Glomeruläre Filtration

Überblick über Anatomie und Physiologie der Niere

Überblick

Die Glomeruläre Filtrationsrate Glomeruläre Filtrationsrate Nierenfunktionstests (GFR) gibt das Volumen an, das durch die glomeruläre Membran der Nieren Nieren Niere abfiltriert wird. Die Filtration ist einer von 4 Hauptmechanismen, die an der Regulierung von Wasserhaushalt, Elektrolyten und Ausscheidung von Abfallstoffen beteiligt sind:

1. Filtration: Plasma Plasma Transfusionsprodukte wird in den glomerulären Kapillaren Kapillaren Kapillaren gefiltert, wodurch ein Filtrat entsteht, das die Nierentubuli passiert.
2. Resorption: Benötigte gelöste Stoffe und Wasser werden aus dem Tubuluslumen wieder in das Blut resorbiert.
3. Sezernierung: Abfallprodukte werden gezielt sezerniert.
4. Ausscheidung: Das verbleibende Filtrat wird als Urin ausgeschieden.

Weitere Nierenfunktionen:

• Hämodynamische Regulation (Renin, Prostaglandine, Bradykinin)
• Erythropoietin-Produktion (Erythropoietin)
• Knochenstoffwechsel Knochenstoffwechsel Knochenstoffwechsel

Aufbau der Niere

• Kortex:
  • Äußere Schicht
  • Enthält die Glomeruli, sowie die proximalen und distalen gewundenen Tubuli
  • Niedrigste Osmolalität (ca. 300 mOsm/kg)
• Äußeres Mark: mittlere Schicht, zwischen Kortex und innerem Mark
• Inneres Mark:
  • Innerste Schicht
  • Enthält die Henle-Schleifen
  • Höchste Osmolalität (bis 1200 mOsm/kg)

Blutfluss

Der renale Blutfluss läuft wie folgt ab:

• Aorta → Nierenarterie → Arteria interlobaris → Arteria arcuatus → Arteria interlobularis
• Afferente Arteriolen
• Glomeruläre Kapillaren Kapillaren Kapillaren:
  • Das Blut wird in den glomerulären Kapillaren Kapillaren Kapillaren gefiltert.
  • Das Filtrat gelangt in Kapselraum (wird schließlich zu Urin).
• Efferente Arteriolen
• Peritubuläre und vasa recta-Kapillaren:
  • Peritubuläre Kapillaren Kapillaren Kapillaren: umgeben die proximalen und distalen Tubuli
  • Vasa recta: Umrunden die Henle-Schleifen
  • Peritubuläre Kapillaren Kapillaren Kapillaren und Kapillaren Kapillaren Kapillaren der vasa recta sind der Beginn des venösen Kreislaufs.
• V. interlobularis → V. arcuatus → V. interlobaris → Nierenvene → Hohlvene

Nephrone

Nephrone sind die Funktionseinheiten der Niere

• Nephronsegmente (in der Reihenfolge, in der das Filtrat durchströmt):
  • Bowmansche Kapsel
  • Proximaler Tubulus pars convoluta
  • Proximaler Tubulus pars recta
  • Henle-Schleife, weiter unterteilt in:
    • Dünner absteigender Teil
    • Dünner aufsteigender Teil
    • Dicker aufsteigender Teil
  • Distaler Tubulus pars convoluta
  • Sammelrohr
• Arten von Nephronen:
  • Kortikal (oder oberflächlich): Henle-Schleifen dringen nur bis in das äußere Mark ein.
  • Juxtamedullär:
    • Nephrone, deren Henle-Schleifen bis in das innere Mark eindringen
    • Ermöglichen die ↑ Konzentration des Urins (aufgrund der ↑Osmolalität im inneren Mark)

Definitionen

• Renaler Blutfluss (RBF):
  • Menge an Blut, das pro Minute durch die Nieren Nieren Niere fließt
  • Entspricht ungefähr 1000 ml/min oder 20–25 % des Herzzeitvolumens
  • Das gesamte Blutvolumen wird etwa alle 5 Minuten an die Nieren Nieren Niere abgegeben.
• Renaler Plasmafluss (RPF):
  • Teil des RBF, der nur aus Plasma Plasma Transfusionsprodukte besteht (keine Zellen oder Proteine Proteine Proteine und Peptide)
  • Dieser Teil des Blutes wird über die glomeruläre Membran gefiltert.
  • RPF (ungefähr) = RBF × (1 – Hämatokrit)
  • Ungefähr 600 ml/min (unter der Annahme eines RBF von 1000 ml/min und einem Hämatokrit von 40 %)
• Filtrationsfraktion (FF):
  • Anteil des RPF, der sich tatsächlich durch die glomeruläre Membran bewegt
  • FF = GFR / RPF
  • Ungefähr 20 % unter normalen Umständen

Glomeruläre Filtrationsrate

Glomeruläre Filtrationsrate Glomeruläre Filtrationsrate Nierenfunktionstests

Die GFR ist das vom Glomerulus pro Zeiteinheit gefilterte Plasmavolumen. Es ist der wichtigste Laborindikator für die Nierenfunktion.

• Normale GFR = 90–120 ml/min bei gesunden Menschen
  • Variiert mit Alter, Geschlecht und Muskelmasse
  • Oft standardisiert für Körperoberfläche
  • Ist die Summe aller Filtrationsraten in allen funktionierenden Nephronen:
    • Ist eine grobe Einschätzung der Anzahl der funktionierenden Nephrone
    • ↓ GFR weist auf eine Nierenerkrankung hin
• Prozess:
  • Plasma Plasma Transfusionsprodukte bewegt sich von den glomerulären Kapillaren Kapillaren Kapillaren durch die glomeruläre Filtrationsbarriere.
  • Das entstehende Filtrat (der Primärharn) sammelt sich im Kapselraum und tritt durch das Tubuluslumen aus.
  • Das restliche Blut in den Kapillaren Kapillaren Kapillaren tritt durch die efferente Arteriole aus.
• Gleichung 1: GFR = RPF × FF
  • Nehmen Sie normale Parameter an:
    • RPF = 600 ml/min
    • FF = 20 %
  • GFR = RPF × FF → 600 ml/min × 20 % = 120 ml/min
• GFR wird beeinflusst von:
  • Effektiver Filtrationsdruck: hydrostatischer und onkotischer Druck in den Kapillaren Kapillaren Kapillaren und im Kapselraum
  • Eigenschaften der glomerulären Filtrationsbarriere

Starling-Filtrationsformel

Gleichung 2: GFR = K _f [ (P _GC – P _BS ) – (π _GC – π _BS ) ]:

• K _f : Filtrationskoeffizient; Maß für Oberfläche und glomeruläre Permeabilität
• P _GC : glomerulärer kapillarer hydrostatischer Druck
• P _BS : Bowmans hydrostatischer Druck im Kapselraum
• π _GC : glomerulärer kapillarer onkotischer Druck
• π _BS : Onkotischer Druck im Kapselraum

Glomeruläre Filtrationsbarriere

Die glomeruläre Filtrationsbarriere des Nephrons umgibt die glomerulären Kapillaren Kapillaren Kapillaren und umfasst die folgenden 3 Schichten:

• Kapillarendothel:
  • Wände der Kapillargefäße
  • Gefenstert: enthalten kleine Fenster mit einer Größe von etwa 100 nm
  • Beschichtet mit anionischen Glykosaminoglykanen und Glykoproteinen
• Glomeruläre Basalmembran Basalmembran Syndrom der dünnen Basalmembran (GBM):
  • Zwischenschicht, die von der Basalmembran Basalmembran Syndrom der dünnen Basalmembran des Endothels und der Podozyten gebildet wird
  • Negativ geladen → begünstigt die Filtration von Kationen
• Epithel Epithel Epithel: Definition, Arten und Funktion – Histologie (Podozyten):
  • Mit mehreren Fortsätzen an GBM befestigt
  • Podozytenfüße greifen ineinander und bilden Schlitze (oder Poren) von ungefähr 40 nm Größe.
  • Schlitze werden von einer Membran bedeckt, die als Schlitzdiaphragma bezeichnet wird:
    • Eine einzigartige Form der interzellulären Verbindung
    • Besteht aus mehreren Proteinen, einschließlich Nephrin
    • Unterstützt die Filterfunktion

Regulation der glomerulären Filtrationsrate

Die Niere verfügt über mehrere Ebenen von Regulationsmechanismen der GFR:

• Autoregulation der gesamten Nierendurchblutung
• Relative Konstriktion und Dilatation der afferenten und efferenten Arteriolen
• Tubuloglomeruläres Feedback
• Feinabstimmungsmechanismen: parakrin, endokrin und neural

Autoregulation des renalen Blutflusses

Der renale Blutfluss wird durch den Prozess der myogenen Autoregulation automatisch reguliert.

• Myogene Autoregulation: ↑ Blutdruck dehnt afferente Arteriolen → aktiviert nach innen gerichtete Ionenkanäle → Depolarisation → Kontraktion der Arteriolen
  • ↑ systemischer Blutdruck → afferente arterielle Vasokonstriktion Vasokonstriktion Physiologie des Blutkreislaufs → ↓ RBF
  • ↓ Systemischer Blutdruck → afferente arterielle Vasodilatation → ↑ RBF
• Hält einen relativ konstanten RBF innerhalb eines Bereichs normaler mittlerer arterieller Blutdruckwerte (dem autoregulatorischen Bereich) aufrecht
• Ein stabiler RBF ermöglicht es den anderen Regulationsmechanismen (anstelle des systemischen Blutdrucks), die GFR zu regulieren.

Glomeruläre Hämodynamik Hämodynamik Physiologie des Blutkreislaufs

Die primäre Regulierung der glomerulären Filtration erfolgt innerhalb des Glomerulus selbst durch Verengung und Erweiterung der afferenten und efferenten Arteriolen. Dies beeinflusst den hydrostatischen Druck innerhalb der glomerulären Kapillaren Kapillaren Kapillaren.

• Hauptparameter:
  • RBF
  • Effektiver Filtrationsdruck (P _UF), der mit dem glomerulären kapillaren Kapillaren Kapillaren hydrostatischen Druck (P _GC) korreliert
  • GFR
  • Tubuläre Flussrate: bezieht sich auf gefilterten Primärharn, der Kapselraum verlässt
• Afferente Arteriole:
  • Man bedenke, wie sich eine Änderung des Blutzuflusses auf den Druck des Blutes auswirkt
  • Verengung:
    • Verringert alle Parameter
    • ↓ Blutzufluss → ↓ RBF → ↓ P _UF →↓ GFR → ↓ Tubuläre Flussrate
  • Erweiterung:
    • Steigt alle Parameter
    • ↑ Blutzufluss → ↑ RBF → ↑ P _UF → ↑ GFR → ↑ Tubuläre Flussrate
• Efferente Arteriole:
  • Man bedenke, wie sich die Änderung des Ausflusses auf den Druck des Blutes auswirkt
  • Verengung: ↓ Blutabfluss → ↑ P _UF → ↑ GFR → ↑ Tubuläre Flussrate aber ↓ RBF
• Renin-Angiotensin-Aldosteron-System Renin-Angiotensin-Aldosteron-System Hormone der Nebenniere (RAAS):
  • ↓ Blutdruck → ↓ Dehnung der afferenten Arteriolen → löst die Freisetzung von Renin aus den juxtaglomerulären Zellen innerhalb der afferenten Arteriolen aus
  • ↑ Renin → ↑ Angiotensin I → ↑ Angiotensin II:
    • Systemische Vasokonstriktion Vasokonstriktion Physiologie des Blutkreislaufs → ↑ Blutdruck zur Aufrechterhaltung des RBF
    • Vasokonstriktion Vasokonstriktion Physiologie des Blutkreislaufs sowohl der afferenten als auch der efferenten Arteriolen, aber mit stärkerer Verengung des efferenten Gefäßes→ ↑ P _GC → ↑ GFR aber ↓ RBF
    • Stimuliert Aldosteron → ↑ Na- und Wasserresorption → ↑ systemische Blutdruck und RBF
  • ↑ Blutdruck hat die gegenteiligen Effekte.

Tubuloglomeruläres Feedback (TGF)

Macula densa-Zellen in den Tubuli können die tubuläre Flussrate detektieren und die Sekretion von Substanzen regulieren, die die GFR beeinflussen. Dieser Vorgang wird als tubuloglomeruläres Feedback bezeichnet.

• Macula densa-Zellen (in den distalen Tubuli):
  • Detektieren den relativen Fluss von NaCl, der direkt mit GFR korreliert
  • ↑ NaCl-Fluss = ↑ GFR
  • Macula densa-Zellen können:
    • Adenosin absondern
    • Stimulieren unabhängig voneinander juxtaglomeruläre Zellen zur Sekretion von Renin (aktivieren so das RAAS)
• Adenosin: ↓ GFR
  • Verengt afferente Arteriolen
  • Erweitert efferente Arteriolen
• Renin: ↑ GFR (siehe RAAS oben)
• Beispiele:
  • ↑ GFR → ↑ tubulärer NaCl-Fluss → Macula-densa-Zellen nehmen ↑-Fluss wahr → setzen Adenosin frei (und hemmen Renin) → GFR ↓ (normalisiert)
  • ↓ GFR → ↓ tubulärer NaCl-Fluss → Macula-densa-Zellen spüren ↓-Fluss → stimulieren die Freisetzung von Renin (und hemmen Adenosin) → GFR ↑ (normalisiert)

Feinabstimmungsmechanismen

• Parakrine Mechanismen:
  • Arteriolen-Vasokonstriktoren (↓ RBF):
    • Endotheline
    • Leukotriene
  • Arteriolen-Vasodilatatoren (↑ RBF):
    • NO
    • Prostaglandine
• Endokrine Mechanismen:
  • Angiotensin II: ↑ glomerulärer hydrostatischer Druck aufgrund bevorzugter Konstriktion der efferenten Arteriole → ↑ GFR aber ↓ RBF
  • Atriales natriuretisches Peptid (ANP): Vasodilatation der afferenten Arteriole → ↑ GFR und ↑ RBF
• Neuronale Mechanismen:
  • Sympathikus-vermittelte Vasokonstriktion Vasokonstriktion Physiologie des Blutkreislaufs der Arteriolen → ↓ RBF
  • Adrenalin, Noradrenalin

Clearance

Die Clearance beschreibt die Menge des Plasmavolumens, die pro Zeiteinheit vollständig von einer bestimmten Substanz gereinigt wird. Die Clearance entspricht der GFR bei Substanzen, die frei filtriert (nicht durch die glomeruläre Filtrationsbarriere blockiert), nicht resorbiert und nicht sezerniert werden.

Formel zur renalen Clearance

C _x = U _x ⋅ V/P _x

• C _x: Clearance von Substanz x (z.B. Kreatinin)
• U _x: Urinkonzentration der Substanz x
• P _x: Plasmakonzentration von Substanz x
• V: Urinflussrate

Substanzen zur Messung der Clearance

• Inulin:
  • Ein nicht endogenes Polysaccharid (muss i.v. verabreicht werden)
  • Ein idealer Indikator für die GFR, denn es wird:
    • Frei filtriert
    • Nicht resorbiert
    • Nicht sezerniert
  • Wird für Forschungszwecke verwendet, wird jedoch in der klinischen Praxis nicht häufig verwendet

• Kreatinin:
  • Ein Nebenprodukt des Muskelstoffwechsels
  • Guter Indikator für die GFR, denn es wird:
    • Frei filtriert
    • Nicht resorbiert
    • Geringe Mengen werden sezerniert: leichte Neigung zur Überschätzung der GFR (da einiges eher durch Sekretion als durch Filtration beseitigt wird)
  • Klinischer Standard für die Schätzung von GFR und Gesamtnierenfunktion:
    • Endogenes Produkt des Muskelstoffwechsels
    • Leicht zu messen bei routinemäßiger Labordiagnostik (z. B. Basis-Stoffwechsel-Panel)
    • Kann leicht auf leichte Ungenauigkeiten durch Sekretionseffekte angepasst werden
• Paraaminohippurat (PAH):
  • Idealer Indikator für RPF (frei filtriert, nicht resorbiert, vollständig sezerniert)
  • Nicht endogen (muss i.v. gegeben werden)
  • In der Praxis nicht häufig verwendet

Klinische Bestimmung der GFR

24-Stunden-Urinsammlung für Kreatinin-Clearance Kreatinin-Clearance Nierenfunktionstests

• Klinischer Goldstandard für die GFR-Beurteilung
• Kann unpraktisch sein:
  • Der/die Patient*in muss motiviert werden, 24 Stunden lang den gesamten Urin zu sammeln.
  • Es dauert mehrere Tage, bis Ergebnisse vorliegen
  • Häufig unvollständige Urinsammlungen, die schwer zu interpretieren sind
• Wird manchmal durchgeführt, wenn eine sehr genaue GFR-Messung gewünscht wird (z. B. vor Beginn der Dialyse Dialyse Dialyseverfahren)

Serumkreatinin

Das Serumkreatinin wird aufgrund seiner einfachen Feststellung und schnellen Bearbeitungszeit typischerweise für die GFR-Bestimmung verwendet.

• Zwischen Serumkreatinin und GFR besteht eine inverse logarithmische Beziehung.
  • Erhöhung des Kreatinins von 1 auf 2 = ungefähr 50 % Verringerung der GFR, aber
  • Anstieg des Kreatinins von 4 auf 5 = relativ geringe Abnahme von GFR
  • Klinische Implikationen:
    • Auf kleine Veränderungen des Serumkreatinins muss wachsam geachtet werden.
    • Eine Dialyse Dialyse Dialyseverfahren/Transplantation wird oft erwogen, wenn das Serumkreatinin konstant > 4 mg/dl beträgt.
• Serumkreatinin kann fälschlicherweise erhöht sein, wenn:
  • ↑ Tubuläre Kreatinin-Sekretion: Trimethoprim Trimethoprim Sulfonamide und Trimethoprim, Cimetidin Cimetidin Antihistaminika
  • Interferenz im Labortest: Acetoacetat (bei diabetischer Ketoazidose (DKA)), Cefoxitin, Flucytosin Flucytosin Flucytosin, Griseofulvin und Terbinafin
  • ↑ Produktion von Kreatinin: übermäßige Einnahme von Kreatin (Nahrungsergänzungsmittel), Verletzung der Skelettmuskulatur Skelettmuskulatur Muskelphysiologie der Skelettmuskulatur
• Serumkreatinin kann unter verschiedenen anderen Umständen, außer bei akutem Nierenversagen oder chronischen Nierenerkrankungen, echte Veränderungen aufweisen:
  • Schwangerschaft Schwangerschaft Schwangerschaft: Diagnostik, mütterliche Physiologie und Routineversorgung:
    • Nimmt während des 1. und 2. Trimesters leicht ab
    • Rückkehr zum Wert vor der Schwangerschaft Schwangerschaft Schwangerschaft: Diagnostik, mütterliche Physiologie und Routineversorgung im 3. Trimester
  • Alter:
    • Steigt mit zunehmendem Alter sehr langsam an
    • Die GFR kann bei gesunden Erwachsenen um 0,5–1 ml/min/Jahr sinken.
  • Diabetes Diabetes Diabetes Mellitus:
    • Durch Hyperfiltration sinkt das Serumkreatinin zu Beginn des Krankheitsverlaufs.
    • Im Laufe der Zeit verursacht Hyperfiltration Schäden und führt zu einem erhöhten Serumkreatinin.
  • Sehr geringe Muskelmasse: Zirrhose, Mangelernährung Mangelernährung Mangelernährung von Kindern in Ländern mit begrenzten Ressourcen, Amputation Amputation Amputation:
    • Haben oft Basis-Serumkreatinin < 0,5
    • GFR-Gleichungen überschätzen die wahre Nierenfunktion.
    • Kleine Veränderungen (z. B. Serumkreatinin 0,5 → 1) stellen bei diesen Patient*innen ein schweres akutes Nierenversagen dar (wird von medizinischem Personal häufig übersehen).

Geschätzte glomeruläre Filtrationsrate Glomeruläre Filtrationsrate Nierenfunktionstests aus Serumkreatinin

• Häufigster klinischer Indikator für GFR
• Mehrere Formeln wurden entwickelt und validiert:
  • Cockcroft-Gault, Änderung der Ernährung bei Nierenerkrankungen (Englisch: Modification of Diet in Renal Disease, MDRD), Zusammenarbeit bei der Epidemiologie chronischer Nierenerkrankungen (Englisch: Chronic Kidney Disease Epidemiology Collaboration, CKD-EPI)
  • Eingabevariablen: Serumkreatinin, Alter, Geschlecht, ethnische Herkunft (umstritten, teils nicht mehr berücksichtigt)
  • Formeln sind nur unter stationären Bedingungen genau:
    • Genau bei chronischen Nierenerkrankungen
    • Nicht genau bei akutem Nierenversagen
  • In der Praxis werden für diese Formel einfache Online-Rechner verwendet.
• eGFR wird verwendet, um chronische Nierenerkrankungen einzuteilen:
  • Stadium 1: GFR ≥ 90 ml/min/1,73 m ²
  • Stadium 2: GFR 60–89 ml/min/1,73 m ²
  • Stadium 3: GFR 30–59 ml/min/1,73 m ²
  • Stadium 4: GFR 15–29 ml/min/1,73 m ²
  • Stadium 5: GFR< 15 ml/min/1,73 ^m²
• eGFR wird auch häufig verwendet, um die Medikamentendosierung an die Nierenfunktion anzupassen.

Klinische Relevanz

Die glomeruläre Filtration wird am häufigsten verwendet, um die Gesamtnierenfunktion zu beurteilen und die chronische Nierenerkrankung Chronische Nierenerkrankung Chronische Nierenerkrankung in Stadien einzuteilen. Darüber hinaus gibt es spezifische Krankheitsprozesse des Glomerulus, die die Filtration beeinträchtigen. Krankheiten werden typischerweise als nephrotisch (hauptsächlich Proteinurie) oder nephritisch (hauptsächlich Hämaturie) kategorisiert.

• ANCA-Vaskulitis: Diese Vaskulitis ist eine nekrotisierende Vaskulitis, die kleine Gefäße befällt, einschließlich der Kapillaren Kapillaren Kapillaren des Glomerulus.
• Alport-Syndrom Alport-Syndrom Alport-Syndrom (AS): eine genetische Erkrankung, die zu abnormalem Kollagen Kollagen Bindegewebe Typ IV führt, das neben der Cochlea und dem Auge auch die GBM betrifft und zu fortschreitender Nierenfunktionsstörung, sensorineuralem Hörverlust und Augenanomalien führt.
• Anti-GBM-Krankheit (Goodpasture-Krankheit): Diese seltene Vaskulitis kleiner Gefäße mit polyklonalen zirkulierenden Antikörpern, die gegen Antigene innerhalb der GBM gerichtet sind, führt zu einer schnell fortschreitenden Glomerulonephritis Glomerulonephritis Membranoproliferative Glomerulonephritis und/oder alveolären Blutungen.
• Minimal-Change-Krankheit: eine Hauptursache des nephrotischen Syndroms, das durch Fusion (Retraktion, Erweiterung und Verkürzung) der Podozytenfortsätze verursacht wird: Die zugrunde liegende Ursache der Minimal-Change-Krankheit ist unklar, aber es gibt Hinweise darauf, dass eine T-Zell-Dysfunktion eine ursächliche Rolle spielen könnte. Die Therapie beinhaltet in der Regel Glukokortikoide Glukokortikoide Glukokortikoide.
• Membranöse Nephropathie: eine häufige Ursache des nephrotischen Syndroms, das aus einer Verdickung der GBM aufgrund von Immunablagerungen von IgG-Antikörpern resultiert, die gegen Antigene an den Podozyten-Fortsätzen gerichtet sind.