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GASTROINTESTINALEPHYSIOLOGIE I.

Übersicht: Funktion und Kontrolle

prof. Gyula Sáry

Übersicht: Funktion und KontrolleLernziele: 59-61.

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Besonderheiten des Magen-Darm-Trakts

Energiezufuhr: ~ 30 kcal/kg /Tag

mechanische und enzymatische Abbau: 2mm Grenze

Proteine: Aminosäure, Di- und Tripeptide

Kohlenhydrat: Monosacharide

Fett: Fettsäure und Monoglyceride

Der MD Trakt ist die größte Oberfläche zwischen dem Körper und der Umwelt

Wichtiges Immun-Organ: GALT Gut Associated Lymphoid Tissue (Lymphozyten und Wichtiges Immun-Organ: GALT Gut Associated Lymphoid Tissue (Lymphozyten und

Mastozyten)

Immunverteidigung und Immuntoleranz

Der MD Trakt hat Sekretion-Absorption Mechanismen wie die Nierentubuli.

Der MD Trakt hat sein eigenes Nervensystem und fukzioniert auch ohne ZNS.

Gilt als größtes endokrin System, produziert mehr Hormone als die andere endokrine

Drüsen zusammen

2

3

3

4

Flüssigkeitsekretion und Reabsorption in dem M-D Trakt

Volumen aufgenommenes Volumen

Nahrung(1,5)

Speichel(1)

Magen-

Täglich ~ 9 L

4

Magen-sekretion

(2)

Galle(0,4)

Pankreassaft(1,5)

Dünndarm (2,5)

5

0,3 m2

Grösste Oberfläche zwischen Körper und Umwelt

5

1 m2 10 m2

200 m2

6

Zell Typen im Magen

6

7

Struktur der Darmwand

7

8

Enterozyten: Barriere Funtion

8

9

autonomischesNervensystem

enterisches Nervensystem

Kontrollmöglichkeiten im M-D Trakt

Hormone

Parakrine

Inhalt des Darmes

Enterozyt

9

mechanische, chemische, osmotische Reize

Dar

mw

and

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Sphinkter

Mundhöhle: kauen, feuchten, Fett-und Kohlenhydrat Verdauung starten

Oesophagus: Transport in den Magen

Magen: vorübergehend speichern, mahlen, Sekretion von Protease und

Grundlagen und Kontrolle: Übersicht

Sphinkter

mahlen, Sekretion von Protease und HCl

Dünndarm: Digestion, Absorption, Reabsorption von Flüssigkeiten

Dickdarm: Elektrolyten Reabsorption, Speichern

Drüsen: Speichel, Pancreassaft, Galle…

Sphinkter

Sphinkter

Sphinkter

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kauen: ZNS, somatomotorisch

Speichelsekretion: ZNS, symp. und parasym.

Schlucken: ZNS, somatomotorisch und parasymp.

prox. Magen: speichern, ZNS parasymp.

dist. Magen: mahlen, ENS, humoral

Grundlagen und Kontrolle: Übersicht

ENS= enterales Nervensystem. Magen-Darm Trakt funkzioniert auch ohne ZNS,

symp. und parasymp. haben modulatorische Funktionen.

Mundhöhle und Rachen: kauen, feuchten, Fett-und Kohlenhydrat Verdauung startenMedikamente, Glukose

Oesophagus: Transport in den Magen

Magen: vorübergehend speichern, mahlen, dist. Magen: mahlen, ENS, humoral

Magensekretion: ENS, humoral

Dünndarm: Motorik und Sekretion, ENS, humoral

Gallensekretion: meist. humoral

Pankreassekretion: meist. humoral

Dickdarm: Motorik: ENS

distaler Dickdarm: ENS, ZNS, parasymp. und

somatomotorisch

Magen: vorübergehend speichern, mahlen, Sekretion von Protease, HCl und Muzin!Medikamente, Alkohol

Dünndarm: Digestion, Absorption, Reabsorption von FlüssigkeitenAbsorption von alle Nahrungsmittel (B12

und Gallensaure nur im Ileum)

Dickdarm: Elektrolyten Reabsorption, Speichern, StuhlgangElektrolyten, Wasser, Medikamente (Suppositorium)

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Längstmuskulatur

Ringmuskulatur

Serosa

submucosa

mucosa

Mesenterium(Arterien, Venen, Nerven,

Lymphader)12

13

Struktur der Darmwand

13

14

Das enterische Nervensystem

Vaskulatursensorisch

parasympathisch

• Teil des veget. Nervensystems

• ~500 Mill. Neuronen

• unabhängig von ZNS

• lokale Reflexe:

Rezeptor

Boron, Boulpaep, Medical Physiology, Elsevier Saunders, 2012

Myenterisches Plexus: Integration, Muskelafferente und Efferenzen

Submucosal plexus:Rezeption, Efferenzen

•Kontrolle von motorische Funktionen und Koordination• Perfusionskontrolle• Exokrine und endokrine Sekretion

sympathisch

Hirnstamm Sympatisch

Interneuron

Effektorneuronen

• „enterales Gehirn”, vor-programmierte Reaktionen

15

Oral Caudal

15Wie peristaltische bewegung funkzioniert

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Stau

keine ENS Zellen

Hirschprung Krankheit(megacolon congenitum)

1:5000

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Das enterische Nervensystem (ENS)

ZNS

Die Darm-Gehirn Achse

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Effektor

SensorInterneuronReflexeProgram MöglichkeitenInfo. Verarbeitung

MotorNeuron

Glattmuskulatur Gefäße Sekretion

ENS

WirkungMotorikReflexe

Vasomotorik

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Die Darm-Gehirn Achse

Das ZNS kann MD Funktionen modulieren

parasympathische Wirkungen, vago-vagale Reflexe

sympathische Wirkungen

Fluchtreaktion von Cannon, kephale Phase von MD Sekretion

Kommunikation ist bidirektional (CCK, ghrelin)

Das Immunsystem

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Das Immunsystem

Mastozyten im Lamina propriasensitivität für NeurotransmitterReaktion gegen Antigene von DarmlumenMastozyten können MD Funktionen beeinflussen (Histamin)

Nervale, hormonale und immun Kontrolle:

Redundanz für eine „versagensichere” Funktion

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Modulation des ENS durch das ZNS

n. vagus

Vaguskerne

parasympathisch sympathisch

parasympatische Wirkungen:NUR durch das ENS

ZNS autonomes nervensystem

19

n.pelv.

Vaskulatur

Sekretion

Glattmus.

NUR durch das ENS

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Parasympathisch

Sympathisch

α2 Muskulatur

α1 Gefäße, Sphinktere 20

21

Kontrollmöglichkeiten des MD Traktes

1. Enterales Nervensystem (lokale Reflexe)

2. vegetat. Ganglien (kurze Reflexe)

3, 4. Rückenmark, Hirnstamm (lange

21

3, 4. Rückenmark, Hirnstamm (lange Reflexe - vago-vagaler Reflex)

5. Höhere Zentren (z.B., Hypothalamus)

22

Starling arbeitete mit Sir William M.

Bayliss und untersuchte den Kreislauf

(s. Frank-Starling Gesetz im Hertz,

Mikrozirkulation, usw.).

Die beide haben Sekretin entdeckt

Ernest Henry Starling

1866-1927

(1902).

Der Name „Hormon” stammt von

ihnen, und sie haben auch die

Grundgesetze für hormonale Kontrolle

beschrieben.

22

23

Das Entero-hormonale System

• Die enteroendokrine Zellen befinden sich einzeln, diffuse im

Epithelium und sezernieren peptid Molekulen.

• Die Sekretion wird reguliert durch: Reize aus dem Darm-Lumen, das

ENS, Hormone und Molekulen des Immunsystems.ENS, Hormone und Molekulen des Immunsystems.

• Die sezernierte Molekulen wirken am MD Trakt Muskulatur, Drüsen

und Gefäβe, durch parakrine/endokrine Wege, können indirekt an die

Neurone des ENS wirken (auch durch andere Hormone).

• Hormone aus dem MDT wirken auch an die Neurone des ZNS (zB.

Nahrungsaufnahme) oder an andere, hormonsezernierende Zellen

(Incretine im Pancreas). 23

24

24

25

Gastrin Famile: Gastrin, CCKSecretin Familie: Secretin, GIP, GLP-1, VIP

25Gastrin Famile: Gq/IP3/DAGSecretin Familie: Gs/cAMP

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M-D Hormone, Parakrine und Neurokrine

1. Gastrin: Adaptation der Magenmotilität und Sekretion zu Mageninhalt

2. CCK: Adaptation der Magenentlehrung, Gallen Entlehrung,

Pankreassekretion zu Dünndarminhalt

3. Secretin: Adaptation der Magenentlehrung, Duodenum, Gallenwege

und Pancreas HCO3 Sekreton zu Duodenum pH

4. GIP (Gastric Inhibitory Peptide/Glukose Dependent Insolinotropic Peptide)

und GLP-1: Adaptation der Magenentlehrung und Insulinsekretion zu

Kohlenhydrat-Inhalt des Dünndarmes

5. Motilin: Koordination der (lehren) Magen- und Dünndarmmotorik in

der interdigestiven Phase (MMC)

6. Ghrelin: Adaptation der Nahrungsaufnahme zu MD Trakt und

Tagesrhythmus26

27

Glukose

12

16

20

24

Pla

sma

Glu

kose

(m

mo

l/L)

kein GIP

Diabetes mellitus

der GLUKOSE-TOLERANZ TEST

4

8

-60 0 60 120 180 240 300

Pla

sma

Glu

kose

(m

mo

l/L)

Minuten

postprandiale

(postalimentare)

Hyperglykemie

postprandiale

(postalimentare)

Hypoglykemie27

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Glattmuskulatur Typen

Elekrische IsolierungErmöglicht feine Kontrolle

Gap junctions ermöglichenKoordinierte Kontraktion

28

29

Struktur der Glattmuskulatur

Neurotransmitter Freisetzung

29

30

Struktur der Darmwand

30

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MD Trakt Muskulatur

• T. muscularis mucosae: lokale Kontrolle durch ENS

• Längstmuskulatur: meistens stimulation durch Ach

• Ringsmuskulatur: rhythmische Kontraktionen. Myogener Tonus, stim. und inhib. NES, Hormonwirkungen. und inhib. NES, Hormonwirkungen.

• Ringsmuskulatur formt Sphinktere.

• Rhytmische Kontraktionen: vom distalen Magen bis Sigmoideum spezielle „langsame Wellen” produzieren den Basalen Elektrischen Rhythmus (BER).

• BER stammt von Zeitgeber Arealen: Magen : 15-20 s, Dünndarm 5-8 s, Dickdarm Minuten?

31

32

Wie die langsameWellen entstehen

32

33

Cajal Zellen vermitteln enterische Neurotransmission

I

33

34

Sanders et al. NIPS Dec. 200034

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ELEKTRISCHE AKTIVITÄT der M-D GLATTMUSKEL

- elektrische Synapsen (gap junction) - Ruhepotential ist weniger negativ und oszilliert- mesenchymale Zeitgeber Zellen (Interstitialzellen von Cajal)

• BER:•Basaler Elektrischer Rhytmus

(langsame Wellen):(langsame Wellen):Pacemaker Zellen triggern, Glattmuskulaturtransportiert

• Spikes = AP „sitzen” über den langsamen Wellen„Ca++-Spikes”

35

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GLATTMUSKELKONTRAKTIONEN in Magen-Darm Trakt

1. kontraktionen kommen nur während „Spikes”

2. die Frequenz wird von den langsame Wellen bestimmt3. die Stärke hängt von der Anzahl der „Spikes” an

Membrane-potenzial

(mV)

Schwelle

langsameWelle AP

Schwelle

Kontrakzions-stärke

Zeit36

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MOTORIK IM M-D TRAKT

37

38

SEGMENTATION

Durchmischung

Es gibt keinen effektiven longitudinalen Transport38

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Das DARMGESETZ (nach Bayliss)

Reiz: Stimulation der Wand des M-D Trakts

Reiz

1. Kontraktion oral vom Reiz 2. Relaxation caudal vom Reiz

3. der Kontraktionsring und Relaxationsring fahren aboral

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IPAN= Intrinsic Primary Afferent Neuron

40

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Der wandernder myoelektrischer Motorkomplex

Phasen

I. Phase: nur langsame Wellen keine motorische AktivitätII. Phase: unregelmäßige Spikes + KontraktionenIII. Phase: regelmäßige Spikes + peristaltische Kontraktionen

Mahlzeiten

1. nur zwischen Mahlzeiten, bei lehrem Magen und Darm !!!

2. dauert für 3-5 Min. und wiederholt sich in alle 90-100 Minuten

3. beginnt im Magen und läuft bis zum distalen Ileum

4. unverdaubare Partikel zu Kolon

5. Kontrolle: Motilin

Magen

distalesIleum

Geschw.:5 cm/min

Mahlzeiten

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Ileus paralyticus (Darmverschluss)

• Obstruktion, Entzündung, Chirurgische Eingriffe aktivieren

Nozizeptoren der Darmwand.

• Durch kurze Reflexbögen (durch symp. Ganglia) und Stressreaktion

kommt es zu Paralyse der Darmbewegung. Dysfunktion des ENS auch

durch lokale Entzündungsmediatoren und Medikamente.

• Stau des Inhaltes in den ausgedehnten Darmsegmente verursacht

Kreislaufschock, Dehnung der Darmwand verursacht Hypoperfusion

(Nekrose).

• Auskultation am Bauch: keine Bewegungsgeräsche: Stille der Krypta

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DAS EXNER-PHÄNOMEN

Nagelspitze in der Darmwand als Reiz

Peristaltik

Peristaltik (Speisebrei)

Gegenstände mitSpitze drehen sich im M-D Trakt um.

Peristaltik (Speisebrei)Dreht den Nagel um

Peristaltik Zieht den Nagel aus

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Zirkulation im MD Trakt

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Funktionen der Magen-Darm Zirkulation

• metabolischen Bedarf der Organe befriedigen

• Blut versichern für die Sekretion der Verdauungsekreteund Absorptionund Absorption

• postprandiale Hyperämie ~ 50% (aktiv)

• gastrointestinale Venen speichern Blut, sind wichtig fürdie systemische Blutdruckkontrolle

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Strömung in der viszeralen Zirkulation, portale Zirkulation

Leber

Magen und Milz

Absorbierte Nährstoffe und Hormone wirken an die LEBER am höhchsten Konzentration!

Pankreas

Dünndarm

Dickdarm

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Mikrozirkulation der Leber

A. hepatica epeútV. portae

V. hepatica

V.centralis

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Mikrozirkulation der Leber

Bezüglich der Druckwerte in den Blutgefäßen der Leber ist die hohe Permeabilität der hepatischen Mikrozirkulation zu berücksichtigen. Da die Wand der Lebersinusoiden sehr permeabel ist (Proteinkonzentration im Disse-Raum fast gleich hoch wie im Blutplasma), können Eiweißmoleküle praktisch ungehindert zwischen Intra- und Extravasalraumwechseln und für den Durchtritt von Flüssigkeit (kapilläre Filtration) ist so gut wie ausschließlich der hydrostatische Druckgradient ausschlaggebend.

Aus dem Darm in das Pfortaderblut aufgenommene Stoffe werden meist direkt der Leber zugeführt. Bei diesem first

pass durch die Leber werden zahlreiche Biomoleküle (z.B. Häm) und Medikamente (teilweise) inaktiviert, und ihre Bioverfügbarkeit ist dann gering (z.B. Aspirin, Morphin, Levodopa etc). Das bedeutet, dass sie höhere Wirkung entfalten, wenn man sie auf alternativem Weg (z.B. über ein Suppositorium oder via Infusion) zuführt -beziehungsweise sie müssen bei oraler Einnahme entsprechend hoch dosiert werden.

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Mikrozirkulation der Leber

In den Sinusoiden wird Blut aus den Arterien und Venen gemischt. Stofftransport zwischen Plasma und DisseRauma ist ungehindert. (Auchfür Proteine!).Lymph!Pathologie: Flüssigkeit kann in die Bauchhöle geraten. Ascites

Lipoprotein(permeabel)

Chylomikron(impermeabel)

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Kontrolle der viszeralen Zirkulation

• Sympathischer konstriktorischer Tonus: GI Blut„wiederverteilung”, Venen als Blutspeicher.

• Aktivation der sekretorischen Fasern in parasymp. und enteralen NS: Vasodilatation in den Drüsen, Stromstärkeenteralen NS: Vasodilatation in den Drüsen, Stromstärkebis zum 7-8x höher. VIP, NO und Ach.

• Metabolische Autoregulation (postprandial).

• Escape Phänomen