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MedizinweltMedizinstudenten CharitePsychosomatische MedizinBuchkapitelBiologische Grundlagen der Anpassung und ihre Entwicklung

B978-3-437-21833-0.00002-4

10.1016/B978-3-437-21833-0.00002-4

978-3-437-21833-0

Elsevier GmbH

Biologische Grundlagen der Anpassung und ihre Entwicklung

eine Einführung

Johannes Kruse

Eva M.J. Peters

  • 2.1

    Einleitung25

  • 2.2

    Zur Operationalisierung des biopsychosozialen Modells: Stress, Allostase, Resilienz und Krankheit25

  • 2.3

    Ebenen und Verlauf von Stressreaktion/ Anpassungsprozess: Welche Systeme und Prozesse sind beteiligt?26

2.1

Einleitung

Um in einer Welt, in der es ständig Anforderungen und Veränderungen gibt, gesund zu leben und zu überleben, muss der menschliche Organismus sich immer wieder anpassen können. Das Ziel ist dabei, ein gesundes und qualitativ gutes Leben des Einzelnen zu sichern, aber auch erfolgreich eine nächste Generation aufzubauen, die sich noch besser an die Herausforderungen anpassen kann.
Damit AnpassungAnpassung(sreaktion)psychische gelingt, ist – eng an die psychische Dimension gekoppelt – in der biologischen Dimension einiges erforderlich. Droht z. B. Gefahr, müssen wir auf allen Ebenen die Anpassung ermöglichen, reagieren können. Gern wird da hypothetisch der Löwe in den Urwald geführt, der schon seit jeher eine akute Stressreaktion auslöst. Wird der Löwe als Herausforderung erkannt und als Gefahr eingeschätzt, ist Kampfstimmung gefordert oder aber eine schnelle Entscheidung, das Heil lieber in der Flucht zu suchen oder sich tot zu stellen. Neben diesen psychischen Prozessen sind biologische Prozesse erforderlich, die einen erfolgreichen Kampf oder eine gelungene Flucht erst ermöglichen: z. B. eine rasche Energiebereitstellung für Muskulatur und Gehirn, eine gute Zirkulation, welche die Energie in die geforderten Organe bringt, oder eine Immunantwort, die bei Verletzung effizient neue Keime eliminiert. Ebenso erfordert der TotstellreflexTotstellreflex eine biologische AnpassungAnpassung(sreaktion)biologische.
Diese Prozesse werden im Wesentlichen auf den folgenden Ebenen gesteuert:

  • •

    Genetik, Epigenetik (Kap. 3.1)

  • •

    Neurobiologie (Kap. 4)

  • •

    Endokrinologie (Kap. 5), Immunologie (Kap. 6) und

  • •

    Physiologie (Kap. 7).

Hier akkumulieren seit gut 80 Jahren die wissenschaftlichen Belege dafür, wie psychische Belastung und die Steuerung dieser biologischen Prozesse verlinkt sind und sich in ein biopsychosoziales Model integrieren (Kap. 1.2).

2.2

Zur Operationalisierung des biopsychosozialen Modells: Stress, Allostase, Resilienz und Krankheit

Anpassung(sreaktion)physiologischeAllostase-ModellBiopsychosoziales ModellOperationalisierungIm klassischen Stressmodell von Selye (1936/1950) ist zunächst jede Herausforderung (challenge), gleichgültig ob positiv oder negativ und potenziell bedrohlich (threat), als StressStress zu bezeichnen. Das aus dem Tierexperiment entwickelte Anpassung(sreaktion)physiologischebiologische Moderatorenbiologische Konzept war zunächst stark reduktionistisch. Die adaptiven Systeme werden aktiviert und nach erfolgter Anpassung (AdaptationAdaptation) wieder abgeschaltet. Der Organismus ist so zur effektiven BewältigungBewältigung(sstrategien/-verhalten)StressBewältigung(smechanismen/-verhalten) (Coping) von Herausforderungen fähig, die das Individuum und seine Nachkommenschaft sonst u. U. nicht überleben könnte.
Seit Seyle den Stress-Distress-SchemaBegriff Stress aus der Physik entlehnte, hat er jedoch eine beeindruckende Karriere vorzuweisen. Sicher ist dies darauf zurückzuführen, dass das Stressmodell sich sehr gut dazu eignet, körperliche Anpassungsprozesse genauso zu beschreiben wie Anpassungsprozesse auf der psychischen, behavioralen und sozialen Ebene.
Seit den 1960er- und 1970er-Jahren wird der Stressbegriff in der psychosomatischen Forschung betont pathogenetisch ausgelegt, und der Prozess der Anpassung seit Sterling und Eyer (1988) auch als „Allostase“ oder „Stabilität durch Veränderung“ bezeichnet. Zum Teil wird sich dabei auf die Konzepte des „milieu intérieur“ von Claude Bernard (1865) und der Homöostase von Walter Bradford Cannon (1929) zurückbesonnen. Dabei erfährt der Begriff der Anpassung eine Wandlung zunächst von kämpferischer Abwehr der Veränderung über die Vorstellung eines zu erhaltenden Status quo bis zur Vorstellung einer dynamischen wechselseitigen Beeinflussung von Organismus und Umwelt.
In seinem Konzept beschrieb Bernard zunächst die Notwendigkeit, ein inneres Milieu des Organismus gegen die Veränderungen der Umwelt aufrechterhalten zu können, um Überleben möglich zu machen. Mit HomöostaseHomöostase wurde die Fähigkeit des Organismus beschrieben, auch bei Veränderung der inneren und äußeren Bedingungen durch stabilisierende Maßnahmen ein Gleichgewicht überlebensnotwendiger Prozesse zu erhalten. Im Konzept der AllostaseAllostase-Modell ist Veränderung schließlich integrativer Bestandteil der Anpassung. Werden die adaptiven Systeme allerdings akut überstimuliert oder können unter dauerhafter Belastung nicht mehr adaptiv funktionieren, spricht man von allostatischer LastAllostatische LastStressallostatische Last (allostatic load) (McEwen und Stellar 1993). Operationalisiert wird allostatische Last in der Regel durch die Erfassung von Parametern, welche die Aktivierung der adaptiven Systeme anzeigen (Mauss et al. 2015). Dazu gehören: Blutdruck, Herzrate und Herzratenvariabilität (sympathisches Nervensystem und sein cholinerger Gegenspieler), die Kortisol-Bestimmung in Speichel oder Blut (Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinden-Achse, HHNA), C-reaktives Protein (CRP) und Zytokine wie Interleukin-6 (IL-6) im Plasma oder aus Immunzellen des peripheren Blutes (inflammatorischer Status) sowie metabolische Faktoren wie z. B. Cholesterin (Fettstoffwechsel) oder HbA1c (Energiestoffwechsel).
Seit Lazarus und Folkmann (1984) wird dabei anerkannt, dass die Ausprägung und pathogenetische Kraft einer Stressreaktion nicht primär von den zu objektivierenden Stressfaktoren abhängt, sondern davon, wie das betroffene Individuum die Herausforderung bewertet oder, laut Berton et al. (2007), wie resilientResilienz(entwicklung)StressResilienz das Individuum ist (Oken et al. 2015). Hier ergeben sich unmittelbare Anknüpfungsstellen auch für psychodynamische Konzepte.

Dosis, Dauer, Qualität und Bewertung des Stressors einerseits sowie biopsychosoziale Konstitution und Kondition andererseits entscheiden also über das pathogene Potenzial einer Stresseinwirkung.

StressorenkrankheitsrelevanteUnter hoher allostatischer Last und bei niedriger Resilienz können die adaptiven Systeme keine Anpassung mehr bewerkstelligen, und es kommt zur Erkrankung. Am ehesten lässt sich ein krankheitsrelevanter Stressor vielleicht definieren als eine von innen oder von außen kommende Bewältigungsanforderung an den Organismus, die nicht nur sein Gleichgewicht stört, sondern auch zur Wiederherstellung des Gleichgewichts Adaptationsleistungen fordert, die nicht automatisch ablaufen, die dem Betroffenen aufgrund seiner psychischen und biologischen individuellen Entwicklung nicht unmittelbar zur Verfügung stehen und die darüber hinaus über die Maßen Energie kosten.

Anhaltende, nicht kontrollierbare Störungen und Belastungen können so in die Zivilisationskrankheiten einmünden, vor allem dann, wenn die Befähigung, sie zu bewältigen, sowohl im psychischen wie im somatischen Sinne nicht gegeben ist oder fortschreitend verloren geht (Temoshok 1983; van Dyke et al. 1984; Eriksson et al. 2014; Gold 2015; Muller und Pawelec 2014).

In diesem Zusammenhang ist in den letzten Jahren insbesondere unser Wissen darüber gewachsen, dass extreme frühkindliche StresserfahrungenAnpassung(sreaktion)frühkindliche Stresserfahrungen die adaptiven Fähigkeiten erheblich reduzieren.

2.3

Ebenen und Verlauf von Stressreaktion/Anpassungsprozess: Welche Systeme und Prozesse sind beteiligt?

Die Stressoren oder Anforderungen provozieren in der Regel komplexe Anpassungsprozesse, die mehrere Adaptationssysteme einbinden. In biologischen Systemen und Regelkreisen aktiviert Stress dabei zunächst die sog. klassischen StressachsenStressachse: die HHNA mit StressHHNAHypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinden-Achse (HHNA)StressAusschüttung von KortisolKortisolStressantwort und die sympathische Achse (SA) mit Ausschüttung von NoradrenalinNoradrenalinStressantwort und AdrenalinAdrenalinStressantwort (Kap. 4, Kap. 5). Nach neueren Erkenntnissen kommen weitere Stressachsen hinzu mit Ausschüttung von Acetylcholin-Rezeptor Liganden (cholinerge Achse) (Higley und Picciotto 2014; Ofek und Soreq 2013) sowie von NeuropeptidenNeuropeptideStressantwort (z. B. Substanz P) und NeurotrophinenNeurotrophine (z. B. Nerve Growth Factor, NGF) Substanz PStressantwortStressSubstanz P(Black 2002; Peters et al. 2012). Diese Achsen und Mediatoren interagieren und modulieren gemeinsam z. B. die Schmerzverarbeitung, den Energiehaushalt, die Immunantwort und die Stimmungslage (Kap. 4, Kap. 5, Kap. 6 und Kap. 7).
StressStressantwortEbenen, Verlauf- bzw. Anpassungsprozesse erfolgen dabei in Phasen, wobei auf eine Alarmphase eine Abwehr- und Widerstandsphase und schließlich im günstigen Fall eine Erholungsphase bzw. im weniger günstigen Fall eine Erschöpfungsphase folgen. Ein Zuviel an Reiz(en) kann eine überdimensionierte Alarmreaktion und akute Erschöpfung hervorrufen. Eine länger anhaltende Belastung kann die Erschöpfungsphase protrahieren.
Anpassung(sreaktion)RegulationsvorgängeDie Anpassungsreaktion setzt sich aus sehr unterschiedlichen Regulationskreisläufen auf verschiedenen neurobiologischen Ebenen zusammen, die eng miteinander in zirkulären Prozessen interagieren:

  • •

    Seitens der Genetik werden Voraussetzungen geschaffen, effizient auf eine Herausforderung reagieren zu können. Diese Voraussetzungen können epigenetisch reguliert werden, d. h., die Kapazität, einer Anpassungsanforderung zu begegnen, kann nicht nur langfristig genetisch vorbestimmt sein, sondern auch durch epigenetische Modifizierung innerhalb einer Lebensspanne und transgenerationell geprägt werden (Kap. 3.1). Epigenetische Veränderungen beinhalten Modifikationen der Weitergabe von genetischen Inhalten. Diese können sich auf der Grundlage von psychosozialen Einflüssen entwickeln. Man spricht auch davon, dass eine genetische Prädisposition oder eine epigenetische Prägung der Anpassungskapazitäten eine höhere Anpassung(sreaktion)adaptiveoder niedrigere Stressresilienz bedingen kann.

  • •

    Auch anhand der neurobiologischen Dimension erfolgen Anpassungsprozesse (Kap. 4). In der entsprechenden Forschung wird vor allem auf eine Kartierung der zentralen Prozesse fokussiert. Mit bildgebenden Methoden werden verschiedene Hirnfunktionen lokalisiert, in denen Belastungen bearbeitet und registriert werden, darunter Gedächtnis, Emotionen, Empathie, Repräsentanz sozialer Beziehungen oder das Selbsterleben. Dabei zeigt sich ein bidirektionaler Zusammenhang. Einerseits steuern zentrale Hirnstrukturen die neuroendokrine StressreaktionStressantwortneuroendokrine, andererseits können durch eine neuroendokrine Stressreaktion neuronale Strukturen modifiziert werden.

  • •

    Die Psychoneuroendokrinologie hat die hormonellen Anpassungsprozesse zum Gegenstand (Kap. 5), sicher am bekanntesten darunter die vielfältigen Möglichkeiten, Kortisol in den verschiedensten Körpermaterialien von Blut über Speichel bis Haar zu bestimmen und darüber auf eine akute vs. chronische Aktivierung der HHNA zu schließen. Aber auch andere Produkte der Hypophyse, der peripheren endokrinen Organe und extraendokriner Organe wie der Haut sind hier Thema, z. B. Oxytocin oder Melatonin. Sie werden einerseits im Hinblick auf psychosoziale und kognitive Funktionen und andererseits an der Schnittstelle zur Immunologie und zur Organfunktion als Immunregulatoren und Wachstumsfaktoren untersucht.

  • •

    Auch das Immunsystem ist an den Anpassungsprozessen beteiligt. Die Immunantwort reagiert komplex auf die Einwirkung von Stress mit großen Unterschieden zwischen z. B. akuten und chronischen Expositionen (Kap. 6). Vereinfachend lässt sich zusammenfassen:

    • –

      Akuter StressakuterStress, der mit einer starken, aber zeitlich sehr begrenzten Aktivierung der Stressachsen einhergeht, fördert neurogene Entzündung und eine angeborene unspezifische und zelluläre Immunantwort. Es kommt zur verstärkten Ausschüttung von Zytokinen, die inflammatorisch wirken (INF-γ, TNF-α u. a.) und u. a. mit einer sog. T-Helferzell-Reaktion vom Typ 1 assoziiert sind. So können unter akutem Stress Viren, Bakterien und Pilze rasch und effizient abgewehrt werden. Jedoch kommt es auch zu prominenten „Kollateralschäden“ infolge der Freisetzung von Sauerstoffradikalen im Gewebe oder Abwehr von „Fremdkörpern“, die keine eigentliche Gefahr darstellen.

    • –

      Unter chronischem StresschronischerStress hingegen finden sich verstärkt spezifische humorale Immunantworten, die wenig „Kollateralschäden“ bewirken, jedoch zeitintensiv und zur Abwehr akuter Gefahren ungeeignet sind. Es werden vermehrt ZytokineZytokineantiinflammatorische wie IL-4, -5 und -10 freigesetzt, welche die akute entzündliche Reaktion unterdrücken. Dies kann subjektiv als Immunsuppression und Schutz vor akuter Erkrankung wahrgenommen werden. Andererseits fördert diese Verschiebung der Immunbalance zum Typ 2 des T-Helferzell-Profils das Risiko der Überproduktion von Antikörpern und damit von autoimmunen Geschehen und Allergien (Dhabhar 2000).

  • •

    Gegenstand der Psychophysiologie sind schließlich peripher, meist nichtinvasiv ablesbare Indikatoren für eine veränderte Aktivität der adaptiven Systeme (z. B. Blutdruck, Puls, Herzratenvariabilität, Atemfrequenz und -tiefe, Hautleitwert, Hirnströme u. a.; Kap. 7).

Regulationsvorgänge zwischen verschiedenen Systemebenen, physiologische Stressreaktion, adaptive Regulationen: Wege zur AnpassungAnpassung(sreaktion)Regulationsvorgänge involvieren neben den neuroendokrinen Prozessen immer die Immunantwort, die Regenerationskapazität betroffener Gewebe und metabolische Prozesse. Im Verlauf der akuten StressantwortStressantwortakute – u. a. moderiert über die eingezeichneten vier Achsen – verändert sich eine Vielzahl von Variablen verschiedener körperlicher Systeme wie: Herz-Kreislauf-Leistung, Tonus der glatten Muskulatur, Tonus des Halte-, Stütz- und Bewegungsapparats, Sekretion von Schweiß und Verdauungssäften, Aktivierung des Energiestoffwechsels, Immunbalance sowie Aktivierung von Vigilanz und Bewusstsein. Diese Veränderungen können als funktionelle Outcomes durch eine Vielzahl von Surrogatparametern erfasst werden. Das X zeigt an, das bei Nichtgelingen des Adaptationsprozesses eine stressabschaltende Rückkopplung entfällt und eine fortgesetzte Aktivierung der Stressreaktion stattfinden kann. (SA1 = sympathische Achse; CA2 = cholinerge Achse; HHNA3 = Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinde-Achse; NN4 = Neurotrophin/Neuropeptid-Achse)

[L231]

Des Weiteren gewinnen Aspekte der Energiegewinnung (Glykogenolyse, Lipolyse, Aminosäurenabbau) stetig mehr Aufmerksamkeit in der Stressforschung. Mit der Gesamtheit dieser Reaktionen richtet sich der lebende Organismus ein und ermöglicht im Idealfall die Bewältigung der Anforderung. Sie in ihrer Komplexität zu verstehen ist sowohl für das Verständnis der Nöte psychosomatischer Patienten als auch für die Erforschung und Versorgung dieser Patienten essenziell.
Die modernen Möglichkeiten der Genetik und Epigenetik sowie der Neurobiologie, Neuroendokrinologie, Immunologie und Psychophysiologie erlauben uns also, die Bedingungen für „StresskrankheitenStresskrankheiten“ bis auf die molekulare Ebene herunterzubrechen und exakt zu erfassen und darzustellen, wie der Stress in die Organe kommt, aber auch, wie die Stressreaktion das Erleben mitprägt. In der Erforschung der Pathogenese und diagnostisch bieten diese Fachrichtungen wertvolle Instrumentarien, die ihren Wert für die Entwicklung von Therapieansätzen jedoch in weiten Teilen noch zu beweisen haben.

Literaturauswahl

Bernard, 1865/1927

C. Bernard An Introduction to the Study of Experimental Medicine 1865/1927 Macmillan New York

Black, 2002

P.H. Black Stress and the inflammatory response: a review of neurogenic inflammation Brain Behav Immun 16 2002 622 653

Cannon, 1929

W.B. Cannon Bodily Changes in Pain, Hunger, Fear, and Rage 1929 Appleton-Century-Crofts New York

Dhabhar, 2000

F.S. Dhabhar Acute stress enhances while chronic stress suppresses skin immunity. The role of stress hormones and leukocyte trafficking Ann N Y Acad Sci 917 2000 876 893

Gold, 2015

P.W. Gold The organization of the stress system and its dysregulation in depressive illness Mol Psychiatry 20 2015 32 47

Lazarus and Folkmann, 1984

R.S. Lazarus S. Folkmann Stress, Appraisal, and Coping 1984 Springer New York

Oken et al., 2015

B.S. Oken I. Chamine W. Wakeland A systems approach to stress, stressors and resilience in humans Behav Brain Res 282 2015 144 154

Peters et al., 2012

E.M. Peters C. Liezmann B.F. Klapp The neuroimmune connection interferes with tissue regeneration and chronic inflammatory disease in the skin Ann N Y Acad Sci 1262 2012 118 126

Seyle, 1950

H. Seyle The Physiology and Pathology of Exposure to Stress 1950 ACTA Medical Publishers Montreal

Temoshok, 1983

L. Temoshok Emotion, adaptation and disease: a multidimensional theory L. Temoshok C. van Dyke L.S. Zegans Emotions in Health and Illness: Theoretical and Research Foundations 1983 Grune & Stratton New York 207 236

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