De nieren zijn zeer belangrijk voor het handhaven van de homeostase van het lichaam. Afvalstoffen worden uitgescheiden, de water- en electrolytenbalans wordt nauwkeurig gereguleerd. In dit stuk wordt ingegaan op de diverse functies van de nieren.
Functies van de nieren
De nieren zijn betrokken bij de volgende processen:
• Uitscheiding van metabolieten en lichaamsvreemde stoffen.
• Regulatie van de water- en electrolytenbalans.
• Regulatie van de osmolariteit en electrolytenconcentratie van het lichaamsvocht.
• Regulatie van de Arteriële druk door Natrium in wisselende concentraties uit te scheiden, Renine te synthetiseren wat de Angiotensine II-synthese stimuleert.
• Regulatie van de zuur-base verhouding door de uitscheiding van zuren en de regulatie van buffers.
• Erythrocytproductie door meer of minder erythropoiëtine aan te maken, wat de productie van erythrocyten stimuleert.
• Regulatie van de 1,25-dihydroxy vitamine D3 productie.
• Gluconeogenese tijdens langdurig hongeren.
• Secretie, metabolisme en uitscheiding van hormonen.
Urineproductie is het resultaat van glomerulaire filtratie, tubulaire reabsorptie en tubulaire secretie
Een van de belangrijkste functies van de nieren is het klaren van schadelijke stoffen uit het bloed en het resorberen van bruikbare stoffen. De eerste fase om deze functie uit te kunnen voeren is de filtratie van vocht uit de glomerulaire capillairen in de renale tubuli, Dit proces wordt glomerulaire filtratie genoemd. Als het glomerulaire filtraat door de tubuli stroomt, neemt het volume van het filtraat af. Ook verandert de samenstelling van het filtraat. Deze processen hebben plaats tijdens de tubulaire reabsorptie en secretie. Beide processen kunnen in activiteit erg variëren. Dit is afhankelijk van de behoefte van het lichaam. De excretie van stoffen met de urine is afhankelijk filtratie, reabsorptie en secretie. Deze relatie kan uitgedrukt worden met de volgende formule:
• Urineproductie= Filtratie-Reabsorptie+Secretie
Elk van deze fysiologische processen wordt gecontroleerd en een nettoverandering van de excretie kan dus een gevolg zijn van veranderingen in de glomerulaire filtratie (GFR), tubulaire reabsorptie en tubulaire secretie.
De renale doorbloeding bedraagt 22 procent van het HartMinuutVolume (HMV). De bloedvoorziening van de nier verloopt via de a. renalis. De a. renalis vertakt zich in interlobaire arteriën, arterie arcuatus, interlobulaire arteriën en afferente arteriolen. De afferente arteriolen vertakken zich verder in glomerulaire capillairen. In laatstgenoemde start de filtratie van vocht en opgeloste stoffen. De capillairen rond elke glomerulaire eenheid vormen efferente arteriolen, welke vervolgens leiden tot een secundair capillair netwerk: het peritubulaire capillair. Het peritubulaire capillair omringt de tubulus. De peritubulaire capillairen eindigen in het veneuze systeem, wat parallel loopt aan het arteriole systeem. Interlobulaire venen monden uit in de v. arcuatus, welke uitmondt in de interlobaire venen. De interlobaire venen monden uit in v. renalis. De v. renalis loopt parallel aan de a. renalis en de ureter. De vasa recta zijn gespecialiseerde peritubulaire vaten die renale medulla penetreren en parallel aan de Lis van Henle lopen. De cortex van de nier ontvangt het meeste bloed. Ongeveer 1 tot 2 procent van de totale doorbloeding stroomt door de vasa recta, welke de renale medulla van bloed voorziet.
Twee belangrijke kenmerken van de renale circulatie zijn:
• De nier ontvangt veel bloed (ongeveer 1100ml/min bij een man van 70kg).
• Twee capillaire systemen: het glomerulaire en peritubulaire capillaire vaatbed.
De glomerulaire capillairen filtreren grote hoeveelheden vocht en opgeloste stoffen. Het meeste hiervan wordt echter door de renale tubuli weer geresorbeerd terug in de peritubulaire capillairen.
De renale circulatie kan uitgedrukt worden met de volgende formule:
• Renale circulatie= (Renale arteriële druk – Renale veneuze druk)/Totale renale vasculaire weerstand
De totale renale vasculaire weerstand is de som van alle individuele vasculaire segmenten, inclusief de arteriën, arteriolen, capillairen en venen. De meeste renale vasculaire weerstand is te vinden de interlobulaire arteriën en de afferente en efferente arteriolen.
Het nefron is de structurele en functionele eenheid van de nier. Elke nier bestaat uit ongeveer 1 miljoen nefronen. Elk nefron is in staat om urine te produceren. Een nefron bestaat uit glomerulaire capillairen, welke de glomerulus wordt genoemd. In het glomerulus worden grote hoeveelheden vocht uit het bloed gefiltreerd. Een kapsel rond de glomerulus, welke het Kapsel van Bowman wordt genoemd en de tubulus zijn ook onderdelen van het nefron. In de tubulus vindt de eigenlijke urineformatie plaats. De nierkelk ontvangt de urine van de nefronen. De renale tubulus kan men in drie secties onderverdelen: (1) de proximale tubulus, die in het buitenste deel van de nier (de cortex) ligt, (2) de Lis van Henle (die diep het niermerg inloopt), die uit een descenderende en ascenderende tak bestaat, (3) de distale tubulus, (4) de verzameltubulus die bestaat uit de corticale verzameltubulus en corticale verzamelbuis en (5) de medullaire verzamelbuis. Urine stroomt van de nierkelken naar de blaas, waar de urine wordt opgeslagen. Urine wordt tijdens de micturatie of urinatie uit het lichaam verwijderd.
Micturatie, plassen, urineren
Micturatie is het proces waarbij urine uit de blaas wordt geperst. Het bestaat uit twee stappen:
• De blaas raakt gevuld, tot de druk op de blaas een drempel overschrijdt.
• Wanneer deze drempel wordt overschreden, wordt de micuratiereflex geactiveerd.
Fysiologie en anatomie van de blaas
De ureters vervoeren de urine van de nierkelken naar de blaas. De ureters eindigen schuin in de blaas. Tijdens het vervoer naar de blaas, verandert de samenstelling van de urine niet. Peristaltische bewegingen van de ureters (gestimuleerd door de parasympaticus) initiëren het vervoer naar de blaas. De blaas is een gladde spier die uit twee delen bestaat: (1) het corpus, het grootste deel van de blaas waar de urine wordt verzameld en (2) de nek waar de urethra de blaas binnen komen. De gladde spier van de blaas wordt de M. Detrusor genoemd. Wanneer de spiervezels contraheren neemt de druk van de blaas met 40 tot 60 mmHg toe, wat voor het legen van de blaas zorgt.
De nek van de blaas bestaat uit M. Detrusor en een grote hoeveelheid elastische vezels. In dit gebied bevindt zich ook de interne sfincter. Welke bij normale spanning van de blaas aangespannen blijft. Wanneer de druk binnen de blaas een drempel overschrijdt, ontspant de interne sfincter.
De urethra loopt door het urogenitale diafragma. De externe sfincter bevindt zich in het urogenitale diafragma. De externe sfincter is een skeletspier welke bewust aangespannen wordt.
De sacrale plexus zorgt voor de zenuwvoorziening van de blaas. De zenuwvoorziening bestaat zowel uit sensorische als motorische zenuwen. De sensorische zenuwen merken rek van de blaaswand op en initiëren reflexen die voor het legen van de blaas zorgen. De motorische zenuwvezels zijn parasympatisch van aard.
Micturatie is een spinale reflex
De micturatiereflex is een enkele volledige cyclus van: (1) een progressieve en snelle stijging van spanning van de blaaswand, (2) een periode van hogere spanning binnen de blaas en (3) een verlaging van de basistonus van de blaas.
Sensorische signalen van de stretchreceptoren in de blaaswand naar en van de ruggenmerg geleid. Wanneer de micturatiereflex krachtig genoeg is, veroorzaakt het een volgende reflex welke door de pudendale zenuw de externe sfincter inhibeert. Wanneer de inhibitie krachtiger is dan de vrijwillige signalen voor constrictie, dan zal micturatie plaats vinden. De micturatiereflex is een autonome spinale reflex, maar kan onderdrukt of gefaciliteerd worden door centra in de hersenstam (met name de pons) en centra in de cortex. De centra in de cortex zijn voornamelijk excitatoir van aard.
Glomerulaire filtratie is de eerste stap in de urinevorming
De samenstelling van glomerulair filtraat en plasma is bijna identiek. Het filtraat bevat echter bijna geen eiwitten (ongeveer 0,03 procent). De glomerulaire filtratie (GFR) is normaal ongeveer 125 ml/min, of ongeveer 20 procent van de nierdoorbloeding. De filtratiefractie is dus 0,2.
De GFR wordt bepaald door de netto filtratiedruk en de glomerulaire capillaire filtratie coëfficiënt (Kf), welke het product is van de permeabiliteit en de oppervlakte van de capillairen.
• GFR= Kf x Netto filtratiedruk
De netto filtratiedruk is de som van hydrostatische en colloïd osmotische krachten over de glomerulaire capillairen en bestaat uit: (1) de hydrostatische druk in de capillairen-glomerulaire hydrostatische druk (Pg), is normaal 60 mmHg en (2) de hydrostatische druk in het kapsel van Bowman buiten de capillairen (Pb), is normaal 18 mmHg, (3) de colloïd osmotische druk van de glomerulaire capillaire plasma-eiwitten (πg), is ongeveer 33 mmHg en (4) de colloïd osmotische druk van eiwitten in het kapsel van Bowman (πb), is ongeveer 0 mmHg.
• Netto filtratie druk = Pg – Pb – πg = 10 mmHg
• GFR= Kf x (Pg – Pb – πg) = 125 ml/min
Een verlaagde glomerulaire capillaire filtratie coëfficiënt (Kf) verlaagd de GFR. Hoewel veranderingen in Kf een proportioneel effect hebben op de GFR, is dit geen primair mechanisme voor de fysiologische controle van de GFR. Bij sommige ziekten echter, zoals niet-gereguleerde hypertensie en diabetes mellitus is de GFR afgenomen doordat de capillaire wand dikker is geworden. Dit zorgt voor een afgenomen Kf, of door ernstige schade aan de capillairen een compleet verlies van de capillaire filtratie.
Een gestegen spanning op het kapsel van Bowman, veroorzaakt een lagere GFR. Veranderingen in spanning op het kapsel van Bowman controleren niet de GFR. Bij sommige ziekten echter, zoals een verstopping van de urinewegen, kan de druk op het kapsel van Bowman zo hoog oplopen dat de GFR afneemt. Nierstenen kunnen bijvoorbeeld de urineweg verstoppen. Hierdoor neemt de druk op het kapsel van Bowman toe.
Een stijging van de glomerulaire capillaire colloïd osmotische druk verlaagd de GFR. Twee factoren kunnen de glomerulaire capillaire colloïd osmotische druk beïnvloeden: (1) de arteriële colloïd osmotische druk en (2) het gedeelte van de plasma gefiltreerd door de glomerulaire capillairen (filtratie fractie). Een stijging van een van beide factoren leidt tot een stijging van de glomerulaire capillaire colloïd osmotische druk. Een daling arteriële plasma colloïd osmotische druk of de filtratie fractie verlaagt de glomerulaire capillaire colloïd osmotische druk. Daar de filtratie fractie een ratio is, namelijk het GFR/Renale plasma aanbod, veroorzaakt een verlaging van het renale plasma aanbod een daling van de filtratie fractie. Zelfs met gelijke glomerulaire hydrostatische druk, veroorzaakt een verlaging van de nierdoorbloeding een stijging van de glomerulaire colloïd osmotische druk en verlaagt de GFR.
Een stijging van de glomerulaire capillaire hydrostatische druk, vergroot de GFR. De glomerulaire hydrostatische druk wordt beïnvloed door drie factoren:
• Arteriële druk. Een stijging van de arteriële druk verhoogd de glomerulaire hydrostatische druk en de GFR. Dit effect wordt echter opgevangen door autoregulatie, welke het effect van bloeddruk op de glomerulaire hydrostatische druk minimaliseert.
• Afferente arteriole weerstand. Een stijging van de weerstand van de afferente arteriolen verlaagd de glomerulaire hydrostatische druk en GFR.
• Efferente arteriole weerstand. Een stijging van de weerstand van de efferente arteriolen verhoogt de weerstand van doorbloeding van de glomerulaire capillairen en de glomerulaire hydrostatische druk. Hierdoor stijgt de GFR (zo lang de nierbloeding niet afneemt). Als de efferente constrictie meer dan drie keer zo hoog wordt, veroorzaakt de grote daling van nierbloeding eerder een daling van de GFR.
Glomerulaire filtratie en nierdoorbloeding worden gereguleerd door neurohumorale en intrarenale systemen
De factoren van de GFR die het meest kunnen schommelen zijn de glomerulaire hydrostatische druk en de glomerulaire capillaire colloïd osmotische druk. Deze factoren kunnen beïnvloed worden door het sympathische zenuwstelsel, hormonen, autocoïden (vaso-actieve stoffen die de nier secerneert) en andere intrarenale feedbacksystemen.
Sympathische stimulatie verlaagt de GFR. Hevige stimulatie van het sympathische zenuwstelsel veroorzaakt een constrictie van de renale arteriolen en verlaagd de doorbloeding en de GFR. Dit effect is zeer belangrijk om de GFR te verlagen tijdens ernstige verstoringen, bijvoorbeeld ischemie van de hersenen en hevige bloedingen.
Hormonen en autocoïden beïnvloeden de GFR en de nierdoorbloeding. Een aantal hormonen en autocoïden kunnen de GFR en nierdoorbloeding beïnvloeden:
• Noradrenaline en adrenaline, welke worden afgescheiden door het bijniermerg, veroorzaken een constrictie van zowel afferente als efferente arteriolen en verlagen de GFR en nierdoorbloeding.
• Endotheline is een peptide wat vrijkomt uit beschadigde endotheelcellen van de nieren en andere weefsels. Endotheline veroorzaakt een constrictie van renale arteriolen en verlaagt de GFR en nierdoorbloeding.
• Angiotensine II veroorzaakt een grotere constrictie van de efferente arteriolen, dan van de afferente arteriolen. Hierdoor stijgt de glomerulaire hydrostatische druk, terwijl de nierdoorbloeding daalt. Gestegen Angiotensine II-spiegels worden voornamelijk veroorzaakt door een afgenomen arteriële druk of een daling van het bloedvolume. Beide factoren verlagen de GFR. Angiotensine II voorkomt een daling van de GFR door constrictie van de efferente arteriolen.
• Endotheel Stikstof-Oxide (EDNO) verlaagt de vasculaire weerstand en verhoogt de GFR en nierdoorbloeding. EDNO is een autocoïd wat door de vasculaire endotheelcellen in het hele lichaam wordt afgegeven. EDNO is belangrijk om hevige vasoconstrictie in de nieren te voorkomen.
• Prostaglandines (vooral PGE2 en PGI2) zijn niet belangrijk voor de regulatie van de GFR onder normale omstandigheden. Prostaglandines tempert echter het effect van het sympathische zenuwstelsel en Angiotensine II. Medicatie (zoals aspirine en ibuprofen) die de synthese prostaglandines laten dalen, veroorzaken een daling van de GFR en nierdoorbloeding, met name bij mensen die hevig hebben gebraakt, diarree hebben, gedehydreerd zijn of diuretica gebruiken.
Arteriële druk beïnvloedt de GFR en nierdoorbloeding
In gezonde nieren hebben grote schommelingen van de arteriële druk kleine effecten op de GFR. Dit wordt autoregulatie genoemd. De autoregulatie van de GFR en nierdoorbloeding is niet volmaakt. Het voorkomt echter grote verliezen van water en opgeloste stoffen.
Tubuloglomerulaire feedback is zeer belangrijk voor de autoregulatie. Deze feedback bestaat uit twee delen: een afferent en efferent arteriool mechanisme. Beide mechanismen zijn afhankelijk van de bijzondere anatomische constructie van het juxtaglomerulaire apparaat. het juxtaglomerulaire apparaat bevat de Macula Densa en in het eerste deel van de distale tubulus en juxtaglomerulaire cellen in de wand van de afferente en efferente arteriolen. Als de bloeddruk daalt, neemt het aanbod van NatriumChloride aan de Macula Densa en juxtaglomerulaire cellen af. Deze daling heeft twee belangrijke effecten: (1) een verlaging van de weerstand van de afferente arteriolen, welke de glomerulaire hydrostatische druk en GFR normaliseert, (2) een stijging van de Renine-afgifte door de juxtaglomerulaire cellen, welke een de afgifte van Angiotensine II stimuleren. De effecten van Angiotensine II zijn eerder beschreven.
Myogene mechanismen dragen bij aan de autoregulatie van nierdoorbloeding en GFR. Dit mechanisme betekent dat de bloedvaten van de nier in staat zijn te vernauwen, zodra de bloeddruk stijgt. Deze constrictie voorkomt een te grote rekking van de desbetreffende vaten. Door de stijging van de vasculaire weerstand wordt een te grote toename van de nierdoorbloeding en GFR voorkomen.
Andere factoren die de nierdoorbloeding en GFR beïnvloeden
• Een voeding met veel eiwitten veroorzaakt een stijging van de GFR en nierdoorbloeding door stimulatie van groei van de nieren en verlagen van de renale vasculaire weerstand. Eiwitten veroorzaken een hogere spiegel van aminozuren in het bloed, welke worden geresorbeerd in de proximale tubulus (samen met het transport van Natrium). Dit veroorzaakt een toegenomen reabsorptie van aminozuren en Natrium in de proximale tubulus. Dit veroorzaakt een verlaagd aanbod van NatriumChloride aan de Macula Densa, een daling van de afferente arteriole weerstand en een stijging van de GFR.
• Hyperglycemie, wat voorkomt bij Diabetes Mellitus, veroorzaakt een stijging van de nierdoorbloeding en GFR. Net als aminozuren maakt glucose ook gebruik van het co-transport van Natrium.
• Glucocorticoïden veroorzaken een stijging van de nierdoorbloeding en GFR door de vasculaire weerstand te verlagen.
• Koorts veroorzaakt een stijging van de nierdoorbloeding en GFR door de vasculaire weerstand te verlagen.
• Veroudering verlaagt de nierdoorbloeding en GFR door een afname van het aantal nefronen. Nierdoorbloeding en GFR dalen na het veertigste levensjaar elk decennium met 10 procent.
Bronnen:
JE. Hall, 2006, Pocket Companion to Textbook of Medical Physiology, Elsevier Inc
GA Thibodeau, Patton KT 2007, Anatomy & Physiology, Mosby/Elsevier
EN Marieb, Hoehn K 2007, Human Anatomy & Physiology, Pearson/Benjamin Cummings