Vegetative Regulationssysteme: Niere Dr. Susanne Krug Institut für Klinische Physiologie, CBF Susanne.m.krug@charite.de 1. Bau + Funktion 2. Regulation 3. Diagnostik 4. Transportmechanismen 5. Diurese + Diuretika Längsschnitt durch die Niere Gestalt: bohnenförmig, konvexe Seite lateral, konkave Seite medial: Hilus mit Nierenarterie und -vene Größe: Längs 10-12 cm, Quer 5-7 cm, Gewicht 120-200 g Nierenrinde Nierenmark A. renalis Kelch V. renalis Nierenbecken Ureter Klinke, Silbernagl: Lehrbuch der Physiologie Nieren und Harnwege Vena cava Aorta Lage: paarige Anordnung unterhalb des Zwerchfells, beiderseits der Wirbelsäule 1 2 3 4 5 Nebenniere Arteria renalis Vena renalis Niere Ureter Urogramm mit jodhaltigem filtrierbarem Kontrastmittel. Ureterperistaltik als Unterbrechung des Harnflusses sichtbar Niere: Aufgaben Aufgaben: • Ausscheidung harnpflichtiger Nierenrinde Substanzen • Konservierung erhaltenswerter Substanzen A. renalis Nierenmark Kelch • Konstanthaltung/Regulation: V. renalis • Wasser- und Elektrolythaushalt • Blutdruck • Säure-Basen-Haushalt Nierenbecken Ureter • Bildung/Inaktivierung von Hormonen: Erythropoetin, Vitamin D3 Klinke, Silbernagl: Lehrbuch der Physiologie Von der Niere zum Nephron Nierenrinde A. renalis Nierenmark Kelch V. renalis Nierenbecken Ureter Mensch: ca. 2 1 Mio. Nephrone Klinke, Silbernagl: Lehrbuch der Physiologie Nephronsegmente proximaler Tubulus distaler Tubulus Glomerulus Sammelrohr Henle-Schleife Nephrone & Blutgefäße Henle-Schleife kommt immer zum eigenen Glomerulus zurück! Zwei Kapillargebiete hintereinander Strategie der renalen Exkretion 1. Hohe Durchblutung und „vorläufige“ Ausscheidung durch Filtration 2. Tubuläre Resorption von ~99% des Filtrates zur Rückgewinnung von erhaltenswerten Substanzen & Wasser (auch: Sekretion) 3. Regulation: Die Ausscheidung wird hormonell reguliert 4. Die filtrierten und dann nicht resorbierten Stoffe werden ausgeschieden 5 Grundprozesse: einige Zahlen Durchblutung, Filtration, Resorption, Sekretion, Ausscheidung pro Tag 1. Renaler Blutfluss Renaler Plasmafluss RBF RPF 1800 l/d 900 l/d 2. Glomeruläre Filtrationsrate GFR 180 l/d 3. tubuläre Resorption im Nettoeffekt 4. 178,2 l/d tubuläre Sekretion . 5. Ausscheidung VU 1,8 l/d Anschaulich: 20% des RPF wird filtriert 1% des Filtrats wird ausgeschieden Glomerulus Glomerulus: Blut-Harn-Schranke afferente Arteriole efferente Arteriole Bowmankapsel www.bmb.psu.edu/courses/bisci004a/urin/jga.jpg Glomerulus Endothel mit Poren Schlitzmembran Kolloidosmotischer Druck Podozyt mit Fußfortsatz Renaler Blutdruck Ultrafiltration Basalmembran Radius 75 nm wird immer enger Radius 1-4 nm Eigenschaften des glomerulären Filters Substanz MW (Da) H2O Glukose Inulin b2-Mikroglobulin Myoglobin Hämoglobin Albumin 18 180 5500 11800 17000 68000 69000 Radius (nm) 0,1 0,5 1,4 1,6 2,1 3,2 3,5 ab 3 nm Siebkoeffizient 1,0 1,0 0,99 0,9 0,75 0,03 0,001 wird noch unbehindert filtriert wird praktisch nicht filtriert Was sind eigentlich Filtration und Ultrafiltration? Filtration Treibende Kraft: Hydrostatischer Druck Trennung am Filter: Solute und Wasser / ungelöste Teilchen Ultrafiltration "Poren" sind noch kleiner, daher werden auch große Solute (z.B. Proteine) zurückgehalten Glomeruläre Filtrationsrate (GFR) JV = KF · Peff entspricht dem Ohm'schen Gesetz I = 1/R · U Peff = effektiver Filtrationsdruck KF = Filtrationskoeffizient = LP · F LP = Hydraulische Leitfähigkeit F = Fläche Filtrationsrate eines Solutes x JX = cX · ( SX ) · JV (solvent drag) cX = Konzentration Siebkoeffizient S = 1 – Rückhaltung 0 = nichts geht durch, 1 = alles geht durch Durchblutung, Autoregulation Autoregulation Durchblutung und Filtration werden konstant gehalten. 2 Mechanismen: 1. Bayliss-Effekt lokale myogene Reaktion 2. Tubulo-glomerulärer Feedback Adenosin-vermittelt Zwischen 80 und 180 mmHg bleiben RPF und GFR fast konstant Aus: Schmidt/Thews/Lang RPF und GFR, Autoregulation RPF und GFR, Autoregulation Bayliss-Effekt: RPF Wandspannung im Vas afferens dehnungsaktivierte Ca2+-Kanäle Ca2+i Vasokonstriktion RPF und GFR, Autoregulation Tubulo-glomerulärer Feedback: Aus: Schmidt/Thews/Lang RPF Flußrate durch Henle [Na+] und [Cl–] an tubulären MD-Zellen Adenosinsekretion Ca2+i in Epitheloidzellen Vasodilatation (Vas aff.) Funktionsdiagnostik Nierenfunktion: Clearance als reale Messgröße Clearance: - gibt an, wie die Niere eine Substanz behandelt - drückt aus, wie viel von der betreffenden Substanz die Niere im Verhältnis zur Plasmakonzentration dieses Stoffes ausscheidet Die Clearance gibt dasjenige Plasmavolumen an, das pro Minute von der Messsubstanz vollständig gereinigt wird. Quantitative Bestimmung von: - glomeruläre Filtrationsrate - renaler Plasmafluss - globale Resorption und Sekretion Nierenfunktion: Clearance als reale Messgröße Wenn eine Substanz die folgenden Voraussetzungen erfüllt, ist ihre Clearance ein Maß für die Glomeruläre Filtrationsrate (GFR): - unbehinderte Filtration - keine Resorption - keine Sekretion 1) Exogene Marker: Inulin, Poly-fructosan, Polyethylenglykol, radioaktiv markiertes Vitamin B12 oder EDTA, Iothalamat und Diethylentriaminopentaazetat (DPTA) 2) Endogene Marker: Kreatinin und b2-Mikroglobulin Kreatinin-Clearance als Maß der GFR Kreatinin: - ist ein harnpflichtiges Stoffwechselendprodukt - wird endogen konstant gebildet - wird frei filtriert Kreatinin-Filtration pro Zeit GFR · [ ml / min ] [Kr]P [ mmol / l ] . = VU [ ml / min ] . VU GFR · = Kreatinin-Ausscheidung pro Zeit [ mmol / l ] · [Kr]U [Kr]U [Kr]P = CKr Da Kreatinin konstant gebildet wird, wird es auch mit konstanter Rate ausgeschieden. Eine Abschätzung der GFR ist daher allein aus [Krea tinin]P möglich: konstant GFR = [Kr]P y = 1 / x Hyperbel [Kreatinin]P als grobes Maß der GFR Kreatinin-Bildung 1,2 g/d 1,7 g/d 2,3 g/d individuelle Konstante je nach Muskelmasse Muskelmasse hängt ab von - Alter () - Gewicht () - Geschlecht (w:, m:) daher genauere Abschätzung möglich Aus: Schmidt/Thews/Lang Fraktionelle Exkretion (FE) = Anteil einer filtrierten Substanz, der ausgeschieden wird. (Ist das gleiche wie Clearancequotient = CX / CInulin) Drei Möglichkeiten: a) Substanzen, die filtriert und weder resorbiert noch sezerniert werden b) Substanzen, die filtriert und insgesamt resorbiert werden c) Substanzen, die filtriert und insgesamt sezerniert werden FE = 1 FE < 1 FE > 1 Beispiele: a) Kreatinin, Inulin FE = 1 b) Na, Cl, Wasser FE < 1 "Mehr geht nicht": Glukose (bei nicht zu hoher Konzentration vollständig resorbiert) FE = 0 c) viele Medikamente, organische Säuren und Basen FE > 1 "Mehr geht nicht": PAH (bei nicht zu hoher Konzentration vollständig sezerniert) FE = 5 Schätzung der GFR mit der Cockroft & Gault-Formel (140 - Alter) • Gewicht • FG GFR = —————————————— [Kreatinin]P • 72 Faktor FG für Frauen = 0.85, für Männer = 1 Zwei Beispiele [Krea]P 1 mg/dl, 20 Jahre, 60 kg, w GFR 85 ml/min [Krea]P 1 mg/dl, 20 Jahre, 75 kg, m GFR 125 ml/min ist ~ 50% mehr ! Cockroft DW, Gault MH (1975) Prediction of creatinine clearance from serum creatinine. Nephron 16: 31-41 Osmotische Clearance und (Frei)Wasserclearance Die osmotische Clearance ist die Clearance der Summe aller Solute (= Osmolyte). Auch sie folgt der allgemeinen Clearanceformel : Cosm . VU · [osm]U = [ ml / min ] [osm]P Die (Frei)Wasserclearance ist die Clearance für reines Wasser. CH 2O [ ml / min ] = . VU – Cosm [ ml / min ] [ ml / min ] C H O ist die Menge Wasser pro Zeit, die man dem Harn entziehen müßte, 2 um ihn isoosmolal zu machen. für Berechnung der (Frei)Wasserclearance Interpretation der (Frei)Wasserclearance CH 2O = [ ml / min ] Urinosmolalität [ mosmol / kg ] 900 CH O negativ Antidiurese 2 . VU – Cosm [ ml / min ] [ ml / min ] –2 = 1 – 3 Antidiurese CH O null 2 0 = 30 – 30 starke osmotische Diurese CH O positiv 2 12 = 15 – 3 starke Wasserdiurese 600 300 0 0 10 . VU 20 [ ml / min ] 30 Transportmechanismen proximaler Tubulus distaler Tubulus Macula densa "frühdistal" "spätdistal" "kortikales Sammelrohr" "frühproximal" Sammelrohr "spätproximal" dünner absteigender Teil dünner aufstei- dicker aufsteigender Teil gender Teil Henle-Schleife Transport an Epithelien mucosal luminal apikal Parazellulärer Transport Transzellulärer Transport Tight Junction basolateral serosal interstitiell Basallamina Transzytose Transportertypen Kanal Carrier A Pumpe ATP Tight Junctions Parazellulärer Weg Menco 1988 www.nastech.com Claudin-1 bis -27, Occludin, Tricellulin Kanal-bildende Claudine G PT dLH aLH TAL Permeabilität für: CLDN-1 Kationen, H2O CLDN-2 CLDN-3 CLDN-4 CLDN-7 CLDN-8 CLDN-10 CLDN-11 CLDN-14 Resorption v. Ca2+, Mg2+ CLDN-16 Anionen CLDN-17 ... alle anderen dichten ab (Anionen) 10a Kationen 10b DCT CD Überblick: Transport von Na+, Cl– & Wasser Angaben in % der filtrierten Menge 1 2 Proximaler Tubulus: - Resorption von 65% der Ionen - Resorption von 65% der GFR - Konzentrationen kaum verändert Henle-Schleife: - Resorption von 25% der Ionen - Resorption von 15% der GFR - aufst. dicker Teil impermeabel für H2O - "Verdünnungssegment" 3 Frühdistaler Tubulus: - Resorption von 8% der Ionen - Resorption von 5% der GFR 4 Spätdistaler Tubulus und Sammelrohr: - Wirkort von Aldosteron und ADH - Resorption von 2% der Ionen - Resorption von 15% der GFR - Konzentrierung des Urins 5 Ausscheidung: - <1% der Ionen und der GFR 3 1 4 2 5 Aus: Schmidt/Thews/Lang Aus: Schmidt/Thews/Lang Natrium-Transporter im gesamten Tubulus Na+Cl–-Symporter: basolat. Cl–-Kanal: NCC ClC-Kb Proximaler Tubulus Apikale Membran: Symport-Carrier Na+ mit Glukose/Galaktose oder Aminosäuren Vermitteln sekundär aktiven Transport Transporter für Name - Na+-Glukose SGLT2 (früh-proximal) + - 2Na -Glukose o. Galaktose SGLT1 (spät-proximal) - Na+-Aminosäuren mehrere Transporter Antiport-Carrier Na+ gegen H+ - Na+/H+ NHE3 Basolaterale Membran: Antiport-Carrier Na+ gegen K+ - 3Na+/2K+-ATPase NaK-ATPase Regulation: Bei steigendem Substratangebot bis zur maximalen Transportrate Wasser: Folgt aus osmotischen Gründen, also passiv. Transzellulär (AQP) und parazellulär (Anteil etwa 1/3) Parazellulär, passiv: - Cl- H2O - weiteres Na+ (solvent drag) Transport von Zuckern als Monosaccharide: Glucose, Galaktose, Fruktose SGLT 1, 2, GLUT 2, 5 mit zwei Na+ ist ein Transport gegen steilere Gradienten möglich Aus: Schmidt/Thews/Lang Glukose-Resorption normale [Glukose]P = 4,5 mmol/l Ausscheidung beginnt bei 10-12 mmol/l Wasser folgt osmotische Diurese Glukose/GalaktoseMalabsorption Renale Glukosurie OMIM #606824, #233100 dieser ist normalerweise arbeitslos Aus: Klinke/Silbernagl Wassertransport über Epithelien transzellulär parazellulär Wassertransport durch Aquaporine (apikal + basolateral!) Wassertransport durch Claudin-2 Parazelluläre Poren Parazellulärer Transport http://en.wikipedia.org/wiki/Aquaporin Rosenthal et al. 2010 J Cell Sci 123:1913 Angelow & Yu 2009 J Biol Chem 284:29205 Henle-Schleife proximaler Tubulus distaler Tubulus Macula densa "frühdistal" "spätdistal" "kortikales Sammelrohr" "frühproximal" "spätproximal" Sammelrohr dünner absteigender Teil dünner aufstei- dicker aufsteigender Teil gender Teil Henle-Schleife TAL der Henle-Schleife Aus: Schmidt/Thews/Lang NKCC2 ClC-Kb ROMK1 Hauptsächlich Na+- und Cl–-Resorption, nur wenig K+-Resorption, da K+ kreist Na+K+2Cl–-Symporter ermöglicht sekundär aktive Cl–- und K+-Resorption Keine Wasserpermeabilität, weder trans- noch parazellulär etwa +5 mV Resultat: NaCl wird resorbiert, jedoch kein Wasser, daher "Verdünnungssegment" am Ende nur noch 100 mosmol/l 0 Magnesium-Transport in der Henle-Schleife Aus: Schmidt/Thews/Lang ► Hauptort der Mg2+-Resorption: Dicker aufsteigender Teil der Henle-Schleife ► Transzellulärer Weg ist unwichtig ► Antrieb: Lumen-positive transepitheliale Spannung Tight junction Ein einfaches Gegenstromsystem ! Aus: Klinke/Silbernagl Konzentrierungsmechanismen im Nierentubulus Harnausscheidung bei AQP2 = minimal 0,5 l/d Harnosmolalität dann bis zu 1200 mosm/kg = 4× konzentriert als Blutplasma + Primärfiltrat Flüssigkeit bei 37 °C schnell zu konzentrieren ist technisch schwierig Niere besitzt mehrere Mechanismen, die zusammenwirken Die raffinierteste Komponente: Das Gegenstrom-Austauschsystem Entscheidende Eigenschaft: Wasserimpermeabilität der aufsteigenden Henle-Schleife Komponenten: Henle-Schleife, Sammelrohr, Vasa recta, also 55 parallel liegende Gefäße 1 2 3 4 5 450 500 600 1. Schritt: Überall gleiche Osmolarität von 300 mosmol/l 2. Schritt: NaCl-Resorption ins Interstitium. Δ100 mosmol/l H2O H2O H2O 3. Schritt: NachströmenHvon 300 mosmol/l Flüssigkeit 2O H2O H2O 4. Schritt: H2O O NaCl-Resorption ins Interstitium. Δ100H2mosmol/l 5. Schritt: Nachströmen von 300 mosmol/l Flüssigkeit ... ... u.s.w. Aus: Klinke/Silbernagl Harnkonzentrierung eben erklärt Fünf Transportcharakteristika der Harnkonzentrierung: 1. Na+- und Cl–-Resorption in dicken aufsteigenden Teil der Henle-Schleife 2. Wasserimpermeabilität des aufsteigenden Teils der Henle-Schleife 3. Harnstoff-Resorption im medullären Sammelrohr 4. durch ADH verursachte hohe Wasserpermeabilität im Sammelrohr 5. geringe Durchblutung der Vasa recta im Markbereich (H2O-Übertritt) und Gegenstromaustausch von Wasser zwischen den Vasa recta Aus: Schmidt/Thews/Lang Distaler Tubulus & Sammelrohr Frühdistaler Tubulus Apikale Membran: Symport-Carrier Na+ mit ClVermittelt sekundär aktiven Transport von ClTransporter für Name + - Na Cl NCC Basolaterale Membran: - 3Na+/2K+-ATPase NaK-ATPase - Cl–-Kanal ClC-Kb Regulation: NCC durch Aldosteron Wassertransport: - Aquaporine konstant vorhanden - Vermutlich kein parazellulärer Wassertransport Parazellulär, passiv: - geringe Ionenpermeabilität Spätdistaler Tubulus und Sammelrohr Apikale Membran: Kanäle für Kationen Vermitteln passive Na+-Aufnahme und K+-Abgabe Transporter für Name + - Na -Kanal ENaC + - K -Kanal ROMK1 Basolaterale Membran: - 3Na+/2K+-ATPase NaK-ATPase - K+-Kanal KCNQ1 Aldosteron Regulation: Aldosteron reguliert ENaC stark elektr. Spannung K+-Sekretion K+ auch direkt sowie NaK-ATPase Wassertransport, stark geregelt: - Aquaporin-2 apikal durch Vasopressin - Kein parazellulärer Wassertransport Parazellulär, passiv: - Permeabilität für K+ Distales Nephron (1) Spätdistaler Tubulus und Sammelrohr bilden das Aldosteron-sensitive distale Nephron (ASDN) Aldosteron induziert bzw. stimuliert in den Hauptzellen des Sammelrohrs 1. den epithelialen Na+-Kanal ENaC 2. auch den K+-Kanal ROMK1 3. auch die NaK-ATPase Na+-Aufnahme durch ENaC depolarisiert die apikale Membran stark Folge: Hohe lumen-negative transepitheliale Spannung (z.B. -60 mV) Die Spannung treibt K+ in Richtung Sekretion K+-Sekretion ist umso stärker, je mehr Na+ resorbiert wird. Resultate: Na+- und K+-Transport gegen starke Konzentrationsgradienten Feineinstellung der Ausscheidung durch Aldosteron Aus: Schmidt/Thews ENaC ROMK1 KCNQ1 +KCNE3 -60 -70 -70 0 -70 mV = -10 mV -60 mV Liddle-Syndrom ENaC OMIM #177200 ► Ursache: Defektmutation des Natriumkanals ENaC, b- und/oder -Unit ist ständig geöffnet und wird verlangsamt abgebaut Na+-Resorption K+-Sekretion H+-Sekretion ► Folgen: [Na+]P = Hypernatriämie Bluthochdruck [Aldosteron]P [K+]P = Hypokaliämie [H+]P = metabol. Alkalose ► Therapie: Diuretikum Amilorid blockiert ENaC Shimkets RA et al. (1994) Liddle's Syndrome: heritable human hypertension caused by mutations in the b subunit of the epithelial sodium channel. Cell 79: 407-414 Distales Nephron (2) AQP2 = Aquaporin-2 apikal Segment: beginnt etwas später als ASDN Vasopressin (VP) führt zur Synthese und Einbau AQP2 vorhanden: - Wasser folgt den resorbierten Ionen AQP2 nicht vorhanden: - Wasser kann nicht folgen - Urin wird verdünnt Resultat: Urin kann in weitem Bereich verdünnt oder konzentriert werden Feineinstellung der Ausscheidung durch Vasopressin ADH und Wasserhaushalt 1 ADH-Ausschüttung ausgelöst durch Anstieg von [osmol]P 4 Zellschrumpfung 1 Osmorezeptoren im Hypothalamus 2 Osmorezeptoren in der Leber Volumenmangel 3 Volumenrezeptoren Herzvorhof 4 Barorezeptoren im Karotissinus 3 Diabetes insipidus zentral: ADH nicht gebildet renal: Aquaporin-2 nicht wirksam 2 Wirkort Aus: Deetjen/Speckmann Andere Aquaporine im Nephron Aus: Nielsen et al., 2002, Physiol. Rev. 82:205-244 Diurese & Diuretika • Antidiurese = Schutz gegen Austrocknung • Wasserdiurese • omotische Diuresen •(Druckdiurese) • Wirkorte & Mechanismen der Diuretika Diureseformen im Vergleich ADH ADH Glukose >10 mM Mannit, Süßstoff Saluretika Blutdruck "Osmotische Diurese im engeren Sinn" (die Solute selbst sind Diuretikum) Aus: Schmidt/Thews/Lang 1 Osmotische Diuretika Wirkstoff: Mannitol Handelsname: z.B. Osmofundin® Solute, die filtriert werden, aber nicht resorbiert werden Ausscheidung zusammen mit einer osmotisch äquivalenten Menge Wasser Sehr starke Diurese möglich. z.B. zur Ausschwemmung von Ödemen oder "forcierte Diurese" bei Vergiftungen Nachteil: - Muss infundiert werden 2 Schleifendiuretika Wirkstoff: Furosemid Handelsname: z.B. Lasix® Am stärksten wirkende Saluretika. Hemmen Na+K+2Cl–-Symporter NKCC2 Distaler Tubulus und Sammelrohr haben nicht genug Resorptionkapazität, um die in der Henle-Schleife aufgetretene Minderresorption auszugleichen Nebenwirkung bei Höherdosierung: Na+ strömt vermehrt in die distalen Segmente ein und wird dort vermehrt resorbiert K+-, H+- und Mg2+-Sekretion Folge: Hypokaliämie und Alkalose KCNQ1 NKCC2 +KCNE3 ClC-Kb ROMK1 3 Thiazid-Diuretika Wirkstoff: Hydrochlorothiazid Handelsname: z.B. Esidrix® Thiaziddiuretika sind mäßig stark wirksam, haben jedoch eine systemische blutdrucksenkende Wirkung NCC ClC-Kb Sie hemmen den im Verbindungsstück lokalisierten Na+Cl–-Symporter NCC Thiazide verursachen ebenfalls K+-, H+und Mg2+-Verlust Kein Effekt mehr bei GFR < 15% der Norm K+-sparende Diuretika Spironolacton 4a ENaC-Blocker Wirkstoff: Amilorid Handelsname: z.B. Arumil® Effekt schwach (2-4 % der GFR). Wirkungslos bei GFR < 40% der Norm. Hemmung des Na+-Kanals ENaC in den Hauptzellen des Sammelrohres. Typischerweise Kombination Amilorid mit Thiaziden (Handelsname: z.B. Moduretik®), um deren K+- und H+Verlust auszugleichen 4b Aldosteron-Antagonist Wirkstoff: Spironolacton ENaC ROMK1 KCNQ1 +KCNE3
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