Lunge

Aufgabe und Grundaufbau

Die Lunge (lateinisch Pulmo) ist ein paariges Atmungsorgan. Sie schafft eine große Oberfläche, an der Gase zwischen Luft und Blut ausgetauscht werden: Blut nimmt Sauerstoff auf (Oxygenierung) und gibt Kohlenstoffdioxid (CO₂) ab. Echte Lungen besitzen viele luftatmende Wirbeltiere, darunter die meisten Landwirbeltiere und manche Fische wie Lungenfische.

Bei Säugetieren liegen die beweglichen Lungenflügel im Brustraum (Thorax). Ihre glatte Außenhaut ist Teil des Brustfells (Pleura). Dieses besteht aus Lungenfell und Rippenfell; dazwischen liegt der dünne, etwas Flüssigkeit enthaltende Pleuraspalt. Dort herrscht Unterdruck. Der Flüssigkeitsfilm überträgt über Adhäsion und Kohäsion Kräfte, sodass die Lunge den Bewegungen des Brustkorbs folgen kann, obwohl sie darin verschieblich gelagert ist.

Der Mensch besitzt die rechte Lunge, Pulmo dexter, und die linke Lunge, Pulmo sinister. Die rechte Lunge hat drei Lungenlappen: Ober-, Mittel- und Unterlappen; die linke hat wegen des Platzbedarfs des Herzens nur Ober- und Unterlappen. Lappen gliedern sich weiter in Lungensegmente. Dies sind durch Bindegewebe abgegrenzte Bereiche mit eigener Versorgung durch Bronchien und Arterien. Rechts gibt es 10 Segmente, links 9, weil das 7. Segment fehlt. Die funktionelle Einheit ist das Lungensegment, nicht der Lappen.

Die Lungenspitze ragt etwa 1–2 cm über das Schlüsselbein. In Atemruhe liegen die unteren Lungenränder vorn ungefähr auf Höhe der 6., seitlich der 8. und hinten der 10. Rippe. Das Lungenvolumen eines erwachsenen Menschen beträgt durchschnittlich 5 bis 6 Liter. Der rechte Hauptbronchus schließt mit der Luftröhre einen größeren Winkel ein als der linke; deshalb gelangen eingeatmete Fremdkörper meist in den rechten Hauptbronchus.

Luftwege, Alveolen und Gasaustausch

Das Bronchialsystem oder der Bronchialbaum umfasst die luftleitenden Wege von der Luftröhre über Hauptbronchien und kleinere Bronchien bis zu den Bronchiolen. Die Bronchien enden in blind endenden Lungenbläschen, den Alveolen. Erst dort findet der eigentliche Gasaustausch statt.

Die Schleimhaut der größeren Atemwege besitzt zunächst mehrreihiges hochprismatisches Flimmerepithel. In Richtung Alveolen wird es einfacher; in den Bronchiolen überwiegt einschichtiges iso- oder hochprismatisches Flimmerepithel. Unter dem Epithel liegen glatte Muskulatur, elastische Fasern sowie Schleim- und seröse Drüsen. Der Knorpel großer Bronchien hält die Atemwege offen; mit kleiner werdendem Bronchus nimmt sein Anteil ab.

Beim Erwachsenen gibt es etwa 300 Millionen Alveolen mit ungefähr 200 μm Durchmesser. Ihre Gesamtfläche heißt respiratorische Fläche. Pneumozyten Typ I bilden das sehr dünne Alveolarepithel und können weniger als 0,1 μm dick sein. Pneumozyten Typ II bilden Surfactant, auch Anti-Atelektase-Faktor genannt. Dieser Stoff senkt die Oberflächenspannung und verhindert, dass Alveolen zusammenfallen. Alveolarmakrophagen sind Fresszellen: Sie nehmen Mikroben und Staub auf; nach Blutungen können sie Hämosiderin aufnehmen und heißen dann Herzfehlerzellen.

Luft und Blut trennt die 0,1 bis 1,5 μm dicke Blut-Luft-Schranke. Sie besteht aus Alveolarepithel, epithelialer und endothelialer Basalmembran sowie Kapillarendothel. Durch sie erfolgt der Austausch von Sauerstoff und CO₂. Die aus der Lungenarterie kommenden Gefäße bringen Blut zu den Alveolen. Flüssigkeit kann bei Herzschwäche wegen der durchlässigeren Kapillarwand in das Bindegewebe austreten; es kann ein interstitielles Lungenödem entstehen. Lymphe fließt über Lungenlymphknoten weiter zu den Tracheobronchiallymphknoten.

Blutversorgung der Lunge

Die Lunge besitzt zwei Gefäßsysteme. Die Kapillaren des Lungenkreislaufs, Vasa publica, versorgen die Wände der Alveolen und ermöglichen den Gasaustausch. Bronchialgefäße aus dem Körperkreislauf, Rami bronchiales oder Vasa privata, versorgen das übrige Gewebe, etwa die Bronchien und Bindegewebssepten.

Die meist zwei Bronchialarterien der linken Lunge entspringen direkt aus der Brustaorta. Die Bronchialäste der rechten Lunge stammen aus einem Stamm der dritten oder vierten hinteren Zwischenrippenarterie. In der Peripherie bestehen häufig Verbindungen zwischen beiden Systemen, sogenannte Anastomosen.

Die meisten Bronchialvenen münden in die Lungenvenen. Venae bronchiales nahe dem Lungenhilus münden rechts in die Vena azygos und links in die Vena hemiazygos. Blut aus Bronchialarterien, das in die Lungenvenen gelangt, sowie Blut aus kleinen Koronargefäßen zum linken Herzen verursachen einen kleinen physiologischen Rechts-links-Shunt. Zusammen mit der Durchblutung nicht belüfteter Lungenabschnitte erklärt dies, warum der Sauerstoffpartialdruck in den Arterien des Körperkreislaufs niedriger ist als in den Alveolen.

Entwicklung und Atembewegungen

Die Lunge entsteht ungefähr am 30. Tag als Lungenknospe aus dem bauchseitigen Vorderdarm. Das Epithel von Kehlkopf, Luftröhre und Bronchien stammt aus dem Entoderm; Muskel- und Knorpelgewebe stammen aus dem umgebenden Mesoderm. Aus der Knospe entstehen rechte und linke Hauptbronchien, danach rechts drei und links zwei weitere Äste, aus denen die fünf Lungenlappen hervorgehen.

Von der 5. bis etwa zur 17. Woche entstehen die luftleitenden Verzweigungen bis zu den Bronchioli terminales. Zwischen der 16. und 26. Woche bilden sich Canaliculi und das Lungenparenchym, also das Funktionsgewebe. Pneumozyten Typ II entstehen, einige entwickeln sich zu Typ-I-Pneumozyten, und Kapillaren wachsen ein. Ab der 28. Schwangerschaftswoche wird Surfactant gebildet; dadurch reift die Lunge für die Atmung. Im letzten Trimester entstehen Sacculi und daraus Alveolen. Die Alveolenbildung wird erst im Kindesalter abgeschlossen. Vor der Geburt ist die Lunge für das Überleben nicht nötig, produziert aber täglich bis zu 15 ml Amnionflüssigkeit je kg Körpergewicht.

Nach der Geburt wird der Brustkorb durch Rippenmuskeln und Zwerchfell erweitert. Luft strömt in die Bronchien und Alveolen; Surfactant verhindert dabei das Atemnotsyndrom des Neugeborenen. Die vorhandene Flüssigkeit wird vor allem aufgenommen und über das Blut abtransportiert. Umgehungskreisläufe schließen sich.

Die Säugetierlunge besitzt keine eigene Muskulatur. Beim Einatmen (Inspiration) erweitern Zwerchfell und äußere Zwischenrippenmuskeln den Brustkorb; der Druck in der Lunge sinkt und Luft strömt ein. Das Zwerchfell flacht bei Kontraktion ab. Bei erhöhter Belastung können Atemhilfsmuskeln, etwa kleiner und großer Brustmuskel, unterstützen. Nach dem Boyle-Mariotteschen Gesetz nimmt bei offenem Mund oder offenen Nasenlöchern bei Druckänderung das Volumen isobar zu. Die Ausatmung (Exspiration) ist meist passiv: Elastische Rückstellkräfte von Lunge und Brustkorb treiben Luft aus. Bei forcierter Exspiration wirken unter anderem die inneren Zwischenrippenmuskeln und der Musculus latissimus dorsi, der „Hustenmuskel“.

Partikel bleiben an der Atemwegsschleimhaut haften und werden durch Flimmerhärchen Richtung Mund transportiert, dann verschluckt oder ausgehustet. Bis zu den Alveolen gelangte Mikropartikel können Fresszellen aufnehmen.

Wichtige Lungenerkrankungen

Bei einer Lungenembolie verstopft ein Embolus eine zuführende Lungenarterie. Der betroffene Abschnitt wird nicht mehr durchblutet; dort kann kein Blut oxygeniert werden.

Chronisch obstruktive Lungenerkrankungen (COPD) verengen die Atemwege und behindern den Luftstrom, häufig mit Atemnot (Dyspnoe). Dazu zählen chronische Bronchitis und Lungenemphysem. Wichtigster Risikofaktor ist Rauchen; außerdem werden Umweltverschmutzung, geringes Geburtsgewicht und genetische Faktoren genannt. Ein Emphysem kann auch durch Alpha-1-Antitrypsin-Mangel entstehen.

Restriktive Erkrankungen vermindern Lungenvolumen und Compliance, also die Dehnbarkeit im Verhältnis zum Druck. Ursachen können Sarkoidose, Pneumokoniose (Staublunge), Fibrose sowie Fehlbildungen des Brustkorbs wie Kyphose oder Skoliose sein. Beim Lungenödem sammelt sich Flüssigkeit im Lungengewebe: Permeabilitätsödeme entstehen bei erhöhter Kapillardurchlässigkeit, etwa bei ARDS oder toxischem Lungenödem; hydrostatische Ödeme bei zu hohem Kapillardruck, etwa kardiales Ödem oder Höhenödem.

Bei einer Atelektase ist ein Lungenabschnitt kollabiert und enthält kaum Luft. Beim Pneumothorax gelangt Luft in den Pleuraspalt, der Unterdruck geht verloren und der Lungenflügel kollabiert. Dabei entsteht ein funktioneller Rechts-links-Shunt, sodass das Blut nicht vollständig mit Sauerstoff gesättigt werden kann. Tuberkulose wird durch Mycobacterium tuberculosis per Tröpfcheninfektion übertragen und zeigt sich zuerst in der Lunge. Entzündungen heißen Pneumonie, wenn Lungengewebe betroffen ist, Bronchitis bei Bronchien und Bronchiolitis bei kleinen Bronchien.

Bronchialkarzinome sind bösartige Neubildungen von Zellen der Bronchien oder Bronchiolen. Die Weltgesundheitsorganisation unterscheidet unter anderem Plattenepithel-, Adeno-, kleinzellige und großzellige Karzinome. In der Lunge finden sich wegen ihrer Filterfunktion auch häufig Metastasen. Bei Atemstillstand kann eine Beatmung mit gering dosiertem Luftüberdruck über die Bronchien Leben erhalten.

Besonderheiten der Vogellunge

Vogellungen sind im Gegensatz zu Säugetierlungen unbeweglich im Brustraum und nicht gelappt. Sie liegen dorsal einer Bindegewebsmembran, dem Septum horizontale. Das embryonal angelegte Brustfell bildet sich wieder zurück. Die Lunge ändert beim Atmen ihr Volumen nicht, sondern wird durch Luftsäcke belüftet.

An der Gabelung der Luftröhre entstehen zwei Stammbronchien; dort befindet sich auch die Syrinx, das Stimmorgan der Vögel. Von den Stammbronchien gehen medioventrale, mediodorsale, lateroventrale und laterodorsale Sekundärbronchien ab. Die Verzweigungen der laterodorsalen Bronchien heißen Neopulmo.

Aus Sekundärbronchien gehen 0,5–2 mm dicke Parabronchien oder Lungenpfeifen hervor. Über kleine Öffnungen führen sie zu Luftkapillaren (Pneumocapillares). Diese bilden ein meist miteinander verbundenes Röhrensystem, das von dichten Blutkapillarnetzen umgeben ist und das Austauschgewebe darstellt. Anders als bei Säugetieren endet das System nicht blind: Die Luft strömt durch die Lunge weiter in Luftsäcke, die wie Blasebälge die Ventilation erzeugen.