfung

Chronische Überbelastung der Atemmuskulatur bei COPD.

Bereits in den frühen Stadien der COPD liegt offenbar eine Beeinträchtigung von Kraft und Funktion des Zwerchfells vor. So führt die andauernde Überlastung der Atemmuskulatur zur insuffizienten Atmung und den für die Patienten belastenden und die Lebensqualität beeinträchtigenden Symptomen.

Die COPD (chronic obstructive pulmonary disease) ist als progrediente, nicht vollständig reversible Atemflusslimitation mit abnormer Entzündungsreaktion definiert, die mit unterschiedlichen extrapulmonalen Effekten einhergehen kann. Wesentlich dabei ist die multifaktoriell bedingte Einschränkung der Atemmuskulatur, insbesondere des Zwerchfells, mit erhöhter Last bei gleichzeitig reduzierter Kraft, was zu einer erhöhten atemmuskulären Beanspruchung und schließlich zu einer Erschöpfung der Atemmuskulatur führt. Die Folge ist die ventilatorische Insuffizienz, die akut und/oder chronisch entstehen kann. Sie ist durch eine Hyperkapnie gekennzeichnet und kann nur durch artifizielle Ventilation, d. h. Beatmung, behandelt werden. Die ventilatorische Insuffizienz mit diaphragmaler Dysfunktion muss getrennt von der pulmonalen Insuffizienz, bedingt durch das Lungenemphysem mit der Folge einer Hypoxämie, betrachtet werden, die einer Sauerstofftherapie zugänglich ist.

Atemmuskuläre Last

Bei der COPD führen mehrere Mechanismen zu einer Erhöhung der atemmuskulären Last (siehe Tabelle 1). Gleichzeitig kommt es jedoch auch zu einer Einschränkung der diaphragmalen Druckentwicklung (siehe Abbildung 1). Nach gegenwärtigem Wissensstand können drei wesentliche Gründe für die eingeschränkte Druckentwicklung des Zwerchfells zusammengefasst werden: die gestörte Atemmechanik, zelluläre Alterationen sowie Ko-Morbiditäten und Exazerbationen.

Gestörte Atemmechanik

Beim Gesunden verlaufen die Muskelfasern des Zwerchfells in kranio-kaudaler und somit vornehmlich in vertikaler Zugrichtung der inneren Thoraxwand anliegend („Zone of Apposition“), während das Zentrum tendineum des Zwerchfells eher waagerecht aufgestellt ist. So kann das Zwerchfell die unteren Rippen nach oben ziehen. Durch die Überblähung kommt es zu einer Abflachung des Zwerchfells mit dem Verlust der „Zone of Apposition“, das heißt, die kranio-kaudale Zugrichtung der Zwerchfellmuskulatur geht verloren. Der Thorax kann somit nicht suffizient gehoben werden. Zudem ist die Inspirationsmuskulatur dann verkürzt, was ungünstige Längenspannungseigenschaften der Muskelfasern konsekutiv mit verringerter Druckentwicklung zur Folge hat. Schließlich ist auch der Zwerchfellradius bei Überblähung vergrößert, was ebenfalls eine Abnahme der Druckentwicklung nach sich zieht.

Zelluläre Alterationen

Neuere Arbeiten haben gezeigt, dass zelluläre und molekulare Alterationen zwar sinnvollen Anpassungsmechanismen entsprechen, wie z. B. die Zunahme von oxidativen und ermüdungsresistenteren Typ-1-Fasern bei Abnahme der schneller ermüdbaren Typ-2-Fasern im Zwerchfell, jedoch pathologischen Umbauprozessen entsprechen, die eine reduzierte Kontraktilität der diaphragmalen Muskelfaser zur Folge haben. Wesentliche pathogenetische Faktoren sind dabei offensichtlich ein erhöhter oxidativer Stress mit Beschädigung der Sarkomere, was nach aktuellen Modellen eine proteolytische Kaskade mit Verlust von kontraktilen Proteinen nach sich zieht. Dabei konnte insbesondere gezeigt werden, dass eine verminderte diaphragmale Kontraktilität mit einer Abnahme des Myosingehaltes assoziiert ist. Neben einer „mechanischen Hypothese“, bei der vermehrt freie Radikale pathogenetisch wirksam sind, wird ursächlich auch die „Systemische Hypothese“ diskutiert. Bei der letzteren werden proinflammatorische Zytokine, namentlich insbesondere IL-6 und TNF-α, im Rahmen eines generalisierten Entzündungsprozesses mit einer Proteolyse in Verbindung gebracht. Die beschriebenen pathologischen Umbauprozesse in den Muskelfasern des Zwerchfells von COPD-Patienten in vitro wurden bereits in den frühen Stadien der COPD nachgewiesen. Diese Ergebnisse wurden in vivo bestätigt, wobei bereits in den frühen Stadien der COPD eine deutlich reduzierte Kraftentwicklung dokumentiert wurde. Die Einschränkungen waren in den fortgeschrittenen Stadien noch aggraviert.

Ko-Morbiditäten und Exazerbationen

Sowohl für die pulmonale Hypertonie als auch für die Herzinsuffizienz sind deutliche Einschränkungen der maximalen atemmuskulären Druckentwicklung beschrieben. Die Tragik liegt darin, dass diese Ko-Morbiditäten bei der COPD sehr häufig sind. Das gilt auch für den Diabetes mellitus, der im Fall einer diabetischen Polyneuropathie mit atemmuskulärer Einschränkung einhergehen kann. Nicht zu vergessen bleibt die Tatsache, dass eine Dauermedikation mit systemischen Steroiden zu einer Myopathie der Skelettmuskulatur und damit auch der Atemmuskulatur führen kann. Schließlich ist aus Autopsiestudien bekannt, dass Patienten mit Exazerbationen erhebliche Schäden am Zwerchfell mit Anhäufung von Kollagen und abnormen Muskelfasern aufweisen, vermutlich bedingt durch die exzessive Erhöhung der atemmuskulären Last während der Exazerbation.

In Zusammenschau der aktuellen Daten muss somit im Sinne eines generalisierten Krankheitsprozesses unabhängig von der Überblähung von einer Beeinträchtigung des Zwerchfells bereits in den frühen Stadien der COPD ausgegangen werden. Die pulmonale Überblähung führt dann über mechanische Störgrößen zu einer weiteren Verschlechterung der Zwerchfellfunktion. Ein Circulus vitiosus entsteht. Weitere Einschränkungen können dann in der Folge durch verschiedene Ko-Morbiditäten entstehen. Gleichzeitig ist die atemmuskuläre Last deutlich erhöht. Die Folge im Endstadium der COPD ist die multifaktoriell bedingte ventilatorische Insuffizienz mit einer prognostisch ungünstigen Hyperkapnie.

Dr. Valentin Fuhrmann ist an der Abteilung für Gastroenterologie und Hepatologie, Klinik für Innere Medizin III, MedUni Wien, tätig.

Der Originalartikel inklusive Literaturquellen ist nachzulesen im Magazin Wiener Medizinische Wochenschrift Skriptum 8/2009.

© Springer-Verlag, Wien

Kasten:
Mechanismen, die zu einer Erhöhung
der Last der Inspirationsmuskulatur bei COPD führen
Atemwegsobstruktion Verkürzung der Inspirationszeit Ventilatorischer Mehrbedarf, z.B. bei • Gasaustauschstörung (Emphysem, Pneumonie, Lungenembolie, u.a.) • Anämie • Herzinsuffizienz Vordehnung von Lunge und Thorax intrinsic PEEP
intrinsic PEEP = intrinsischer positiver endexspiratorischer Druck

Von Prof. Dr. Wolfram Windisch und Dr. Valentin Fuhrmann, Ärzte Woche 40 /2009

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