Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
 

    
Physiologie der Nierenfunktion und der ableitenden Harnwege

Steuerung der Nierenfunktion
© H. Hinghofer-Szalkay

Autoregulation: αὐτός = selbst, regula = Latte, Leiste, Maßstab, Regel
Bayliss-Effekt: William Bayliss
Goldblatt-Mechanismus: Harry Goldblatt
Kinine: κινειν = bewegen





Die Durchblutung der Nieren (renale Perfusion ~1 l/min) beträgt bei körperlicher Ruhe etwa 20% des Herzminutenvolumens. Bei physischer oder psychischer Belastung kann sie wegen des steigenden Sympathikustonus bis auf ~0,5 l/min abnehmen (Vasokonstriktion unter Stresseinfluss).

Die renale Perfusion ist mehrfach reguliert:

   -- Sie wird über einen weiten Blutdruckbereich so gut wie konstant gehalten. Diese autoregulative Fähigkeit beruht auf mehreren Mechanismen: Einer Erhöhung der arteriolären Konstriktion bei Steigerung von Innendruck und Wandspannung (Bayliss-Effekt); der Rückwirkung von Salzfiltration auf das vas afferens (tubulo-glomeruläres Feedback); und die Tatsache, dass erhöhter Blutdruck die Wasserausscheidung erhöht (Druckdiurese)

   -- Zweitens stehen die Nierengefäße unter dem steuernden Einfluss sympathischer Fasern. Geringe sympathische Aktivität fördert die Reninbildung (und damit Aldosteronproduktion), mittelstarke die Kochsalzresorption (direkt), intensive bewirkt renale Vasokonstriktion

   -- Das Nierenenzym Renin wird auf tubuläre und nervale Einflüsse hin freigesetzt und steht am Anfang eines breit wirksamen Systems (Angiotensin, Aldosteron), das auf die Nieren zurückwirkt (Gefäßtonus, Natriurese, Kaliurese, pH-Regulation). Zu weiteren nierenwirksamen endokrinen Faktoren gehören Vasopressin (erhöht Wasserresorption), natriuretische Peptide (Wirkung siehe Name) und ebenfalls natriuretische Prostaglandine.



Autoregulation Nervale Versorgung Humorale Mechanismen

Core messages
   
Die Niere stabilisiert ihre Durchblutung durch Autoregulation selbst
 
Die Niere kann ihre Durchblutung über einen großen Bereich arteriellen Drucks konstant halten (Schlaf, Belastung..). Das stabilisiert die - perfusionsabhängige - glomeruläre Filtration.

 
>Abbildung: Renale Autoregulation

Bei entspannten (weiten) Nierengefäßen ergibt sich die hellblau, bei kontrahierten (verengten) die rot gezeichnete Druck-Strömungs-Kurve. Grün dargestellt ist die Kurve für die renale Durchblutung (Autoregulation). Nimmt der arterielle Druck über ca. 75 mmHg zu, kommt es zu zunehmender Vasokonstriktion, bis der Autoregulationsbereich etwa bei 180 mm Hg ausgeschöpft ist (maximale Kontraktion).
 
Als Resultat verflacht sich das Verhältnis Strömung als Funktion des Perfusiondrucks, sodass die renale Perfusion zwischen ~75 und ~180 mmHg fast unverändert bleibt


Diese als Autoregulation bezeichnete Fähigkeit ist durch mehrere Mechanismen bedingt:

     Myogen (Bayliss-Effekt: vermehrte Wandspannung → Ca++-Einstrom in Gefäßmuskelzellen → Kontraktion vas afferens, >Abbildungen)

     Tubulo-glomeruläres Feedback bedingt (vermehrte Filtration → mehr Kochsalz an macula densa → Feedbacksignale an das Glomerulum durch parakrine Mediatoren → Kontraktion vas afferens → Filtration zurück in den Normbereich)

  
  Druckdiurese (Flüssigkeitsverlust durch Blutdruckanstieg → erhöhten Filtrationsdruck → vermehrte Wasserausscheidung).
 

<Abbildung: Tubulo-glomeruläres Feedback
Modifiziert nach einer Vorlage bei pblh2012.wikispaces.com

Erhöhte glomeruläre Filtration wird durch Verengung des vas afferens gegenreguliert


Der Autoregulationsbereich liegt zwischen den Extremen völlig dilatierter und gänzlich kontrahierter Gefäße. In beiden Fällen liegt eine typische nichtlineare Strömungs-Druck-Relation vor; dazwischen liegen Kurven mit unterschiedlichem Kontraktionszustand (s. Bayliss-Effekt weiter unten).

Bei zunehmender Kontraktion (d.h. mit steigendem Blutdruck) gleitet die physiologische Strömungs-Druck-Relation sozusagen auf Kurven zwischen Dilatation und Kontraktion, die aktuelle Nierendurchblutung ist in diesem Bereich praktisch unabhängig vom Blutdruck.

Autoregulation der glomerulären Filtration: Die Autoregulation beeinflusst nicht nur die renale Perfusion, sondern auch die glomeruläre Filtration (GFR). Diese bleibt im Autoregulationsbereich zwischen rund 75 und 180 mmHg weitgehend unabhängig von der Höhe des aktuellen Blutdrucks. Erst bei höheren Druckbeträgen nimmt sie weiter zu. (Bei arteriellen Druckwerten unter 75 mmHg nimmt die Filtration druckproportional ab - unter ~25 mmHg hydrostatischem Kapillardruck versiegt die glomeruläre Filtration vollständig.)
 
Autoregulation: Bis ~180 mmHg renal-arteriellem Druck bleiben Durchblutung und glomerulärer Kapillardruck weitgehend konstant
 
Autoregulation ist auch bei mit Salzlösung perfundierten isolierten Nierenpräparaten nachweisbar, d.h. sie ist unabhängig von neuraler oder endokriner Beeinflussung.

Tonuszunahme der
vasa afferentia senkt den Filtrationsdruck, Kontraktion der vasa efferentia steigert ihn; beides erhöht den Fließwiderstand und senkt den Blutfluss. Die kombinierte Wirkung dieser Faktoren bestimmt das Muster von Perfusion und Filtration im Nephron.
 

>Abbildung: Bayliss-Effekt
Nach Voets T, Nilius B: TRPCs, GPCRs and the Bayliss effect. The EMBO Journal 2009; 28: 4-5

Steigender Blutdruck bedingt Vasokonstriktion.
 
Links oben: Nach kurzer Dilatation (passiv) nimmt der Gefäßdurchmesser in Folge der Druckstufe (myogen) ab.
 
Rechts oben: Der Bayliss-Effekt ist myogen, d.h. unabhängig vom Endothel.
 
Unten: Molekularer Mechanismus: Einstrom von Natrium- und Calciumionen durch  TRPC-Kanäle - ausgelöst durch dehnungsempfindliche Membranproteine (blau) - führt zu Depolarisierung und Kontraktion der Gefäßmuskelzelle



Dehnungsempfindliche Transmembranproteine - TRPC6 (Transient receptor potential cation channel, subfamily C, member 6) - sind Ionenkanäle, die bei Einwirken von Scherkräften depolarisieren (>Abbildung). Der Signalweg involviert G-Protein, Phospholipase C (PLC), Diacylglycerin (DAG), Kationeneinstrom durch TRPC6-Permease, Depolarisierung und elektromechanische Koppelung.
 
   
  Mehr zum Bayliss-Effekt s. dort
 
Bei einem arteriellen Druckabfall tritt der entgegengesetzte Effekt ein: Die Signalkette funktioniert umgekehrt wie oben geschildert, die Reizung an den TRPC6-Permease lässt nach, das Membranpotential steigt, die Kontraktion der glatten Muskulatur - und damit der Strömungswiderstand - sinken. Das kompensiert den Druckabfall und stabilisiert wiederum die Perfusion.
 
Druckabfall in der a. renalis führt als myogene Reaktion zu Dilatation der vasa afferentia (Autoregulation der Durchblutung)
 
Die Niere ist mit afferenten und efferenten Nervenfasern ausgestattet
 
Die Niere ist dicht mit sympathischen Nervenfasern ausgestattet. (Therapeutische Unterbrechung der über die Nierengefäße laufenden Nervenversorgung - renal sympathetic denervation - führt zu Senkung des Blutdrucks und dessen Variabilität.)
 
 
<Abbildung: Renale Efferenzen und Afferenzen
Nach Veelken R, Schmieder RE. Renal denervation—implications for chronic kidney disease. Nature Rev Nephrol 2014; 10: 305–13

Die Nieren werden noradrenerg vom Vegetativum gesteuert (Vasokonstriktion, NaCl-Resorption, Reninbildung) und vermitteln neuropeptiderg Information von renalen Mechano- und Chemosensoren an das Gehirn


   
  Efferenzen (Nervenimpulse zur Niere): Noradrenalin und Dopamin aus sympathischen Varikositäten (die Niere hat keine parasympathische Versorgung) bewirken Vasokonstriktion, fördern die Rückresorption von Natrium im proximalen Tubulus sowie die Freisetzung von Renin aus dem juxtaglomerulären Apparat (ß-Rezeptor-vermittelt). Der Sympathikus wirkt damit volumenkonservierend und erhöht das Blutvolumen.

      Niedrige sympathische Aktivität regt über ß1-Rezeptoren die Reninsekretion im juxtaglomerulären Apparat an (<Abbildung), was den Angiotensin-Aldosteron- Mechanismus aktiviert.
   
      Mittlere sympathische Aktivität regt über α1B-Rezeptoren die tubuläre Wasser- und Kochsalz-Rückresorption an. Dies ist eine Hauptfunktion der sympathischen Innervation der Niere und unter Bedingungen beschränkter Salz-Verfügbarkeit besonders wichtig (bei übermäßigem Salzangebot allerdings auch problematisch wegen der Gefahr einer arteriellen Hypertonie).
   
      Hohe sympathische Aktivität bewirkt über α1A-Rezeptoren renale Vasokonstriktion und Perfusionssenkung.

    
Der sympathische Einfluss auf die Nierengefäße kann intensiv sein: Bei exzessivem Sympathikustonus (z.B. extremer Stress, starker Blutverlust) sinkt die renale Durchblutung auf praktisch Null. Solche Situationen gefährden die Nierenfunktion.

Noradrenerge und dopaminerge Wirkungen auf die Niere können gegenläufig sein: Noradrenalin (wirkt auf α1-Rezeptoren) bewirkt Kontraktion und damit Widerstandserhöhung, Dopamin (wirkt auf D1-Rezeptoren) Dilatation der Nierengefäße und damit verbesserte Durchblutung des betreffenden renalen Gewebes. Die Noradrenalinwirkung (Widerstandserhöhung) tritt bei stärkerer Aktivierung des Sympathikus in den Vordergrund (Erhöhung des arteriellen Blutdrucks).
 
      Afferenzen (Nervenimpulse von der Niere): Sensible Fasern leiten die Information von arteriellen und venösen Barorezeptoren (lokaler Blutdruck) und Chemorezeptoren im Nierenbecken (Zusammensetzung der interstitiellen Flüssigkeit: R1-Rezeptoren reagieren auf Hypoxie, R2-Rezeptoren auf das Ionenmuster) an das ZNS. Afferente Fasern verlaufen über sympathische (Nn. splanchnici) und parasympathische Äste (N. vagus).
  
Die Niere wird endokrin gesteuert und wirkt selbst hormonbildend
 
Kommt es zu einer Einengung einer Nierenarterie auf weniger als die Hälfte des normalen Durchmessers, dann löst die mangelnde Perfusion eine verstärkte Bildung von Renin und Aktivierung des Angiotensin-Aldosteron-Systems aus, was zu vermehrter Kochsalzresorption, Gefäßverengung und Steigerung des Blutdrucks führt (sogenannter Goldblatt-Mechanismus oder renovaskuläre Hypertonie).


>Abbildung: Einbindung der Niere in die Kreislaufregulation
Nach einer Vorlage bei picstopin.com

Beispiel Blutdruckabfall: Barorezeptoren stimulieren (über erniedrigte Aktionspotentialfrequenz afferenter Fasern) das Kreislaufzentrum, dieses aktiviert den Sympathikus und die Ausschüttung von Vasopressin. Zusätzlich wird der Renin-Angiotensin-Aldosteron-Mechanismus angeregt.
 
Neben direkter Kreislaufanregung (Herz, Blutgefäße) kommt es zu verringerter Salz- und Wasserausscheidung, was das Blutvolumen stabilisiert

Man kann dies so interpretieren, dass die Niere die mangelnde Durchblutung durch systemische Blutdrucksteigerung zu kompensieren versucht. (Die Niere ist das einzige Organ, das enzymatisch aktives Renin freisetzen kann.)

  Einige Mediatoren (=kurzzeitig wirksame Informationsmoleküle) werden in der Niere gebildet und rasch abgebaut, so dass sie kaum in die Blutbahn gelangen. Dazu gehören
 
    durchblutungssteigernde Prostaglandine und Kinine , die auch die Salz-Wasser-Ausscheidung fördern.

    Thromboxane sind hingegen durchblutungshemmend und spielen wahrscheinlich bei zahlreichen Erkrankungen der Niere eine Rolle.

Die nachfolgende Tabelle gibt eine Übersicht der Wirkungsorte, Mechanismen und Wirkungen von nierenwirksamen Hormonen und Mediatoren:

 
Hormon / Mediator
Mechanismus
Wirkung
Wirkungsort
Parathormon
Starke Hemmung der Phosphatresorption aus dem proximalen Tubulus
Förderung der Ca++- und Mg++-Resorption aus dem distalen Tubulus (Henle-Schleife)
Steigerung [Ca++] im Blut, Senkung [HPO4--]
(kurzfristig)
Tubulus: Proximal, frühdistal
Calcitonin
Hemmt Einbau des Natrium/Phosphat-Kotransporters im proximalen Tubulus (luminal)
Steigert Einbau von TRPV5-Kanälen, erhöht Ca++-Resorption im distalen Tubulus
Bei Hypocalcämie: Senkung der Rückresorption von Phosphat, Steigerung der Rückresorption von Ca++ Proximaler und distaler Tubulus
Natriuretische Peptide
Dilatation vas afferens / Konstriktion vas efferens: Filtration +
Erhöhter Blutfluss durch vasa recta (Auswaschen von Kochsalz und Harnstoff aus hypertonem Mark)
Phosphorylierung von Na-Kanälen (ENaC)
Hemmung der Reninsekretion
Senkung der Aldosteronfreisetzung
verminderte Na+-Resorption
Natriurese, Diurese
Gefäße
Glomerulum
distaler Tubulus
iuxtaglomeruläre Zellen
Nebennierenrinde
Angiotensin II
Konstriktion vas efferens → glomeruläre Filtration
Stimulierung der Aldosteronfreisetzung
Stimulierung der Vasopressinfreisetzung
Na+: erhöhte Resorption, verminderte Ausscheidung
+ Wasserresorption
Gefäße
Nebenniere
Hypophyse
Aldosteron
Expression / Insertion v. Na-Permease (ENaC) in apikale Membran, und Na-K-Pumpe in basolaterale Membran im distalen Tubulus / Sammelrohr
erhöhte Na+-Resorption
Sammelrohr
Vasopressin (ADH)
Insertion von Aquaporinen in apikale Membran im distalen Tubulus / Sammelrohr
erhöhte H2O-Resorption
Sammelrohr
Prostaglandine
Hemmung Na-Permease, Cl-Permease
verminderte Na+-Resorption
Henle-Schleife, Sammelrohr
 



  
  Arterieller Blutdruckabfall erniedrigt den Filtrationsdruck und bedingt verringerte Harnbildung - im Kreislaufschock kann vollständige Anurie auftreten. Nierenerkrankungen führen zu Störungen der Wasser- und Salzausscheidung, der Blutdruckregulation, des Säure-Basen-Haushalts, der Blutbildung, und der Ausscheidung harnpflichtiger Stoffe. Ferner sinkt die Bildung von Mediatoren (Kinine, Prostaglandine) und der Abbau von Peptidhormonen.

     Einengung (Stenose) einer Nierenarterie veranlasst die betroffene Niere zur erhöhten Freisetzung von Renin, und zwar so lange, bis der dadurch erhöhte Blutdruck (Renin → Angiotensin!) den erhöhten Strömungswiderstand der betroffenen Niere überwindet und die Perfusion normalisiert (renale bzw. renovaskuläre Hypertonie, eine sekundäre Hypertonieform, auch Goldblatt-Hochdruck genannt). Mögliche Therapie: Nierenarterien-Angioplastie.
 

 
      Autoregulation ist unabhängig von neuraler oder endokriner Beeinflussung und ermöglicht der Niere, ihre Perfusion zwischen ~75 (Gefäße dilatiert) und ~180 mmHg (Gefäße kontrahiert) weitgehend konstant zu halten - bedingt durch mehrere Mechanismen: Myogen (Bayliss-Effekt), tubulo-glomeruläres Feedback (vermehrte Filtration → mehr Kochsalz an macula densa → Feedbacksignale an das Glomerulum durch parakrine Mediatoren → Kontraktion vas afferens → Filtration zurück in den Normbereich), Druckdiurese (Flüssigkeitsverlust durch Blutdruckanstieg → erhöhter Filtrationsdruck → vermehrte Wasserausscheidung). Die Autoregulation stabilisiert auch die glomeruläre Filtration. Bei arteriellen Druckwerten unter 75 mmHg nimmt die Filtration druckproportional ab, unter ~25 mmHg Kapillardruck versiegt die glomeruläre Filtration vollständig
 
      Die Niere ist dicht mit sympathischen (nicht mit parasympathischen) Nervenfasern ausgestattet; ß-adrenerge Efferenzen bewirken Vasokonstriktion (über α1A-Rezeptoren bei hoher sympathischer Aktivität), NaCl-Resorption (über α1B-Rezeptoren bei mittlerer sympathischer Aktivität), Reninsekretion (über ß-Rezeptoren bei niedriger sympathischer Aktivität). Bei exzessivem Sympathikustonus (extremer Stress, starker Blutverlust) sinkt die renale Durchblutung auf praktisch Null (gefährdete Nierenfunktion). Dopamin (D1-Rezeptoren) bewirkt Dilatation der Nierengefäße. Peptiderge Afferenzen leiten Informationen von arteriellen und venösen Barorezeptoren (lokaler Blutdruck) und Chemorezeptoren im Nierenbecken (Zusammensetzung der interstitiellen Flüssigkeit: R1-Rezeptoren reagieren auf Hypoxie, R2-Rezeptoren auf das Ionenmuster) an das ZNS
 
      Die Niere kann Kinine, Prostaglandine (durchblutungssteigernd), Thromboxane (durchblutungshemmend) bilden und reagiert auf Parathormon, Calcitonin, Aldosteron, Angiotensin II, natriuretische Peptide, Vasopressin. Renovaskuläre Hypertonie (Goldblatt-Mechanismus): Einengung einer Nierenarterie auf <50% des normalen Durchmessers löst eine Aktivierung des Renin-Angiotensin-Aldosteron-Systems aus (vermehrter Kochsalzresorption, Steigerung des Blutdrucks)
 

 

Eine Reise durch die Physiologie


  Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen: Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.