• Vorklinik
  • Physikum-Fokus

Nierendurchblutung und glomeruläre Filtration

Abstract

Eine der wichtigsten Aufgaben der Niere ist die Filtrierung und Ausscheidung harnpflichtiger Substanzen mit dem Urin. Hierfür wird in den Glomeruli der Niere zunächst durch Ultrafiltration des Blutes der sog. Primärharn aus dem Blutplasma abfiltriert. Anschließend wird der Primärharn durch Resorptions- und Sekretionsvorgänge im Tubulussystem zum Endharn prozessiert (siehe dazu: Tubuläre Transportprozesse).

Die Nieren sind bezogen auf ihr Gewicht die bestdurchbluteten Organe des Körpers und erhalten ca. 20 % des Herz-Zeit-Volumens. Diese enorme Durchblutung ermöglicht es, ein großes Blutvolumen schnell von harnpflichtigen Stoffwechselendprodukten zu reinigen. Verschiedene Regulationsmechanismen wie die myogene Autoregulation, das tubuloglomeruläre Feedback, das Renin-Angiotensin-Aldosteron-System und externe Mechanismen tragen dazu bei, dass der renale Blutfluss und damit auch die glomeruläre Filtrationsrate (GFR) konstant gehalten werden können.

Die Glomeruläre Filtrationsrate (GFR) beschreibt die von allen Glomeruli der Niere pro Minute filtrierte Plasmamenge. Bei einem gesunden Erwachsenen beträgt sie 120 mL/min. Die GFR ist ein wichtiger Parameter zur Beurteilung der Nierenfunktion, kann jedoch nicht direkt gemessen werden. Aus diesem Grund zieht man im klinischen Alltag die Clearance verschiedener Markersubstanzen (bspw. Inulin) heran. Es handelt sich dabei um ein „fiktives“ Plasmavolumen, das innerhalb einer bestimmten Zeit von einer Substanz gereinigt („gecleared“) wird. Mithilfe der Clearance kann indirekt die GFR bestimmt und damit die Nierenfunktion beurteilt werden.

Harnbildung: Vom Primärharn zum Endharn

Zunächst entsteht der Primärharn, indem das Blut innerhalb des Nierenkörperchens filtriert wird. Dabei wird das Blut aus dem gewundenen Gefäßknäuel abgepresst und der entstandene Primärharn vom Kapselraum aufgefangen (= glomeruläre Filtration). Der glomeruläre Filter (bestehend aus Kapillarendothel, Basalmembran und Podozyten) hält größere Moleküle und Zellen auf; es werden also nur kleinere Plasmabestandteile in den Primärharn abgegeben. Im nächsten Schritt wird der Primärharn an das Tubulussystem abgegeben, in dem er prozessiert wird. Über komplizierte Transportprozesse werden etwa 99 % des Primärharns rückresorbiert; es entsteht der Endharn.

Ablauf der Harnbildung

Generell gilt: Im Nierenkörperchen wird erst einmal alles (bis auf Makromoleküle und Blutzellen) in großen Mengen gefiltert, wodurch der Primärharn entsteht. Im Tubulussystem und Sammelrohr finden dann Resorptions- und Sezernierungsvorgänge statt, wobei der Endharn entsteht!

Proteinurie
Normalerweise können größere Eiweiße die glomeruläre Filtrationsbarriere nicht passieren. Ist der glomeruläre Filter jedoch geschädigt, können Eiweiße ungehindert filtriert und im Urin nachgewiesen werden. Ab einer Proteinmenge von 150 mg/24 h spricht man von einer Proteinurie. Klinisch kann dem Patienten ein schäumender Urin auffallen. Diagnostisch wird ein Urinteststreifen genutzt, um die Proteine im Urin nachzuweisen. Eine genauere Diagnostik ist das Urinsediment oder die Elektrophorese.

Primärharn

  • Menge: Etwa 1/5 des durchgeflossenen Blutplasmas (ca. 180 L/Tag)
  • Zusammensetzung: Entspricht weitestgehend der des Blutplasmas

Stoffe, die frei filtriert werden (also gelöste, nicht an Proteine gebundene, ungeladenen Stoffe), liegen im Primärharn in der gleichen Konzentration vor wie auch im Blutplasma. Makromoleküle (wie bspw. Plasmaproteine) liegen hingegen im Vas efferens in einer höheren Konzentration vor als im Primärharn, da sie nicht filtriert werden, dem Vas efferens allerdings Flüssigkeit entzogen wurde!

Endharn

  • Menge: Etwa 1/100 des Primärharnvolumens (ca. 1,8 L/Tag)
  • Zusammensetzung: Sehr variabel

Nierendurchblutung

In Relation zu ihrem Gewicht sind die Nieren die bestdurchbluteten Organe: Sie erhalten 20 % des Herz-Zeit-Volumens. Diese enorme Durchblutung ermöglicht es, ein großes Blutvolumen schnell von harnpflichtigen Stoffwechselendprodukten zu reinigen. Verschiedene Regulationsmechanismen tragen dazu bei, dass der renale Blutfluss und damit auch die glomeruläre Filtrationsrate (GFR) konstant gehalten werden können. Details zum Nierenstoffwechsel werden in der Leistungsphysiologie dargestellt (siehe: Leistungsphysiologie und AlternNierenstoffwechsel).

Parameter der Nierendurchblutung

Regulation der Nierendurchblutung

Die Niere besitzt die Fähigkeit, die renale Durchblutung – und somit die Filtrationsleistung – auch bei wechselnden Blutdruckverhältnissen konstant zu halten.

Myogene Autoregulation (Bayliss-Effekt)

  • Beschreibung: Die renalen Arterien gleichen Blutdruckschwankungen (zwischen 80 und 180 mmHg) selbstständig aus
  • Mechanismus
    • Blutdruckanstieg (bis 180 mmHg) → Anstieg des intravasalen Blutdrucks → Kontraktion des Vas afferens → Blutdruckabfall im glomerulären Gefäßbett → Blutdruck bleibt konstant
    • Blutdruckabfall (bis 80 mmHg) → Abfall des intravasalen Blutdrucks → Dilatation des Vas afferens → Blutdruckanstieg im glomerulären Gefäßbett → Blutdruck bleibt konstant

Prostaglandine

Tubuloglomeruläres Feedback

  • Ziel: Anpassung der renalen Filtration an die tubuläre Resorptionskapazität
  • Mechanismus: Macula densa im distalen Tubulus misst die Salzkonzentration im Harn des Tubuluslumens und steuert durch lokale Mechanismen indirekt die GFR
  • Ablauf: Hypertoner Harn → Freisetzung von Adenosin → Vas afferens kontrahiert → Kapillardruck sinkt → GFR sinkt

Renin-Angiotensin-Aldosteron-System (RAAS)

Ziel

Beteiligte Hormone

AT1-Rezeptor-Blocker
AT1-Rezeptor-Blocker (= Sartane) binden als Antagonisten am AT1-Rezeptor und hemmen so die blutdrucksteigernden Effekte von Angiotensin II. Dieses Prinzip macht man sich in der Therapie der arteriellen Hypertonie zunutze. Der sinkende Blutdruck führt kompensatorisch zu einer vermehrten Reninsekretion.

Zusammenfassung des Mechanismus

  1. Reninausschüttung nach Stimulation durch o.g. Faktoren (z.B. Blutdruckabfall)
  2. Renin spaltet Angiotensinogen zu Angiotensin I
  3. ACE wandelt Angiotensin I zu Angiotensin II um
  4. Angiotensin II hebt über o.g. Mechanismen den Blutdruck und das Extrazellulärvolumen

Das RAAS wird u.a. beim Abfall des Blutdrucks bzw. des Blutvolumens aktiviert. Mithilfe der Enzyme Renin und ACE wird Angiotensinogen zu Angiotensin II umgewandelt. Angiotensin II führt u.a. über den Gefäßtonus, Salzappetit und Durst sowie die renale Rückresorption von Natrium und Wasser zu einer Steigerung von Blutvolumen und Blutdruck!

ACE-Hemmer
ACE-Hemmer (z.B. Ramipril, Enalapril) hemmen die Umwandlung von Angiotensin I zu Angiotensin II und dadurch das von Angiotensin II vermittelte Anheben des Blutdrucks. Sie zählen daher zu den Medikamenten der ersten Wahl bei arterieller Hypertonie.

Externe Regulationsmechanismen

Vegetatives Nervensystem

Akutes Nierenversagen bei Schock
Bei großem Blutverlust kann es zum Schock kommen: Der arterielle Blutdruck fällt dabei durch den Flüssigkeitsverlust enorm ab. Der Sympathikus wird aktiviert, woraufhin die Gefäße kontrahieren, um den Blutdruck aufrechtzuerhalten. Durch den Flüssigkeitsmangel einerseits und die hohen Katecholaminspiegel (v.a. Noradrenalin) andererseits wird die Niere sehr schlecht durchblutet. Die Urinproduktion fällt ab, der Patient scheidet wenig bis gar keinen Urin mehr aus – man spricht von einem akuten Nierenversagen.

Nierenfunktionsparameter

Glomeruläre Filtrationsrate (= GFR)

  • Definition: Beschreibt die Plasmamenge, die von allen Glomeruli der Niere pro Minute filtriert wird
  • Menge: Etwa 120 mL/min
  • Verlauf: Die Filtrationsleistung jedes einzelnen Glomerulus verändert sich im Verlauf der glomerulären Gefäßschlinge (nimmt vom Vas afferens zum Vas efferens ab)

Ermittlung der GFR

Filtrationsgleichgewicht

Gegen Ende der Kapillarstrecke kann sich ein sog. Filtrationsgleichgewicht einstellen, das dazu führt, dass nichts mehr abfiltriert wird. Es entsteht, wenn sich ΔP (Pkap – Pbow) und πonk so sehr annähern, dass deren Differenz Peff – und damit die treibende Kraft der Filtration – gegen Null geht.

Druckverläufe entlang der Glomerulumkapillare (vereinfachte Darstellung)
Vas afferens Vas efferens Erklärung
Pkap ↑↑↑↑ ↑↑↑↑
  • Der Kapillardruck (= Pkap) verändert sich entlang der Kapillare nicht signifikant
Pbow
πonk ↑↑↑
  • Während der Filtration kommt es zum Wasserausstrom aus der Kapillare
  • Die Proteinkonzentration im Plasma steigt
  • πonk steigt entlang der Kapillare
Peff = Pkap − Pbow – πonkPeff = ΔP – πonk ↑↑↑ 0
  • Der effektive Filtrationsdruck (= Peff) presst das Filtrat durch den glomerulären Filter
    • Vas afferens: Differenz zwischen ΔP und πonk groß → Viel Filtration
    • Vas efferens: Differenz zwischen ΔP und πonk geht gegen Null → Kaum noch Filtration

Der effektive Filtrationsdruck (= Peff) wird entlang der Glomerulumkapillare kleiner und sinkt gegen Ende gegen Null − ein Filtrationsgleichgewicht stellt sich ein!

Beziehung zwischen der Filtrationsleistung der Niere (GFR) und renalem Plasmafluss (RPF)

  • Voraussetzungen
    • Je höher der renale Plasmafluss (also die Nierendurchblutung), desto mehr wird das Filtrationsgleichgewicht an das Ende der Kapillare verschoben
    • Je weiter das Filtrationsgleichgewicht an das Ende der Kapillare rückt, desto größer ist die zur Verfügung stehende Filtrationsfläche
    • Je größer die Filtrationsfläche F, desto größer die GFR (da gilt: Peff × F × L= GFR)
  • Ergebnis: Filtrationsleistung der Niere (GFR) ist proportional zum renalen Plasmafluss (RPF): Je größer der renale Plasmafluss, desto größer die Filtrationsleistung der Niere

Clearance

  • Definition: Beschreibt das „fiktive“ Plasmavolumen, das innerhalb einer bestimmten Zeit von einer Substanz gereinigt („gecleared“) wird
  • Merkmale
    • Hat die Einheit eines Flusses (Volumen/Zeit)
    • Gilt immer nur für eine Substanz
    • Die Clearance einer Substanz und die GFR sind nicht zwangsläufig gleich groß
  • Interpretation
    • Die Clearance ist größer als die GFR, wenn die Substanz zunächst frei filtriert und dann zusätzlich sezerniert wird
    • Die Clearance ist kleiner als die GFR, wenn die Substanz zunächst frei filtriert und dann wieder rückresorbiert wird
    • Die Clearance ist gleich der GFR, wenn die Substanz frei filtriert und ohne Modifikation ausgeschieden wird
  • Berechnung: Clearance (mL/min) = StoffkonzentrationHarn (mmol bzw. g/mL) × Harnzeitvolumen V (mL/min) / StoffkonzentrationPlasma (mmol bzw. g/mL)
  • Beispielrechnung: ClearanceInulin= HarnkonzentrationInulin 2 g/L × Harnzeitvolumen 5 mL/min / PlasmakonzentrationInulin 0,1 g/L = 0,002 g/mL × 5 mL/min / 0,0001 g/mL = 100 mL/min

Niedrige Clearance-Werte bedeuten, dass das Plasma nur in geringem Ausmaß von einer bestimmten Substanz befreit wurde – hohe Clearance-Werte bedeuten, dass das Plasma größtenteils von dieser Substanz befreit wurde!

Clearance-Verhalten wichtiger Substanzen

Glucose

  • Clearance-Verhalten: Glucose wird komplett frei filtriert und im Tubulussystem unter Normalbedingungen vollständig zurückresorbiert und nicht sezerniert
  • Clearance-Wert: 0 mL/min (unter Normalbedingungen)
  • Clearance-Wert abhängig von der Plasmakonzentration der Substanz: Ja
  • Urinkonzentration
  • Physiologische Erklärung: Bis zur Nierenschwelle ist es egal, wieviel Glucose sich im Blut befindet; sie wird wieder komplett resorbiert. Das Plasmavolumen wird also nicht von Glucose „gecleared“; die Clearance ist gleich Null. Wird die Nierenschwelle allerdings überschritten, wird Glucose zunehmend mit dem Urin ausgeschieden. Ab diesem Punkt steigt die Urinkonzentration (mehr oder weniger) proportional zur Plasmakonzentration an. Die Clearance steigt zunächst ebenfalls proportional mit der Plasma-Glucose-Konzentration an, bis sie sich der GFR annähert - mehr Volumen als die GFR kann pro Minute nicht gecleared werden (es sei denn der Stoff wird tubulär sezerniert, was bei Glucose jedoch nicht der Fall ist).

Inulin

  • Clearance-Verhalten: Inulin wird komplett frei filtriert, weder resorbiert noch sezerniert → die Inulin-Clearance entspricht somit der GFR
  • Clearance-Wert: 120 mL/min
  • Clearance-Wert abhängig von der Plasmakonzentration der Substanz: Nein
  • Urinkonzentration: Nimmt proportional zur Plasmakonzentration zu
  • Physiologische Erklärung: Egal, wie hoch die Inulinkonzentration im Plasma ist, die Clearance dieses Stoffes entspricht immer der GFR. Anteilmäßig wird bei hoher Plasma-Inulinkonzentration genausoviel ausgeschieden wie bei niedriger Plasmakonzentration – befindet sich also mehr Inulin im Plasma, wird also auch mehr mit dem Urin ausgeschieden.

Paraaminohippurat (PAH)

  • Clearance-Verhalten: PAH wird frei filtriert, nicht resorbiert und vollständig sezerniert
  • Clearance-Wert: ca. 650 mL/min
  • Clearance-Wert abhängig von der Plasmakonzentration der Substanz: Ja
  • Urinkonzentration: Steigt zunächst überproportional an, mit zunehmender Plasmakonzentration dann proportional
  • Physiologische Erklärung: Bei geringer Plasmakonzentration wird das komplette Plasmavolumen von PAH „gecleart“ – alles, was also nicht bereits im Glomerulus filtriert wurde, wird spätestens im Tubulussystem sezerniert. Ab einer bestimmten Plasmakonzentration tritt allerdings eine Sättigung der Sekretionssmechanismen ein, weshalb nicht mehr das komplette durch die Niere fließende Plasmavolumen von PAH „gecleared“ werden kann.

Klinische Anwendung: Kreatinin

  • Clearance-Verhalten: Kreatinin wird komplett frei filtriert, nicht resorbiert, in geringen Mengen tubulär sezerniert
  • Clearance-Wert: ca. 120 mL/min
  • Besonderheit: Kreatinin wird im Klinikalltag für die Einschätzung der Nierenfunktion verwendet
    • Besitzt ein ähnliches Clearance-Verhalten wie Inulin; eignet sich somit gut zur Einschätzung der GFR
    • Nachteil: Kreatininspiegel im Blut hängt (neben der Nierenfunktion) vom Muskelstoffwechsel ab
    • Vorteil: Kreatinin ist eine körpereigene Substanz, die beim Muskelstoffwechsel anfällt, und muss nicht wie Inulin in den Körper infundiert werden

GFR und Kreatinin-Clearance in der Klinik
Die GFR ist ein wichtiger Parameter, über den sich die Nierenfunktion beurteilen lässt. Verschiedene Erkrankungen (z.B. eine Glomerulonephritis) führen im Verlauf zu einer Destruktion der Glomeruli, wodurch es zu einem Abfall der GFR und somit zu einer Anhäufung harnpflichtiger Substanzen im Blut kommt. Da sich die GFR nicht direkt bestimmen lässt, wird meist die Kreatinin-Clearance als Maß für die GFR genommen. Kreatinin wird kontinuierlich vom Körper gebildet, glomerulär filtriert, nicht resorbiert und nur in sehr geringen Mengen sezerniert. Die Konzentration sollte also stets konstant sein und liefert indirekt Hinweise auf die GFR. Berechnet werden kann die GFR über die sog. Cockcroft-Gault-Formel aus Serum-Kreatinin, Alter, Körpergewicht und Geschlecht. Ein Nachteil ist jedoch, dass das Serumkreatinin erst ab einer GFR-Reduktion von über 50% ansteigt. Eine geringere Reduktion der GFR ist nicht messbar; sie liegt im sogenannten „kreatininblinden“ Bereich.

Freie Wasser-Clearance

Fraktionelle Ausscheidung (FA)

  • Definition
    • Die fraktionelle Ausscheidung gibt an, welcher Anteil einer filtrierten Substanz X tatsächlich mit dem Urin ausgeschieden wird
    • Sie entspricht dem Verhältnis der Clearance einer bestimmten Substanz zur GFR
  • Interpretation
  • Beispielrechnung: Von 180 Litern glomerulär filtriertem Primärharn werden letztendlich 1,5 Liter Wasser mit dem Urin ausgeschieden. Dies entspricht einer fraktionellen Ausscheidung von 1,5/180 ≈ 0,01 (also nur etwa 1 % des filtrierten Wasser wird auch tatsächlich ausgeschieden).

Wiederholungsfragen zum Kapitel Nierendurchblutung und glomeruläre Filtration

Harnbildung: Vom Primärharn zum Endharn

Erkläre das Prinzip der Harnbildung!

Liegen gebundene und ungebundene Stoffe im Primärharn je in gleicher Konzentration wie im Blutplasma vor?

Zwischen welchen Werten kann die Osmolarität des Endharns schwanken?

Nierendurchblutung

Welche Parameter der Nierendurchblutung kennst du? Wie werden sie berechnet?

Was beschreibt der Bayliss-Effekt und wo tritt er auf?

Wo wird Renin gebildet und was bewirkt es?

Wie wird die Ausschüttung von Renin reguliert?

Wo wird Angiotensinogen gebildet?

An welche Rezeptoren bindet Angiotensin II und was wird dadurch bewirkt?

In der Hypertoniebehandlung werden u.a. AT1-Rezeptor-Blocker und ACE-Hemmer eingesetzt. Welchen Kompensationsmechanismus bewirken sie an der Niere?

Welchen Effekt hat Noradrenalin auf die Nierendurchblutung?

Nierenfunktionsparameter

Was versteht man unter der glomerulären Filtrationsrate?

Mit welcher im Klinikalltag häufig verwendeten Formel kann die GFR annähernd bestimmt werden?

Ist der effektive Filtrationsdruck entlang der Glomeruluskapillare gleichbleibend?

Was versteht man unter der sog. Clearance und wie wird sie berechnet?

Welcher Laborwert kann als Annäherung an die GFR herangezogen werden? Warum?

Wie ist das Clearance-Verhalten von Paraaminohippursäure?

Wieso ist der Clearance-Wert für Glucose unter Normalbedingungen 0 mL/min? Wann nicht mehr?

Erläutere den Begriff freie Wasser-Clearance und nenne seinen Plasmareferenzwert!

Wie berechnet sich die freie Wasser-Clearance?

Erkläre den Begriff fraktionelle Ausscheidung!

Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.