Blutrheologie und Hämatokrit

Wenn Sie den Hämatokrit einer Patientin anheben, erhöhen Sie zugleich zwei gegenläufige Größen: den Sauerstoffgehalt jedes Milliliters Blut und den Widerstand, den dieses Blut dem Herzen entgegensetzt. Beide Wirkungen sind rechnerisch gut fassbar, und beide treten immer gemeinsam auf. Genau deshalb ist die Frage nach der richtigen Transfusionsschwelle keine reine Laborfrage. Sie ist eine Frage nach dem Punkt, an dem der Gewinn an Sauerstoffgehalt den Verlust an Fließfähigkeit gerade noch überwiegt. Wer die Rheologie des Blutes versteht, erkennt, warum dieser Punkt bei einem Patienten mit koronarer Herzkrankheit anders liegt als bei einer jungen Patientin mit chronischer Anämie.

Die zweite klinische Anwendung liegt in der Mikrozirkulation. Auf der Intensivstation sehen Sie regelmäßig Patienten, deren großer Kreislauf zufriedenstellend erscheint, während die Haut marmoriert ist, die Rekapillarisierung verzögert bleibt und das Laktat steigt. Ein Teil dieser Beobachtung erklärt sich damit, dass die Fließeigenschaften in den kleinsten Gefäßen andere sind als in der Aorta und sich bei Entzündung, niedriger Strömungsgeschwindigkeit und veränderten Erythrozyten rasch verschlechtern. Die Rheologie erklärt damit Befunde, die mit Druck und Herzzeitvolumen allein nicht aufgehen.

Strömt eine Flüssigkeit durch ein Rohr, so bewegen sich benachbarte Flüssigkeitsschichten unterschiedlich schnell. Die wandnahe Schicht haftet praktisch still, die zentrale ist am schnellsten. Das Geschwindigkeitsgefälle zwischen benachbarten Schichten heißt Scherung oder Schergeschwindigkeit. Um die Schichten gegeneinander zu verschieben, ist eine Kraft je Flächeneinheit nötig, die Schubspannung. Die Viskosität ist das Verhältnis aus beiden: Schubspannung geteilt durch Scherung, angegeben in Pascalsekunden. Ihr Kehrwert heißt Fluidität. Eine Flüssigkeit mit hoher Viskosität verlangt für dieselbe Scherung eine größere Schubspannung; sie fließt zäher.

Bei Wasser und bei Plasma ist dieses Verhältnis über einen weiten Bereich konstant. Solche Flüssigkeiten heißen newtonsch: Verdoppeln Sie die treibende Kraft, verdoppelt sich die Strömungsgeschwindigkeit. Blut verhält sich anders; seine Viskosität hängt davon ab, wie schnell es gerade fließt und wie weit das Gefäß ist. Jede Angabe einer Blutviskosität ohne Angabe der Bedingungen ist deshalb unvollständig. Zur Einordnung dienen relative Einheiten, bezogen auf Wasser. Wasser hat bei 37 Grad Celsius eine Viskosität von etwa 0,7 Millipascalsekunden; das ist eine relative Einheit. Plasma liegt bei etwa zwei relativen Einheiten, weil die gelösten Proteine die Schichten aneinander koppeln. Strömendes Blut in kleinen Arterien von etwa 20 Mikrometern Durchmesser liegt bei etwa vier relativen Einheiten, also nur ungefähr beim Doppelten des Plasmawerts. Das ist der eigentliche Befund dieser Lektion: Eine Suspension, die zu fast der Hälfte aus Zellen besteht, fließt fast so gut wie ihre zellfreie Trägerflüssigkeit.

Der Hämatokrit ist das Verhältnis von Blutzellvolumen zu Gesamtblutvolumen und liegt bei Männern zwischen 0,40 und 0,54, bei Frauen zwischen 0,37 und 0,47. Da die Erythrozyten den ganz überwiegenden Anteil der Blutzellen stellen, ist der Hämatokrit praktisch ein Maß für die Erythrozytenkonzentration. Mit ihm steigt die Blutviskosität, und zwar nicht linear, sondern zunehmend steil. Solange die Zellen weit auseinanderliegen, stören sie die Schichtung der Strömung kaum. Je enger sie sich drängen, desto häufiger behindern sie einander, und oberhalb des physiologischen Bereichs nimmt die Viskosität überproportional zu. Ein Anstieg von 0,45 auf 0,60 erhöht den Strömungswiderstand daher weit mehr, als der Zahlensprung vermuten lässt.

Die zweite Bestimmungsgröße ist die Strömungsgeschwindigkeit. Anders als bei Wasser sinkt die Viskosität des Blutes, wenn es schneller fließt. Bei hoher Schergeschwindigkeit richten sich die Erythrozyten in Strömungsrichtung aus, verformen sich zu länglichen Gebilden und lassen ihren Inhalt sogar innerhalb der Membran zirkulieren. Die Membran verhält sich dann wie ein Flüssigkeitsfilm, der um den Zellinhalt rollt. Unter diesen Bedingungen verhält sich Blut weniger wie eine Suspension fester Teilchen als vielmehr wie eine Emulsion aus verformbaren Tröpfchen, und die Viskosität fällt. Verlangsamt sich die Strömung, kehrt sich der Vorgang um: Die Zellen richten sich nicht mehr aus, sie lagern sich zusammen, und die Viskosität steigt.

Beide Größen verstärken einander. Ein hoher Hämatokrit ist bei rascher Strömung gut verträglich und wird bei langsamer Strömung zum Problem. Gefährlich ist deshalb nicht der hohe Hämatokrit allein und nicht die niedrige Flussgeschwindigkeit allein, sondern ihr Zusammentreffen, wie es bei Exsikkose, Schock, Hypothermie und in den venösen Abschnitten der Mikrozirkulation regelmäßig vorkommt.

Der frei schwimmende Erythrozyt hat einen Durchmesser von etwa sieben Mikrometern. Die Kapillaren und die Poren der Milzsinus sind mit weniger als fünf Mikrometern deutlich enger. Für eine starre Scheibe wäre diese Passage unmöglich; für den Erythrozyten ist sie Routine. Drei Eigenschaften machen das möglich. Erstens ist der Zellinhalt selbst dünnflüssig, weil die Zelle keinen Kern und keine Organellen besitzt und im Wesentlichen eine Hämoglobinlösung enthält. Zweitens verhält sich die Membran mit ihrem Spektrinnetz wie ein dehnbarer Film, der seine Fläche beibehält, seine Form aber fast beliebig ändert. Drittens hat die bikonkave Scheibe ein großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, sodass sie ihre Form ändern kann, ohne die Membran zu dehnen. Diese Flächenreserve geht verloren, sobald die Zelle kugelig wird.

Aus dieser Konstruktion folgt unmittelbar, welche Störungen die Verformbarkeit beeinträchtigen. Bei Hyperosmolalität verliert die Zelle Wasser, ihr Inhalt wird zäher, und die Oberfläche legt sich in die stachelige Form, die als Stechapfelform bezeichnet wird. Bei der Sichelzellkrankheit polymerisiert das veränderte Hämoglobin unter Sauerstoffmangel zu starren Fasern; die Zelle wird steif und kann kleine Gefäße verlegen. Zelleinschlüsse und Veränderungen der Membran bei langer Lagerung wirken in dieselbe Richtung: Gelagerte Erythrozyten verlieren an Adenosintriphosphat, ihre Form geht von der Scheibe in die Kugel über, und ihre Fähigkeit, sich durch eine Kapillare zu zwängen, nimmt ab. Ob sich diese Lagerungsveränderungen in einen klinischen Vorteil frischer Konserven übersetzen, ist eine andere Frage, die der Evidenzabschnitt aufgreift.

Die Milz arbeitet als Prüfstelle für genau diese Eigenschaft. Erythrozyten verlassen dort regelhaft die Arteriolen und müssen durch schmale Poren in die Milzsinus gelangen; wer diese Passage nicht mehr schafft, wird ausgesondert und von Makrophagen abgebaut. Die Lebensdauer von etwa 120 Tagen ist damit keine eingebaute Uhr, sondern das Ergebnis einer täglich wiederholten mechanischen Prüfung.

In einem strömenden Rohr wirken auf ein verformbares Teilchen Kräfte, die es aus der Wandnähe in die Mitte treiben. Der Grund liegt im Geschwindigkeitsgefälle: Die wandnahe Seite eines Erythrozyten wird langsamer bewegt als die zur Mitte gerichtete Seite, die Zelle rotiert, und die dabei entstehende Querkraft schiebt sie ins Zentrum. Dieser Vorgang heißt Axialmigration. Als Folge entsteht ein zellreicher Kern in der Gefäßmitte und eine zellarme Plasmaschicht entlang der Wand. Genau dort, wo die Scherung am größten und die Reibung am teuersten ist, liegt nun fast reines Plasma.

Die Folge für die Viskosität ist bemerkenswert. In Gefäßen mit einem Durchmesser unterhalb von etwa 300 Mikrometern sinkt die wirksame Viskosität des Blutes mit abnehmendem Durchmesser, obwohl die Strömung dort langsamer wird. Dieser Zusammenhang heißt Fahraeus-Lindqvist-Effekt. In den Arteriolen von etwa sieben Mikrometern Durchmesser liegt die Viskosität des Blutes nur noch wenig über der des Plasmas. Der Körper nutzt die Verformbarkeit seiner Erythrozyten also genau dort, wo der größte Teil des peripheren Widerstands entsteht.

Der Effekt hat eine Grenze. In den Kapillaren mit etwa vier Mikrometern Durchmesser ist kein Platz mehr für einen zellreichen Kern und eine getrennte Randschicht; jede Zelle muss einzeln und verformt hindurch. Dort steigt die wirksame Viskosität wieder an. Damit ergibt sich über den Gefäßbaum ein Verlauf mit einem Minimum im arteriolären Bereich. Wichtig ist außerdem, dass der Effekt an die Verformbarkeit gebunden ist. Starre Zellen wandern nicht nach axial, sie bleiben in Wandnähe, und der Vorteil entfällt. Bei Sichelzellkrankheit, ausgeprägter Hyperosmolalität und stark veränderten Zellen verliert die Mikrozirkulation deshalb zwei Dinge gleichzeitig: die Passierbarkeit der Kapillare und die Entlastung der Arteriole.

Sinkt die Schergeschwindigkeit, so überwiegen die Kräfte, die Erythrozyten aneinander binden. Vermittelt werden sie vor allem durch große Plasmaproteine, allen voran Fibrinogen, und durch bestimmte Immunglobuline. Die Zellen legen sich mit ihren flachen Seiten aneinander und bilden Ketten, die im Ausstrich wie gestapelte Münzen aussehen; daher der Name Geldrollenbildung. Solche Aggregate verhalten sich wie große, schlecht verformbare Teilchen. Die Suspension verliert ihren emulsionsartigen Charakter, und die Viskosität kann unter ungünstigen Bedingungen auf ein Vielfaches ansteigen, in Modellversuchen bis in den Bereich von tausend relativen Einheiten. In kleinen Gefäßen führt das rasch zum Stillstand der Strömung.

Der Vorgang ist reversibel: Steigt die Schergeschwindigkeit wieder an, zerfallen die Geldrollen. Die Aggregation ist deshalb kein Naturereignis, sondern ein Kreislaufbefund. Sie tritt dort auf, wo die Strömung ohnehin langsam ist, also in den postkapillären Venolen, und sie wird verstärkt durch alles, was Fibrinogen und andere große Proteine erhöht: Entzündung, Sepsis, Malignom und Schwangerschaft. Kommt eine verminderte Verformbarkeit hinzu, schließt sich ein Kreis, in dem langsame Strömung die Aggregation fördert und die Aggregation die Strömung weiter verlangsamt.

Von der reversiblen Aggregation ist das Hyperviskositätssyndrom zu trennen. Es entsteht, wenn die Viskosität dauerhaft und unabhängig von der Schergeschwindigkeit erhöht ist. Zwei Wege führen dorthin. Der erste ist ein sehr hoher Hämatokrit, etwa bei Polycythaemia vera oder bei einer ausgeprägten sekundären Polyglobulie. Der zweite ist eine sehr hohe Konzentration großer Plasmaproteine, wie sie beim Morbus Waldenström und bei manchen Formen des multiplen Myeloms vorkommt. Klinisch zeigen sich Kopfschmerz, Schwindel, Seh- und Hörstörungen, Verwirrtheit und eine Neigung sowohl zu Thrombosen als auch zu Blutungen; die Therapie greift mit Aderlass oder Plasmaaustausch an der Ursache an.

Der Sauerstofftransport hängt am Produkt aus dem Sauerstoffgehalt des Blutes und dem Herzzeitvolumen. Der Gehalt steigt nahezu linear mit dem Hämatokrit, weil er im Wesentlichen an die Hämoglobinmenge gebunden ist; die Einzelheiten der Bindung und des Transports stehen in Kachel 03 und werden hier vorausgesetzt. Das Herzzeitvolumen hängt umgekehrt vom Strömungswiderstand ab, und dieser steigt mit dem Hämatokrit überproportional. Multipliziert man beide Verläufe, so ergibt sich eine Kurve mit einem Maximum. Dieses Maximum meint der Begriff des günstigsten Hämatokrits.

Das Maximum ist flach, und seine Lage hängt von den Umständen ab. Ist der Kreislauf in der Lage, mit einem höheren Herzzeitvolumen zu antworten, verschiebt sich das Optimum zu niedrigeren Werten, weil die Verdünnung durch mehr Fluss ausgeglichen wird; das ist bei jungen, herzgesunden Menschen der Fall. Kann der Kreislauf nicht mehr steigern, etwa bei Herzinsuffizienz, unter Betablockade oder bei koronarer Herzkrankheit, so verschiebt sich das Optimum zu höheren Werten, weil dann jeder verlorene Gramm Hämoglobin unmittelbar am Angebot fehlt. Auch das Zielorgan entscheidet mit: Für das Gehirn gilt anderes als für ein Myokard hinter einer Stenose, dessen Reserve bereits ausgeschöpft ist.

Aus dieser Überlegung stammt das Verfahren der akuten normovolämen Hämodilution. Vor einem Eingriff mit erwartetem Blutverlust wird Eigenblut entnommen und das Volumen durch eine zellfreie Lösung ersetzt. Der Hämatokrit sinkt, die Viskosität fällt, das Herzzeitvolumen steigt, und der Blutverlust während der Operation kostet weniger Erythrozyten, weil jeder verlorene Milliliter ärmer an Zellen ist. Nach der Blutstillung wird das Eigenblut zurückgegeben. Die Grenze des Verfahrens liegt dort, wo die Steigerung des Herzzeitvolumens nicht mehr möglich ist. Der umgekehrte Weg, die Senkung eines krankhaft erhöhten Hämatokrits, verfolgt dasselbe rheologische Ziel aus der entgegengesetzten Richtung.

Stellen Sie sich das Blut als Strom weicher Tropfen vor, nicht als Strom kleiner Scheiben. Diese eine Umstellung erklärt drei Beobachtungen auf einmal. Weiche Tropfen richten sich bei schneller Strömung aus und gleiten aneinander vorbei, weshalb die Viskosität mit der Geschwindigkeit fällt. Weiche Tropfen wandern im Geschwindigkeitsgefälle nach innen, weshalb sich eine schmierende Plasmaschicht an der Wand bildet und der Widerstand in den kleinen Gefäßen niedrig bleibt. Weiche Tropfen passen sich schließlich der Öffnung an, weshalb eine Zelle von sieben Mikrometern eine Pore von vier Mikrometern durchquert.

Aus dem Modell folgen die Störungen ohne Zusatzwissen. Wird der Tropfen hart, versagen alle drei Eigenschaften gleichzeitig: Die Ausrichtung entfällt, die Axialmigration entfällt, die Passage entfällt. Das ist die Lage bei Sichelzellkrankheit, bei starker Hyperosmolalität und bei stark veränderten Zellen. Werden die Tropfen dagegen klebrig, weil große Proteine sie verbinden, entstehen Ketten, die sich wie große starre Teilchen verhalten; das ist die Lage bei Entzündung und langsamer Strömung. Werden die Tropfen schließlich zu zahlreich, berühren sie einander dauernd, und selbst ideale Weichheit hilft nicht mehr; das ist die Lage bei Polyglobulie.

Für die klinische Entscheidung genügen daraus drei Fragen: Wie viele Zellen sind unterwegs, wie weich sind sie, und wie schnell fließen sie? Eine Transfusion erhöht die Zahl und senkt damit die Fließfähigkeit, ein Volumenersatz senkt die Zahl und beschleunigt zugleich die Strömung, Wärme und ausreichender Perfusionsdruck wirken über die Geschwindigkeit.

Was verändert die Anästhesie?

• Jede Volumengabe senkt den Hämatokrit. Bei normovolämer Ausgangslage verbessert das die Fließeigenschaften, bei bereits niedrigem Ausgangswert nähert es sich der Grenze, an der das Sauerstoffangebot leidet.
• Hypothermie erhöht die Viskosität des Plasmas und vermindert die Verformbarkeit der Erythrozyten. Die Normothermie ist damit auch eine rheologische Maßnahme und nicht allein eine Frage von Komfort und Gerinnung.
• Anästhetika senken durch Vasodilatation und verminderten Sympathikotonus den Perfusionsdruck. Die Schergeschwindigkeit fällt, und in den venösen Abschnitten der Mikrozirkulation nimmt die Neigung zur Aggregation zu.
• Lange Nüchternheit und unzureichender Ersatz laufender Verluste erhöhen den Hämatokrit durch Eindickung. Der gemessene Hämoglobinwert kann dann normal erscheinen, obwohl die Erythrozytenmasse vermindert ist.
• Eine Erythrozytenkonserve enthält Zellen, deren Verformbarkeit mit der Lagerungsdauer abnimmt. Für die Praxis folgt daraus keine Bevorzugung frischer Konserven, wohl aber die Erwartung, dass der Anstieg des Sauerstoffangebots verzögert eintritt.
• Bei der akuten normovolämen Hämodilution ist die Kreislaufreserve die entscheidende Auswahlgröße. Ohne die Fähigkeit, das Herzzeitvolumen zu steigern, geht der erwartete Vorteil verloren.

Wann wird diese Physiologie klinisch sichtbar?

• Marmorierte Haut bei ausreichendem arteriellem Druck: Die Störung liegt in den kleinen Gefäßen, wo niedrige Schergeschwindigkeit und Aggregation die Strömung zum Erliegen bringen.
• Thrombosen und Blutungen beim selben Patienten im Rahmen eines Hyperviskositätssyndroms, bei dem der zähe Blutstrom sowohl die Gerinnselbildung fördert als auch die Thrombozytenfunktion stört.
• Vasookklusive Krise bei Sichelzellkrankheit, ausgelöst durch Hypoxie, Kälte, Exsikkose oder Azidose, also durch genau die Bedingungen, die Verformbarkeit und Strömungsgeschwindigkeit gemeinsam vermindern.
• Scheinbar normaler Hämoglobinwert im Schock, solange die Gegenregulation noch nicht zu einer Verschiebung von Flüssigkeit in die Strombahn geführt hat. Der Wert beschreibt eine Konzentration, keinen Bestand.
• Fallendes Laktat nach Volumengabe ohne Anstieg des Hämoglobins: Der Gewinn beruht auf besserer Fließfähigkeit und höherem Fluss, nicht auf mehr Sauerstoffträgern.
• Kopfschmerz, Sehstörung und Verwirrtheit bei sehr hohem Hämatokrit, oft bei Polyglobulie im Rahmen einer chronischen Hypoxie oder einer Polycythaemia vera.

• Blut habe eine feste Viskosität. Blut ist nichtnewtonsch. Seine Viskosität hängt von Hämatokrit, Schergeschwindigkeit und Gefäßdurchmesser ab und ändert sich innerhalb desselben Kreislaufs um ein Vielfaches.
• Je enger das Gefäß, desto höher der Fließwiderstand des Blutes selbst. Zwischen etwa 300 und 10 Mikrometern sinkt die wirksame Viskosität mit dem Durchmesser; erst in der Kapillare steigt sie wieder an.
• Mehr Hämoglobin bedeute immer mehr Sauerstoffangebot. Der Gehalt steigt, das Herzzeitvolumen fällt. Oberhalb des günstigsten Hämatokrits überwiegt der zweite Effekt.
• Die Lebensdauer der Erythrozyten sei fest programmiert. Sie endet, wenn die Zelle die Prüfung an den Poren der Milz nicht mehr besteht; maßgeblich ist die Verformbarkeit, nicht ein Zeitgeber.
• Geldrollenbildung sei ein Gerinnungsvorgang. Sie ist eine reversible, durch Plasmaproteine vermittelte Zusammenlagerung, die bei steigender Schergeschwindigkeit wieder zerfällt.

Merksätze

• Viskosität ist Schubspannung geteilt durch Scherung. Bei Blut ist dieses Verhältnis keine Konstante, sondern eine Funktion der Umstände.
• Die Blutviskosität steigt mit dem Hämatokrit und mit sinkender Strömungsgeschwindigkeit. Gefährlich ist das Zusammentreffen beider Bedingungen.
• Der Erythrozyt ist weich, weil sein Inhalt dünnflüssig ist, seine Membran sich wie ein Film verhält und seine Oberfläche im Verhältnis zum Volumen groß ist.
• Axialmigration erzeugt eine zellarme Randschicht; deshalb ist die wirksame Viskosität in Arteriolen fast so niedrig wie die des Plasmas.
• Der günstigste Hämatokrit ist das Maximum aus Sauerstoffgehalt mal Fluss. Seine Lage hängt davon ab, ob der Kreislauf noch steigern kann.

Aufgaben