Körperkompartimente

Wenn Sie 500 ml einer Lösung infundieren, entscheidet nicht die Menge, sondern die Verteilung über die Wirkung. Dieselben 500 ml bleiben als kolloidhaltige Lösung überwiegend intravasal, verteilen sich als isotone Vollelektrolytlösung im gesamten Extrazellulärraum und erreichen als freies Wasser auch den Intrazellulärraum. Wer die Kompartimente kennt, sagt Kreislaufwirkung, Ödembildung und Natriumverlauf vorher, statt sie hinterher zu erklären. Dieselbe Logik trägt in der Pharmakologie: Das Verteilungsvolumen eines Anästhetikums ist nichts anderes als die Frage, in welchen Räumen es sich löst.

Etwa 60 Prozent der Körpermasse eines Erwachsenen sind Wasser, bei Frauen und bei Adipositas anteilig weniger, beim Neugeborenen deutlich mehr. Von diesem Gesamtkörperwasser liegen rund zwei Drittel innerhalb der Zellen und ein Drittel außerhalb. Der Extrazellulärraum teilt sich wiederum auf: Der größere Teil ist Interstitium, der kleinere ist Plasma. Für einen 70 kg schweren Erwachsenen ergeben sich als Näherung etwa 42 Liter Gesamtkörperwasser, davon 28 Liter intrazellulär, 14 Liter extrazellulär, darin etwa 10,5 Liter Interstitium und 3,5 Liter Plasma. Dazu kommen kleine, aber klinisch wichtige transzelluläre Räume: Liquor, Kammerwasser, Gelenk-, Pleura- und Peritonealflüssigkeit sowie der Inhalt des Verdauungstrakts.

Zwischen den Räumen liegen Barrieren mit unterschiedlichen Eigenschaften. Die Zellmembran trennt Intrazellulär- und Extrazellulärraum; sie ist für Wasser gut durchlässig, für Ionen dagegen nur über Kanäle und Transporter. Das Kapillarendothel trennt Plasma und Interstitium; es ist für Wasser und kleine Ionen frei durchlässig, hält jedoch Plasmaproteine weitgehend zurück. Aus diesem Unterschied entsteht der kolloidosmotische Druck, der Wasser in der Strombahn hält. Epithelien bilden die Grenze zur Außenwelt und zu den transzellulären Räumen; ihre Dichtigkeit bestimmen die Schlussleisten mit ihren Claudinen, wodurch ein Epithel je nach Aufgabe eher durchlässig oder eher dicht ist.

Extrazellulär dominiert Natrium mit etwa 140 mmol pro Liter, begleitet von Chlorid und Bicarbonat. Intrazellulär dominiert Kalium mit etwa 140 bis 160 mmol pro Liter, begleitet von organischen Phosphaten und negativ geladenen Proteinen. Freies Calcium liegt im Interstitium bei etwa 1,3 mmol pro Liter, im Zytosol dagegen vier bis fünf Zehnerpotenzen niedriger. Diese Unterschiede sind kein Zufall, sondern das Ergebnis dauernder Arbeit: Die Natrium-Kalium-ATPase pumpt in jedem Zyklus drei Natriumionen nach außen und zwei Kaliumionen nach innen und verbraucht dafür ein Molekül Adenosintriphosphat. Calciumpumpen der Zellmembran und des endoplasmatischen Retikulums halten das Zytosol calciumarm.

Damit hat jedes Kompartiment eine Funktion. Der steile Natriumgradient ist eine Energiereserve, die sekundär aktive Transportvorgänge antreibt, etwa die Aufnahme von Glucose und Aminosäuren. Der Kaliumgradient bestimmt das Ruhemembranpotenzial. Der extrem niedrige zytosolische Calciumspiegel macht Calcium zum idealen Signalstoff: Schon ein kleiner Einstrom verändert die Konzentration um ein Vielfaches. Diese drei Punkte werden in den folgenden Unterkapiteln vertieft.

Wasser folgt dem osmotischen Gefälle. Entscheidend ist dabei nicht die Gesamtzahl gelöster Teilchen, sondern die Zahl der Teilchen, die die Membran nicht frei passieren können. Die Osmolalität des Plasmas beträgt etwa 290 mosmol pro Kilogramm Wasser und lässt sich näherungsweise abschätzen als zweimal die Natriumkonzentration plus Glucose plus Harnstoff, jeweils in mmol pro Liter. Harnstoff verteilt sich allerdings frei über die Zellmembran und trägt deshalb kaum zur Tonizität bei. Eine Harnstofferhöhung bei Niereninsuffizienz steigert die gemessene Osmolalität, verschiebt aber kein Wasser. Genau das meint die Unterscheidung von Osmolalität und Tonizität: Nur wirksame Teilchen bewegen Wasser.

Daraus folgt das Verhalten der gängigen Infusionslösungen. Isotone Vollelektrolytlösungen bleiben im Extrazellulärraum und verteilen sich dort im Verhältnis Interstitium zu Plasma von etwa drei zu eins; von einem Liter verbleiben also grob 250 ml intravasal. Glucose 5 Prozent ist bei Infusion isoton, doch nach Verstoffwechslung der Glucose bleibt freies Wasser übrig, das sich über alle Räume verteilt und deshalb kaum Kreislaufwirkung hat, wohl aber die Natriumkonzentration senkt. Hypertone Lösungen ziehen Wasser aus dem Intrazellulärraum und vergrößern den Extrazellulärraum überproportional. Kolloide bleiben zunächst weitgehend intravasal, solange die endotheliale Barriere intakt ist; bei entzündlich veränderter Barriere, etwa in der Sepsis, verlieren sie diesen Vorteil.

Drei Fragen genügen, um die Wirkung einer Flüssigkeitsgabe vorherzusagen:

1. Welche Teilchen trägt die Lösung, und passieren sie die Barriere? Nicht passierende Teilchen halten Wasser im Raum ihrer Verteilung.
2. Welche Barriere ist intakt? Bei geschädigtem Endothel verlieren Kolloide ihre Bindungswirkung, bei geschädigter Zellmembran versagt jede Kompartimentlogik.
3. Welcher Raum ist eigentlich leer? Blutverlust entleert das Plasma, Erbrechen und Diarrhö den Extrazellulärraum, Wasserverlust bei Fieber das Gesamtkörperwasser. Ersetzt wird der Raum, der fehlt.

Was verändert die Anästhesie?

• Anästhetika und Sympathikolyse erweitern das venöse Reservoir. Das Plasmavolumen ist unverändert, doch der gefüllte Raum ist größer, weshalb der Patient hypovoläm wirkt, ohne Flüssigkeit verloren zu haben.
• Positive Druckbeatmung erhöht den intrathorakalen Druck und verschiebt die Verteilung zwischen den Gefäßabschnitten, sichtbar an Schwankungen der arteriellen Druckkurve.
• Chirurgisches Trauma, Entzündung und ausgedehnte Eingriffe erhöhen die Permeabilität des Endothels. Infundierte Flüssigkeit verteilt sich dann rascher ins Interstitium, der intravasale Anteil sinkt.
• Lange Nüchternheit entleert vor allem den Extrazellulärraum. Isotone Vollelektrolytlösung ist dafür die passende Antwort, nicht freies Wasser.

Wann wird diese Physiologie klinisch sichtbar?

• Postoperative Hyponatriämie nach Gabe hypotoner Lösungen bei gleichzeitig erhöhter Vasopressinfreisetzung durch Schmerz, Übelkeit und Operationsstress.
• Ödeme trotz Hypovolämie bei Sepsis: Das Interstitium ist überfüllt, während das Plasma leer ist. Mehr Volumen füllt vorrangig den falschen Raum.
• Scheinbare Hyperkaliämie bei Hämolyse der Blutprobe: Kalium stammt aus dem intrazellulären Raum der zerstörten Zellen, nicht aus dem Plasma des Patienten.
• Rasche Kaliumverschiebungen durch Insulin, Beta-2-Sympathomimetika und Alkalose: Das Gesamtkörperkalium bleibt gleich, nur die Verteilung ändert sich.
• Serumalbumin als Volumenmarker ist unzuverlässig, weil es sowohl durch Verdünnung als auch durch Umverteilung ins Interstitium fällt.

• Ein Liter Infusion sei ein Liter Kreislauf. Bei isotoner Vollelektrolytlösung bleiben nach Ausgleich grob 250 ml intravasal.
• Glucose 5 Prozent sei eine Volumenlösung. Nach Verstoffwechslung bleibt freies Wasser; die Kreislaufwirkung ist minimal, die Natriumsenkung real.
• Hohe Osmolalität bedeute immer Wasserentzug aus der Zelle. Harnstoff und Ethanol erhöhen die Osmolalität, wirken aber nicht tonisch.
• Kalium im Serum spiegele den Kaliumbestand. Nur etwa 2 Prozent des Gesamtkaliums liegen extrazellulär; Verschiebungen täuschen Bestände vor.
• Interstitielles Ödem beweise Hypervolämie. Es beweist eine gestörte Verteilung, nicht ein zu großes Plasmavolumen.

Merksätze

• Zwei Drittel des Körperwassers liegen intrazellulär, ein Drittel extrazellulär, davon ein Viertel im Plasma.
• Die Zellmembran ist wasserdurchlässig und ionenselektiv, das Endothel ist ionendurchlässig und proteinselektiv. Aus diesen beiden Sätzen folgt fast die gesamte Infusionslehre.
• Nur wirksame Teilchen bewegen Wasser. Tonizität schlägt Osmolalität.
• Ersetzen Sie den Raum, der leer ist, nicht den Raum, den Sie am leichtesten füllen können.
• Natrium beschreibt Wasser, Kalium beschreibt Verteilung, Albumin beschreibt Barriere. Keiner der drei Werte beschreibt einen Bestand.

Aufgaben