Mikrozirkulation, Flussheterogenität, funktionelles Shunting und Sepsis

Lernziele

Nach diesem Kurs soll Folgendes sicher beherrscht werden:

• Die Mikrozirkulation als dynamische, multifaktorielle Einheit beschreiben und ihre Rolle in der Sauerstoffversorgung der Gewebe erklären.
• Flussheterogenität als physiologisches Konzept verstehen und deren Auswirkungen auf die Gewebeperfusion und Oxygenierung ableiten.
• Funktionelles Shunting als wesentlichen Mechanismus der Mikrozirkulationsstörung bei Sepsis und anderen kritischen Erkrankungen korrekt einordnen.
• Die pathophysiologischen Grundlagen der Sepsis im Hinblick auf Mikrozirkulation und Flussverteilung verstehen und die klinischen Konsequenzen ableiten.
• Die Bedeutung von mikroangiopathischen Störungen, endothelialer Dysfunktion und Kapillarschäden in der Sepsis nachvollziehen.
• Klinische Markermessungen und diagnostische Verfahren für Mikrozirkulationsstörungen sicher anwenden und interpretieren.

Warum dieser Kurs klinisch relevant ist

Die Mikrozirkulation, als das kleinste Gefäßsystem, stellt das entscheidende Bindeglied zwischen makrovaskulärer Perfusion und zellulärer Sauerstoffnutzung dar. Sie ermöglicht den Gasaustausch und die Nährstoffversorgung auf Gewebeebene. In vielen kritischen Zuständen, insbesondere bei Sepsis, ist die Mikrozirkulation gestört, obwohl der systemische Blutdruck und das Herzzeitvolumen ausreichend erscheinen. Diese Dysregulation der Mikrozirkulation ist häufig die Ursache für Organdysfunktion und einen unzureichenden Sauerstofftransport in die Gewebe, auch wenn makroskopische Parameter wie PaO₂ und SpO₂ auf den ersten Blick normal erscheinen.

In der Sepsis und anderen schwerwiegenden Erkrankungen kommt es zu einer funktionellen Umverteilung des Blutflusses und einer Flussheterogenität, die zu Gewebshypoxie trotz ausreichendem makroskopischen Blutfluss führt. Das Verständnis dieser Prozesse und die Fähigkeit, sie zu erkennen und zu behandeln, sind entscheidend für eine erfolgreiche Therapie.

Mikrozirkulation: Definition und Bedeutung für die Gewebeoxygenierung

Definition und Komponenten

Die Mikrozirkulation umfasst alle Blutgefäße mit einem Durchmesser von weniger als 100 Mikrometern, einschließlich Arteriolen, Kapillaren und Venolen. Sie ist der Ort des eigentlichen Gasaustauschs und der Nährstoffversorgung der Zellen. Die Mikrozirkulation hat mehrere wesentliche Aufgaben:

Die Mikrozirkulation aus Arteriolen, Kapillaren und Venolen erfüllt drei Aufgaben. Über die Kapillaren findet der Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid zwischen Blut und Gewebe statt, auf einer Fläche, die beim Erwachsenen mehrere hundert Quadratmeter umfasst und so dicht ist, dass kaum eine Zelle weiter als einige zehn Mikrometer von einer Kapillare entfernt liegt. Über sie werden Nährstoffe zu den Zellen und Stoffwechselprodukte abtransportiert. Und sie regelt den lokalen Blutfluss nach dem Bedarf des Gewebes, indem sich Arteriolen und präkapilläre Sphinkteren erweitern oder verengen.

Mikrozirkulation als dynamisches System

Die Mikrozirkulation ist nicht statisch, sondern reagiert dynamisch auf physiologische und krankhafte Reize. Durch Autoregulation halten viele Organe, vor allem Gehirn, Niere und Herz, ihren Fluss über einen weiten Bereich des Blutdrucks konstant, über myogene Reaktionen der Gefäßwand und lokale Stoffwechselsignale. Die Vasomotion, rhythmische Kontraktionen und Erschlaffungen der Arteriolen im Takt von Sekunden bis Minuten, verteilt den Fluss wechselnd auf verschiedene Kapillaren. Und die Endothelfunktion steuert Gefäßtonus und Durchlässigkeit: Das Endothel bildet Stickstoffmonoxid und Prostazyklin, trägt auf seiner Oberfläche die Glykokalyx, eine Schicht aus Proteoglykanen, die die Gefäßwand abdichtet, und verhindert die Anlagerung von Zellen. Wird diese Funktion gestört, nimmt die Kapillarpermeabilität zu, und es entstehen Ödeme.

Flussheterogenität: Einfluss auf Gewebeperfusion und Oxygenierung

Definition und physiologischer Hintergrund

Flussheterogenität bezeichnet die ungleichmäßige Verteilung des Blutflusses in den verschiedenen Kapillaren und Mikrovaskulaturbereichen. Diese Ungleichverteilung ist physiologisch notwendig, um den unterschiedlichen Bedürfnissen der Gewebe gerecht zu werden. In kritischen Zuständen wie Sepsis oder Schock kann sich diese Heterogenität jedoch verschärfen und zur Dysregulation des Blutflusses führen.

Ursachen der Flussheterogenität

Flussheterogenität entsteht auf mehreren Wegen. Arteriolen können in verschiedenen Gewebsabschnitten unterschiedlich erweitert oder verengt sein, sodass der Fluss ungleich verteilt wird. Mikrothromben, Mikroembolien und aneinanderhaftende Leukozyten oder Erythrozyten können einzelne Kapillaren verlegen. Und in Hypoxie und Schock können Kapillaren durch Endothelschwellung und Ödem kollabieren oder geschlossen werden.

Auswirkungen auf die Gewebeoxygenierung

Die Folge ist, dass einzelne Gewebsareale unzureichend durchblutet sind, obwohl der systemische Blutdruck ausreicht. Typisch ist das in der Sepsis, in der die Mikrozirkulation trotz normalen Drucks gestört ist und eine funktionelle Gewebehypoxie entsteht. De Backer und Mitarbeiter haben mit sublingualer Videomikroskopie gezeigt, dass septische Patienten weniger perfundierte kleine Gefäße haben als Gesunde und dass die Störung bei Verstorbenen ausgeprägter ist (Am J Respir Crit Care Med 2002); ein Fortbestehen der Störung über 24 Stunden war mit Organversagen und Tod verbunden. Aber auch die übrigen Schockformen, hypovolämisch, kardiogen und distributiv, verteilen den Fluss ungleich und erzeugen Ischämie in den schlechter perfundierten Arealen.

Funktionelles Shunting: Entstehung und klinische Relevanz

Definition und Mechanismus

Funktionelles Shunting bezeichnet den Zustand, bei dem Blut durch nicht belüftete, aber perfundierte Bereiche der Lunge fließt. Diese Bereiche leisten keinen Beitrag zur Sauerstoffaufnahme, da sie nicht mit Luft in Kontakt kommen. Das führt zu einer Mischung von sauerstoffreichem und sauerstoffarmem Blut, was die PaO₂ senkt, auch wenn der systemische Blutdruck und die Lungenventilation scheinbar ausreichen.

Ursachen des funktionellen Shuntings

Der Begriff „funktionelles Shunting“ wird in zwei Bedeutungen verwendet, die man auseinanderhalten sollte. In der Mikrozirkulation beschreibt er Blut, das an der Austauschfläche vorbeifließt, weil schnell durchströmte Kanäle Blut an schlecht durchbluteten, „schwachen“ Kapillareinheiten vorbeileiten; das Gewebe wird dann hypoxisch, während das venöse Blut noch viel Sauerstoff enthält, was die hohe venöse Sättigung in der Sepsis mit erklärt. In der Lunge beschreibt der Shunt Blut, das nicht belüftete Alveolen durchströmt, etwa bei Atelektasen oder wenn Alveolen beim Lungenödem und im ARDS mit Flüssigkeit gefüllt sind; Areale mit niedrigem Ventilations-Perfusions-Verhältnis wirken ähnlich, nur schwächer. Beide Mechanismen führen dazu, dass Blut die Austauschfläche passiert, ohne seine Aufgabe zu erfüllen, der pulmonale Shunt beim Beladen, der mikrozirkulatorische beim Entladen (siehe Kurs Ventilation und Perfusion).

Auswirkungen auf die Sauerstoffversorgung

Funktionelles Shunting führt zu einer Erhöhung der alveolär-arteriellen Sauerstoffdifferenz (A-aDO₂), da der Sauerstoffpartialdruck in den nicht belüfteten Alveolen niedrig bleibt. Trotz einer möglicherweise hohen FiO₂ und einem normalen PaCO₂ bleibt die PaO₂ suboptimal, weil das venöse Blut, das aus den nicht belüfteten Bereichen stammt, nicht mehr mit Sauerstoff angereichert werden kann.

Sepsis: Mikrozirkulation und Flussverteilung

Pathophysiologie der Mikrozirkulationsstörung bei Sepsis

In der Sepsis greifen mehrere Mechanismen ineinander. Die Schädigung des Endothels und der Glykokalyx erhöht die Kapillarleckage und stört die Regulation des Gefäßtonus. Entzündungsmediatoren wie Stickstoffmonoxid und Bradykinin lösen eine ausgedehnte Vasodilatation aus, die den peripheren Widerstand senkt und, weil sich das venöse Kapazitätssystem erweitert, auch den venösen Rückstrom. Und die Aktivierung der Gerinnung führt zu Mikrothromben, die Kapillaren verschließen und die Perfusion weiter verringern. Hinzu kommen Leukozyten, die am Endothel haften, und Erythrozyten, die ihre Verformbarkeit verlieren und schlechter durch die Kapillaren passen.

Mikrozirkulationsstörungen und Gewebeperfusion

Mikrozirkulationsstörungen in der Sepsis führen zu einer unzureichenden Perfusion von Geweben und Organen, selbst wenn der Blutdruck aufrechterhalten wird. Diese mangelhafte Gewebeperfusion kann zu einer funktionellen Hypoxie führen, die sich klinisch in erhöhtem Laktat, Organversagen und schlechtem Outcome äußert.

Klinische Konsequenzen der Mikrozirkulationsstörung

Im Verlauf ändert sich das Bild. In der frühen Phase, vor Volumengabe, überwiegt oft eine Vasokonstriktion mit Zentralisation des Blutvolumens und verminderter peripherer Organperfusion. Später können die Schäden an der Mikrostrombahn irreversibel werden. Und die Mikrozirkulation reagiert auf Volumen nur begrenzt: Wegen der geschädigten Glykokalyx tritt Flüssigkeit ins Interstitium über, das Ödem verlängert die Diffusionsstrecke, statt die kapilläre Perfusion zu verbessern. Studien zeigen, dass Volumen die Mikrozirkulation vor allem in den ersten Stunden der Sepsis verbessert, später kaum noch (Ospina-Tascón, Intensive Care Med 2010). Das Auseinanderfallen von gutem Makrokreislauf und schlechter Mikrozirkulation wird als Verlust der hämodynamischen Kohärenz bezeichnet (Ince 2015).

Schocktypen und deren Auswirkungen auf die Mikrozirkulation

Hypovolämischer Schock

Hypovolämischer Schock tritt aufgrund eines signifikanten Volumenverlusts auf, der durch Blutverlust, Dehydratation oder Flüssigkeitsverschiebung verursacht wird. Dies führt zu einer reduzierten Vorlast und einem niedrigen Herzzeitvolumen.

Im hypovolämischen Schock ist die Mikrozirkulation durch den verminderten venösen Rückstrom und die kompensatorische Vasokonstriktion beeinträchtigt; die Flussverteilung verschlechtert sich, und die Gewebeoxygenierung leidet, oft schon bevor Blutdruck und Herzfrequenz auffällig werden.

Kardiogener Schock

Beim kardiogenen Schock führt eine verminderte Herzkontraktilität oder mechanische Beeinträchtigung des Herzens zu einem niedrigen Herzzeitvolumen. Dies hat zur Folge, dass das Herz nicht mehr in der Lage ist, ausreichendes Blut in den Kreislauf zu pumpen.

Im kardiogenen Schock leidet die Mikrozirkulation unter dem geringen Herzzeitvolumen. Vasokonstriktion und venöse Stauung vermindern die mikrovaskuläre Perfusion, und der Fluss im Gewebe ist stark reduziert.

Distributiver Schock (Vasoplegischer Schock)

Der distributive Schock wird hauptsächlich durch eine massive Vasodilatation verursacht, häufig ausgelöst durch Sepsis oder anaphylaktische Reaktionen. Es kommt zu einer Abnahme des peripheren Widerstands und zu venösem Pooling mit relativer Hypovolämie.

Im distributiven Schock sind die kleinen Gefäße ungleich weit gestellt, und die kapilläre Perfusion ist heterogen. Es kommt zu mikrozirkulatorischem Shunting und Gewebehypoxie, auch wenn der systemische Blutdruck gut gehalten wird.

Obstruktiver Schock

Obstruktiver Schock tritt auf, wenn ein mechanischer Block in der Blutzirkulation vorliegt, wie zum Beispiel durch eine Lungenembolie oder Herzbeuteltamponade.

Im obstruktiven Schock blockiert ein mechanisches Hindernis den Fluss, etwa eine Lungenembolie, eine Tamponade oder ein Spannungspneumothorax. Makro- und Mikrozirkulation leiden gleichermaßen, weil sowohl der venöse Rückstrom als auch die arterielle Perfusion gestört sind.

Diagnostische Verfahren für Mikrozirkulationsstörungen

Mikrozirkulationsmonitoring

Für die Beurteilung stehen mehrere Methoden zur Verfügung. Die Videomikroskopie, ursprünglich als Orthogonal Polarization Spectral Imaging, heute als Sidestream- oder Incident-Dark-Field-Imaging, zeigt die sublingualen Kapillaren direkt; ein internationaler Konsensus (Ince, Intensive Care Med 2018) definiert die auszuwertenden Größen, etwa Gefäßdichte, Anteil perfundierter Gefäße und mikrovaskulären Flussindex. Die Methode ist bislang vor allem ein Forschungswerkzeug. Die Nahinfrarotspektroskopie misst die Sauerstoffsättigung im Gewebe und kann, besonders mit einem Gefäßverschlusstest am Unterarm, eine gestörte Reaktionsfähigkeit der Mikrozirkulation zeigen. In der Blutgasanalyse weist eine erhöhte venös-arterielle CO₂-Differenz auf einen unzureichenden Fluss hin, weil sich CO₂ bei langsamem Fluss im venösen Blut anreichert.

Mikrozirkulationsparameter und klinische Anwendung

Ergänzend liefern die gemischtvenöse und die zentralvenöse Sättigung Hinweise auf das Verhältnis von Angebot und Verbrauch, und das Laktat zeigt eine metabolische Belastung an, die oft, aber nicht immer, mit gestörter Mikrozirkulation und unzureichendem Angebot einhergeht. Am Bett am einfachsten und in Studien bewährt ist die Rekapillarisierungszeit, deren Steuerung in ANDROMEDA-SHOCK und ANDROMEDA-SHOCK-2 geprüft wurde.

Pitfalls, die aktiv vermieden werden müssen

• Die Mikrozirkulation als statisches System zu betrachten und die dynamische Anpassung des Blutflusses zu übersehen.
• Mikrozirkulationsstörungen bei normalem Blutdruck zu ignorieren und die Rolle des Flusses in der Gewebeperfusion zu unterschätzen.
• Funktionelles Shunting als reines Oxygenierungsproblem zu behandeln, ohne die Rolle von Mikrozirkulationsstörungen und perfusionsbedingten Problemen zu berücksichtigen.
• Die Mikrozirkulation nur anhand von makrovaskulären Parametern wie PaO₂ und MAP zu beurteilen und so essentielle Pathophysiologien zu übersehen.
• Sepsis mit normalem Blutdruck und normaler PaO₂ als unkritisch zu betrachten, während die Mikrozirkulation bereits schwer gestört ist.

Merksätze

• Mikrozirkulation ist der entscheidende Ort des Gasaustauschs und der Nährstoffversorgung, aber auch der häufigste Ort der Störung in kritischen Erkrankungen.
• Flussheterogenität in der Mikrozirkulation führt zu lokaler Hypoxie, auch bei gutem makroskopischen Blutfluss.
• Funktionelles Shunting ist eine häufige Ursache für Hypoxie in der Sepsis und anderen Schockzuständen, die nicht durch reines FiO₂ gesteuert werden kann.
• Mikrozirkulationsstörungen in der Sepsis sind durch Vasodilatation, Mikrothrombose und endothelialer Dysfunktion bedingt.
• Mikrozirkulationsmonitoring ist entscheidend, um perfusionsbedingte Organschäden frühzeitig zu erkennen, insbesondere bei Sepsis und Schock.

Kurzfazit

Die Mikrozirkulation ist der Schlüssel zur Gewebeoxygenierung und wird häufig in kritischen Zuständen wie Sepsis und Schock durch Flussheterogenität und funktionelles Shunting gestört. Diese Störungen sind oft nicht durch makroskopische Messgrößen wie PaO₂ und SvO₂ erkennbar. Es ist entscheidend, die Mikrozirkulation aktiv zu überwachen und zu behandeln, um Gewebehypoxie zu vermeiden, auch wenn die klassischen Parameter stabil erscheinen.

Aufgabenblock