Nierendurchblutung: Widerstände, Rückkopplung und Sauerstoffversorgung

Blutfluss, Plasmafluss und Filtration

Der renale Blutfluss bezeichnet die Blutmenge, die pro Zeit durch die Niere strömt. Ein Teil des Blutvolumens besteht aus Zellen; der übrige Anteil ist Plasma. Der renale Plasmafluss beschreibt diesen flüssigen Anteil des Zustroms. Die glomeruläre Filtrationsrate erfasst dagegen die Flüssigkeitsmenge, die pro Zeit aus den Kapillaren in den Harnraum übertritt. Bei jeder Größe gehört die Bezugsebene zur Bedeutung. [44] [45]

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Die Filtrationsfraktion setzt beide flüssigkeitsbezogenen Größen ins Verhältnis: FF = GFR/RPF. Sie gibt an, welcher Anteil des zugeführten Plasmas filtriert wird. Steigen Plasmafluss und Filtration im gleichen Verhältnis, bleibt die Fraktion gleich. Verändern sie sich unterschiedlich, verschiebt sich die Fraktion. So wird die Kopplung zwischen Durchströmung und Filtration genauer beschrieben als mit einer einzelnen Leistungsangabe. [44] [45]

Die Durchströmung hängt vom Druckgefälle zwischen arteriellem Zufluss und venösem Abfluss sowie vom Widerstand der Gefäßstrecke ab. Innerhalb dieser Strecke liegen zwei Kapillargebiete hintereinander: zuerst die glomerulären Schlingen, anschließend peritubuläre Kapillaren beziehungsweise die markversorgenden Vasa recta. Die dazwischenliegende efferente Arteriole schafft eine besondere Möglichkeit, den ersten Filterraum und den nachfolgenden Gewebekreislauf unterschiedlich zu beeinflussen. [42] [43]

Der Ort einer Verengung bestimmt ihre Wirkung

Eine stärkere afferente Verengung bremst den Zustrom zum Glomerulus. Unter sonst vergleichbaren Bedingungen sinken der glomeruläre Kapillardruck und die Filtration. Die Formulierung „unter sonst vergleichbaren Bedingungen“ beschreibt hier eine Modellbetrachtung: In der realen Niere können mehrere Gefäßabschnitte, Druckbedingungen und Transportprozesse gleichzeitig reagieren. Ein qualitatives Vergleichsbild verändert deshalb zunächst gezielt nur eine Größe. [42] [45]

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Eine efferente Verengung liegt hinter dem Filterkapillarbett. Sie kann den dortigen Druck stützen, während der Plasmafluss abnimmt. Gleichzeitig konzentrieren sich die im Gefäß verbleibenden Proteine entlang des Filtrationswegs stärker. Ihre onkotische Wirkung wirkt weiterer Filtration entgegen. Abhängig von Ausmaß und Ausgangslage können diese Beiträge unterschiedlich stark werden; die Filtrationsantwort folgt aus ihrem Zusammenwirken. [43] [44]

Dieses Beispiel erklärt, weshalb Fluss, Druck und Filtration gemeinsam betrachtet werden. Ein erhöhter Druck vor einem Abflusswiderstand geht mit einem gebremsten Durchfluss einher. Für die Filtration zählt zusätzlich, welche Kräfte sich über die Länge der Kapillarschlingen entwickeln. Die Gefäßantwort verändert damit auch die Zusammensetzung des Blutes, das den Glomerulus verlässt und anschließend die Tubuli umströmt. [44] [45]

Nach der Filtration beginnt ein anderer Kapillarauftrag

Beim Übertritt proteinarmen Filtrats bleiben die meisten großen Plasmaproteine im Gefäßraum. Das efferente Blut weist deshalb gegenüber seinem Zufluss eine veränderte Protein-Wasser-Relation auf. Bei größerer Filtrationsfraktion kann dieser Konzentrationseffekt zunehmen. Die daraus entstehende onkotische Kraft gehört zu den Bedingungen, unter denen peritubuläre Kapillaren Flüssigkeit aus dem Interstitium aufnehmen. [44] [42]

Die Aufnahme hängt zugleich vom hydrostatischen Kapillardruck und vom Zustand des umgebenden Gewebes ab. Auf der anderen Seite der Tubuluswand gelangen rückresorbiertes Wasser und gelöste Stoffe zunächst in das Interstitium. Von dort erreichen sie die Blutbahn. Damit verbindet die serielle Kapillaranordnung zwei Aufgaben: Im ersten Gebiet entsteht das Filtrat; im nachfolgenden Gebiet wird ein großer Teil seiner zurückgewonnenen Bestandteile wieder aufgenommen. [43] [45]

Aus einer geänderten Filtrationsfraktion lässt sich daher eine mechanistische Frage an die Rückgewinnung ableiten. Welche Konzentrations- und Druckbedingungen erreicht das zweite Kapillargebiet? Der tatsächliche Tubulustransport hängt zusätzlich von Epitheltransportern, Stoffangebot und hormoneller Steuerung ab. Kapillarkräfte und aktive Epithelleistung bilden gemeinsam den Rückweg vom Tubuluslumen in den Kreislauf. [42] [44]

Die Gefäßwand beantwortet eine Druckänderung

Bei erhöhtem transmuralem Druck wird die Wand eines Widerstandsgefäßes stärker gedehnt. Glatte Muskelzellen können darauf mit einer Zunahme ihres Tonus reagieren. Mechanosensitive Prozesse verändern die elektrische Aktivität, calciumabhängige Signalwege und schließlich die Kontraktion. Der engere Gefäßabschnitt erhöht seinen Widerstand. So wird ein Teil der Druckänderung bereits vor den glomerulären Kapillaren abgefangen. [43] [42]

Bei geringerem Druck kann sich diese myogene Antwort entsprechend zurücknehmen. Diese lokale Eigenschaft der Gefäßstrecke wird durch die vorhandene Gefäßaktivität und weitere Signale mitgeprägt. Die Zellen arbeiten stets unter den Bedingungen ihres aktuellen Calciumhaushalts, Tonus und Stoffwechsels. [43] [45]

Die beteiligten molekularen Sensoren werden weiterhin untersucht. Verschiedene mechanosensitive Kanäle und Zellkontakte tragen in experimentellen Modellen bei. Für das Organprinzip ist die Richtung der Antwort gut fassbar: Druckdehnung verändert den Wandtonus, der wiederum den Zufluss begrenzt. Die Myogenik bildet damit eine rasch ansprechende Ebene der Autoregulation, die mit der tubulären Rückmeldung zusammenwirkt. [42] [43]

Der Tubulus meldet seine Lieferung zurück

Die Macula densa liegt am Übergangsbereich des dicken aufsteigenden Schenkels zum distalen Tubulus und nahe dem Gefäßpol ihres eigenen Glomerulus. Ihre luminale Membran trägt unter anderem NKCC2. Dadurch kann die Verarbeitung vorbeifließenden Natriumchlorids in ein zelluläres Signal umgesetzt werden. Die gemeldete Lieferung hängt sowohl von der vorgeschalteten Filtration als auch von der bereits erfolgten Rückresorption ab. [43] [31]

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Bei verstärkter NaCl-Lieferung und entsprechender Aufnahme entsteht eine lokale Signalantwort mit ATP beziehungsweise daraus gebildetem Adenosin. Adenosin kann über A1-Rezeptoren an der Gefäßseite die afferente Kontraktion fördern. Damit sinkt unter geeigneten Bedingungen der Zustrom und die Filtration des betreffenden Nephrons. Zwischen luminaler Sensorik und vaskulärer Antwort liegt ein parakriner Weg durch die Nachbarschaft des juxtaglomerulären Apparats. [42] [43]

Stickstoffmonoxid, Prostaglandine und weitere Faktoren modulieren diese Verbindung. Bei anderer Salzlieferung können zusätzlich Signale zur Reninfreisetzung wirksam werden. Die lokale Rückkopplung und die weiterreichende Reninkaskade erhalten deshalb im Schema getrennte Ausgänge. Auf diese Weise bleibt erkennbar, welche Antwort den afferenten Tonus vor Ort verändert und welche Antwort zusätzliche Organe über den Kreislauf erreicht. [43] [12]

Mehr Filtration verändert auch die Transportarbeit

Ein wesentlicher Anteil des renalen Energiebedarfs entsteht durch die Rückgewinnung filtrierten Natriums. Die basolaterale Natriumpumpe verbraucht ATP und schafft die Gradienten für zahlreiche luminale Aufnahmewege. Ein erhöhtes Transportangebot kann deshalb die mitochondriale Arbeit und den Sauerstoffverbrauch der Tubuluszellen steigern. Untersuchungen an isolierten Nieren und Tubulusabschnitten machen diese Kopplung experimentell nachvollziehbar. [46] [47]

Ein größerer Blutstrom bringt mehr Sauerstoff an. Wenn zugleich mehr filtriert und transportiert wird, kann jedoch auch die Sauerstoffnachfrage zunehmen. Für die Versorgung zählen somit Angebot und Last gemeinsam. Beide Größen können sich außerdem durch unterschiedliche afferente und efferente Antworten voneinander lösen. Der örtliche Sauerstoffzustand ergibt sich aus dem Verhältnis zwischen Anlieferung und Verbrauch. [42] [47]

Unterschiedliche Nephronabschnitte gewinnen Natrium zudem mit unterschiedlichen Anteilen aktiver und passiver Wege zurück. Änderungen der Lieferverteilung können daher die räumliche Arbeitslast verschieben. Das Verhältnis von transportierter Stoffmenge und verbrauchtem Sauerstoff ist eine funktionelle Eigenschaft des Gewebes. Es wird durch Transportausstattung und mitochondriale Bedingungen mitbestimmt und lässt sich in experimentellen Präparaten gezielt untersuchen. [46] [42]

Rinde und Mark besitzen verschiedene Versorgungsbedingungen

Eine regionale Versorgungsbetrachtung verbindet daher drei Größen: den Sauerstoffgehalt des zufließenden Blutes, den örtlichen Blutstrom und die Diffusionsstrecke bis zur verbrauchenden Zelle. Hinzu kommt die Transportlast der jeweiligen Region. Eine eng benachbarte Gefäßstrecke kann den Austauschweg anders gestalten als ein weiter entferntes Gefäß. Diese mikroräumliche Perspektive ergänzt den Blick auf den Gesamtzufluss am Nierenhilum. [52] [53] [54]

Die Rinde erhält einen großen Anteil des Nierenblutstroms und enthält die Glomeruli sowie zahlreiche gewundene Tubulusabschnitte. Marknahe efferente Gefäße tragen zur Versorgung der Vasa recta bei. Im Mark treffen lange Austauschwege auf aktive Transportregionen und das für die Harnkonzentrierung benötigte Milieu. Gefäßarchitektur und Transportaufgaben schaffen dadurch regional unterschiedliche Sauerstoffbedingungen. [42] [29]

Die Vasa recta ermöglichen Stoffaustausch entlang gegenläufiger Blutwege. Diese Anordnung unterstützt die Erhaltung des Markgradienten; zugleich beeinflussen Weglänge, Austausch und Durchblutung die Versorgung des Gewebes. Das äußere Mark enthält aktiv transportierende dicke aufsteigende Schenkel. Hier müssen die örtliche Sauerstofflieferung und die durch Natriumrückgewinnung entstehende Last zusammen betrachtet werden. Die Konzentrationsseite dieser Architektur wird im Gegenstrombeitrag vertieft. [30] [42]

Die Verbindung von Epithel und Gefäßnetz wird besonders deutlich, wenn Transportarbeit verändert wird. Zellen können ihre mitochondriale Aktivität an ein geändertes Angebot und einen anderen ATP-Bedarf anpassen. Solche experimentellen Befunde erklären einen biologischen Zusammenhang zwischen Funktion und Energieversorgung. Ihre genauen Größenordnungen hängen vom Präparat und Untersuchungszustand ab und werden deshalb getrennt von menschlichen Organmessungen beschrieben. [47] [46]

Lokale Stabilisierung bleibt in den Kreislauf eingebettet

Autoregulation stabilisiert Durchfluss und Filtration innerhalb eines funktionellen Arbeitsbereichs. Zusätzlich verändern sympathische Aktivität, Angiotensin II und lokale endotheliale Faktoren die Gefäß- und Transportantwort. Bei ausgeprägten Änderungen des Gesamtzustands können diese Einflüsse die lokale Stabilisierung überlagern. Die Niere bleibt damit zugleich ein selbstregulierendes Organ und ein Teilnehmer an der übergeordneten Kreislaufantwort. [43] [14]

Auch die Messung verlangt eine klare Trennung der Größen. Filtration und Plasmafluss können funktionell erfasst beziehungsweise angenähert werden. Viele Aussagen über einzelne glomeruläre Widerstände und Drücke beruhen dagegen auf experimentellen Zugängen oder Modellannahmen. Das physiologische Bild verbindet diese Ebenen nachvollziehbar: Gefäße bestimmen Filterbedingungen, der Filter bestimmt ein Transportangebot und das arbeitende Gewebe benötigt dafür eine passende Versorgung. [44] [42]

Bauteile und Funktionen im Zusammenhang

Begriffe zum Weiterlesen

RPF

Renaler Plasmafluss: dem Organ pro Zeit zugeführtes Plasmavolumen. [44]

Filtrationsfraktion

Anteil des zugeführten Plasmas, der filtriert wird: GFR geteilt durch RPF. [45]

Myogen

Aus der Muskelwand selbst hervorgehende Antwort auf eine Druck-/Dehnungsänderung. [49]

TGF

Tubuloglomeruläre Rückkopplung zwischen luminaler Macula-densa-Information und dem Gefäßpol desselben Nephrons. [43] [50]

Peritubulär

Um die Tubuli gelegen; die Kapillaren nehmen rückgewonnene Stoffe aus dem Gewebsraum auf. [55]

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