Gasaustausch und das Problem der Luftantigene
Die Lunge erfüllt die lebenswichtige Funktion des Gasaustauschs: Sauerstoff (O₂) gelangt aus der Atemluft ins Blut, und Kohlenstoffdioxid (CO₂) wird abgegeben. Jedoch gelangen mit der Atemluft diverse Antigene in die Atemwege — Mikroorganismen, Pollen, Staubpartikel, Allergene. Es stellt sich eine fundamentale Aufgabe: den ungehinderten Durchtritt von Gasen zu ermöglichen und gleichzeitig das Eindringen fremder Agenzien in das innere Milieu des Organismus zu verhindern.
Die Lösung dieser Aufgabe ist auf der Ebene der Feinfeinstruktur des Respirationstrakts der Lunge realisiert. Der Schutz beruht auf zwei sich ergänzenden Mechanismen: der Blut-Luft-Schranke und dem Surfactant-System.
Aufbau des Respirationstrakts
Die finale strukturelle Einheit des Gasaustauschs ist die Alveole. Ihre Wand wird durch Epithelgewebe gebildet, das auf einer Basalmembran ruht. Innerhalb des Alveolarepithels werden zwei Zelltypen unterschieden:
- Typ-I-Alveolozyten (respiratorische Alveolozyten) — flache Zellen mit dünnem Zytoplasma, durch die die Diffusion der Gase stattfindet;
- Typ-II-Alveolozyten (sekretorische Alveolozyten) — prismatische Zellen, die den flüssigen Teil (die Hypophase) des Surfactants produzieren.
Der Alveole liegt ein Blutkapillar an, das von Endotheliozyten auf einer eigenen Basalmembran ausgekleidet ist. Die Basalmembranen des Alveolarepithels und des Kapillarendothels besitzen einen ähnlichen Aufbau und können in Bereichen maximalen Kontakts verschmelzen, was eine effiziente Gasdiffusion gewährleistet.
Alveolokapillarmembran
Die Blut-Luft-Schranke ist die Gesamtheit der Strukturen, die die Alveolarluft und das Kapillarblut trennen. Sie umfasst:
- Surfactant, der die Alveole von innen auskleidet;
- das Zytoplasma des Typ-I-Alveolozyten mit seiner Basalmembran;
- die gemeinsame oder verschmolzene Basalmembran;
- das Zytoplasma des Kapillarendotheliozyten;
- Alveolarmakrophag, der die in das Alveolarlumen eingedrungenen Antigene phagozytiert.
Der Gasaustausch durch diese Schranke erfolgt mittels freier Diffusion entlang des Partialdruckgradienten: O₂ wandert ins Blut, CO₂ in das Alveolarlumen. Alveolarmakrophagen gehören zum System der angeborenen Immunität und stellen die erste Linie der zellulären Abwehr der Atemwege dar.
Surfactant: Zusammensetzung und Herkunft
Der Surfactant ist eine oberflächenaktive Substanz, die die Alveolen von innen auskleidet. Er besteht aus zwei Phasen:
- Die Hypophase — der flüssige Teil, der von Typ-II-Alveolozyten produziert wird;
- die Membranphase — ein dichterer Oberflächenfilm, an dessen Bildung Clara-Zellen (bronchiolare Exokrinozyten) beteiligt sind, die in den terminalen Bronchiolen lokalisiert sind.
Von seiner chemischen Natur her ist der Surfactant ein Komplex aus Phospholipiden und spezifischen Proteinen (surfactantassoziierten Proteinen).
Funktionen des Surfactants
Das Surfactant-System erfüllt drei Schlüssel Funktionen:
- Barrierefunktion (antiadhäsiv für Antigene): Antigene können bei Kontakt mit der Membranphase des Surfactants weder zur Oberfläche des Alveolozyten noch weiter ins Blut vordringen;
- Verhinderung der Plasmatranssudation: Der Surfactant hindert den flüssigen Teil des Blutes daran, in das Alveolarlumen zu transsudieren, was andernfalls einen Nährboden für Mikroorganismen schaffen und die Atmung erschweren würde;
- Aufrechterhaltung der entfalteten Alveolen: Durch die Senkung der Oberflächenspannung verhindert der Surfactant den Kollaps (Atelektase) der Alveolen bei der Exspiration.
Darüber hinaus besitzen die Surfactantproteine SP-A und SP-D opsonierende Eigenschaften, was die Phagozytose von Mikroorganismen durch Alveolarmakrophagen erleichtert.
Schlüsselpunkte
- Der Lungenschutz vor Luftantigenen wird durch zwei Mechanismen gewährleistet: die Blut-Luft-Schranke und das Surfactant-System.
- Die Blut-Luft-Schranke umfasst den Surfactant, den Typ-I-Alveolozyten, die gemeinsame Basalmembran, den Kapillarendotheliozyten und den Alveolarmakrophagen.
- Der Gasaustausch zwischen Luft und Blut erfolgt durch einfache Diffusion.
- Typ-II-Alveolozyten produzieren die Hypophase des Surfactants, Clara-Zellen die Komponenten der Membranphase.
- Der Surfactant hemmt das Eindringen von Antigenen, verhindert das Austreten von Plasma in die Alveolen und beugt deren Kollaps vor.
- Alveolarmakrophagen sind ein Schlüsselelement der angeborenen Lungenimmunität, die die Phagozytose von Fremdkörpern durchführt.
- Die strukturelle Gemeinsamkeit der Basalmembranen von Alveolozyten und Endotheliozyten bildet die morphologische Grundlage für einen effizienten Gasaustausch.