Der Anaesthesist

, Volume 57, Issue 10, pp 959–969

Expedition Glykokalyx

Ein neu entdecktes „Great Barrier Reef“
  • D. Chappell
  • M. Jacob
  • B.F. Becker
  • K. Hofmann-Kiefer
  • P. Conzen
  • M. Rehm
Leitthema

DOI: 10.1007/s00101-008-1445-4

Cite this article as:
Chappell, D., Jacob, M., Becker, B. et al. Anaesthesist (2008) 57: 959. doi:10.1007/s00101-008-1445-4

Zusammenfassung

Jedes gesunde Gefäß wird luminal von einer endothelialen Glykokalyx ausgekleidet, die mit dem Blutstrom interagiert und Filterfunktionen an der Gefäßwand wahrnimmt. Obwohl diese Struktur bereits vor fast 70 Jahren entdeckt wurde, blieb ihre physiologische Bedeutung lange Zeit unterschätzt. Neueren Erkenntnissen zufolge ist die Glykokalyx, neben den Endothelzellen selbst, ein wesentlicher Bestandteil der vaskulären Barriere. Die unterschiedlichen kolloidosmotischen Gradienten inner- und unterhalb dieser Struktur haben mittlerweile zu einer Modifizierung der Starling-Gleichung geführt. Das Interstitium weist in vielen Abschnitten eine Proteinkonzentration auf, die mit derjenigen des Plasmas vergleichbar ist. Der einwärts gerichtete Gradient, der Wasser und Protein im Gefäßsystem zurückhält, entsteht unterhalb der Glykokalyx durch selektive Proteinfilterung über diese Struktur hinweg. Die endotheliale Glykokalyx besitzt damit als weitere kompetente vaskuläre Permeabilitätsbarriere eine Schlüsselfunktion nicht nur für perioperative Flüssigkeits- und Proteinverschiebungen ins Gewebe, sondern scheint darüber hinaus eine bedeutende Rolle in der Pathophysiologie von Diabetes, Arteriosklerose, Sepsis und Ischämie/Reperfusion (I/R) und den damit verbunden vaskulären Dysfunktionen zu spielen. Die fragile Glykokalyx kann durch chirurgische Eingriffe, Trauma, Ischämie/Reperfusion, Sepsis oder Entzündungsmediatoren wie Tumor-Nekrose-Faktor- (TNF-)α zerstört werden; dies kann zu Leukozytenadhäsion, Thrombozytenaggregation und Ödembildung führen. Neuere Studien konnten zeigen, dass eine Protektion dieser Schicht nicht nur einen Schutz der Gefäßbarriere darstellt, sondern ein wichtiger Bestandteil einer rationalen perioperativen Flüssigkeitstherapie sein kann.

Schlüsselwörter

Proteinkonzentration Selektive Proteinfilterung Flüssigkeits- und Proteinverschiebungen Perioperative Flüssigkeitstherapie Pathophysiologische Bedeutung 

Expedition glycocalyx

A newly discovered „Great Barrier Reef“

Abstract

Healthy vascular endothelium is luminally coated by an endothelial glycocalyx, which interacts with the bloodstream and assumes a filter function on the vascular wall. Although this structure was discovered nearly 70 years ago, its physiological importance has been underestimated for a long time. Recent findings indicate that the glycocalyx is, in addition to the endothelial cells themselves, a main constituent part of the vascular barrier. The existence of different colloid osmotic gradients within and beneath this structure has now led to a modification of the Starling equation. In many vascular beds the interstitial space features a protein concentration similar to that of the plasma. The inwardly directed gradient, which retains water and proteins in the vascular system, is generated beneath the glycocalyx by selective protein filtration over this structure. The endothelial glycocalyx, as an additional competent vascular permeability barrier has, therefore, not only a key role for perioperative fluid and protein shifts into the interstitial space, but it seems to be intimately involved in the pathophysiology of diabetes, arteriosclerosis, sepsis and ischemia/reperfusion, especially with respect to associated vascular dysfunctions. The fragile glycocalyx can be destroyed in the course of surgery, trauma, ischemia/reperfusion and sepsis and by inflammatory mediators such as TNF-α, causing leukocyte adhesion, platelet aggregation and edema formation. Recent studies have shown that protecting this structure not only maintains the vascular barrier, but constitutes an important component of a rational perioperative fluid therapy.

Keywords

Protein concentration Selective protein filtration Fluid and protein shifts Perioperative fluid therapy Pathophysiologic importance 

Über viele Jahre hinweg schienen perioperative Flüssigkeitsverschiebungen bei Patienten unvermeidbar und nur durch eine liberale Flüssigkeitsgabe therapierbar. Neuere Arbeiten legen allerdings den Schluss nahe, dass gerade eine liberale Flüssigkeitstherapie im Kontext von geplanten großen abdominellen Eingriffen die interstitielle Flüssigkeitsüberladung überhaupt erst ermöglicht [6, 24, 33, 42, 52]. Der Schlüssel zur Vermeidung dieser Verluste in das Interstitium und zur Erhaltung der vaskulären Permeabilitätsbarriere scheint die endotheliale Glykokalyx zu sein [11, 32]. Ähnlich einem Korallenriff stemmt sie sich der (Blut-)Strömung entgegen und übernimmt eine wichtige Filterfunktion.

Die endotheliale Glykokalyx, eine an den Endothelzellen ausgebildete Schicht aus Proteoglykanen, Glykosaminoglykanen und Glykoproteinen, wurde bereits vor nahezu 70 Jahren beschrieben [15]. Basierend auf unzureichenden Darstellungstechniken glaubte man damals, dass diese offenbar alle gesunden Gefäße auskleidende Struktur eine Dicke von lediglich wenigen Nanometern hätte [44]. Eine relevante physiologische Bedeutung schien somit eher unwahrscheinlich. In den letzten Jahren wurde jedoch gezeigt, dass die Glykokalyx eine Dicke von ca. 0,5 µm hat und nicht nur für die Gefäßbarriere eine zentrale Rolle spielt, sondern auch vielfältige weitere physiologische Funktionen ausübt [10, 65, 77]. Zusammen mit gebundenen Plasmaproteinen bildet die Glykokalyx eine Oberflächenschicht, den „endothelial surface layer“ (ESL) aus, die mit einer Höhe von ca. 1 µm meist dicker ist als die Endothelzellen selbst [58, 59]. Klinisch relevant sind Veränderungen der endothelialen Glykokalyx, da aus der Abnahme der Glykokalyxdicke eine erhöhte Permeabilität der Gefäßwand für Makromoleküle resultiert [10, 29, 65]. Weiterhin verdichten sich die Anzeichen, dass die Glykokalyx bei so wichtigen Krankheitsbildern wie Diabetes [51], Sepsis [48], Arteriosklerose [50], Ischämie/Reperfusion (I/R; [60]) und Tumormetastasierung [79] ebenfalls eine zentrale Rolle spielt. In diesem Leitartikel soll dem Leser diese vaskuläre Struktur näher gebracht werden, sowie deren physiologische, funktionelle und auch pathophysiologische Bedeutung erläutert werden.

Ein anschaulicher Tauchgang – das verborgene Riff

Die Bedeutung der Glykokalyx war lange Zeit unerkannt und wurde, aufgrund einer elektronenmikroskopisch darstellbaren Dicke von weniger als 20 nm, lange Zeit auch kaum hinterfragt [44]. Das neue Interesse an der (patho-)physiologischen Rolle der Glykokalyx begann Ende der 80er Jahre mit der Beobachtung eines im Vergleich zum Gesamtblut niedrigen Kapillarhämatokrits [37]. Die intravitalmikroskopische Beobachtung, dass Blutzellen selbst in den kleinsten Kapillaren praktisch nie die anatomische Gefäßwand berühren, sondern auf Distanz gehalten werden, wurde in der Vergangenheit als rein physikalischer „Fåhraeus-Lindqvist-Effekt“ beschrieben [18]. Diese Erklärung wurde allerdings durch die Gabe von Hyaluronidase bzw. Heparinase, ein Enzym, welches selektiv Heparansulfate von der Glykokalyx abtrennt [12], widerlegt. Durch die Zerstörung der Glykokalyx steigt der Kapillarhämatokrit dramatisch an und gleicht dann dem Hämatokrit in den großen Blutgefäßen [16, 21]. Die Glykokalyx ist äußerst fragil und wird bei herkömmlicher Gewebefixierung bereits vor Durchführung der Elektronenmikroskopie nahezu vollständig zerstört. Allein durch eine zu hohe Lichtintensität bei der Intravitalmikroskopie kann die Glykokalyx degradiert werden [76]. Durch eine moderne Markierungstechnik auf Lanthanbasis wurde mittlerweile eine intakte endotheliale Glykokalyx mit einem Durchmesser von etwa 0,5 µm dargestellt, die teilweise sogar dicker ist als die Endothelzellen selbst (Abb. 1ab; [10, 12, 29, 65]). Neuere Studien mithilfe der Konfokalmikroskopie lassen sogar vermuten, dass die Dicke der Glykokalyx in großen arteriellen Gefäßen bis zu 4 µm betragen kann [4]. Immunhistochemische Anfärbungen können zwar nicht über die exakte Glykokalyxdicke Aufschluss geben, doch kann man mit ihrer Hilfe die Hauptbestandteile, u. a. Syndecan-1 (Abb. 2, oben) und Heparansulfat (Abb. 2, unten), nachweisen [8, 60].

Abb. 1

Elekronenmikroskopische Aufnahmen der endothelialen Glykokalyx im isoliert perfundierten Meerschweinchenherzen. ab Ausschnitt eines Koronargefäßes nach spezieller Anfärbung auf Lanthanbasis. Auf der luminalen Seite des Gefäßes ist eine intakte endotheliale Glykokalyx zu sehen. cd Ausschnitt eines Koronargefäßes nach 20-minütiger Ischämie/Reperfusion. Es sind rudimentäre Glykokalyxreste und deutliche interstitielle Ödeme zu sehen. ac sind Übersichts-, bd sind Nahaufnahmen. ([10])

Abb. 2

Immunhistochemische Anfärbung einer Koronararterie mit monoklonalen Antikörpern gegen Syndecan-1 (oben) und einer Koronararterie mit Mikrogefäßen angefärbt mit monoklonalen Antikörpern gegen Heparansulfat (unten). Beide Färbungen sind Paraffinschnitte eines Meerschweinchenherzens. ([60])

Dem vaskulären Endothel wurde in der Vergangenheit nachgesagt, an jeder pathologischen Situation mit vaskulärer Ausprägung beteiligt zu sein. Dabei wurde allerdings die Rechung ohne die endotheliale Glykokalyx gemacht. Erst wenn diese schützende Struktur nicht mehr vorhanden ist, werden die Endothelzellen und die sich auf diesen befindenden Rezeptoren, wie Adhäsionsmoleküle, freigelegt, die dann erst direkten Kontakt zum zirkulierenden Blut erhalten (Abb. 3; [66, 81]). Neueste Studien deuten auch an, dass in der Vergangenheit viele Untersuchungen zur vaskulären Barrierefunktion möglicherweise an insuffizienten, weil glykokalyxfreien Modellen durchgeführt wurden (z. B. Endothelzellkulturen oder isolierte, postischämische Gefäßpräparate; [56]). Diese Studien haben demnach zwar Erkenntnisse zur Barriere der Endothelzellkörper, aber keinerlei Einblicke in die physiologische Funktion der fragilen endothelialen Glykokalyx geliefert.

Abb. 3

a Struktur der intakten endothelialen Glykokalyx (Mod. nach [50]). b Pathophysiologische Situation nach Degradierung der endothelialen Glykokalyx. Die Ablösung der Plasmaproteoglykane führt zur Adhäsion von Blutzellen und zum Ausstrom von Plasmaproteinen aus dem Gefäßsystem. NO Stickstoffmonoxid, vWF Von-Willebrand-Faktor, ICAM „intercellular adhesion molecule“, VCAM „vascular adhesion molecule“. (Mod. nach [50])

Das Riffskelett – die Struktur der endothelialen Glykokalyx

Jedes gesunde Gefäß wird von einer endothelialen Glykokalyx ausgekleidet. Dabei handelt es sich um eine kohlenhydratreiche Schicht auf dem vaskulären Endothel. Das Grundgerüst besteht aus membrangebundenen Proteoglykanen und Glykoproteinen [50], die ähnlich einem Korallenriff der Strömung ausgesetzt sind (Abb. 3). Diese bilden zusammen mit Glykosaminoglykanen ein Geflecht aus, in das lösliche Moleküle, plasmatischer oder endothelialer Herkunft, eingebunden sind [50]. Ein dynamisches Äquilibrium zwischen dieser Schicht und dem fließenden Blut sorgt für eine ständige Änderung von Dicke und Zusammensetzung. Die Glykokalyx ist, u. a. durch enzymatisches oder „shear stress“ induziertes „shedding“ (Abspalten der einzelnen Glykokalyxbestandteile von der Endothelmembran oder dem Grundgerüst), in einem ständigen Auf- und Abbau, dessen Dynamik allerdings bislang noch unklar ist [41]. Daher lässt sich die genaue geometrische Struktur bisher nur als statisches Bild darstellen [66]. Die physiologische Wirkform der Glykokalyx, die ESL, entsteht durch ein dynamisches Anbinden von Plasmaproteinen und einen ständigen Austausch von membrangebundenen Molekülen [28, 59, 66]. Die Hauptbestandteile der Glykokalyx sind Syndecane, Heparan- und Chondroitinsulfate sowie Hyaluronan. Diese bauen sich luminal mit den Plasmaproteinen zum ESL auf [59, 66].

Im Folgenden werden wir nun noch tiefer in die geheimnisvolle Welt dieses „Riffs“ der endothelialen Glykokalyx eintauchen und ein ungeahntes Ökosystem beleuchten.

Die endotheliale Glykokalyx – Teil eines Great Double Barrier Reef

Der britische Physiologe Ernest Starling beschrieb 1896 die vaskuläre Barrierefunktion [73]. Sein nach wie vor vielerorts anerkanntes Prinzip basiert auf einem ausgeprägten kolloidosmotischen Konzentrationsgradienten zwischen Intravasal- (hoher kolloidosmotischer Druck) und Extravasalraum (Interstitium; niedriger kolloidosmotischer Druck), um Wasser im Gefäßsystem zu binden. Die „klassische“ Formel nach Starling erklärt die vaskuläre Barrierefunktion über die Aufrechterhaltung eines kolloidosmotischen Gradienten zwischen dem intravasalen Raum mit hohem kolloidosmotischen Druck und dem interstitiellen Raum mit niedrigem kolloidosmotischen Druck (Abb. 4a).

Abb. 4

a „Klassische“ Starling-Formel, b „revidierte“ Starling-Formel. KOD kolloidosmotischer Druck, EG endotheliale Glykokalyx, ESL „endothelial surface layer“

In den letzten Jahren wurden jedoch Zweifel an der Korrektheit dieses Prinzips laut, da einige Studien zeigen konnten, dass die vaskuläre Barriere ungeachtet der Tatsache funktioniert, dass die interstitielle Proteinkonzentration der intravasalen nahezu gleicht [2, 28, 29, 65]. Da nach Starling der geforderte kolloidosmotische Druckgradient nach intravasal praktisch wegfällt, würde aus diesem Befund eine errechnete Nettofiltration in das Interstitium resultieren, die die Kapazität des Lymphsystems bei Weitem übersteigt und die auch nicht den tatsächlichen Verhältnissen in vivo entspricht [2, 25, 40]. Dieses „Low-lymph-flow-Paradox“ [40] deutete bereits vor mehreren Jahren an, dass Starlings Gleichung nicht in der Lage sein kann, die vaskuläre Barrierefunktion zufriedenstellend zu beschreiben. Was aber könnte der Grund dafür sein, dass trotz des hohen Filtrationsdrucks Flüssigkeit auch dann noch in den Gefäßen verbleibt, wenn sich die intra- und die extravasalen onkotischen Drücke angleichen [2, 25]? Wo liegt die Ungenauigkeit in Starlings Gleichung?

Starling ging davon aus, dass die Endothelzellen allein die vaskuläre Barrierefunktion ausführen [73]. Wie konnte er auch anders – die endotheliale Glykokalyx war zu seiner Zeit völlig unbekannt. Einen der ersten Versuche, die Rolle der Glykokalyx für die vaskuläre Permeabilität zu beschreiben, unternahmen Curry u. Michel [14] Anfang der 80er Jahre. Vink u. Duling [77] konnten zeigen, dass große anionische oder neutrale Dextranmoleküle [Molekulargewicht (MG) >70.000] vollständig von der Glykokalyx ausgeschlossen werden, während kleinere Moleküle, Fibrinogen oder Albumin die Glykokalyx penetrieren können. Die Interaktion von Plasmaproteinen mit der Glykokalyx scheint eine wichtige Rolle zu spielen [1, 29, 70]. So senkt in der Glykokalyx gebundenes Albumin die hydraulische Leitfähigkeit [27]. Henry et al. [23] glaubten, dass ein Zurückhalten von Hydroxyäthylstärke (HES) innerhalb der Glykokalyx die Matrix zusammenzieht und dies zu einer Abnahme der vaskulären Extravasation von kleinen Dextranmolekülen (MG 40.000) führt. Theoretische und experimentelle Arbeiten haben gezeigt, dass die lokale Proteinkonzentration und der kolloidosmotische Druck direkt unter der Glykokalyx viel geringer sind als die entsprechende Konzentration und der Druck im Interstitium [25, 26].

Eine weitere wichtige Entwicklung war das „Double-barrier-Konzept“ von Rehm et al., das neben den Endothelzellen auch der endothelialen Glykokalyx eine eigene Schrankenfunktion zuschrieb [65]. Nach diesem neuen Modell zur vaskulären Permeabilität stellen sich zwei kompetente Barrieren dem Ausstrom von Flüssigkeit und Kolloiden entgegen: die endotheliale Glykokalyx und die Endothelzelle selbst. Damit wurde klar, dass die Arbeiten, die die endotheliale Glykokalyx unberücksichtigt ließen, dennoch wichtige Bausteine im Verständnis der vaskulären Barriere waren. Allerdings untersuchten sie lediglich die Endothelzellbarriere, eine Barriere, die insbesondere bei Zerstörung der endothelialen Glykokalyx von besonderer Wichtigkeit ist. Adamson et al. [2] konnten die Eigenschaften der Glykokalyx schließlich in das Starling-Modell integrieren, in dem sie das klassische Starling-Konzept mit der auch von ihnen vorgefundenen hohen interstitiellen Kolloidkonzentration in Einklang brachten. Der kolloidosmotische Konzentrationsgradient, als Träger der vaskulären Integrität, befindet sich demnach in vielen Gefäßgebieten nicht zwischen intra- und extravasal, sondern zwischen der Glykokalyx und dem luminal gelegenen schmalen Raum unterhalb derselben, bei nahezu gleicher Kolloidkonzentration in Gefäß und Interstitium (Abb. 4b). Die Glykokalyx bindet die nach auswärts strömenden Proteine und stellt sich somit als „Kolloidfilter“ diesem Strom entgegen. Die „revidierte“ Formel nach Starling erklärt, warum nahezu gleiche kolloidosmotische Drücke in Gefäßlumen und Interstitium kein Widerspruch zu einer funktionierenden vaskulären Schranke sein müssen: Der Gradient bildet sich lediglich über der endothelialen Glykokalyx aus (Abb. 4b). Jacob et al. [29] beobachteten zudem, dass nicht der kolloidosmotische Druck des Plasmas, sondern vielmehr die Art des intravasal verfügbaren Kolloids von großer Bedeutung für die vaskuläre Barrierefunktion ist. Weiterhin konnten sie zeigen, dass erst eine mit Albumin beladene endotheliale Glykokalyx tatsächlich in der Lage ist, neben dem mechanischen Widerstand der Endothelzellen, als suffiziente Barriere gegen Extravasation zu wirken [28]. Starlings Gleichung ist demnach nicht grundlegend falsch, sondern lediglich unvollständig [32]. Der real nicht vorhandene kolloidosmotische Konzentrationsgradient zwischen intravasal und interstitiell muss durch den Gradienten zwischen der Glykokalyx und dem schmalen Spalt darunter ersetzt werden (Abb. 4). Es könnte gut sein, dass durch die Aufladung der Glykokalyx mit Plasmaproteinen sogar ein höherer kolloidosmotischer Gradient entsteht, als Starling dies für die Gefäßbarriere vermutete. Festzuhalten bleibt, dass das Starling-Prinzip, nach dem ein kolloidosmotischer Druck dem Filtrationsdruck entgegensteht und damit einem Wasserausstrom entgegenwirkt, an sich nach wie vor gültig ist. Integriert man nun die Glykokalyx in das Starling-Modell, so wird letztendlich präzise definiert, an welcher Stelle der kolloidosmotische Gradient tatsächlich aufgebaut wird – es ist der ESL (Abb. 4b).

Filterfunktionen des Riffs – Auswirkungen auf den Intravasalraum und das Blutvolumen

Der hydrostatische Druckgradient zwischen dem Gefäßsystem und dem umliegenden Gewebe ermöglicht einen permanenten Flüssigkeitsauswärtsstrom, durch den der schmale Spalt unterhalb der Glykokalyx weitgehend proteinfrei bleibt; Rückdiffusion aus dem Interstitium findet nicht oder nur geringfügig statt [32]. Dadurch wird die Glykokalyx mit Plasmaproteinen zum ESL aufgeladen: Der Gradient nach der „neuen“ Starling-Gleichung entsteht. Dieser Gradient ist somit auf eine physiologisch intakte endotheliale Glykokalyx angewiesen. Vieles spricht dafür, dass zwischen einem Flüssigkeits- und einem Proteinshift in den interstitiellen Raum sowie einer Alteration der ESL ein Zusammenhang besteht. Dies spielt u. a. im Rahmen der perioperativen Flüssigkeitstherapie eine entscheidende Rolle. Während einer Hypervolämie wird „atriales natriuretisches Peptid“ (ANP) aus den Vorhöfen des Herzens freigesetzt. Neben seiner natrium- und wasserausscheidenden Funktion an der Niere und seiner vasodilatatorischen Wirkung [57] besitzt es noch eine weitere Eigenschaft, die die Integrität der Glykokalyx gefährdet. Experimentell konnte gezeigt werden, dass ANP auf derzeit noch ungeklärtem Wege in der Lage ist, die endotheliale Glykokalyx nachhaltig zu alterieren [7]. Die unterschiedlichen Volumeneffekte von Infusionslösungen in verschiedenen Hydratationszuständen („Kontextsensitivität“) können also durch eine Zerstörung der vaskulären Barriere erklärt werden. So haben isoonkotische Kolloide in normovolämen Patienten (z. B. bei normovolämer Hämodilution, eine Blutentnahme mit gleichzeitiger isovolämer Flüssigkeitsinfusion) einen Volumeneffekt von beinahe 100% [35, 63, 64], während in hypervolämen Patienten (z. B. „volume loading“, Flüssigkeitsinfusion ohne Blutentnahme) dieselben Präparate nur einen Volumeneffekt von ca. 40% aufweisen [62]. Bisher unveröffentlichte Daten über die Volumeneffekte von kristallinen Infusionslösungen zeigen Volumeneffekte von ca. 20%.

Die Methodik zur Blutvolumenbestimmung mittels der Doppelindikatortechnik, d. h. die simultane, direkte Messung zweier Kompartimente des Blutvolumens (BV) mithilfe der Indikatorverdünnung ist experimentell seit Jahren etabliert [30, 31, 34, 61, 62, 63]: Das Erythrozytenvolumen („red cell volume“, RCV) wird hierbei mit fluoreszeinmarkierten, patienteneigenen Erythrozyten bestimmt, das Plasmavolumen (PV) mit Indozyaningrün. Bei diesen Messungen stellte sich heraus, dass der Großgefäßhämatokrit („large vessel haematocrit“, HKLV), der routinemäßig in der Medizin bestimmt wird, signifikant vom Ganzkörperhämatokrit („whole body haematocrit“, HKWB) abweicht. Letzterer ist zwar dem Kliniker in der Regel nicht zugänglich, spiegelt aber die durchschnittlichen Verhältnisse im gesamten Körper wider und ist somit als Maß der tatsächlichen Erythrozytenfraktion zu betrachten. Der Ganzkörperhämatokrit errechnet sich aus Erythrozytenvolumen und Plasmavolumen [HKWB=RCV/(RCV+PV)]. Das Verhältnis aus HKWB und HKLV wird in der Literatur fcell genannt und beträgt normalerweise ca. 0,9. Die Ursache für die Differenz zwischen den beiden Hämatokritwerten ergibt sich durch das nichtzirkulierende Volumenkompartiment von Plasma innerhalb der endothelialen Glykokalyx [62].

Das intravasale Plasmavolumen kann also in einen zirkulierenden und einen nichtzirkulierenden Anteil unterteilt werden [11, 58, 62]. Der nichtzirkulierende Anteil des Plasmavolumens ist innerhalb des ESL gebunden. Der Verteilungsraum der Erythrozyten beschränkt sich jedoch auf den zirkulierenden Plasmaanteil; der Hämatokrit innerhalb dieses zirkulierenden Teiles entspricht dem HKLV. Je dicker also der ESL ist – die Literatur gibt hierfür mehr als 1 µm im gesunden Gefäß an [58, 62] –, umso stärker unterscheidet sich der HKWB vom HKLV und umso kleiner wird fcell. Dieses Phänomen haben wir uns klinisch zunutze gemacht, um das ESL-Gesamtvolumen, also die Menge des nichtzirkulierenden Plasmas eines Patienten, durch direkte Double-tracer-Blutvolumenmessungen zu quantifizieren. Hieraus ergeben sich beim Menschen ca. 800 ml [62]. Pries u. Kuebler [58] bestätigten diese Messungen, indem sie, ausgehend von einer gesamten endothelialen Oberfläche von rund 350 m2 und einer funktionellen Dicke der ESL von 1 µm, ein theoretisches ESL-Volumen von ca. 750 ml errechneten. Neuere Studien an gesunden Probanden berichten sogar von einem Gesamtvolumen von mehr als 1500 ml [50, 51]. In Relation zum tatsächlich zirkulierenden Blutvolumen kann man also bei der Glykokalyx und beim ESL in der Tat von einer Great Barrier sprechen, die, einem Filter gleich, dem interstitiellen Raum vorgeschaltet ist.

Das Riff als Ökosystem – potenzielle Gefahren für die Glykokalyx

Ökosysteme haben unterschiedlichste Elemente und Strukturen, die durch ein Netzwerk ökologischer Wirkungs- und Wechselwirkungsbeziehungen miteinander verbunden sind. Veränderungen der Umweltbedingungen haben oft substanzielle Auswirkungen auf das gesamte Ökosystem. Ähnliches gilt für die endotheliale Glykokalyx, die mit vergleichbaren Risikofaktoren konfrontiert ist. Verschiedene exogene und endogene Faktoren beeinträchtigen dieses Ökosystem mit z. T. verheerenden Folgen nicht nur für die Struktur und die Funktion des Riffs, sondern auch für den Gesamtorganismus.

Sauerstoffmangel ↔ Ischämie/Reperfusion

Gewebsschäden während einer kompletten oder partiellen Ischämie werden durch eine wiedereinsetzende Reperfusion noch verstärkt. Obwohl das Ausmaß der Schädigung durch I/R von dem betroffenen Gewebe abhängt und daher deutlich variieren kann, ist die mikrovaskuläre Dysfunktion eine gemeinsame Komponente dieses pathologischen Prozesses [19, 71]. Die Endothelzellen spielen eine zentrale Rolle nach I/R, indem sie sich nach einer ödematösen Aufquellung sogar von der Basalmembran ablösen können [54]. Besonders in den postkapillären Venolen erleiden die Endothelzellen oxidativen Stress [38] mit der Folge von Leukozytenadhäsion und -migration [80] sowie einer erhöhten vaskulären Permeabilität [65]. Basierend auf den oben beschrieben Funktionen der Glykokalyx wissen wir jedoch, dass diese eigentlich vor pathologischen Prozessen geschützt werden müsste. So haben neuere Arbeiten von Chappell et al. [10] am isolierten Meerschweinchenherzen gezeigt, dass eine 20-minütige warme Ischämiezeit ausreicht, um die Glykokalyx in diesem relativ empfindlichen Organ nahezu vollständig zu degradieren (Abb. 1cd). Im scheinbar nicht ganz so empfindlichen Darm ist hingegen eine 60-minütige Ischämie erforderlich, um eine signifikante Abnahme der Glykokalyxdicke zu induzieren [46]. Die Zerstörung der Glykokalyx führt in jedem Fall zu einem erheblichen Gewebeödem, das eine Organdysfunktion nach sich zieht [10]. Diese experimentellen Forschungsergebnisse wurden bereits erfolgreich in die Klinik übertragen. So konnten Rehm et al. [60] bei gefäßchirurgischen Patienten mit globaler oder regionaler Ischämie einen Anstieg der Glykokalyxhauptbestandteile Syndecan-1 und Heparansulfat im Plasma während der Reperfusion feststellen. Die intraoperative Zerstörung der Glykokalyx war proportional zum Ausmaß und zur Dauer der Ischämie.

Überflutung ↔ liberale Flüssigkeitstherapie

Die perioperative Perspiratio insensibilis, also die Evaporation über Haut und Atemwege, wurde lange Zeit überschätzt und beträgt selbst bei Eröffnung des Abdomens maximal 1 ml/kgKG/h [39]. Darüber hinaus sind Patienten trotz 10-h-Nüchternheit intravasal normovoläm [31], und Flüssigkeitsverluste in den sog. Dritten Raum sind nicht mehr als ein Mythos [11, 32]. Trotzdem wird in vielen Lehrbüchern eine liberale kristalloidbetonte Flüssigkeitstherapie empfohlen, um einer bedrohlichen Hypovolämie entgegenzuwirken. Neuere Studien konnten jedoch zeigen, dass große Mengen an Kristalloiden schwere kardiopulmonale Komplikationen [6, 52], verzögerte Wundheilung [6, 52] und erhöhte Mortalität [43] hervorrufen können. Die „Überflutung“ des Körpers bewirkt einen Flüssigkeitsshift von mehreren Litern in den interstitiellen Raum [6, 42, 52, 62]. Dies ist kein reiner Verlust von Wasser und Elektrolyten, sondern wird vielmehr begleitet von oder sogar verursacht durch einen Proteinverlust aus dem Gefäßsystem, der bis zu ein Drittel des intravasalen Gesamtbestandes an Protein betragen kann [61]. Als primäre pathophysiologische Noxe, die einen derartigen intraoperativen Proteinshift auslösen kann, kommt nach derzeitigem Kenntnisstand die intravasale Hypervolämie infrage, die eine Freisetzung von ANP aus den Vorhöfen bewirkt [36]. Dies deckt sich mit dem Befund aus tierexperimentellen Arbeiten, dass ANP offensichtlich in der Lage ist, die endotheliale Glykokalyx zu zerstören, und damit zu einer erhöhten Kolloidpermeabilität führt [7].

Was dies für Patienten bedeutet, konnten direkte Blutvolumenmessungen zeigen, die feststellten, dass sich das Volumen des ESL während Normovolämie (normovolämer Hämodilution) nicht veränderte [63]. Bei Hypervolämie (präoperativem Volume Loading) allerdings, nahm nach einer Infusion von 1417±209 ml 6%iger HES 200/0.5 das zirkulierende Plasmavolumen (PVcirc) auf Kosten des ESL zu. Das gesamte Plasmavolumen (PVgesamt) stieg lediglich um 597±296 ml an, was einem Volumeneffekt für dieses isoonkotische Kolloid von 43% entspricht. Damit wurden 57% dieses hypervoläm applizierten Flüssigkeitsbolus über die vaskuläre Barriere in das Interstitium geshiftet. Darüber hinaus nahm das Volumen des ESL von 717 ml auf 260 ml ab (Abb. 5; [62]). Ähnliche Effekte wurden nach Gabe von 1,379±128 ml 5%igem Albumin gemessen: Das gesamte Blutvolumen nahm um 507 ml zu, während das Volumen des ESL von 732 auf 389 ml abnahm [62]. Dies bedeutet, dass hypervoläm applizierte Boli von HES einen Volumeneffekt (also der Anteil, der nach intravasaler Gabe im Gefäßsystem verbleibt) von 43% und nach Albumin von lediglich 38% hatten. Beides ist weit entfernt von der Annahme, dass isoonkotische Kolloide immer einen Volumeneffekt von 100% haben. Eine „Überflutung“ des Körpers mit isoonkotischen Kolloiden führt also zu einer Abnahme der Integrität der Glykokalyx, zu einer Öffnung der vaskulären Barriere und damit zu einem Shift in den interstitiellen Raum [11, 32, 33]. Offensichtlich scheint die Aufrechterhaltung einer intravasalen Normovolämie einer der Schlüssel des Anästhesisten zur Erhaltung der endothelialen Glykokalyx zu sein, trotz der kaum vermeidbaren Zerstörung durch chirurgischen Stress, I/R, Trauma oder freigesetzten Entzündungsmediatoren wie Tumor-Nekrose-Faktor- (TNF-)α. Eine intakte Glykokalyx kann also Flüssigkeits- und Proteinverluste in den interstitiellen Raum verhindern.

Abb. 5

Direkte Blutvolumenmessungen vor und nach präoperativem Volume Loading. PVcirc zirkulierendes Plasmavolumen, PVgesamt gesamtes intravaskuläres Plasmavolumen, ESL „endothelial surface layer“. ([62])

Verkalkung ↔ Arteriosklerose

Arteriosklerose ist eine vaskuläre Erkrankung der größeren arteriellen Gefäße und benötigt typischerweise erhöhte „Low-density-lipoprotein“- (LDL-)Konzentrationen, um sich zu entwickeln [20]. Subendotheliale Anlagerungen von Lipoproteinen führen erst zu inflammatorischen Prozessen und schließlich zu subendothelialen Plaqueablagerungen [68]. Obwohl die genaue Rolle der Glykokalyx in diesem Prozess noch unklar ist, gibt es eine Reihe von höchst interessanten Beobachtungen. Vink et al. [75] untersuchten die Auswirkungen von klinisch relevanten Konzentrationen von oxidiertem LDL am M. cremaster des Hamsters. Erhöhte Konzentrationen führten nicht nur zu einer Alterierung der endothelialen Glykokalyx, sondern erhöhten in der Folge auch die Thrombozytenadhäsion. Eine weitere Studie konnte eine Abnahme der Glykokalyxdicke nach cholesterinreicher Diät nachweisen [74]. Darüber hinaus fand man eine inverse Relation zwischen Glykokalyxdicke und dem Intima-Media-Verhältnis; dies stellt unter diesen Bedingungen eine Abnahme der vaskuloprotektiven Kapazität der Glykokalyx in Bereichen mit hohem arteriosklerotischen Risiko dar. Schon mehrfach wurde gezeigt, dass die Dicke der Glykokalyx nicht konstant ist, sondern sogar innerhalb eines einzelnen Gefäßes deutliche Schwankungen aufweist. An gesunden Mäusen wurde eine deutlich schmalere Glykokalyxschicht in der Sinusregion der A. carotis interna im Vergleich zur A. carotis communis dargestellt. Insgesamt lassen diese Erkenntnisse darauf schließen, dass eine Alteration der Glykokalyx bei der Initiierung und der Progression der Arteriosklerose beteiligt sein sollte und vielleicht sogar einen der zentralen Schritte darstellt [50, 53, 60, 66].

Substratveränderungen ↔ Diabetes

Diabetes ist eine weit verbreitete und gut erforschte Erkrankung mit weitreichenden Komplikationen für die betroffenen Patienten, insbesondere Retino-, Vaskulo- und Nephropathie, sowie einem erhöhten Risiko für kardiovaskuläre Komplikationen [67]. Charakteristikum des Diabetes ist der Insulinmangel oder die Insulinresistenz, was zur Hyperglykämie und damit zur Beeinträchtigung des Schutzes des vaskulären Systems führt [47]. Dies wiederum bewirkt eine Minderung der Stickstoffmonoxid- (NO-)Synthasefunktion und eine verstärkte vaskuläre Permeabilität [3]. Nieuwdorp et al. [51] untersuchten die Glykokalyxvolumina von gesunden Probanden mit einem glykokalyxpenetrierenden Tracer (Dextran) und einem nichtpenetrierenden Tracer (markierte Erythrozyten). Sechs Stunden nach Induktion einer Hyperglykämie halbierte sich das Volumen der Glykokalyx. Entsprechende Ergebnisse zeigte der Vergleich von gesunden Probanden mit Typ-1-Diabetikern: Im Vergleich zu gesunden Probanden wurde bei den insulinpflichtigen Patienten ein halb so großes Glykokalyxvolumen bestimmt, das sogar noch geringer war, wenn gleichzeitig eine Mikroalbuminurie bestand. Parallel hierzu konnte eine erhöhte Menge an Bestandteilen der Glykokalyx (in diesem Fall Hyaluronan) im Blut nachgewiesen werden, was für ein erhöhtes Shedding spricht [51]. Dies legt den Schluss nahe, dass beim Diabetes eine Schädigung der Glykokalyx an der endothelialen Dysfunktion und der Vielzahl der vaskulären – insbesondere arteriosklerotischen – Komplikationen beteiligt sein könnte [60].

Parasitenbefall ↔ Tumormetastasierung

Seit Längerem ist bekannt, dass das Enzym Heparanase, das die Hauptbestandteile der Glykokalyx, nämlich die Heparansulfate, von der Endotheloberfläche abspaltet, eine wichtige Rolle bei angiogenesebezogenen Zellgeschehen, wie Migration, Adhäsion, Proliferation oder Differenzierung, spielt [79]. Das Abspalten von Heparansulfaten durch Heparanase kann eine Demontage der Endothelzellmatrix bewirken, eine Voraussetzung für Tumorinvasion und Extravasation von Blutzellen [79]. Expression von Heparanase korreliert mit dem metastatischen Potenzial von Tumoren [55, 79]. Darüber hinaus konnten in Blut und Urin von Patienten mit aggressiven metastasierten Tumoren erhöhte Konzentrationen von Heparanase nachgewiesen werden [72]. Die bedeutende Rolle von Heparanase bei Tumormetastasierungen wurde in Mäuseversuchen nachgewiesen. Nach Transfektion und Überexpression des Heparanasegens kam es zu deutlich erhöhter Lungen- und Leberbesiedlung mit Mausmelanomen, Lymphomen und Prostatakarzinomen [78], wohingegen das metastatische Potenzial von Zellen mit hoher endogener Heparanaseaktivität nach Gabe eines Heparanaseblockers (Anti-hpa-siRNA) deutlich gesenkt werden konnte [17]. Tumorzellen, die mit Anti-Heparanase-Ribosomen oder siRNA transfiziert wurden, zeigten eine geringere Vaskularisierung und eine geringere Metastasierung [17]. Für die hämatogene Metastasierung von Tumoren ist somit möglicherweise die Zerstörung der endothelialen Glykokalyx eine Voraussetzung.

Bakterielle Infektionen ↔ Sepsis

Dank einer intakten endothelialen Glykokalyx sollten zirkulierende Blutzellen (Erythrozyten, Leukozyten, Thrombozyten) im Normalfall kaum Kontakt zur endothelialen Zelloberfläche haben. Auch die Adhäsionsmoleküle von Endothelzellen [z. B. „intercellular adhesion molecule (ICAM-)1“] liegen aufgrund ihrer geringen Größe von <10 nm im Normalfall gut in dieser Schicht verborgen (Abb. 3a; [81]). Verschiedene pathophysiologische Bedingungen sind nun in der Lage, den ESL zu alterieren, z. B. durch die Freisetzung von TNF-α [22], oxidierten Lipoproteinen [75] oder anderen Entzündungsmediatoren. So ist es nicht verwunderlich, dass z. B. während einer Sepsis die vaskuläre Barriere leidet und generalisiert Ödeme entstehen. Nelson et al. [48] konnten zeigen, dass bei Patienten im septischen Schock vermehrt zirkulierende Glykokalyxbestandteile nachweisbar waren. Darüber hinaus war das Shedding mit erhöhten Komplikationsraten und höherer Mortalität verbunden. Marechal et al. [45]weisen in einem Tiermodell auf die Auswirkungen der intravenösen Gabe bakterieller Endotoxine hin. Neben dem Nachweis von Glykokalyxbestandteilen wurden signifikant erhöhte Werte von freien Radikalen sowie erhöhter oxidativer Stress im Blut gemessen. Dies deckt sich mit unveröffentlichten Daten unserer Arbeitsgruppe, die nach Gabe von LPS erhöhte Mengen von Glykokalyxbestandteilen, erhöhte TNF-α- und Interleukin-6-Spiegel sowie erniedrigte Leukozyten- und Thrombozytenzahlen fand. Vieles spricht also für eine generalisierte Entzündungsreaktion mit Shedding der Glykokalyx und Adhäsion von Zellen.

Aber auch für lokal ablaufende Entzündungsprozesse könnte die Funktion der endothelialen Glykokalyx ein entscheidender Schlüssel zum Verständnis vieler pathophysiologischer Abläufe werden. Werden Entzündungsmediatoren freigesetzt, so wird der Abbau der verhüllenden Glykokalyx den immunkompetenten Zellen diverse Adhäsionsmoleküle zugänglich machen (Abb. 3b). Abgespaltene Heparansulfate wirken zusätzlich chemotaktisch auf Leukozyten und erhöhen damit durch einen positiven Feed-back-Mechanismus deren Präsenz am Ort der Inflammation [5]. Ähnliches gilt für Thrombozyten. So könnte die Zerstörung der Glykokalyx auch bei Sepsis oder Ischämie ein wesentlicher, vielleicht sogar der initiale Trigger für Leukozytenadhärenz und Permeabilitätsstörung mit Ödementwicklung sein.

Korallenriffe sind wichtige, aber auch sehr empfindliche Ökosysteme und vielen Umwelteinflüssen ausgesetzt. Jede Veränderung kann unvorhersehbare Schäden verursachen. Ähnlich verhält es sich mit der endothelialen Glykokalyx. Es sollte daher unser Ziel sein, diese Struktur in ihrer physiologischen Form zu erhalten und gegen negative Einflüsse zu schützen.

Erhaltung und Schutz des Barrier Reef Glykokalyx

Aufgrund der Tatsache, dass die Glykokalyx eine zentrale Rolle für die vaskuläre Barriere spielt, sollte deren Erhaltung sowohl bei akut kranken Intensivpatienten als auch bei chronischen vaskulären Erkrankungen von großer Bedeutung sein. Vor Kurzem konnte der protektive Einfluss von NO auf die Glykokalyx nachgewiesen werden [8]. Durch den Erhalt der vaskulären Barriere konnten im Vergleich zur Kontrollgruppe Gefäßundichtigkeit und damit eine interstitielle Ödembildung vermieden werden. Die bislang nur ansatzweise geklärten Wirkmechanismen von Hydrokortison und Antithrombin stehen offenbar ebenfalls in engem Zusammenhang mit einer Protektion der endothelialen Glykokalyx [10]. Beispielsweise bewirkt Ischämie am Herzen über eine Degranulation von Mastzellen die Freisetzung von Histamin, inflammatorischen Mediatoren und verschiedenen Proteasen. Hydrokortison inhibiert die Degranulation von Mastzellen und damit möglicherweise die weitere Aktivierung proteolytischer Kaskaden. Eine Protektion der Glykokalyx durch Hydrokortison konnte bereits am perfundierten Herzen nach I/R gezeigt werden [10] und nach Gabe von TNF-α [9]. Bekannt ist zudem, dass ein Shedding des Glykokalyxbestandteils Syndecan-1 durch Metalloproteinaseinhibitoren vermindert werden kann. Mastzellen setzen bei Aktivierung große Mengen der Serinprotease Tryptase frei. Hier scheint sich eine Hemmwirkung durch Antithrombin, lokalisiert an der Glykokalyx, als protektiv zu erweisen (bisher unveröffentlichte Daten der Autoren). Auch eine direkte Infusion von Glykokalyxbestandteilen könnte eine Möglichkeit sein, diese Struktur wiederaufzubauen. Rubio-Gayosso et al. [69] konnten zeigen, dass die Infusion von Hyaluronsäure kurz nach Reperfusion des M. cremaster von Mäusen die beeinträchtigte vaskuläre Barriere nahezu vollständig wiederherstellen konnte. In einer weiteren Studie am M. cremaster wurde mithilfe der Intravitalmikroskopie gezeigt, dass infundierte Heparansulfate und Heparin sich an die Gefäßwand anlagerten und die geschädigte Glykokalyx wieder aufbauen konnten [13]. Weitere vielversprechende Protektionsmöglichkeiten könnten nach neueren Forschungsarbeiten TNF-α-Blocker [49] oder Radikalenfänger [51] sein, um den Abbau der Glykokalyx zu reduzieren.

Die Erhaltung der endothelialen Glykokalyx scheint damit eine wichtige präventive und therapeutische Maßnahme der Zukunft zu werden, sowohl für perioperative Belange wie Flüssigkeitstherapie, I/R oder Sepsis, als auch für chronische Erkrankungen wie Diabetes oder Arteriosklerose [60]. Die Glykokalyx hat sicher noch viele Geheimnisse preiszugeben, und künftige klinische Studien sollten darauf fokussieren, diese zu entdecken.

Epilog

Das Great Barrier Reef in Australien wird mittlerweile zu den 7 Weltwundern der Natur gezählt und ist von der UNESCO zum Weltnaturerbe erklärt worden, auch weil man sich zunehmend bewusst wurde, welche wichtige Rolle dieses Filtersystem für das gesamte Ökosystem Meer, eventuell sogar für das weltweite Klimasystem spielt.

Die Dichtigkeit von Blutgefäßen ist eine der Grundvoraussetzungen für die Entwicklung höherer Organismen. Damit ist es eigentlich kein großes Wunder, dass zwei kompetente Barrieren (Endothelzelle und Glykokalyx) diese Funktion gemeinschaftlich wahrnehmen. So unerwartet die neuen Erkenntnisse über die vaskuläre Barriere mit der Entdeckung der wahren Größe der endothelialen Glykokalyx auch waren, so verwunderlich ist allerdings, dass diese Double Barrier so lange verborgen blieb. Die „Neuentdeckung“ der endothelialen Glykokalyx mag an mancher Stelle den Eindruck erwecken, als sei quasi ein neuer Kontinent (wieder) entdeckt worden und damit ein neues Zeitalter angebrochen. Ob dem wirklich so ist, wird die Zukunft zeigen. Somit dürfen wir auf weitere Expeditionen in die „wundersame (neue) Welt der Glykokalyx“ sehr gespannt sein, die hoffentlich noch mehr Licht ins Dunkel der vaskulären Barriere und dieses faszinierenden Riffs bringen werden.

Fazit für die Praxis

Obwohl die endotheliale Glykokalyx bereits vor nahezu 70 Jahren entdeckt wurde, blieb die physiologische Bedeutung dieser Struktur lange Zeit unterschätzt. Neueren Erkenntnissen zufolge muss die Starling-Gleichung um das Wissen der Glykokalyx und ihrer Rolle als zusätzliche Komponente der vaskulären Barriere erweitert werden. Das Interstitium weist in vielen Abschnitten eine Proteinkonzentration auf, die mit derjenigen des Plasmas vergleichbar ist. Der einwärts gerichtete Gradient, der Wasser und Protein im Gefäßsystem zurückhält, entsteht daher unterhalb der Glykokalyx durch selektive Proteinfilterung über diese Struktur hinweg. Die endotheliale Glykokalyx besitzt nicht nur als kompetente Barriere gegen die Extravasation von Flüssigkeit und Protein eine Schlüsselfunktion an der vaskulären Schranke, sie ist mitentscheidend für Zellinteraktionen, wie Leukozytenadhäsion und Thrombozytenaggregation. Weiterhin scheint diese Struktur in der Pathophysiologie von Sepsis, Diabetes, Arteriosklerose und I/R und den damit verbundenen vaskulären Dysfunktionen eine bedeutende Rolle zu spielen. Studien haben gezeigt, dass eine Protektion dieser Schicht auch einen Schutz der Gefäßwand darstellt.

Interessenkonflikt

Der korrespondierende Autor gibt an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

Copyright information

© Springer Medizin Verlag 2008

Authors and Affiliations

  • D. Chappell
    • 1
  • M. Jacob
    • 1
  • B.F. Becker
    • 2
  • K. Hofmann-Kiefer
    • 1
  • P. Conzen
    • 1
  • M. Rehm
    • 1
  1. 1.Klinik für AnaesthesiologieKlinikum der Ludwig-Maximilians-UniversitätMünchenDeutschland
  2. 2.Walter-Brendel-Zentrum für Experimentelle MedizinLudwig-Maximilians-UniversitätMünchenDeutschland

Personalised recommendations