Glomeruläre Filtration und Primärharn
Wie der dreischichtige glomeruläre Filter gebaut ist, was im Primärharn landet und welche Drücke die glomeruläre Filtrationsrate bestimmen.
Das Wichtigste in Kürze
- Der glomeruläre Filter trennt Blut und Kapselraum und bildet aus dem Plasma den Primärharn, ein proteinarmes Ultrafiltrat.
- Er besteht aus gefenstertem Endothel, glomerulärer Basalmembran und Podozyten des inneren Kapselblatts mit Schlitzdiaphragma; parietales Blatt, Macula densa und extraglomeruläre Mesangiumzellen gehören nicht dazu.
- Glucose, \(\ce{Na+}\), \(\ce{K+}\), freies \(\ce{Ca^2+}\) und \(\ce{Mg^2+}\) sowie Kreatinin liegen im Primärharn in etwa plasmagleicher Konzentration vor; Moleküle bis etwa 3000 Dalton passieren frei.
- Albumin wird wegen Größe und negativer Ladung kaum filtriert, Blutzellen und Thrombozyten fehlen im Primärharn.
- Der effektive Filtrationsdruck ist Kapillardruck minus Kapseldruck minus kolloidosmotischer Druck; die GFR beträgt etwa 120 mL/min.
- Verengung des Vas afferens senkt die GFR, mäßige Verengung des Vas efferens erhält sie; mehr Plasmaeiweiß oder höherer Tubulusdruck vergrößern die GFR nicht.
Worum es geht
Im Nierenkörperchen presst der Blutdruck jeden Tag rund 180 L Flüssigkeit aus dem Blut in die Bowman-Kapsel. Wie dieser Filter gebaut ist, bestimmt die Zusammensetzung des Primärharns. Für die Pharmazie zählt das, weil die glomeruläre Filtrationsrate festlegt, wie schnell viele Arzneistoffe über die Niere ausgeschieden werden.
Glomerulärer Filter
Der Glomerulus ist ein Knäuel aus Kapillaren in der Bowman-Kapsel. Zwischen Blut und Kapselraum liegt der glomeruläre Filter. Er besteht aus drei hintereinander geschalteten Schichten. Jede hält etwas anderes zurück. Erst zusammen entsteht eine Barriere, die Wasser sehr leicht und Proteine kaum durchlässt.
| Schicht | Bau | Was sie vor allem zurückhält |
|---|---|---|
| Kapillarendothel | gefenstert (fenestriert), Poren von etwa 50 bis 100 nm | Blutzellen und Thrombozyten |
| Glomeruläre Basalmembran | dichtes Netz aus Kollagen IV und negativ geladenen Proteoglykanen | große und negativ geladene Moleküle |
| Podozyten mit Schlitzdiaphragma | verzahnte Füßchen, Spalten von einer feinen Membran überbrückt | restliche Proteine wie Albumin |
Das Endothel der Glomeruluskapillaren ist von vielen Poren durchbrochen. Anders als das kontinuierliche Endothel etwa im Gehirn bildet es daher keine geschlossene Barriere. Plasma tritt fast ungehindert hindurch, nur die Zellen bleiben zurück. Die eigentliche Trennarbeit leisten die beiden äußeren Schichten.
Die Basalmembran liegt zwischen Endothel und Podozyten. Ihre negativen Ladungen stoßen negativ geladene Proteine ab. Die Podozyten sind die Zellen des inneren, viszeralen Blatts der Bowman-Kapsel. Sie umgreifen die Kapillaren mit langen Fortsätzen. Deren Füßchen greifen ineinander wie die Finger zweier gefalteter Hände. Die schmalen Spalten dazwischen überspannt das Schlitzdiaphragma, eine Membran aus Proteinen wie Nephrin. Es ist die engste Stelle des Filters.
Die Abbildung zeigt den Weg des Filtrats vom Kapillarlumen durch alle drei Schichten in den Kapselraum. Zum Filter zählt nur, was auf diesem Weg liegt. Das parietale Blatt der Bowman-Kapsel kleidet die Kapsel außen aus und begrenzt lediglich den Kapselraum. Extraglomeruläre Mesangiumzellen und Zellen der Macula densa gehören zum juxtaglomerulären Apparat und dienen der Regulation. Die glatten Muskelzellen des Vas efferens verstellen nur den Gefäßwiderstand.
Die Basalmembran ist die mittlere Schicht des glomerulären Filters. Die ähnlich klingende Basilarmembran liegt in der Hörschnecke des Innenohrs. Auch Enterozyten haben mit dem Filter nichts zu tun, denn sie sind Epithelzellen des Darms.
Der Aufbau des glomerulären Filters wird im Examen gerne gefragt: gefenstertes Endothel, glomeruläre Basalmembran und Podozyten mit Schlitzdiaphragma. Achte darauf, dass die Podozyten das innere Kapselblatt bilden und das Endothel gefenstert ist, nicht kontinuierlich.
Primärharn
Was den Filter passiert, heißt Primärharn. Er entsteht, indem Druck das Plasma durch eine Membran presst, die nach Größe trennt. Deshalb nennt man ihn auch Ultrafiltrat. Der Filter sortiert nach Molekülgröße und Ladung. Kleine Moleküle bis etwa 3000 Dalton gehen frei hindurch. Mit wachsender Größe sinkt die Filtrierbarkeit steil ab.
Für alle frei filtrierten Stoffe gilt: Ihre Konzentration im Primärharn entspricht etwa der im Plasma. Der Filter trennt Wasser und kleine gelöste Teilchen nicht voneinander. Er entfernt nur die großen Bestandteile. Die Elektrolytzusammensetzung des Primärharns ähnelt deshalb der des Blutplasmas. Diese plasmagleiche Konzentration von Glucose, Elektrolyten und Kreatinin bei fast fehlendem Albumin ist besonders prüfungsrelevant.
| Bestandteil | Konzentration im Primärharn |
|---|---|
| Glucose | etwa wie im Plasma |
| \(\ce{Na+}\) und \(\ce{K+}\) | etwa wie im Plasma |
| \(\ce{Ca^2+}\) und \(\ce{Mg^2+}\) | etwa wie im Plasma (freier Anteil) |
| Kreatinin | etwa wie im Plasma |
| Albumin | viel geringer, nur Spuren |
| Blutzellen und Thrombozyten | nicht enthalten |
Glucose wird also vollständig mitfiltriert. Dass sie normalerweise nicht im Endharn erscheint, liegt an ihrer Rückresorption im Tubulus (Glucoseresorption und Nierenschwelle). Bei \(\ce{Ca^2+}\) und \(\ce{Mg^2+}\) ist ein Teil im Plasma an Albumin gebunden. Dieser Anteil bleibt mit dem Protein im Blut. Der freie, ionisierte Anteil erscheint im Ultrafiltrat in plasmagleicher Konzentration.
Albumin ist mit rund 66 kDa zu groß und zudem negativ geladen. Die Basalmembran stößt es ab, das Schlitzdiaphragma hält den Rest zurück. Der Primärharn ist daher weitgehend frei von Makromolekülen. Blutzellen und Thrombozyten gelangen gar nicht erst durch das Endothel. Eiweiß oder Blut im Harn weist deshalb auf einen geschädigten Filter hin.
Filtrationsdruck und GFR
Wie viel Primärharn entsteht, hängt vom Druck ab, der Flüssigkeit durch den Filter treibt. Das Ergebnis misst man als Volumen pro Zeit.
Die glomeruläre Filtrationsrate (GFR) ist das Volumen Primärharn, das alle Glomeruli beider Nieren zusammen pro Zeit bilden. Beim gesunden Erwachsenen sind das etwa 120 mL/min, rund 180 L am Tag.
Treibende Kraft ist der effektive Filtrationsdruck. Er ergibt sich aus drei Drücken. Der Blutdruck in den Glomeruluskapillaren drückt Plasma nach außen. Dagegen wirken der hydrostatische Druck in der Bowman-Kapsel und der kolloidosmotische Druck der Plasmaproteine. Die Proteine bleiben im Gefäß und halten Wasser zurück.
\[P_{\text{eff}} = P_{\text{Kap}} - P_{\text{Bow}} - \pi_{\text{onk}}\]
\(P_{\text{Kap}}\) ist der Blutdruck in den Glomeruluskapillaren, \(P_{\text{Bow}}\) der hydrostatische Druck in der Bowman-Kapsel und \(\pi_{\text{onk}}\) der kolloidosmotische Druck der Plasmaproteine, alle in mmHg.
Der Kapselraum enthält kaum Protein, sein eigener kolloidosmotischer Druck ist praktisch null. Was weiter stromabwärts geschieht, steht nicht in der Gleichung. So zählt der Harndruck im distalen Tubulus nicht zu den Größen des effektiven Filtrationsdrucks.
Ein Beispiel mit runden Werten: Am Anfang der Kapillare herrschen 50 mmHg Kapillardruck, 15 mmHg Kapseldruck und 25 mmHg onkotischer Druck. Das ergibt \(50 - 15 - 25 = 10\) mmHg. Entlang der Kapillare verlässt Wasser das Blut, die Proteine bleiben zurück. Ihre Konzentration steigt, der onkotische Druck erreicht etwa 35 mmHg. Der effektive Filtrationsdruck fällt so gegen null.
Die GFR ist das Produkt aus effektivem Filtrationsdruck und Filtrationskoeffizient. Dieser fasst Fläche und Durchlässigkeit des Filters zusammen. Jede Änderung eines der drei Drücke schlägt daher direkt auf die GFR durch.
Vas afferens und Vas efferens
Der Glomerulus liegt zwischen zwei Arteriolen. Man kann ihn sich wie einen Gartenschlauch zwischen zwei Wasserhähnen vorstellen. Wird das Vas afferens enger, steigt sein Widerstand. Weniger Druck kommt im Glomerulus an, der Kapillardruck sinkt und mit ihm die GFR.
Wird dagegen das Vas efferens enger, staut sich das Blut vor dieser Engstelle. Der Kapillardruck im Glomerulus steigt. Eine mäßige Verengung senkt die GFR deshalb nicht, sondern erhält sie. Erst bei starker Verengung sinkt der Plasmafluss so weit, dass der onkotische Druck rasch ansteigt.
Blutdruck, Plasmaprotein und Tubulusdruck
Weitere Einflüsse leitet man nach demselben Prinzip ab. Man fragt jeweils, welchen der drei Drücke eine Änderung verschiebt.
| Änderung | betroffener Druck | Folge für die GFR |
|---|---|---|
| sinkender Blutdruck in den Glomeruluskapillaren | \(P_{\text{Kap}}\) sinkt | sinkt |
| steigender mittlerer arterieller Druck | \(P_{\text{Kap}}\) bleibt durch Gegenregulation nahezu gleich | sinkt nicht, bleibt etwa konstant |
| mehr Eiweiß im Plasma | \(\pi_{\text{onk}}\) steigt | nimmt nicht zu, eher ab |
| höherer Druck im proximalen Tubulus, etwa bei Harnstau | \(P_{\text{Bow}}\) steigt | nimmt nicht zu, eher ab |
Dass ein höherer arterieller Druck die GFR kaum verändert, liegt an der renalen Autoregulation. Sie passt vor allem den Widerstand des Vas afferens an und hält so den Kapillardruck in weiten Grenzen stabil.
Quiz
Aussage 1
Steigt der Widerstand im Vas afferens, sinkt die glomeruläre Filtrationsrate.
Eine engere zuführende Arteriole lässt weniger Druck in den Glomerulus. Der Kapillardruck und damit die GFR sinken.
Aussage 2
Die Podozyten des glomerulären Filters gehören zum parietalen Blatt der Bowman-Kapsel.
Die Podozyten bilden das innere, viszerale Blatt der Bowman-Kapsel. Das parietale Blatt begrenzt nur den Kapselraum und ist nicht Teil des Filters.
Aussage 3
Die Glomeruluskapillaren besitzen ein gefenstertes Endothel, das eine Schicht des glomerulären Filters bildet.
Das fenestrierte Endothel ist die innerste der drei Filterschichten und hält vor allem Blutzellen zurück.
Aussage 4
Der hydrostatische Druck in der Bowman-Kapsel wirkt der glomerulären Filtration entgegen und geht in den effektiven Filtrationsdruck ein.
Er wird zusammen mit dem kolloidosmotischen Druck der Plasmaproteine vom glomerulären Kapillardruck abgezogen.
Aussage 5
Glucose wird glomerulär frei filtriert und liegt im Primärharn etwa in derselben Konzentration vor wie im Blutplasma.
Glucose ist ein kleines Molekül und passiert den Filter ungehindert. Erst der Tubulus resorbiert sie zurück.
Aussage 6
Albumin gelangt in plasmagleicher Konzentration in den Primärharn, da es unter der Größengrenze von etwa 3000 Dalton liegt.
Albumin ist mit rund 66 kDa weit größer und negativ geladen. Es wird kaum filtriert, der Primärharn enthält viel weniger Albumin als das Plasma.
Aussage 7
Ein erhöhter Eiweißgehalt des Blutplasmas steigert die glomeruläre Filtrationsrate.
Mehr Plasmaeiweiß erhöht den kolloidosmotischen Druck, der der Filtration entgegenwirkt. Die GFR nimmt daher nicht zu, sondern eher ab.
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