Homöostase und Regelkreise

Jede Narkose ist ein planvoller Eingriff in die Regelkreise des Körpers. Sie schalten Bewusstsein, Schmerzverarbeitung und muskuläre Antwort aus und nehmen dabei in Kauf, dass Atemantrieb, Kreislaufregulation und Thermoregulation mitgedämpft werden. Wer weiß, welche Größe geregelt wird, welcher Sensor sie misst und welcher Effektor sie verstellt, kann vorhersagen, welche Kompensation unter Narkose fehlt und welche Störung deshalb sofort sichtbar wird. Der Blutdruckabfall nach Einleitung, die ausbleibende Tachykardie unter Betablockade, die Hypothermie nach zwanzig Minuten Operationszeit und das Fieber nach der Transfusion sind keine zufälligen Ereignisse, sondern Regelkreisverhalten mit klarer Logik.

Ein Einzeller im Wasser lebt in einem Milieu, das praktisch unerschöpflich groß ist. Er nimmt Sauerstoff und Nährstoffe auf, gibt Kohlendioxid, Wärme und Stoffwechselendprodukte ab, tauscht Wasser und Ionen aus und reagiert auf chemische Reize seiner Umgebung. Zwei Anforderungen muss er gleichzeitig erfüllen: Er muss sich gegen die Unordnung der unbelebten Umgebung abgrenzen, und er muss als offenes System mit ihr in Austausch bleiben. Die Abgrenzung übernimmt die Zellmembran, deren wasserabweisender Kern die wässrigen Lösungen innen und außen voneinander trennt. Durchlässig wird diese Barriere erst durch Proteine: Poren und Kanäle für Ionen, Carrier für größere Moleküle, Rezeptoren für Signale und Enzyme für die Vorverdauung von Substraten. Für Gase und andere fettlösliche Stoffe ist die Membran dagegen gut durchlässig, was den Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid erleichtert, die Zelle aber auch für lipophile Gifte offen lässt.

Beim Vielzeller ist dieses Milieu nach innen verlagert. Die Zellen des Körpers leben nicht mehr im Meer, sondern in der Extrazellulärflüssigkeit, und deren Volumen ist begrenzt, sogar kleiner als das gesamte Intrazellulärvolumen. Ohne Nachschub und Entsorgung wäre diese Flüssigkeit binnen Minuten an Sauerstoff erschöpft und mit Stoffwechselprodukten überladen. Damit sie konstant bleibt, hat sich eine Infrastruktur entwickelt: Der Verdauungstrakt nimmt Nährstoffe, Wasser und Elektrolyte auf, die Leber baut sie um, speichert und entgiftet, die Lunge übernimmt den Gasaustausch, die Niere reguliert Wasserbestand, Osmolalität, Ionenkonzentrationen und den Säure-Basen-Haushalt, die Haut gibt Wärme und Wasser ab. Der Blutkreislauf verbindet diese Organe mit jedem Winkel des Körpers, und im Kapillarbett findet der Austausch zwischen Blut und Interstitium statt. Genau diese Konstanthaltung des inneren Milieus meint der Begriff Homöostase.

Arbeitsteilung setzt Integration voraus. Drei Wege leisten sie: der konvektive Ferntransport im Blut, die humorale Übermittlung durch Hormone und die elektrische Signalübertragung im Nervensystem. Sie sichern nicht nur Versorgung und Entsorgung unter extremer Belastung, sondern steuern auch Funktionen, die dem Überleben der Art dienen, von der Reifung der Keimzellen über die Abstimmung von mütterlichem und kindlichem Kreislauf in der Schwangerschaft bis zur Geburt und zur Laktation. Das Zentralnervensystem nimmt dabei eine Sonderstellung ein: Es verarbeitet die Signale der Sinneszellen, aktiviert die Skelettmuskulatur als nach außen gerichteten Effektor und beeinflusst endokrine Drüsen. Sobald Verhalten in die Betrachtung einbezogen wird, überschreitet die Physiologie ihre eigenen Grenzen und grenzt an Verhaltensforschung, Psychologie und Soziologie.

Damit spezialisierte Organe sinnvoll zusammenarbeiten, müssen ihre Funktionen an den jeweiligen Bedarf angepasst werden können. Bei der Steuerung wird eine Zustandsgröße gezielt verändert, etwa der Blutdruck über die Herzfrequenz, ohne dass das Ergebnis zurückgemeldet wird. Weil auf den Blutdruck zahlreiche weitere Einflüsse wirken, führt reine Steuerung selten ans Ziel. Erst wenn der erreichte Wert laufend gemessen, mit dem gewünschten Wert verglichen und die Abweichung fortlaufend nachkorrigiert wird, spricht man von Regelung. Fällt der Blutdruck beim raschen Aufstehen ab, steigt die Herzfrequenz so lange, bis der Druck wieder annähernd normal ist; steigt er über den Zielwert, wird die Frequenz wieder gesenkt. Diese Form der negativen Rückkopplung ist das Grundprinzip fast aller physiologischen Regelungen.

Zum Regelkreis gehören damit vier Bauteile. Der Regler erhält das Regelziel als Sollwert vorgegeben und steuert Stellglieder an. Die Stellglieder wirken auf das geregelte System, in dem auch Störgrößen angreifen. Sensoren messen den Istwert und melden ihn zurück. Der Vergleich von Ist und Soll schließt den Kreis. Die Regelung kann im Organ selbst ablaufen, dann heißt sie Autoregulation, oder über ein übergeordnetes Organ wie Zentralnervensystem oder Hormondrüse. Gegenüber der bloßen Steuerung hat die Regelung zwei Vorteile: Die Bauteile dürfen relativ ungenau arbeiten, ohne dass der Sollwert im Mittel verfehlt wird, und unerwartete Störgrößen wie ein Blutverlust werden berücksichtigt, weil ihre Wirkung am Istwert sichtbar wird.

Regler, die eine Größe konstant halten, heißen Halteregler. Bei ihnen sind die Störgrößen die Ursache der Abweichung. Im Organismus ist der Sollwert allerdings selten eine feste Konstante. Er kann verstellt werden, wenn übergeordnete Bedürfnisse das erfordern. Dann erzeugt die Sollwertverstellung selbst die Differenz zwischen Ist und Soll und aktiviert damit die Stellglieder; man spricht von Folge- oder Servoregelung. Fieber ist das klassische Beispiel: Der Körper regelt nicht schlechter, er regelt auf einen höheren Sollwert, weshalb der Patient zu Beginn friert und die Wärmeproduktion steigert, obwohl seine Temperatur bereits erhöht ist. Die Verstellung der geregelten Muskellänge über Muskelspindeln und Gamma-Motoneurone folgt demselben Prinzip.

Geregelt werden nicht nur einfache Größen wie Blutdruck, zellulärer pH-Wert, Muskellänge, Körpergewicht und Plasmaglucose, sondern auch komplexe Abläufe: Befruchtung, Schwangerschaft, Wachstum, Organdifferenzierung sowie die Verarbeitung von Sinnesreizen und die motorische Aktivität beim Stehen und Gehen. Die Zeitskala reicht von Millisekunden bei einer gezielten Bewegung bis zu Jahren beim Wachstum.

Ein Istwert wird selten exakt konstant gehalten; er schwankt wellenförmig um den Sollwert. Nach dem plötzlichen Auftreten einer Störgröße sind die Abweichungen besonders groß, ebben in einem stabilen System aber rasch wieder ab. Manche Größen schwanken nur um wenige Prozent, andere erheblich: Der Blutzucker verändert sich nach Mahlzeiten etwa um den Faktor 2. Offenbar sollen vor allem Extremwerte und chronische Abweichungen verhindert werden, im Beispiel also Hypoglykämie und Hyperglykämie.

Je enger ein Regelziel eingehalten werden soll, desto empfindlicher muss die Regelung sein, also desto höher der Verstärkungsfaktor. Das hat einen Preis: Die Einschwingvorgänge dauern länger, und im Extremfall wird die Regelung instabil, der Istwert pendelt dann zwischen Extremwerten hin und her. Eine solche Regelschwingung ist kein theoretisches Konstrukt, sondern im Alltag sichtbar, etwa an der Blutdruckkurve mancher Patienten nach raschem Lagewechsel.

Zwei Mechanismen dämpfen die Schwankungen nach einer Störung. Erstens kann das Sensorsignal umso stärker ausfallen, je rascher sich der Istwert von seiner Solllage entfernt; diese Differenzialeigenschaft der Sensoren wirkt wie ein Frühwarnsystem. Zweitens kann das voraussichtliche Ausmaß der Störung dem Regler schon vorab gemeldet werden, was als Störgrößenaufschaltung bezeichnet wird. Die Thermoregulation nutzt das: Die Kältesensoren der Haut lösen eine Gegenregulation aus, bevor sich die Kerntemperatur überhaupt verändert hat. Die Kehrseite der Differenzialeigenschaft zeigen die arteriellen Pressosensoren. Sehr langsame, aber stetige Veränderungen wie die Entwicklung eines arteriellen Hochdrucks entgehen der Regelung. Rasche Blutdrucksenkungen bei einem Hochdruckpatienten werden dagegen unter Umständen sogar mit einer Wiederanhebung beantwortet. Für die langfristige Blutdruckregelung sind deshalb andere Regelkreise zuständig, vor allem die renale Volumenregulation.

Prüfen Sie jede klinische Situation mit fünf Fragen, dann ist das Modell sofort anwendbar:

Mit demselben Raster lassen sich Fehler zuordnen. Bleibt der Blutdruck nach Aufstehen erniedrigt, ist die Nachregelung zu langsam oder zu schwach, etwa bei autonomer Neuropathie. Schießt er über, war die Gegenregulation zu kräftig. Pendelt er anhaltend, ist die Regelung unzureichend gedämpft. Steigt die Temperatur, obwohl der Patient friert, liegt keine Regelstörung vor, sondern eine Sollwertverstellung.

Was verändert die Anästhesie?

Anästhetika greifen an mehreren Stellen des Regelkreises gleichzeitig an, und das erklärt die typischen Verläufe nach Einleitung:

• Sensor und Regler gedämpft. Propofol und volatile Anästhetika senken die Baroreflexempfindlichkeit. Der Blutdruckabfall wird also schlechter erkannt und schwächer beantwortet, die erwartete Tachykardie bleibt aus oder fällt zu gering aus.
• Stellglieder blockiert. Betablocker begrenzen die Frequenzantwort, Kalziumantagonisten und Anästhetika die Kontraktilität, Sympathikolyse und Regionalanästhesie den Gefäßtonus. Der Regelkreis kann seinen Sollwert dann selbst bei intakter Messung nicht mehr erreichen.
• Störgröße addiert. Positiver Beatmungsdruck senkt den venösen Rückstrom, Blutverlust senkt die Vorlast, Lagerung verschiebt den hydrostatischen Ausgangspunkt.
• Sollwert verstellt. Anästhetika senken die Schwelle für die thermoregulatorische Vasokonstriktion um etwa 2 bis 4 Grad Celsius. Der Körper wehrt sich deshalb zunächst nicht gegen die Auskühlung, was zusammen mit der Umverteilung von Wärme aus dem Kern in die Peripherie die Redistributionshypothermie in der ersten Stunde erklärt.

Wann wird diese Physiologie klinisch sichtbar?

• Nach der Einleitung: Blutdruckabfall ohne kompensatorische Tachykardie, besonders bei Volumenmangel, hohem Alter, Betablockade und Spinalanästhesie.
• Beim Lagewechsel: Anti-Trendelenburg oder Aufrichten führt bei gedämpftem Baroreflex zu einer Hypotonie, die ohne Narkose folgenlos geblieben wäre.
• In den ersten 60 Minuten: Abfall der Kerntemperatur um etwa 0,5 bis 1,5 Grad Celsius durch Umverteilung, bevor die eigentliche Wärmebilanz überhaupt negativ wird.
• Auf der Intensivstation: Vasoplegie bei Sepsis bedeutet, dass das Stellglied Gefäßtonus ausgefallen ist. Vasopressoren ersetzen dann ein Stellglied, sie reparieren nicht den Regelkreis.
• In der Analgosedierung: Der Atemantrieb ist ein Regelkreis mit dem Kohlendioxidpartialdruck als geregelter Größe. Opioide verstellen dessen Sollwert nach oben, das Ergebnis ist ein höherer arterieller Kohlendioxidpartialdruck bei ruhiger Atmung.

• Fieber sei eine gestörte Thermoregulation. Fieber ist eine Sollwertverstellung mit intakter Regelung. Deshalb friert der Patient beim Anstieg und schwitzt beim Abfall.
• Eine kräftigere Regelung sei immer besser. Ein hoher Verstärkungsfaktor verlängert das Einschwingen und kann Oszillationen erzeugen. Stabilität ist ein eigenes Qualitätsmerkmal.
• Fehlende Tachykardie bedeute fehlenden Volumenmangel. Unter Betablockade, hohem Sympathikotonusverlust und in tiefer Narkose ist das Stellglied blockiert; die Störgröße bleibt trotzdem.
• Barorezeptoren regelten den Blutdruck langfristig. Sie arbeiten überwiegend als schnelle Differenzialsensoren und adaptieren. Die Langzeitregelung läuft über Volumen und Niere.
• Homöostase bedeute Gleichgewicht. Die meisten physiologischen Zustände sind Fließgleichgewichte, die fortlaufend Energie kosten. Ein echtes chemisches Gleichgewicht im Körper wäre der Tod.

Merksätze

• Regelung ist Steuerung mit Rückmeldung. Ohne Sensor und Vergleich gibt es keine Regelung, sondern nur Hoffnung.
• Fragen Sie am Patienten immer: geregelte Größe, Sensor, Regler, Stellglied, Störgröße. Der Ausfall ist meist an einer einzigen dieser Stellen lokalisierbar.
• Sollwertverstellung sieht aus wie eine Regelstörung, ist aber das Gegenteil davon.
• Anästhesie dämpft Sensoren und Regler, blockiert Stellglieder und fügt Störgrößen hinzu. Alle drei Effekte wirken in dieselbe Richtung.
• Je enger Sie regeln wollen, desto instabiler wird das System. Das gilt für den Körper und für jede Spritzenpumpe, die Sie einstellen.

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