Physiologie der Nierenfunktion und der ableitenden Harnwege

Druckverhältnisse in der Niere, Motorik von Ureter und Harnblase; Detrusionsmechanismus


 
© H. Hinghofer-Szalkay

Detrusion: detrudere = wegstoßen (trudere = drängen, treiben)
Hydronephrose: ὕδωρ = Wasser, νεφρός = Niere
Katheter: καθετήρ = Sonde, Rohr
Kontinenz: continere = zusammenhalten (tenere = umfassen)
Miktion: mingere = harnen
myogen:
μυς, μυός = Muskel, γενεά = Abstammung
Onuf'scher Kern: Bronislaw Onuf
pyelo-: πήληξ = Nierenbecken
Sphinkter: Σφίγξ = Würgerin



Das Nierenbecken hat 5-10 ml Fassungsvermögen, die Harnblase bis 300 ml und mehr. Steigt der Druck (15 mmHg) im Nierenbecken (bedingt durch die laufende Harnbildung von ≈1 ml/min), triggert eine Schrittmacherzone am Abgang des Harnleiters (Länge: 25-30 cm) wellenartige Muskelaktivität, die Harn gegen ein Druckgefälle von bis zu 60 mmHg und mit einer Geschwindigkeit von einigen cm pro Sekunde in die Blase befördert.

Diese Ureterperistaltik funktioniert autonom, wird aber durch nervale Einflüsse modifiziert. Der Ruhedruck in der Blase beträgt nur wenige mmHg; steigt er an (z.B. ≈10 mmHg bei ≈200 ml Füllvolumen), werden Dehnungsrezeptoren gereizt, bei weiterer Füllung tritt Harndrang auf. Die leere Blase hat eine Wanddicke von ≥5 mm, ist sie maximal gedehnt, nur mehr ≈2 mm ("plastische" Umlagerung der Zellen in der Blasenwand).

Die Dichtigkeit (Blasenkontinenz) wird durch den Dauertonus des Sphinkterapparates ermöglicht: der innere glattmuskuläre Teil wird durch sympathische Fasern angeregt, der äußere quergesteifte steht unter dem Einfluss somatischer Fasern.

Das direkt zuständige Reflexzentrum liegt im Rückenmark (spinale Ebene: Lumbal- und Sakralmark). Zerebrale Zentren (supraspinale Ebene) sind übergeordnet, wie das pontine Miktionszentrum; sowie kortikale Gebiete, die perzeptive, emotionale, vegetative und motorische Aspekte integrieren.

Efferent wirken vegetativ das lumbal-sympathische (über den N. hypogastricus) und das parasympathisch-sakrale Zentrum (über den N. splanchnicus), motorische Fasern (über den N. pudendus) stammen aus dem Onuf'schen Kern.

Der Detrusionsreflex stellt von sympathisch-motorisch gesteuerter Kontinenz auf parasympathisch verwaltete Detrusion um - er inaktiviert den Sphinkterapparat und regt die Kontraktion der Harnblase an. Eine physiologische Blasenentleerung dauert nicht länger als 30 Sekunden.


Blasenfüllung  Blasenkontrolle


>Abbildung: Die Schrittmacherzone des Nierenbeckens ist der Ursprung der Ureterperistaltik
Modifiziert nach Santicioli P & Maggi CA, Myogenic and neurogenic factors in the control of pyeloureteral motility and ureteral peristalsis. Pharmacol Rev 1998; 50: 683-722

In der Schrittmacherzone liegen spontanaktive Zellen (A, B - unterschiedliche Zeitachse). Der Ureter ist im Basiszustand inaktiv (C); an der Peristaltik ist er beteiligt (D)
 
Jeweils obere Registrierspur: Kraft (in mN), darunter Membranpotential (in mV)


Der etwa 25-30 cm lange Ureter (Harnleiter) transportiert einerseits Urin vom Nierenbecken (Volumen: 5-10 ml) in die Blase (Volumen: bis ≈300 ml, im Extremfall bis über einen Liter), verhindert andererseits einen Reflux von Urin in die Gegenrichtung. Er funktioniert sozusagen als drucksensitive Pumpe und aktives Ventil (>Abbildung).

Die Niere baut einen hydrostatischen "Betriebsdruck" auf, der einerseits die Harnproduktion im Nierengewebe nicht behindert und andererseits groß genug ist, um bei Bedarf den Transport von Urin aus dem Nierenbecken in die Blase zu aktivieren. Dieser Druck ist auf ≈15 mm Hg (20 cm Wassersäule, 2 kPa) reguliert. Hohes Füllungsvolumen wird durch "plastische" Anpassung der Blasenwand weitgehend aufgefangen (s. unten), der Druck erhöht sich nur geringgradig.

Die Druck-Volumen-Beziehung (Compliance: ∂V/∂p) ist abhängig vom Zeitverlauf der Füllung und dem aktuellen Zustand der Blasenwand (Cystometrie, Cystometrographie).

Nephrone und Nierenbecken werden durch den renalen Flüssigkeitsdruck entfaltet gehalten; höhere Werte behindern andererseits die Filtration. Der pyelo-urethrale Komplex (Nierenbecken und Harnleiter) kann einen Druckanstieg in der Niere verhindern, indem er peristaltische Kontraktionswellen generiert. Dabei werden Drucke bis 80 cm Wassersäule (8 kPa) aufgebaut bzw. überwunden.

  Die Ureterperistaltik benötigt keine neurale Steuerung, sie tritt auch bei Denervierung des Ureters auf: Der Grundmechanismus ist glattmuskulär-myogen (spontanaktive Schrittmacherzellen im Nierenbecken, die als Gruppe funktionieren - multiple coupled oscillators). Druckanstieg wirkt auf dieses System synchronisierend und überschwellig, und induziert rhythmische Entladungen.

Synzytiale Verknüpfung der glatten Muskelzellen über gap junctions ermöglichen die Weiterleitung der Erregung (2-6 cm/s) in Richtung Blase. Pro Minute erfolgen 2 bis 6 Kontraktionswellen.

Die Ureterperistaltik wird weiters angeregt durch Azetylcholin (Parasympathikus) und sympathisch über α-Rezeptoren (ß-Rezeptoren wirken hemmend). Afferente sensorische Fasern im Ureter können Schmerz leiten und - bei starker Dehnung des Harnleiters - zu Nierenkolik führen.


 

<Abbildung: Anordnung zur Durchführung einer Cystographie (schematisch)

Kanülen: 18 G entspricht einem Durchmesser von 1,2 mm

Bei über 8-9 kPa (80-90 cm H2O / ≈60 mmHg) Blasendruck (Blasenlähmung, Verschluss des Blasenausgangs; dieser Druck kann über Stunden aufrechterhalten bleiben) genügen Ureterperistaltik und die Ventilfunktion der Harnleitermündung in die Blase nicht mehr aus, die Strömung nach peripher zu sichern bzw. einen (vesikoureteren) Reflux in das Nierenbecken zu verhindern - der Druck im Nierenbecken steigt an, die Harnbildung ist erschwert.

Wenn der Zustand über Stunden und Tage andauert, können Niereninsuffizienz und Hydronephrose auftreten. Zwar findet dann immer noch (reduzierte) glomeruläre Filtration statt, diese wird aber durch tubuläre Filtration vollständig kompensiert, die Harnbildung erlischt (Anurie).

Druck und Strömung. Die Nieren bilden ca. 1 ml Harn pro Minute. Der Druck in der Harnblase beträgt ≈1 kPa (10 cm Wassersäule). Nimmt das Harnvolumen zu, gibt die Blase plastisch nach, und der Blaseninnendruck bleibt unverändert. Die leere Blase hat eine Wanddicke von 5-7 mm, bei maximaler Füllung nur ≈2 mm.

Kontraktion der Schließmuskeln (Sphinkteren ) am Blasenausgang und in der Wand der Harnröhre (Urethra) bewirken die Dichtigkeit (Kontinenz ) der Blase. Der glattmuskuläre innere Sphinkter wird durch sympathische Nervenfasern angeregt, der quergestreifte äußere Sphinkter durch Fasern des Pudendusnervs (dieser entspringt im Onuf-Kern des Sakralmarks).

Afferente Impulse von der Harnblase werden über Fasern des N. pelvicus geleitet. Bis zu dem Punkt, an dem die Detrusion getriggert wird, zeigt sich der Blasentonus unabhängig von der Nervenversorgung.
Ab ≈0,2 Liter Blaseninhalt werden Dehnungsrezeptoren in der Blasenwand gereizt (früher bei rascher Füllung, wie bei diagnostischer Füllung - Zystometrie - über Blasenkatheter ). Ab 0,3-0,4 Liter tritt Harndrang auf.

Ab hier (mit ≈1-2 kPa passivem Druck) beginnt der Blaseninnendruck bei weiterer Füllung nichtlinear zu steigen, der Harndrang wird bei über 0.5 l Blaseninhalt schmerzhaft; jedoch gibt es eine beträchtliche Anpassungsfähigkeit durch Zunahme der Volumendehnbarkeit (Plastizität: die Blase kann im Extremfall ein Maximalvolumen von ≈1,5 Liter fassen).

Bakterielle Besiedelung: Der Harntrakt ist so gut wie immer mit Bakterien besiedelt, die aus der Harnröhre retrograd aufsteigen und sich an das Epithel der Harnwege anlagern (Blasenharn ist hingegen normalerweise so gut wie steril.) Regelmäßige Spülung durch neu gebildeten Harn verhindert normalerweise ein Überhandnehmen des bakteriellen Wachstums und unterstützt immunologische Schutzmechanismen - Harnverhaltung begünstigt das Entstehen von Infektionen. Auch die Anatomie spielt eine Rolle: Harnwegsentzündungen kommen bei Frauen (Länge der Urethra ≈5 cm) mehr als zehnmal häufiger vor als bei Männern (≈20 cm).




>Abbildung: Kontrolle der Blasentätigkeit
Nach einer Vorlage in austincc.edu

Links: Aktivität zur Abdichtung (Kontinenz) der Blase, rechts: Reflexmuster bei Miktion - vgl. auch: Vegetativum

  Die Blasenkontrolle erfolgt auf verschiedenen Ebenen des ZNS (>Abbildung). Parasympathische Zonen im Sakralmark kontrollieren den m. detrusor vesicae, sympathische im Lumbalmark die Sphincterregion und den Harnleiter. Der Hirnstamm enthält das pontine Blasenzentrum und das zentrale Höhlengrau; Information über den Zustand von Blase und Harnwegen werden hier mit absteigenden Impulsen aus höheren Zentren integriert. Zentrale Bedeutung haben vor allem der präfrontale Kortex, der vordere gyrus cinguli und die Insel.

  Auf Hirnstammebene werden die Erfordernisse bezüglich Speicherung / Entleerung der Blase mit dem Status im Vegetativum und der Umgebungssituation abgestimmt und - situationsbedingt - der Wechsel zwischen Zurückhalten des Harns einerseits und Freigabe der Detrusion andererseits (phase switching) vorgenommen.

Es gibt also kein singuläres “Blasenzentrum” im Gehirn. Kortikale Repräsentation und koordinative Kontrolle in der Pons kann den Harndrang einerseits dämpfen (Inhibition parasympathischer Neurone im Sakralmark), andererseits die Blasenentleerung freigeben. Die willkürliche Kontrolle des Reflexablaufs wird während der postpartalen Entwicklung erlernt.



Die Entleerung der Blase (Miktion, Detrusion ) erfordert ein Umsschalten von sympathischer auf parasympathische Aktivität mit Entspannung des äußeren Schließmuskels.

     Afferenter Teil: Ausgehend von Dehnungsrezeptoren in der Blasenwand, über den N. pelvicus - die Rezeptoren steigern ihre Entladungsfrequenz mit zunehmender Blasenfüllung
 
     Reflexzentren im Rückenmark (parasympathisch-sakral: spinale Ebene) und übergeordnete zerebrale Zentren (supraspinale Ebene) - Hirnstamm (Miktionszentrum in der Brücke ventrolateral auf Höhe des locus coeruleus) und kortikale Gebiete, hier werden perzeptive, emotionale, vegetative und motorische Aspekte integriert
 
     Efferenter Teil mit vegetativ-motorischen und somatomotorischen Anteilen:
 
     vom sympathischen Lendengebiet über den N. hypogastricus (Hemmung des Detrusor, Anregung des sphincter internus → unwillkürlicher Harnverhalt)
 
     vom parasympathischen Sakralzentrum über Äste der Nn. splanchnici pelvini (Kontraktion des Detrusor → Blasenentleerung)
 
     somatomotorische Efferenzen (aus dem Onuf'schen Kern) über den N. pudendus (Kontraktion des sphincter externus → willkürlicher Harnverhalt)
 


Der Ablauf des Detrusionsreflexes beginnt mit einer Erschlaffung des Schließmuskels (m. sphincter vesicae externus, dann internus). Sobald etwas Harn in die proximale Urethra gelangt, wird die sympathische Hemmung der Detrusion aufgehoben und der Reflex freigegeben.

Steuerung: Die Blase ist präzise gesteuert: Sie verfügt über keine gap junctions (wie Herz oder Uterus) und ist dicht innerviert, steht also unter zentralnervöser Kontrolle (glatter Muskel vom 'multi-unit-Typ').

   M. detrusor vesicae: Die Kontraktion des Blasenmuskels wird cholinerg - über muskarinerge Rezeptoren - sowie purinerg (ATP) angeregt.
 
   Blasenhals und proximale Urethra (m. sphincter vesicae internus): Diese Zone ist sympathisch innerviert. Reizung von α1-Rezeptoren führt zu Verschluß des Blasenausganges, bei der Detrusion kommt es durch Hemmung der Noradrenalinfreisetzung sowie nitriderg zu Erschlaffung der Sphinkterzone und damit Reduktion des Fließwiderstandes.
 
Die Kontraktion der Blasenmuskulatur führt zum Ansteigen des Drucks; dies ist zur Überwindung des Widerstandes, den die Urethra der Blasenleerung (auch bei erschlafften Sphinkteren) entgegensetzt, nötig. Es treten wiederholte Kontraktionswellen auf (reflektorisch selbstregenerierend), mit Druckspitzen bis ≈8 kPa, deren Amplitude mit abnehmendem Blasenvolumen geringer wird. Reflektorische Anspannung der Bauchdeckenmuskulatur verstärkt den Extrusionsmechanismus.



Normalerweise dauert die Entleerung der Harnblase nicht länger als 30 Sekunden (Durchschnitt ≈20 s). Überschreitet die Miktionsdauer diesen Wert, ist entweder die Blasenmotorik gestört, oder der Ausflusswiderstand ist erhöht (das kann strukturelle, vorübergehend auch funktionelle Ursachen haben, insbesondere bei Stresseinfluss).

Der Ausflusswiderstand kann beim Mann z.B. infolge Prostatahypertrophie erhöht sein. Der Widerstandswert wird aus Druckgefälle und Strömung ermittelt (analog dem Ohm'schen Gesetz). Die Registrierung von Blasendruck und Harnströmung bei der Miktion mittels Blasenkatheter, Volumen- und Druckmesssystem heißt Uroflowmetrie. Die Untersuchung des Dehnungsverhaltens der Blase bei künstlicher Füllung heißt Zystometr(ograph)ie.

Die Detrusion kann aus verschiedenen Gründen gestört sein, zum Beispiel:

 
  Stressinkontinenz: Bei erschlafftem Beckenboden kann Belastung (Hebearbeit, Husten, Niesen..) zu unwillkürlichem Harnverlust führen. Beckenbodenschwäche und Uterusdescensus sind meist die Ursache (häufige Inkontinenz bei Frauen). Beckenbodengymnastik und Östrogengabe können helfen.

 
  Obstruktive Abflußhindernisse (z.B. Prostatahypertrophie, Urethrastrikturen) oder eine atone Blase (z.B. diabetische Neuropathie) haben eine ständig überfüllte Blase zur Folge und bedingen Überlaufinkontinenz. Die Blase ist passiv überdehnt, Restharnbildung und Harnträufeln sind die Folge.

    Als Dranginkontinenz bezeichnet man Harndrang mit unfreiwilligem Urinabgang. Motorische Dranginkontinenz tritt infolge neurologischer Probleme auf (Schlaganfall, Mb. Parkinson), das Gefühl für die Blase ist erhalten. Sensorische Dranginkontinenz kann z.B. bei Blasenentzündung auftreten - mit der Folge ständigen Harndrangs.

 
  Erfolgt eine Blasenentleerung wegen äußerer Umstände bei intakter Blasenfunktion, spricht man von funktioneller Inkontinenz.

Wird der Ureter gedehnt (Nierenstein), kommt es zu einer starken Anregung der Peristaltik, was mit intensiven Schmerzen einhergeht (Nierenkolik). Ist der Harnabfluss für längere Zeit blockiert, kann der andauernde Druckanstieg vor der Engstelle zu Schädigung des Nierenparenchyms führen (Hydronephrose).

        
Uroflowmetrie - Urologische Diagnostik


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