Künstliche Organe - Niere

Anatomie und Physiologie der Niere

• Position und Form der Niere:     * Die Niere tritt als Paar auf.     * Lage: Zwischen dem 12. Brustwirbel (thoracic) und dem 3. Lendenwirbel (lumbar).     * Form: Bohnenförmig, wobei die konvexe Seite nach außen gerichtet ist.     * Farbe: In der Regel rot-braun.
• Größe und Gewicht:     * Maße: $4\,\text{cm}$ dick, $7\,\text{cm}$ breit und $11\,\text{cm}$ lang (Merkhilfe: 4711).     * Gewicht: $150\text{ bis } 180\,\text{Gramm}$.
• Nierenfunktionen:     * Filterung und Exkretion: Ausscheidung von wasserlöslichen Stoffwechselprodukten wie Harnstoff (Urea), Harnsäure (Uric acid), Kalium, Kreatinin sowie Medikamenten oder Giften.     * Regulation:         * Wasserhaushalt (beeinflusst Blutdruck und Volumen).         * Elektrolytgehalt (Osmolarität).         * Säure-Basen-Haushalt ($pH\text{-Wert}$).     * Hormonsekretion:         * Renin (Regulierung des Blutdrucks).         * EPO (Erythropoetin), Vitamin $D_3$, etc.     * Die Niere erhält ca. $20\,\%$ des Herzzeitvolumens (cardiac output).
• Nierenstruktur:     * Mark (Medulla): Besteht aus $10\text{ bis } 12$ Nierenpyramiden.     * Nierenlappen (Renal lobe): Besteht aus einer Pyramide mit dem dazugehörigen Rindenabschnitt (Cortex).     * Nephron: Die funktionelle Einheit innerhalb eines Lappens (insgesamt ca. $1,2\,\text{Mio.}$ pro Niere).     * Bestandteile eines Nephrons:         * Nierenkörperchen (Corpuscle): Bestehend aus der Bowman-Kapsel und dem Glomerulum.         * Tubulussystem (Tubulus): Beinhaltet den proximalen Tubulus, die Henle-Schleife (Loop of Henle) und den distalen Tubulus.
• Blutfluss und Filtration im Nephron:     * Blut tritt über die Arterie in das Körperchen ein, wird gefiltert und verlässt es über die Vene.     * Die Venen verlaufen in direkter Nähe zum Tubulussystem.     * Filtrationsraten:         * $1500\,l/day$ Blut werden durch den Filter im Glomerulum gepresst.         * Filterporen-Größe: $50\text{ bis } 100\,nm$.         * Glomeruläre Filtrationsrate (GFR): ca. $180\,l/day$.         * Das Filtrat wird als Primärharn bezeichnet ($180\,l/day$).         * Durch Rückresorption verbleiben letztlich ca. $1,5\,l/day$ tatsächlicher Urin zur Ausscheidung.
• Mechanismen der Rückresorption:     1. Aktives (Druck-) Pressen des Blutes vom Glomerulus in die Bowman-Kapsel: Primärharn enthält Wasser und gelöste Stoffe des Plasmas (Glukose, Harnstoff, Salze), jedoch keine Proteine.     2. Aktiver (energieverbrauchender) Transport von Glukose und Natrium zurück ins Gewebe und Blut (Kapillaren): Aufbau eines Konzentrationsgradienten.     3. Passiver (Osmose) Rückfluss von $80\,\%$ des Wassers aus dem Primärharn aus dem absteigenden (wasserdurchlässigen) Tubulus.     4. Aktiver Transport von Salzen und Nährstoffen im (wasserundurchlässigen) distalen Tubulus: Weiterer Aufbau des Konzentrationsgradienten.     5. Passiver Ausfluss von Wasser im Sammelrohr (Collecting pipe) und weitere Rückresorption von Salzen: Finale Wasser- und Elektrolytregulation.

Nierenparameter und Regulation

• Wasser- und Elektrolytregulation:     * Wassermenge bleibt extrem konstant ($\pm 0,22\,\%$ des Körpergewichts).     * Natriumspiegel extrem konstant.     * Hauptakteure: RAAS (Renin-Angiotensin-Aldosteron-System) und ADH (Antidiuretisches Hormon).
• Säure-Basen-Haushalt:     * Normaler $pH\text{-Wert}$: $7,4 \pm 0,04$.     * Die Niere reguliert durch die Rückresorption von Bikarbonat ($HCO_3^-$).
• Renin-Angiotensin-Aldosteron-System (RAAS):     * Juxtaglomerulärer Apparat: Zellen messen den Blutdruck in der Arteriole (Barorezeptoren) und die $Na^+\text{-Konzentration}$ im Urin (Maculla densa). Ein Abfall führt zur Freisetzung von Renin.     * Kaskade:         1. Renin wandelt Angiotensinogen in Angiotensin I um.         2. ACE (Angiotensin-Converting-Enzyme) wandelt Angiotensin I in Angiotensin II um.         3. Angiotensin II bewirkt Vasokonstriktion und die Freisetzung von Aldosteron.         4. Aldosteron erhöht die Wasser- und $Na^+\text{-Rückresorption}$ im distalen Tubulus.
• Antidiuretisches Hormon (ADH):     * Wird vom Hypothalamus bei steigender Plasmaosmolarität oder sinkendem Blutdruck ausgeschüttet.     * Wirkung: Macht das Sammelrohr (Urine-collecting duct), welches normalerweise wasserundurchlässig ist, durchlässig für Wasser, um die Rückresorption zu erhöhen.
• Regulation des Säure-Basen-Gleichgewichts:     * Lunge: Exkretion von $CO_2$ (gebildet aus Kohlensäure/Bicarbonat).     * Niere: Exkretion von $H^+\text{-Protonen}$ und Rückresorption von Bicarbonat ($HCO_3^-$).     * Bei Azidose: Zellen im proximalen Tubulus scheiden $H^+$ im Austausch gegen $Na^+$ aus.     * Bei Alkalose: Die Rückresorption wird verringert, mehr Bicarbonat wird ausgeschieden.
• Wichtige Nierenparameter:     * Renal Blood Flow (RBF): ca. $1000\,ml/min$.     * Renal Plasma Flow (RPF): ca. $550\,ml/min$.     * Glomeruläre Filtrationsrate (GFR):         * Männer: $95\text{ bis } 145\,ml/min$.         * Frauen: $75\text{ bis } 125\,ml/min$.     * Siebungskoeffizient (S): Verhältnis der Konzentration im Filtrat zur Konzentration im Plasma.         * $S = \frac{c_{filtrate}}{c_0}$         * $S = 0$: Keine Filtration; $S = 1$: Freie Filtration.         * Substanzen > $10000\,Da$ werden zunehmend zurückgehalten. Beispiele: Harnstoff ($S=1,0$), Albumin ($S=0,001$).     * Fractional Excretion (FE): Prozentsatz des Stoffmengenstroms im Endurin im Vergleich zum Primärharn.         * $FE = \frac{\dot{n}<em>{final\,urine}}{\dot{n}</em>{primary\,urine}}$         * $FE = 0$: Vollständige Rückresorption; $FE = 1$: Keine Resorption; $FE = 5$: Vollständige Sekretion.     * Clearance (C): Theoretisches Plasmavolumen, das pro Zeit vollständig gereinigt wird.         * $C = \frac{c_{urine}}{c_{plasma}} \times Q_{urine}$         * $C = FE \times GFR$.
• Klinische Beispiele:     * Natrium (Na+): Typische $FE_{Na} = 1\,\%$. Ein Indikator für akutes Nierenversagen.     * Kreatinin (Cr): Stoffwechselprodukt aus Muskelaktivität. Es findet fast keine Resorption oder Sekretion statt ($FE_{Cr} \approx 100\,\%$). Daher wird die Kreatinin-Clearance zur Schätzung der GFR genutzt.

Pathophysiologie und Diagnostik

• Nierenversagen (Kidney failure):     * Akutes Versagen: Plötzlich, meist reversibel.         * Prä-renal: Mangelnde Durchblutung (Thrombus, Schock, Herzinsuffizenz).         * Intra-renal: Direkte Schädigung (Tubulusnekrose, Toxine).         * Post-renal: Abflussbehinderung (Nierensteine).     * Chronisches Versagen: Langsam fortschreitend, irreversibel.         * Ursachen: Diabetes, Hypertonie, Glomerulonephritis, polyzystische Nierenerkrankung.
• Diagnostische Optionen:     * Labor: Kreatininspiegel (Anstieg erst bei $50\,\%$ Nierenschädigung), Kreatinin-Clearance für GFR, Harnstoff (Anstieg bei $75\,\%$ Schädigung), Elektrolyte.     * Bildgebung: Ultraschall, CT-Scan, MRI-Scan.     * Biopsie: Nachweis von Glomerulonephritis.     * Szintigraphie: Funktionsbildgebung von Gewebe, Schätzung von RBF und GFR.
• Therapieoptionen:     * Akut: Behandlung der Ursache, temporäre Dialyse.     * Chronisch: Keine Heilung möglich; Transplantation oder dauerhafte Dialyse (Hämodialyse oder Peritonealdialyse).

Design der künstlichen Niere und Dialysetechniken

• Grundprinzipien der Dialyse:     * Adsorption: Bindung von Stoffen an Oberflächen.     * Filtration: Konvektiver Transport durch Druckgradienten.     * Diffusion: Teilchenbewegung durch Brownsche Molekularbewegung (hauptsächlich genutzt).     * Osmose: Transport durch Konzentrationsdifferenzen an semi-permeablen Membranen.
• Historische Meilensteine:     * 1913: Dr. Abel (Baltimore) – "Vividiffusion" mit Kollodium-Membran.     * 1924: Dr. Haas (Gießen) – Erste Patientenbehandlung, Entdeckung der Ultrafiltration.     * 1945: Dr. Kolff (Niederlande) – Erstes Überleben eines Patienten (Trommelniere).     * 1950: Dr. Möller (Deutschland) – Reduktion der Behandlungszeit von $13$ auf $8$ Stunden.     * 1956: Travenol (Baxter) – Kommerzielle Standardisierung.     * 1966: Dr. Stewart – Entwicklung des ersten Hohlfaserdialysators.
• Moderne Dialysetechniken:     * Hämoperfusion: Adsorption an Aktivkohle bei spezifischen Vergiftungen ($300\,ml/min$ Blutfluss).     * Hämofiltration (HF): Rein konvektiver Transport. Der Flüssigkeitsverlust wird durch Substitutionslösung ausgeglichen. Fluss ca. $300\,ml/min$, Filtrationsrate ca. $25\,ml/kg\,h$.     * Hämodialyse (HD): Rein diffusiver Transport. Ultrafiltration nur zum Flüssigkeitsentzug (Ödeme). Blutfluss $200\text{ bis } 300\,ml/min$, Dialysatfluss $400\text{ bis } 600\,ml/min$.     * Hämodiafiltration (HDF): Kombination aus HD und HF (diffusiv und konvektiv). Höhere Clearance für mittelgroße Moleküle. Nachteil: Stress für Erythrozyten durch Transmembrandruck (TMP).
• Dialyse in Zahlen (Deutschland):     * ca. $80.000$ Patienten.     * $3$ Behandlungen pro Woche für je $4\text{ bis } 5$ Stunden.     * $100\text{ bis } 150\,Liter$ Dialysat pro Behandlung.     * Kosten: ca. $40.000\,\text{€}$ pro Patient und Jahr; Gesamtkosten Deutschland ca. $3\,\text{Mrd. €}$.
• Peritonealdialyse (PD):     * Das Bauchfell (Peritoneum, $1\text{ bis } 2\,m^2$) dient als Membran.     * Dialysat wird in das Abdomen infundiert ($2\text{ bis } 3\,Liter$).     * Wasserentzug via Osmose (Glukose im Dialysat).     * Vorteile: Kreislaufschonend, Unabhängigkeit vom Zentrum, geeignet für Berufstätige.     * Nachteile: Proteinverlust, Risiko für Bauchfellentzündung (Peritonitis).

Design und Komponenten des Dialysators

• Designanforderungen:     * Selektivität (durchlässig für Salze/Harnstoff, undurchlässig für Proteine).     * Hohe Membranfläche (bis zu $2\,m^2$).     * Geringes Füllvolumen (Priming volume: $100\text{ bis } 130\,ml$).     * Hämokompatibilität (Vermeidung von Scherkräften und Stagnationszonen).
• Bauweise:     * Hohlfaserstruktur: Ein Bündel von bis zu $10.000$ Fasern.     * Blut fließt durch die Fasern, Dialysat umströmt diese.     * Faserdurchmesser: ca. $300\,\mu m$; Wanddicke: $5\text{ bis } 40\,\mu m$.     * Früher Zellulose, heute synthetische Materialien wie Polysulfon oder Polyethersulfon.
• Flussprinzip:     * Gegenstromprinzip (Countercurrent flow): Dialysat und Blut fließen in entgegengesetzte Richtungen.     * Vorteil: Ein nahezu konstanter Konzentrationsgradient über die gesamte Länge sorgt für ca. $10\,\%$ höhere Clearance als im Gleichstrom.
• Membrankategorien:     * Low-Flux vs. High-Flux: High-Flux-Membranen sind durchlässiger für mittelgroße Moleküle.     * Molecular Weight Cut-off (MWCO): Molekulargewicht, bei dem der Siebungskoeffizient $S = 0,1$ ($10\,\%$ Durchlass) beträgt.
• Herstellung:     * Faserbündel ins Gehäuse bringen, Enden versiegeln.     * Potting: Einspritzen von Polyurethan unter Zentrifugalkraft zur Abdichtung.     * Schneiden der Endkappen und Endmontage.
• Dialysatzusammensetzung:     * Enthält Natrium, Kalium, Kalzium, Magnesium, Chlorid.     * Pufferung meist über Bicarbonat (früher Acetat).     * Glukosegehalt oft bei $1000\,mg/dm^3$.

Kanülierung und Pumpen

• Gefäßzugang:     * Anforderung: Blutfluss > $200\,ml/min$ für regelmäßigen Zugang.     * Arteriovenöser Shunt (Fistel): Chirurgische Verbindung von Arterie und Vene. Die Vene expandiert und "arterialisiert" sich über Monate.     * Synthetische Grafts: Wenn native Gefäße nicht geeignet sind, wird ein künstliches Gefäß (z. B. aus PTFE) eingesetzt.
• Kanülen:     * Spezielle Schliffe zur Schmerzreduzierung.     * "Back-eye": Zusätzliche Öffnung auf der Rückseite, um ein Ansaugen an die Gefäßwand zu verhindern.     * Druckverlust nach Hagen-Poiseuille:         * $\Delta p = \frac{\dot{V} \times \eta \times l}{\pi \times r^4}$
• Punktionstechniken:     * Arealpunktion: Nicht empfohlen (Aneurysmarisiko).     * Strickleiter (Rope ladder): Über die Länge der Fistel verteilt.     * Knopfloch (Buttonhole): Immer exakt dieselbe Stelle; Bildung eines Narbenkanals nach ca. $10$ Punktionen.
• Komplikationen: Thromben, Blutungen, Infektionen, Hämatome, venöse Aneurysmen.
• Pumpentypen in der Dialyse:     * Rollenpumpen (Roller pumps): Volumenfördernd, Drehzahl bestimmt Fluss. Einsatz für Blut, Dialysat, Substitat.     * Rotationspumpen: Druckgetrieben, oft zur Entgasung genutzt.     * Spritzenpumpen (Syringe pumps): Zur präzisen Dosierung von Heparin (Antikoagulation).
• Ein-Nadel-Dialyse (Single Needle):     * Nur eine Kanüle erforderlich (schonender).     * Zyklisches Verfahren (Batch-wise); Effektivität jedoch nur ca. halb so hoch wie bei Doppel-Nadel-Verfahren.
• Zentralvenöser Zugang:     * Shaldon-Katheter: Zwei-Lumen-Katheter für akute oder chronische Dialyse bei Intensivpatienten.