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Nozizeptives System (Schmerz)

Abstract

Der Schmerz ist eine lebenswichtige Sinneswahrnehmung, die den Körper vor Gefahren und Verletzungen warnt. Die subjektive Schwere des Schmerzes korreliert nicht mit dem Ausmaß der Gewebsschädigung, sondern mit der zentralen Verarbeitung. Die den Schmerzreiz wahrnehmenden Sensoren (Nozizeptoren) sind freie Nervenendigungen und befinden sich in fast jedem Gewebe des Körpers. Sie reagieren auf noxische mechanische Reize, noxische thermische Reize und chemische Substanzen, die bei Gewebsverletzungen und Entzündungen frei werden. Es gibt zudem noch absteigende Bahnen für eine endogene Schmerzhemmung (Schmerzmodulation).

Eine medikamentöse Schmerztherapie ist auf unterschiedlichen Ebenen möglich, weshalb sich die Analgetika (Schmerzmedikamente) in zwei große Gruppen einteilen lassen. Es gibt die Opioide, die vor allem direkt im ZNS wirken, und es gibt die nicht-Opioid-Analgetika, die ihre Wirkung größtenteils (jedoch nicht nur) peripher entfalten.

Nozizeption (Schmerzwahrnehmung)

Die Nozizeption ist die Wahrnehmung von Reizen, die den Körper potenziell oder tatsächlich schädigen. Diese Reize werden von Nozizeptoren registriert und über afferente Schmerzfasern ins Gehirn geleitet. Die Sinnesempfindung "Schmerz" entsteht erst durch die Verarbeitung im Kortex.

Nozizeption auf Sensorebene

Die den Schmerz aufnehmenden Sensoren heißen Nozizeptoren. Diese freien Nervenendigungen befinden sich v.a. in der Haut, aber auch in fast jedem anderen Gewebe und können auf chemische, thermische und mechanische Einflüsse reagieren.

Nozizeptoren

Polymodale Nozizeptoren reagieren nicht selektiv auf thermische, mechanische und chemische Reize!

Rezeptoren der Schmerzwahrnehmung

Die Nozizeptoren besitzen verschiedene Rezeptoren, die der Registrierung thermischer, mechanischer und chemischer Reize dienen. Ihre Aktivierung führt dann entweder direkt (ionotrope Mechanismen) oder über intrazelluläre Signalkaskaden (metabotrope Mechanismen) zu einer Änderung der Membranleitfähigkeit und zu einer Depolarisation.

Rezeptor Aktivierung Vorkommen
1. Ionotrope Mechanismen: Beeinflussung von nichtselektiven Kationenkanälen mit Erhöhung ihrer Leitfähigkeit von Kalium, Natrium und Calcium
TRPV-Rezeptoren
TRPA1-Rezeptor
P2-Purinozeptor (P2X)
Serotoninrezeptor Typ 3 (5-HT3 = 5-Hydroxytryptamin)
2. Metabotrope Mechanismen: Aktivierung intrazellulärer Signalwege über Entzündungsmediatoren
G-Protein gekoppelter Bradykinin-Rezeptor
G-Protein gekoppelter Prostaglandin-E2 (PGE2)-Rezeptor

Angeborene Schmerzunempfindlichkeit
Die angeborene Schmerzunempfindlichkeit ist ein äußerst seltenes Syndrom, das auf einer Mutation des NGF-Gens (nerve growth factor) beruht. Normalerweise bindet NGF an einen spezifischen Tyrosinkinase-A-Rezeptor (TrkA) und führt so zur Entstehung der Nozizeptoren während der vorgeburtlichen Entwicklung. Bleibt dies aus, werden keine Schmerzfasern gebildet. Aufgrund der Schmerzunempfindlichkeit kommt es häufig zu schwerwiegenden Verbrennungen oder anderen Verletzungen. Die Erkrankung macht sich bereits im ersten Lebensjahr bemerkbar.

Nozizeptive Afferenzen

Die afferenten Fasern bestehen vor allem aus langsam leitenden C-Fasern und wenigen, schneller leitenden Aδ-Fasern. Abhängig davon, welche Fasern erregt werden, kann ein erster schneller ("früher Schmerz") und ein zweiter verzögerter Schmerz ("später Schmerz") unterschieden werden.

Früher Schmerz Später Schmerz
Nozizeptor
Fasertyp der nozizeptiven Afferenz
Lokalisierbarkeit
  • Gut
  • Schlecht
Funktion
  • Schutz- und Fluchtreflexe (z.B. Wegziehen der Hand von heißer Herdplatte)
  • Schonung des verletzten Bereichs (Schonhaltung)

Schmerzweiterleitung

Die aufsteigenden nozizeptiven Bahnen sind für die Schmerzempfindung zuständig und besitzen wie alle anderen somatosensorischen Bahnen drei Neurone. Hinzu können viele modulierende Interneurone kommen, die jedoch nicht einzeln mitgezählt werden. Die Schmerzweiterleitung aus dem Kopfbereich unterscheidet sich in ihrer Verschaltung auf Hirnstammebene von der des restlichen Körpers.

Aufsteigende nozizeptive Bahnen

Der Zellkörper des ersten Neurons der Schmerzbahn befindet sich im Spinalganglion. Von hier ziehen die Fasern ins Hinterhorn des Rückenmarks und nach einer Kreuzung weiter zum Thalamus. Vom Thalamus gelangen sie zum somatosensorischen Kortex und limbischen System.

Peripheres Axonende Lage des Zellkörpers Faserverlauf
1. Neuron (= Nozizeptor)
  • In Haut und Organen
2. Neuron
  • (Keines)
3. Neuron
  • (Keines)
  • Fasern aus den lateralen Kernen ziehen in den primären und sekundären somatosensorischen Kortex (Gyrus postcentralis): Hier erfolgt die bewusste Wahrnehmung des Schmerzes (= sensorisch-diskriminative Komponente)
  • Fasern aus den medialen Kernen ziehen v.a. in das limbische System (bspw. anteriorer cingulärer Kortex): Hier entsteht die affektive Komponente des Schmerzes, d.h dem Schmerz wird eine subjektive Bedeutung beigemessen
  • Auch der Inselkortex erhält nozizeptive Fasern aus dem (medialen) Thalamus

Verschaltung und Transmitter

Die Verschaltung auf das nächste Neuron erfolgt entweder direkt oder über hemmende Interneurone.

Nozizeptive Bahnen des Kopfes

Die nozizeptiven Bahnen des Kopfes sind Teil des N. trigeminus (V1-3).

Peripheres Axonende Lage des Zellkörpers Faserverlauf
1. Neuron (= N. trigeminus)
2. Neuron
  • (Keines)
3. Neuron
  • (Keines)

Die nozizeptiven Bahnen des Kopfes kreuzen im Hirnstamm, die aus dem restlichen Körper hingegen schon im Rückenmark!

Schmerzmodulation

Die Schmerzmodulation erfolgt entweder über eine Verminderung (deszendierende Hemmung) oder über eine Verstärkung (periphere und zentrale Sensibilisierung) der Schmerzwahrnehmung. Die Schmerzhemmung wird über absteigende Bahnen vermittelt. Die Schmerzsensibilisierung wiederum geschieht zum einen über periphere Mechanismen, die direkt bei den Nozizeptoren ansetzen, zum anderen über zentrale Mechanismen, die zentrale nozizeptive Strukturen verändern und so zu einer verstärkten Schmerzwahrnehmung führen.

Absteigende nozizeptive Bahnen (Schmerzhemmung)

Die subjektive Schmerzwahrnehmung korreliert häufig nicht mit der Reizintensität. Ursächlich dafür sind endogene Opioide und modulierende absteigende Bahnen (= deszendierende Hemmung). Die Hemmung ist ständig aktiv und wird in Stresssituation zusätzlich heraufreguliert.

Lage des Zellkörpers Faserverlauf
1. Neuron
2. Neuron
3. Neuron

Stressanalgesie
Die körpereigenen Opioide und die direkten schmerzhemmenden Fasern sorgen für eine ständig aktive endogene Schmerzhemmung. In Stresssituation (z.B. nach einem Unfall) wird diese endogene Schmerzhemmung noch gesteigert, sodass Schmerzen zunächst nicht oder nur abgeschwächt wahrgenommen werden (sog. "Stressanalgesie").

Synthetische Opioide
Das Haupteinsatzgebiet der synthetischen Opioide ist die Schmerztherapie, wobei auch andere Indikationen (z.B. als Hustenstiller) bestehen können. Genau wie die endogenen Opioide entfalten sie ihre Wirkung über die sog. Opioidrezeptoren, die über inhibitorische G-Proteine wirken. Es gibt drei Arten von Opioidrezeptoren (μ-,δ- und κ-Rezeptoren), die die Opioide mit unterschiedlicher Affinität binden und neben der Analgesie verschiedene zusätzliche (Neben‑)Wirkungen besitzen. Die Rezeptoren kommen v.a. im zentralen Nervensystem, aber auch im peripheren Gewebe (z.B. Darm) vor. Unterschieden werden die verschiedenen Opioid-Analgetika anhand ihrer schmerzlindernden Wirkung (niedrig- und hochpotente Opioide). Wichtige Nebenwirkungen von Opioiden können bspw. eine Abflachung der Atmung, Obstipation oder eine (starke) Abhängigkeit sein.

Schmerzsensibilisierung

Periphere Sensibilisierung

Aus geschädigtem Gewebe freigesetzte Substanzen sensibilisieren die Nozizeptoren bzw. aktivieren "schlafende" Nozizeptoren, sodass bereits sehr leichte Reize einen Schmerz auslösen. Geschädigtes Gewebe ist somit sensibler und schmerzempfindlicher als gesundes Gewebe. Zusätzlich bilden beschädigte oder aktivierte Schmerzfasern Neuropeptide, die entzündungsfördernd wirken und ebenfalls zu einer Sensibilisierung des Gewebes führen.

Mechanismus Substanzen
Schmerzmediatoren
  • Werden aus entzündetem oder verletztem Gewebe freigesetzt und senken die Reizschwelle der Nozizeptoren
Neuropeptide

Sonnenbrand
Bei einem Sonnenbrand besteht eine akute Entzündungsreaktion der Haut. Es werden dementsprechend Entzündungsmediatoren wie Prostaglandine, Leukotriene oder Histamin ausgeschüttet und es kommt zu einer peripheren Sensibilisierung der Nozizeptoren. Als Folge lösen schon leichte Berührungen der betroffenen Hautstelle eine Schmerzempfindung aus.

Zentrale Sensibilisierung

Folgende Mechanismen können - v.a. in Kombination - zu einer Sensibilisierung des zentralen Schmerzsystems führen.

  • Synaptische Veränderungen: Beispielsweise durch eine gesteigerte Freisetzung von Glutamat (schmerzvermittelnder Transmitter) im Rückenmark oder Gehirn durch eine Gewebsverletzung
  • Veränderte Erregbarkeit der nozizeptiven Neurone: Veränderte Membraneigenschaften und dadurch gesteigerte Erregbarkeit von postsynaptischen nozizeptiven Neuronen im Rückenmark oder Gehirn, z.B. durch dauerhaften, unzureichend behandelten Schmerz
  • Genetische Veränderungen nozizeptiver Neurone: Phänotypische Veränderungen in den Genen, die für die Ausbildung der Schmerzrezeptoren zuständig sind (dadurch z.B. leichtere Erregbarkeit der Rezeptoren)
  • Umstrukturierung der Neurone im Hinterhorn des Rückenmarks: Nervenfasern, die z.B. durch Berührung erregt werden, können Synapsen mit nozizeptiven Neuronen ausbilden → schon leichte Berührungen können Schmerz auslösen

Primäre und sekundäre Hyperalgesie und Allodynie
Lösen bereits kleine Schmerzereignisse ein deutlich erhöhtes Schmerzempfinden aus, spricht man von einer Hyperalgesie. Eine primäre Hyperalgesie beschreibt eine erhöhte Schmerzempfindlichkeit direkt am Ort der Verletzung oder Erkrankung und entsteht durch eine periphere Sensibilisierung. Tritt die erhöhte Schmerzempfindlichkeit auch in angrenzenden gesunden Arealen auf, spricht man von einer sekundären Hyperalgesie, die vor allem auf einer zentralen Sensibilisierung beruht. Treten Schmerzempfindungen hingegen schon bei einfachen, normalerweise nicht schmerzhaften Berührungen auf, spricht man von einer Allodynie. Die Allodynie kommt i.d.R. durch eine zentrale Sensibilisierung zustande, vor allem infolge einer Synapsenbildung zwischen Berührungssensoren und Nozizeptoren. Im schlimmsten Fall kann sogar das Tragen von Kleidungsstücken eine Schmerzempfindung auslösen.

Schmerzformen

Bei der Einteilung von Schmerzen muss zwischen den verschiedenen Ursprungsorten unterschieden werden. Außerdem können Schmerzen anhand ihrer Dauer eingeteilt werden.

Unterscheidung anhand des Entstehungsortes

Der Ursprung des Schmerzes kann in der Haut (= somatischer Oberflächenschmerz), den Muskeln, Gelenken, Knochen oder dem Bindegewebe (= somatischer Tiefenschmerz) sowie in den Eingeweiden (= viszeraler Schmerz) liegen. Zudem gibt es noch den neuropathischen Schmerz, der durch eine direkte Schädigung eines Nervs hervorgerufen wird. Abhängig von der jeweiligen afferenten Weiterleitung tritt ein früher und/oder später Schmerz auf.

Schmerzlokalisation
Somatischer Schmerz Neuropathischer Schmerz Viszeraler Schmerz

Somatischer Oberflächenschmerz (Hautschmerz)

Somatischer Tiefenschmerz
Aktivierung
  • Direkte Schädigung eines Nervs
  • Reizung von Nozizeptoren in den Kapseln und serösen Häuten der Organe und den Wänden der Gefäße und Hohlorgane
Schmerzkomponente
Fasertyp
  • Je nach Lokalisation der Schädigung δ-Fasern oder C-Fasern
Beispiel
  • Nadelstich
  • Quetschung

Unterscheidung anhand der Dauer des Schmerzes

  • Akuter vs. chronischer Schmerz
    • Akuter Schmerz: Reaktion, die den Organismus vor Schaden schützt
    • Chronischer Schmerz: Schutzfunktion des Schmerzes rückt in den Hintergrund
      • Zeitliche Limitation nicht absehbar
      • Besteht länger als drei bis zwölf Monate (je nach Definition)
      • Stellt ein eigenständiges Krankheitsbild dar
      • Der Rücken ist die häufigste Lokalisation für chronische Schmerzen
      • Kann auch ohne feststellbare Gewebeschädigung auftreten

Besondere Schmerzformen

Projizierter Schmerz

Bei einer mechanischen Reizung peripherer Nerven wird die subjektive Schmerzwahrnehmung stets in das Versorgungsgebiet des betroffenen Nervs projiziert. Es kann somit nicht identifiziert werden, an welcher Stelle seines Verlaufs der Nerv irritiert wurde.

Bandscheibenvorfall
Bei einem Bandscheibenvorfall kommt es durch die vorgefallene Bandscheibe zu einer Reizung der Spinalwurzel. Die Schmerzen entstehen im Innervationsgebiet des entsprechenden Spinalnervs (Dermatom). So führt z.B. ein Bandscheibenvorfall in Höhe L4/L5 (häufigste Lokalisation) zu Schmerzen im Bereich des lateralen Ober- und Unterschenkels sowie im Fußrücken.

Übertragener Schmerz

Übersicht Head'sche Zonen
Organ Dermatom Projektion
Diaphragma C4 Schulter
Herz Th3-4 Linker Thorax
Ösophagus Th4-5 Retrosternal
Magen Th6-9 Epigastrium
Leber, Gallenblase Th10-L1 Rechter Oberbauch
Dünndarm Th10-L1 Paraumbilikal
Dickdarm Th11-L1 Unterbauch
Harnblase Th11-L1 Suprapubisch
Nieren, Hoden Th10-L1 Leiste

Phantomsensationen

Phantomsensationen sind eine wichtige und häufige Komplikation nach Amputationen.

  • Definition
    • Phantomschmerz: Schmerzempfindung in einer amputierten Gliedmaße
      • Schmerzqualität: Intermittierender Schmerz, der verschiedene Qualitäten haben kann, z.B. brennend, kribbelnd, juckend, quetschend
    • Phantomempfindung: Empfindung, dass eine Gliedmaße noch ganz oder teilweise vorhanden ist
  • Ursache: "Erlernen eines Schmerzes" durch Sensibilisierung nozizeptiver Strukturen in peripheren, spinalen und supraspinalen Strukturen → Übererregung an glutamatergen NMDA-Rezeptoren

Erfassung subjektiver Schmerzempfindungen
Um die subjektiven Schmerzempfindungen des Patienten zu quantifizieren, kann eine sog. visuelle Analogskala genutzt werden. Bei dieser Skala handelt es sich meist um eine Linie, auf der der Patient einen Punkt eintragen kann, der „analog“ ist zur Stärke seines Schmerzes. Somit können Schmerzempfindungen im Verlauf einer Erkrankung miteinander verglichen werden. Soll das subjektive Schmerzempfinden mit Blick auf die Schmerzdimensionen (bspw. Schmerzcharakter, Schmerzintensität, emotionale Komponente) erfasst werden, eignet sich eine schmerzbezogene Adjektivliste wie z.B. der McGill-Pain-Questionnaire.

Schmerzkomponenten

Schmerz kann anhand verschiedener Komponenten beschrieben werden.

  • Sensorisch-diskriminative Komponente: Bewusste Wahrnehmung von Qualität, Lokalisation, Stärke, Dauer und Häufigkeit der Schmerzen
  • Affektive Komponente: Emotionale Bewertung der Schmerzen („quälend“, „nicht zu ertragen“)
  • Kognitiv-bewertende Komponente: Interpretation und Umdeutung der Schmerzen
  • Vegetative Komponente: Vegetative körperliche Begleiterscheinungen der Schmerzen
  • Motorische Komponente: Reaktionen auf den Schmerz, die über die Muskulatur vermittelt werden

Wiederholungsfragen zum Kapitel Nozizeptives System

Nozizeption (Schmerzwahrnehmung)

Wo liegen die Zellkörper der Nozizeptoren?

Wo liegt der Zellkörper des 2. Neurons der Schmerzbahn?

Welcher ist der erregende Neurotransmitter der Nozizeptoren und auf welche Kanäle wirkt er?

Was sind die sog. TRPV-Kanäle und wodurch werden sie u.a. aktiviert?

Für was sind die TRPV-Kanäle in ihrem aktivierten Zustand durchlässig?

Welcher Thalamuskern ist insb. für die bewusste Wahrnehmung des Schmerzes verantwortlich?

Welche Funktion hat der anteriore cinguläre Kortex bei der Schmerzwahrnehmung?

Schmerzmodulation

Welche Substanzen gehören zu den Schmerzmediatoren?

Welche Funktion haben Schmerzmediatoren?

Welche Funktion haben Neuropeptide in der Schmerzwahrnehmung und welches ist die wichtigste Substanz in dieser Klasse?

Über welche Fasern wird der sog. Axonreflex weitergeleitet?

In welchen Geweben und über welchen Mechanismus entfalten sowohl endogene als auch synthetische Opioide ihre Wirkung?

Welche Kerne im Hirnstamm sind für die Schmerzhemmung (absteigende nozizeptive Bahnen) zuständig?

Schmerzformen

Wie lautet die physiologische Erklärung für die typischen Schmerzen im linken Arm beim Herzinfakt?

Was beschreibt der „projizierte Schmerz“?

Was beschreibt die kognitiv-bewertende Komponente der Schmerzwahrnehmung?

Was beschreibt die sensorisch-diskriminative Komponente der Schmerzwahrnehmung?

Welche Möglichkeiten gibt es, das subjektive Schmerzempfinden eines Patienten zu bestimmen?

Welcher Bereich des Körpers ist die häufigste Lokalisation für chronische Schmerzen?