Grundlagen Nieren

Die Nieren sind das wichtigste Ausscheidungsorgan des tierischen Organismus. Diese sorgen dafür, dass die extrazelluläre Flüssigkeit, die jede Körperzelle umgibt, in deren chemischen Zusammensetzung konstant und frei von schädlichen Substanzen und Stoffwechselprodukten ist. Die Nieren sind paarig angelegte Organe in der Höhe der Lendenwirbelsäule. Diese gleichen in ihrer Form einer Bohne, an deren nach innen gewölbten Seite die Nierenpforte (Hilus renalis) liegt. Diese bildet die Ein- bzw. Austrittsstelle für den Harnleiter (Ureter), die Nierenarterie (Arteria renalis), die Nierenvene (Vena renalis) sowie Nerven- und Lymphbahnen.

Makroskopischer Bau

Im Querschnitt einer Niere sind drei Gewebezonen erkennbar. Direkt unter der Nierenkapsel liegt die bräunlich rot gefärbte Nierenrinde (Cortex renalis), in die sieben bis neun kegelförmige Markpyramiden eingelagert sind, die in ihrer Gesamtheit als Nierenmark (Medulla renalis) bezeichnet werden. Die Basis einer jeden Markpyramide mündet in einer Nierenpapille (Papilla renalis), die sich erst zu kleinen und im Anschluss zu größeren Nierenkelchen vereinigt. Die Nierenkelche münden schließlich in das Nierenbecken, das nach Austritt aus den Nieren den Harnleiter (Urether) bildet.

Mikroskopisch wird die Nierenrinde sowie das Nierenmark von etwa einer Million Nephronen durchzogen, deren tubuläre Enden in die Sammelrohre münden.

Das Nephron

Das Nephron bildet die funktionelle Einheit der Nieren. Jedes Nephron beginnt mit einem Nierenkörperchen (Malpighi-Körperchen, Glomerulum). Dieses besteht aus einem Gefäßknäuel, dessen Kapillaren in die Bowman-Kapsel eingebettet sind. Hierbei umgibt die Bowmansche Membran – die eigentliche Filtermembran – jede Kapillarschlinge des Glomerulums. Die Bowman-Kapsel mündet in das Tubulussystem – die Nierenkanälchen. Direkt an das Nierenkörperchen schließt sich der deszendierende proximale Tubulus an, der anfangs in einen gewunden (Tubulus contortus) und später in einen geraden (Pars recta) Abschnitt übergeht. An diesen schließt sich die Henle-Schleife an, die ein kleineres Lumen hat und bis in die Nierenpapille hineinragt. Von dort steigt die Henlesche Schleife wieder auf und mündet in den distalen Tubulus, welcher wiederum zunächst einen geraden (Pars recta) und dann einen gewundenen Anteil (Pars contorta) hat. In jedem Nephron geht der distale Tubulus zurück zum Gefäßpol seines Glomerulums, an dem sich endokrine Zellen (Polkissen, juxtaglomerulärer Apparat) befinden, die das Hormon Renin produzieren und für die Regulierung des Salz-Wasser-Haushalts von Bedeutung sind. Die gewundenen Teile des Tubulussystems sind von hochaktiven Zellen umgeben, welche sowohl Substanzen aus dem Tubuluslumen rückresorbieren als auch andere Substanzen je nach Bedarf in das Tubuluslumen sezernieren. Im Anschluss münden mehrere Tubuli in ein Sammelrohr, das den Urin in das Nierenbecken ableitet.

Physiologische Grundlagen der Harnbildung

Die Nieren üben eine Reihe lebensnotwendiger Funktionen aus: Sie entfernen aus dem Blut alle mit der Nahrung aufgenommenen oder im Stoffwechsel entstandenen wasserlöslichen Substanzen, deren Anreicherung im Organismus schädlich wäre. Darüber hinaus regulieren diese die Zusammensetzung der extrazellulären Flüssigkeit, deren internes Milieu Grundlage für die Funktion aller Körperzellen ist. Die Nieren sind hierbei Angriffsort verschiedener Hormone, welche den Salz-Wasser-Elektrolyt-Haushalt des Organismus regulieren. Weiterhin haben die Nieren auch eine endokrine Funktion, welche die Produktion lebenswichtiger Hormone gewährleistet.

Die Nierendurchblutung beansprucht etwa 25% des Herzminutenvolumens. Das Blut gelangt hierbei über eine zuführende Arteriole in das Glomerulum und verlässt dieses wieder über eine Venole. Über die Bowmansche Membran wird, angetrieben durch den Kapillardruck, ein Ultrafiltrat des Blutes gebildet, das anschließend das Tubulussystem durchströmt. Hierbei treten infolge der Porengröße der Membran (< 50.000 Dalton) kleinere Moleküle wie Wasser, Natrium, Harnstoff, Glukose, Aminosäuren und Peptide in den Kapselraum über. Große Moleküle wie Blutzellen, Albumin, Immunglobuline, proteingebundene Hormone und Blutfette verbleiben hingegen im Blut und werden über die Venole dem Blutkreislauf wieder zugeführt.

Das glomeruläre Ultrafiltrat des Bluts wird als Primärharn bezeichnet und beträgt 120 bis 130 ml/ min bzw. etwa 180 l/ Tag. Im Tubulussystem werden 99% des Wassers und alle lebenswichtigen Substanzen wie Elektrolyte, Glukose, Aminosäuren sowie Puffersubstanzen durch die Tubuluszellen rückresorbiert und dem Kreislauf erneut zugeführt. Einige Substanzen wie Ammoniumionen, Harnsäure oder andere organische Säuren werden aktiv aus dem venösen Blut über die Tubuluszellen in den Harn sezerniert. Alle anderen Substanzen, auch körperfremde Stoffe wie Lösungsmittel, Konservierungsstoffe, Abbauprodukte von Medikamenten und sogenannte Urämietoxine verbleiben im Ultrafiltrat und werden ausgeschieden. Lediglich 1 bis 1,5 Liter des Primärharns gelangen als Endharn über den Harnleiter in die Harnblase.

Wie viele harnpflichtige Substanzen über die Nieren den Körper verlassen, ist schwer abzuschätzen. Insgesamt sind mehr als 100 verschiedene Stoffe bekannt, deren Konzentration sich bei eingeschränkter Ausscheidungsfunktion der Nieren im Serum bis auf das 20-fache erhöht.

Funktionen und Aufgaben

Ausscheidungs- und Entgiftungsfunktion

Die Nieren sind neben der Leber die wichtigsten Ausscheidungs- und Entgiftungsorgane des Körpers. Während hier wasserlösliche Substanzen ausgeschieden werden, erfolgt in der Leber die Umwandlung fettlöslicher Substanzen in wasserlösliche, wodurch diese wiederum über die Nieren ausgeschieden werden können.

Die glomeruläre Filtrationsrate (GFR) ist der wichtigste Messwert zur Beurteilung der exkretorischen Nierenfunktion. Mit zunehmendem Funktionsverlust nimmt die Filterleistung der Glomerula ab, so dass nicht nur die Menge an Primärharn sondern auch die Ausscheidung harnpflichtiger Stoffe sinkt. Zur quantitativen Beurteilung der glomerulären Filtrationsrate wird in der Praxis die Clearance des Kreatinins ermittelt. Alternative Methoden sind die Bestimmung der Inulin- bzw. Chrom-EDTA-Clearance oder der Cystatin-C-Konzentration im Blut.
Die endogene Kreatinin-Clearance gibt das Blutvolumen an, das in den Nieren pro Minute vollständig von Kreatinin befreit wird. Etwa 1 bis 2% des für die Energiebereitstellung im Muskel verantwortlichen Kreatins wird täglich zu Kreatinin abgebaut. Dessen relativ konstante Freisetzung aus dem Muskelgewebe und seine Eigenschaft, dass es im Tubulus der Nieren weder sezerniert noch rückresorbiert wird, machen Kreatinin zu einem geeigneten Marker zur Bestimmung der GFR. Bei dieser Methode hängt das Ergebnis jedoch stark von der Exaktheit der Urinsammlung, d.h. von der Mitarbeit des Patienten, ab.
Eine genauere Methode zur Bestimmung der GFR, bei der eine körperfremde Substanz über einen Zeitraum von 45 min ins Blut infundiert werden muss, ist die Inulin-Clearance. Diese ist jedoch methodisch aufwendiger und für die Praxis wenig geeignet.

Wesentlich ungenauer sind Näherungsformeln, mit denen aus der Höhe des Kreatininwertes im Serum, dem Alter und Geschlecht des Patienten auf die GFR zurückgeschlossen werden kann (Cockroft-Formel, MDRD-Formel). Da der Kreatininwert stark von der Muskelmasse abhängt, kann mit diesen Formeln gerade in den Anfangsstadien ein chronisches Nierenversagen leicht übersehen werden. Hier ist wiederum die Abschätzung der Filterleistung aus der Serumkonzentration des körpereigenen Cystatin C genauer, da dieser Wert im Gegensatz zum Kreatinin unabhängig von der Muskelmasse des Patienten ist.

Regulatorische Funktion

Als Regulationsorgan leisten die Nieren einen entscheidenden Beitrag zur Aufrechterhaltung des inneren Milieus über

  • den Säure-Basen-Haushalt (pH),
  • den Wasserhaushalt,
  • den Elektrolythaushalt,
  • das Blutvolumen und den Blutdruck sowie
  • die Osmolarität des Blutes.

Durch die bedarfsgerechte Ausscheidung oder Rückresorption von Wasser, Elektrolyten und Puffersubstanzen beeinflussen die Nieren die Zusammensetzung, das Volumen und den pH-Wert der extrazellulären Flüssigkeit des Körpers. Die extrazelluläre Konzentration von Natrium, Kalium, Chlorid, Kalzium, Phosphat, Magnesium sowie Bikarbonat ist hier von besonderer Bedeutung und unterliegt beim Gesunden nur geringen Abweichungen.

Regulation des Salz-Wasser-Haushaltes

Der Salz-Wasser-Haushalt und der Blutdruck werden über verschiedene Hormone geregelt, die sowohl renal (Renin) als auch extrarenal (Aldosteron, Angiotensin, Adiuretin, atrial natriuretisches Peptid) sezerniert werden und die Ausscheidung der Nieren beeinflussen.

Renin-Angiotensin

Bei niedrigem Blutdruck, verminderter Durchblutung der Glomerula und erniedrigter Natriumkonzentration wird die Freisetzung des proteolytischen Enzyms Renin aus dem juxtaglomerulären Apparat des Nephrons stimuliert. Dieses spaltet das in der Leber gebildete Eiweiß Angiotensinogen zu Angiotensin I, welches wiederum durch das Angiotensin-Converting-Enzym (ACE) zum aktiven Angiotensin II umgewandelt wird. Dieses wirkt stark blutdrucksteigernd, indem es über Angiotensin-Rezeptoren (AT-Rezeptoren) eine Kontraktion der Arterien bewirkt. Sowohl ACE als auch AT-Rezeptoren sind wichtige Angriffspunkte bei der pharmakologischen Hypertoniebehandlung (ACE-Hemmer, Angiotensin-Rezeptor-Blocker)

Aldosteron

In der Nebennierenrinde ( Zona glomerulosa) bewirkt Angiotensin II die Freisetzung des Mineralokortikoidhormons Aldosteron. Dieses bewirkt die Rückresorption von Natrium und Wasser sowie die Ausscheidung von Kalium. Ein Mangel an Aldosteron (Morbus Addison) führt zu einer massiven Austrocknung, Hyponatriämie, Hyperkaliämie, Blutdruckabfall und Salzhunger. Eine Überproduktion von Aldosteron (Conn-Syndrom) führt zu Hypernatriämie, Hypokaliämie und Hypertonie. Synthetische Aldosteronantagonisten werden in der Behandlung des Bluthochdrucks eingesetzt.

Adiuretin (antidiuretische Peptidhormon ADH, Vasopressin)

Adiuretin wird – gesteuert durch Osmorezeptoren – von Nervenzellen des Hypothalamus produziert, im Hypophysenhinterlappen gespeichert und bei Volumenmangel ins Blut abgegeben. Auch dieser Vorgang wird durch Angiotensin II stimuliert. Adiuretin bewirkt eine Rückresorption von Wasser in den Nieren. Fehlt das Hormon, kommt es zu einer vermehrten Wasserausscheidung von bis zu 20 Litern pro Tag (Diabetes insipidus). Beim Syndrom der inadäquaten (vermehrten) Adiuretinsekretion kommt es zu einer verminderten Wasserausscheidung und Hyponatriämie. Als Arzneimittel eingesetzt wirkt es stark blutdrucksteigernd (daher der Name Vasopressin).

Atriales natriuretisches Peptid (ANP)

Ein Anstieg des extrazellulären Flüssigkeitsvolumens führt zur Überdehnung der Herzvorhofwand. Diese wird von Dehnungsrezeptoren registriert, woraufhin ANP aus myokardialen Vorhofzellen freigesetzt wird. ANP bewirkt eine vermehrte Ausscheidung von Wasser und Natrium in den Nieren und damit eine Senkung des Blutdrucks. Es wirkt folglich dem Renin-Angiotensin-Aldosteron-System entgegen. Durch Bestimmung des ANP-Wertes kann eine unphysiologische Überwässerung des Organismus wie z.B. bei Herz- und Niereninsuffizienz abgeschätzt werden.

Regelung des Säure-Basen-Haushaltes

Die Regelorgane für die Wasserstoffionenkonzentration des Blutes (pH) sind Lunge und Nieren. Hierbei werden die flüchtigen Säuren (CO2) über die Lungen und die fixen Säuren (Laktat, Sulfat, Gluconat) über die Nieren ausgeschieden. Weiterhin erfolgt in den Nieren die Bereitstellung von Bikarbonat als wichtigste Puffersubstanz des Blutes, welche die Wasserstoffionen des Blutes bindet. Folglich führt eine Niereninsuffizienz durch verminderte Ausscheidung fixer Säuren und Absinken des Bikarbonatspiegels zu einer metabolischen Azidose. In Abgrenzung hierzu würde eine pulmonale Insuffizienz zur respiratorischen Azidose mit Anstieg des CO2-Gehaltes führen.

Endokrine Funktionen

In den Nieren werden einerseits wichtige Hormone synthetisiert. Andererseits sind die Nieren Wirkungsort verschiedener für die Homöostase des Salz-Wasser-Haushaltes und des Blutdrucks wichtiger Hormone, die außerhalb der Nieren gebildet werden (s.o.).

Erythropoietin

Das Glykoprotein Erythropoietin wird in den Nieren synthetisiert und stimuliert die Teilung und Reifung von Vorläuferzellen der roten Blutkörperchen. Die Bildung des Hormons wird durch Blutarmut oder Sauerstoffmangel stimuliert und gewährleistet einen normalen Hämatokrit bzw. Hämoglobingehalt des Blutes. Die renale Anämie ist Folge einer verminderten Eryhropoietinsynthese bei Schrumpfnieren. Erythropoietin wird heute gentechnisch hergestellt und zur Behandlung der renalen Anämie eingesetzt.

1,25-(OH)2 -Cholecalciferol

In den Nieren findet ein Großteil der Vitamin D-Aktivierung statt. Nach Umwandlung des mit der Nahrung aufgenommenem oder durch Sonneneinstrahlung in der Haut gebildetem Vitamin D3 in der Leber zu 25-(OH)-Cholecalciferol wird dieses in den Nieren zur aktiven Form weiter hydroxyliert. Die Aktivierung von 25-(OH)-Cholecalciferol zu 1,25-(OH)2-Cholecalciferol erfolgt durch das Enzym 1-Alpha-Hydroxylase, das bei Kalziummangel durch Parathormon stimuliert wird. Die D-Vitamine sind wesentlich an der Resorption des mit der Nahrung aufgenommenen Kalziums über den Darm beteiligt. Sowohl Vitamin D3 als auch verschiedene Vitamin-D-Metabolite werden bei Niereninsuffizienz therapeutisch eingesetzt.

Renin

Renin wird im juxtaglomerulären Apparat des Nephrons gebildet und wirkt als Teil des Renin-Angiotensin-Aldosteron-Systems direkt auf die Nieren (s.o.).