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B978-3-437-43690-1.10025-7

10.1016/B978-3-437-43690-1.10025-7

978-3-437-43690-1

Differentialblutbild des peripheren Blutes bei einem Patienten mit homozygoter Sichelzellanämie (HBSS).

a) Blutausstrich gefärbt nach Pappenheim (May-Grünwald-Giemsa-Färbung). SZ Sichelzelle, Thr Thrombozyt, TZ Targetzelle..

b) Sichelzelltest. Die Aggregation der HbS-Moleküle wird unter Luftabschluss und im reduzierenden Milieu gefördert. SZ Sichelzellen mit nadelförmigen Ausläufern, K kastenförmige, HbS-haltige Erythrozyten mit spitzen Ausläufern.

Flüssigkeitsverhältnisse im menschlichen Organismus.

Medizinisch wichtige Plasmaproteine. Normalbereiche der Konzentrationen von Plasmaproteinen in logarithmischer Darstellung.

TBG thyroxinbindendes Globulin, RBP retinolbindendes Protein, TPA Tissue plasminogen activator, NSE neuronenspezifische Enolase, PSA prostataspezifisches Antigen, CEA karzinoembryonales Antigen, GCSF Granulocyte colony stimulating factor, TNF Tumor-Nekrose-Faktor.

Normale Serumeiweißelektrophorese mit den Fraktionen Albumin, 1-, 2-, - und -Globuline.

Stammbaum der Hämatopoese, ausgehend von einer hämatopoetischen Stammzelle, aus der sich durch Selbsterneuerung und Differenzierung alle Blutzellen ableiten. Alle peripheren Blutzellen sind im gleichen Maßstab dargestellt und deshalb in Bezug auf ihre Größe vergleichbar. Lediglich der Megakaryozyt ist auf ein Fünftel seiner maßstabsgetreuen Größe verkleinert.

Zytoskelett eines Erythrozyten.

Struktur von Häm und Hämoglobin.

a) Struktur des Häms, der prosthetischen Gruppe in Hb und Myoglobin. Die Hämgruppe ist mit dem Globin über eine koordinative Bindung zwischen dem zentralen Eisenatom und dem sog. proximalen Histidinrest des Globins verbunden. Sauerstoff lagert sich reversibel an das Eisen auf der einen und an den distalen Histidinrest des Globins auf der anderen Seite.

b) Das Hämoglobinmolekül mit zwei - und zwei -Ketten und deren -Helices A–H

Wechsel der Hämoglobinisoformen in der Ontogenese.

Häm-Biosynthese. Der Mangel eines der Enzyme der Häm-Biosythese führt zur Anhäufung der Porphyrine vor dem Enzymdefekt. 2 PBG-Synthase-Mangel (-ALA-Dehydratase-Mangel, ADM), 3 PGB-Desaminase-Mangel (akute intermittierende Porphyrie, AIP), 4 Uroporphyrinogen-III-Cosynthase-Mangel (kongenitale erythropoetische Porphyrie, KEP), 5 Uroporphyrinogen-Decarboxylase-Mangel (Porphyria cutanea tarda, PCT; hepatoerythropoetische Porphyrie, HPP), 6 Koproporphyrinogen-III-Oxidase-Mangel (hereditäre Koproporphyrie, HKP), 7 Protoporphyrinogen-Oxidase-Mangel (Porphyria variegata, PV), 8 Ferrochelatasemangel (Protoporphyrie, PP).

Abbau des Häms zum Gallenfarbstoff Bilirubin.

Ablauf der intravasalen Hämolyse.

Eisenstoffwechsel. Eisentransport von der Aufnahme im Enterozyten über den Transport im Blut bis zur Aufnahme im Zielgewebe. DMT divalenter Metallionentransporter, Apo-Tf Apotransferrin, TfR Transferrinrezeptor, sTfR löslicher Transferrinrezeptor.

Absorptionsspektren und O2-Bindungskurven von Hämoglobin.

a) Absorptionsspektren von Oxyhämoglobin (HbO2) und Desoxyhämoglobin (Hb). Linke Ordinate: Absorption, rechte Ordinate: Extinktion, Abszisse: Wellenlänge des untersuchten Lichts.

b) O2-Bindungskurve von Hämoglobin (Hb). Hb ist ein tetrameres Protein, das Kooperativität zeigt, was an der sigmoiden Bindungskurve zu erkennen ist.

c) Verschiebung der O2-Bindungskurven. Die O2-Bindungskurve (rot) wird nach rechts verschoben (blau), wenn sich die Temperatur erhöht oder CO2-Partialdruck, H+-Konzentration im Plasma oder die 2,3-BPG-Konzentration im Erythrozyten steigen. Der P50-Wert ist dann entsprechend vergrößert. Eine Verminderung der Faktoren verschiebt die Kurve nach links (grün) und verkleinert den P50-Wert.

Oxyhämoglobin und Desoxyhämoglobin.

a) Dargestellt ist das C-terminale Ende der -Kette mit ihren letzten drei Helices F, G und H. Die C-terminale Aminosäure ist in den -Ketten Arginin (Histidin in den -Ketten), gefolgt von Tyrosin in allen vier Ketten. Die Bindung des Hämeisens erfolgt über die Histidylseitenkette (Helices F, G, H). Im Desoxyzustand liegt das Eisenatom geringfügig außerhalb der Ebene der vier Pyrrolringe der Hämgruppe. Die mit der Oxygenierung einhergehende Verschiebung des Eisenatoms um 0,075 nm in die Hämebene hinein führt zu einer Verlagerung der Helices F und G. Durch Letztere wird der Tyrosinrest aus seiner Tasche verdrängt. Dabei werden sowohl Tyrosin als auch Arginin in neue Positionen verlagert.

b) Effekt von 2,3-BPG. 2,3-BPG bindet vorzugsweise an Desoxyhämoglobin und stabilisiert die zugehörige Konformation des tetrameren Proteins. Hier entsteht zwischen den beiden -Ketten und ihren N-terminalen Aminosäuren Valin eine Tasche, in die sich 2,3-BPG sehr gut einfügen kann. Die positiven Reste der Aminosäuren (Lys82, His143) sind so angeordnet, dass eine enge elektrostatische Wechselwirkung mit den negativen Resten von 2,3-BPG möglich ist. In der Oxykonformation ist die Tasche geschlossen, sodass 2,3-BPG nicht gebunden werden kann. Die Bindung von 2,3-BPG stabilisiert somit die Desoxykonformation des Hb.

CO2-Bindungskurven im Plasma, das von vollständig oxygeniertem (SO2 100%) bzw. desoxygeniertem Blut (SO2 0%) stammt. Durch den Haldane-Effekt ist die sog. physiologische Bindungskurve zwischen der CO2-Konzentration im arteriellen (a) und venösen (v) Blut steiler und verbessert damit den Abtransport von CO2 vom Gewebe zur Lunge.

Bildung und Abbau von 2,3-Biphosphoglycerat in einem Nebenschritt der Glykolyse des Erythrozyten.

Zusammenwirken von Glutathion-Reduktase und Glutathion-Peroxidase.

Biosynthese der ABH-Antigene. Fuc Fucose, Gal Galaktose, GalNAc N-Acetyl-D-Galaktosamin, GlcNAc N-Acetyl-D-Glucosamin.

Differenzierung von Leukozyten.

a) Maschinelle und immunologische Leukozytendifferenzierung in Hämatologieanalyzern und Durchflusszytometern.

b) Morphologische Leukozytendifferenzierung. Objektträger mit regelrecht ausgestrichenem Vollblut. Die Differenzierung erfolgt mäanderförmig in der Fahne.

c) Immunologisches Differentialblutbild mittels Durchflusszytometrie. Die verschiedenen Leukozytenpopulationen werden als Punktwolken dargestellt (Dot plot).

SSC Sidescatter-Streulicht, R Region, CD45-FITC Panleukozytenmarker, gekoppelt an Fluoresceinisothiocyanat (Grünfluoreszenz), CD14-PE Monozytenmarker, gekoppelt an Phycoerythrin (Orangefluoreszenz), anti-CD16-TE Granulozytenmarker, gekoppelt an Tricolor (Rotfluoreszenz).

Makrophagen in der Steuerfunktion der Entzündungs- und Immunreaktion.

Evasation von Leukozyten im Rahmen einer Entzündungsreaktion.

Aufbau und Funktion der NADPH-Oxidase. Nach Aktivierung werden zytosolische Faktoren des Enzymkomplexes (p67-phox, p47-phox, p40-phox, Rac2) der NADPH-Oxidase an die Membran des Phagolysosoms transloziert, wo sich bereits die Untereinheiten von Cytochrom b558 (gp91-phox, p22-phox, Rap1a) befinden. P47 wird hierbei durch Protein-Kinase C (PKC) phosphoryliert. Dieser Enzymkomplex kann Elektronen auf O2 übertragen, wodurch das O2-Anion entsteht.

Entstehung von APR und Akute-Phase-Proteinen. Aktivierte Makrophagen sezernieren Alarmcytokine, welche die Aktivierung weiterer Zellsysteme und deren APR-assoziierter Leistungen bewirken. Erreichen die Alarmcytokine die Leber, so induzieren sie dort rezeptorgesteuert die Neusynthese von Akute-Phase-Proteinen (positive Reaktanten der APR).

Elektronenmikroskopische Aufnahme von ruhenden (a) und aktivierten (b) Thrombozyten. c) Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen eines einzelnen Thrombozyten mit Darstellung der verschiedenen Organellen.

Schematische Darstellung der Thrombozytenaktivierung am verletzten Gefäßendothel. Thrombozyten können sich über GP Ia/IIa direkt an subendotheliale Gefäßwandstrukturen anlagern. Dies wird durch GP Ib/IX unter Vermittlung des vWF besonders in strömendem Blut verstärkt. Weitere Thrombozyten binden sich mit GP-IIb/IIIa-Rezeptoren über Fibrinogen an schon adhärierende Thrombozyten (Aggregation).

GP Ia/IIa Glykoprotein-Ia/IIa-Rezeptor, vWF Von-Willebrand-Faktor, GP Ib/IX Glykoprotein-Ib/IX-Rezeptor, GP IIb/IIIa Glykoprotein-IIb/IIIa-Rezeptor.

Vereinfachte Grundzüge von Zusammenspiel und Gleichgewicht bei Gerinnung und Fibrinolyse. Aktivierende Faktoren (Gerinnung rosa, Fibrinolyse hellblau) wirken auf die Komponenten des jeweiligen plasmatischen Systems (Gerinnung grün, Fibrinolyse gelb) und beeinflussen so deren Aktivitätszustand. Bei Aktivierung verringern spezifische Inhibitoren und Inaktivatoren (dargestellt als Luftballons) die Gewichte der einzelnen Systemkomponenten auf der jeweiligen Waagschale und steuern so die Resultante (Zeiger der Waage) in Richtung Gerinnung oder Fibrinolyse. (Farbgebung analog Abb. 25.27)

Aktivierung von Hämostase. AT III Antithrombin III, FDP Fibrindegradationsprodukte, Pho Phospholipide, TAFI thrombinaktivierbarer Fibrinolyseinhibitor, TFPI Tissue factor pathway inhibitor.

Akzeleratoren und Kontaktaktivatoren sind hellblau dargestellt.

Die aktiven Funktionskomplexe sind grün eingekreist: Tissue-factor-Komplex (TF/VIIa/Phospholipide), Tenasekomplex (VIIIa/IXa/Calciumionen/Phospholipide) und Prothrombinasekomplex (Va/Xa/Calciumionen/Phospholipide).

Aktivierte Gerinnungsfaktoren sind grün, nichtaktive Faktoren gelb dargestellt.

Thrombin ist als zentrales Enzym der Hämostase vergrößert betont.

Inhibitoren des Gerinnungssystems haben rote Symbole, Inhibitoren des Fibrinolysesystems sind türkis dargestellt.

Schematische Darstellung der Fibrinbildung. Die Abspaltung der Fibrinopeptide A und B führt zur Polymerisierung und nichtkovalenten Aggregation. Anschließende Transglutaminasereaktion durch Faktor XIIIa hat fibrinolysestabil vernetztes Fibrin als Ergebnis. Zusätzliche Beseitigung von Lysin- und Argininresten durch TAFI bringt eine weitere Stabilisierung gegenüber Plasmin.

Schematische Darstellung der antikoagulatorischen Heparinwirkung am Beispiel von Faktor Xa. Heparinbindung führt zu Konformationsänderung in AT III. In der Folge erhöht sich die Affinität zwischen Protease und ihrem Inhibitor und verstärkt die Inaktivierung des Gerinnungsfaktors.

Indikatorproteine und diagnostisch wichtige Plasmaproteine

Tab. 25.1
Plasmaprotein molekulare Masse (kDa) Normalbereich (g/L) Funktion
Albumin 68 0,1–0,4
  • Regulation des plasmaonkotischen Drucks

  • wichtigstes Bindungs- und Transportprotein

1-Antitrypsin (Proteinase-inhibitor 1) 54 2–4
  • Serinproteaseinhibitor (Gruppe der Serpine)

  • starker Anstieg in der Akutphase von Entzündungen

1-saures Glykoprotein 44 0,6–1,4
  • Akute-Phase-Protein

  • immunmodulatorische Funktion

Antichymotrypsin 58–68 0,3–0,6
  • Hemmung von Chymotrypsin

Antithrombin III 58 0,17–0,3
  • als endogendes Serpin wichtigster irreversibler Inhibitor der Faktoren II und Xa der plasmatischen Gerinnung

  • nötig für die antikoagulatorische Wirkung von Heparin

Apolipoprotein A-I 28.3 0,7–1,7
  • hauptsächliches Strukturprotein von HDL (ca. 80%)

Apolipoprotein B-100 550 0,5–0,9
  • hauptsächliches Strukturprotein von LDL und VLDL

C1-Inhibitor 105 0,15–0,35
  • Inhibitor des klassischen Komplementwegs

  • regelt die Kininbildung

C1q-Komplement 400 0,05–0,25
  • Untereinheit von C1

  • bindet an den Fc-Teil von Immunglobulinen

C3-Komplement 185 0,9–1,7
  • Substrat der C3-Konvertase

  • Teilstück C3b modifiziert den Enzymkomplex zur C5-Konvertase

  • C3a ist ein Anaphylatoxin und chemotaktisch

C4-Komplement 205 0,8–0,49
  • Substrat von C1

  • C4b ist Teil der C3-Konvertase

Cholinesterase 350 5,8–17,5 kU/L
  • unbekannte Funktion

  • Spaltung von Cholinestern

  • erniedrigte Plasmakonzentration und -aktivität bei Lebersynthesestörung (z.B. Leberzirrhose)

Coeruloplasmin 135 0,15–0,6
  • Oxidation von Eisen

  • Transport von Kupfer im Plasma

C-reaktives Protein 115 < 0,5 10–3
  • Akute-Phase-Protein

  • Opsonisierung von Bakterien und nekrotischen Zellen

Ferritin 56 12–300–6
  • repräsentiert als intrazellulärer Eisenspeicher das Speichereisen des Körpers und bindet 2000–4000 Fe3+-Moleküle

  • Akute-Phase-Protein

Fibrinogen 340 2–4.5
  • Gerinnungsfaktor I

  • Substrat von Thrombin

Haptoglobin 100 0,8–3,0
  • Transport von freiem Hämoglobin zum RES

  • Akute-Phase-Protein

IgA 160 0,5–4,5
IgD 172 0,03–0,4
IgE 190 < 100–6
IgG 150 8–18
IgM 970 0,6–2,8
Plasminogen 92 0,06–0,25
  • inaktive Vorstufe des Plasmins

Transcortin (CBP) 51 0,034–0,048
  • Bindung und Transport von Glucocorticoiden

Transferrin 80 2,0–3,3
  • Transport von Eisen

  • negativer Akute-Phase-Marker

Transthyretin (Präalbumin) 50–66 0,1–0,4
  • bindet Retinol und Thyroxin und verringert deren Nierenausscheidung

Vitamin-D-bindendes Protein (DBP) 52 0,19–0,47
  • Transport von Vitamin D

Wichtige hämatopoetisch wirksame Wachstumsfaktoren (Cytokine) beim Menschen

Tab. 25.2
Name Herkunft Wirkung
Erythropoetin Leberzellen, Nierenzellen
  • Stimulation der Erythropoese

G-CSF Monozyten, Granulozyten, Stromazellen
  • Aktivierung von Granulozyten

  • Stammzellmobilisation

GM-CSF Monozyten, T-Lymphozyten
  • Aktivierung von Granulozyten, Monozyten und antigenpräsentierenden Zellen

M-CSF Monozyten
  • Aktivierung von Monozyten

IL-1 Makrophagen, Fibroblasten, Endothelzellen, dendritische Zellen
  • Costimulation der Lymphozytenaktivierung

  • endogenes Pyrogen

  • Induktion der Produktion von IL-6 und GM-CSF

  • Induktion von Akute-Phase-Proteinen in Hepatozyten

  • Costimulation von Stammzellen

IL-2 T-Lymphozyten
  • Aktivierung von T-Lymphozyten

IL-3 (Multi-CSF) T-Lymphozyten, epitheliale Zellen, Astrozyten
  • multipotenter hämatopoetischer Wachstumsfaktor mit Wirkung auf Megakaryozyten und Mastzellen

IL-6 T- und B-Zellen, Endothelzellen, Makrophagen, Fibroblasten
  • Differenzierung von Stammzellen

  • Proliferation von T-Zellen

  • Proliferation und Differenzierung reifer B-Zellen

  • Induktion der Akute-Phase-Reaktion

  • Fieber

IL-11 Stromazellen, mesenchymale Zellen
  • Megakaryozytenproliferation

  • B-Zell-Differenzierung

TNF Makrophagen u.a.
  • wirkt auf verschiedenste Zellen

  • proinflammatorisch

  • Induktion von Apoptose

  • Endothelaktivierung

  • Fieber

Interferon- Stromazellen, T-Lymphozyten, Fibroblasten
  • Stimulation der Antigenpräsentation

  • Aktivierung von T- und B-Zellen

Interferon- T-Lymphozyten, Makrophagen
  • Induktion einer TH1-Antwort

Thrombopoetin Leberzellen, Nierenzellen
  • Stimulation und Regulator der Megakaryopoese

Erythrozyten-Membranproteine

Tab. 25.3
Protein Kopien/Erythrozyt (x 103) Assoziierte Erkrankung Funktion
-Spektrin 240 HS, HE, HPP
  • Hauptkomponenten des zytoskelettalen Netzwerks als Tetramere oder Oligomere

  • Bindungspartner für die verschiedenen Membran- und Strukturproteine

-Spektrin 240 HS, HE, HPP
Ankyrin 120 HS
  • Adaptermolekül zwischen Lipidbilayer und Zytoskelett

  • Die verschiedenen Ankyrinisoformen binden an die Na+K+-ATPase, den Na+-Ca2+-Austauscher und an spannungsabhängige Natriumkanäle

Anionenaustauscher (AE1) 1.200 HS, SAO
  • integrales Transmembranprotein (Dimer oder Tetramer), reguliert den Bicarbonataustausch

  • Der zytoplasmatische Teil dient als Verknüpfungsort mit dem Zytoskelett über Ankyrin

Protein 4.1 200 HS
  • Verknüpfung des Membranzytoskeletts mit der Zytoplasmamembran: bindet -Spektrin und Glykophorin C

Pallidin 250 HS
  • verstärkt die Bindung zwischen AE1 und Ankyrin

  • ATP-bindendes Protein

-Actin 500
  • gehört zu den Hauptproteinen des Membranzytoskeletts

Harnstofftransporter
  • Harnstofftransport über die Erythrozytenmembran

  • sichert die osmotische Stabilität und Verformbarkeit des Erythrozyten

G3PD 500
  • assoziiert mit der zytoplasmatischen Domaine von AE1

  • glykolytisches Enzym

Stomatin 200 HST
  • Homooligomer bestehend aus 9–12 Untereinheiten, assoziiert mit GLUT1-Glucosetransporter in der Erythrozytenmembran

  • inhibiert GLUT1-Funktion

Aquaporin
  • porenbildendes Transmembranprotein, dient dem spezifischen Transport von Wassermolekülen durch die Plasmamembran

HS hereditäre Sphärozytose, HE hereditäre Elliptozytose, HPP hereditäre Pyropoikilozytose, HST hereditäre Stomatozytose, SAO südostasiatische Ovalozytose

näherungsweise

Physiologische Hämoglobine der Prä- und Postnatalperiode

Tab. 25.4
Entwicklung Hämoglobin Struktur Hämoglobintyp Anteil am Gesamt-Hb (%)
1.–2. Lunarmonat
  • Hb Gower 1

  • Hb Gower 2

  • Hb Portland

  • HbF

  • HbA

  • 2 2

  • 2 2

  • 2 2

  • 2 2

  • 2 2

  • embryonal

  • embryonal

  • embryonal

  • fetal

  • adult

  • 20

  • 15

  • 10

  • 50

  • 5

3. Lunarmonat
  • HbF

  • HbA

  • 2 2

  • 2 2

  • fetal

  • adult

  • 92–90

  • 8–10

reife Neugeborene
  • HbF

  • HbA

  • HbA2

  • 2 2

  • 2 2

  • 2 2

  • fetal

  • adult

  • adult

  • 81,7 4,2

  • 17,7 4,6

  • 0,25 0,20

Erwachsene
  • HbA

  • HbA2

  • HbF

  • 2 2

  • 2 2

  • 2 2

  • adult

  • adult

  • fetal

  • 97

  • 2,5

  • 0,5

chromatographisch ermittelte Werte

Charakteristika und Häufigkeit der Blutgruppen im AB0-System

Tab. 25.5
Blutgruppe (Phänotyp) Genotyp Erythrozytenantigen Zuckerreste an Grundstruktur Isoagglutinine Häufigkeit (%) (Mitteleuropa)
0 00 H Fucose
  • anti-A

  • anti-B

42
A
  • AA oder

  • A0

  • A

  • A, H

  • Fucose

  • und N-Acetyl-Galaktosamin

anti-B 44
B
  • BB oder

  • B0

  • B

  • B, H

  • Fucose

  • und Galaktose

anti-A 10
AB AB A und B
  • Fucose und N-Acetyl-Galaktosamin

  • Fucose und Galaktose

keine 4

Normwerte der Gesamtleukozytenzahl sowie der Leukozytensubpopulationen bei Erwachsenen

Tab. 25.6
(%) (10E9/L)
Gesamtleukozyten 4,9–9,9
Granulozyten
Neutrophile 42,0–69,0 2,2–6,3
Eosinophile 1,0–6,0 0,0–0,4
Basophile 0,0–1,0 0,0–0,1
Lymphozyten 13,0–53,0 1,4–3,2
Monozyten 5,0–11,0 0,3–0,8

Normwerte des Instituts für Klinische Chemie, Universitätsklinikum Mannheim

Ursachen genetisch bedingter Hämophilie und Thrombophilie

Tab. 25.7
Hämophilie Thrombophilie
Von-Willebrand-Faktor-Mangel Antithrombinmangel
Faktor-FVIII-Mangel (Hämophilie A) Protein-C-Mangel
Faktor-FIX-Mangel (Hämophilie B) Protein-S-Mangel
Faktor-VII-Mangel Resistenz gegenüber aktiviertem Protein C (Faktor-V- Leiden-Mutation)
Faktor-FX-Mangel Prothrombinmutation (g20210a)
Faktor-FXIII-Mangel Dysfibrinogenämien

Blut

M. Neumaier

A. Dorn-Beineke

  • 25.1

    Plasma 751

  • 25.1.1

    Volumenregulation der Körperflüssigkeiten751

  • 25.1.2

    Plasmaproteine752

  • 25.2

    Blutzellbildung und -reifung 755

  • 25.2.1

    Hämatopoetische Stammzellen755

  • 25.2.2

    Hämatopoetische Wachstumsfaktoren756

  • 25.2.3

    Koloniebildende Einheiten757

  • 25.3

    Erythrozyten und Hämoglobin 758

  • 25.3.1

    Aufbau und Funktion der Erythrozyten758

  • 25.3.2

    Bildung und Alterung von Erythrozyten760

  • 25.3.3

    Hämoglobin761

  • 25.3.4

    Hämstoffwechsel763

  • 25.3.5

    Eisenstoffwechsel766

  • 25.3.6

    O2- und CO2-Transport768

  • 25.3.7

    Glucosestoffwechsel im Erythrozyten771

  • 25.3.8

    Blutgruppen774

  • 25.4

    Leukozyten und Entzündung 777

  • 25.4.1

    Leukozyten777

  • 25.4.2

    Leukozytenevasation781

  • 25.4.3

    Phagozytose und oxidativer Burst783

  • 25.4.4

    Akute-Phase-Reaktion784

  • 25.5

    Hämostase: Thrombozyten, Blutgerinnung, Fibrinolyse 786

  • 25.5.1

    Thrombozyten und Thrombozytenaktivierung786

  • 25.5.2

    Gerinnung und Fibrinolyse788

Praxisfall

Ihnen wird im Dienst der 2-jährige Luthar vorgestellt. Seine Eltern stammen beide aus Westafrika. Sie berichten, dass Luthars rechte Hand seit 2 Wochen geschwollen ist. Umschläge, Kühlung und weitere Maßnahmen brachten keine Besserung. Bei der körperlichen Untersuchung zeigt sich eine schmerzhaft geschwollene, gerötete Mittelhand bei nur mäßig erhöhten Entzündungsparametern (Leukozytenzahl: 12.700/l, C-reaktives Protein: 15 mg/dl). Das kleine Blutbild zeigt eine normochrome, normozytäre Anämie (Hämoglobin: 10,1 g/dl). Eine Röntgenaufnahme der rechten Hand legt den Verdacht auf eine Knochenentzündung der Handwurzelknochen nahe. Bei einer Operation der erkrankten Hand kann die Verdachtsdiagnose auf eine bakterielle Ursache allerdings nicht bestätigt werden.

Aber im manuellen Differentialblut finden sich Sichelzellen (Abb. 25.1a). Die nachfolgend durchgeführte Hämoglobinanalytik sichert die Verdachtsdiagnose einer Sichelzellanämie durch Nachweis des Sichelzellhämoglobins (HbS). Seine Symptome hat der kleine Patient von einer aseptischen Knochennekrose, einer häufigen Erstmanifestation bei homozygoter Sichelzellerkrankung im Kindesalter. Sie wird aufgrund ihrer Lokalisation auch als Hand-Fuß-Syndrom bezeichnet. Luthars Eltern sind beide heterozygot für das Sichelzellallel. HbS wird durch eine Mutation in dem für die -Kette des Globins kodierenden Gen verursacht, wodurch der Glutaminsäurerest an Position 6 gegen Valin ausgetauscht wird (6 Glu Val). Im desoxygenierten Zustand weist HbS eine verminderte Löslichkeit und eine erhöhte intrazelluläre Aggregationsneigung auf. Diese vermindert die Verformbarkeit der HbS-haltigen Erythrozyten in den Kapillaren, und es kommt zu Gefäßverschlüssen, die u.a. aseptische Knochennekrosen nach sich ziehen können. Gleichzeitig besteht als Folge der verkürzten Erythrozytenüberlebensdauer eine Hämolyse.

Zur Orientierung

Das Blut stellt das zentrale Transportsystem unseres Körpers dar. Es besteht aus Blutplasma und den zellulären Elementen.

Das Blutplasma repräsentiert den wässrigen Anteil des Blutes. Es enthält und transportiert Ionen, Nährstoffe, Metaboliten und Makromoleküle, insbesondere Proteine und trägt wesentlich zur Homöostase der Körperflüssigkeiten im Organismus bei.

Die Lebensdauer reifer, im peripheren Blut zirkulierender Zellen ist begrenzt und beträgt zwischen wenigen Stunden und mehreren Jahren. Es besteht ein Gleichgewicht zwischen Neubildung der zellulären Elemente des Blutes sowie ihrer Beseitigung im Monozyten-Makrophagen-System. Die Neubildung der zellulären Elemente des Blutes findet beim gesunden Erwachsenen in den primären lymphatischen Organen statt, dem Knochenmark und dem Thymus. Die verschiedenen Zelllinien treten in verschiedenen Reifungsstadien in das periphere Blut über. Einige Zelllinien sind vorzugsweise gewebeständig und nutzen das Blut lediglich als Transitorgan.

Erythrozyten sind im Wesentlichen für den Sauerstofftransport im Blut zuständig. Der dafür entscheidende Inhaltssstoff ist das Hämoglobin, das auch in die Pufferfunktion des Blutes eingebunden ist. Die Membranen der Erythrozyten tragen u.a. die Antigene der Blutgruppenmerkmale. Der Abbau der roten Blutkörperchen geschieht primär extravasal, das Häm wird letztendlich zu Gallenfarbstoffen abgebaut.

Der menschliche Organismus ist konstant fremden und krankheitsverursachenden antigenen Substanzen ausgesetzt. Solche Substanzen können sein: Bakterien, Viren, Parasiten, Allergene, Immunkomplexe, mechanische oder operative Gewebeschädigungen, größere Zelluntergänge (z.B. Herzinfarkt), Fremdkörper oder Harnsäurekristalle. Daraus können akute oder chronische entzündliche Reaktionen resultieren.

Menschen setzen diesen antigenen Stimuli drei Abwehrmechanismen entgegen: die Haut und Schleimhäute, das angeborene Immunsystem und das erworbene (adaptive) Immunsystem. Die verschiedenen Vertreter der Leukozyten und ihre spezifischen Funktionen gehören z.T. dem angeborenen Immunsystem an, aber auch dem adaptiven. Die systemische Akute-Phase-Reaktion ist ebenfalls Bestandteil des angeborenen Immunsystems.

Das hämostatische System besteht aus vaskulären Faktoren, Blutzellen sowie Plasmaproteinen und erfüllt zwei gegensätzliche Aufgaben: die Antikoagulation, welche die kontinuierliche Strömung des Blutes gewährleistet, und die Hämostase. Diese besteht wiederum aus einer schnellen Reaktion, der primären Hämostase und der sekundären Hämostase. Der endgültige Schluss eines Defekts wird durch Reendothelialisierung der Gefäßwand und schließlich durch Wundheilung möglich. An die Blutgerinnung schließt sich die langsame Auflösung des Gerinnsels durch das fibrinolytische System an.

Das Organ Blut setzt sich zusammen aus den zellulären Elementen und dem Plasmawasser mit den darin gelösten Stoffen (Blutplasma). Seine Zusammensetzung ist verschiedenen Regulationsvorgängen unterworfen. Die Zellzahl und Proteinkonzentration des Plasmas beeinflussen die Viskosität des Blutes. Die zellulären Bestandteile des Blutes gliedern sich in:

  • die roten Blutkörperchen oder Erythrozyten (Kap. 25.3)

  • die weißen Blutkörperchen oder Leukozyten (Kap. 25.4)

  • und die Blutplättchen oder Thrombozyten (Kap. 25.5).

Das Blut steht über ständige Rezirkulation in Kontakt zu allen Organen und ist an vielen physiologischen Vorgängen beteiligt:

  • Atemfunktion: Transport von O2 von der Lunge in die Gewebe und Transport von CO2 aus den Geweben in die Lunge

  • Pufferfunktion und Temperaturregulation: Im Stoffwechsel entstehende Protonen und CO2 werden vom Blut abgepuffert und den Ausscheidungsorganen, also den Lungen und den Nieren, zugeleitet. Die Konstanz des pH-Werts um pH 7,4 0,05 ist u.a. nötig für die optimale Aktivität vieler Enzyme. Aufgrund der hohen spezifischen Wärmekapazität von Wasser verteilt Blut die in einzelnen Organen entstehende Wärme (z.B. stoffwechselaktive Leber, arbeitende Muskulatur) auf den Gesamtorganismus und in die wärmeabgebenden Organe (z.B. Haut).

  • Aufrechterhaltung der Isoionie und Isotonie: Das Blut ist ein wichtiges Stellglied für das Gleichgewicht von Aufnahme und Ausscheidung von Salzen und osmotisch aktiven Substanzen.

  • Nähr- und Spülfunktion: Im Blut erfolgt der Transport der im Magen-Darm-Trakt resorbierten Nahrungsstoffe über Pfortader und Leber in die peripheren Organe. Von den Organen gelangen mit dem Blut die Endprodukte des Stoffwechsels zu den Ausscheidungsorganen Lunge, Niere, Leber, Darm und Haut.

  • Transport von Hormonen und Metaboliten: Hormone werden von den endokrinen Drüsen zu den Erfolgsorganen, Metaboliten zwischen den Organen transportiert (z.B. Lactat aus der Muskulatur zur Leber).

  • Immunabwehr: Humorale (Antikörper, Komplementsystem) und zelluläre (Leukozyten) Bestandteile des Blutes schützen den Organismus gegen als fremd erkannte Moleküle und Organismen.

  • Blutstillung: Blut enthält zelluläre (Thrombozyten) und plasmatische Komponenten (Gerinnungsfaktoren) des Blutstillungssystems. Im Rahmen der primären und sekundären Hämostase werden Blutungen gestillt und die Wundheilung ermöglicht.

Blick ins Labor

Zentrifugiert man eine Blutprobe, so trennen sich die Zellen vom Plasma. Der Hämatokrit (Hkt) gibt den zellulären Anteil in Prozent wieder. Da die Erythrozyten den Hauptanteil ausmachen (> 99%), ist der Hkt ein indirektes Maß der Erythrozytenmasse. Bei der Mikrohämatokritmethode wird eine heparinisierte Kapillare mit Kapillarblut gefüllt und für 5 min zentrifugiert. Der Hämatokrit wird mittels einer Schablone in Prozent der Gesamtblutsäule abgelesen. Der Wert ist alters- und geschlechtsabhängig. Frauen besitzen einen niedrigeren Hkt (0,33–0,41) als Männer (0,33–0,46). Eine Erhöhung oder Verminderung des Hämatokriten kann durch chronischen Sauerstoffmangel bei Rauchern oder Leben in großer Höhe bzw. infolge einer Blutung entstehen.

Plasma

Volumenregulation der Körperflüssigkeiten

Der Körper eines rund 70 kg schweren Menschen enthält rund 42 L Flüssigkeit, davon ca. 28 L im Intrazellularraum (IZR). Geschlechtsspezifisch besitzen Frauen aufgrund des höheren relativen Fettgehalts im weiblichen Körper einen niedrigeren Gesamtwasseranteil. Der Wasseranteil des extrazellulären Raums (EZR) zerfällt in drei Teile, zu denen das Plasmavolumen des intravasalen Raums rund 2,8 L und der interstitielle Flüssigkeitsraum sowie das Lymphgefäßsystem rund 10 L beitragen. Daneben definieren sich als der dritte Raum abgeschlossene Körperhöhlen, wie z.B. Magen-Darm-Trakt, Urogenitalsystem, Liquorraum, Gallengangssystem etc., die normalerweise einen weiteren Liter Flüssigkeit enthalten (Abb. 25.2). Über den Starling-Mechanismus (Lehrstoff Physiologie) stehen Intra- und Extravasalraum (Interstitium) im Bereich des Kapillarbetts für den Stoffaustausch in Verbindung.
Bindung von Natrium und Wasser im EZR
Die Konzentration von Na+ ist im EZR mit rund 140 mmol/L deutlich höher als intrazellulär, die Konzentration von K+ mit 4,5 mmol/L deutlich niedriger. Die unterschiedlichen Ionenzusammensetzungen der Flüssigkeitsräume werden einerseits durch ausgeprägte Diffusions- und Permeationsunterschiede plasmatischer Moleküle und andererseits durch selektive Transportmechanismen in den Zellmembranen aufrechterhalten. Für die Bindung von Wasser im EZR ist das kleine Na+-Ion besonders effektiv. Da es mehr H2O-Moleküle an sich bindet als das größere K+-Ion, ist seine Hydrathülle größer. Die Aktivität der Na+-K+-ATPase und die Permeabilitätsbarriere der Zellmembranen verhindern einen freien Ionenaustausch. Während eines Pumpzyklus befördert das Enzym ATP-abhängig 3 Mol Na+-Ionen aus sowie 2 Mol K+-Ionen in die Zelle. Der entstehende Elektrolytgradient erzeugt ein Ruhepotenzial von rund –80 mV über der Zellmembran. Die resultierende hohe extrazelluläre Na+-Konzentration ist zusammen mit der ausgeprägten Hydrathüllenbildung dieses Ions für die Osmolarität im EZR verantwortlich.
Osmolalität
Die Osmolalität, also die Stoff- und Teilchenkonzentration osmotisch aktiver Substanzen einer Flüssigkeit, wird in Milliosmol pro Kilogramm Wasser angegeben (mosmol/kg H2O). Die physiologische Verteilung der Osmolalitäten zwischen IZR und EZR (Tonizität) hängt wesentlich von der Konzentration der Na+-Ionen ab. Die Plasmaosmolalität wird durch verschiedene biochemische und hormonelle Mechanismen in engen Grenzen von 287 mosmol/kg H2O 2% reguliert. Dies geschieht über das antidiuretische Hormon (ADH), den Durst, die Flüssigkeitszufuhr und die renale Wasserausscheidung. Störungen der physiologischen Osmoregulation gehen daher im Prinzip immer auf eine Veränderung der ADH-Sekretion, des Durstmechanismus, der adäquaten Flüssigkeitszufuhr oder der renalen Wasserausscheidung zurück. Während der IZR durch hohe Konzentrationen an K+ und organischen Phosphoestern wie Kreatinphosphat oder ATP gekennzeichnet ist, sind EZR und Plasma wesentlich durch hohe Konzentrationen von Na+ und seinen Gegenionen charakterisiert. Diese sind Chlorid (Cl) und Bicarbonat (HCO3) sowie Sulfate, Phosphate und organische Säuren, die als organische Anionen und H+-Ionen dissoziiert vorliegen. Die meist anionisch geladenen Plasmaproteine wirken ebenfalls als Gegenionen, allerdings mit nachgeordneter Bedeutung.
Regulation des Plasmavolumens
Der Flüssigkeits- und Stoffaustausch zwischen Intravasalraum und Interstitium findet im Wesentlichen im Bereich des Kapillarbetts statt. Bei der Aufrechterhaltung des intravasalen Volumens spielen die Plasmaproteine eine entscheidende Rolle, indem sie einem Flüssigkeitsübertritt in das Gewebe (Bildung von Ödemen) entgegenwirken. Insbesondere bewirkt Albumin, das in hohen Konzentrationen (35–53 g/L) im Plasma vorkommt und nicht frei in das Interstitium übertreten kann, die Ausbildung des sog. kolloidosmotischen (onkotischen) Drucks von rund 25 mmHg. Proteine, die vom intravasalen Raum in das Interstitium übertreten, gelangen über das Lymphgefäßsystem zurück in den Blutkreislauf.

MERKE

Die Plasmaosmolalität wird wesentlich durch die Natriumkonzentration bestimmt. Dem durch hydrostatischen Druck verursachten Flüssigkeitsübertritt in das Gewebe wirkt der onkotische Druck der Plasmaproteine entgegen, besonders des Albumins.

Plasmaproteine

Die Gesamtproteinkonzentration im Plasma liegt normalerweise zwischen 60 und 80 g/L. Insgesamt sind im intravasalen und extravasalen Raum rund 400 g der Proteine verteilt, die es im menschlichen Körper auf ein Gesamtgewicht von insgesamt rund 10 kg bringen. Die meisten Plasmaproteine werden in der Leber synthetisiert. Ausnahmen sind beispielsweise die durch Plasmazellen synthetisierten Immunglobuline oder die durch Endothelzellen und Granulozyten sezernierten Transcobalamine I bzw. II und III. Man unterscheidet klassische Plasmaproteine, die distinkte Funktionen im Blut übernehmen, von im Plasma nachweisbaren Proteinen, die aus Geweben oder einzelnen Zellen regelhaft oder im Rahmen von Erkrankungen abgegeben werden und das Plasma primär als Transportmedium nutzen. Zu den klassischen Plasmaproteinen zählen Albumin, Gerinnungsfaktoren, Proteaseinhibitoren, Faktoren des Komplementsystems oder Immunglobuline. Beispiele für die zweite Gruppe sind Proteohormone oder Proteine, die bei Gewebeschädigungen wie Herzinfarkt oder Leberentzündungen im Blut in erhöhten Konzentrationen messbar sind und damit diagnostisch genutzt werden können. Einen Überblick über medizinisch wichtige klassische Plasmaproteine geben Tab. 25.1 und Abb. 25.3.

Schon gewusst

Im Jahre 2002 waren nahezu 300 Plasmaproteine strukturell identifiziert. Dies ist aus verschiedenen Perspektiven nur die Spitze eines ungeheuren Eisbergs. Seine Größe ist schwer abzuschätzen und hängt in letzter Konsequenz von der Empfindlichkeit der Nachweismethoden ab. Wollte man z.B. ein einzelnes Proteinmolekül einer molekularen Masse von rund 60 kDa in 1 ml Plasma nachweisen, wäre eine analytische Empfindlichkeit im Bereich von rund 1 Zeptomol/L oder 10–21 g/L erforderlich. Diese Stoffkonzentration liegt rund 7 Größenordnungen unter der heute im klinischen Labor erreichbaren analytischen Sensitivität, auch hochempfindlicher immunchemischer Methoden. Proteine, die mit gängigen labordiagnostischen Methoden routinemäßig im Blut bestimmt werden, differieren in ihren Konzentrationen um mehr als 10 Logstufen (z.B. Albumin vs. Interleukin-6).

Die Konzentrationen der Plasmaproteine resultieren aus Biosynthese, Verteilung und Abbau und stellen ein Fließgleichgewicht dar, das sich sehr rasch dynamisch ändern kann. So wird z.B. als Reaktion auf Gewebeverletzungen oder -schädigungen gleich welcher Ursache die Lebersynthese sog. Akute-Phase-Proteine innerhalb weniger Stunden um ein Vielfaches gesteigert. Umgekehrt wird die Synthese sog. negativer Reaktanten der Akutphase reduziert.
Wichtigster Vertreter der positiven Reaktanten der akuten Phase ist das C-reaktive Protein (CRP). Weiter gehören noch 1-Antitrypsin, Haptoglobin und die Komplementproteine zu den Akute-Phase-Proteinen. Die Plasmakonzentration kann bei Entzündungen in Abhängigkeit vom Ausmaß der Entzündungsreaktion um den Faktor 1,5–100 ansteigen. Als wichtigste Vertreter der Anti-Akute-Phase-Proteine sind Albumin und Transferrin zu nennen.
Die in den Hepatozyten gebildeten Akute-Phase-Proteine wirken als Mediatoren und Inhibitoren der Entzündung. Sie sind an der Wiederherstellung des Gewebes beteiligt. Viele dieser Proteine wirken antiproteolytisch und besitzen wahrscheinlich die Aufgabe, den entzündlichen Prozess lokal zu beschränken und eine Generalisation zu verhindern. Bei vielen Erkrankungen verlaufen der Syntheseanstieg von Akute-Phase-Proteinen und der Grad des entzündlichen Prozesses parallel.
Pufferfunktion der Plasmaproteine Plasmaproteine wirken durch ihre freien Amino- und Carboxygruppen als Puffersubstanzen. Sie repräsentieren 14% der Gesamtpufferkapazität des Vollblutes. Die übrigen Pufferfunktionen des Plasmas verteilen sich hauptsächlich auf die Zellen (rund 78%) sowie auf den Hydrogencarbonat- (6%) und den Phosphatpuffer (1,5%).
Abbau der Plasmaproteine Der Abbau erfolgt in erster Linie in Leber und Niere. Mit Ausnahme des Albumins sind fast alle Plasmaproteine Glykoproteine, die meist verzweigte N- oder O-glykosidisch gebundene Oligosaccharide tragen. Die meisten Plasmaproteine weisen eine komplexe Verzuckerung auf, bei der die endständigen Zuckerreste aus N-Acetyl-Neuraminsäure bestehen und dem Protein zu einer negativen Ladung verhelfen. Die Alterung der Plasmaproteine vollzieht sich durch Abspaltung der terminalen Neuraminsäure durch Neuraminidasen, die z.B. membranständig auf Gefäßendothelien, aber auch durch Makrophagen exprimiert werden. Die so freigelegten Galaktosereste sind Signal für die Erkennung durch den auch Asialoproteinrezeptor (asialo ohne Sialinsäure) genannten hepatischen Galaktoserezeptor, der die endozytotische Beseitigung dieser gealterten Glykoproteine aus der Zirkulation vermittelt.
Die Rolle der Niere liegt im Katabolismus niedermolekularer glomerulär filtrierter Proteine (< 65 KDa). Die Zellen des proximalen Tubulus hydrolysieren die Proteine mithilfe von Peptidasen in ihren Bürstensaummembranen und absorbieren die Peptide anschließend luminal durch Pinozytose. Intrazellulär verschmelzen die Vesikel dann mit primären Lysosomen zu Heterolysosomen, in denen der endgültige Abbau der filtrierten Plasmaproteine erfolgt. Die Aminosäuren kehren in den Aminosäurepool zurück und stehen für eine erneute Proteinsynthese zur Verfügung.

Klinik

Eine Verminderung der Gesamtproteinkonzentration im Plasma heißt Hypoproteinämie. Diese kann durch Synthesestörungen bedingt sein, z.B bei einer schweren Leberschädigung. Weitere mögliche Gründe sind Eiweißmangelernährung und Proteinverlustsyndrome. Proteine können renal verloren gehen, z.B. bei einem nephrotischen Syndrom mit einer großen Proteinurie > 3 g/24 h, enteral bei entzündlichen Darmerkrankungen oder auch über die Haut bei blasenbildenden Hauterkrankungen oder großflächigen Verbrennungen, bei chronischer Hämodialyse und natürlich auch bei akuten, größeren Blutverlusten. Bei all diesen Erkrankungen kann die Albuminkonzentration im Plasma derart absinken, dass sich der kolloidosmotische Druck nicht mehr aufrechterhalten lässt. Es überwiegt dann der hydrostatische Filtrationsdruck im Kapillarbett, weshalb es zu schweren Ödemen durch Wasserübertritt in das Interstitium kommt.

Blick ins Labor

Die Serumeiweißelektrophorese (Abb. 25.4) ist eine traditionelle labormedizinische Methode, bei der die Plasmaproteine auf Zelluloseacetatfolie oder im Agarosegel im alkalischen Bereich (pH 8,2–8,6) getrennt werden. Nach der Proteinfärbung lassen sich fünf Zonen voneinander abgrenzen, die als Albumingruppe bzw. 1-, 2-, - und -Globuline bezeichnet werden. Zwischen den Fraktionen sind die Konzentrationsverhältnisse beim Gesunden relativ stabil. Bei verschiedenen Erkrankungen kommt es zu charakteristischen Veränderungen im Verteilungsmuster der Serumproteine, die diagnostisch genutzt werden. Mit der zunehmenden Zahl quantitativ bestimmbarer Einzelproteine (Tab. 25.1), die für einzelne Erkrankungen bezeichnend sind (Indikatorproteine), hat die diagnostische Bedeutung der Serumeiweißelektrophorese abgenommen.

MERKE

Plasmaproteine erfüllen physiologische Aufgaben im Blut im Sinne der Aufrechterhaltung des intravasalen Volumens und der Pufferwirkung. Sie repräsentieren außerdem ein Reservoir von Enzymaktivitäten bzw. ihrer Inhibitoren. Im Rahmen der Infektabwehr fungieren sie als zentrale Eiweiße sowohl des kognaten als auch des angeborenen Immunsystems. Plasmaproteine besitzen Transportfunktion für kleinmolekulare Substanzen wie Steroidhormone.

Blutzellbildung und -reifung

Hämatopoetische Stammzellen

Alle Gewebe unseres Körpers enthalten regenerative Vorläuferzellen, die adulten Stammzellen. Man kennt mittlerweile über 20 Haupttypen adulter Stammzellen. Dabei sind die hämatopoetischen Stammzellen die prominenteste und wohl auch flexibelste Fraktion. Funktionell sind sie durch ihre Fähigkeit zur Selbsterneuerung und Differenzierung in alle bekannten Blutzelllinien definiert. Sie können sich nicht nur zu dem Gewebe entwickeln, für das sie eigentlich vorgesehen sind, sondern sind auch in der Lage, sich zu anderen Geweben zu differenzieren (Transdifferenzierung). Aus der hämatopoetischen Stammzelle entstehen in mehreren Schritten determinierte hämatopoetische Vorläuferzellen, die sich wiederum zu reifen Blutzellen weiterentwickeln (Abb. 25.5). Das Proliferations- und Differenzierungsverhalten der unreifen hämatopoetischen Vorläuferzellen wird durch das Knochenmarksstroma reguliert. Stromazellen spielen eine wichtige Rolle für die Produktion und Sekretion hämatopoetischer Wachstumsfaktoren sowie für den direkten Zell-Zell- bzw. Zell-Extrazellularmatrix-Kontakt.

Hämatopoetische Wachstumsfaktoren

Durch hämatopoetische Wachstumsfaktoren, auch Cytokine genannt, wird das biologische Verhalten der Blutvorläuferzellen reguliert. Ein Teil dieser Wachstumsfaktoren ist in rekombinanter Form für den klinischen Einsatz verfügbar. Den hämatopoetischen Wachstumsfaktoren lassen sich definierte Funktionen zuordnen:
  • die Verhinderung des programmierten Zelltodes (Apoptose)

  • die Induktion von Proliferation, Differenzierung und Reifung von Vorläuferzellen

  • die Aktivierung reifer Blutzellen.

Die Mehrzahl dieser Faktoren, bei denen es sich in der Regel um Glykoproteine handelt, wird lokal im Knochenmark gebildet und bindet parakrin an Oberflächenrezeptoren auf benachbarten Zellen. Wenige von ihnen wirken begrenzt auf spezifische Knochenmarkszellpopulationen, wie z.B. das Erythropoetin, das lediglich die Proliferation der erythropoetischen Vorläuferzellen reguliert. Andere Wachstumsfaktoren haben ein breites Wirkungsspektrum, wie das Interleukin-3 (IL-3), der Stammzellfaktor (SCF) und das Thrombopoetin (TPO). Sie greifen sowohl in die frühen Phasen der Hämatopoese als auch in deren späteren Verlauf ein (Abb. 25.5, Tab. 25.2). Neben den hämatopoetischen Wachstumsfaktoren und den Interleukinen haben auch klassische Hormone, wie die Catecholamine, Steroidhormone (Androgene stimulieren, Östrogene hemmen), Schilddrüsenhormone oder das Wachstumshormon einen Einfluss auf die Blutzellbildung.

Koloniebildende Einheiten

In einer Vielzahl von Teilungsschritten entstehen aus dem Reservoir der pluripotenten Stammzellen zunächst myeloische CFU (CFU-GEMM, colony forming unit granulocyte, erythrocyte, monocyte, megakaryocyte) und lymphatische Vorläuferzellen der B- und T-Zell-Reihe. Aus den myeloischen und lymphatischen Stammzellen bilden sich in der Folge spezialisierte Vorläuferzellen. So entstehen aus BFU-E (burst forming unit erythroid) ausschließlich erythroid differenzierte Zellen und schließlich reife Erythrozyten, während bipotente CFU-GM (colony forming unit granulocyte, monocyte)-Vorläuferzellen Granulozyten und Monozyten hervorbringen.
Die Einteilung der Vorläuferzellen (blastäre Zellen) beruht auf ihrem Wachstumsverhalten unter In-vitro-Bedingungen (Soft-Agar-Kulturen). Morphologisch sind die zur Koloniebildung befähigten Zellen den Lymphozyten ähnlich, lassen sich immunologisch aber durch Oberflächenantigene wie z.B. CD34 identifizieren und abgrenzen.
Der Anteil blastärer Zellen im Knochenmark eines gesunden Erwachsenen liegt unter 5%. Steigt der periphere Verbrauch (z.B. Blutverlust, systemische Infektion) und damit der Bedarf zirkulierender Endzellen, erfolgt eine Expansion bereits determinierter Vorläuferzellen (BFU-E, CFU-GM etc.), was vornehmlich durch die Ausschüttung hämatopoetischer Wachstumsfaktoren passiert (z.B. Erythropoetin, G-CSF, GM-CSF). Dies führt zur gesteigerten Produktion der benötigten Endzellen. Der Vorrat an determinierten Vorläuferzellen wird auch Regenerationspool genannt.
Die in mehreren Schritten weiter differenzierten Zellen treten in den Reifungspool ein, wo sie sich nicht mehr teilen. Hier erreichen sie den Reifungszustand, der für den Übertritt in das periphere Blut notwendig ist (Funktionspool).

MERKE

Die Blutbildung erfolgt beim gesunden Erwachsenen in den primären lymphatischen Organen. Die Blutbildung gliedert sich in die Erythro-, Granulo-, Monozyto-, Lympho- und Thrombopoese. Die Blutzellen gehen aus hämatopoetischen Stammzellen hervor. Alle Differenzierungsschritte werden durch das Knochenmarksstroma und die hämatopoetischen Wachstumsfaktoren reguliert.

Erythrozyten und Hämoglobin

Aufbau und Funktion der Erythrozyten

Blick ins Labor

Die Erstellung des sog. kleinen Blutbildes beinhaltet u.a. auch die Bestimmung der Erythrozytenzahl, des Hämoglobin-(Hb-) Werts, des Hämatokrit-(Hkt-)Werts und der Erythrozytenindices MCV (mittleres Zellvolumen), MCH (mittlerer zellulärer Hämoglobingehalt) und MCHC (mittlere zelluläre Hämoglobinkonzentration). Die Erythrozytenzählung erfolgt meist nach dem Widerstandsmessprinzip. Diese Methode basiert auf der Messung der elektrischen Leitfähigkeit an einer Pore, die sich beim Durchtritt eines Partikels durch die Messöffnung ändert.

Die Hämoglobinkonzentration wird mittels Spektralphotometrie (Hämoglobincyanidmethode) bestimmt. Ein Lysereagens hämolysiert die Erythrozyten und oxidiert das frei gewordene Hämoglobin (Fe2+) in Cyanmethämoglobin (Fe3+), das anhand seiner Absorption bei 540 nm photometrisch quantifiziert wird. Die Berechnung der Erythrozytenindices erfolgt folgendermaßen:

  • MCV (fl) Hkt (Fraktion)/Erythrozytenkonzentration MCV bezeichnet das Einzelvolumen eines Erythrozyten.

  • MCH (pg) Hb (g/L)/Erythrozytenzahl (1012/L) MCH bezeichnet die mittlere Menge an Hämoglobin, die in einem Erythrozyten enthalten ist.

  • MCHC (g/dl) Hb (g/dl)/Hkt (Fraktion) MCHC steht für den Anteil der zellulären Bestandteile am Blutvolumen und ist ein Maß für die Viskosität.

Schon gewusst

Die Erythrozyten machen beim gesunden Menschen weit mehr als 99% der Gesamtzellmasse im peripheren Blut aus. Die ca. 25 Billionen Erythrozyten bilden eine Oberfläche von ca. 3800 m2. Pro Sekunde werden mehr als 2 Millionen Erythrozyten produziert. Die mittlere Lebensdauer der Erythrozyten beträgt 110–130 Tage, und in dieser Zeit legt ein Erythrozyt ca. 400 km zurück.

Funktionen
Die Hauptfunktion der Erythrozyten ist der Gastransport. Struktur, Zusammensetzung und Stoffwechsel des Erythrozyten sind diesen hoch spezialisierten Funktionen angepasst:
  • Erythrozyten enthalten Hämoglobin, das für die Bindung von O2 und CO2 verantwortlich ist. Hämoglobin besteht aus vier Untereinheiten. Jede Untereinheit trägt im Inneren eine Hämgruppe mit zentralem Eisenatom. Die vier Polypeptidketten des Hämoglobins werden als Globinanteil bezeichnet.

  • Die bikonkave Form schafft eine große Diffusionsfläche für O2 und CO2 und ist Voraussetzung für die Deformierbarkeit der reifen Erythrozyten.

  • Die Membranstruktur des Erythrozyten verleiht Stabilität, lässt aber die Diffusion von O2 und CO2 zu.

  • Der Erythrozyt besitzt eine hohe Carboanhydraseaktivität, die für den CO2-Transport unentbehrlich ist (Kap. 25.3.6).

Der Stoffwechsel des Erythrozyten ist darauf ausgerichtet, das Hämoglobin funktionsfähig zu halten sowie die Stabilität der Zellstruktur zu gewährleisten.
Membranstruktur und Zytoskelett
Die Membran des Erythrozyten hat für die äußere Form und die Verformbarkeit beim Passieren der Kapillaren eine große Bedeutung. Sie ermöglicht den Durchtritt von O2, CO2, Wasser, Ionen, Glucose und anderen kleinen Molekülen, verhindert aber den Durchtritt von großen Molekülen, besonders wenn diese geladen sind. Die Lipiddoppelschicht (Lipidbilayer) der Erythrozytenmembran enthält etwa zehn Hauptproteine und ca. 200 Proteine, die in geringerem Anteil vorkommen (Tab. 25.3, Abb. 25.6). Ein Netzwerk von Proteinen formt das Zytoskelett, das intrazellulär mit dem Lipidbilayer verankert ist. Spektrin, das zentrale Protein des Netzwerks, bildet Dimere aus - und -Spektrin. Diese assoziieren Kopf an Kopf, um Tetramere oder Oligomere zu bilden. An der -Untereinheit ist ein weiteres Protein verankert, das Ankyrin. Es bindet an den zytoplasmatischen Schwanz des Bande-3-Proteins (Anionenaustauscher, AE1) und bildet so die Hauptverbindung zwischen Zytoskelett und Lipidbilayer. Gefestigt wird diese Bindung durch Pallidin. Nahe dem N-Terminus von -Spektrin bindet Protein 4.1, das mit Glykophorin C assoziiert ist und einen weiteren Verankerungspunkt am Lipidbilayer darstellt. Zahlreiche kurze Actinfilamente binden an die N-terminale Region von -Spektrin und an Protein 4.1. Defekte der Membranproteine führen zu veränderter Stabilität und Flexibilität der Erythrozyten. Es resultieren hämolytische Anämien (Kap. 25.3.4).

Klinik

Die hereditäre Sphärozytose (HS) ist eine Erkrankung aufgrund von Mutationen in den Genen, das für Ankyrin, Bande 3, - und -Spektrin oder Pallidin kodieren. Bei der häufigsten Form der HS (60% der autosomal-dominant vererbten Formen) liegt eine kombinierte Defizienz von Spektrin und Ankyrin vor. Dadurch ist die Assoziation mit anderen Membranskelettproteinen gestört. Die HS-Erythrozyten liegen unter normotonen Bedingungen als Kugelzellen (Sphärozyten) vor. Funktionell bedeutsam ist hier die verminderte Verformbarkeit der Zellen. Die Sphärozyten werden in der Milz als gealterte Zellen erkannt und durch Phagozytose entfernt. Die Lebensdauer dieser Erythrozyten kann deshalb auf nur 10 Tage verkürzt sein.

Bildung und Alterung von Erythrozyten

Differenzierung
Aus den CFU-E bilden sich die basophilen Proerythroblasten, aus denen sich basophile Erythroblasten differenzieren. Erythroblasten sind die ersten Zellen, die Hämoglobin enthalten. Mit zunehmender Reife sinkt die Proteinbiosyntheserate, und die Teilungsfähigkeit nimmt ab. Schließlich kondensiert der Zellkern, wird ausgestoßen und von Knochenmarksmakrophagen aufgenommen. Die zurückbleibende kernlose Zelle besitzt noch RNA, Reste des Golgi-Apparats, Mitochondrien, Ribosomen und nicht mehr benötigte Proteine, die präzipitieren und als Substantia reticulofilamentosa mit Brillantkresylblau angefärbt werden können. Wegen dieser netzförmigen Struktur werden diese Zellen als Retikulozyten bezeichnet, die im peripheren Blut zum Erythrozyten heranreifen. Der Anteil von Retikulozyten im peripheren Blut beträgt 0,6–2,2%. Als Folge des Verlusts von Organellen kann der Erythrozyt mehrere Stoffwechselwege nicht mehr nutzen. So gehen der Zelle mit dem Verlust der Mitochondrien die -Oxidation, der Citratzyklus und die Atmungskette verloren. Erythrozyten sind daher auf die anaerobe Glykolyse zur Energiegewinnung angewiesen und verbrauchen selbst keinen Sauerstoff.
Regulation der Erythropoese
Die Erythropoese wird durch das Hormon Erythropoetin (EPO) stimuliert. EPO ist ein Glykoprotein mit 34.000 Da und wird beim Erwachsenen in peritubulären Zellen der Nierenrinde (weniger als 10% auch in der Leber) gebildet. EPO wird im Blut transportiert und bindet an den Erythropoetinrezeptor, der nur auf Vorläuferzellen der Erythropoese exprimiert wird, was die Selektivität von EPO erklärt. Der Erythropoetinrezeptor ist ein Cytokinrezeptor, der mit der JAK-Kinase assoziiert ist. Intrazellulär wird die Wirkung von EPO über die Aktivierung diverser Signaltransduktionswege (u.a. STAT 5A und STAT 5B) vermittelt. Nach Signalübertragung wird der EPO-Rezeptor-Komplex internalisiert und degradiert. EPO wird vermehrt gebildet, wenn der lokale Sauerstoffpartialdruck im Gewebe sinkt (Hypoxie). Diese Reaktion wird durch den hypoxieinduzierbaren Transkriptionsfaktor HIF1- (hypoxia inducible factor) vermittelt. Bei Bedarf kann so die Erythropoese um das Fünf- bis Zehnfache gesteigert werden.

Klinik

Bei Nierenerkrankungen im Endstadium kann die EPO-Produktion stark vermindert sein. Die Folge ist eine renale Anämie. Diese kann durch die Gabe von rekombinantem humanem EPO (r-huEPO) behandelt werden. Die Wirkung von EPO auf die Erythropoese setzt allerdings die ausreichende Verfügbarkeit von Eisen, Vitamin B12 und Folsäure und damit die entsprechende Ernährung oder Substitutionstherapie voraus.

Erythropoetin zählt außerdem zu den verbotenen Dopingsubstanzen. Bis zum Jahr 2000 war der analytische Nachweis eines EPO-Missbrauchs mit der Schwierigkeit verbunden, das vom Organismus produzierte EPO vom synthetischen, gentechnisch hergestellten EPO zu unterscheiden. Zwischen humanem EPO und rEPO bestehen geringfügige Unterschiede in den Kohlenhydratketten. Hierbei zeigt sich eine Heterogenität, die sich in einer unterschiedlichen Anzahl an Sialinsäuremolekülen bzw. in der prozentualen Verteilung der beteiligten Zucker untereinander äußern kann. Diese Unterschiede können durch isoelektrische Fokussierung in Kombination mit Immunblotting nachgewiesen werden.

Erythrozytenalterung und Sequestration
Die Überlebensdauer der gesunden Erythrozyten wird vermutlich durch die mit zunehmendem Alter eintretende Aktivitätsabnahme wichtiger intraerythrozytärer Enzyme begrenzt, z.B. von Hexokinase und Phosphofructokinase. Einschränkungen von Glykolyse und Pentosephosphatzyklus, den beiden wichtigsten Stoffwechselwegen im Erythrozyten, vermindern die Verfügbarkeit von ATP bzw. NADPH. Als Folge des ATP-Mangels ist der aktive Ionentransport gestört, weshalb der intrazelluläre Gehalt an K+ sinkt, während die Na+-und Ca2+-Konzentrationen steigen. Der Mangel an ATP und NADPH vermindert außerdem die Synthese bzw. Reduktion von Glutathion (Kap. 25.3.7). Dadurch geht der Schutz verschiedener SH-Gruppen von Enzymen, Membranproteinen und von Hämoglobin vor einer Oxidation verloren. Auch Membranmaterial und intrazelluläres Wasser schwinden im Rahmen des Alterungsprozesses. Als Folge steigt die intrazelluläre Hämoglobinkonzentration, und die Deformierbarkeit der Erythrozyten nimmt ab. Zudem wird das Phospholipid Phosphatidylserin auf die Außenseite der Membran verlagert, was als Rezeptor für Makrophagen dient. So können dann überalterte Erythrozyten im Monozyten-Makrophagen-System (Milz, Knochenmark) abgebaut werden. Die Erythrozyten werden für die Phagozyten (Fresszellen, beinhalten Monozyten, Makrophagen und Granulozyten) über ihre defekte Oberflächenglykokalix und veränderte Oberflächenladungen erkennbar. Nach der Phagozytose werden die Bausteine des Erythrozyten abgebaut. Es kommt zur Abspaltung der Globinketten und zur Oxidation des Häms. Das aus dem Hämoglobin gewonnene Eisen steht dem Knochenmark wieder zur Verfügung.

MERKE

Die Erythrozyten differenzieren sich aus den CFU-E unter Stimulation durch das Peptidhormon Erythropoetin. Der Hauptstimulus zur Erythropoetinbildung ist die Gewebehypoxie. Überalterte Erythrozyten werden im MMS abgebaut. Das beim Abbau frei werdende Eisen steht dem Knochenmark wieder zur Verfügung.

Hämoglobin

Ein Erythrozyt enthält in seinem Zytosol etwa 3 108 Hämoglobinmoleküle, die damit etwa 88% seines Volumens einnehmen und ihm seine rote Farbe verleihen. Die Funktionen des Hämoglobins sind der Sauerstofftransport im Blut, die Beteiligung am Kohlendioxidtransport im Blut und die Pufferung von H+-Ionen zur Aufrechterhaltung des normalen pH im Extrazellularraum.
Die normale Hämoglobinkonzentration ist durch Geschlecht und Lebensalter beeinflusst (M: 13,2–16,7 g/dl, F: 12,3–15,2 g/dl). Eine Anämie (Blutarmut) ist definiert durch eine Verminderung des Hämoglobins auf < 12 g/dl bei Frauen und < 13 g/dl bei Männern. Unter Annahme von Durchschnittswerten für einen männlichen Erwachsenen (Hb: 16 g/dl, Gewicht: 70 kg, Blutvolumen: 5 L) errechnet sich eine Gesamtkörpermenge von 800 g Hämoglobin.
Struktur
Hämoglobin (Hb) besteht aus vier Untereinheiten, den Globinen, von denen jede ein Molekulargewicht von ca. 17 kDa besitzt. Jede Untereinheit bindet im Inneren koordinativ über Histidin sowie über hydrophobe Wechselwirkungen eine Hämgruppe (Abb. 25.7). Bei der koordinativen Bindung (Koordinationsbindung) wird das bindende Elektronenpaar von einem der beiden Bindungspartner allein gestellt, während der andere über eine besetzbare Elektronenlücke verfügt.
Häm ist ein aus vier Pyrrolringen bestehendes Porphyrin, das in seiner Mitte ein zweiwertiges Eisenion (Fe2+) komplexiert. Das zentrale Fe2+ besitzt sechs koordinative Bindungsstellen. Vier dieser Bindungsstellen werden durch die Stickstoffatome der Pyrrolringe eingenommen, die fünfte dient der Bindung an den Globinteil. Die sechste koordinative Bindungsstelle steht für den Sauerstofftransport zur Verfügung. Durch seine vier Untereinheiten kann Hb reversibel vier Moleküle Sauerstoff an Hämeisen binden (Oxygenierung). Im Schutz der koordinativen Bindung Fe–N (Histidin) wird das zweiwertige Eisen (Fe2+) nicht oxidiert. Im vollständig desoxygenierten Zustand des Hb spricht man von Desoxyhämoglobin. Bei Oxidation von Fe2+ in Fe3+ entsteht Methämoglobin (Kap. 25.3.7).
Das adulte Hb besteht aus zwei -Ketten (jeweils 141 Aminosäuren) und zwei -Ketten (jeweils 146 Aminosäuren) und wird als HbA oder Hb22 bezeichnet (Abb. 25.7). Die Ketten des Hb besitzen zu 70% -helikale Anteile, die -Ketten sieben Helices A–C und E–H (kein D), die -Ketten acht Helices A–H. Die vier Polypeptidketten werden durch Wasserstoffbrücken, hydrophobe und elektrostatische Wechselwirkungen zusammengehalten. Für die elektrostatischen Wechselwirkungen sind die vier C-terminalen Aminosäuren essenziell, zwei Histidin- und zwei Argininreste. Diese Art des Zusammenhalts der vier Ketten führt dazu, dass die Konformation des tetrameren Hb, also seine Quartärstruktur, nicht starr ist und durch die Bindung von Liganden verändert werden kann. Ein solcher Ligand ist Sauerstoff, der bei der Bindung an das Eisen zunächst die Konformation der betreffenden Hämoglobinuntereinheit und dann die des Hämoglobintetramers verändert.
Biosynthese und Ontogenese der Globine
Die Synthese des Hb erfolgt v.a. im Knochenmark in den Vorläuferzellen der Erythrozyten, solange diese noch ihre Organellen besitzen. Verliert der Erythroblast im Laufe seiner Reifung seine Mitochondrien und seinen Zellkern, geht ihm auch die Fähigkeit zur Hämoglobinsynthese verloren.
Während der Embryonalperiode sind andere Globine aktiv als in der Postnatalperiode. Im Verlauf der Ontogenese werden sieben verschiedene Globinketten (, , A, G, , , ) synthetisiert, für die acht Strukturgene auf den Chromosomen 11 und 16 vorhanden sind. Die -Globin-Kette wird von zwei in der DNA-Sequenz etwas verschiedenen und eng gekoppelten Genen kodiert (1- und 2-Globingen). Alle Hämoglobintetramere werden von zwei Paaren verschiedener Globine gebildet. Im Embryo werden die Hämoglobine Gower 1 (22) und Gower 2 (22), synthetisiert, die später durch das fetale HbF (22) und schließlich durch das adulte HbA ersetzt werden.
Das wichtigste, HbA1 (22), besteht aus je zwei - und zwei -Ketten. Daneben gibt es noch einen kleinen Anteil an HbA2 (22), das anstelle von -Ketten -Ketten aufweist (Abb. 25.8, Tab. 25.4)
- und -Gen-Cluster Die Anordnung der Gene für die Globin-Ketten auf den beiden Chromosomen entspricht der Expression während der ontogenetischen Entwicklung (Abb. 25.8). Der -Globin-Cluster auf dem Chromosom 16 enthält die Gene 1- und 2- sowie das -Globingen, der -Gen-Cluster auf Chromosom 11p15 die -, -, - und -Globingene.
Anomale Globine und Thalassämien
Weltweit sind 3% der Bevölkerung Anlageträger für ein pathologisches Hämoglobin. Die Sichelzellkrankheit und die Thalassämien stellen, zusammen mit dem Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase-Mangel, die häufigsten monogenen Erbkrankheiten dar. Bis heute konnten über 800 verschiedene Hämoglobinvarianten diagnostiziert werden. Die meisten sind allerdings ohne charakteristische funktionelle Relevanz. Man unterscheidet zwei prinzipielle Gruppen von qualitativen bzw. quantitativen Hämoglobinopathien:
  • Mutationen, die zu einfachen Aminoaustauschen führen, bedingen Strukturvarianten oder anomale Hämoglobine im engeren Sinne. Führt die Veränderung in der vorgegebenen Aminosäuresequenz zu Störungen der physikalischen und chemischen Bindungen zwischen benachbarten Polypeptidketten oder im Bereich der Hämregion, dann sind funktionelle Beeinträchtigungen zu erwarten.

  • Mutationen, die quantitativ die Synthese von Globinen vermindern oder verhindern, führen zu Thalassämiesyndromen. Störungen der -Ketten-Synthese werden als -Thalassämie definiert, Störungen der -Ketten-Synthese als -Thalassämie.

Hämoglobinanomalien werden autosomal-rezessiv vererbt. Entsprechend den vorhandenen Strukturgenen gibt es Anomalien der -, -, - und -Globinketten. Für die Synthese der -Ketten steht auf jedem Chromosom ein -Globingen zur Verfügung. Der Anteil einer -anomalen Variante beträgt bei Heterozygoten ca. 45%, bei Homozygoten ca. 90%. Der Rest ist HbA2 (22) und HbF (22). Eine Besonderheit der anomalen Hämoglobine liegt darin, dass an der Synthese der -Globinketten vier -Strukturgene beteiligt sind. Bei Heterozygotie werden nur 20–30% der -anomalen Variante synthetisiert, bei Homozygotie findet man 40–60% anomales Hb. Etwa 50% der -Anomalien, aber nur 20% der -Anomalien verursachen eine klinische Symptomatik.
Die Klinik der -Thalassämien hängt von der Anzahl der deletierten Genloci ab. Die beiden heterozygoten Zustände (Minorform) werden durch Deletion von einem oder zwei -Genen verursacht. Die Deletion von drei Genen verursacht die HbH-Erkrankung, eine milde hämolytische Anämie. Die homozygote -Thalassämie beruht auf einer Deletion aller vier -Gene und ist vorgeburtlich letal (sog. Morbus haemolyticus neonatorum in utero). Der häufigste Defekt der -Thalassämien (autosomal-rezessiv) hat seine Ursache in Punktmutationen im -Globingen. Deletionen sind die Ausnahme. Es sind ca. 170 Mutationen bekannt, welche die Expression des -Globingens inaktivieren können. Bei völlig fehlender Genaktivität spricht man von -Thalassämie, während bei der +-Thalassämie noch Restaktivität vorhanden ist. Die -Thalassaemia minor ist die asymptomatische, klassisch heterozygote Form ohne oder mit leichter hypochromer, mikrozytärer Anämie. Hier ist HbA2 erhöht. Die Thalassaemia intermedia beschreibt eine mittelschwere, nur selten transfusionsbedürftige hypochrome Anämie mit ausgeprägter ineffektiver Erythropoese. Die -Thalassaemia major (Cooley-Anämie) ist die schwerste Manifestationsform und repräsentiert den homozygoten Status. Sie ist charakterisiert durch eine schwere, chronisch transfusionsbedürftige Anämie.

Klinik

Hämoglobin wird in Abhängigkeit von der Lebensdauer der Erythrozyten und der Glucosekonzentration des Blutes glykiert. Durch Glykierung des Hämoglobins entsteht über eine instabile Aldimin-Form (Schiff'sche Base) die stabile Ketoamin-Form (stabiles HbA1), die aus drei Unterformen besteht, a, b und c. Die wesentliche c-Fraktion (HbA1c) macht 70% des HbA1 aus. HbA1c stellt das mit D-Glucose am N-terminalen Valin der R-Kette glykierte HbA1 dar und markiert bei Patienten mit Diabetes mellitus als Blutzuckergedächtnis die Stoffwechsellage und somit auch die Güte der Diabeteseinstellung in den letzten 8 Wochen. Bei guter Stoffwechsellage liegt der HbA1c-Anteil < 6,5% (methodenabhängiger Normwert; Kap. 5.2.7).

MERKE

Das aus jeweils zwei - und -Ketten zusammengesetzte adulte Hämoglobin A (HbA, Hb22) stellt ein Heterotetramer dar und transportiert den Sauerstoff in den Erythrozyten. Die Synthese der unterschiedlichen Hämoglobine ist von den Entwicklungsstufen vor und nach der Geburt abhängig. Defekte in den Hämoglobingenen (z.B. Mutationen einzelner Basen, Deletionen, Fusionsgene) führen zu verschiedenen pathologischen Hämoglobinmolekülen. Hieraus entstehen u.a. Hämoglobinmoleküle mit verminderter Sauerstoffbindungskapazität und instabile Hämoglobine.

Hämstoffwechsel

Häm-Biosynthese
Die acht Schritte der Häm-Biosynthese werden durch vier mitochondriale und vier zytosolische Enzyme bewerkstelligt (Abb. 25.9). Sie erfolgt vorwiegend in den Zellen des blutbildenden Systems und (v.a. pränatal) in der Leber durch organspezifische Isoenzyme. Die Häm-Biosynthese gliedert sich in die Porphyrinbiosynthese und die Chelatierung des Eisens in das Protoporphyrin IX.
Die Porphyrinsynthese beginnt intramitochondrial mit der Kondensation von Glycin mit Succinyl-CoA, einem Zwischenprodukt des Citratzyklus, zu dem sehr labilen -Amino--ketoadipinat, das rasch zu -Aminolävulinat (-ALA) decarboxyliert. Diese durch die -Aminolävulinat-Synthase (-ALA-Synthase) katalysierte Reaktion ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der gesamten Häm-Biosynthese. Die -ALA-Synthase benötigt Pyridoxalphosphat als Coenzym für die Decarboxylierung und unterliegt als Schlüsselenzym der Häm-Biosynthese einer Rückkopplungshemmung durch das Häm. Beim Menschen kodieren zwei -ALA-Gene (-ALA-S1 und -ALA-S2) für zwei Enzyme. Die Genprodukte kommen ubiquitär (-ALA-Synthase 1) oder nur in Erythroblasten (-ALA-Synthase 2) vor.
Nach dem Übertritt der -ALA vom Mitochondrium in das Zytosol katalysiert im zweiten Schritt die Porphobilinogen-Synthase (PBG-Synthase, -ALA-Dehydratase) unter Wasserabspaltung die Kondensation von zwei Molekülen -ALA zu Porphobilinogen (PBG), das schon den für das Häm typische Pyrrolring enthält.
Im dritten und vierten Schritt bilden die Porphobilinogen-Desaminase (Urophorphyrinogen-I-Synthase) und die als Isomerase wirkende Urophorphyrinogen-Cosynthase unter Verbrauch von vier Porphobilinogenmolekülen Urophorphyrinogen I bei alleiniger Anwesenheit der Desaminase bzw. Urophorphyrinogen III, wenn beide Desaminasen beteiligt sind. Das Uroporphyrinogen III ist das für die Hämsynthese benötigte physiologische Zwischenprodukt, wobei in den Reaktionen je vier Moleküle Ammoniak abgespalten werden.
Im fünften Schritt werden die Acetatgruppen aller vier Ringe unter dem Einfluss der zytosolischen Uroporphyrinogen-Decarboxylase zu Methylgruppen decarboxyliert. Dabei ensteht Koproporphyrinogen III.
Dieses tritt vom Zytosol wieder in das Mitochondrium über, wo es die Koproporphyrinogen-Oxidase im sechsten Schritt in Protoporphyrinogen IX umwandelt. Bei dieser Reaktion wirkt molekularer Sauerstoff als Wasserstoffakzeptor. Die Oxidase ist an der äußeren Oberfläche der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert und spezifisch für das III-Isomer.
Im siebten Schritt vermittelt die Protoporphyrinogen-Oxidase, die ein integrales Protein der inneren Mitochondrienmembran ist, die Oxidation von Protoporphyrinogen IX zu Protoporphyrin IX.
Der achte und letzte Schritt findet an der Matrixoberfläche der inneren Mitochondrienmembran statt. Dort katalysiert die Ferrochelatase den Einbau von Fe2+ in das Protoporphyrin IX. Das entstehende Chelat ist das Häm, das die prosthetische Gruppe nicht nur des Hämoglobins, sondern auch des Myoglobins, der Katalase, der Peroxidase und des Cytochroms c darstellt
Regulation der Häm-Biosynthese
Die Menge des bereitgestellten Häms wird in Leber und Knochenmark unterschiedlich reguliert.
Die Regulation erfolgt in den Hepatozyten der Leber über das erste Enzym der Häm-Biosynthese, der -Aminolävulinat-Synthase 1. Diese besitzt als regulatorisches Enzym eine sehr niedrige Halbwertszeit von 60 min. Des Weiteren reguliert das Endprodukt Häm über negative Rückkopplung oder Induktion bei Häm-Mangel die Aktivität der -ALA-Synthetase. Häm verursacht eine Rückkopplungshemmung sowohl als direkter allosterischer Inhibitor der Enzymaktivität als auch als Repressor der Enzymneusynthese auf Genebene. Ebenso kann der Transport des Proenzyms Pro--ALA-Synthase 1 vom Zytosol in das Mitochondrium durch Häm gehemmt werden. Bei Häm-Mangel kann die Konzentration von -Aminolävulinat-Synthase ein- bis 50fach gesteigert werden. Zusätzliche beeinflussende Faktoren der Hämkonzentration werden durch seinen Stoffwechsel (Biosynthese, Einbau in Proteine und Abbau) bedingt. Normalerweise werden 65–68% des in der Leber entstehenden Häms zur Synthese von Cytochrom P450 genutzt. Dies bedeutet, dass Alterationen im Cytochrom-P450-System Effekte auf die Häm-Biosynthese ausüben können. Durch eine Induktion von Cytochrom P450 (z.B. durch Verstoffwechslung von P450-abhängigen Medikamenten) kann der freie Häm-Pool akut reduziert werden und der Häm-Biosynthese-Weg eine kurzfristige Steigerung erfahren. Auch im Erythroblasten kann durch Häm der Transport von Pro--ALA-Synthase 2 in das Mitochondrium über hämregulatorische Elemente gehemmt werden, z.B. durch Koordination mit der Biosynthese der -und -Globinketten und die Verfügbarkeit von Eisen. Aufgrund struktureller Ähnlichkeiten mit den Promotorregionen des Ferrochelatasegens sowie der Globinkettengene werden diese Gene durch Erythropoetin induziert.

Klinik

Störungen der Hämsynthese werden als Porphyrien bezeichnet. Sie zeichnen sich durch eine erhöhte Blutkonzentration und/oder vermehrte Ausscheidung von Metaboliten der Hämsynthese aus, entweder im Urin (normal 40–200 g/Tag) oder im Stuhl (normal 300–1100 g/Tag). Sie können genetisch bedingt (primäre Porphyrien) oder erworben sein (sekundäre Porphyrien). Porphyrien werden nach dem hauptsächlichen Ort der Enzymexpression in erythropoetische und hepatische Porphyrien eingeteilt. Jeder der acht enzymatischen Schritte kann von einem partiellen Gendefekt betroffen sein (Abb. 25.9). Nach dem klinischen Verlauf unterscheidet man zwischen akuter und nichtakuter Form. Die Klinik der Porphyrien wird durch neurologische Symptome und Hauterscheinungen bestimmt. Erhöhungen der Uro- und Koproporphyrine sind durch Hautläsionen an lichtexponierten Stellen gekennzeichnet. Sind Porphyrinvorstufen erhöht, steht die neurologische Symptomatik im Vordergrund. Dazu zählen neuroviszerale Störungen (akutes Abdomen, Übelkeit, Erbrechen, Rückenschmerzen) und neuropsychiatrische Symptomatik (Krampfanfälle, Koma, Halluzinationen, Lähmungen, Areflexien). Ein bekanntes Beispiel für eine sekundäre Porphyrie ist die Bleivergiftung. Sie führt zu Defekten der PBG-Synthase und der Ferrochelatase. Dabei kommt es zu einer massiven Urinausscheidung von -Aminolävulinat.

Abbau des Häms zu Gallenfarbstoffen
Jede Sekunde wird Hämoglobin aus ca. 2,5 Millionen Erythrozyten abgebaut. Das Häm aus dem Hämoglobin sowie das der anderen hämhaltigen Enzyme (Hämproteine, z.B. Cytochrome) kann nicht wiederverwertet werden. Der physiologische Erythrozytenabbau erfolgt primär extravasal im MMS der Milz und der Leber sowie im Knochenmark. Bei vorzeitigem bzw. gesteigertem Erythrozytenabbau im Rahmen einer Hämolyse kann der Abbau der Erythrozyten extravasal oder intravasal erfolgen.
Im normalen Abbauprozess wird das Porphyrinsystem zunächst zu dem linearen Tetrapyrrol Biliverdin aufgespalten (Abb. 25.10). Häm wird an der zwischen den Pyrrolringen A und B liegenden Methinbrücke oxidativ gespalten, wobei Eisen und Kohlenmonoxid freigesetzt werden. Das Enzym Hämoxygenase, das diese Reaktion katalysiert, gehört zur Gruppe der Monooxygenasen. Das entstehende Biliverdin wird durch die Biliverdin-Reduktase zum Bilirubin reduziert. Beide Reaktionen erfordern Reduktionsäquivalente in Form von NADPH aus dem Pentosephosphatweg.
Der Abbau von 1 g Hämoglobin ergibt ca. 35 mg Bilirubin. Täglich werden ca. 250 mg Bilirubin produziert, also 10–20% mehr als durch den täglichen Abbau von 6,25 g Hb zu erwarten wäre. Dieser Überschuss an Bilirubin entsteht einerseits durch den Abbau anderer Hämproteine, wie Myoglobin, Katalase sowie Cytochrom c, und stammt andererseits aus dem sog. Shunt-Hämoglobin, d.h. Hämoglobin, das gebildet, aber rasch wieder abgebaut wird. Das wasserunlösliche Bilirubin wird an Albumin gebunden, über den Blutweg zur Leber transportiert und dort nach Glucuronidierung in die Galle ausgeschieden.
Hämolyse
Unter Hämolyse versteht man eine Verkürzung der Erythrozytenüberlebensdauer infolge einer gesteigerten Erythrozytendestruktion, wobei das Knochenmark leistungsfähig genug ist, um die Erythropoese kompensatorisch zu steigern. Eine hämolytische Anämie entsteht, wenn der Erythrozytenabbau die Neubildung im Knochenmark übersteigt. Man unterscheidet eine extravaskuläre (extravasale) und eine intravaskuläre (intravasale) Hämolyse.
Bei extravasaler Hämolyse erfolgt der Abbau der Erythrozyten in den Zellen des MMS, vornehmlich in der Milz (Kap. 25.3.2). Dabei kommt es zur Abspaltung der Globinketten und zur Oxidation des Häms. Nach der Abtrennung des Eisens wird der Porphyrinring unter Freisetzung eines CO-Moleküls (Abatmung!) aufgebrochen und schließlich zu Bilirubin umgewandelt. Beispiele für extravaskuläre Hämolysen sind Erythrozytenmembrandefekte.
Der Mechanismus der intravasalen Hämolyse ist sehr komplex (Abb. 25.11). Das aus den Erythrozyten freigesetzte Hämoglobin wird sofort an ein spezifisches Transporteiweiß gebunden, das Haptoglobin, und aus dem Plasma entfernt (Tab. 25.1). Als Folge sinkt der Haptoglobinspiegel im Plasma stark ab. Die Kapazität des Haptoglobins ist auf ca. 1 g Hämoglobin/L Plasma beschränkt, sodass bei starker Hämolyse nicht an Haptoglobin gebundenes Hämoglobin im Plasma verbleibt. Ein Teil des Hämoglobins dissoziiert in Hämoglobindimere Hb, die über die Nieren ausgeschieden werden (Hämoglobinurie). Es kommt zu einer teilweisen tubulären Rückresorption in der Niere. In den Tubuluszellen wird das Hämoglobin abgebaut, und das frei werdende Eisen wird durch Einlagerung an Apoferritin zu Ferritin, schließlich entsteht Hämosiderin. In abgeschilferten Tubuluszellen lässt sich Hämosiderin mittels Eisenfärbung einige Tage und Wochen nach akuter Hämolyse zytochemisch nachweisen (Hämosiderinurie). Ein weiterer Teil des überschüssig im Plasma verbliebenen Hämoglobins wird zu Methämoglobin (Hämiglobin) oxidiert. Bevor dieses renal ausgeschieden wird, wird es aufgespalten. Das dabei entstehende Hämatin (oxidiertes Häm) wird an Hämopexin gebunden und dem MMS zugeführt. Das Hämopexin hat ebenfalls eine beschränkte Kapazität (ca. 0,8 g/L). Überschüssiges Hämatin wird an Albumin gebunden und gelangt als Methämalbumin in das MMS. Beispiele für die intravaskuläre Hämolyse sind Transfusionszwischenfälle und medikamentös induzierte Hämolysen.

MERKE

Die Häm-Biosynthese geschieht durch acht intramitochondriale und zytosolische Enzyme. Die Regulation der Häm-Biosynthese erfolgt in Leber und Knochenmark unterschiedlich, durch das Schlüsselenzym der Porphyrinsynthese -Aminolävulinat-Synthase, durch Rückkopplungshemmumg, allosterisch (Leber) oder indirekt über hämregulatorische Elemente (Erythroblasten). Enzymdefekte der Porphyrinsynthese führen zur Akkumulation der jeweiligen Porphyrine vor dem Enzymdefekt und zu den Krankheitsbildern der verschiedenen Porphyrien. Der physiologische Abbau der Erythrozyten erfolgt extravasal in den Zellen des MMS. Als Abbauprodukt des Häms entsteht Bilirubin, das durch Glucuronidierung in der Leber über die Galle ausgeschieden wird.

Eisenstoffwechsel

Die Menge des Gesamtkörpereisens beträgt beim gesunden, 70 kg schweren Menschen 3–4 g (54–72 mmol). Eisen ist das zweithäufigste Metall und besitzt als Ion neben Kupfer die Besonderheit, sowohl Anionen als auch neutrale Moleküle wie Sauerstoff binden zu können. Diese Eigenschaft ist Grundlage seiner besonderen Funktion als Sauerstoffträger im Hämoglobin der Erythrozyten. Daneben ist Eisen Bestandteil von Redoxsystemen aus Hämproteinen und Nichthämproteinen. Mehr als 65% des Gesamtkörpereisens sind in Hämoglobin gebunden. Rund 20% liegen als Speichereisen (98% Ferritin und Hämosiderin) oder Transporteisen (2%Transferrin) vor.
Zur Aufrechterhaltung der Homöostase werden täglich 20 bis 25 mg Eisen benötigt. Physiologisch verliert der Mensch Eisen über apoptotische Mukosazellen im Darm, über die Nieren und über abgeschilferte Hautzellen. Bei Männern beträgt dieser Verlust rund 1 mg/Tag. Bei Frauen im gebärfähigen Alter ist der Blutverlust aufgrund der monatlichen Regelblutung mit einem mittleren täglichen Eisenverlust von bis zu 2 mg höher.
Intestinale Resorption von Eisen
Eisen ist als Fe3+ bei pH 7 mit einem Löslichkeitskoeffizienten von 10E-18 praktisch wasserunlöslich, während es bei saurem pH 2 mit einem Löslichkeitskoeffizienten von 10E-3 gut wasserlöslich ist. Entsprechend erfolgt die Eisenresorption im Duodenum aus dem durch Magensäure stark angesäuerten Speisebrei. Mukosaassoziierte Mikroorganismen der Darmflora verbessern die Aufnahme von Fe3+ über Bindung an Peptide und Hydroxylamine, die als Eisentransporter (griech. Siderophore) bezeichnet werden. An der Enterozytenmembran bewirken schließlich Ferrireduktasen eine Reduktion von Fe3+ nach Fe2+ und erhöhen damit die Löslichkeit.
Der Transport in die Zelle wird durch Proteine wie den divalenten Metalltransporter (DMT1) vermittelt. Intrazellulär wird Eisen in Form von Ferritin gespeichert oder zum Eisenexport durch Ferroportin an die basolaterale Zellmembran gebracht. Bei der Ausschleusung wird das Fe2+ durch die ferroportinassoziierte Ferroxidase Hephaestin wieder zu Fe3+ oxidiert. Daneben ist Eisen über die Mikrovilli der Zellen auch als Bestandteil des Häms resorbierbar. Hämproteine aus der Nahrung (z.B. Hämoglobin und Myoglobin aus Fleisch) werden durch Pankreasproteasen verdaut. Das dabei frei gewordene Häm wird durch Endozytose als Metalloporphyrin aufgenommen. Durch die intrazelluläre Hämoxygenase wird die Porphyrinringstruktur des Häms gespalten, und das Eisen wird herausgelöst. Beide Prozesse laufen unabhängig voneinander und nicht kompetitiv ab (Abb. 25.12).
Eisentransport im Blut und Aufnahme in Gewebe
Fe3+ im Blut bindet an Apotransferrin (Apo-Tf). Letzteres liegt in hohem Überschuss vor und kann rund 12 mg Fe3+ speichern und transportieren. Üblicherweise sind 75% der Eisenbindungskapazität ungenutzt, d.h., nur 25% des Apo-Tf liegen als Transferrin (Tf) vor und transportieren rund 3 mg Fe3+. Ubiquitär exprimierte, membranständige Transferrinrezeptoren (TfR) bilden mit Tf einen Komplex, der durch Endozytose aufgenommen wird. Im Endosom werden Eisen freigesetzt und Apo-Tf/TfR nach Abspaltung von der Membran in die Zirkulation abgegeben (Abb. 25.12).

Klinik

Die Eisenverluste bei Frauen im gebärfähigen Alter führen häufig zu einer negativen Eisenbilanz mit der Folge einer schleichenden Entleerung der Eisenspeicher. Hieraus ergibt sich ein gehäuftes Auftreten von latentem oder auch manifestem Eisenmangel. Das klinische Resultat ist die Eisenmangelanämie. Eisenmangel besteht bei über 30% dieser Frauen in Westeuropa. Häufige krankheitsbedingte Ursachen einer Eisenmangelanämie sind chronische Blutungen, z.B. als Folge von Tumoren oder Geschwüren im Magen-Darm-Trakt. Eine erniedrigte Ferritinkonzentration im Serum ist beweisend für eine Eisenmangelanämie.

MERKE

Eisen ist Bestandteil der funktionellen Hämgruppe von Hämoglobin und anderer Hämproteine. 65% des Körpereisens sind an Hämoglobin gebunden. Eisen wird als Fe2+ durch den Enterozyten resorbiert und schließlich zu den Zellen transportiert, wo es entweder als Funktionseisen benötigt oder als Speichereisen in Form von Ferritin gespeichert wird. Zur Eisenhomöostase werden täglich 20–25 mg Eisen benötigt.

O2- und CO2-Transport

Pro Minute werden bei einem Erwachsenen in Ruhe ca. 300 ml O2 von der Inspirationsluft zu den O2-verbrauchenden Geweben transportiert. Das in umgekehrter Richtung transportierte CO2 umfasst ein geringeres Volumen. O2 ist schlecht wasserlöslich und benötigt im Blut ein Transportmolekül, das Hämoglobin. Ein Hämoglobinmolekül hat vier Bindungsstellen für O2. Die O2-Bindung ist reversibel. Bei hohem O2-Partialdruck in der Lunge nimmt Hämoglobin O2 auf und gibt den Sauerstoff bei niedrigem O2-Partialdruck im Gewebe wieder ab.
Sauerstoffbindung
Bei der Bindung des O2 an das Fe2+-Ion des Hämoglobins handelt es sich um eine Oxygenierung. Das Eisen behält seine zweiwertige Form. Die Entkopplung des O2 vom Hämoglobin wird als Desoxygenierung bezeichnet. Die Lichtabsorption zwischen Oxyhämoglobin und Desoxyhämoglobin unterscheidet sich deutlich. Oxyhämoglobin zeigt ein zweigipfeliges Maximum im Bereich zwischen 500 und 600 nm, während Desoxyhämoglobin ein eingipfeliges Maximum bei 500 nm hat. Da Desoxyhämoglobin im Rotbereich (650 nm) stärker und im Blaubereich ( 450 nm) weniger stark absorbiert als Oxyhämoglobin, erscheint desoxygeniertes Hb dunkelrot, während Oxyhämoglobin eine hellrote Farbe aufweist (Abb. 25.13a).
Hämoglobin ist ein allosterisches Protein. Die Bindung von Sauerstoff an eine der vier Untereinheiten veranlasst die übrigen drei Untereinheiten zu einer Konformationsänderung, was ihre Affinität gegenüber Sauerstoff erhöht (kooperative Wechselwirkung). Durch die Kooperativität des Hämoglobins reicht ein geringer Abfall des Sauerstoffpartialdrucks aus, um die Sauerstoffabgabe des Blutes relativ stark zu erhöhen. Die O2-Bindungskurven des Hämoglobins verlaufen als Folge der kooperativen Wechselwirkung der vier Hb-Untereinheiten sigmoidal, d.h. erst flach, dann mit steigender Affinität steiler bis zur Sättigung (Abb. 25.13b).
Kooperativität der Sauerstoffbindung
Der Konformationswechsel von Desoxy- nach Oxyhämoglobin geht mit einer Lösung elektrostatischer Wechselwirkungen zwischen den Polypeptidketten einher. Die Desoxykonformation wird auch als T-(Tense-)Konformation, die Oxykonformation als R-(Relaxed-)Konformation bezeichnet. Die Strukturen der beiden Konformationen unterscheiden sich deutlich voneinander (Abb. 25.14a).
O2-Bindung und -Dissoziation im Gewebe
Das Ausmaß der O2-Bindung am Hb ist von dem bestehenden O2-Partialdruck abhängig. Am Ende der Lungenkapillaren beträgt der O2-Partialdruck ca. 97%. Dies reicht aus, um das Hämoglobin nahezu vollständig zu oxygenieren. Sinkt der O2-Partialdruck, nimmt der Oxygenierungsgrad zunächst nur langsam, dann immer steiler ab. Man bezeichnet die O2-Bindungskurve auch als O2-Dissoziationskurve. Der sigmoide Kurvenverlauf der O2-Bindungskurve ist von biologischer Bedeutung. Der flache Kurvenverlauf im höheren Partialdruckbereich garantiert auch dann noch eine ausreichende O2-Versorgung der Gewebe, wenn der arterielle pO2 deutlich erniedrigt ist, z.B. bei einer Lungendiffusionsstörung oder einem niedrigen O2-Gehalt der Inspirationsluft.
Der steile Teil der O2-Bindungskurve ist günstig für die Dissoziation des O2 im Gewebe. Sinkt beispielsweise im flachen Teil der Bindungskurve der pO2 um 35 mmHg, vermindert sich die O2-Sättigung nur um 5%. Im steilen Teil der Kurve muss der pO2 nur um wenige Millimeter vermindert werden, um den gleichen Effekt zu erzielen. Wenn ein Organ zu stärkerer Leistung veranlasst wird und der pO2 im Gewebe dadurch von seinem mittleren Wert von 40 mmHg nur um wenige Millimeter abweicht, kann eine beachtliche Menge an O2 vom Hb dissoziiert werden.
Einflussfaktoren der O2-Dissoziation
Die Dissoziation des O2 vom Hb wird zusätzlich zum Sauerstoffgehalt vom Stoffwechsel beeinflusst. Zu einer Rechtsverschiebung der O2-Bindungskurve, d.h. zu einer höheren Bereitschaft, O2 an die Gewebe abzugeben (Abb. 25.13c), kommt es bei folgenden Änderungen:
  • Abnahme des pH-Werts

  • Anstieg der CO2-Konzentration

  • Temperaturerhöhung

  • erhöhter Konzentration von 2,3-Bisphosphoglycerat (2,3-BPG), einem negativen allosterischen Inhibitor des Hämoglobins (Abb. 25.14b, Kap. 25.3.7).

Die Abnahme eines dieser vier Parameter führt zu einer Linksverschiebung der O2-Bindungskurve. Die vier Einflussfaktoren sind, neben dem O2 selbst, vier weitere allosterische Effektoren des Hämoglobins. Der Einfluss von CO2 und pH-Wert auf die O2-Affinität wird auch Bohr-Effekt genannt. Bei Erhöhung von CO2 und Abnahme des pH-Werts kommt es zu einer Rechtsverschiebung der O2-Bindungskurve, bei umgekehrten Verhältnissen zu einer Linksverschiebung. Dies erleichtert sowohl die O2-Abgabe im Gewebe als auch dessen Aufnahme in den Lungen.

Schon gewusst

Der Transfer von O2 vom mütterlichen zum fetalen Blut in der Plazenta (maternofetaler Sauerstofftransfer) ist schwieriger als die O2-Aufnahme in der Lunge. In der Alveole bleibt der pO2 durch die kontinuierliche Ventilation praktisch konstant. Die O2-Abgabe vom maternalen an das fetale Blut geht mit einer Abnahme des pO2 im maternalen Blut einher, was den O2-Transfer limitiert. Um diese ungünstige Situation zu kompensieren, gibt es zwei Mechanismen:

  • Die O2-Kapazität des fetalen Blutes ist höher als die des maternalen. Dies beruht auf einer höheren Hb-Konzentration im fetalen (18 g/dl) als im maternalen (12 g/dl) Blut. Dadurch hat das arterialisierte fetale Blut nach Abschluss des Gasaustauschs in der Plazenta und Angleichung der O2-Partialdrücke einen höheren O2-Gehalt als das venosierte maternale Blut.

  • Fetales Blut hat eine höhere O2-Affinität als maternales Blut, wenn man Proben von beiden unter gleichen Bedingungen untersucht. Durch den etwas mehr ins Saure verschobenen pH-Wert des fetalen Blutes wird dieser Effekt allerdings fast wieder aufgehoben. Da der Bohr-Effekt sowohl in fetalem als auch in maternalem Blut wirksam ist, führen die CO2-Abgabe des fetalen Blutes (pH-Anstieg) und die daraus resultierende CO2-Aufnahme des maternalen Blutes (pH-Abfall) zu einer Erleichterung der O2-Abgabe aus dem mütterlichen Blut. Dies wird als doppelter Bohr-Effekt beim fetomaternalen Gasaustausch bezeichnet.

CO2-Transport
Obwohl CO2 eine 20-mal höhere physikalische Löslichkeit besitzt als O2, reicht dies nicht aus, um im Blut ausschließlich in gelöster Form zu zirkulieren. Im Gegensatz zu O2 gibt es für CO2 im Blut verschiedene Möglichkeiten des Transports. 80% des Kohlendioxids werden als Bicarbonationen (HCO3) gelöst transportiert, 10% werden in den Erythrozyten an Hämoglobin gebunden, und 10% werden direkt physikalisch gelöst.
Transport als Bicarbonat
Die Reaktion von CO2 mit H2O zu Kohlensäure, die dann in HCO3 und Protonen dissoziiert, läuft langsam ab. Durch das im Erythrozyten vorhandene Enzym Carboanhydrase wird der Vorgang mindestens um den Faktor 1000 beschleunigt. Es laufen folgende Reaktionen ab:
H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 und H 2 CO 3 HCO 3 - + H +
Die HCO3-Ionen sind im Gegensatz zum CO2 gut wasserlöslich. HCO3 diffundiert aus dem Erythrozyten in das Blut. Dies geschieht im Austausch gegen ein Cl-Ion (Hamburger-Shift), ist also elektrisch neutral. Daraufhin werden die HCO3-Ionen im Blutplasma gelöst zur Lunge transportiert. Um abgeatmet zu werden, muss Bicarbonat wieder zu CO2 umgewandelt werden. Diesmal läuft der Hamburger-Shift in umgekehrter Richtung ab, d.h., HCO3-Ionen gelangen im Austausch gegen Cl-Ionen in das Innere der Erythrozyten.
Transport von CO2 an Hämoglobin gebunden
10% des CO2 werden in den Erythrozyten an Hämoglobin gebunden und so zur Lunge transportiert. Das Kohlendioxid bindet dabei kovalent an die NH2-Gruppe am aminoterminalen Ende jeder der vier Globinketten (nicht an das zentrale Fe2+). Es entsteht hierbei Carbaminohämoglobin unter folgender Reaktion: CO2 + H2N–Hb OOC–HN–Hb + H+. Wie beim O2 ist die Bindung von CO2 an Hämoglobin vom O2-Partialdruck abhängig. Die CO2-Bindungskurve verläuft bei entsättigtem Blut steiler als bei voller O2-Sättigung (Abb. 25.15). Auch die Bindung zum Carbaminohämoglobin ist mit desoxygeniertem Hb leichter möglich. Die durch die O2-Entsättigung des Hb verstärkte CO2-Bindung wird als Haldane-Effekt bezeichnet.
Hämoglobin als Puffer
Die bei der Bicarbonatbildung im Erythrozyten frei werdenden H+-Ionen werden an die Histidylreste der Polypeptidketten des Hb gebunden (gepuffert). Natürlich kann Hämoglobin auch H+-Ionen abfangen, die auf anderem Wege entstanden sind. Deshalb stellt Hb eines der wichtigsten Puffersysteme des Blutes dar. Das oxygenierte Hb hat die Eigenschaft einer organischen Säure. Im Gewebe gibt es O2 ab, geht damit in die desoxygenierte Form über (Rechtsverschiebung der Sauerstoffbindungskurve) und schwächt seinen Säurecharakter ab. Dadurch kann es leichter H+ binden (Pufferwirkung). Gleichzeitig wird durch die leichte Aufnahme der H+-Ionen die Bildung von HCO3-Ionen und damit der CO2-Abtransport unterstützt.
CO2-Abgabe
In der Lunge wird durch die O2-Aufnahme CO2 aus der endständigen Carbaminogruppe freigesetzt, diffundiert in den Alveolarraum und wird dort abgeatmet. Die Verminderung des CO2-Drucks im Kapillarblut der Lunge erhöht über den Bohr-Effekt die Affinität des Hb für O2 und fördert damit die O2-Aufsättigung des Blutes.

Klinik

Kohlenmonoxid (CO) besetzt anstelle von O2 die sechste koordinative Bindungsstelle des Häm-Fe2+. CO ist extrem giftig, weil die Affinität von Häm für CO 350-mal größer ist als die für O2. Bei einer Umgebungskonzentration von CO von 0,003% (im Vergleich zu 20,9% O2 in der Luft) liegen bereits 5% des Hb als HbCO (Carboxyhämoglobin) vor. Physiologisch ist ein Gehalt von 1% HbCO. Bei starken Rauchern kann man bis zu 15% HbCO finden, d.h., 15% des vorhandenen Hb fallen für den O2-Transport aus. Kohlenmonoxidvergiftungen treten bei Suizidversuchen im Auto, durch defekte Öfen und durch Schwelbrände auf. Aufgrund des O2-Mangels stellen sich ab 20–30% HbCO Symptome wie Kopfschmerzen, Schwindel und Bewusstseinsstörungen ein. Bei einem Carboxyhämoglobinanteil von 30 bis 40% folgen Luftnot, evtl. Bewusstlosigkeit und Kreislaufzusammenbruch. Steigt der HbCO-Anteil auf 60–70%, besteht akute Lebensgefahr. Der Tod tritt durch inneres Ersticken ein.

MERKE

Bindung und Entkopplung von Sauerstoff an Fe2+ werden als Oxygenierung und Desoxygenierung des Hämoglobins bezeichnet. Der Konformationswechsel zwischen den beiden Oxygenierungszuständen des Hämoglobins bedingt eine veränderte Sauerstoffaffinität und spiegelt sich in der sigmoidal verlaufenden Sauerstoffbindungskurve des Hämoglobins wider. Entscheidende Einflussfaktoren einer erleichterten O2-Abgabe an die Gewebe sind die Abnahme des pH-Werts, der Anstieg der CO2-Konzentration sowie die Temperaturerhöhung. Der CO2-Transport im Blut verläuft als Bicarbonationen (80%), an Hämoglobin gebunden (10%) oder direkt im Blut gelöst (10%).

Glucosestoffwechsel im Erythrozyten

Erythrozyten sind hoch spezialisierte Zellen des O2- und CO2-Transports. Während ihrer Reifung vom Erythroblasten über den Retikulozyten zum Erythrozyten haben sie die intrazellulären Membranen und Kompartimente sowie die Mitochondrien und den Kern verloren. Die folgenden Stoffwechselwege entfallen demnach bei den Erythrozyten:
  • membrangebundene Biosynthesen, z.B. Lipidsynthese

  • O2-verbrauchende Stoffwechselprozesse

  • Energiegewinnung durch oxidative Phosphorylierung

  • Replikation, Transkription und Proteinbiosynthese.

Die wesentliche Energiequelle für den Stoffwechsel des Erythrozyten stellt Glucose dar. Nach Phosphorylierung von Glucose zu Glucose-6-Phosphat durch Hexokinase werden 90–95% zur Bildung von ATP der Glykolyse zugeführt, und etwa 5–10% werden zur Bildung von NADPH in den Pentosephosphatweg eingeschleust.
Glykolyse und 2,3-Bisphosphoglycerat
Dem Erythrozyten steht zur ATP-Gewinnung ausschließlich die anaerobe Glykolyse zur Verfügung, deren Endprodukt Lactat ist, da Pyruvat wegen des Fehlens von Mitochondrien nicht weiter abgebaut werden kann. Glucose gelangt insulinabhängig durch erleichterte Diffusion in die Erythrozyten, die in ihrer Gesamtheit pro Tag ca. 30 g Glucose zu Lactat abbauen. Der Erythrozyt besitzt einen glykolytischen Nebenweg, der bei 1,3-Bisphosphoglycerat abzweigt (Abb. 25.16). Statt in der Phosphoglycerat-Kinase-Reaktion ATP zu bilden, werden etwa 20% des 1,3-Bisphosphoglycerats durch die Phosphoglycerat-Mutase in 2,3-Bisphosphoglycerat (2,3-BPG) umgewandelt, das durch Abspaltung des Phosphatrests am Kohlenstoffatom C2 ohne ATP-Gewinnung wieder in die Glykolyse einmünden kann. Dieser Nebenweg wird auch als 2,3-Bisphosphoglycerat-Zyklus bezeichnet. Während normalerweise in der anaeroben Glykolyse pro Mol Glucose 2 Mol ATP entstehen, schafft der Erythrozyt wegen dieses Nebenweges nur ca 1,6 Mol ATP pro Mol Glucose.
Veränderungen des 2,3-Bisphosphoglycerat-Spiegels im Erythrozyten
Der normale 2,3-BPG-Spiegel im menschlichen Erythrozyten beträgt etwa 5 mmol/L Zellflüssigkeit. Veränderungen des 2,3-BPG-Spiegels treten bei Hypoxie sowie bei pH-Veränderungen auf. Eine Erhöhung des pH-Werts (Alkalose) führt zu einer Steigerung der Glykolyse und dadurch zu einer Erhöhung von 2,3-BPG. Da eine Hypoxie (O2-Mangel) über eine Hyperventilation zu einer respiratorischen Alkalose führt, verursacht sie ebenfalls eine Zunahme dieses Metaboliten. Eine pH-Erniedrigung (Azidose) erniedrigt hingegen den erythrozytären 2,3-BPG-Spiegel.
Beeinflussung des Hämoglobins durch das 2,3-BPG
Das Molekül 2,3-BPG ist ein negativer allosterischer Effektor des Hämoglobins. 2,3-BPG bindet an die -Ketten des Desoxyhämoglobins (Abb. 25.7b). Durch die Bindung verändert sich die Tertiärstruktur des Hb-Moleküls, und die O2-Affinität nimmt ab, die O2-Abgabe vom Hb-Molekül an das Gewebe wird somit erleichtert. Bei hoher 2,3-BPG-Konzentration liegen also mehr freies O2 und weniger Oxyhämoglobin vor. Bei unzureichender O2-Versorgung der Gewebe steigt die Konzentration von 2,3-BPG an, und die Hb-Moleküle geben ihren O2 bereitwilliger ab. Ist genug O2 im Gewebe vorhanden, wird der 2,3-Bisphosphoglycerat-Zyklus in der Erythrozytenglykolyse nur geringfügig durchlaufen, und es entsteht nur wenig 2,3-BPG.
Rolle des ATP im Erythrozyten
Das bei der Glykolyse entstehende ATP wird z.T. für die regelrechte Funktion der Na+-K+-ATPase sowie der Ca2+-ATPase benötigt. Mithilfe der beiden Transporter werden die niedrigen intrazellulären Natrium- und Calciumkonzentrationen sowie die hohe intrazelluläre Kaliumkonzentration aufrechterhalten. Außerdem braucht der Erythrozyt ATP für die Synthese von Glutathion.
Glutathion
5–10% der Glucose werden im Pentosephosphatweg zur Gewinnung von NADPH durch das Enzym Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase und 6-Phosphogluconat-Dehydrogenase genutzt. NADPH wird von den Erythrozyten zur Aufrechterhaltung des Glutathion-Redoxsystems benötigt.
Glutathion ist ein Tripeptid und kommt in allen Zellen des Organismus vor, findet sich aber im Erythrozyten in besonders hoher Konzentration (ca. 2,5 mM). Seine Synthese erfolgt im Erythrozyten durch zwei jeweils ATP-abhängige Reaktionen aus Glutamat, Cystein und Glycin. Glutathion gehört wegen seiner SH-Gruppe zu den Sulfhydrylverbindungen. In reduzierter Form schützt es die SH-Gruppen von Enzymen (Hexokinase, Glycerinaldehydphosphat-Dehydrogenase), von Proteinen der Erythrozytenmembran und von Hb vor der Oxidation, die wegen des besonders hohen O2-Partialdrucks leicht erfolgen kann. Oxidiertes und reduziertes Glutathion bilden ein Redoxsystem, bei dem die reduzierte Form (GSH) zu 98% vorliegt. Die oxidierte Form wird auch als Glutathion-Disulfid, oxidiertes Glutathion oder GSSG bezeichnet. Wegen der kontinuierlichen Oxidation von Glutathion muss das GSH ständig durch die Glutathion-Reduktase, die mit NADPH aus dem Pentosephosphatweg arbeitet, aus der oxidierten Form regeneriert werden (Abb. 25.17).
Oxidationsreaktionen und Bildung von O2-Radikalen
Glutathion ist Bestandteil eines Systems zur Entgiftung von O2-Radikalen und Peroxiden, deren Bildung im Erythrozyten wegen der hohen O2-Konzentration ebenfalls leicht erfolgt. Die aggressiven, oxidierenden Stoffe stellen für den Erythrozyten ein großes Problem dar. Superoxidradikale (O2) entstehen z.B. bei der spontanen Oxidation von Hb (Fe2+) zu Methämoglobin (Fe3+). Sie reagieren mithilfe der Superoxid-Dismutase weiter zu Wasserstoffperoxid (H2O2), das durch die selenhaltige Glutathion-Peroxidase entgiftet wird, die mit Glutathion als Cosubstrat arbeitet. Reagieren dennoch Superoxidradikale mit H2O2, entstehen Hydroxylradikale (OH). Diesen wird die eigentlich schädigende Wirkung des Sauerstoffs zugeschrieben, denn sie bewirken Quervernetzungen von Fettsäuren in der Zellmembran der Erythrozyten, wodurch Lipidbilayer und somit die Erythrozytenmembran zerstört werden. Reaktionen mit dem Superoxidradikal und H2O2 haben eine Vernetzung von Proteinen zur Folge, die dadurch ihre Löslichkeit und Funktionsfähigkeit einbüßen.
Methämoglobin
Methämoglobin (Hämiglobin) entsteht durch spontane Oxidation von Hb und steht mit oxidiertem Eisen (Fe3+) nicht mehr für die O2-Bindung zur Verfügung. Die Methämoglobinkonzentration bleibt normalerweise durch die Anwesenheit von Glutathion und einer Methämoglobin-Reduktase im Erythrozyten gering (ca. 1%). Als Elektronenlieferant dient bei dieser Reaktion NADPH + H+. Bei einer Anreicherung von Methämoglobin auf 10–20% des Gesamt-Hb kommt es zu Symptomen des O2-Mangels (Schwindel, Kopfschmerzen, Bewusstseinsstörungen, Zyanose).

Klinik

In den Erythrozyten gibt es vererbbare Enzymdefekte, bei denen folgende Enzyme betroffen sein können: Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase, Glutathion-Reduktase, NADPH-Methämoglobin-Reduktase und Pyruvat-Kinase.

Eine verminderte Bildung von NADPH, z.B. bei Hemmung der Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase durch Medikamente wie das Antibiotikum Sulfonamid, Acetylsalicylsäure oder Chinin, hat unmittelbare Folgen für die antioxidativen Schutzsysteme des Erythrozyten. Als Nebenwirkung muss mit einer oxidativen Schädigung (oxidativer Stress) von Membranproteinen und Enzymen und in der Folge mit einer Zerstörung der Erythrozyten (Hämolyse) gerechnet werden. Besonders gefährdet sind Patienten mit einem angeborenen Defekt der Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase (Favismus), von dem weltweit ca. 100 Millionen Menschen betroffen sind. Es handelt sich um die häufigste Erbkrankheit nach dem Diabetes mellitus. Die Vererbung verläuft X-chromosomal-rezessiv. Heterozygote Frauen können gesund oder krank sein, je nach verbleibender Aktivität der Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase. Den Namen Favismus bekam die Erkrankung aus der Beobachtung heraus, dass sich die hämolytischen Krisen durch den Genuss von Favabohnen auslösen lassen.

MERKE

2,3-BPG ist ein Signalmetabolit des Hämoglobins und nimmt Einfluss auf die O2-Aufnahme und -Abgabe des Hb-Moleküls. Es entsteht in einem Nebenweg der anaeroben Glykolyse, dem 2,3-Bisphosphoglycerat-Zyklus. Durch Hypoxie und bei Alkalose kommt es zur intraerythrozytären Zunahme von 2,3-BPG und in der Folge zur Rechtsverschiebung der Sauerstoffbindungskurve. Dadurch wird die O2-Abgabe an das Gewebe erleichtert. Das erythrozytäre Glutathion-Redoxsystem ist ein wichtiger Mechanismus zur Entgiftung von O2-Radikalen und Peroxiden. Das zur Homöostase benötigte NADPH stammt aus dem zweiten, wichtigen Stoffwechselweg des Erythrozyten, dem Pentosephosphatweg.

Blutgruppen

Blutgruppen sind definiert durch die Anwesenheit bestimmter Antigene auf der Erythrozytenmembran. Die genetischen Informationen für die Antigene eines Blutgruppensystems liegen so eng benachbart, dass sie im Allgemeinen gemeinsam vererbt werden. Man unterscheidet beim Menschen mehr als 15 verschiedene Blutgruppensysteme und mehrere hundert Erythrozytenantigene. Die Blutgruppenantigene kommen nicht nur auf Erythrozyten, sondern auch auf vielen anderen Zelloberflächen vor. Einige Blutgruppenantigene sind als Membranproteine an Transportprozessen beteiligt, dienen als Rezeptoren für Cytokine oder wirken als Adhäsionsmoleküle. Die Blutgruppensubstanzen sind chemisch so definiert, dass sie nach Eindringen in einen Organismus mit anderen Merkmalen als fremd erkannt werden und eine Immunreaktion auslösen. Die gegen fremde Blutgruppenantigene gerichteten Antikörper werden erst nach der Geburt gebildet.
Die transfusionsmedizinische Bedeutung der Blutgruppensysteme wird durch die gegen die Antigene gerichteten Antikörper bestimmt. Normalerweise werden Antikörper nach Sensibilisierung nur gegen fremde Antigene gebildet. Demnach besitzt ein Individuum physiologischerweise nur Antikörper gegen fremde Blutgruppensubstanzen (Isoantikörper, Isoagglutinine, Isohämagglutinine). Es muss also immer blutgruppengleiches Blut übertragen werden, um Transfusionszwischenfälle durch Auslösung einer Immunreaktion mit nachfolgender Hämolyse zu vermeiden. Die für die klinische Routine wichtigsten Systeme sind das AB0- und das Rhesus-System.
Das AB0-System
Antigene und Vererbung
Antigene im AB0-System sind verschiedene Zuckerstrukturen in Glykosphingolipiden, deren Synthese genetisch durch drei verschiedene Allele (A, B und H) einer Glykosyltransferase festgelegt ist. Die A- und B-Allele kodieren Glykosyltransferasen, deren Unterschied im Austausch von vier Aminosäureresten (AS) liegt. Die Nucleotidpositionen 796 (AS 266) und 803 (AS 268) sind dabei die wichtigsten für den Unterschied in der Substratspezifität (unten). Im H-Allel findet sich die Deletion einer Base, die zu einem nicht mehr funktionstüchtigen Protein führt.
Im AB0-System ergeben sich sechs verschiedene Genotypen: AH, AA, BH, BB, AB und HH. Die Allele A und B verhalten sich kodominant und gegenüber dem Allel H dominant. Es resultieren daraus vier verschiedene Phänotypen, die Blutgruppen A, B, AB und 0. Der Phänotyp erlaubt dementsprechend nur mit Einschränkung Rückschlüsse auf die Allelkonstellation der Eltern. So kann ein Kind die Blutgruppe 0 besitzen, wenn beide Eltern die Blutgruppe A mit dem Genotyp AH besitzen. Andererseits ist es nicht ausgeschlossen, dass ein Kind mit der Blutgruppe 0 nicht von einem Vater mit der Blutgruppe AB abstammen kann (Tab. 25.5).
Gebildet werden die Blutgruppenantigene im Golgi-Apparat. Dort übertragen die Glykosyltransferasen sequenziell verschiedene Zuckerreste auf das Disaccharid eines Glykosphingolipids, bestehend aus D-Galaktose und N-Acetyl-D-Glucosamin (Grundsubstanz). Die Art der Bindung, entweder eine 1,3-glykosidische Bindung oder eine 1,4-glykosidische Bindung, bestimmt den Kettentyp (Typ-1- bzw. Typ-2-Ketten). Eine Fucosyltransferase vermittelt zunächst die 1,2-glykosidische Bindung des Monosaccharids Fucose an das Galaktosemolekül der Grundsubstanz und damit den Aufbau des Antigens H. Die A- und B-Antigene unterscheiden sich vom H-Antigen durch je eine zusätzliche Monosaccharideinheit. Diese zusätzlichen Zuckerreste werden durch die spezifischen Glykosyltransferasen 1,3-glykosidisch an das H-Antigen gebunden (Abb. 25.18). Für A handelt es sich dabei um N-Acetyl-D-Galaktosamin, für B um Galaktose. Obwohl sich die Antigene A und B chemisch nur wenig unterscheiden, werden sie als antigene Strukturen durch unterschiedliche Antikörper erkannt.
Die Antigene des AB0-Systems sind nicht nur auf den Erythrozytenmembranen, sondern auch auf Endothel- und Epithelzellen, Thrombozyten, Leukozyten und Spermatozoen exprimiert.

Schon gewusst

Bereits 1926 war bekannt, dass sich menschliche Blutgruppenantigene auch im Speichel nachweisen lassen. Vier Jahre später entdeckte von Lehrs, dass ca. 80% der Individuen Sekretoren sind. Die Sekretoreigenschaften (Sekretorstatus) werden dominant vererbt. Individuen ohne Sekretion werden mit se bezeichnet. Nichtsekretoren sind immer homozygot (sese).

Sekretoren können hingegen heterozygot (Sese) oder homozygot (SeSe) sein. Neben der Lokalisation im Speichel finden sich bei den Sekretoren die ABH-Merkmale auch im Blutplasma, in der Muttermilch, in der Tränenflüssigkeit, im Aszites und in Ovarialzysten. Bei Nichtsekretoren sind sie nur im Blut nachweisbar.

Isoagglutinine
Gegen die Antigene A und B, nicht aber gegen H werden im Laufe des 1. Lebensjahrs Antikörper (Isoagglutinine) gebildet, das überwiegend der IgM-Klasse angehören. Diese entstehen, weil polyvalente Kohlenhydratantigene, wie die Blutgruppenantigene, eine T-Zell-unabhängige B-Zell-Aktivierung induzieren können. Wenn B-Zellen auf diese Weise zur Antikörperproduktion stimuliert werden, bleibt i.d.R. der Antikörperswitch, also das Umschalten von IgM auf IgG, aus. Die IgM-Antikörper agglutinieren Erythrozyten und sind nicht plazentagängig.
Die Bildung der Isoagglutinine anti-A und anti-B wird vermutlich durch bakterielle Antigene im Darm induziert, deren Oberfläche Strukturen enthält, die nahezu identisch mit AB0-Zuckern sind. Dabei werden nur Antikörper gebildet, die nicht gegen die eigenen Erythrozytenantigene gerichtet sind (immunologische Toleranz). Diese Antikörper werden auch als reguläre Antikörper bezeichnet. Dem stehen die irregulären Antikörper gegenüber, die auch als Immunantikörper bezeichnet werden, weil sie nur in der Folge eines Kontakts mit fremden Erythrozytenantigenen produziert werden. Dies geschieht z.B. unter einer blutgruppenungleichen Transfusion oder durch diaplazentare Übertragung von der Mutter auf den Fetus. Irreguläre Antikörper gehören in der Regel zur Immunglobulinklasse IgG.
Rhesus-System
Das Rhesus-Merkmal auf der Oberfläche der Erythrozyten ist das wichtigste Antigen aus der Gruppe der Proteinantigene. 1940 injizierte Landsteiner Blut von Rhesusaffen in Kaninchen und Meerschweinchen. Er konnte im Serum der Tiere Antikörper nachweisen, die nicht nur die Erythrozyten der Rhesusaffen agglutinierten, sondern auch diejenigen von ca. 85% der weißen menschlichen Bevölkerung. Das Serum wurde als Anti-Rhesus bezeichnet.
Das Rhesus-System umfasst über 50 Merkmale. Zwei eng verwandte Gene am Rhesus-Locus auf Chromosom 1 sind für die Expression der wichtigsten Antigene C, c, D, E und e verantwortlich. Das Rhesus-D-Gen kodiert für ein Protein mit 417 Aminosäuren, das D-Antigen, das bei 85% der europäischen Bevölkerung zu finden ist (oben). Diese Individuen werden als Rhesus-positiv (Rh-positiv, RhD+) bezeichnet. Rhesus-negative Individuen (rh-negativ, RhD-, ca. 15% der europäischen Bevölkerung) sind homozygot für eine Deletion des Rhesus-D-Gens. Die Unterschiede der Merkmale C/c einerseits und E/e andererseits entstehen aus dem zweiten Gen durch alternatives Spleißen des primären mRNA-Transkripts. Die zwei Gene für Rhesus-Antigene sind eng benachbart und werden daher als Gruppe vererbt. Im diploiden Chromosomensatz entsteht so eine große Zahl von genotypischen Konstellationen. Die Rhesus-Merkmale C, c, D, E, und e werden als Rhesus-Formel angegeben, die dem serologisch ermittelten Phänotyp entspricht, z.B. CcD.ee (der Punkt steht für das deletierte D-Gen). Das D-Antigen zeigt dabei die höchste Immunogenität und bestimmt die Zugehörigkeit zur Blutgruppe Rh-positiv oder rh-negativ. Die Rhesus-Antigene sind Epitope transmembranärer Proteine, gegen die IgG-Antikörper (z.B. anti-D) gebildet werden können. Anti-D wird nur von rh-negativen Individuen gebildet und nur nach einem Antigenkontakt mit Rh-positivem Blut. Nach erneutem Kontakt mit Rh-positiven Erythrozyten wird das Immunsystem aktiviert, und es kommt zu einer Hämolyse. Diese Transfusionsreaktion verläuft jedoch im Regelfall wesentlich milder als bei der Transfusion AB0-inkompatiblen Blutes.

Klinik

Zur Rhesus-Inkompatibilität kommt es bei einer rh-negativen Schwangeren und ihrem Rh-positiven Fetus. Gegen Ende der Schwangerschaft und v.a. unter der Geburt können fetale Erythrozyten in das mütterliche Blut übertreten (fetomaternale Transfusion). Auf die Rh-positiven fetalen Erythrozyten reagiert die Mutter unter Bildung von Anti-D-Immunglobulin (Sensibilisierung). Wird eine so in der ersten Schwangerschaft sensibilisierte Mutter erneut mit einem Rh-positiven Fetus schwanger, so treten die Anti-D-Antikörper vom Typ IgG diaplazentar in den kindlichen Organismus über und verursachen dort eine Hämolyse der kindlichen, Rh-positiven Erythrozyten (Morbus haemolyticus neonatorum, Erythroblastosis fetalis). Diese Hämolyse verläuft häufig tödlich für das Kind.

Um sie zu verhindern, wird die sog. Anti-D-Prophylaxe vorgenommen. Die rh-negative Mutter bekommt direkt nach jeder Entbindung eines Rh-positiven Kindes, eines Aborts oder einer Fruchtwasseruntersuchung (Amniozentese) Anti-RhD-Immunglobulin verabreicht. Hierbei kommt es zur Beseitigung der fetalen Erythrozyten im mütterlichen Kreislauf, ohne dass der mütterliche Organismus anti-D bildet. In Deutschland wird die Anti-D-Prophylaxe optimalerweise in der 28.–30. Schwangerschaftswoche durchgeführt, um eine eventuelle Sensibilisierung (bis 6% der Fälle von Erythroblastosis fetalis) in der ersten Schwangerschaft zu verhindern.

Blick ins Labor

Eine vollständige Blutgruppenbestimmung beinhaltet in der Routine:

  • Bestimmung der AB0-Blutgruppe

  • Bestimmung der Rhesus-Antigene

  • Antikörpersuchtest auf irreguläre Antikörper gegen weitere Blutgruppenantigene.

Die AB0-Blutgruppe von Erythrozyten wird mittels Testseren bestimmt, mit Antikörpern anti-A und anti-B. Die Reaktionen werden auf ausbleibende oder sichtbare Agglutination (Verklumpung der Erythrozyten) untersucht. Als Plausibilitätskontrolle der AB0-Blutgruppenuntersuchung wird Probandenserum zu Testerythrozyten gegeben, deren AB0-Antigene bekannt sind (Serumgegenprobe).

Für die Rh-Bestimmung werden Erythrozyten mittels zweier verschiedener Testseren auf den Rhesus-Faktor D untersucht. Auch hier schließt sich zur Kontrolle eine Serumgegenprobe an.

Der Antikörpersuchtest dient zur Suche nach irregulären Antikörpern, die durch vorherige Immunisierung gebildet wurden. Hierzu werden Panel von Testerythrozyten der Blutgruppe 0, die klinisch wichtige weitere Blutgruppenantigene tragen, mit dem Patientenserum inkubiert. Irreguläre Antikörper führen zur Agglutination der Testerythrozyten. Aus dem Muster der Reaktionen lässt sich die Spezifität der irregulären Antikörper identifizieren.

Vor der Übertragung von fremdem Blut und Erythrozytenkonzentraten auf einen Patienten muss die Verträglichkeit der Transfusion gesichert werden. Im Routinefall darf nur blutgruppengleiches Blut transfundiert werden. Im Notfall dienen Blutgruppe 0 als Universalspender und Blutgruppe AB als Universalempfänger. Zur Sicherung des Blutgruppenbefunds und der Antikörpersuchtests wird eine Kreuzprobe durchgeführt. Dabei inkubiert man Serum des Empfängers mit den Erythrozyten des Spenders. Sie dient der Erkennung blutgruppenserologischer Unverträglichkeiten zwischen Spender und Empfänger.

MERKE

Gemeinsam vererbte antigene Blutgruppendeterminanten von Erythrozyten werden als Blutgruppensystem bezeichnet. Die stärksten Antigene sind die Oberflächenmerkmale A und B aus dem AB0-System sowie D aus dem Rhesus-System. Transfusion von blutgruppenungleichem Blut kann zu schweren Transfusionszwischenfällen führen.

Leukozyten und Entzündung

Leukozyten

Leukozyten (weiße Blutzellen) werden im Knochenmark und in den lymphatischen Organen gebildet, benutzen die Blutbahn als Transportweg und üben ihre Wirkung in den Geweben aus. Die Leukozyten stellen eine heterogene Zellpopulation dar. Zu den unterschiedlichen Fraktionen der Leukozyten gehören die neutrophilen Granulozyten, die eosinophilen Granulozyten (Eosinophile), die basophilen Granulozyten (Basophile), die Monozyten/Makrophagen und die Lymphozyten (Abb. 25.19, Tab. 25.6). Sie schützen den Körper durch Elimination von körperfremden Organismen (Viren, Bakterien, Pilze), körperfremdem Gewebe (Transplantation, Transfusion) und eliminieren körpereigenes Material (abgestorbene Zellen, Tumorzellen).
Die Konzentration aller Leukozyten beträgt im peripheren Blut eines gesunden Erwachsenen ca. 5000–10.000 Zellen/l. Weniger als die Hälfte der Leukozyten und sogar nur etwa 1% der Lymphozyten befinden sich im zirkulierenden Blut. Die Mehrzahl der weißen Blutzellen hält sich im Extravasalraum, in den lymphatischen Organen und im Knochenmark auf. Eine Erhöhung der Gesamtleukozytenzahl auf 10 000/l wird als Leukozytose bezeichnet und tritt bei entzündlichen Reaktionen und Leukämien auf. Eine Verminderung der Leukozytenzahl auf < 4 000/l heißt Leukopenie und kann u.a. durch Virus- und Autoimmunerkrankungen verursacht werden. Eine Leukopenie führt zu einer erhöhten Infektanfälligkeit.

Blick ins Labor

Im klinischen Routinelabor erfolgt zunächst die maschinelle Zelldifferenzierung mittels automatisierter Blutzählgeräte (Hämatologieanalyzer). Es existieren verschiedene Messtechniken (Abb. 25.19a). Einige Hämatologieanalyzer arbeiten analog einem Durchflusszytometer und differenzieren die Leukozyten mittels Laser. Bei Warnhinweisen im Hämatologieanalyzer oder nach gezielter Indikationsstellung wird eine morphologische (Abb. 25.19b), evtl. auch eine immunologische Differenzierung der Leukozyten angeschlossen. Das immunologische Differentialblutbild wird ebenfalls mittels Durchflusszytometrie erstellt. Mit dieser Technik kann durch Lichtstreuung von Laserlicht an Zellen und durch den Einsatz fluoreszenzmarkierter Antikörper die Expression definierter Zielmoleküle auf der Zelloberfläche oder zytoplasmatisch erfasst werden (Abb. 25.19c). Die Zytochemie findet ihren Einsatz besonders im Rahmen der Leukämiediagnostik. Zytochemische Färbemethoden nutzen das Vorkommen der in den Zellen enthaltenen Enzyme aus. Die Reaktionen können auf dem Objektträger oder maschinell erfolgen. Die klinisch bedeutsamsten Reaktionen sind die Peroxidasen und Esterasen.

Neutrophile Granulozyten
Entstehung und Verteilung Die gemeinsame Vorläuferzelle der myeloischen und monozytären Reihe ist die CFU-GM, aus der die Granulozytenvorläuferzelle CFU-G hervorgeht, die sich schrittweise zum segmentkernigen neutrophilen Granulozyten entwickelt. Die Bildung und Differenzierung der Neutrophilen im Knochenmark dauert 6–10 Tage. Die Mobilisation reifer Leukozyten und die Stimulation der Granulopoese erfolgen durch GM-CSF und G-CSF. Nach der Freisetzung aus dem Knochenmark verbringen Granulozyten 6–12 h im zirkulierenden Blut. Im Gewebe überleben sie 2–4 Tage und werden nach Ausübung ihrer Abwehrfunktion als Folge der Alterung abgebaut.
Inhaltsstoffe und Funktionen Die Granula des Neutrophilen sind lysosomalen Ursprungs und werden in primäre, sekundäre und tertiäre Granula eingeteilt. Primäre Granula sind bereits im Promyelozytenstadium vorhanden und enthalten Myeloperoxidase, saure Phosphatase und andere saure Hydrolasen. Im reifen Neutrophilen überwiegen die sekundären Granula, in denen sich Kollagenase, Lactoferrin und Lysozym nachweisen lassen. Tertiäre Granula enthalten Enzyme wie Gelatinase, die in den Extrazellularraum abgegeben werden. Neutrophile Granulozyten sind neben den Monozyten/Makrophagen wichtige zelluläre Komponenten der ersten Abwehrlinie gegen Infektionen vom unspezifischen Abwehrsystem (angeborenes Immunsystem). Sie sind befähigt zur zielgerichteten Chemotaxis, zur Phagozytose, z.B. von Krankheitserregern, und zur Bildung von intrazellulären freien O2-Radikalen (oxidativer Burst, respiratory burst).
Eosinophile Granulozyten
Entstehung und Verteilung Die eosinophilen Granulozyten leiten sich von der Vorläuferstammzelle CFU-GEMM und nach weiteren Differenzierungsschritten von CFU-Eo ab (colony forming unit eosinophils). Das Cytokin Interleukin-3 (IL-3) stimuliert die frühen, Interleukin-5 (IL-5) die späten Entwicklungsstufen der Eosinophilen (Abb. 25.5). Die Lebensdauer des reifen eosinophilen Granulozyten beträgt ca. 14 Tage. Die Verweildauer im peripheren Blut von 3–8 h entspricht seinem Transit von seiner Bildungsstätte, dem Knochenmark, zum Gewebe. Eosinophile Granulozyten sind im Wesentlichen gewebeständige Zellen, die sich besonders auf den Schleimhäuten des Magen-Darm-Trakts, den Atemwegen und in der Haut finden.
Inhaltsstoffe und Funktionen Eosinophile sind befähigt zur amöboiden Bewegung, Chemotaxis, Phagozytose, Abtötung von Parasiten, Aktivierung von Mastzellen, Hemmung der Mastzelldegranulation, der Neutralisation von Histamin und der Inaktivierung von Slow reacting substance of anaphylaxis. Die Emigration der Eosinophilen aus dem Blut in das Gewebe wird durch eosinotaktische Substanzen stimuliert. Diese können exogen sein, d.h. über Haut und Schleimhäute einwirken. Eine endogene eosinotaktische Substanz ist das Histamin, das von Gewebsmastzellen gespeichert und bei einer sensibilisierenden Antigen-Antikörper-Reaktion freigesetzt wird. Auch C5a, ein aktivierter Faktor des Komplementsystems, wirkt neben anderen Funktionen eosinotaktisch.
Die eosinophilen Granulozyten enthalten zahlreiche Enzyme, wie Proteasen und Lipasen, die Bakterien und Parasiten angreifen. Wie neutrophile Granulozyten können Eosinophile mithilfe der Peroxidase große Mengen an bakterizidem Wasserstoffperoxid produzieren. Einige besondere Inhaltsstoffe der Eosinophilen sind das Major basic protein (MBP), das eosinophile, kationische Protein (ECP) und das eosinophile Protein X. MBP und ECP lösen die Histaminausschüttung aus Mastzellen und basophilen Granulozyten aus, sind direkt zytotoxisch für Zellen von Parasiten (z.B. Würmern) und wirken neurotoxisch. Da ECP v.a. im Rahmen einer allergischen Erkrankung Mastzellen aktiviert, gilt die Serumkonzentration von ECP klinisch als Indikator für den Aktivierungsgrad des Immunsystems im Rahmen der allergischen Erkrankung. Eosinophile enthalten in ihren Granula Histaminasen und Arylsulfatasen, die u.a. zur Inaktivierung von Histamin führen. Dies führt zur Limitierung der Wirkung des potenten Mediators und somit zur Regulation der Überempfindlichkeitsreaktion vom Soforttyp.
Eosinophiles Protein X ist ebenfalls neurotoxisch und besitzt eine RNA-abbauende Enzymaktivität, die u.U. für die toxische Wirkung auf Parasiten verantwortlich ist. In den Eosinophilen gebildete Produkte des Arachidonsäurestoffwechsels, besonders Leukotriene, wirken bronchokonstriktorisch, fördern die Sekretion bronchialer Epithelzellen und sind für die Symptome des Asthma bronchiale verantwortlich (Kap. 26.10).

Schon gewusst

Die Apoptose eosinophiler Granulozyten wird in vitro und in vivo durch IL-3, IL-5 und GM-CSF inhibiert. Eine Verstärkung der Eosinophilenapoptose und/oder die Verkürzung des cytokininduzierten Überlebens und damit die Verminderung der Eosinophilenzahl im Blut sind ein wichtiger entzündungshemmender und antiallergischer Wirkmechanismus von Corticosteroiden (Kap. 24), die zur Behandlung von allergischen Erkrankungen wie Asthma bronchiale oder Neurodermitis eingesetzt werden.

Basophile Granulozyten und Mastzellen
Entstehung und Verteilung Basophile Granulozyten zirkulieren im Blutstrom und infiltrieren die Gewebe, wenn sie bei Entzündungen oder allergischen Reaktionen aktiviert werden. Dort reifen sie anschließend aus. Sie sind mit einem Anteil von 1% (ca. 100 Zellen/l) die seltensten Leukozyten im Blut (Tab. 25.6). Basophile Granulozyten entwickeln sich im Knochenmark unter dem Einfluss von IL-3, IL-5 und GM-CSF aus CD34+ hämatopoetischen Vorläuferzellen.
Mastzellen sind eine spezialisierte Population von Effektorzellen, die im Zytoplasma eine Vielzahl sekretorischer Granula besitzen, die proinflammatorische Moleküle enthalten, z.B. Histamin. Mastzellen (Gewebsbasophile) finden sich v.a. im Gewebe und dort vorwiegend an den großen Körperbarrieren, d.h. in der Haut sowie in der Schleimhaut des Respirations- und des Gastrointestinaltrakts. Im Gegensatz zu basophilen Granulozyten haben reife Mastzellen keinen IL-3-Rezeptor auf der Oberfläche. Mastzellen aller Entwicklungsstufen tragen allerdings den Rezeptor für SCF, c-kit (CD117), auf ihrer Oberfläche, da sie den SCF-Effekt nicht nur in ihrer frühen Entwicklung und für die Differenzierung und Reifung im Gewebe, sondern auch für ihr Überleben benötigen. Mastzellen leben über Wochen und Monate.
Spezifische Funktionen Zirkulierende Basophile und Mastzellen bilden eine funktionelle Einheit. Sie koordinieren die lokalen immunologischen und entzündlichen Reaktionen, besonders bei der Abwehr von Parasiten und im Rahmen der Sofortreaktion bei allergischen Erkrankungen (Typ-I-Reaktion; Kap. 26.10). Beide tragen auf ihrer Oberfläche den hochaffinen Rezeptor für IgE (FcRI), und für beide Zelltypen gilt die Aktivierung des IgE-Rezeptors mit antigentragendem IgE als entscheidender Stimulus, der die Degranulation der Basophilen und Mastzellen einleitet. Nach Kontakt mit multivalenten Antigenen führt die Vernetzung der membrangebundenen FcRI u.a. zur Freisetzung von Histamin und Leukotrienen. Als Folge kommt es zu einer gesteigerten vaskulären Permeabilität, die als entzündliche Reaktion die weitere Rekrutierung von Mediatoren sowie spezifischen und unspezifischen Effektorzellen fördert.
Monozyten und Makrophagen
Entstehung und Verteilung Monozyten machen im peripheren Blut etwa 5–11% der Leukozytenpopulation aus, was 300 bis 800 Zellen/l entspricht (Tab. 25.6). Sie zirkulieren im Blut mit einer Transitzeit von 1–3 Tagen. Ihr Zytoplasma enthält zumeist kleine bis mittelgroße Vakuolen sowie Granula, die Peroxidase und lysosomale Enzyme enthalten.
Nach Übertritt in die Gewebe werden Monozyten aktiviert und transformieren in Makrophagen. Dabei verschwinden die Peroxidasegranula, und nur die lysosomalen Enzyme bleiben in kleinen Vesikeln erhalten. Makrophagen sind eine sehr heterogene Zellpopulation, die in den Geweben und Organen spezialisierte Aufgaben wahrnimmt, z.B. als Alveolarmakrophagen in der Lunge oder Kupffer-Sternzellen in der Leber. Alveolarmakrophagen gewinnen ihre Energie vorwiegend über die oxidative Phosphorylierung, Peritonealmakrophagen vorwiegend über die Glykolyse. Kupffer-Zellen sind in einem erheblichen Ausmaß zur glykolytischen Energiegewinnung befähigt. Hierin wird auch die Ursache dafür gesehen, dass Kupffer-Zellen gegenüber hypoxischen Schädigungen wesentlich resistenter als Hepatozyten sind.
Spezifische Funktionen Monozyten und Makrophagen bilden zusammen das Monozyten-Makrophagen-System (MMS), das eine Schlüsselrolle bei den zellulären Abläufen der Immunantwort einnimmt (Abb. 25.20). Makrophagen entfalten eine stark zytotoxische Wirkung, die durch die Produktion von Sauerstoffradikalen, Enzymen und kationischen Proteinen vermittelt wird. Diese haben primär die Funktion, eingewanderte Bakterien abzutöten (Bakterizidie). Parallel wirken Sauerstoffradikale und Enzyme, wie Lysozym und saure Hydrolasen, zytotoxisch auf umgebende körpereigene Zellen ein, sodass am Ort der Erregerinvasion eine Nekrose mit anschließender Einwanderung aktivierter Makrophagen und Neutrophiler entsteht.
Monozyten zeigen unter den Leukozyten die größte Phagozytoseaktivität, was durch ihren im Vergleich mit anderen Leukozyten höchsten Gehalt an verdauenden Enzymen und Lysosomen deutlich wird. Phagozytierte Bakterien und Fremdkörper werden von Monozyten internalisiert und proteolytisch abgebaut, wobei kleinere Bruchstücke der aufgenommenen Proteine auf der Zelloberfläche präsentiert werden, zusammen mit MHC-II-Proteinen als Antigen zur Aktivierung anderer Zellen der Immunantwort (antigenpräsentierende Zellen, APC; Kap. 26.6.3). Die gleichzeitige Präsenz von Rezeptoren für Komplementfaktoren und den Fc-Rezeptor von IgG (FcR) bewirkt eine erleichterte Aufnahme von Antigenen, die opsonisiert worden sind, d.h. mit Antikörpern und Komplement beladen sind.
Nach erfolgreicher Erregerelimination setzt die Reorganisation des zugrunde gegangenen Gewebes ein. Zunächst muss untergegangenes Gewebe abgebaut werden. Hierzu werden durch Entzündungszellen weitere Enzyme, wie Elastase, Kollagenase und Hyaluronidase, freigesetzt. Es kommt in der Folge zur Stimulation von matrixproduzierenden Zellen (z.B. Fibroblasten) und damit zum Aufbau von Narbengewebe. Im Gegensatz zu den Neutrophilen sterben die Makrophagen nicht, nachdem sie Fremdkörper aufgenommen und verdaut haben.
Cytokinbildung von Monozyten und Makrophagen Monozyten bilden neben IL-1 u.a. auch Interleukin-6 (IL-6) und Tumor-Nekrose-Faktor (TNF-). Cytokine spielen eine wichtige Rolle bei der Koordination von Abwehrreaktionen in den Geweben und bedingen die systemische Antwort des Körpers (Kap. 25.4.4 und 26.2.1). So induzieren IL-1, IL-6 und TNF- Fieber (proinflammatorische Cytokine), indem sie den Sollwert für die Körpertemperatur im Hypothalamus verstellen. Durch die Aktivierung von Fibroblasten und Monozyten signalisieren die drei Cytokine dem hämatopoetischen System im Knochenmark und den Lymphozyten in Gewebe und lymphatischen Organen, dass eine systemische Entzündungsreaktion in Gang gesetzt wurde. Unter ihrer Wirkung steigt im Knochenmark die Bildung neutrophiler Granulozyten und Thrombozyten, während die Bildung der Erythrozyten reduziert wird. IL-1, IL-6 und TNF- erhöhen außerdem die Sekretion von ACTH und Cortisol, das eine negative Rückkopplungsschleife induziert, weil es die Wirkung von proinflammatorischen Cytokinen hemmt. Die Herkunft und generelle Wirkung der o.g. Cytokine werden in Tab. 25.2 beschrieben.

Klinik

Eine insuffiziente Phagozytose von Fremdkörpern in den Geweben durch die ortsansässigen Gewebemakrophagen kann zu schwerwiegenden Erkrankungen führen. Die Staublungenkrankheit (Asbestose) kann sich durch die chronische Einatmung von asbesthaltigem Staub entwickeln. Die Latenzzeit der Asbestose beträgt 20–40 Jahre. Eingeatmete Asbestfasern, die länger als 15 m (Durchmesser eines Alveolarmakrophagen) sind, können weder mukoziliar noch durch Phagozytose eliminiert werden. Abgelagerte Asbestfasern akkumulieren subpleural. Fibrozyten werden zur Bildung von Typ-III-Kollagen stimuliert, und es entwickelt sich eine asbestinduzierte Lungenfibrose. Folgeerkrankungen können Pleuramesotheliome und Bronchialkarzinome sein. Die Asbestose ist als entschädigungspflichtige Berufskrankheit anerkannt. Seit 2005 ist die Verwendung von Asbest in der Europäischen Union verboten.

Lymphozyten
Lymphopoese und Lymphozytendifferenzierung Lymphozyten leiten sich von den lymphatischen Stammzellen ab, die sich sehr früh in ihrer Differenzierung von der myeloischen Stammzelle unterscheiden (Abb. 25.5). Im Knochenmark entstehen primitive Lymphozytenvorläufer. Die Produktion reifer Lymphozyten bedarf jedoch noch eines weiteren Differenzierungsprozesses in den primären lymphatischen Organen (Knochenmark und Thymus). Dort erfolgt eine weitere Differenzierung in:
  • T-Lymphozyten

  • B-Lymphozyten

  • natürliche Killerzellen (NK-Zellen).

Der Anteil der Lymphozyten an den Leukozyten beträgt beim Erwachsenen etwa 13–53% (ca. 1300–3300 Zellen/l Blut). Der Aufenthalt der Lymphozyten im peripheren Blut dauert ca. 30 min. Die Lebenserwartung von Lymphozyten kann mehrere Jahre betragen. Die Lymphozyten sind Komponenten des angeborenen (NK-Zellen) und des adaptiven Immunsystems (T- und B-Lymphozyten, Antikörper). Sie vermitteln sowohl zelluläre als auch humorale Immunität und erfüllen bei Infektionen sowohl immunregulatorische Funktionen als auch Effektorfunktionen (Kap. 26).

MERKE

Blutleukozyten der myeloischen und der lymphatischen Reihe setzen sich jeweils aus mehreren Subpopulationen zusammen, die sehr unterschiedliche Aufgaben in der spezifischen und angeborenen Immunabwehr übernehmen, wie die Beseitigung von Pathogenen und Erregern oder die Vermittlung von Entzündungsreaktionen. Aus dem Knochenmark kommend, differenzieren Blutleukozyten zunächst für kurze Zeit – mitunter wenige Stunden – im peripheren Blut, um auf chemotaktische Reize in das Gewebe zu wandern und dort ihre Funktionen auszuüben. Lymphatische Zellen reifen zu Effektorzellen des kognaten Immunsystems und bevölkern die Lymphgewebe des Körpers, aus denen sie rezirkulieren können.

Leukozytenevasation

Zu den spezifischen Funktionen der Leukozyten gehören die Leukozytenevasation, die Phagozytose und der oxidative Burst (respiratory burst). Nur weniger als die Hälfte der Leukozyten und sogar nur 1% der Lymphozyten befinden sich im zirkulierenden Blut. Die Mehrzahl der Leukozyten hält sich im extravasalen, interstitiellen Raum oder in den lymphatischen Organen und im Knochenmark auf. Sie emigrieren im Rahmen von Entzündungsreaktionen massenhaft aus dem Blut in das entzündete Gewebe (Evasation, Leukodiapedese).
Der Vorgang der Leukozytenevasation gliedert sich in mehrere Phasen (Abb. 25.21):
  • Produktion von Entzündungsmediatoren

  • Leukozyten-Endothel-Interaktion

  • Chemotaxis, Diapedese und Migration.

Initiale Leukozyten-Endothel-Interaktionen
Zunächst kommt es im Bereich der Entzündung z.B. durch ortsständige Fibroblasten oder ortsständige Gewebemakrophagen zur Produktion von Entzündungsmediatoren. Diese regen Endothelzellen der Blutgefäße an, weitere Cytokine zu produzieren und Adhäsionsmoleküle zu exprimieren. Unter der Wirkung von Entzündungsmediatoren, z.B. IL-1, TNF-, Prostaglandin, Histamin, Bradykinin und auch Stickstoffmonoxid (NO), kommt es zu einer Vasodilatation und einer lokalen Strömungsverlangsamung. Diese begünstigt die Leukozyten-Endothel-Interaktion (Kap. 20.1) und führt zu einer hydrodynamischen Margination der Leukozyten, d.h., die Zellen bewegen sich von der zentralen Axialströmung zum Rand auf das Endothel zu. Es kommt zunächst zu einer transienten Interaktion der Leukozyten mit dem Endothel (Leukozytenrollen, Rolling), die im Wesentlichen durch Adhäsionsmoleküle der Selektinfamilie vermittelt wird (u.a. E-Selektin und L-Selektin). Dabei bleiben die Leukozyten in unmittelbarer Nähe des Endothels, sodass sie durch endotheliale Cytokine (Chemokine) aktiviert werden können.
Am Endothel verbleibende chemokinaktivierte Leukozyten ändern innerhalb von Sekunden ihre Gestalt (Shape change). Die feste Anheftung (Tethering) wird durch Integrine vermittelt (u.a. 2-Integrine), die als Adhäsionsmoleküle integraler Bestandteil der Membranen von Leukozyten sind. Ihre Bindungsaktivität wird erst durch die Wirkung von Chemokinen erhöht (z.B. IL-8), sodass die Leukozyten fest am Endothel haften. Die Expression von 1-Integrinen (ICAM-1, ICAM-2) auf dem Gefäßendothel wird durch proinflammatorische Cytokine (IL-1 und TNF-) verstärkt. Dadurch können noch mehr Leukozyten aus dem Blutstrom an den Ort der Entzündung rekrutiert werden.
Chemotaxis
Chemotaxis beschreibt die Anlockung von Phagozyten durch chemische Substanzen. Phagozyten können von vielen Mikroorganismen angelockt werden. Dabei wandern sie auf die Substanzen zu, die der Fremderkennung dienen und die von oder bei Mikroorganismen produziert werden. Ein klassisches Beispiel für eine chemotaktisch wirksame Substanz ist das starke bakterielle Chemotaxin fMLP (Formyl-Methionyl-Leucyl-Phenylalanin), das in vielen Bakterien durch die Formylmodifikation der N-Termini von Proteinen entsteht. Phagozyten tragen an ihrer Oberfläche einen heptahelikalen Rezeptor für fMLP. Die Bindung an den Rezeptor aktiviert über eine klassische Signaltransduktionskaskade über ein Gq-Protein, Phospholipase C, IP3/DAG und Protein-Kinase C viele zelluläre Funktionen im Dienste der Abwehr.
Neben dem bakteriellen fMLP entstehen weitere endogene Chemokine am Ort des Geschehens im Gewebe und diffundieren in die Umgebung, wie IL-8, Leukotrien B4, Komplementfaktor C5a, MCP-1 (monocyte chemoattractant protein 1) und RANTES (factor regulated upon activation in normal T-cells expressed and secreted).
Diapedese und Migration
Chemokine binden an Proteoglykanmoleküle in der extrazellulären Matrix und bilden eine feste Unterlage, auf der die Leukozyten ihre Wanderung entlang dem Gradienten matrixassoziierter Chemokinmoleküle beginnen (Leukozyteninfiltration), nachdem sie das Endothel und die Basalmembran durchdrungen haben. In den Leukozyten wird an der Stelle der Leukozytenmembran ein Pol festgelegt, wo sich die höchste Konzentration und die mit den meisten Chemokinen besetzten Rezeptoren auf der Zelle befinden. In Richtung dieses Pols bewegt sich dann die Zelle durch Aktivierung ihres Actinomyosinapparats auf der chemokinbesetzten Matrix.

MERKE

Die Leukozytenevasation gliedert sich in die Produktion von Entzündungsmediatoren, die Leukozyten-Endothel-Interaktion, Chemotaxis, Diapedese und Migration. Leukozyten werden durch Chemokine an den Ort der Entzündung gelockt. Durch Adhäsionsmoleküle wird anschließend der Kontakt zum Endothel hergestellt. Während der Diapedese migrieren die Leukozyten entlang einem Konzentrationsgradienten matrixassoziierter Chemokinmoleküle.

Phagozytose und oxidativer Burst

Phagozytose
Fremdkörper und Bakterien werden von Granulozyten und Makrophagen durch Phagozytose aufgenommen und durch lysosomale Enzyme verdaut. Die Phagozytose ist ein wesentlicher Prozess der unspezifischen Immunabwehr. Da Phagozyten auch durch Glykolyse anaerob Energie gewinnen können, erfüllen sie diese Funktion selbst im schlecht durchbluteten und daher sauerstoffarmen, entzündeten Gewebe.
Dem Gradienten matrixassoziierter Chemokine folgend, wandern die Leukozyten in das Gewebe ein, bis sie zu dem Fremdkörper oder Mikroorganismus gelangen, der in benachbarten Fibroblasten, Keratinozyten und Makrophagen die Bildung von Chemokinen induziert hat. Ausläufer des Zytosols (Pseudopodien) der Leukozyten umschließen den Fremdkörper und kapseln ihn in einer allseits von der Zellmembran umgebenen Phagozytosevakuole ein (Phagosom). Anschließend verschmelzen die Granula der Granulozyten mit dem Phagosom (Degranulation). In den Granula enthaltene Enzyme greifen die im Phagosom eingeschlossenen Fremdkörper an: Lysozym zerstört die Wand von Bakterien, für das Wachstum der Bakterien notwendiges Eisen wird durch Lactoferrin cheliert, und neutrale und saure Hydrolasen greifen Nucleinsäuren und Proteine der Mikroorganismen an.
Opsonisierung und Antigenpräsentation
Makrophagen haben die Fähigkeit, die bei der Zerlegung von Fremdkörpern im Phagosom anfallenden Spaltprodukte anderen Zellen zu präsentieren (antigenpräsentierende Zellen). Dadurch werden weitere Entzündungsreaktionen initiiert und koordiniert. Voraussetzung für die Phagozytose ist das Erkennen und Binden des Keims. Dabei spielt die Opsonisierung eine wichtige Rolle, unter der man die passive Beladung der Bakterien mit körpereigenen Proteinen versteht, die vom Phagozyten über spezifische Rezeptoren erkannt werden. Sehr wirksam ist die Beladung des Keims mit spezifischen Antikörpern der Klasse IgG und Komplementaktivierungsprodukten wie C3b oder iC3b. C3b wird vom Komplementrezeptor CR1 erkannt, iC3b von CR3. Optimal phagozytiert werden Partikel, die beide Komponenten gebunden haben. IgG wird ebenfalls von spezifischen Rezeptoren erkannt, die den konstanten Teil (Fc-Teil) des Antikörpers binden und entsprechend Fc-gamma-Rezeptoren (FcR) genannt werden. Auf Phagozyten werden verschiedene FcR exprimiert, darunter die niederaffinen FcRIII (CD16), FcRII (CD32) und nach Aktivierung auch der hochaffine FcRI (CD64). Die C3b/iC3b-vermittelte Adhäsion an partikuläre Antigene verursacht das erste Signal zur erfolgreichen Phagozytose und initiiert die Ausbildung von Pseudopodien, das Binden von IgG an die zellständigen Immunglobulinrezeptoren vermittelt das zweite Signal und signalisiert schließlich den Beginn der Phagozytose.
Oxidativer Burst (Respiratory burst)
Chemotaxis und Phagozytose zielen auf die intrazelluläre Abtötung von Bakterien ab. Zusätzlich zu den schon genannten Enzymen besitzen Phagozyten eine NADPH-Oxidase, die den molekularen Sauerstoff in mikrobizide O2-Metaboliten umwandelt (Abb. 25.22).
Die NADPH-Oxidase kann große Mengen von Superoxidanionen (O2) bilden. Da das Phagosom durch Umschließen des Fremdkörpers mit der Plasmamembran entstanden ist, können durch diese Oxidase auch größere Mengen an O2 in das Innere des Phagosoms abgegeben werden. Eine Aktivierung der Oxidase erhöht innerhalb von Sekunden den nichtmitochondrialen Sauerstoffverbrauch (oxidativer Burst, respiratory burst) auf das Hundertfache. Das Superoxidanion wird durch die Superoxid-Dismutase zu H2O2 reduziert oder kann mit bereits gebildetem H2O2 unter Bildung hochreaktiver Hydroxylradikale (OH) reagieren:
2 O 2 - + 2 H + H 2 O 2 + O 2 O 2 - + H 2 O 2 OH + OH - + O 2
Unter Einfluss der Myeloperoxidase werden Chloridionen durch H2O2 unter Bildung von Hypochloritionen oxidiert:
H 2 O 2 + CL - H 2 O + OCL -
Diese reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) oxidieren Membranlipide der Bakterien (Peroxidation) und wirken damit zytotoxisch. Die Zelle schützt sich vor H2O2, das gut die Membran des Phagosoms durchdringen kann, durch Katalase. Diese baut H2O2 durch glutathionabhängige Enzymsysteme ab.
Sauerstoffradikale können u.a. auch mit 1-Antitrypsin reagieren und diesen Proteaseinhibitor durch Sulfoxidation eines entscheidenden Methionylrests inaktivieren. Während diese Reaktion für die Bakterienabtötung keine Rolle spielt, ist sie bei der Gewebeschädigung durch Entzündung von Bedeutung. Für die Granulozyten wird die Phagozytosevakuole zur Suicide bag. Da die Zellen die mit Bakterientrümmern gefüllte Vakuole nicht mehr aus der Zelle entfernen können, zerstören die in ihr enthaltenen Enzyme auch den Granulozyten, wenn nach einigen Stunden die Membran des Phagosoms durchlässig wird. Gewebe- und Leukozytentrümmer werden – gemeinsam mit den noch aktiven Granulozyten – makroskopisch als Eiter sichtbar.

Klinik

Defekte der Sauerstoffradikalproduktion sind selten. Sie manifestieren sich in rezidivierenden bakteriellen Infektionen, wobei i.d.R. zelluläre Infiltrate und manchmal auch eine Granulombildung durch Zusammenlagerung bzw. Verschmelzung vieler Granulozyten zu beobachten ist. Entsprechend wird das Krankheitsbild als chronische Granulomatose (CGD, chronic granulomatous disease) bezeichnet. Als molekulare Ursachen der CGD sind Defekte der Cytochrom-b558-Untereinheiten (gp91-phox, p22-phox, p67-phox, p47-phox) der NADPH-Oxidase verantwortlich.

Leukozytenmediatoren
Aktivierte, in das Gewebe eingewanderte Phagozyten bilden eine Vielzahl von Mediatoren, die für die typische Entzündungsreaktion im Gewebe verantwortlich sind. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um Produkte der Arachidonsäure wie Leukotriene und Prostaglandine. Leukotriene locken weitere Phagozyten an den Entzündungsherd, während Prostaglandine für die Vasodilatation mit Verlangsamung des Blutstroms (Leukozytenmargination) verantwortlich sind. Außerdem bewirken Prostaglandine eine vermehrte Durchblutung der Gewebe zur verbesserten Infektionsabwehr (Rötung) und sind für die Entstehung von Schmerz zuständig, der die Verletzung durch Schonhaltung schützen soll. In der Spätphase der Entzündung bilden Leukozyten aber auch Lipidmediatoren, die dabei helfen, die Entzündungsreaktion zu terminieren, sog. Lipoxine und Resolvine (Eicosanoid-Switch).

MERKE

Phagozytierende Zellen verlassen auf spezifische chemotaktische Reize hin die Blutbahn, um zum Ort der Entzündung zu gelangen. Dort können sie mikrobielle Erreger und makromolekulare Fremdstoffe phagozytieren. Die Ingestion von Mikroorganismen und partikulären Fremdstoffen wird durch Opsonine erleichtert. Hierzu zählen u.a. Komplementfragmente und Immunglobuline vom IgG-Isotyp. Die intrazelluläre Abtötung von Erregern im Phagozyten geschieht über die Bildung mikrobizider Sauerstoffmetaboliten durch die NADPH-Oxidase. Dieser Vorgang wird als oxidativer Burst bezeichnet.

Akute-Phase-Reaktion

Die Akute-Phase-Reaktion (APR) umfasst die systemische Entzündungsantwort des Organismus auf eine in der Regel schwere Gewebeschädigung unterschiedlicher Ursache. Generell führen Traumen über Gewebezerstörungen zur APR. Dazu gehören mechanische Verletzungen oder chirurgische Eingriffe, Gewebeuntergang wie beim Herzinfarkt oder auch chemische und physikalische Noxen wie z.B. Verätzungen bzw. Strahlungsschäden. Besonders stark ausgeprägt ist die APR bei Infektionen mit Krankheitserregern, und hier besonders bei bakteriellen Infektionen. Wenngleich in der APR verschiedenste Organe beeinflusst werden und mit reagieren (Abb. 25.23), ist es besonders die Teilantwort der Leber, die durch Umstellung ihres Proteinbiosyntheseprofils für die ausgeprägten Veränderungen der Zusammensetzung des Plasmas verantwortlich ist.
Leukozytenpopulationen wie Makrophagen sind zentrale Auslöser der APR und schütten als Alarmcytokine bezeichnete biochemische Mediatoren wie Interleukin-1, Interleukin-6, Interleukin-8 und TNF- aus. Während diese zunächst lokal wirksam sind, lassen sie sich in Abhängigkeit vom Schweregrad der Schädigung innerhalb von 6–48 h in stark ansteigenden Konzentrationen systemisch im Blut nachweisen. Über die Zirkulation erreichen sie die Leber, wo sie die Biosynthese von Akute-Phase-Proteinen induzieren (sog. positive Reaktanten der APR).
Die Expression des C-reaktiven Proteins (CRP) durch die Leber wird direkt durch Interleukin-6 gesteuert und kann während der APR bis zu 20% der gesamten Synthesekapazität der Leber betragen. CRP ist ein multifunktionales Protein aus der Klasse der Pentraxine, die zu den phylogenetisch ältesten Proteinen zählen. Weitere Mitglieder dieser Familie sind das Serumamyloid A (SAA) oder das Pentraxin 3 (PTX3). Diese Proteine opsonisieren besonders Bakterienoberflächen, modifizierte Lipoproteine oder Komponenten zerstörter Körperzellen und markieren diese für die Phagozytose oder rezeptorvermittelte Endozytose.
Akute-Phase-Proteine wie z.B. Haptoglobin und Hämopexin binden freies Hämoglobin und transportieren es zum MMS, wo es gespeichert werden kann. Diese Teilreaktion der APR sorgt letztlich für die Sicherung des wertvollen Körpereisens.
Gerinnungsfaktoren und Komplementfaktoren sind ebenfalls Teil der akuten Phase und erfahren eine gesteigerte Synthese in der Leber, wodurch ein möglicher erhöhter Verbrauch ausgeglichen wird. Ein Beispiel dafür ist die Mehrsynthese von Fibrinogen während der APR.
Andere Syntheseleistungen in der Leber werden während der APR stark gedrosselt, z.B. die Produktion einer Reihe von Proteinen wie Albumin, Lipoprotein oder Transferrin. Man nennt diese Proteingruppe deshalb die negativen Reaktanten der APR. Dieser Vorgang erfüllt eine wichtige Funktion im Verlauf der APR. So steht z.B. die erniedrigte Transferrinkonzentration für einen gedrosselten Eisenverkehr während einer akuten oder auch chronischen Infektion. Da Bakterien für Wachstum und Teilung auf Eisen angewiesen sind, dient die Reduktion des Transporteisens der Sicherung von wertvollen, körpereigenen Eisenvorräten gegenüber den Erregern und ihrer Ausbreitung (Kampf ums Eisen).

Blick ins Labor

Die Serumeiweißelektrophorese (SPE; Abb. 25.4) und die Blutkörperchensenkungsgeschwindigkeit (BSG) sind traditionelle, aber unspezifische Verfahren zum Nachweis einer systemischen Entzündungsreaktion. Bei der SPE zeichnet sich eine akute Entzündung durch die relative Erhöhung der 1- und 2-Fraktionen aus, die viele positive Akute-Phase-Proteine enthalten. Charakteristischerweise geht sie mit einer Erniedrigung der Albuminfraktion einher. Die vermehrt vorhandenen, typischerweise positiv geladenen Akute-Phase-Proteine lagern sich den auf ihrer Oberfläche negativ geladenen Erythrozyten an, die sich daraufhin aggregieren. Die Aggregate sedimentieren beschleunigt in einer vertikalen Kapillare (BSG). Moderne Verfahren machen sich den direkten quantitativen Nachweis spezifischer Indikatorproteine zunutze. Insbesondere bei schweren bakteriellen Entzündungen sind Marker wie CRP bis zu 100fach über die Norm erhöht. Im Gegensatz zur APR kündet in der chronischen Phase einer Entzündung häufig nur noch die langfristige polyklonale Erhöhung der Immunglobuline in der SPE oder das Fortbestehen einer erhöhten BSG vom Vorliegen eines schwelenden entzündlichen Prozesses.

MERKE

Als Akute-Phase-Reaktion (APR) wird die systemische Reaktion des Gesamtorganismus auf unterschiedlichste, meist starke infektions- oder traumabegleitende Noxen verstanden. Im Blut lassen sich lebersynthetisierte Eiweiße nachweisen, die für die Wiederherstellung der Homöostase eine Rolle spielen können und daher als Akute-Phase-Proteine bezeichnet werden. Je nachdem, ob sie in erhöhten oder erniedrigten Konzentrationen vorliegen, bezeichnet man sie als positive bzw. negative Reaktanten.

Hämostase: Thrombozyten, Blutgerinnung, Fibrinolyse

Thrombozyten und Thrombozytenaktivierung

Reifung und Lebensdauer der Thrombozyten
Der Megakaryozyt (Knochenmarksriesenzelle), die Mutterzelle der Blutplättchen, ist polyploid. Der vielfache Chromosomensatz resultiert aus einer Endomitose, bei der sich nur der Kern teilt, nicht das Zytoplasma. Ein reifer Megakaryozyt enthält schließlich die acht- bis 32fache DNA-Menge normaler Körperzellen. Während der weiteren Reifung werden Membranen gebildet, die sich als Plättchenuntereinheiten abgrenzen (Demarkationsmembranen). Nach vollständiger Maturation werden die präformierten Thrombozyten durch tentakelartige Abschnürung in die venösen Sinus des Knochenmarks und damit in die Zirkulation freigegeben. Aus einem Megakaryozyt entstehen 2000-4000 Thrombozyten. Die Vermehrung und Reifung der Blutplättchen werden durch den Wachstumsfaktor SCF, die Cytokine IL-3, IL-6 und IL-11 sowie das Hormon Thrombopoetin gesteuert.
Etwa 70–80% der Blutplättchen zirkulieren im Blut (Normwert: 150.000–400.000). Die übrigen werden in der Milz gespeichert. Ihre Lebensdauer – gemessen als Verweildauer im peripheren Blut – beträgt im Mittel 10 Tage. Sowohl eine Thrombozytose als auch eine Thrombozytopenie sind mit einer Störung der Hämostase verbunden. Bei funktionsfähigen Thrombozyten kommt es jedoch erst bei einer Thrombozytenzahl unter 30.000/l zu Spontanblutungen.
Struktur und Stoffwechsel der Thrombozyten
Die Ultrastruktur des Thrombozyten ist von seinem Aktivierungszustand abhängig. Die nichtaktivierten Thrombozyten bilden kernlose, runde Scheiben mit einem Durchmesser von 1–4 m und einer Dicke von 0,5–1 m, die eine große Zahl an Granula enthalten und endothelnah am Rande des Blutstroms zirkulieren, ohne untereinander zu aggregieren. Im Zytosol nichtaktivierter Thrombozyten verlaufen zirkuläre Mikrotubuli als marginales Bündel. Sie sind Bestandteil des submembranären Zytoskeletts, das außerdem aus kurzen Actinfilamenten aufgebaut ist. Über ein actinbindendes Protein und Filamin ist das submembranäre Zytoskelett an membranständige Glykoproteine gebunden. Zu diesen gehören die Glykoproteine Ia (Kollagenrezeptor), Ib und IX (Rezeptoren für Thrombin und Von-Willebrand-Faktor). Das submembranäre Zytoskelett bildet ein viskoelastisches Gel, das zusammen mit den Mikrotubuli die Voraussetzung für die diskoide Form der Plättchen bildet und diese, wie bei den Erythrozyten, gegen die Scherkräfte des Blutstroms stabilisiert. Im zytosolischen Blatt der Plättchenmembran befinden sich die gerinnungsaktiven Aminophospholipide, welche die Gerinnungsfaktoren an ihrer Oberfläche anreichern können. Thrombozyten sind ferner durch ein offenes, kanalikuläres System (OCS) charakterisiert, woraus eine vergleichsweise große Oberfläche von ca. 150 m2 resultiert. Über das OCS können Stoffe zwischen dem Zytoplasma und der Oberfläche ausgetauscht werden. Man nimmt an, dass so die Inhaltsstoffe der Speicherorganellen freigesetzt werden bzw. über Endozytose in die Granula der Thrombozyten gelangen.
Da Thrombozyten mitochondriale DNA und stabile RNA besitzen, können sie in geringem Maße Proteine synthetisieren (z.B. Faktor XIII fibrinstabilisierender Faktor). Thrombozyten besitzen die im Zytosol lokalisierten Enzyme der Glykolyse, des Pentosephosphatwegs und Mitochondrien, die sie neben der Ausführung des Citratzyklus und weiterer kataboler Prozesse zur Elektronentransportphosphorylierung befähigen. Die Glykolyse wird teilweise durch Glucoseaufnahme aus dem Gewebe, zum Großteil aber durch eigene Glykogenvorräte gespeist. Die aus der Glykolyse und dem Fettsäureabbau gewonnene Energie dient zur Erhaltung der Thrombozytenstruktur und zur Speicherung verschiedener Substanzen, die durch aktiven Transport aufgenommen werden müssen. Sie werden in den (elektronen-)dichten Granula (dense granules, -Granula) gespeichert. Daneben existieren die -Granula und die lysosomalen -Granula (Abb. 25.24). -Granula enthalten zweiwertige Kationen (v.a. Ca2+), vasoaktive Hormone (Serotonin, Adrenalin, Noradrenalin, Dopamin, Histamin) sowie ADP und ATP. Diese Mediatoren sind sowohl für die Gefäßreaktion im Rahmen der primären Hämostase als auch für die Wechselwirkungen mit Leukozyten wichtig (respiratory burst). -Granula enthalten neben Adhäsionsmolekülen und proinflammatorischen Cytokinen auch Gerinnungsfaktoren und Fibrinogen, die an der Blutstillung beteiligt sind. Die Lysosomen speichern saure Hydrolasen.
Die Inhaltsstoffe der Thrombozytengranula werden nach Stimulation durch verschiedene Mediatoren aus den Granula freigesetzt. - und -Granula werden durch ADP, Thromboxan A2, Adrenalin und Platelet activating factor (PAF) stimuliert, Kollagen und Thrombin stimulieren die Freisetzung der Inhaltsstoffe aus - und -Granula und aus den Lysosomen.
Funktion der Thrombozyten
Die Funktion der Thrombozyten hängt eng mit der primären und sekundären Hämostase zusammen. Blutplättchen interagieren dabei mit Blutgefäßwänden, Plasmaproteinen und anderen zirkulierenden Zellen. Die stark kontaktsensiblen Zellen enthalten ein Granulomer, eine zentral gelegene Struktur, die sich aus Granula, Mitochondrien, Ribosomen und Anteilen des endoplasmatischen Retikulums zusammensetzt. Darin sind Moleküle enthalten, die an der Blutstillung, Blutgerinnung und Wundheilung beteiligt sind. Die Integrität der Barriere zwischen intravasalem und interstitiellem Raum ist daher an das Vorhandensein und die Funktionsfähigkeit der Thrombozyten gebunden.
Vaskuläre Blutstillung
Kleine Gefäße, im Besonderen Arteriolen, kleine Arterien, aber auch kleine Venen, können nach einer Verletzung so kontrahieren, dass der Blutstrom verlangsamt oder ganz gestoppt wird. Dieser Effekt der glatten Gefäßmuskulatur beruht auf der Aktivierung vasomotorischer Nerven sowie auf der Ausschüttung löslicher Mediatoren (Serotonin, ADP, Catecholamine), die lokal aus der verletzten Gefäßwand und aus den Thrombozyten freigesetzt werden.
Zelluläre Blutstillung
Thrombozytenadhäsion und Thrombozytenaktivierung
Ein intaktes Gefäßendothel bildet normalerweise Hemmstoffe der Thrombozytenadhäsion, wie Prostacyclin (PGI2) und Stickstoffmonoxid (NO). Diese Hemmwirkung fehlt bei Endotheldefekten, bei denen subendotheliale Strukturen wie Kollagen, Fibronektin und Laminin freigelegt werden und Thrombozyten aktivieren. Diese schwimmen als kleinste Zellen des Blutes am Außenrand des Blutstroms (hydrodynamische Margination) in unmittelbarer Nähe zur Gefäßwand. Daher können sie schnell auf lokale Endotheldefekte reagieren (Abb. 25.25). Auf ihrer Oberfläche tragen Thrombozyten den Glykoprotein-(GP-)Ia/IIa-Rezeptor, der zu den Integrinen gezählt wird und ein Rezeptor für Kollagen ist. Bei niedriger Fließgeschwindigkeit des Blutes reicht der Kontakt über den Glykoprotein-Ia/IIa-Rezeptor mit subendothelial freigesetztem Kollagen aus, damit die Plättchen an dem verletzten Endothel haften bleiben. In den Arteriolen, in denen aufgrund der höheren Fließgeschwindigkeit stärkere Scherkräfte herrschen, wird die Anheftung der Thrombozyten durch den Von-Willebrand-Faktor (vWF) gefestigt. Von-Willebrand-Faktor ist ein multimeres Protein und wird in Endothelzellen und Megakaryozyten synthetisiert. Er bindet einerseits subendothelial an Kollagen und heparinähnliche Glykosaminoglykane und andererseits an den GP-Ib/IX-Rezeptor auf der Thrombozytenoberfläche. Außerdem wirkt vWF als Trägerprotein des Gerinnungsfaktors VIII und schützt diesen vor dem vorzeitigen Abbau. Gleichzeitig werden über die beteiligten Adhäsionsmoleküle intrazelluläre Signale ausgelöst, die zu einer weiteren Aktivierung von Thrombozyten führen. Diese frühe Aktivierungsphase führt zu einer Pseudopodienbildung (Oberflächenvergrößerung) und somit zum Formwandel der Thrombozyten.
Die zweite wichtige Formänderung aktivierter Thrombozyten ist eine Zentralisierung der Organellen und Granula. Diese mündet in der Freisetzung der Inhaltsstoffe der Granula. Durch Zusammenlagerung (Clustering) der GP-Ib/IX- und GP-IIb/IIIa-Rezeptoren wird die Oberfläche der Thrombozyten klebrig (sticky platelets), was ihre Adhäsivität weiter steigert. Im Laufe der Thrombozytenaktivierung werden die gerinnungsaktiven Phospholipide der Plättchenmembran durch Floppasen nach außen transportiert und bilden damit die Matrix für die anschließend ablaufenden Gerinnungsprozesse.
Thrombozytenaggregation
Für die Bildung größerer Thrombozytenaggregate sind die GP-IIb/IIIa-Rezeptoren auf der Thrombozytenoberfläche von entscheidender Bedeutung. GP-IIb/IIIa-Rezeptoren binden v.a. Fibrinogen, aber auch Fibronektin, Thrombospondin und vWF aus dem Plasma. Die Thrombozyten werden auf diese Weise stark untereinander vernetzt. Anschließend kommt es zur irreversiblen Aggregation, bei der die Plättchen unter Membranauflösung miteinander verschmelzen. Aus dem Zellinhalt werden ADP und Serotonin freigesetzt. Außerdem setzt die aktivierte Phospholipase A2 Arachidonsäure aus Phospholipiden der Membran frei, die über den Cyclooxygenaseweg zu den zyklischen Endoperoxiden PGG2, PGH2 und Thromboxan A2 verstoffwechselt wird. Vor allem Thromboxan A2 verstärkt die irreversible Aggregation erheblich. Die Thrombozytenaggregation kann therapeutisch durch Cyclooxygenasehemmer (Acetylsalicylsäure, Aspirin) inhibiert werden, z.B. bei Patienten mit erhöhter Thromboseneigung. Der aus der irreversiblen Thrombozytenaggregation resultierende hämostatische Pfropf ist schließlich ausreichend groß, um das Gefäß abzudichten.

MERKE

In der primären Hämostase werden Thrombozyten durch freigelegte, subendotheliale Strukturen wie Kollagen aktiviert. Durch Interaktion zwischen Subendothel, dem GP-Ia/IIa-Rezeptor und dem vWF bleiben Thrombozyten haften. Positive Rückkopplungsmechanismen über die Freisetzung von u.a. ADP, Thrombin und über die Synthese von Thromboxan A2 führen zur irreversiblen Thrombozytenaggregation. Intaktes Endothel verhindert die Anheftung der Thrombozyten durch Hemmstoffe wie NO und Prostacyclin.

Gerinnung und Fibrinolyse

Das Gerinnungssystem und das gegenläufig wirkende Fibrinolysesystem stehen im Normalfall im Gleichgewicht (Abb. 25.26). Beide Systeme besitzen Aktivatoren und Inhibitoren zum effektiven Schutz vor spontaner intravasaler Koagulation bzw. Blutung. Da diese beiden lebenswichtigen Funktionen stets in vollem Umfang verfügbar sein müssen, bedient sich der Körper bei beiden Systemen der proteolytischen Aktivierung präformierter Proteine statt einer zeitraubenden Neusynthese. Störungen des Gleichgewichts führen entweder zur Blutungsneigung (Hämophilie) durch unzureichende Gerinnung und/oder gesteigerte Fibrinolyse oder zur Thromboseneigung (Thrombophilie), die durch gesteigerte Gerinnung und/oder verminderte Fibrinolyse hervorgerufen wird (Tab. 25.7).

Klinik

Mutationen in verschiedenen Genen des Gerinnungssystems oder Gerinnungshemmungssystems führen zur erhöhten Blutungsneigung (Hämophilie) oder Gerinnungsneigung (Thrombophilie).

Plasmatische Gerinnung
Zahlreiche Gerinnungsfaktoren der plasmatischen Gerinnung sind Serinproteasen, die im Plasma als enzymatisch inaktive Proenzyme (Zymogene) vorliegen. Durch Aktivierung von zunächst wenigen Molekülen werden in einer sich kaskadenartig fortsetzenden und gegenseitig amplifizierenden Reaktion weitere Gerinnungsfaktoren nacheinander spezifisch proteolytisch gespalten. Die plasmatische Gerinnungskaskade ist also eine serielle und zugleich eine parallele Aktivierung präformierter Zymogene. Auch Vorstufen von Inhibitoren werden proteolytisch aktiviert, wie beispielsweise Protein C oder Proenzyme des fibrinolytischen Systems (Abb. 25.27).
Beim Einsetzen der Gerinnung tragen mehrere Faktoren dazu bei, dass sich die Aktivität der Blutgerinnung zwischen 50- und mehr als 1000fach gegenüber den jeweiligen Einzelwirkungen beschleunigt. Unter anderem passiert das durch die sich selbst verstärkende Aktivierung einzelner Gerinnungsfaktoren und durch Komplexbildungen (Abb. 25.27) aus verschiedenen Faktoren. Komplexe wie der Prothrombinasekomplex bestehen aus vier funktionalen Komponenten:
  • einer aktiven Serinprotease (im Fall des Prothrombinasekomplexes Faktor X)

  • einem aktivierten Faktor als Akzelerator der enzymatischen Prozesse im jeweiligen Komplex (im Fall des Prothrombinasekomplexes Faktor V)

  • Phospholipiden aus freigelegten subendothelialen Strukturen oder Zellmembranen, welche die Faktoren auf ihrer Oberfläche versammeln

  • Calciumionen.

Analog dazu sind der Tenasekomplex (Faktoren VIII und IX) und der Faktor-VII/Tissue-factor-Komplex aus aktivierten Faktoren sowie Calcium und Phospholipiden aufgebaut.
Extrinsische und intrinsische Gerinnung
Die Bildung von Thrombin aus dem Zymogen Prothrombin wird durch Aktivierung des extrinsischen oder des intrinsischen Systems bewirkt (Abb. 25.27). Das extrinsische System wird direkt über die Bildung des Tissue-factor/Faktor-VII-Komplexes (TF:VIIa) aktiviert. Das intrinsische System benötigt zum Start den Kontaktfaktor Faktor XII, der dazu an negativ geladene Oberflächen (vermutlich Zellmembranen) gebunden und durch Kallikrein, Trypsin oder Plasmin aktiviert sein muss. Die höhere Aktivität der intrinsischen Gerinnungsfaktoren erklärt sich über deren Neigung zu autokatalytischer Aktivierung (Faktoren XI und XII).
Die überwiegende Anzahl der Gerinnungsfaktoren und Inhibitoren wird in der Leber synthetisiert. Die wenigen Ausnahmen sind z.B. FVIII (Endothel), FXIII (z.T. Thrombozyten), FIV (Calcium) und FIII (Gewebsthromboplastin). Die hepatisch gebildeten Proteine des Prothrombinkomplexes (Faktoren II, VII, IX, X) sowie die als Gerinnungsinhibitoren fungierenden Proteine C und S werden nach ihrer Synthese (posttranslational) durch -Carboxylierung am N-terminalen Ende modifiziert. Nur so können sie Calciumionen binden und an der Gerinnung teilnehmen. Diese an den Glutaminsäureresten stattfindende Derivatisierung geschieht durch eine -Glutamyl-Carboxylase mit Vitamin K als Cofaktor und ist Voraussetzung für die biochemische Funktion dieser Faktoren. Entsprechend führt Vitamin-K-Mangel oder die Behandlung mit Vitamin-K-Antagonisten (Cumarine, z.B. Marcumar, oder Warfarine) zu absinkenden Konzentrationen funktionsfähiger Proteasen des Prothrombinkomplexes und zur Blutungsneigung.
Fibrinbildung
Das Endprodukt der plasmatischen Hämostase ist netzförmiges Fibrin, das durch Spaltung des in hoher Konzentration (1,5–4 g/L) im Plasma vorliegenden Fibrinogens entsteht (Abb. 25.27). Fibrinogen ist ein Dimer aus jeweils zwei A-Ketten, zwei B-Ketten und zwei -Ketten. Daraus spaltet Thrombin die Fibrinopeptide A und B ab. Das führt zu einer faserartigen Polymerisation der entstandenen Fibrinmoleküle, die zunächst mechanisch belastbar sind, aber keine dauerhafte Stabilität haben. Um diese zu erreichen, verknüpft die thrombinaktivierte Transglutaminase Faktor XIIIa unter Freisetzung von Ammoniak die -Ketten und die -Ketten über Lysyl- und Glutamylreste (Abb. 25.28). Es entsteht ein kovalent stabilisiertes Fibringerinnsel, das gegen vorzeitige Fibrinolyse durch Plasmin resistent ist. Faktor XIIIa bindet zudem Moleküle der extrazellulären Matrix wie Fibronektin und Kollagen an das Fibringerinnsel. An dem entstehenden Gerüst können Fibroblasten wachsen, was die bindegewebige Organisation und Heilung der Verletzung unterstützt. Diese Zusammenhänge erklären auch, warum ein Faktor-XIII-Mangel zu einer Nachblutung aus einer primär bereits geschlossenen Wunde führen kann. Eine weitergehende Stabilisierung geschieht durch den thrombinaktivierbaren Fibrinolyseinhibitor (TAFI). TAFI entfernt als Exoprotease vom C-terminalen Ende des quervernetzten Fibrins Arginin- und Lysinreste, die als Bindungsmotive für Plasmin benötigt werden.

Blick ins Labor

Zur Erfassung von Gerinnungsstörungen werden im Labor sog. Globaltests aus Citratplasma durchgeführt. Das dem Blut beigemischte Citrat reduziert durch Komplexbildung die Konzentration des freien Calciums im Abnahmeröhrchen auf ca. ein Zehntel der Ausgangskonzentration. Nach Zugabe von Calcium, Phospholipiden und spezifischen Aktivatoren wird die Zeit bis zur Fibrinbildung in Sekunden gemessen. Die Globaltests ermöglichen eine Aussage, ob eine Gerinnungsstörung durch das intrinsische System bedingt ist (verlängerte aktivierte partielle Thromboplastinzeit [aPTT]) oder ihre Ursache im extrinsischen System hat (verlängerte Thromboplastinzeit nach Quick). Sie dienen daher als wichtige orientierende medizinische Untersuchungen auf Hämostasestörungen oder zur Therapiekontrolle.

Inhibitoren der Gerinnung
Der wichtigste Inhibitor der plasmatischen Gerinnungskaskade ist Antithrombin (AT III). AT III wird als Serinproteaseinhibitor (Serpin) in der Leber synthetisiert und besitzt hemmende Eigenschaften, v.a. gegenüber Thrombin und Faktor Xa (Abb. 25.27). Serpine hemmen ihre Substrate irreversibel durch 1:1-Komplexierung. AT III zirkuliert im Blut in einer nur schwach aktiven Konformation. Nach Interaktion mit einer spezifischen Pentasaccharidsequenz, die in endothelialen Heparinsulfaten, aber auch in therapeutischen Heparinen vorkommt, wird AT III ein potenter, hochaffiner Inhibitor zahlreicher Gerinnungsfaktoren. Die Interaktion zwischen AT III und Heparin erfolgt hierbei vornehmlich an Lysin- und Argininresten des Proteins und bewirkt dessen entscheidende Konformationsänderung, welche die inhibitorische Wirkung von AT III um ein Vielfaches steigert. Man nutzt diesen Effekt zur therapeutischen Gerinnungshemmung (Abb. 25.29). Im Gegensatz zur AT‑III-Bindung des hochmolekularen Heparins besitzen fraktionierte niedermolekulare Heparine oder vollsynthetische Pentasaccharide eine höhere bzw. exklusive Selektivität für aktivierten Faktor X und geringere bzw. keine Selektivität für Thrombin.
Aktiviertes Protein C (APC) ist ein weiterer zentraler Inhibitor im Gerinnungssystem. Die Serinprotease hemmt die prokoagulatorische Bildung von Thrombin (FIIa), indem sie spezifisch FVa und FVIIIa durch Proteolyse inaktiviert. Die beiden gehemmten Faktoren sind in aktivem Zustand Teile des Prothrombinase- und Tenasekomplexes und dabei direkt bzw. indirekt für die Prothrombinaktivierung verantwortlich (Abb. 25.27). Die Inaktivierung kann durch Protein S als APC-Kofaktor beschleunigt werden. Defizienzen der Gerinnungsinhibitoren AT III, Protein C oder Protein S sowie die durch eine Punktmutation im Faktor V bedingte Resistenz gegenüber APC sind angeborene Ursachen der Thrombophilie.

MERKE

Die unverletzten Oberflächen des Gefäßendothels lassen keine Gerinnungsaktivierung zu. Die Gerinnungsaktivatoren befinden sich im extravasalen Raum und kommen mit dem Blut nur im Rahmen einer Verletzung in Kontakt. Durch Proteolyse von präformierten inaktiven Vorläuferproteinen wird die Gerinnungskaskade in Gang gesetzt. Die sequenzielle Aktivierung von Gerinnungsfaktoren der extrinsischen und intrinsischen Gerinnungskaskaden führt letztlich zur Entstehung von Thrombin, das die Fibrinbildung aus Fibrinogen induziert. Mehrere Serinproteaseinhibitoren (Serpine) wie Antithrombin III oder Protein C verhindern ein Überschießen der Gerinnungsaktivierung.

Fibrinolyse
Die Wiederauflösung eines Fibringerinnsels (Fibrinolyse) oder eines Blutzellen enthaltenden Thrombus (Thrombolyse) erfolgt ebenfalls in enzymatischen Reaktionen durch Serinproteasen, deren Aktivität durch Serpine inhibiert wird. Die Fibrinolyse und damit evtl. die Rekanalisation eines Gefäßes erfolgen physiologischerweise durch die Serinprotease Plasmin. Plasmin ist die aktive Form des Zymogens Plasminogen (Abb. 25.27), das ebenfalls in der Leber gebildet wird. Es kann polymerisierte Fibrinfäden spalten oder auch schon deren Vorstufe, das Fibrinogen (Faktor I). Plasminogen wird durch zwei Plasminogenaktivatoren (PA) aktiviert, den Tissue-Plasminogenaktivator (t-PA) oder die Urokinase (u-PA). Die Serinprotease t-PA ist der wichtigste physiologische Aktivator von Plasminogen und wird vom Endothel und zahlreichen weiteren Organen gebildet. Wesentlich ist, dass t-PA als aktives Enzym in der Zirkulation vorliegt. Da sein Gegenspieler, der Plasminogenaktivator-Inhibitor 1 (PAI-1), im Überschuss vorliegt und mit t-PA einen Komplex bildet, kommt es unter normalen Bedingungen nicht zur Fibrinolyse. t-PA bindet, wie sein Substrat Plasminogen, an Fibrin. Die Anwesenheit von Fibrin als Matrix erhöht die t-PA-Aktivität lokal um den Faktor 100. Hierdurch werden die Plasminogenaktivierung und folglich die Fibrinolyse auf den Ort des Bedarfs fokussiert.
Die Serinprotease Urokinase (u-PA) findet sich überwiegend im extravasalen Raum und ist dort bei der extrazellulären Proteolyse, Gewebsumbildung und Tumormetastasierung wichtig. Im Plasma kommt sie als inaktive einkettige Form vor (Prourokinase), die durch diverse Aktivatoren, wie FXIIa, Thrombin oder Plasmin, in die zweikettige aktive Form gespalten werden kann. Dies ist ein weiteres Beispiel dafür, dass Hämostase und Fibrinolyse ineinandergreifende und gegenläufig regulierte Prozesse sind, die simultan ablaufen. Einmal aktiviertes Plasmin wird durch den Plasmininhibitor (PI) inaktiviert sowie durch TAFI gebremst. Die Konzentration von PI kann bei massiver Aktivierung der Fibrinolyse limitierend werden und mit entsprechender Blutungsneigung einhergehen.

Klinik

Eine disseminierte intravasale Gerinnung (DIC) oder auch Verbrauchskoagulopathie ist eine schwerwiegende erworbene Gerinnungsstörung unterschiedlicher Ursache. Sie zeichnet sich durch eine ungerichtete und massive intravaskuläre Gerinnungsaktivierung aus. Dies führt zu einem Verbrauch von Thrombozyten, Fibrinogen und zahlreichen weiteren Gerinnungsfaktoren und kann häufig irreversible Gefäßverschlüsse nach sich ziehen. Letztendlich resultieren der Verbrauch der Faktoren und die durch die gleichzeitig aktivierte Fibrinolyse entstehenden Fibrinspaltprodukte (Defibrinierungssyndrom) in einer zunehmenden Blutungsneigung (hämorrhagische Diathese). Unbehandelt entwickeln sich klinisch schwere generalisierte Blutungen, z.B. nach operativen Eingriffen, die im Vollbild unbehandelt tödlich verlaufen können.

MERKE

Die Auflösung von Fibringerinnseln (Fibrinolyse) ist die zentrale Funktion der Protease Plasmin, die durch zwei als Aktivatoren wirkende Serinproteasen t-PA sowie u-PA gebildet wird. Die Aktivierung des Fibrinolysesystems wird durch den Plasminogenaktivator-Inhibitor 1 (PAI-1) kontrolliert. Das aktive Plasmin wird durch den Plasmininhibitor (PI) gehemmt, die Stabilisierung von Fibrin durch den thrombinaktivierten Fibrinolyseinhibitor (TAFI).

ZUSAMMENFASSUNG

Zusammensetzung und Transportfunktionen

Das Blut ist ein flüssiges Organ, zusammengesetzt aus dem Blutplasma (55%), den darin gelösten Stoffen und den zellulären Elementen (45%). Der erwachsene Mensch besitzt ein Blutvolumen von 4 bis 6 L. Als ideales Transportsystem ist das Blut mit seinen Bestandteilen an unterschiedlichen physiologischen Vorgängen beteiligt, wie der Atemfunktion, der Aufrechterhaltung von pH, Isoionie und Isotonie, der Temperaturregulation, der Nähr- und Spülfunktion, dem Transport von Hormonen und Metaboliten sowie der Immunabwehr und der Blutgerinnung.

Plasmaproteine

Plasmaproteine üben entweder spezifische Funktionen im Blut aus oder erscheinen dort passager im Rahmen ihrer Zirkulation. Klassische Plasmaproteine sind Albumin zur Aufrechterhaltung des onkotischen Drucks, Gerinnungsfaktoren und Transportproteine sowie Immunglobuline und Komplementfaktoren für die Abwehr. Die Proteinzusammensetzung des Plasmas ändert sich sehr dynamisch im Rahmen physiologischer Vorgänge, z.B. zirkadianer oder hormonell zyklischer Rhythmik, aber auch bei Erkrankungen. Daher ist Plasma ein wesentliches medizinisches Untersuchungsmaterial.

Blutzellbildung und -reifung

Vorläufer aller Blutzellen stellen multipotente hämatopoetische Stammzellen dar. Aus diesen entstehen durch Differenzierungsschritte determinierte hämatopoetische Vorläuferzellen, die sich wiederum zu reifen Blutzellen weiterentwickeln. Das Proliferations- und das Differenzierungsverhalten der unreifen Vorläuferzellen werden durch das Knochenmarksstroma reguliert. Die Erythropoese wird durch das Hormon Erythropoetin aus Leber und Nierenrinde stimuliert, das selektiv an den Erythropoetinrezeptor der Vorläuferzellen bindet. EPO wird vermehrt gebildet, wenn der lokale Sauerstoffpartialdruck im Gewebe sinkt. Bei Bedarf kann die Erythropoese um das Fünf- bis Zehnfache gesteigert werden.

Erythrozyten

Die Hauptfunktion der Erythrozyten ist der Transport von O2 und CO2. Struktur, Zusammensetzung und Stoffwechsel des Erythrozyten sind seinen hoch spezialisierten Funktionen angepasst. Erythrozyten enthalten Hämoglobin, das für die Bindung von O2 und CO2 verantwortlich ist und ein wichtiges Puffersystem des Extrazellularraums darstellt. Der Stoffwechsel des Erythrozyten (anaerobe Glykolyse, Pentosephosphatweg) ist darauf ausgerichtet, das Hämoglobin funktionsfähig zu halten und die Stabilität der Zellstruktur zu gewährleisten. Strukturvarianten des Hämoglobins sowie Störungen in der Globinkettensynthese (Thalassämien) können die O2-Transportfunktion des Hämoglobins beeinflussen. Die Hämgruppe in jeder der vier Untereinheiten des Hämoglobins bindet Eisen (Hämeisen). Bei der physiologischen O2-Bindung bleibt Eisen in seinem reduzierten Zustand (Fe2+). Bei der Oxidation zu Fe3+ entsteht Methämoglobin. Die Häm-Biosynthese findet in den Mitochondrien und im Zytoplasma statt, der Abbau des Häms im MMS und in der Leber. Es wird zu den Gallenfarbstoffen Biliverdin und Bilirubin abgebaut.

Blutgruppenmerkmale

Erythrozyten tragen antigene Oberflächenmerkmale. Diese werden in Blutgruppensysteme zusammengefasst. Die transfusionsmedizinische Bedeutung der Blutgruppensysteme wird durch Antikörper gegen die Antigene bestimmt. Die stärkste Antigenität besitzen Blutgruppenmerkmale aus dem AB0-System (A und B) sowie aus dem Rhesus-System (Rhesus-Antigen D). Antigene im AB0-System sind verschiedene Zuckerstrukturen in Glykosphingolipiden, deren Aufbau genetisch durch drei verschiedene Allele (A, B, und H) der Glykosyltransferase festgelegt ist. Die Glykosyltransferasen übertragen im Golgi-Apparat sequenziell verschiedene Zuckerreste auf die Grundsubstanz.

Leukozyten und Entzündung

Neutrophile Granulozyten und Makrophagen bilden zusammen die funktionelle Einheit der Phagozyten. Zu den spezifischen Zellleistungen der Phagozyten gehören die Leukozytenevasation, die zielgerichtete Chemotaxis, die Phagozytose sowie die intrazelluläre Abtötung von Erregern (oxidativer Burst). Die Phagozytose von Fremdkörpern und Bakterien sowie der intrazelluläre Verdau durch lysosomale Enzyme sind wesentliche Prozesse der unspezifischen Immunabwehr. Eine wichtige Rolle spielt hierbei die NADPH-Oxidase, die den molekularen Sauerstoff in mikrobizide O2-Metaboliten umwandelt. Diese reaktiven Sauerstoffspezies oxidieren u.a. Membranlipide der Bakterien und wirken damit zytotoxisch.
Die Akute-Phase-Reaktion ist die systemische Reaktion des Organismus auf eine Gewebsschädigung und gekennzeichnet durch ein verändertes Proteinsynthesemuster der Leber. Mögliche Ursachen sind traumatische Gewebeschädigungen oder Infektionen. Die Bestimmung von Markerproteinen der Akutphase im Serum oder Blutplasma (z.B. CRP) erlaubt Früherkennung, Diagnose und Verlaufskontrolle entzündlicher Erkrankungen.

Hämostase

Das Blutstillungssystem besitzt zelluläre und lösliche Anteile. Gefäßkonstriktion und Thrombozytenaggregation ermöglichen eine primäre und oft nur provisorische Hämostase. Die sekundäre und langfristige Hämostase durch Blutgerinnung ist gekennzeichnet durch eine kaskadenförmige Aktivierung von als Zymogenen vorliegenden Serinproteasen. Sie wird im Fall einer Verletzung des Gefäßendothels durch den Kontakt der Plasmaproteine mit dem subendothelialen Bindegewebe ausgelöst. Am Ende der Blutgerinnung steht die Ausbildung eines stabilen Fibrinthrombus durch Thrombin und Faktor XIII, welche die Blutung stoppen und die Organisation der Verletzung sowie deren Heilung einleiten. Der Zymogenstatus der Gerinnungsfaktoren verhindert zusammen mit den Gerinnungsinhibitoren (Serpinen) die spontane Gerinnung (Thrombose).

Fibrinolyse

Durch die Fibrinolyse werden Blutgerinnsel und Thromben aufgelöst. Die Fibrinolyseaktivierung ist ebenfalls ein proteolytischer Prozess, der simultan mit der Gerinnung eingeleitet und teilweise durch dieselben Enzyme aktiviert wird. Plasmin ist das zentrale Enzym der Fibrinolyse. Die proteolytische Aktivierung von Plasminogen zu Plasmin erfolgt über die Serinproteasen u-PA und t-PA. Plasmin spaltet als Protease die Peptidbindungen des Fibringerinnsels. In der Spätphase massiver intravasaler Gerinnungsreaktionen (disseminierte intravasale Koagulation, DIC) kann es als Komplikation zu Hyperfibrinolyse und schweren Blutungen kommen.

Fragen

  • 1.

    Welche wichtigen Funktionen erfüllen die Plasmaproteine?

  • 2.

    Was sind die besonderen strukturellen und funktionellen Eigenschaften des Hämoglobins? (Denken Sie an Globinanteile und Hämgruppen, Oxyhämoglobin und Desoxyhämoglobin und kooperative Wechselwirkung.)

  • 3.

    Die Häm-Biosynthese durchläuft mehrere enzymatische Schritte.

    • 3a.

      Welche sind das?

    • 3b.

      Wie sind sie reguliert?

    • 3c.

      Welche Konsequenzen haben Enzymdefekte?

  • 4.

    Beschreiben Sie den Sauerstofftransport im Blut durch Erythrozyten. (Denken Sie an Oxygenierung und Desoxygenierung des Hämeisens, die Regulation der O2-Bindung, die Blockade des O2-Transports durch CO2 und die Energiebereitstellung im Erythrozyten.)

  • 5.

    Beschreiben Sie die zellulären Effektormechanismen beim akuten entzündlichen Geschehen. (Denken Sie an Leukozytenevasation und Chemotaxis sowie Phagozytose und Respiratory burst.)

  • 6.

    Beschreiben Sie die Abläufe bei einem akuten entzündlichen Geschehen. (Denken Sie dabei an positive und negative Reaktanten der Akute-Phase-Reaktion, C-reaktives Protein, proinflammatorische Interleukine und Nachweismethoden der akuten Phase.)

  • 7.

    Benennen Sie die Komponenten und die Vorgänge bei der primären Hämostase.

  • 8.

    Beschreiben Sie die kaskadenförmige Aktivierung des intrinsischen und extrinsischen Gerinnungssystems und deren labortechnische Überwachung in vitro.

029 IMPP-Fragen

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