Atemwege und Lunge: Aufbau, Aufgaben und Verbindungen

Vier Aufgaben greifen ineinander

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Mit jedem Atemzug bewegt sich ein Gasgemisch durch die Atemwege. Die Luft wird auf ihrem Weg erwärmt, befeuchtet und von einem Teil ihrer Partikel befreit. In den tiefen Lungenabschnitten gelangt Sauerstoff über die Alveolarwand in das Blut. Kohlendioxid nimmt den umgekehrten Weg und verlässt den Körper beim Ausatmen. [1][18]

Für diese Leistung müssen vier Vorgänge zusammenarbeiten: Ventilation erneuert die Luft in den Lungenbläschen, Diffusion überwindet die Blut-Luft-Grenze, Perfusion führt Blut an dieser Grenze vorbei, und das Blut übernimmt den weiteren Gastransport. Jeder Vorgang besitzt eigene anatomische Voraussetzungen. So kann eine offene Luftröhre mit einer gestörten Lungendurchblutung zusammentreffen. [4][5][21]

Der Aufbau lässt sich deshalb auf mehreren Ebenen lesen. Die großen Atemwege erklären den Lufttransport. Lungenlappen und Gefäße zeigen die räumliche Organisation. Alveolen erklären den Stoffaustausch, Zwerchfell und Pleura die Bewegung. Die beiden vertiefenden Seiten Alveolen und Gasaustausch sowie Atemmechanik verfolgen diese Funktionen bis ins Detail. [2][3][7]

Nase und Nasenhöhle bereiten die Luft vor

Die Nasenlöcher führen zunächst in den Nasenvorhof. Weiter innen vergrößern die vorspringenden Nasenmuscheln die Schleimhautfläche und lenken die Strömung durch die Nasengänge. Enger Kontakt mit der gut durchbluteten, feuchten Oberfläche unterstützt den Wärme- und Wasseraustausch zwischen Körper und Atemluft. Besonders bei kalter, trockener Luft ist diese Aufbereitung bedeutsam. [1]

Schleim bindet einen Teil der eingeatmeten Partikel. Bewegliche Flimmerhärchen transportieren die darüberliegende Schleimschicht in Richtung Rachen. Schleimzusammensetzung, Flüssigkeitsschicht und koordinierter Zilienschlag bilden dabei eine funktionelle Einheit. Das olfaktorische Epithel für den Geruchssinn liegt in einem begrenzten oberen Nasenbereich und besitzt eine andere Spezialisierung als die großflächige respiratorische Schleimhaut. [1][14]

Über die hinteren Nasenöffnungen erreicht die Luft den Nasenrachen. Mundatmung eröffnet einen zusätzlichen Zugang zum Rachen. Welche Strecke Luft nimmt, beeinflusst ihren Kontakt mit den aufbereitenden Oberflächen. Die anatomische Verbindung zwischen Nase, Mund, Rachen und Kehlkopf erklärt außerdem, weshalb Schlucken, Sprechen und Atmen zeitlich aufeinander abgestimmt werden. [1]

Rachen und Kehlkopf verbinden Luftleitung und Schutz

Der Rachen liegt hinter Nasenhöhle, Mundhöhle und Kehlkopf. Im mittleren und unteren Abschnitt kreuzen sich Luft- und Nahrungsweg. Beim Schlucken verändern Zunge, Rachenmuskulatur, Kehlkopf und Kehldeckel gemeinsam ihre Stellung. Der Kehlkopfeingang wird geschützt und der Speisebolus zur Speiseröhre weitergeleitet. Die kurze Atemunterbrechung ist Teil dieser koordinierten Bewegung. [1]

Der Kehlkopf enthält Knorpel, Gelenke, Bänder und Muskeln. Die beweglichen Stimmlippen begrenzen die Stimmritze. Beim Einatmen wird dieser Durchgang geöffnet; bei der Stimmbildung nähert sich das Gewebe an und kann durch den Luftstrom in Schwingung geraten. Die Stellung der Stimmlippen gehört somit sowohl zur Luftleitung als auch zur Stimme. [1]

Die Schwingung der Stimmlippen erzeugt den Ausgangsklang der Stimme. Rachen, Mund und Nasenräume verändern ihn als Resonanzräume weiter. Ihre Form und die beweglichen Strukturen des Vokaltrakts prägen so gemeinsam den Klang beim Sprechen und Singen. [31]

Unterhalb des Kehlkopfs setzt sich der Atemweg als Luftröhre fort. Die Speiseröhre verläuft dahinter. Diese enge Nachbarschaft setzt sich im Bau der Trachealwand fort: Ihre stabilisierenden Knorpelspangen sind nach hinten offen. Eine bewegliche Hinterwand lässt Raum für Veränderungen der benachbarten Speiseröhre und für die Regulation des Trachealdurchmessers. [7][8]

Die Luftröhre hält einen zentralen Transportweg offen

Hyaline Knorpelspangen stützen die vordere und seitliche Wand der Trachea. Der hintere Abschnitt enthält den glatten Musculus trachealis und Bindegewebe. Eine kontinuierliche Schleimhaut kleidet auch diese Hinterwand aus. Das Atemwegslumen steht dadurch rundum mit Epithel in Kontakt, während Knorpel und Muskel tiefer in der Wand liegen. [7][8]

Das mehrreihig wirkende respiratorische Epithel besteht aus mehreren Zelltypen. Flimmerzellen bewegen Schleim nach oben; Becherzellen und tiefer gelegene Drüsen liefern Sekrete. Basalzellen beteiligen sich an der Erneuerung des Epithels. Die Zellen sitzen auf einer Basalmembran, welche das Epithel gegenüber dem darunterliegenden Gewebe verankert und abgrenzt. [7][14]

An der Bifurkation teilt sich die Trachea in den rechten und linken Hauptbronchus. Der rechte Hauptbronchus verläuft typischerweise kürzer und steiler als der linke. Die Verzweigungsstelle liegt zentral zwischen den Lungen. Von hier aus verteilen zunehmend feinere Luftwege die Atemluft auf Lappen, Segmente und schließlich die gasaustauschenden Einheiten. [1][10]

Bronchien: dieselbe Grundaufgabe, zunehmend feinere Verteilung

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In der rechten Lunge führen drei Lappenbronchien zu Ober-, Mittel- und Unterlappen. Links versorgen zwei Lappenbronchien Ober- und Unterlappen. Aus ihnen gehen Segmentbronchien hervor. Ein bronchopulmonales Segment besitzt einen eigenen zuführenden Segmentbronchus und einen zugeordneten Ast der Lungenarterie. Diese Nachbarschaft organisiert Luft- und Blutzufuhr innerhalb der Lunge. [2][10]

Mit der Verzweigung verändert sich die Wand. In intrapulmonalen Bronchien liegen unregelmäßige Knorpelplatten statt der großen C-förmigen Trachealspangen. Glatte Muskelzüge beeinflussen die Weite des Lumens. Drüsen und sekretbildende Epithelzellen tragen weiterhin zur Oberflächenflüssigkeit bei. Im Querschnitt können Schleimhautfalten deshalb zusammen mit Knorpel und Muskel die Zuordnung eines Bronchus erleichtern. [6][7][8]

Die Segmentgliederung ist feiner als die Einteilung in Lappen. Rechts werden üblicherweise zehn Segmente beschrieben. Links sind mehrere Zuführungen häufiger zusammengefasst; je nach anatomischer Benennung werden acht bis zehn Segmente unterschieden. Für das Verständnis ist die Zuordnung von Bronchus und Arterienast entscheidend. Lungenvenen verlaufen vielfach in den Grenzen zwischen benachbarten Versorgungsgebieten. [10]

Bronchiolen bilden den Übergang zur Austauschzone

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Bronchiolen besitzen keine Knorpelplatten und keine submukösen Drüsen. Ihre Wand enthält glatte Muskulatur, ihr Epithel wird in Richtung Peripherie niedriger. In den kleinen leitenden Luftwegen treten kubische Flimmerzellen und sekretorische Club-Zellen auf. Club-Zellen bilden Bestandteile der Oberflächenflüssigkeit und beteiligen sich an der lokalen Gewebeerneuerung. [6][7][8]

Eine terminale Bronchiole beendet den rein leitenden Abschnitt. Ihre geschlossene Wand besitzt noch keine Alveolen. Danach beginnen respiratorische Bronchiolen mit einzelnen Lungenbläschen in der Wand. Weiter distal folgen Alveolargänge und Alveolarsäckchen. Der Luftweg geht damit schrittweise aus einer durchgehenden Röhre in einen durch zahlreiche Alveolaröffnungen gegliederten Raum über. [6][12]

Ein Acinus umfasst das gasaustauschende Gebiet hinter einer terminalen Bronchiole. Innerhalb dieser kleinen Einheit liegen Luftwege, Alveolen und ein dichtes Kapillarnetz eng zusammen. Viele Acini bauen gemeinsam das Lungenparenchym auf. Diese Bezeichnung ist besonders nützlich, wenn mikroskopische Bauweise, regionale Belüftung und Gefäßversorgung in Beziehung gesetzt werden. [11][12]

Lungenlappen, Fissuren und die Nachbarschaft zum Herzen

Die rechte Lunge besitzt drei Lappen. Eine horizontale Fissur trennt Ober- und Mittellappen, eine schräge Fissur grenzt den Unterlappen ab. Links trennt eine schräge Fissur Ober- und Unterlappen. Die Lingula ist ein zungenförmiger Abschnitt des linken Oberlappens. Ihre Lage neben dem Herzen erklärt die Form des vorderen linken Lungenrandes. [2][18]

Die Lappenspalten reichen von der Oberfläche ins Organ und sind mit viszeraler Pleura überzogen. Ihre Tiefe und Vollständigkeit können variieren. Die Lappen lassen sich räumlich gegeneinander verschieben, während ihre Bronchien und Gefäße über die Lungenwurzel mit dem zentralen Brustraum verbunden bleiben. Lappengrenzen und Segmentgrenzen folgen daher unterschiedlichen anatomischen Prinzipien. [2][10]

Die breite Lungenbasis liegt auf dem Zwerchfell. Die Lungenspitzen reichen nach oben zur oberen Thoraxöffnung. Zwischen den beiden Lungen liegt das Mediastinum mit Herz, großen Gefäßen, Trachea und Speiseröhre. An den dem Mediastinum zugewandten Flächen hinterlassen diese Nachbarstrukturen Eindrücke. Die Herzlage macht die linke Lunge insgesamt schmaler. [2][18]

Hilum und Lungenwurzel bündeln die Verbindungen

Das Hilum ist die Eintritts- und Austrittsregion an der medialen Lungenfläche. Durch diese Region ziehen Hauptbronchus, Lungenarterie, Lungenvenen sowie kleinere Bronchialgefäße, Nerven und Lymphwege. Die Gesamtheit der verbindenden Strukturen bildet die Lungenwurzel. Das Hilum bezeichnet somit einen Ort, die Wurzel das dort verlaufende Bündel. [2][10]

Die Anordnung lässt sich räumlich verfolgen: Die Lungenvenen liegen typischerweise eher vorne und unten. Rechts verläuft die Lungenarterie vor dem Hauptbronchus, links zieht sie über ihn hinweg. Verzweigungen und Gefäßmündungen weisen Varianten auf. Für das Lesen anatomischer Ansichten sind deshalb Seitenangabe und Blickrichtung ebenso wichtig wie die Bezeichnung der einzelnen Leitungsbahn. [10]

Innerhalb der Lunge begleiten Äste der Pulmonalarterie überwiegend die verzweigten Bronchien. Die venöse Rückführung sammelt Blut aus dem Kapillarnetz und zieht häufig zwischen den bronchialen Versorgungsgebieten. Luftwege, Arterien und Venen liegen damit räumlich organisiert nebeneinander, besitzen aber unterschiedliche Wege und Aufgaben im Transport. [10]

Pleura: zwei gleitende Blätter koppeln Lunge und Brustwand

Das Lungenfell, die viszerale Pleura, überzieht die Lungenoberfläche und zieht in die Fissuren. Die parietale Pleura kleidet Brustwand, Zwerchfelloberseite und die seitliche Begrenzung des Mediastinums aus. Zwischen beiden liegt ein schmaler, flüssigkeitsbenetzter Pleuraspalt. An der Lungenwurzel gehen die beiden Blätter ineinander über. [2]

Die Flüssigkeit vermindert Reibung, während sich die Lunge beim Atmen gegenüber ihrer Umgebung verschiebt. Zugleich überträgt die Druckverteilung an der Lungenoberfläche die Bewegung des Thorax auf das Organ. Lunge und Brustwand haben unterschiedliche elastische Eigenschaften: Das Lungengewebe zieht nach innen, der Brustkorb strebt im ruhigen Ausatemzustand nach außen. [9][18]

In den Umschlagbereichen der parietalen Pleura bestehen Reserven für die Ausdehnung der Lunge. Besonders zwischen Rippen- und Zwerchfellabschnitt bildet sich ein Rezessus. Bei tieferer Einatmung nimmt das Lungenvolumen zu und die Lungenränder verschieben sich. Eine eigene Darstellung der Atemmechanik erklärt die dabei wirksamen Druckunterschiede. [2][3]

Zwei Gefäßsysteme versorgen unterschiedliche Aufgaben

Der Lungenkreislauf führt das Blut aus der rechten Herzkammer über den Truncus pulmonalis und die beiden Lungenarterien zum alveolären Kapillarnetz. Hier nimmt das Blut Sauerstoff auf und gibt Kohlendioxid ab. Lungenvenen leiten es zum linken Vorhof. Dieser Kreislauf transportiert im Mittel den gesamten Auswurf der rechten Herzkammer bei vergleichsweise niedrigem Druck. [10]

Die Bronchialarterien gehören zum Körperkreislauf und entspringen meist direkt oder indirekt aus der Brustschlagader. Sie versorgen unter anderem die Wände größerer Atemwege und begleitendes Gewebe. Ihr Blutfluss ist erheblich kleiner als der des Lungenkreislaufs. Die Verbindung von nutritiver Versorgung und Gasaustauschfunktion erklärt, weshalb die Lunge zwei arterielle Zuführungen besitzt. [10]

Auch die venösen Wege unterscheiden sich. Ein Teil des Bronchialblutes fließt über Bronchialvenen in das systemvenöse Gefäßnetz. Ein weiterer Anteil gelangt über Verbindungen in die Lungenvenen. Diese Beimischung gehört zu den Gründen, weshalb arterielles Blut und idealisierte Alveolarluft im gesunden Körper keine vollkommen identischen Sauerstoffpartialdrücke erreichen. [10][22]

Die Alveolarwand bringt Luft und Blut eng zusammen

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Benachbarte Alveolen teilen dünne Septen mit einem eingelagerten Kapillarnetz. Flache Typ-I-Alveolarzellen bedecken den größten Teil der Luftoberfläche. Kubische Typ-II-Zellen liegen dazwischen und speichern Surfactant in Lamellarkörperchen. Auf der Blutseite begrenzen Endothelzellen die Kapillaren. Die engen Zellkontakte unterstützen die kontrollierte Trennung der Flüssigkeitsräume. [7][11]

An besonders dünnen Austauschstellen liegen Alveolarepithel und Kapillarendothel dicht aneinander; ihre Basallaminae können eine gemeinsame Schicht bilden. Andere Septenbereiche enthalten mehr Bindegewebe, Zellkerne und Fasern. Dünne Diffusionsstrecken und tragende Gewebeanteile sind innerhalb desselben Septums räumlich verteilt. Das ermöglicht Austausch und mechanische Stabilität auf engem Raum. [7][11]

Sauerstoff und Kohlendioxid folgen ihren jeweiligen Partialdruckgefällen. Sauerstoff gelangt aus der Alveolarluft über Flüssigkeitsfilm, Epithel, Basallamina beziehungsweise Interstitium und Endothel ins Blut. Für Kohlendioxid verläuft das Gefälle im Lungenkapillargebiet in die Gegenrichtung. Eine gut belüftete Oberfläche, kurzer Diffusionsweg und vorbeifließendes Blut halten diesen Austausch aufrecht. [4][12]

Das Blut übernimmt den Weitertransport

Der größte Teil des aufgenommenen Sauerstoffs bindet in den Erythrozyten an Hämoglobin. Ein kleiner Anteil bleibt physikalisch gelöst. Der gelöste Anteil bestimmt den Sauerstoffpartialdruck; die Hämoglobinmenge beeinflusst wesentlich, welche Sauerstoffmenge ein Blutvolumen insgesamt transportiert. Beim Gewebedurchtritt erleichtern lokale Bedingungen wie erhöhte Kohlendioxidbildung und sinkender pH die Sauerstoffabgabe. [5]

Kohlendioxid gelangt aus den Geweben in gelöster Form, an Proteine gebunden und vor allem als Hydrogencarbonat zur Lunge. In roten Blutzellen beschleunigt Carboanhydrase die reversible Umwandlung zwischen Kohlendioxid, Wasser und dem Hydrogencarbonat-System. An der Lunge kehrt sich die Reaktionsrichtung um. Das frei werdende Kohlendioxid diffundiert in die Alveolen. [5]

Belüftung und Durchblutung müssen auch regional zueinander passen. Fließt wenig Blut an einer belüfteten Fläche vorbei, bleibt ein Teil ihrer Ventilation für den Austausch ungenutzt. Bei schlechter Belüftung und weiterlaufender Perfusion verlässt Blut diese Region mit unvollständiger Oxygenierung. Die regionale Verteilung ist deshalb ein eigenständiger Bestandteil der Lungenfunktion. [21][22]

Die CO₂-Abgabe verbindet den Atemzug mit der Regulation des Blut-pH. Bei unveränderter Stoffwechselproduktion senkt eine gesteigerte alveoläre Ventilation den CO₂-Partialdruck und verschiebt das Bicarbonat-Puffersystem in Richtung eines höheren pH. Die Nieren ergänzen diese Regulation, indem sie Bicarbonat erhalten beziehungsweise neu bereitstellen und Säuren ausscheiden. Die beiden Organsysteme wirken auf unterschiedliche Teile desselben chemischen Zusammenhangs. [5][30]

Atemmuskeln verändern den verfügbaren Raum

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Das Zwerchfell bildet den beweglichen Boden des Brustkorbs. Seine peripheren Muskelfasern ziehen zu einer zentralen Sehnenplatte. Bei der Einatmung kontrahiert der Muskel, die Kuppeln senken sich und der Brustraum gewinnt vor allem in Längsrichtung an Volumen. Die Zone, in der das Zwerchfell seitlich der unteren Brustwand anliegt, beeinflusst seine Kraftübertragung auf die Rippen. [17]

Zwischenrippenmuskeln und weitere Brustkorbmuskeln stimmen Rippen- und Brustbeinbewegung ab. Die entstehende Erweiterung verändert über die Pleura die Druckverhältnisse an der Lunge. Der Alveolardruck sinkt vorübergehend gegenüber der Außenluft, sodass Luft einströmt. Bei ruhiger Ausatmung tragen vor allem elastische Rückstellkräfte die Luft wieder nach außen. [3][9]

Bei höherem Bedarf können Einatmung und Ausatmung zusätzliche Muskelarbeit einschließen. Bauchmuskeln unterstützen beispielsweise eine kräftige Ausatmung und den Hustenstoß. Eine größere Bewegungsamplitude und eine veränderte Frequenz ermöglichen unterschiedliche Ventilationsmuster. Wie wirksam diese die Alveolen erreichen, hängt auch vom Anteil der Luft ab, der in den leitenden Atemwegen bleibt. [3][9]

Nervensystem und chemische Rückmeldung stimmen die Atmung ab

Netzwerke in der Medulla oblongata und im Pons organisieren Atemrhythmus und Phasenwechsel. Zum inspiratorischen Rhythmus trägt der präBötzinger-Komplex bei. Die Aktivität gelangt über absteigende Bahnen zu Motoneuronen im Rückenmark und weiter zu den Atemmuskeln. Das Zwerchfell erhält seine motorischen Signale über den rechten und linken Nervus phrenicus aus den Segmenten C3 bis C5. [17][19]

Chemosensorische Rückmeldungen koppeln das Muster an die Blutgase und den Säure-Basen-Haushalt. Zentrale Mechanismen reagieren auf die mit Kohlendioxid verbundenen pH-Veränderungen im Gehirn. Periphere Chemorezeptoren, insbesondere in den Karotiskörperchen, erfassen unter anderem den arteriellen Sauerstoffpartialdruck. Bewegungsreize, Wachheit, Schlaf und willentliche Einflüsse verändern die gemeinsame Ausgangslage. [3][19]

Die Atemmuskeln sind quergestreifte Skelettmuskeln mit somatischer motorischer Versorgung. Autonome Nerven regulieren daneben beispielsweise glatte Bronchialmuskulatur und Drüsensekretion. Dadurch lässt sich die Verbindung zum Nervensystem funktionell gliedern: Rhythmusbildung, motorische Umsetzung, sensorische Rückmeldung und vegetative Einstellung der Atemwegswand bilden miteinander verbundene Aufgaben. [8][17][19]

Schutzmechanismen wirken auf verschiedenen Ebenen

In den leitenden Atemwegen trägt die mukoziliäre Reinigung gebundene Partikel in Richtung Rachen. Ihre Wirksamkeit hängt davon ab, dass Schleim beweglich bleibt und die Zilien in einer geeigneten Oberflächenflüssigkeit schlagen können. Veränderungen der Flüssigkeits- und Elektrolytsekretion oder der Zilienfunktion erschweren den Transport. Ansammlungen von zähem Sekret können gleichzeitig den Luftweg einengen. [14]

Tiefer in der Lunge übernehmen Alveolarmakrophagen die Aufnahme von Partikeln und Zellresten. Typ-II-Zellen liefern Surfactant, dessen Bestandteile neben der Oberflächenspannung auch Abwehrprozesse beeinflussen. Die dichte Organisation des Alveolarepithels und Kapillarendothels trägt dazu bei, den Flüssigkeitsübertritt zu kontrollieren. Oberflächenreinigung, Immunabwehr und Flüssigkeitshaushalt ergänzen so die rein mechanische Luftleitung. [7][11]

Husten koordiniert Einatmung, vorübergehenden Kehlkopfverschluss, Druckaufbau und eine schnelle Ausströmung. Das Strömungsmuster hilft, Sekret aus größeren Atemwegen zu bewegen. Dabei greifen zentrale Steuerung, Atemmuskeln und Kehlkopf ineinander. Die Schutzfunktion hängt somit ebenso von Bewegungskoordination wie von einer funktionsfähigen Schleimhaut ab. [1][14]

Lungenfunktion aus unterschiedlichen Messgrößen lesen

Die Spirometrie erfasst bewegte Gasvolumina und Luftstrom über die Zeit. Zur forcierten Vitalkapazität FVC gehört das nach maximaler Einatmung kräftig ausgeatmete Volumen. FEV1 bezeichnet das in der ersten Sekunde einer forcierten Ausatmung abgegebene Volumen. Wiederholbare, technisch ausreichende Manöver sind für eine belastbare Messung wichtig; Husten, Leckagen und vorzeitiger Abbruch verändern die Kurven. [15]

Statische Lungenvolumina ergänzen diese Sicht. Die funktionelle Residualkapazität ist das Gasvolumen nach einer ruhigen passiven Ausatmung. Nach maximaler Ausatmung verbleibt das Residualvolumen, nach maximaler Einatmung ist die totale Lungenkapazität erreicht. Körperplethysmographie, Gasverdünnung und Auswaschverfahren erfassen diese Größen mit unterschiedlichen physikalischen Methoden. Ihre Abweichungen bei ungleichmäßiger Belüftung sind physiologisch erklärbar. [16]

Gasaustausch und Gastransport lassen sich durch weitere Messungen betrachten. Eine Blutgasanalyse erfasst unter anderem Sauerstoff- und Kohlendioxidpartialdruck sowie pH. Die DLCO-Untersuchung bestimmt die Aufnahme einer kleinen Testmenge Kohlenmonoxid aus dem Alveolarraum ins Blut; Membraneigenschaften und Hämoglobinbindung gehen gemeinsam ein. Diese Perspektiven ergänzen das anatomische Bild um die tatsächlich geleisteten Transportvorgänge. [5][20]

Diese Zusammenhänge vertiefen

• Alveolen und Gasaustausch: von der Luft zum Hämoglobin
• Zwerchfell, Pleura und Atemmechanik
• Das Kreislaufsystem
• Das Nervensystem