Physiologie der Nierenfunktion und der ableitenden Harnwege

Aufgaben der Niere, funktionelle Reserven des renalen Gewebes

 
© H. Hinghofer-Szalkay

 Claudine: claudere = schließen
Diurese: διά = durch, οὐρέω = Harn lassen (Diuretikum: διουρητικός  „den Harn befördernd”)
Filtration: filtrum = Matratze, Seihtuch, Filter
Glomerulus: glomus = Knäuel
Inulin: Nach inula helenium (Alant)
Nephron: νεφρός = Niere
Oligurie: ὀλίγοι = wenig(e), ούρα = Harn
 Tubulus: tubus = Röhre
-urie: ούρα = Harn
Metabolische Homöostase, Entgiftung, hormonelle Regulation und Kreislaufstabilisierung sind die Hauptaufgaben der Niere. Ihr Wasser- und Salzmanagement beeinflusst Hydration, osmotischen Druck und pH-Wert; harnpflichtige Substanzen (z.B. Harnstoff) werden mit dem Urin ausgeschieden; über Erythropoetin und Vitamin-D-Hormon bestehen Zusammenhäng zu Blutvolumen, Sauerstofftransport, Knochenstoffwechsel u.a.; Renin aktiviert ein blutdrucksteigerndes System.

Trotz ihres geringen Gewichts (weniger als 0,5% der Körpermasse) beanspruchen die Nieren ein Fünftel des Ruhe-Herzzeitvolumens (≈1 l/min, renale Plasmadurchströmung RPF ≈600 ml/min). Das ist notwendig für die ausreichende Produktion von Flüssigkeit in die Nephrone (glomeruläre Filtration GFR ≈120 ml/min).

Die spezifische Rückgewinnung benötigter Stoffe aus dem Ultrafiltrat erfolgt in den Nierentubuli (tubuläre Resorption). Substanzen können vollständig, teilweise oder gar nicht aus dem Primärharn rückresorbiert werden; dementsprechend tauchen sie im Urin gar nicht (vollständig rückresorbiert) oder unterschiedlich stark konzentriert auf. Da nur etwa 1% der glomerulär filtrierten Flüssigkeitsmenge als Harn abgegeben wird, erreicht eine Substanz, die frei filtriert, aber nicht rückresorbiert wurde, im Urin automatisch eine hundertfache Konzentrierung (bezogen auf ihre Konzentration in der extrazellulären Flüssigkeit).

Manche Substanzen werden aus den Tubuli in das Lumen befördert (tubuläre Sekretion); das verstärkt ihre Ausscheidung, manchmal über das Ausmaß ihrer glomerulären Filtration hinaus.

Als Clearance wird die "Reinigungsleistung" z.B. der Niere bezeichnet - definiert als dasjenige Volumen an Flüssigkeit, das pro Zeiteinheit (Minute) vollständig von einer bestimmten Substanz befreit wird (also: Clearance = Volumen / Zeit).
 

Aufgaben der Nieren Blut- und Energieversorgung, renale Funktionen  Clearance Harnpflichtige Stoffe  Stoffkonzentrationen entlang des Tubulussysytems


>Abbildung: Schema eines Nephrons (oben: Glomerulus , unten: Tubulus )
Nach einer Vorlage in physproject-2011.wikispaces.com/N.+UROLOGY
Filtration im Glomerulus, Rückresorption und Sekretion im Tubulusbereich
Die Nieren haben folgende Aufgaben:

  Homöostase: Die Nieren halten ein "inneres Milieu" im Körper (Claude Bernard: Milieu interieur) aufrecht - sie regulieren die Ausscheidung von

    Wasser (Flüssigkeitsbilanz, Osmoregulation),

    Salzen (Natrium, Kalium, Kalzium, Magnesium, Chlorid - gestörte Nierenfunktion äußert sich oft in Abweichungen der Elektrolyte) und beeinflussen damit
 
    Membranpotentiale, Nervenleitung, Muskelkontraktion, Blutvolumen und Blutdruck; und
 
    stabilisieren den pH-Wert (Ausscheidung von Wasserstoffionen, Bikarbonat, Phosphat, Säuren)

  Entgiftung: Die Nieren scheiden Stoffe aus, deren Anhäufung sonst toxisch wäre, z.B.

    Kalium,

    Stickstoffverbindungen (Harnstoff, Ammoniumsalze)

    Harnsäure,

    Kreatinin, 

    Medikamente

  Humorale Regulation: Die Nieren sind

    in den Reninmechanismus involviert (Kreislauf, Blutdruck),

    bilden Erythropoetin (Sauerstofftransport),

    aktivieren Vitamin D3-Hormon (Kalzium- und Phosphatmetabolismus, Knochenstoffwechsel u.a.), und

    bilden Kinine und Prostaglandine (dilatieren lokal afferente Arteriolen und erhöhen damit Perfusion und Filtration )
 
Daneben hat die Niere weitere Funktionen, wie den

  Abbau von Glutamin, Peptiden und Peptidhormonen in den Tubuli.

Die Niere spricht auf autonom-nervöse (Sympathikus) und humorale Signale (Angiotensin II, Aldosteron, Parathormon, Kalzitonin u.a.) an.

Die hohe renale Durchblutung (ca. 500 ml/min/Organ) ist von erheblicher Bedeutung für den Kreislauf. Renale Perfusion und glomeruläre Filtration (GFR) hängen vom Blutdruck ab (s. dort):

    Bis zu einem Blutdruck von etwa 80 mmHg nimmt die Perfusion (und der renale Plasmafluss RPF) fast linear mit dem Druckwert zu, anschließend bleibt sie ziemlich konstant (Autoregulation), bis sie bei rund 180 mmHg mit dem Druck weiter zunimmt (Autoregulationsbereich erschöpft)

    Glomeruläre Filtration findet bei Werten unter ca. 50 mmHg arteriellem Druck so gut wie nicht statt (keine Primärharnbildung!), nimmt dann mit weiter steigendem Blutdruck bis ca. 80 mmHg zu und bleibt dann im Autoregulationsbereich ziemlich konstant. Erst bei Werten über ≈180 mmHg nimmt auch die GFR weiter zu.
 
Beide Nieren zusammen wiegen nur etwa 0,4% des Körpergewichts (2 x ≈0,15 kg), konsumieren aber

  ≈20% des Ruhe-Herzzeitvolumens (renaler Blutstrom ca. 1 l/min, renaler Plasmafluss RPF ≈ 0,6 l/min) und

  ≈10% des Energieverbrauchs (und damit des Sauerstoffverbrauchs)

des gesamtem Körpers (die Niere verbraucht jedoch nur ≈6% des arteriell angebotenen Sauerstoffs, da die Durchblutung in erster Linie der "Blutwäsche" und nur zu einem geringen Grad der O2-Versorgung des Organs dient - Perfusion funktionell > nutritiv; AVDO2 ≈1 ml/dl).

Die wichtigsten Substrate für die Energiegewinnung der Niere sind: Glutamin (35%), Laktat (20%), Glukose und Fettsäuren (je 15%):
 

<Abbildung: Anteil energieliefernder Substrate für den renalen Stoffwechsel
Die Niere bestreitet ein Drittel ihres Energiebedarfs aus Glutamin, ein Fünftel aus Milchsäure

Die hohen Umsatzwerte ermöglichen es der Niere, ihre Aufgaben zu erfüllen: Der Energieverbrauch geht hauptsächlich auf das Konto der Na+-K+-ATPasen (Transportsysteme in den Tubuli) und ist so intensiv, dass die Temperatur des Nierengewebes etwa 40°C beträgt.

Die basale Funktionseinheit der Niere ist das Nephron (pro Niere ≈0,8-1,5 Millionen), bestehend aus Glomerulum (Malpighi-Körperchen) und Tubulus. Ein Nephron ist durchschnittlich ≈30 mm lang, die Gesamtlänge aller Nephrone beider Nieren zusammengenommen beträgt ≈60 km, ihre Filtrationsfläche ≈0,4 m2, die innere Oberfläche aller Tubuli ≈40 m2.
 

>Abbildung: Glomeruläres Filtersystem
Nach einer Vorlage bei Tryggvason K, Wartiovaara J, How Does the Kidney Filter Plasma? Physiology 2005; 20: 96-101
Jede Niere enthält etwa eine Million Glomeruli, deren Kapillarschleifen den glomerulären Filter aufbauen: Diese Barriere besteht aus (fenestriertem) Endothel, Basalmembran, und Podozyten mit ihren interdigitierenden Fußfortsätzen

Die Nieren “bearbeiten” pro Tag 150-200 Liter Flüssigkeit, das ist das 4-bis 6-fache des Körperwasservolumens (zum Vergleich: In den Darm werden pro Tag höchstens 10 Liter sezerniert und wieder aufgenommen). Die tägliche Harnausscheidung beträgt beim Erwachsenen 5%, bei Kindern bis 20% des Körperwasservolumens.

Die Filtereigenschaften der glomerulären Kapillarmembran (>Abbildung) ermöglichen eine Passage von Molekülen bis ≈5 kD Größe - entsprechend einem Porenradius von einigen nm. (Mehr zur glomerulären Filtration s. dort)

Filtration: Die in den Glomeruli aller Nephrone (beider Nieren) pro Zeiteinheit filtrierte Flüssigkeitsmenge nennt man die glomeruläre Filtrationsrate (GFR = glomerular filtration rate). Beim Erwachsenen sind dies etwa 120 ml/min.  Dieser Wert hängt vor allem von der Körpergröße ab.

Zweck der Durchleitung von Flüssigkeit durch das Nephronsystem ist die "Reinigung" (Clearance) bestimmter Stoffe, d.h. ihre Entfernung aus den Körperflüssigkeiten und Ausscheidung im Harn.

  Eine pro Zeiteinheit von einem bestimmten Stoff vollständig "gereinigte" Plasmamenge wird als deren Clearance bezeichnet.

Da die Clearance einem Volumen pro Zeit entspricht, hat sie die Dimension einer Strömung. Ein Clearancewert kann auch errechnet werden, wenn eine bestimmte Substanz bei der Passage durch das Gewebe (etwa die Niere) nur teilweise entfernt wird. Verläßt z.B. das Blutplasma nach seiner renalen Passage das Organ mit einer um 10% reduzierten Konzentration, dann beträgt seine renale Clearance ein Zehntel des renalen Plasmaflusses RPF (d.h. ≈60 ml/min, s. unten).
Beispiel: Inulin - ein körperfremdes Kohlenhydrat (<Abbildung) - wird ins Blutplasma eingebracht. Es verbleibt im Extrazellulärraum, wird glomerulär vollständig mit der Plasmaflüssigkeit filtriert und tubulär nicht rückresorbiert.

  Wie groß ist die renale Inulinclearance? - Da das Filtrat (zu ≈99% rückresorbiert) von Inulin vollständig "befreit" wird, ist die Inulinclearance (mit ≈1% Fehler) gleich groß wie die glomeruläre Filtrationsrate.
 

<Abbildung: Ionentransport in der basolateralen und apikalen Membran von Tubuluszellen in verschiedenen Nephronabschnitten
Nach Seifter JL, Chang HY. Extracellular Acid-Base Balance and Ion Transport Between Body Fluid Compartments. Physiology 2017; 32: 367-79
Die basolaterale Seite der Tubulusepithelzelle grenzt an Interstitium und Blut, die apikale an das Tubuluslumen. Die Mechanismen zur Erhaltung des intrazellulären pH sind ähnlich. Wird der Harn angesäuert (was bei üblicher Ernährung der Fall ist), wird gleichzeitig das Interstitium alkalinisiert, und umgekehrt (z.B. bei vegetarischer Kost)

Pendrin ist ein Anionenaustauscher (Chlorid, Bikarbonat, Sulfat, Formiat), der auch in der Schilddrüse vorkommt (Jodid). Über Ionenkanäle (z.B. ENaC), Pumpen, Symport- und Antiportmechanismen s. dort

Für den Transport von Natrium-, Kalium-, Wasserstoff-, Chlorid- und Bikarbonationen in bestimmte Richtungen (je nach Nephronabschnitt) dienen Transportsysteme, die jeweils an der apikalen und der basolateralen Membran der Epithelzellen unterschirdlich verteilt sind (<Abbildung).

Schlussleistensysteme - Proteine der Claudin-Familie - schränken dabei einerseits den Austausch der Transportproteine zwischen diesen beiden Membrankompartimenten ein, andererseits die parazelluläre Diffusion von Ionen - diese sollen sich ja kontrolliert durch die Zellmembran bewegen.

Der parazelluläre Diffusionsweg nimmt an einigen Stellen des Nephrons ein bedeutsames Ausmaß an: Insbesondere zwischen den Zellen des dicken Teils des aufsteigenden Schenkels der Henle-Schleife.

Genaueres zu den Vorgängen im proximalen Tubulus s. dort, in der Henle-Schleife s. dort, im distalen Tubulussystem s. dort.
 
Renale Perfusion. Um der "Reinigung" des Blutes ein möglichst großes Körperflüssigkeitsvolumen zuführen zu können, wird den Nieren ein beträchtlicher Anteil des Herzzeitvolumens zuteil: Sie sind außerordentlich stark durchblutet (insgesamt ≈1 l/min, d.h. etwa 20% des Ruhe-Herzminutenvolumens - die Nieren tragen dabei deutlich weniger als 1% zum Körpergewicht bei).
  Nachblutungen bei frisch nierenoperierten Patienten können besonders intensiv sein (Rasches Kreislaufversagen möglich: Achtung auf Schocksymptome - Pulsanstieg, Blutdruckabfall, Blässe,..).

Die Nieren werden - bei einer renalen Perfusion (Durchblutung) von ≈1 l/min und einem Hämatokrit von 0,4 - pro Minute von ≈600 ml Plasma durchströmt (RPF = renal plasma flow).

Filtrationsfraktion (FF) = GFR / RPF

Der Anteil des renalen Plasmaflusses (RPF), welcher der Filtration unterliegt, heißt Filtrationsfraktion (FF, filtration fraction) - es ist dies die glomeruläre Filtrationsrate (GFR, etwa 120 ml/min).
 Bei einem RPF von 600 ml/min und einer GFR von 120 ml/min beträgt die FF 0,2 (20%).

>Abbildung: Übersicht: Renaler Stofftransport
Nach einer Vorlage bei philschatz.com/anatomy-book

  Harnpflichtige Stoffe ('Harnfixa') sind Substanzen, die nur über die Niere ausreichend aus dem Körper entfernt werden können. Dazu gehören

  Wasserstoff- und Ammoniumionen (praktisch zur Gänze; CO2 nicht gerechnet)

  Kreatinin aus dem Muskelstoffwechsel (zu ≈95%)

  Harnstoff als Abbauprodukt von Aminosäuren (zu ≈80%)

  Harnsäure aus dem Stoffwechsel der Nukleinsäuren (zu ≈65%)

  Kochsalz (zu >90%)

  Kalium
Zu täglichen Ausscheidungsmengen s. dort.


  Der tägliche Wasserbedarf beträgt beim Erwachsenen ≈15%, beim Neugeborenen mindestens 50% seines extrazellulären Flüssigkeitsvolumens. (z.B. bei 70 kg Körpergewicht → 20%, d.h. 14 kg extrazelluläres Flüssigkeitsvolumen → davon 15% = 2,1 Liter Wasserbedarf / Tag)

Die Harnbildung nennt man Diurese , harntreibende Mittel Diuretika. Übermäßiger Harnverlust (Polyurie) ohne entsprechende Flüssigkeitszufuhr senkt den Wassergehalt im Körper (Dehydration).

Die Ausscheidung einer zu geringen Harnmenge heißt Oligurie , völliges Versiegen der Harnausscheidung wird als Anurie bezeichnet.
 
<Abbildung: Aufnahme, Verteilung und Ausscheidung von Stickstoff
Nach einer Vorlage bei ucl.ac.uk
Stickstoff fällt im Stoffwechsel in Form von Ammoniumionen an. Diese werden zum Großteil (etwa zu 4/5)  von der Leber in Harnstoff umgewandelt (dazu wird Bikarbonat verbraucht), ein kleinerer Teil dient der Bildung von Glutamin (aus Glutamat)

In der Niere angelangt, wandert Harnstoff  in den Urin; aus Glutamin setzt die Niere (mittels des Enzyms Glutaminase) wieder Ammonium frei, das als Salz ausgeschieden wird

Zur Stickstoffausscheidung  s. auch dort
Stickstoff kann in der Form von Harnstoff (≈80%) oder als Ammoniak ausgeschieden werden.
  Harnstoff wird vermehrt bei Alkalose ausgeschieden, bei Azidose steigt die Exkretion von Ammoniumsalzen.

Je nach Ernährung und Stoffwechsellage stellt die Niere den pH-Wert im Harn ein: Die Bandbreite reicht von 4,5 bis 8,0, bei gemischter Kost im Normalzustand beträgt der Harn-pH im Durchschnitt 5,4.

Massive Aufnahme alkalischer (=basischer) Stoffe mit der Nahrung kann auch eine gesunde Niere überfordern (z.B. Milch-Alkali-Syndrom = Burnett-Syndrom, das bei streng vegetarischer Kost auftreten kann). Vermehrte Säureaufnahme hingegen ist meist folgenlos, da die Niere eine große Kapazität für Säureausscheidung hat.

Zur Rolle des Harnstoffs im Säure-Basen-Gleichgewicht s. auch dort.
 

>Abbildung: Veränderungen der relativen Konzentrationen tubulärer Inhaltsstoffe in Abhängigkeit von der Position im Tubulussystem
Nach: Guyton/Hall, Textbook of Medical Physiology, 12th ed.
Ordinate: Anreicherungs- bzw. Verdünnungsquotient - Werte unter 1 deuten an, dass der Stoff stärker rückresorbiert wurde als Wasser. Werte über 1 zeigen, dass der betreffende Stoff weniger stark als Wasser rückresorbiert wurde als Wasser und/oder dass er tubulär sezerniert wird
Abszisse: Ort entlang des Tubulus
Die Zahlenwerte rechts oben geben die mittlere Clearance von PAH, Kreatinin und Inulin (letzteres wird weder rückresorbiert noch sezerniert) in ml/min an. Glukose und Aminosäuren werden vollständig rückresorbiert (Clearance = 0)
PAH, Paraaminohippursäure (wird nicht rückresorbiert und darüber hinaus sezerniert, die Clearance entspricht fast dem renalen Plasmafluss)  Urea, Harnstoff


Mit der Konzentration gelöster (ausgeschiedener) Stoffe im Harn steigt dessen spezifisches Gewicht. Zur Abschätzung der Leistungsfähigkeit der Niere kann man die Tagesharnmenge (in Litern) mit den beiden letzten Stellen des (auf 4 Stellen angegebenen) spezifischen Gewichts des Tagesharns multiplizieren; es sollte eine Zahl größer als 28 resultieren. Man kann dann ausreichende Ausscheidung harnpflichtiger Stoffe annehmen:
Beispiel: 24-h-Harnproduktion 1,5 l; spezifisches Gewicht des 24-h-Harns 1,020. 1,5 x 20 = 30 (30>28, eine ausreichende Ausscheidungsleistung kann angenommen werden)

 Diese Abschätzung ist freilich ungültig, wenn Stoffe hoher Dichte, z.B. Röntgenkontrastmittel, mit ausgeschieden werden. In der modernen klinischen Praxis wird diese Methode kaum noch verwendet, gleichwohl behält sie ihre prinzipielle Gültigkeit.

Säuglinge sind insbesondere bei Hitze (Sonnenbestrahlung) gefährdet: Austrocknung (Dehydration) stellt sich rasch ein, verbunden mit Erhöhung der osmotischen Konzentration. Die Folge ist mangelhafte Wärmeabgabe und “Durstfieber”.
Eine Reise durch die Physiologie


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