Physiologische Prinzipien von Belastungstests, Myokardischämie und ischämischen Symptomen

Ein Verständnis der Grundprinzipien der Leistungsphysiologie ist für die Durchführung und Beurteilung des Belastungstests unerlässlich. Körperliche Anstrengung induziert physiologische Veränderungen wie verstärkte Atmung, koronare Vasodilatation, Blutdruckerhöhung usw. Der Zweck solcher Veränderungen besteht darin, dem Herz-Lungensystem zu ermöglichen, seine Sauerstoffzufuhr an die Skelettmuskel und das Myokard zu erhöhen. Der Sauerstoffverbrauch — und damit der Sauerstoffbedarf — steigt parallel zur Intensität der Übung. Die physiologischen Veränderungen (Anpassungen) werden ausgeprägter, wenn die Intensität des Trainings zunimmt. Das autonome Nervensystem ist das erste System, das auf körperliche Anstrengung reagiert. Dies geschieht, indem es parasympathische Aktivität verringert und die sympathische Aktivität erhöht. Dies hat mehrere Auswirkungen, die im Folgenden ausführlich diskutiert werden. Dieses Kapitel befasst sich mit der Leistungsphysiologie und der Schwerpunkt liegt auf dem myokardialen Sauerstoffverbrauch und der Entwicklung einer Myokardischämie während der Belastung. EKG-Veränderungen werden kurz erwähnt (im nächsten Kapitel werden diese noch eingehender erläutert).

Physiologische Auswirkungen von körperlicher Anstrengung

Die wichtigsten physiologischen Auswirkungen von körperlicher Anstrengung werden im Folgenden zusammengefasst.

Parasympathische Fasern innervieren sowohl den sinoatrialen (SA-) Knoten als auch den atrioventrikulären (AV-) Knoten. Die parasympathische Stimulation reduziert die Automatizität im Sinusknoten, was die Herzfrequenz senkt. Die parasympathische Aktivität verringert auch die Impulsübertragung im AV-Knoten. So führt der Entzug der parasympathischen Aktivität zu einer erhöhten Herzfrequenz und einer erhöhten Impulsübertragung im AV-Knoten.

Sympathische Fasern innervieren das gesamte Herz, insbesondere das ventrikuläre Myokard. Die sympathische Stimulation hat eine positiv inotrope Wirkung (d.h. sie erhöht die Kontraktionskraft im Myokard), einen positiv chronotropen Effekt (d.h. sie erhöht die Herzfrequenz durch Erhöhung der Automatizität im Sinusknoten) und einen positiv bathmotropen Effekt (d.h. erhöhte Impulsübertragung durch den Myokard). Eine erhöhte sympathische Aktivität führt daher zu einer erhöhten Herzfrequenz und stärkeren Kontraktionen.

Körperliche Betätigung erhöht die venöse Rückkehr zum Herzen, was zu einer erhöhten Herzvorlast führt. Die Mechanismen sind wie folgt:

1. Die sympathische Aktivität verursacht eine Verengung der Venen, was die venöse Rückkehr zum Herzen erhöht.
2. Kontraktierende Muskeln fungieren als Pumpe, die Blut zurück ins Herz treibt.
3. Die Atemtiefe (Atemvolumen) nimmt zu und dies reduziert den intrathorakalen Druck durch Erhöhung des intrathorakalen Volumens. Ein reduzierter intrathorakaler Druck saugt passiv Blut zurück ins Herz.

Die Zunahme der Vorlast führt zu einem erhöhten ventrikulären Druck und Volumen, was wiederum das Schlagvolumen erhöht. Dies erklärt sich durch den Frank-Starling-Mechanismus. Dieser besagt, dass das ventrikuläre Myokard auf einen erhöhten ventrikulären Druck/Volumen reagiert, indem es seine Kontraktilität erhöht. Der Frank-Starling-Mechanismus wird durch die positiv inotropen Wirkung der sympathischen Stimulation verstärkt. Ein erhöhtes Schlagvolumen und eine erhöhte Herzfrequenz führen zu einem erhöhten Herzzeitvolumen.

Der systolische Blutdruck steigt, wenn das Herzzeitvolumen zunimmt. Der diastolische Blutdruck wird durch Veränderungen des Herzzeitvolumens nicht beeinflusst. Daher wird der diastolische Blutdruck nicht durch körperliche Betätigung beeinflusst (gelegentlich kann er sogar bis zu 10 mmHg sinken). Der mittlere arterielle Druck (engl. mean arterial pressure, MAP) steigt, weil der systolische Blutdruck während der Belastung ansteigt.

Der Anstieg des Herzzeitvolumens bei moderater Belastung ist das Ergebnis eines erhöhten Schlagvolumens und einer erhöhten Herzfrequenz. Wenn jedoch etwa die Hälfte des maximalen Herzzeitvolumens erreicht wird, kann das Schlagvolumen nicht weiter ansteigen, was bedeutet, dass ein weiterer Anstieg des Herzvolumens von der Erhöhung der Herzfrequenz abhängt. Wie in Abbildung 1 dargestellt, kann das Herzzeitvolumen bei maximaler Trainingsintensität um das Sechsfache ansteigen.

Die verringerte parasympathische Aktivität und erhöhte parasympathische Aktivität verursacht eine Vasokonstriktion in den Nierenarterien, Baucharterien und in der Haut. Dadurch wird das Blutvolumen auf Muskeln, Herz und Gehirn umgeleitet, wo Arterien stattdessen dilatieren, um einen erhöhten Blutfluss zu ermöglichen. Die Vasodilatation in Muskeln, Herz und Gehirn wird durch Katecholamine, Stickstoffmonoxid (NO) und der Ansammlung von Stoffwechselabbauprodukten verursacht. Die Vasokonstriktion in den Nieren, der Haut und im Bauch entspricht ungefähr der Vasodilatation im Gehirn, Herz und in den Muskeln. Im Endeffekt wird der periphere Gefäßwiderstand kaum durch körperliche Belastung beeinträchtigt.

Herzfrequenz während des Belastungstests

Die Herzfrequenz muss steigen, sobald die Belastung beginnt. Die Herzfrequenz sollte dann mit der Arbeitsbelastung fast linear ansteigen. Gut trainierte Personen sowie Personen unter Betablockertherapie haben einen langsameren Anstieg der Herzfrequenz. Die maximale Herzfrequenz ist bei älteren Menschen aufgrund der verminderten Sensitivität gegenüber Katecholaminen niedriger. Die Herzfrequenz sinkt in der ersten Minute der Erholung rapide (aufgrund der Rückkehr der vagalen Aktivität) und danach langsam bis zum Rückkehr zum Ausgangswert.

Blutdruckreaktion während des Belastungstests

Der systolische Blutdruck sollte während der Belastung stetig ansteigen. Praktisch alle Patienten zeigen einen systolischen Blutdruck über 150 mmHg. Der diastolische Blutdruck bleibt entweder unverändert oder kann leicht sinken (bis zu 10 mmHg). Männer und ältere Menschen zeigen einen stärkeren Anstieg des systolischen Blutdrucks. Sobald die Belastung beendet ist, sinkt der Blutdruck stetig bis zur Normalisierung, was normalerweise 5 Minuten dauert. Es ist zu beachten, dass der systolische Blutdruck nach der Belastung tatsächlich unter den Ausgangswert sinken kann und es bis zu 6 Stunden dauern kann, bis er zum Ausgangswerten zurückkehrt ist.

Myokardstoffwechsel und Ischämie

Das Verständnis über die Prinzipien des Myokardstoffwechsels ist entscheidend, um zu verstehen, wie verschiedene Situationen eine Myokardischämie und einen Infarkt hervorrufen können. Eine Myokardischämie tritt auf, wenn der Sauerstoffbedarf des Myokards die Sauerstoffversorgung übersteigt. Mit anderen Worten, Ischämie ist das Ergebnis eines Ungleichgewichts zwischen Sauerstoffbedarf und Sauerstoffversorgung. Dieses Ungleichgewicht kann auf eine akute Arterienokklusion (d.h. ein akutes Koronarsyndrom), eine chronische, aber stabile Koronararterienstenose (d.h. Atherosklerose) oder auf andere nicht-koronare Ursachen wie Anämie zurückzuführen sein. Die wichtigsten Determinanten des myokardialen Sauerstoffverbrauchs sind Folgende:

• Blutdruck
• Herzfrequenz
• Kontraktile Kraft (Kontraktilität)
• Ventrikuläre Wandspannung

Der Sauerstoffbedarf korreliert positiv mit jedem dieser Parameter. Mit anderen Worten, wenn der Blutdruck, die Herzfrequenz, die Kontraktilität oder die Wandspannung zunimmt, steigt auch der myokardiale Sauerstoffbedarf. Der Begriff ventrikuläre Wandspannung bezieht sich auf die Arbeitsbelastung an der Ventrikelwand; er wird durch den Druck im Ventrikel, die Myokarddicke und den Durchmesser des Ventrikels bestimmt.

Es ist offensichtlich, dass die Messung von Kontraktilität und Wandspannung in der klinischen Routinepraxis zu mühsam ist. Blutdruck und Herzfrequenz sind viel einfacher zu beurteilen, und das Produkt dieser beiden Parameter (Herzfrequenz × Blutdruck) liefert tatsächlich eine vernünftige Schätzung des myokardialen Sauerstoffbedarfs. Das Produkt wird oft als Druck-Frequenz-Produkt (auch Doppelprodukt genannt) bezeichnet:

Druck-Frequenz-Produkt = Systolischer Blutdruck (mmHg) × Herzfrequenz (Schläge pro Minute)

Das Druck-Frequenz-Produkt ist daher eine Schätzung der Belastung, die auf das Myokard ausgeübt wird. Es basiert auf der Anzahl der Kontraktionen pro Minute (Herzfrequenz) und dem Druck, gegen den der Ventrikel pumpt (systolischer Blutdruck). Das Druck-Frequenz-Produkt bietet eine einfache Möglichkeit, den Sauerstoffbedarf und damit den Energieverbrauch des Herzens abzuschätzen. Ziel bei Belastungstests ist es, ein Druck-Frequenz-Produkt von mindestens 25000 zu erreichen, was darauf hinweist, dass die Arbeitsbelastung ausreichend war.

Hämodynamische Reaktion (Arbeitslast)	Druck-Frequenz-Produkt
Hoch	>30000
Hoch-intermediär	25000 – 30000
Intermediär	20000 – 25000
Niedrig-intermediär	15000 – 20000
Niedrig	10000 – 15000

Unter normalen Umständen passt sich der koronare Blutfluss an den myokardialen Sauerstoffbedarf an. Der koronare Blutfluss steigt während der körperlichen Belastung, um den erhöhten Sauerstoffbedarf im Myokard zu decken. Eine Myokardischämie tritt auf, wenn atherosklerotische Plaques vorliegen, die eine Stenose der Arterie verursachen. Atherosklerotische Plaques variieren in der Größe und können von vernachlässigbar klein bis komplett okkludierend reichen. Eine kleine Stenose verursacht selten Symptome in Ruhe, kann aber während körperlicher Anstrengung Symptome verursachen, da der Sauerstoffbedarf bei Belastung steigt (die Stenose verhindert die erforderliche Erhöhung der Sauerstoffzufuhr). Das Druck-Frequenz-Produkt kann verwendet werden, um den Schweregrad einer Stenose abzuschätzen. Symptome einer Ischämie (Angina pectoris) bei niedrigem Druck-Frequenz-Produkt weisen darauf hin, dass die Stenose schwerwiegend ist. Darüber hinaus treten bei einer stabilen Stenose ischämische Symptome typischerweise bei gleichem Druck-Frequenz-Produkt auf. Das Druck-Frequenz-Produkt ist jedoch nur eine Annäherung an die myokardiale Arbeitsbelastung. Einige Studien zeigen sogar, dass die subjektive Beurteilung der erbrachten Leistung durch die Patienten mindestens genauso gut für die Schätzung der myokardialen Arbeitsbelastung ist.

Myokardischämie: Mangel an Blutfluss vs. Angebot/Nachfrage-Ungleichgewicht

Seit Eugene Braunwald und Kollegen die Determinanten des myokardialen Sauerstoffbedarfs aufgeklärt haben, haben Wissenschaftler über die wahre Natur der Myokardischämie diskutiert. Es gibt zwei konkurrierende Theorien (die erste wurde bereits oben vorgestellt), die kurz erläutert werden:

• Die meisten Wissenschaftler stimmen der Angebots- und Nachfragetheorie zu, die besagt, dass eine Ischämie entsteht, wenn die Nachfrage das Angebot übersteigt. Mit anderen Worten, Ischämie ist das Ergebnis eines Ungleichgewichts zwischen Angebot und Nachfrage.
• Die konkurrierende Theorie besagt, dass das Myokard niemals ein Ungleichgewicht erfahren kann, da es seinen Sauerstoffverbrauch (Stoffwechsel) an die Sauerstoffversorgung anpasst. Mit anderen Worten, das Myokard wird seinen Sauerstoffverbrauch – und damit die Kontraktilität – reduzieren, wenn kein ausreichender Sauerstoff verfügbar ist. Dementsprechend folgt der Myokardzellstoffwechsel der Sauerstoffversorgung. Der Stoffwechsel wird allmählich herunterreguliert, wenn die Sauerstoffversorgung abnimmt. Je ausgeprägter der Sauerstoffmangel ist, desto größer ist die Verringerung des Stoffwechsels (und damit die Kontraktilität). Diese Theorie wird sowohl durch Forschung als auch durch klinische Beobachtungen unterstützt. Zum Beispiel zeigen Tierstudien und klinische Studien, dass das betroffene Myokard sofort aufhört, sich zu kontrahieren und „betäubt“ (engl. “stunned”) wird, wenn der koronare Blutfluss unterbrochen wird. Wenn der Blutfluss zurückkehrt, nimmt das Myokard allmählich seine Kontraktionen wieder auf. Nach dieser Theorie kann die Myokardischämie nur das Ergebnis eines absoluten Sauerstoffmangels sein.

Interessierte Leser werden verwiesen an: G Heusch, Myocardial Ischemia. Circ Res, 2016 and E Braunwald, Limitation of Infarct Size and the Open Artery Theory. Circulation, 2016.

Es gibt jedoch keinerlei Uneinigkeit darüber, dass der Grad der Stenose gut mit dem Grad der Ischämie korreliert. Eine Stenose, die eine Lumenobstruktion von < 50% verursacht, verursacht möglicherweise überhaupt keine Symptome. Eine Stenose, die eine Lumenobstruktion von 50-70% verursacht, verursacht typischerweise Symptome (Angina pectoris) bei Belastung. Eine Stenose, die eine Lumenobstruktion von 90% verursacht, verursacht in der Regel schon in Ruhe Symptome. Es ist zu beachten, dass diese Prinzipien durch mehrere Faktoren beeinflusst werden, von denen die wichtigsten sind:

• Kollateralzirkulation: Kollateralarterien können sehr effektiv sein. In der Tat kann eine vollständige Okklusion des Ramus interventricularis anterior (RIVA bzw. LAD) keine Symptome verursachen, wenn Kollateralgefäße die LAD versorgen.
• Lokalisation der Stenose: Eine proximale Okklusion/Stenose wirkt sich im Vergleich zu einer distaleren Okklusion/Stenose auf einen größeren Teil des Myokards aus.
• Koronare Autoregulation: Atherosklerotische Koronararterien kompensieren die Stenose in der Regel, indem sie die glatte Muskulatur um das atherosklerotische Plaque herum relaxieren. Dies führt zu einer lokalen Vasodilatation an der Stelle der Plaque. Daher wird das Lumen (Durchmesser) in frühen Stadien der Atherosklerose möglicherweise nicht von der Plaque beeinflusst (weshalb die Koronarangiographie auch falsch negativ sein kann). Wenn der atherosklerotische Prozess jedoch fortschreitet und die Plaque wächst, wird dies trotz aller autoregulatorischen Mechanismen allmählich zu einer Verengung des Lumens führen.
• Die Länge der Stenose: Eine lange Stenose wird einen größeren Effekt haben als eine kurze Stenose.

Die ischämische Kaskade: von Ischämie zu EKG-Veränderungen und Brustschmerzen

Patienten mit akuten Koronarsyndromen, deren ST-Strecke am Monitor kontinuierlich überwacht wird, berichten nur in etwa 40% der registrierten ischämischen Episoden über Symptome. Daraus folgt, dass 60% der ischämischen Episoden asymptomatisch sind, was wiederum bedeutet, dass eine ischämische Herzerkrankung durch das Fehlen von Symptomen nicht ausgeschlossen werden kann. Auf der anderen Seite zeigen Patienten mit symptomatischer ischämischer Herzkrankheit (d.h. Angina pectoris) fast ausnahmslos ischämische EKG-Veränderungen während Episoden mit Brustschmerzen. Zusammenfassend:

• 60% aller ischämischen Episoden sind asymptomatisch.
• Patienten mit Brustschmerzen aufgrund einer Myokardischämie zeigen praktisch immer ischämische EKG-Veränderungen.

Die ischämische Kaskade – die Abfolge von Ereignissen, die während einer ischämischen Episode stattfinden – erklärt diese Punkte. Abbildung 2 (unten) illustriert die ischämische Kaskade. Schau dir diese Abbildung sorgfältig an, da sie erklärt, warum das Fehlen ischämischer EKG-Veränderungen während Brustschmerzen eine Myokardischämie praktisch als Ursache ausschließt.

Die ischämische Kaskade ist die Abfolge der Ereignisse, die zwischen dem Beginn der zellulären Ischämie und den klinischen Symptomen auftreten. Bei Belastung erhält das Mykard Während bei Patienten mit signifikanter Koronararterienstenose weniger Sauerstoff als nötig ist, um den Stoffwechselbedarf zu decken. Der Sauerstoffmangel führt zu einer verminderten Produktion von ATP (Adenosintriphosphat) und einer erhöhten Milchsäureproduktion. Eine verminderte Produktion von ATP führt zu einer Herunterregulation des Zellstoffwechsels und der Kontraktilität. Die Zelle kann bei einer schwerwiegenden Ischämie sogar vollständig aufhören, sich zu kontrahieren. Der Begriff betäubtes Myokard (engl. stunned myocardium) bezieht sich auf stillstehendes Myokard aufgrund einer schweren Ischämie. Die Herunterregulation des Stoffwechsels und der Kontraktilität ist notwendig, damit die Zelle die Ischämie überleben kann (die Folgen der Ischämie wären schwerwiegender, wenn die zellulären Prozesse während der Ischämie unverändert fortgeführt worden wären). Die verminderte Verfügbarkeit von ATP beeinflusst die Zellmembranproteine (insbesondere Ionenkanäle). Dies führt letztendlich zu einer veränderten Zellmembranfunktion und zu Veränderungen der elektrischen Potenziale auf der Zellmembran. Die führt wiederum zu ST-Streckensenkungen. Klinische Symptome (insbesondere Brustschmerzen) treten auf, wenn die Ischämie anhält. Diese Abfolge von Ereignissen ist in Abbildung 2 oben illustriert. Es ist auf Folgendes hinzuweisen:

• Es gibt eine Grenze dafür, wie lange eine Zelle die Ischämie überleben kann, auch wenn sie ihren Stoffwechsel herunterreguliert hat. In der Regel überlebt das Myokard eine schwere Ischämie für 20 Minuten, bevor ischämischen Zellen absterben.
• Eine Ischämie verursacht nur EKG-Veränderungen, wenn sie genug Myokard betrifft. EKG-Veränderungen treten vor klinischen Symptomen auf. Mit anderen Worten sind klinische Symptome (z.B. Brustschmerzen) die letzten Ereignisse während einer ischämischen Episode. Daraus folgt, dass eine Myokardischämie auch ohne klinische Symptome auftreten kann. Das EKG erkennt mehr ischämische Episoden als vom Patient bemerkt werden.