Nierendurchblutung

Dieses Kapitel ist relevant für Abschnitt G4(ii) des CICM-Primärlehrplans 2017, der vom Prüfungskandidaten erwartet, dass er „die Verteilung des Blutvolumens und des Blutflusses in den verschiedenen regionalen Kreisläufen … einschließlich der Autoregulation … beschreibt. Dazu gehören unter anderem der zerebrale und rückenmarksnahe Kreislauf, der hepatische und splanchnische Kreislauf, der koronare Kreislauf, der renale Kreislauf und der utero-plazentare Kreislauf“. Der renale Kreislauf kam in den vergangenen Klausuren mehrfach zur Sprache:

• Frage 3 aus der zweiten Klausur 2015
• Frage 11 aus der ersten Klausur 2012
• Frage 12 aus der zweiten Klausur 2008
• Frage 6(S.2) aus der zweiten Klausur 2007

Wie beim zerebralen und hepatischen Stoffwechsel war es schwierig, für dieses Kapitel eine passende Position innerhalb der Klausurstruktur zu finden. Ist es renal? Ist es zirkulatorisch? Letztendlich war der Autor der Meinung, dass es relativ sicher unter der Überschrift Herz-Kreislauf angesiedelt werden kann, sofern die Diskussion nicht gefährlich nahe an das Thema glomeruläre Filtration oder Solute-Clearance herankommt.

Zusammenfassend:

Es gibt viel hochwertiges Material in der von Experten begutachteten Literatur, und der CICM-Prüfungskandidat hat die Qual der Wahl, selbst wenn er sich entscheidet, für nichts zu bezahlen. Stein (1990) ist alt, aber kurz, gut und kostenlos. Braam et al. (2014) ist neu, gut, kostenlos, aber lang. Just (2007) ist ebenfalls neu und kostenlos, aber realistischerweise wird kein Kandidat für die CICM-Prüfung jemals so viele Details benötigen.

Nierengefäßversorgung

Jede Niere wird durch eine Nierenarterie versorgt, die im Grunde eine große Muskelarterie und ein Hauptast der Aorta ist. Jede ist etwa 4-5 cm lang und hat einen Durchmesser von 5-10 mm, wobei die eine in der Regel etwas größer ist als die andere. Kurz vor dem Eintritt in das Nierenparenchym teilen sich die menschlichen Nierenarterien in einen vorderen und einen hinteren Hauptast, die sich wiederum in Segmentarterien aufteilen. Innerhalb der Niere gibt es keine Anastomose zwischen diesen Arterien, d.h. jeder Ast ist ein Endast, und die Ischämie einer Segmentarterie führt zu einer regionalen Ischämie im Gebiet ihrer Verteilung (Bertram, 2000).

Zusammenfassend lässt sich der arterielle und venöse Kreislauf der Niere als eine sequentielle Liste von Gefäßen darstellen:

• Nierenarterie, ein Ast der Aorta
• Vordere und hintere Hauptäste der Nierenarterie
• Segmentalarterien (große Endarterien)
• Interlobar-Arterien, die an der Grenze zwischen Rinde und Mark in das Nierengewebe eintreten
• Arcuate-Arterien, die bogenförmig zwischen Rinde und Mark verlaufen
• Kortikale Radialarterien, die radial vom Zentrum zur Nierenkapsel aufsteigen
• Afferente Arteriolen, die den Glomerulus versorgen
• Glomeruläre Kapillaren,
• Efferente Arteriolen, die den Glomerulus entwässern und in das Mark absteigen
• Peritubuläre Kapillaren, die die kortikalen Tubuli umgeben
• Vasa recta, die absteigenden und aufsteigenden geraden Gefäße, die die Henle-Schleife auf ihrem Weg in das Nierenmark umgeben
• Arkusvenen, in die die aufsteigenden Vasa recta münden
• Interlobularvenen, die das Blut aus den Bogenvenen sammeln
• Nierenvene, die in die untere Hohlvene mündet

Die Diagramme hier sind aus dem ausgezeichneten „Structural organisation of the mammalian kidney“ von Kriz & Kaissling (1992) übernommen. Im Nachhinein muss man zugeben, dass die Originalbilder die zusätzlichen Anmerkungen und die kindliche Farbgebung nicht nötig hatten. Aber…

Die physiologische Bedeutung der Nierengefäße für die Filtrationsfunktion der Niere wird an anderer Stelle diskutiert. In diesem auf die Gefäße fokussierten Kapitel ist es wahrscheinlich wichtig, sich auf die einzigartigen Merkmale der Mikrozirkulation der Niere zu konzentrieren:

• Der Nierenkreislauf hat zwei Kapillarnetzwerke:
  • Ein Hochdruckkapillarnetz, das sind die glomerulären Kapillaren
  • Ein Niederdruckkapillarnetz, die peritubulären Kapillaren
• Der Widerstand der afferenten und efferenten Arteriolen, auf beiden Seiten der glomerulären Hochdruckkapillaren ist ein wichtiger Kontrollmechanismus für die glomeruläre Filtration

Renaler Blutfluss

Insgesamt fließen etwa 20-25% der gesamten Herzleistung durch die Nieren. Das sind etwa 400 ml/100 g Gewebe/Min. oder etwa 1000 ml pro Minute, d. h. etwa achtmal mehr als im Gehirn. Dieser Wert ist natürlich sehr unterschiedlich, je nachdem, wessen Nieren man misst; Bergström (1959) beispielsweise erhielt von einer Gruppe gesunder Freiwilliger Ergebnisse zwischen 660 ml/min und 2190 ml/min.

Natürlich ist dieser Blutfluss völlig unabhängig von der Stoffwechselaktivität der Nieren. Insgesamt entziehen die Nieren nur etwa 10-15% des zugeführten Sauerstoffs, so dass die renal-venöse Sauerstoffsättigung relativ hoch ist (~ 85%). Daraus könnte man den Schluss ziehen, dass die Zellen der Nieren ständig von einem üppigen Sauerstoffüberschuss umgeben sein müssen, was jedoch nicht der Fall ist. Der gesamte Blutfluss geht tendenziell zum Kortex (wo sich die Glomeruli befinden), etwa 500 ml/100 g/min oder 95 % des gesamten Blutflusses, während das Mark nur 20-100 ml/min Blutfluss erhält. Und im Mark befinden sich all die hart arbeitenden Tubuluszellen, die damit beschäftigt sind, das gesamte Natrium aus der Tubulusflüssigkeit zu saugen. Das ist vom Stoffwechsel her gesehen kein billiger Prozess, denn 99,5 % des gefilterten Natriums müssen wiedergewonnen werden, und so hat das Nierenmark für seine Masse eine sehr hohe Stoffwechselaktivität – es macht nur 0,5 % der gesamten Körpermasse aus, verbraucht aber 7 % des gesamten Sauerstoffs.

Wie zu erwarten, ist das Nierenmark bei dieser Art von Sauerstoffverbrauch wahrscheinlich chronisch sauerstoffarm und hat ein ziemlich hohes Sauerstoffextraktionsverhältnis. In der Tat haben Leichtweiss et al. (1969) einen nierenmedullären pO2 von etwa 8-10 mmHg gemessen. Erschwerend kommt hinzu, dass die interlobulären Gefäße und die Vasa recta im Mark nahe beieinander liegen, so dass Sauerstoff aus dem arteriellen Blut direkt in das venöse Blut diffundieren kann, wodurch das tiefere Markgewebe entzogen wird. Und schließlich muss der renale Blutfluss zum Mark niedrig sein, da sonst alle sorgfältig aufgebauten Konzentrationsgradienten weggespült werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir das Nierenmark immer am Rande des Sauerstoffmangels halten müssen, um unseren Urin konzentrieren zu können.

Die energieaufwendigste Aufgabe der Niere ist also die Rückresorption von Natrium, die im Nierenmark stattfindet. Und die der Niere zugeführte Natriummenge hängt von der glomerulären Filtrationsrate ab, die wiederum vom Blutfluss abhängt. Der Stoffwechselbedarf der Nieren wird also durch den Blutfluss bestimmt und nicht umgekehrt. Mit anderen Worten: Wird die Niere mit weniger Blut perfundiert, muss weniger Natrium gepumpt werden, und daher wird weniger Stoffwechselenergie benötigt. Infolgedessen variiert die renale Sauerstoffextraktion bei unterschiedlichen Durchblutungsraten nicht allzu sehr (Levy, 1960).

Autoregulation des renalen Blutflusses

Da der Blutfluss durch die Niere eine wichtige Determinante der glomerulären Filtrierung und der Lösungsmittel-Clearance ist, liegt es nahe, dass man möchte, dass er über einen weiten Bereich von systemischen Bedingungen stabil bleibt. Dies ist auch tatsächlich der Fall. Das folgende Autoregulationsdiagramm, eine Beziehung zwischen dem renalen Blutfluss und dem systemischen arteriellen Druck, wird in der Regel in Lehrbüchern zur Untermauerung dieses Konzepts herangezogen:

Es gibt viele Permutationen dieses Diagramms, und es ist so allgegenwärtig, dass die Autoren aufgehört haben, es in Fachpublikationen zu erwähnen. Hier sind ein paar repräsentative Beispiele aus offiziell klingenden Quellen (Burke et al., 2014 und Ravera et al., 2006):

Dieses Diagramm ist wahrscheinlich deshalb so unglaublich variabel und schlecht referenziert, weil es nicht von einem einzigen Autor stammt. Die Idee, dass die Niere angesichts eines sich ändernden Perfusionsdrucks einen stabilen Blutfluss aufrechterhält, wurde erstmals im Zusammenhang mit einem Modell des hämorrhagischen Schocks von Rein & Rossler (1929) entdeckt, aber dann führten buchstäblich Hunderte von Autoren Tausende von Experimenten durch, in denen sie jede mögliche Permutation des Kreislaufs untersuchten, und jeder erstellte irgendeine Art von Druck-Fluss-Kurve. Hier wird ein repräsentatives Bild (das im Grunde zufällig ausgewählt wurde) aus einer Arbeit von Rothe et al (1971) angeboten. Es zeigt die meisten wichtigen Merkmale.

Es gibt deutliche Unterschiede zwischen den Lehrbüchern und Verlagen, was die Beschriftung und Darstellung dieses Diagramms betrifft, wobei viele sich dafür entscheiden, tatsächliche Flusswerte statt relativer Werte oder den systolischen arteriellen Druck statt des Mittelwerts zu verwenden. Einige (wie der obige Autor) geben nicht an, welchen Druck sie gemessen haben. Das Auswendiglernen bestimmter Druckwerte für die Prüfung wird dadurch noch lächerlicher. Falls das Bedürfnis nach Vollständigkeit auf einer Zahl besteht, kann man sich an den Prüfern der Hochschule orientieren, die in ihrer Antwort auf die Frage, ob der Blutfluss zu den Nieren „bei einem arteriellen Blutdruck von 75-160 mmHg konstant bleibt“, einen Hinweis geben. Letztendlich ist das wichtigste Merkmal in diesem Diagramm ein Plateau des „normalen“ Blutflusses, das in einem normalen Blutdruckbereich zu sehen ist.

Diese Autoregulation findet auf der Ebene der afferenten Arteriole statt, kurz bevor das Blut in den Glomerulus eintritt. Sie erfolgt durch drei Hauptmechanismen: einen schnellen myogenen Mechanismus, einen langsameren Mechanismus, der mit der Geschwindigkeit der Salzabgabe an die juxtaglomerulären Zellen zusammenhängt (tubuloglomeruläre Rückkopplung), und einen dritten Mechanismus, der noch langsamer ist und für den es keine besonders befriedigende Erklärung gibt.

Autoregulation des renalen Blutflusses durch Myogenese

Diese Eigenschaft der afferenten Arteriolen der Niere ist praktisch allen anderen Arteriolen gemeinsam und scheint eine intrinsische Eigenschaft der glatten Muskulatur zu sein (in dem Sinne, dass das Endothel dafür eindeutig nicht erforderlich ist, da Arteriolen ohne Endothel dies auch tun). Kurz gesagt, wenn der Druck (Dehnung) auf die Wand einer Arteriole zunimmt, zieht sich die Arteriole als Reaktion darauf zusammen. Dadurch erhöht sich der Gefäßwiderstand, so dass der Durchfluss gleich bleibt, obwohl sich der Druckgradient verändert hat. Dies ist ein sehr schneller Prozess (von Null bis verengt in weniger als 10 Sekunden), der etwa 50 % der gesamten Regulationskapazität der Nierengefäße ausmacht. Der Mechanismus hängt, soweit man weiß, mit der Membrandepolarisation zusammen, die als Reaktion auf die Dehnung auftritt, aber was genau dies auslöst und wie es auf molekularer Ebene abläuft, weiß niemand so genau. Schubert & Mulvany (1999) behandelt dies ausführlicher, als es für Prüfungszwecke jemals notwendig wäre, und der Leser wird dorthin verwiesen, wenn er mehr als nur einen kurzen Überblick haben möchte.

Regulation des renalen Blutflusses durch tubulo-glomeruläre Rückkopplung

Im Gegensatz zur myogenen Reaktion ist die tubuloglomeruläre Rückkopplung (TGF) etwas Einzigartiges in der Niere. Sie wird von Volker Vallon (2003) hervorragend beschrieben; ohne zu sehr ins Detail zu gehen, lässt sich dieser Mechanismus wie folgt zusammenfassen:

• Die Salzrückresorption aus der Henle-Schleife ist ein aktiver Prozess
• Dieser Prozess ist in hohem Maße abhängig von der verfügbaren Salzmenge, d.h. von der Geschwindigkeit des tubulären Flüssigkeitsflusses
• Ein erhöhter glomerulärer Blutfluss erhöht den Fluss der tubulären Flüssigkeit (da er die glomeruläre Filtration erhöht)
• Daher erhöht ein erhöhter glomerulärer Blutfluss die Menge des von der Henle-Schleife rückresorbierten Salzes, Dies erhöht die Salzzufuhr zur Macula densa
• Änderungen der Salzkonzentration werden von der Macula densa über den Na+-K+-2Cl-Cotransporter (NKCC2) in ihrer luminalen Membran wahrgenommen.
• Dies führt zu einer erhöhten ATP-Freisetzung aus den Zellen der Macula densa
• Das ATP aktiviert dann entweder spezifische Purinrezeptoren an der afferenten Arteriole oder wird in Adenosin umgewandelt (das dann auf A1-Adenosinrezeptoren wirkt).
• Der Nettoeffekt ist, dass eine erhöhte Salzzufuhr zum Nephron zu einem verringerten glomerulären Blutfluss führt, der die Salzzufuhr verringert (d.h. es handelt sich um einen negativen Rückkopplungsmechanismus

Dieser Mechanismus ist wesentlich langsamer als die myogene Regulation. Um einige aktuelle Tierdaten von Just (2007) grob zu rekonstruieren, ist der zeitliche Ablauf dieser Mechanismen unten dargestellt.

Wie Sie sehen, wird ein dritter Regulationsmechanismus von einigen Autoren beschrieben, der aber wahrscheinlich nicht sehr wichtig ist (er macht weniger als 15 % der gesamten Regulationskapazität aus) und – was am wichtigsten ist – in Lehrbüchern und in den offiziellen SAQ-Antworten des CICM in der Regel nicht erwähnt wird. Dieser Mechanismus kann durch Aufhebung der tubuloglomerulären Rückkopplung mit Frusemid nachgewiesen werden. Eine langsame autoregulatorische Reaktion ist immer noch zu beobachten, aber sie steht eindeutig in keinem Zusammenhang mit der renalen Salzabgabe.

Auswirkung der sympathischen Innervation

Das autonome Nervensystem innerviert und steuert den Kreislauf der Niere auf eine Art und Weise, die regulierend, aber nicht autoregulatorisch ist, in dem Sinne, dass dieser Mechanismus nicht auf Druckänderungen reagiert, um den Fluss stabil zu halten. Stattdessen wird der Blutfluss zu den Nieren durch dieses Kontrollsystem absichtlich erhöht oder verringert. Zu diesem Thema gibt es in der Literatur wesentlich bessere Übersichten (z. B. Johns et al., 2011).

Sympathische Innervation der Niere: Die vaskulären Strukturen der Niere werden von sympathischen Fasern innerviert, die etwa von T11-L3 ausgehen. Diese präganglionären Fasern gehen dann in Ganglien über, die von Person zu Person sehr unterschiedlich sein können – paravertebrale, prävertebrale, aorticorenale, splanchnische, zöliakale und superior mesenteriale Ganglien sind alles legitime Möglichkeiten, und es gibt keine vorhersehbare „spinale Ebene“. Um die Dinge noch komplizierter zu machen, wird jede Niere von einer anderen Ebene und Gruppe von Ganglien innerviert. Von dort aus gelangen postganglionäre sympathische Fasern zusammen mit der Nierenarterie in die Niere und teilen sich in ein Netz einzelner Fasern, die in die Rinde und das Mark eindringen. Barajas et al. (1992) verfolgten sie geduldig bis zu ihrem Bestimmungsort und fanden sympathische Nervenendigungen an zahlreichen Stellen, darunter die offensichtlichen (afferente und efferente Arteriolen) sowie überraschende (z. B. die Granularzellen des juxtaglomerulären Apparats, Tubulussegmente usw.). Bei näherer Betrachtung sind diese Nervenendigungen voll mit Noradrenalin.

Die Wirkung eines stabilen Sympathikustonus: Unter normalen Umständen, bei einem ruhigen autonomen Nervensystem, wird der geringe Einfluss des Sympathikus unter der Decke der myogenen und tubuloglomerulären Autoregulation der Nieren versteckt. Man sieht ihn nie wirklich. Doch auch wenn ihr Einfluss subtil ist, so ist er doch eindeutig von Bedeutung. Als Kompanowska-Jezierska et al. (2001) einige Rattennieren denervierten, stieg der kortikale Blutfluss um 25 %, was das Ausmaß des normalen Ruhe-Sympathikotonus verdeutlicht.

Die Wirkung der Aktivierung der Nierensympathikusfasern: Wenn das autonome Nervensystem durch einen starken Reiz (z. B. einen Schockzustand oder einen unhöflichen Kollegen) in Aufruhr versetzt wird, werden mehrere Effekte hervorgerufen:

• Vasokonstriktion der Nierengefäße
• Verstärkte Natrium- und Wasserrückresorption am Tubulus
• Verstärkte Reninfreisetzung aus den juxtaglomerulären Zellen

Die renale Vasokonstriktion, die vorher ruhig im Hintergrund ablief, wird nun viel stärker. Sie setzt nicht so sehr die renale Autoregulation des Blutflusses außer Kraft, sondern verändert vielmehr die Form der Autoregulationskurve. Die folgende Grafik, die auf Stadlbauer et al. (2008) und Persson (1990) zurückgeht, veranschaulicht dieses Konzept:

Dies macht wahrscheinlich im Zusammenhang mit einer Ganzkörperreaktion auf eine Hämorrhagie Sinn. Zur Verteidigung des zirkulierenden Volumens gehört auch, dass kein Blut für die Durchblutung der Niere verschwendet wird. In der Tat wäre es schön, wenn sie ihren eigenen Blutfluss so regulieren würden, dass mehr Blut für den Rest des Organismus übrig bleibt.

Wie tief kann man gehen? In der Antwort auf die CICM-Prüfung werden 10 % als das Minimum genannt, auf das der sympathisch vasokonstriktorische Nierendurchblutung sinken könnte. Das mag eine theoretische Zahl sein, und es ist unmöglich, herauszufinden, woher sie stammt, aber sie scheint plausibel zu sein. Als Dibona & Sawin (1999) einige Nieren mit Elektroschocks folterte, entstand diese Grafik, die deutlich zeigt, dass der renale Blutfluss bei ausreichender Stimulation auf unter 70 % fallen kann.

Vorstellbar ist, dass man die sympathische Stimulation erhöhen und eine noch stärkere Vasokonstriktion erzeugen könnte. Wo würde das enden? Die CICM-Prüfer erwähnen 10 %, aber das scheint eine ziemlich willkürliche Grenze zu sein. Sicherlich ist der minimale Durchfluss durch ein beliebiges Gefäß zumindest theoretisch gleich Null. Natürlich wird man so etwas in der Praxis am Krankenbett niemals in einem klinischen Szenario mit einem echten lebenden Patienten sehen, aber das ist gestörte Physiologie. Als Spencer et al. (1954) einen Bolus von 3 µg Noradrenalin direkt in die freiliegenden Nierenarterien eines Hundes injizierten, war der Fluss genau Null:

Die Wirkung der sympathischen Aktivierung auf die glomeruläre Filtration ist oft minimal, zumindest bei moderaten Aktivierungsgraden. Aus der oben erwähnten Grafik könnte man schließen, dass ein verringerter renaler Blutfluss zu einer proportional verringerten glomerulären Filtration führen würde. Dies ist jedoch nicht der Fall. Zumindest ist der Rückgang der glomerulären Filtration nicht so groß wie der Rückgang des renalen Blutflusses. Das liegt daran, dass sich der efferente Tubulus viel stärker verengt als der afferente, wodurch mehr Blut durch den Glomerulus gepresst wird, auch wenn der renale Blutfluss abnimmt. Der Toleranzbereich des Stimulus ist erstaunlich groß. Mills et al. (1960) verabreichten Hunden Sympathomimetika und stellten fest, dass die glomeruläre Filtrationsrate im Wesentlichen unverändert blieb, wenn nicht genügend Vasokonstriktoren verabreicht wurden, um den Blutdruck um 40 % zu erhöhen.