Glomeruläre Filtration

Permselektivität des glomerulären Filters

Moleküle wie Wasser und Elektrolyte werden im Glomerulus frei filtriert (Konzentration im Blutplasma = Konzentration im Primärharn), jedoch ändert sich die Permeabilität der Membran für Moleküle mit zunehmender Größe und Ladung. Übersteigt das Molekül einen Durchmesser von >4 nm oder ein Molekulargewicht von >50 kDa, kann es den glomerulären Filter nicht passieren. Da der glomeruläre Filter negative Fixladungen enthält, spielt die Ladung der Moleküle ebenfalls eine Rolle. Ein Großteil der Plasmaproteine ist negativ geladen, wodurch ihre Filtration stark reduziert bis nahezu nicht möglich ist, da sie durch die negativen Fixladungen abgestoßen werden.

Siebkoeffizient:

Der Siebkoeffizient gibt die Filtrierbarkeit eines Stoffes an:

Ein Siebkoeffizient von 1 würde freie Filtrierbarkeit bedeuten.
Bei einem Siebkoeffizient von 0 ist der Stoff nicht filtrierbar.

Substanz	Molekulargewicht (Da)	Siebkoeffizient
Wasser	18	1,0
Glucose	180	1,0
Harnstoff	60	1,0
Myoglobin	17.000	0,75
Hämoglobin	68.000	0,03
Serumalbumin	69.000	< 0,01

Crush Niere: Bei der Crush-Niere kommt es aufgrund einer Muskelschädigung zu einer vermehrten Freisetzung von Myoglobin und anderen Stoffen aus den Myozyten. Dieses wird über die Glomeruli filtriert und kann das Tubulussystem verstopfen. In der Folge kann ein akutes Nierenversagen resultieren.

Proteinurie/Albuminurie: Kommt es zu einer Entzündung des Glomerulus (Glomerulonephritis) kann dies zu einem Verlust der negativen Fixladungen
führen, wodurch vermehrt negativ geladene Plasmaproteine filtriert und ausgeschieden werden.

Glomeruläre Filtrationsrate

Die zellulären Blutbestandteile werden nicht durch den glomerulären Filter filtriert, daher ist der klinisch relevante Wert der renale Plasmafluss (RPF). Der RPF beträgt etwa 600 ml/min. Die glomeruläre Filtrationsrate ist das pro Zeiteinheit filtrierte Volumen und beträgt normalerweise 120 ml/min. Es werden ca. 20 % des renalen Plasmaflusses filtriert.

Effektiver Filtrationsdruck:

Die Filtration in den glomerulären Kapillaren ist wie in allen anderen Kapillaren ein druckpassiver Vorgang. Die treibende Kraft dieser Filtration ist der effektive Filtrationsdruck (P_eff), der sich aus der Differenz zwischen dem hydrostatischen Druck in den glomerulären Kapillaren (P_kap) und dem hydrostatischen Druck in der Bowman-Kapsel (P_bow) abzüglich des kolloidosmotischen Drucks im Kapillarblut (π_onk) ergibt:

P_eff = P_kap – P_bow – π_onk

Der hydrostatische Druck in den glomerulären Kapillaren P_kap fördert die Filtration, da er das Ultrafiltrat abpresst. Er beträgt etwa 50 mmHg. Der hydrostatische Druck in der Bowman-Kapsel P_bow (15 mmHg) und der kolloidosmotische Druck im Kapillarblut πonk (25 mmHg) wirken der Filtration entgegen:

P_eff = 50 – 15 - 25 = 10 mmHg

Der hydrostatische Druck in den glomerulären Kapillaren „presst“ die Flüssigkeit in die Bowman-Kapsel. Der kolloidosmotische Druck (wird maßgeblich durch die Proteine beeinflusst) hält die Flüssigkeit im Gefäß und der hydrostatische Druck in der Bowman-Kapsel „drückt gegen“ die Flüssigkeit in Richtung der Kapillaren.

Originalabbildungen von Servier Medical Art by Servier (www.smart.servier.com), lizensiert unter einer Creative Commons Attribution 3.0 Unported License. Es wurden die Beschriftungen und eine Sonde hinzugefügt. Diese Abbildung ist ein Derivat, der oben angegebenen Quelle. Es wurden die Markierungen und Beschriftungen ergänzt.

Die Höhe der GFR hängt nicht nur vom effektiven Filtrationsdruck (P_eff) ab, sondern auch von der Filtrationsfläche F und der hydraulischen Leitfähigkeit L (Durchlässigkeit für Wasser). Die Filtrationsfläche F und die hydraulische Leitfähigkeit L können zum Filtrationskoeffizienten K_fder Niere zusammengefasst werden:
GFR = P_eff x K_f = P_eff x F x L

Filtrationsgleichgewicht:

Der in den Kapillaren des Glomerulus erzeugte kolloidosmotische Druck schwankt während der Filtration. Da die filtrierte Flüssigkeit kaum Proteine enthält und hauptsächlich Wasser und Salze aus dem durchfließenden Blut entfernt werden, steigt die Proteinkonzentration in den Kapillaren an. Dadurch steigt der onkotische Druck von ca. 25 mmHg am Eingang (Vas afferens) auf Werte von über 30 mmHg am Ausgang (Vas efferens), wodurch der effektive Filtrationsdruck am Ende des Glomerulus auf 0 mmHg absinkt. Dies führt zu einem Gleichgewicht im Filtrationsprozess. Durch den Anstieg des kolloidosmotischen Drucks wird die GFR auf 20 % des renalen Plasmaflusses begrenzt.

Regulation der glomerulären Filtration

Für die Nierenfunktion ist eine möglichst konstante GFR von entscheidender Bedeutung. Die GFR hängt stark vom renalen Blutfluss bzw. vom renalen Plasmafluss ab, weshalb der renale Blutfluss möglichst konstant gehalten werden sollte. Die Organdurchblutung folgt dem Ohmschen Gesetz:

Bei gleichbleibendem Perfusionsdruck würde eine Erhöhung des Gefäßwiderstandes zu einer Abnahme der Organdurchblutung führen. Bei gleichbleibendem Perfusionsdruck würde eine Reduktion des Gefäßwiderstandes zu einer Zunahme der Organdurchblutung führen

Die Widerstände der V. afferens und V. efferens sind für den Gefäßwiderstand der Nieren ausschlaggebend. Die V. afferens und V. efferens folgen der Kirchhoffschen Regel, d.h. ihre Widerstände addieren sich zum Gesamtwiderstand. Unabhängig voneinander können beide Gefäße ihren Gefäßwiderstand erhöhen (durch Kontraktion) oder verringern (durch Relaxation), was den hydrostatischen Blutdruck in der glomerulären Kapillare beeinflusst. Je höher der hydrostatische Druck im Glomerulus ist, desto höher ist die glomeruläre Filtrationsrate. Durch die Änderung des Gefäßwiderstandes kann somit die GFR bei einem sich verändernden renalen Blutfluss (RBF) nahezu konstant gehalten werden.

Dilatation:

Durch eine Dilatation der A. afferens gelangt mehr Blut in den Glomerulus und der Druck steigt in diesem. Durch eine Dilatation der A. efferens gelangt mehr Blut aus dem Glomerulus und der Druck sinkt in diesem.

Konstriktion:

Durch eine Konstriktion der A. afferens gelangt weniger Blut in den Glomerulus und der Druck sinkt in diesem. Durch eine Konstriktion der A. efferens staut sich das Blut im Glomerulus und der Druck steigt in diesem.

Autoregulation der GFR

Einleitung

Die Niere kann ihre Aufgaben nur erfüllen, wenn die glomeruläre Filtrationsrate (GFR) konstant bleibt. Der Blutdruck in den Kapillaren ist ein entscheidender Faktor für die Regulation der GFR. Die Nieren verfügen über eine ausgeprägte Autoregulation, die es ihnen ermöglicht, die Durchblutung ohne äußere nervale oder hormonelle Einflüsse an die aktuellen Erfordernisse anzupassen. Die Durchblutung kann innerhalb des normalen arteriellen Blutdruckbereiches stabil gehalten werden.

Info
Autoregulation bezeichnet die Fähigkeit eines biologischen Systems oder Organs, sich selbstständig an veränderte Bedingungen anzupassen.
Durch die Autoregulation können die Nieren ihre Durchblutung konstant halten. In allen Gefäßbetten außer der Haut und den Lungen gibt es eine Autoregulation. In den Nieren und im Gehirn ist dieser Mechanismus besonders ausgeprägt.

Mechanismen der Autoregulation:

Im Wesentlichen tragen folgende Mechanismen zur Autoregulation der Nieren bei:

Myogene Vasokonstriktion (Bayliss-Effekt)
- Prostaglandine
  - Mangeldurchblutung führt zu vermehrter Bildung von gefäßerweiternden Prostaglandinen
Tubuloglomerulärer Feedback

Myogene Vasokonstriktion (Bayliss-Effekt):

Innerhalb von einem Blutdruckbereich von 80-160 mmHg (= Autoregulationsbereich) kann durch die Autoregulation der Blutdruck konstant gehalten werden. Mit einem zunehmenden mittleren arteriellen Blutdruck in der Arteriola afferens kommt es zu einer zunehmenden Vasokonstriktion in der Arteriola afferens. (In der Literatur werden unterschiedliche Autoregulationsbereiche genannt).

Mechanismus:

Eine Dehnung der Gefäßwand löst in der Arteriola afferens durch den Anstieg des transmuralen Drucks eine Vasokonstriktion aus
- Mechanosensitive Kationenkanäle werden in den Gefäßmuskelzellen aktiviert, wenn die Gefäße gedehnt werden
  - Die Aktivierung der Kationenkanäle führt zu einer Membrandepolarisation und erhöht die Öffnungswahrscheinlichkeit von spannungs- gesteuerten Ca²⁺-Kanälen
    - Die erhöhte zytosolische Ca²⁺-Konzentration bewirkt eine Kontraktion der glatten Gefäßmuskulatur
    - Eine Hemmung der Ca²⁺ Kanäle senkt den Tonus der Gefäßmuskelzellen
Dieser Mechanismus hält den Blutfluss in das nachgeschaltete Organ auch bei Zunahme oder Abnahme des arteriellen Blutdrucks konstant
Bei einer Zunahme des Blutdrucks würde die Organdurchblutung zunehmen ➜ durch die gegenregulatorische Vasokonstriktion durch den Bayliss-Effekt reduziert sich der Blutfluss und die Organdurchblutung bleibt konstant
Bei einer Abnahme des Blutdrucks würde die Organdurchblutung abnehmen ➜ durch eine gegenregulatorische Vasodilatation erhöht sich der Blutfluss und die Organdurchblutung bleibt konstant

Info
Bei einer Zunahme des Blutdrucks würde die Organdurchblutung zunehmen ➜ durch die gegenregulatorische Vasokonstriktion durch den Bayliss-Effekt reduziert sich der Blutfluss und die Organdurchblutung bleibt konstant.

Tubuloglomerulärer Feedback:

Eine Erhöhung der glomerulären Filtrationsrate (1) führt zu einer erhöhten Filtration von Natriumchlorid (NaCl) (1). Ist die GFR zu hoch, wird prozentual nicht mehr so viel NaCl im proximalen Tubulus und in der Henle-Schleife wie bei einer geringeren GFR resorbiert (2). In der Folge gelangt mehr NaCl in die Macula densa (3). Mit steigender NaCl-Konzentration in der Macula densa kontrahiert sich die Arteriola afferens (4). Dadurch sinkt die GFR. Durch diesen Mechanismus wird die GFR an die tubuläre Transportkapazität angepasst.

"Shypoetess, CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons: Es wurden teilweise die Beschriftungen ersetzt und teilweise hinzugefügt.
Die Übersichtsabbildung (oben links) wurde ausgeschnitten und verschoben sowie verkleinert. Es wurden teilweise Pfeile ersetzt und hinzugefügt. Es wurden die Zahlen hinzugefügt. Der untere Tubulus wurde ausgeschnitten kopiert und hinzugefügt.

Weitere Steuerungsmechanismen:

Renin-Angiotensin-Aldosteron-System (RAAS): Bei einem niedrigen Blutdruck werden das RAAS und der Sympathikus aktiviert. Über AT1 und α1-Rezeptoren wirken Angiotensin II und Noradrenalin vasokonstriktorisch an der Arteriola afferens und Arteriola efferens. Durch die Vasokonstriktion der Arteriola afferens wird die Nierendurchblutung verringert, um das Blut in die kurzfristig lebenswichtigen Organe umzuleiten („Zentralisierung“). Durch eine geringere GFR wird weniger Salz und Flüssigkeit ausgeschieden. Durch die Vasokonstriktion der Arteriola efferens kann die GFR trotz einer verminderten renalen Perfusion bis zu einem bestimmten Blutdruck aufrechterhalten werden
NO, Acetycholin, Dopamin und Prostaglandin E2 haben eine vasodilatatorische Wirkung auf die Arteriola afferens und Arteriola efferens
Adenosin wird im Rahmen des tubuloglomerulären Feedbackmechanismus freigesetzt. Es übt auf die Arteriola afferens eine vasokonstriktorische Wirkung aus und führt zu einer Reduktion der GFR
Bei einem hohen Blutdruck / einem erhöhten Flüssigkeitshaushalt wird aus den Herzohren der Herzvorhöfe durch eine Dehnung vermehrt das atriale natriuretische Peptid (ANP) freigesetzt. ANP hat eine vasodilatatorische Wirkung auf die Arteriola afferens und ggf. auf die Arteriola efferens, wodurch der renale Blutfluss und damit die GFR erhöht wird. Folgend werden vermehrt Wasser- und NaCl über die Nieren ausgeschieden.

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Bestimmung der GFR

Die GFR kann mit sogenannten Filtrationsmarkern bestimmt werden.

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Filtrationsmarker müssen folgende Eigenschaften aufweisen:

Sie sind frei filtrierbar im Glomerulus
Sie werden im Tubulus nicht resorbiert
Sie werden im Tubulus nicht sezerniert

Kreatinin und Inulin gehören zu den Substanzen, die alle genannten Eigenschaften aufweisen, sodass die Kreatininclearance zur Bestimmung der GFR herangezogen werden kann.

Menge des pro Zeit filtrierten Kreatinins = Menge des pro Zeit ausgeschiedenen Kreatinins
(das Kreatinin wird nahezu nicht resorbiert. Die Menge
des filtrierten Kreatinins entspricht nahezu der des ausgeschiedenen Kreatinins. Kreatinin wird jedoch in geringen Mengen sezerniert. Die Kreatinin-Clearance fällt daher etwas zu hoch in der Berechnung aus. Inulin wird gar nicht resorbiert und sezerniert. Es eignet sich daher noch besser als
Kreatinin zur Bestimmung der GFR).

Die GFR kann daher wie folgt bestimmt werden:

V_Urin = Harnzeitvolumen

Kreatinin_Urin = Kreatinin-Konzentration im Urin

Kreatinin_Plasma = Kreatinin-Konzentration im Plasma

Dasjenige Plasmavolumen, das also pro Zeit von einem bestimmen Stoff befreit wird, ist die renale Clearance:

Fraktionelle Ausscheidung:

Die fraktionelle Ausscheidung (FA) misst den Anteil der mit dem Urin ausgeschiedenen Menge einer bestimmten Substanz im Verhältnis zur glomerulär filtrierten Menge dieser Substanz und wird wie folgt berechnet:

V_Urin = Harnzeitvolumen

C_Urin = Konzentration des Stoffes im Urin

GFR = Glomeruläre Filtrationsrate

C_Plasma = Konzentration des Stoffes im Plasma

FA = 1: Stoffe, die nur filtriert werden

FA = <1: Stoff wird in Summe tubulär resorbiert

FA = >1: Stoff wird in Summe tubulär sezerniert

FA = 0: Stoff wird vollständig resorbiert und nichts wird über den Urin ausgeschieden

Stoff	Fraktionelle Ausscheidung
PAH (p-Aminohippursäure)	5
Inulin/Kreatinin	1
Harnstoff	0,5
Kalium	0,02 – 1,5
Wasser	0,005 – 0,07
Natrium	0,005 – 0,05
Glucose	0

Glomeruläre Filtration

Permselektivität des glomerulären Filters

Siebkoeffizient:

Glomeruläre Filtrationsrate

Effektiver Filtrationsdruck:

Filtrationsgleichgewicht:

Regulation der glomerulären Filtration

Autoregulation der GFR

Einleitung

Mechanismen der Autoregulation:

Myogene Vasokonstriktion (Bayliss-Effekt):

Tubuloglomerulärer Feedback:

Weitere Steuerungsmechanismen:

Bestimmung der GFR

Fraktionelle Ausscheidung:

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