Koronarer Blutfluss

Abstract

Das Herz hat von allen menschlichen Organen den höchsten Sauerstoffverbrauch pro Gewebemasse. Der koronare Blutfluss in Ruhe beträgt ∼250 ml min-1 (0,8 ml min-1 g-1 des Herzmuskels); dies entspricht 5 % der Herzleistung.1 Eine Ischämie entsteht, wenn der Sauerstoffbedarf das Angebot übersteigt.

Die arterielle Sauerstoffextraktion liegt bei 70-80 %, im Vergleich zu 25 % im übrigen Körper. Daher muss ein erhöhter Sauerstoffverbrauch in erster Linie durch einen Anstieg des koronaren Blutflusses gedeckt werden, der sich bei körperlicher Anstrengung bis auf das Fünffache erhöhen kann. Das Angebot entspricht in der Regel genau dem Bedarf. Eine Erhöhung des koronaren Blutflusses kann jedoch unabhängig davon den myokardialen Sauerstoffverbrauch erhöhen (Gregg-Effekt).2 Dies kann dadurch erklärt werden, dass volle Koronararterien das Herz schienen und die enddiastolische Faserlänge und Kontraktilität erhöhen.

Anatomie

Die beiden Koronarostien entspringen den Sinus Valsalva knapp oberhalb der Aortenklappe. Die linke Koronararterie teilt sich in die linke vordere absteigende Arterie und die Zirkumflexarterie. Sie versorgt die Seiten- und Vorderwände des linken Ventrikels sowie die vorderen zwei Drittel der Scheidewand des Interventrikels. Die rechte Koronararterie versorgt den rechten Ventrikel, die hintere Wand des linken Ventrikels und das hintere Drittel der Scheidewand. Die großen Koronararterien teilen sich in epikardiale Arterien auf. Intramuskuläre Arterien durchdringen das Myokard senkrecht und bilden subendokardiale Arteriengeflechte.

Der größte Teil des Blutes aus dem linken Ventrikelmuskel fließt in den Sinus coronarius. Die vordere Herzvene nimmt das Blut des rechten Ventrikelmuskels auf. Sie münden beide in den rechten Vorhof. Die Thebes’schen Venen leiten einen kleinen Teil des Koronarblutes direkt in die Herzkammern und stellen einen echten Shunt dar.

Determinanten des koronaren Blutflusses

Koronarer Perfusionsdruck

Während der Systole werden die intramuskulären Blutgefäße durch den kontrahierenden Herzmuskel zusammengedrückt und verdreht, und der Blutfluss zum linken Ventrikel ist am geringsten. Die Kraft ist in den subendokardialen Schichten am größten, wo sie sich dem intramyokardialen Druck annähert. In der Systole wird das intramyokardiale Blut nach vorne in Richtung Koronarsinus und retrograd in die epikardialen Gefäße gedrückt, die als Kondensatoren wirken. Während der Diastole, wenn sich der Muskel entspannt, setzt der Fluss wieder ein. Der koronare Perfusionsdruck ist die Differenz zwischen dem diastolischen Aortendruck und dem enddiastolischen Druck des linken Ventrikels (LVEDP). Die phasischen Veränderungen des Blutflusses zum rechten Ventrikel sind wegen der geringeren Kontraktionskraft weniger ausgeprägt. Zur Berechnung des rechtsseitigen Koronarperfusionsdrucks ist der zentralvenöse Druck möglicherweise besser geeignet.2

Perfusionszeit

Jede Erhöhung der Herzfrequenz wirkt sich stärker auf die diastolische als auf die systolische Zeit aus und verringert die Perfusionszeit.

Gefäßwanddurchmesser

Vasomotorischer Tonus und Ablagerungen im Gefäßlumen bestimmen den Gefäßwanddurchmesser. Das Zusammenspiel verschiedener Mechanismen, die den koronaren Vasomotorentonus regulieren, begünstigt in der Regel eine Vasodilatation (Abb. 1).

Faktoren, die den vasomotorischen Tonus beeinflussen

Myokardialer Stoffwechsel

Der vasomotorische Tonus wird fast ausschließlich durch den lokalen metabolischen Sauerstoffbedarf bestimmt. Hypoxie bewirkt direkt eine koronare Vasodilatation, setzt aber auch Adenosin frei und öffnet ATP-empfindliche Kaliumkanäle. Die präkapillaren Sphinkter werden entspannt und mehr Kapillaren rekrutiert.

Autoregulation

Unter Ruhebedingungen bleibt der koronare Blutfluss zwischen einem mittleren arteriellen Druck von 60-140 mm Hg konstant. Jenseits dieses Bereichs wird der Fluss druckabhängig. Zu den wahrscheinlichen Mechanismen gehören die myogenetische Reaktion auf intraluminale Druckänderungen (schnell) und die metabolische Regulierung (langsam). Die myokardiale Sauerstoffspannung und das Vorhandensein von Vasokonstriktoren oder Vasodilatatoren beeinflussen den Bereich der koronaren Autoregulation.

Nervöse Kontrolle

Autonomische Einflüsse sind im Allgemeinen schwach. Es ist schwierig, die Rolle der neuronalen Kontrolle auf den koronaren Blutfluss herauszuarbeiten, da die metabolischen Auswirkungen jeder Veränderung des Blutdrucks, der Herzfrequenz und der Kontraktilität die nachfolgende Reaktion dominieren. Die epikardialen Blutgefäße verfügen hauptsächlich über α-Rezeptoren, deren Stimulation eine Vasokonstriktion bewirkt. Die intramuskulären und subendokardialen Blutgefäße haben überwiegend β2-Rezeptoren (Vasodilatation). Die sympathische Stimulation erhöht den myokardialen Blutfluss durch einen erhöhten Stoffwechselbedarf und eine vorherrschende β-Rezeptor-Aktivierung.

Die Alpha-Stimulation kann eine Rolle bei der Verteilung des Blutflusses innerhalb des Myokards spielen, indem sie die stoffwechselbedingte Flusserhöhung einschränkt und eine anti-steale Wirkung ausübt. Parasympathische Einflüsse sind geringfügig und schwach vasodilatatorisch. Die vasodilatatorische Wirkung von Acetylcholin hängt von einem intakten Endothel ab.

Humorale Kontrolle

Die meisten vasoaktiven Hormone erfordern ein intaktes Gefäßendothel. Zu den Peptidhormonen gehören das antidiuretische Hormon, das atriale natriuretische Peptid, das vasoaktive intestinale Peptid und das Calcitonin gene-related peptide. Das antidiuretische Hormon hat in physiologischer Konzentration nur geringe Auswirkungen auf den Koronarkreislauf, bewirkt jedoch bei gestressten Patienten eine Vasokonstriktion. Die anderen Peptide bewirken eine endothelvermittelte Vasodilatation.

Angiotensin II bewirkt eine von der sympathischen Innervation unabhängige koronare Vasokonstriktion. Es verstärkt auch den Kalziumeinstrom und setzt Endothelin frei, das stärkste vasokonstriktorische Peptid, das bisher beim Menschen identifiziert wurde. Das Angiotensin-konvertierende Enzym inaktiviert Bradykinin, einen Vasodilatator.

Gefäßendothel

Das Gefäßendothel ist der letzte gemeinsame Weg zur Regulierung des vasomotorischen Tonus. Es moduliert die kontraktile Aktivität der darunter liegenden glatten Muskulatur durch Synthese und Sekretion vasoaktiver Substanzen als Reaktion auf den Blutfluss, zirkulierende Hormone und chemische Substanzen. Zu den Vasorelaxantien gehören der vom Endothel abgeleitete Relaxationsfaktor, Stickstoffmonoxid, Prostazyklin und Bradykinin. Zu den Vasokonstriktoren gehören Endothelin und Thromboxan A2. Die Nettoreaktion hängt vom Gleichgewicht zwischen den beiden gegensätzlichen Gruppen ab.2

Myokardiale Sauerstoffbilanz

Die Sauerstoffversorgung ist das Produkt aus arterieller Sauerstofftransportkapazität und myokardialem Blutfluss. Der diastolische Druck-Zeit-Index (DPTI) ist ein nützliches Maß für die koronare Blutversorgung und ist das Produkt aus dem koronaren Perfusionsdruck und der diastolischen Zeit. In ähnlicher Weise kann der Sauerstoffbedarf durch den Spannungszeitindex (TTI) dargestellt werden, der das Produkt aus systolischem Druck und systolischer Zeit ist.

Das Verhältnis DPTI/TTI ist das endokardiale Viabilitätsverhältnis (EVR) und stellt das myokardiale Gleichgewicht zwischen Sauerstoffangebot und -nachfrage dar. Das EVR beträgt normalerweise 1 oder mehr. Ein Verhältnis <0,7 wird mit subendokardialer Ischämie assoziiert.

Ein solcher Wert kann bei einem Patienten mit den folgenden physiologischen Daten erreicht werden:Beachten Sie, dass die systolische Zeit typischerweise auf 200 ms festgelegt ist, wobei die Diastole die restliche Zeit einnimmt.

• Blutdruck = 180/95 mm Hg

• Herzfrequenz = 120 min-1

• LVEDP = 15 mm Hg

• DPTI = 80 mm Hg × (60 s/Herzfrequenz – 0.2 s) = 24 s mm Hg

• TTI = 180 mm Hg × 0,2 s = 36 s mm Hg

• EVR = 0,67

Krankheiten, die den koronaren Blutfluss beeinflussen

Der koronare Kreislauf funktioniert in einem Zustand aktiver Vasodilatation. Eine abnorme endotheliale Stickoxidproduktion kann bei Diabetes, Atherosklerose und Bluthochdruck eine Rolle spielen.

Koronararterienerkrankung

Lipidablagerungen, Proliferation der glatten Muskulatur und endotheliale Dysfunktion verringern den Luminaldurchmesser. Eine kritische Stenose liegt vor, wenn der koronare Blutfluss nicht mehr in der Lage ist, auf einen Anstieg des Stoffwechselbedarfs zu reagieren, was in der Regel der Fall ist, wenn der Durchmesser um 50 % verringert ist. Der Ruhefluss wird beeinträchtigt, wenn der Durchmesser um 80 % reduziert ist.

Mit zunehmender Stenose weiten sich die distalen Arteriolen maximal, um den Fluss bis zu dem Punkt zu erhalten, an dem das Gefäßbett maximal geweitet ist. Eine weitere Verengung führt zu einem Rückgang des Flusses und der Fluss wird druckabhängig. Ein Fluss, der in ein erweitertes Parallelbett proximal einer Stenose umgeleitet wird, wird als koronarer Steal bezeichnet und kann die Ischämie verschlimmern. Der Fluss in den Kollateralen ist häufig ebenfalls druckabhängig.

Bluthochdruck

Der linke Ventrikel hypertrophiert als Reaktion auf eine erhöhte Nachlast. Das myofibrilläre Wachstum übersteigt das Kapillarnetz, was zu einer verminderten Kapillardichte führt. Ein erhöhter intramyokardialer Druck senkt den subendokardialen Blutfluss. Die Druckbelastung erhöht die Herzmuskelarbeit und den Sauerstoffbedarf. Außerdem ist die vasomotorische Reaktion auf Hypoxie im hypertrophierten Gewebe beeinträchtigt, was es anfällig für Ischämie macht.

Herzinsuffizienz

Die beeinträchtigte Auswurfleistung führt zu einem größeren diastolischen Volumen, einem erhöhten LVEDP und einem niedrigeren koronaren Perfusionsdruck. Sympathikusvermittelte systemische Vasokonstriktion kann zur Verbesserung der Myokardperfusion beitragen, erhöht jedoch die Druckbelastung und den Sauerstoffbedarf.

Medikamente und koronare Durchblutung

Antithrombozytenaggregationsmittel, Antikoagulanzien und Lipidsenker

Diese Wirkstoffe wirken innerhalb des Lumens und verhindern eine weitere Verringerung des Gefäßdurchmessers. Statine hemmen die HMG-CoA-Reduktase, ein Enzym, das an der Cholesterinsynthese beteiligt ist. Thrombozytenaggregationshemmer verhindern die Thrombozytenaggregation, die häufig der erste Schritt zur Bildung eines verschließenden Thrombus ist. Antithrombinmittel wirken an verschiedenen Stellen der Gerinnungskaskade und hemmen die Thrombinbildung.

Nitrate

Nitrate bewirken eine Gefäßerweiterung in allen Gefäßbetten, die durch die Freisetzung von Stickstoffmonoxid vermittelt wird. Sie lindern den koronaren Vasospasmus, ihr Hauptnutzen besteht jedoch in der Verringerung der Vor- und Nachlast und in der Erhöhung der maximalen Koronardilatation. Die Vorteile können durch eine Reflex-Tachykardie aufgehoben werden. Der regionale Blutfluss wird durch die Dilatation der Kollateralen und einen niedrigeren LVEDP verbessert.

Kalziumkanalblocker

Im Vergleich zu den Nicht-Dihydropyridinen (Verapamil und Diltiazem) bewirken die Dihydropyridine (Nifedipin) eine stärkere Vasodilatation, eine geringere Hemmung des Sinus- und des Atrioventrikularknotens und eine geringere negative Inotropie. Die myokardiale Sauerstoffversorgung verbessert sich aufgrund der koronaren Dilatation und des niedrigeren LVEDP. Der Sauerstoffbedarf sinkt aufgrund der Abnahme der Kontraktilität und der Druckbelastung.

Medikamente, die auf Angiotensin wirken

Angiotensin-Converting-Enzyme-Hemmer reduzieren die Umwandlung von Angiotensin I in Angiotensin II. Diese Medikamente reduzieren die Angiotensin-vermittelte Vasokonstriktion und verbessern die Myokardperfusion durch Vasodilatation ohne Reflex-Tachykardie. Im Laufe der Zeit reguliert es auch die Bildung von fibrösem Gewebe nach Gewebeverletzungen.3 Medikamente wie Losartan sind Angiotensin-Rezeptor-Antagonisten und steigern die endotheliale Stickoxid-Freisetzung.

Kaliumkanalöffner

Nicorandil ist ein neuartiges Mittel gegen Angina pectoris. Ein erhöhter Kalium-Efflux führt zu einer Verringerung des intrazellulären Kalziums und zur Muskelentspannung. Es dilatiert sowohl normale als auch stenotische Segmente der Koronararterien.

β-Blocker

Koronare Blutgefäße enthalten β2-Rezeptoren. Chronotropie und Inotropie hängen von der β1-Stimulation ab. Neuere Untersuchungen an Patienten mit koronarer Herzkrankheit legen nahe, dass β-Blocker das Herzzeitvolumen nicht so stark senken, wie ursprünglich angenommen. Die Senkung der Herzfrequenz verlängert die diastolische Perfusionszeit, und sie hemmen den stressbedingten Anstieg der myokardialen Kontraktilität. Bei Patienten, die kardioselektive β1-Blocker einnehmen, reduziert eine ungehinderte systemische β2-Stimulation die Nachlast, verbessert die Auswurffraktion und übt einen „positiven inotropen Effekt“ aus.4

Vasopressoren und Inotrope

Diese Medikamente stellen den koronaren Perfusionsdruck bei hypotonen Patienten wieder her und können besonders bei Patienten, die sich dem unteren Ende des Autoregulationsbereichs nähern, von Vorteil sein. Jeder Anstieg des diastolischen Aortendrucks kann durch einen Anstieg des myokardialen Sauerstoffbedarfs aufgrund einer höheren Arbeitsbelastung, Kontraktilität und Herzfrequenz ausgeglichen werden. Beim versagenden Herzen verringern Inotropika auch den LVEDP.

Anästhesie und myokardiale Sauerstoffbilanz

Halogenierte Anästhetika aktivieren ATP-empfindliche Kaliumkanäle und senken das intrazelluläre Kalzium. Dies führt zu einer negativen Inotropie und ahmt die schützende Wirkung diskreter Episoden von Myokardischämie vor einem anhaltenden ischämischen Insult nach, die so genannte „ischämische Präkonditionierung“. Darüber hinaus führen die koronare Vasodilatation und die verringerte Nachlast im Allgemeinen zu einem günstigen Verhältnis zwischen Sauerstoffangebot und -nachfrage im Myokard.

Isofluran bewirkt insbesondere eine koronare Vasodilatation. Die Arteriolen (Widerstandsgefäße) werden stärker dilatiert als die epikardialen (Leitfähigkeits-) Gefäße. Theoretisch kann ein koronarer Steal in einem bestimmten anatomischen Muster einer Koronararterienerkrankung auftreten, was sich jedoch in der Praxis nicht bestätigt hat. Isofluran kann jedoch bei Patienten mit koronarer Herzkrankheit eine Ischämie hervorrufen, wenn Tachykardie und Hypotonie zugelassen sind. Sevofluran und Halothan verursachen keine Tachykardie oder Fehlverteilung der Myokardperfusion.5

Perioperativer Stress führt zu sympathisch vermittelter Tachykardie, Hypertonie, erhöhten Scherkräften und erhöhtem myokardialen Sauerstoffbedarf. Die zentrale neuraxiale Blockade unterdrückt diese potenziell schädliche Reaktion, aber jeder erhebliche Blutdruckabfall führt zu einer Senkung des koronaren Perfusionsdrucks. Die thorakale Epiduralanalgesie blockiert auch den Sympathikusabfluss zum Herzen. Die Stimulation des Sympathikus führt bei gesunden Personen zu einer koronaren Vasodilatation, bei Patienten mit koronarer Herzkrankheit jedoch zu einer Vasokonstriktion.6