Mechanismus
Mehrere Mechanismen regulieren den pulmonalen Gefäßwiderstand und tragen zu ihm bei. Zu den groben Kategorien gehören der pulmonale Gefäßdruck, das Lungenvolumen, die Schwerkraft, der Tonus der glatten Muskulatur und die alveoläre Hypoxie.
Pulmonaler intravaskulärer Druck
Wenn der kardiale Input zunimmt, z. B. bei körperlicher Anstrengung, muss sich der pulmonale Kreislauf anpassen, um diesen erhöhten Vorwärtsstrom zu bewältigen. Daher stehen der pulmonale intravasale Druck und der pulmonale Gefäßwiderstand in umgekehrter Beziehung zueinander. Experimente haben gezeigt, dass eine Erhöhung des pulmonal-arteriellen Drucks bei gleichbleibendem Druck im linken Vorhof zu einer Verringerung des pulmonal-vaskulären Widerstands führt. Diese Abnahme erfolgt über zwei Mechanismen: Kapillarrekrutierung und Kapillardilatation.
Der erste Mechanismus ist die Kapillarrekrutierung. Im Ausgangszustand sind einige der Lungenkapillaren teilweise oder vollständig verschlossen und lassen keinen Blutfluss zu. Die kapillare Rekrutierung ist die Öffnung dieser verschlossenen Kapillaren während eines erhöhten Blutflusses. Durch die Verteilung des Blutflusses auf eine größere Querschnittsfläche wird der gesamte Gefäßwiderstand verringert. Die Rekrutierung erfolgt in der Regel in Zone 1 der Lunge (Apizes), wo der Kapillardruck am niedrigsten ist.
Die kapillare Dehnung ist der zweite Mechanismus und beinhaltet die Erweiterung der Kapillaren, um den erhöhten Blutfluss aufzunehmen. Die ovulären Gefäße werden kreisförmiger, was der vorherrschende Mechanismus für die Aufrechterhaltung eines niedrigen PVR bei höheren pulmonal-arteriellen Drücken ist.
Lungenvolumen
Alveolardruck und -volumen beeinflussen den pulmonalen Gefäßwiderstand erheblich. Die Wirkung des Lungenvolumens hängt von der Art der Gefäße ab. Extra-alveoläre Gefäße verlaufen durch das Lungenparenchym. Diese Gefäße verfügen über glatte Muskulatur und elastisches Gewebe, das von Natur aus den Gefäßumfang verringert, indem es der Dehnung entgegenwirkt. Wenn sich die Lunge ausdehnt, vergrößert sich der Durchmesser dieser Gefäße durch radiale Traktion der Gefäßwände. Daher ist der Gefäßwiderstand bei großen Lungenvolumina gering. Während des Lungenkollapses erhöht sich der Widerstand in den Gefäßen, da die Elastizität der Gefäße dem nicht entgegenwirkt. Der kritische Öffnungsdruck ist der Luftdruck, der erforderlich ist, um den Blutfluss durch die extraalveolären Kapillaren zu ermöglichen. Dieses Konzept ist bei der Modellierung des Gefäßwiderstands in einer kollabierten Lunge anwendbar.
Alveolarkapillaren umfassen Kapillaren und Gefäße in den Ecken der Alveolarwände. Der transmurale Druck in diesen Gefäßen ist ausschlaggebend für das Ausmaß der Dehnung (Abbildung 3).
Der alveolare Druck ist in Zone 1 (in der Nähe des Scheitels) am höchsten und in Zone 3 (in der Nähe der Basis) am niedrigsten. Während der Inspiration steigt der Alveolardruck an, wodurch die umgebenden Alveolarkapillaren komprimiert werden. Trotz des mit der Inspiration verbundenen erhöhten Rechtsherzrückflusses führt die Dehnung und Ausdünnung der Alveolarwände zu einer Verringerung des Kapillarkalibers und letztlich zu einem Anstieg der PVR bei großen Lungenvolumina. Die PVR ist bei der Gesamtlungenkapazität (TLC) am höchsten, beim Restvolumen (RV) am höchsten und bei der funktionellen Restkapazität (FRC) am niedrigsten (Abbildung 4).
Gravitation
Abbildung 5 zeigt die verschiedenen Zonen der Lunge. Die PVR ist in Zone 1 am größten, da der erhöhte Alveolardruck den transmuralen Innendruck auf die Alveolarkapillare erhöht. Die Kapillare wird kollabiert, und der Widerstand nimmt zu. Die PVR ist am niedrigsten in Zone 3, wo der arterielle Druck höher ist als der alveoläre Druck, was zu einem erhöhten transmuralen Druck nach außen und einer erhöhten Gefäßkaliber führt.
Alveoläre Hypoxie
Hypoxie innerhalb der Alveolen induziert eine Vasokonstriktion im Lungengefäßsystem. Dieser homöostatische Mechanismus ermöglicht es der Lunge, Blut in die besser mit Sauerstoff versorgten Lungensegmente umzuleiten und so eine bessere Abstimmung zwischen Ventilation und Perfusion zu erreichen, was wiederum die Sauerstoffversorgung des gesamten Körpers verbessert. Dieser Mechanismus wird besonders wichtig, wenn die Lunge störenden Prozessen wie einer Konsolidierung (z. B. Lungenentzündung) oder einer Verstopfung der Blutgefäße (z. B. Lungenembolie) ausgesetzt ist, wodurch eine angemessene Kompensation möglich wird. Die Theorie besagt, dass diese Reaktion auf molekularer Ebene beginnt, indem ein mitochondrialer Sensor Redox-Kopplungsreaktionen nutzt, um die Elastizität der glatten Muskelzellen der Lungenarterie (PASMC) zu verändern. Die Redoxreaktionen führen über die Aktivierung von spannungsabhängigen Kalziumkanälen und die Hemmung von Kaliumkanälen zu einer Depolarisierung der PASMC, was zu einer verringerten Elastizität in den Arteriolen hypoxischer Lungensegmente führt. Darüber hinaus können bei anhaltender Hypoxie alternative Signalwege aktiviert werden (z. B. Rho-Kinase), und die Freisetzung von Chemokinen (z. B., Hypoxie-induzierbarer Faktor (HIF)-1alpha) auftreten, was die gefäßverengenden Wirkungen sowie den Umbau des Gefäßsystems verstärkt.
Tonus der glatten Muskulatur
Im Allgemeinen hat der Lungenkreislauf einen niedrigen Gefäßtonus; dies ist darauf zurückzuführen, dass die Lungengefäße im Vergleich zu Gefäßen mit ähnlichem Durchmesser in anderen Organen verhältnismäßig wenig glatte Muskulatur aufweisen. Im Vergleich zu systemischen Gefäßen ist das glatte Muskelgewebe in Lungengefäßen weniger gleichmäßig in der Tunica intima verteilt. Die Lungenvenen sind auch nachgiebiger als die systemischen Arterien, da das Gewebe um die kleinen Gefäße herum fehlt, weniger Elastin- und Kollagenfasern vorhanden sind und weniger glatte Muskulatur vorhanden ist. Dieses Phänomen wird durch das Druckgefälle zwischen der rechten und der linken Herzkammer deutlich.
Die Lungenarterien sind sowohl elastisch als auch muskulös. Diese Arterien enthalten glatte Muskeln in der Tunica media, die von inneren und äußeren elastischen Laminae umgeben sind. Dazu gehören der Stamm der Pulmonalarterie, die Hauptäste und die extraalveolären Gefäße. Größere peri-bronchiale Arterien sind stärker muskulös (>2mm). Peri-bronchiale Arterien liegen innerhalb der Lungenläppchen. Diese extra-alveolären Arterien steuern die PVR durch neurale, humorale oder gasförmige Kontrolle. Wenn die Gefäße kleiner werden, nimmt der Gehalt an glatter Muskulatur ab. Die glatte Muskulatur nimmt eine Spiralform an und wird zu den pulmonalen Arteriolen, die die Alveolen und Alveolarschächte versorgen. Wenn die glatte Muskulatur mehr als 5 % des Außendurchmessers ausmacht, gilt sie als pathologisch.
Die Lungenarterien haben im Vergleich zu den Venen mehr glatte Muskulatur und sind die primären Orte der Verengung durch vasoaktive Mediatoren. Die Kapillaren verfügen über keine vasomotorische Kontrolle. Zu den Faktoren, die einen erhöhten Tonus und damit eine erhöhte PVR verursachen, gehören Serotonin, Epinephrin, Norepinephrin, Histamin, ATP, Adenosin, Neurokinin A, Endothelin, Angiotensin, Thromboxan A/Prostaglandine/Leukotriene (LTB). Die meisten dieser Faktoren wirken über einen G-Protein-gekoppelten Signalweg, der die Myosinkontraktion aktiviert. Neuronal wird die Pulmonalkonstriktion durch das sympathische Nervensystem über die Stimulierung von a1-Adrenorezeptoren vermittelt.
Zu den Faktoren, die den Tonus der glatten Muskulatur und die PVR verringern, gehören Acetylcholin und Isoproterenol, Prostazyklin (PGI), Bradykinin, Vasopressin, ANP, Substanz P, VIP und Histamin (während der Adrenalinreaktion). Die meisten dieser Faktoren wirken durch die Aktivierung von zyklischem Adenosin-3′,5′-Monophosphat (cAMP). cAMP dephosphoryliert Myosin und senkt den Kalziumspiegel, was zu einer Entspannung der glatten Muskulatur führt. Die Lungenendothelzellen bewirken die Entspannung durch die Produktion von Stickstoffmonoxid (NO). NO diffundiert durch die glatten Muskelzellen und aktiviert zyklisches Guanosin-3′,5′-Monophosphat (cGMP), das die Entspannung der glatten Muskulatur durch die Dephosphorylierung von Myosin bewirkt. Darüber hinaus bewirkt ein Reiz des parasympathischen Nervensystems über den Vagusnerv an M-Muscarin-Rezeptoren in den Gefäßen eine NO-abhängige Vasodilatation.