Der Blutfluss ist in den meisten Organen des Körpers eng mit der Stoffwechselaktivität des Gewebes verbunden. So führt beispielsweise ein Anstieg des Gewebestoffwechsels, wie er bei Muskelkontraktionen oder bei Veränderungen der neuronalen Aktivität im Gehirn auftritt, zu einem Anstieg des Blutflusses (aktive Hyperämie). Es gibt zahlreiche Hinweise darauf, dass aktiv metabolisierende Zellen in der Umgebung von Arteriolen vasoaktive Substanzen freisetzen, die eine Gefäßerweiterung bewirken. Dies wird als metabolische Theorie der Blutflussregulierung bezeichnet. Eine Erhöhung oder Verringerung des Stoffwechsels führt zu einer Erhöhung oder Verringerung der Freisetzung dieser gefäßerweiternden Substanzen. Diese Stoffwechselmechanismen stellen sicher, dass das Gewebe ausreichend mit Sauerstoff versorgt wird und dass Stoffwechselprodukte (z. B. CO2, H+, Laktat) entfernt werden. Ein weiterer Mechanismus, der den Blutfluss und den Stoffwechsel miteinander koppeln kann, sind Veränderungen des Sauerstoffpartialdrucks.
Nachfolgend sind verschiedene Mechanismen zusammengefasst, die an der metabolischen Regulierung des Blutflusses beteiligt sein können:
Hypoxie:
Eine Verringerung des Gewebe-pO2 infolge einer verringerten Sauerstoffzufuhr oder eines erhöhten Sauerstoffbedarfs führt zu einer Gefäßerweiterung. Die Hypoxie-induzierte Vasodilatation kann direkt (unzureichender O2-Gehalt zur Aufrechterhaltung der Kontraktion der glatten Muskulatur) oder indirekt über die Produktion von vasodilatierenden Metaboliten erfolgen. Es ist jedoch zu beachten, dass Hypoxie eine Vasokonstriktion im Lungenkreislauf (d. h. eine hypoxische Vasokonstriktion) auslöst, an der wahrscheinlich die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies, von Endothelin-1 oder von Produkten des Arachidonsäure-Stoffwechsels beteiligt ist.
Gewebsmetaboliten und Ionen:
Adenosin wird aus zellulärem AMP gebildet, auf das die 5′-Nucleotidase einwirkt. Das AMP stammt aus der Hydrolyse von intrazellulärem ATP und ADP. Die Adenosinbildung nimmt bei Hypoxie und erhöhtem Sauerstoffverbrauch zu, insbesondere wenn letzterer mit einer unzureichenden Sauerstoffzufuhr einhergeht. Die Adenosinbildung ist ein besonders wichtiger Mechanismus zur Regulierung des koronaren Blutflusses.
Kaliumionen werden durch die Kontraktion von Herz- und Skelettmuskeln freigesetzt. Ein geringer Anstieg des extrazellulären K+ bewirkt eine Hyperpolarisation der glatten Gefäßmuskulatur und eine Entspannung durch Stimulation der elektrogenen Na+/K+-ATPase-Pumpe und eine Erhöhung der Membranleitfähigkeit für K+ (K+-aktivierte K+-Kanäle). Extrazelluläres K+ nimmt zu, wenn die Frequenz des Aktionspotenzials steigt, denn mit jedem Aktionspotenzial verlässt K+ die Zelle. Normalerweise ist die Na+/K+-ATPase-Pumpe in der Lage, den Ionengradienten wiederherzustellen; die Pumpe hält jedoch nicht mit den schnellen Depolarisationen (d. h. es gibt eine Zeitverzögerung) während der Muskelkontraktionen Schritt, was dazu führt, dass sich K+ im extrazellulären Raum ansammelt. Kaliumionen scheinen eine wichtige Rolle bei der Verursachung einer aktiven Hyperämie in der kontrahierenden Skelettmuskulatur zu spielen.
Die Bildung von Kohlendioxid nimmt bei erhöhtem oxidativem Stoffwechsel zu. Es diffundiert leicht von den Parenchymzellen, in denen es produziert wird, in die glatte Muskulatur der Blutgefäße, wo es eine Vasodilatation bewirkt. CO2 spielt eine wichtige Rolle bei der Regulierung des zerebralen Blutflusses.
Wasserstoffionen nehmen zu, wenn der CO2-Gehalt ansteigt oder während eines erhöhten anaeroben Stoffwechsels, der zu metabolischer Azidose führen kann. Wie CO2 bewirkt auch ein erhöhter H+-Gehalt (verringerter pH-Wert) eine Vasodilatation, insbesondere im zerebralen Kreislauf.
Milchsäure, ein Produkt des anaeroben Stoffwechsels, ist ein Vasodilatator, wenn auch größtenteils aufgrund seiner pH-Wirkung.
Anorganisches Phosphat wird durch die Hydrolyse von Adeninnukleotiden freigesetzt. Es kann eine gewisse gefäßerweiternde Wirkung in der kontrahierenden Skelettmuskulatur haben.
RK Revised 04/06/2007