Reabsorption

Röhrenförmige Wasserrückresorption und der Mechanismus der Urinkonzentration

Die röhrenförmige Wasserrückresorption bei Vögeln kann von weniger als 70 % bis zu mehr als 99 % des gefilterten Volumens reichen. Infolgedessen kann die Endkonzentration des Vogelurins von verdünnt (ca. 40 mmol/kg) bis hyperosmotisch (das 2-3fache der Plasmaosmolalität) variieren.

Beide Mikropunkturstudien an oberflächlichen (RT) proximalen Tubuli (Laverty und Dantzler, 1982) und Studien an isolierten, perfundierten proximalen Tubuli aus tieferen (Übergangs-) Nephronen (Brokl et al, 1994) deuten darauf hin, dass der proximale Tubulus von Vögeln, wie bei Säugetieren, etwa 70 % des filtrierten Wasservolumens absorbiert. Die Rückresorption hängt von der aktiven Natriumrückresorption ab, aber nicht von der Anwesenheit oder Rückresorption von Bikarbonat (Brokl et al., 1994).

Die Regulierung der Wasserrückresorption findet jedoch nicht im proximalen Tubulus statt, sondern in distaleren Nephronsegmenten. Wie bereits erwähnt, sind Vögel, wie auch Säugetiere, in der Lage, einen Urin zu produzieren, der konzentrierter ist als das Blutplasma. Man nimmt an, dass der grundlegende Mechanismus, der diese Fähigkeit steuert, bei Vögeln und Säugetieren derselbe ist, nämlich ein Gegenstrom-Multiplikatorsystem, das einen Osmolaritätsgradienten im Nierenmark erzeugt.

Frühere Studien des Nierenmarks von Vögeln zeigten eine Reihe von grundlegenden Merkmalen, die mit einem Gegenstrom-Multiplikatormechanismus der Urinkonzentration verbunden sind. Die MT-Nephrone besitzen Henle-Schleifen, die sich parallel zu den Sammelkanälen in das Nierenmark erstrecken. Die 22Na-Autoradiographie deutete auf eine aktive Na+ -Rückresorption innerhalb des Markkegels hin (Emery et al., 1972), und dies war konsistent mit einem osmotischen Gradienten, der hauptsächlich aus NaCl entlang der Länge des Marks bestand (Skadhauge und Schmidt-Nielsen, 1967b; Emery et al., 1972). Damit jedoch die absteigenden und aufsteigenden Henle-Glieder der Vögel als Gegenstromvervielfältiger mit einem einzigen Effekt fungieren können (d.h. Gegenstromvervielfältiger, deren Energiequelle ein einziger aktiver Transportprozess ist, wie für die Säugetierniere vorgeschlagen (siehe z.B. Jamison und Kriz, 1982)), müssen sie drei Eigenschaften besitzen: (1) die Fähigkeit, Energie zu erzeugen, die ausreicht, um einen transversalen Unterschied im osmotischen Druck zu entwickeln, (2) Unterschiede in den Permeabilitäten und (3) einen Gegenstromfluss. Die letzte dieser Anforderungen wird aufgrund der Anatomie vermutet. Daher haben sich neuere Studien auf die Bewertung der Transport- und Permeabilitätseigenschaften des Nephrons konzentriert.

i. Descending Thin Limb (DTL) Der Übergang von der Pars recta (gerades absteigendes Glied des proximalen Tubulus) zum DTL erfolgt mit einem abrupten Übergang in der Zellmorphologie nahe der Basis des Markkegels (Braun und Reimer, 1988). Die physiologischen Eigenschaften der DTL von Vögeln wurden nur für das obere Segment einer einzigen Art (Coturnix coturnix; Nishimura et al., 1989) untersucht. Coturnix DTL-Segmente erzeugen kein elektrisches Potential, sowohl wenn sie in isosmotischen Medien gebadet werden, als auch wenn sie einem transepithelialen Ionengradienten ausgesetzt werden; diese Ergebnisse sind auf das Fehlen eines elektrogenen Ionentransports zurückzuführen, kombiniert mit hohen, aber nahezu gleichen Permeabilitäten für Na+ und Cl- (Nishimura et al., 1989). Im Gegensatz zu den hohen Ionenpermeabilitäten hat Coturnix DTL eine geringe Permeabilität für Wasser (Nishimura et al., 1989).

ii. Thick Ascending Limb (TAL) Die aviäre Henle-Schleife macht den Übergang von DTL zu TAL immer vor der Haarnadelkurve (Abbildungen 1 und 7). In der Zellmorphologie ähnelt die aviäre TAL anderen Wirbeltier-Dilutionssegmenten (Nishimura, 1993; Braun und Reimer, 1988). Zu den funktionellen Eigenschaften dieses Segments gehören eine lumenpositive Spannung, die Na+ und Cl- benötigt und durch die Schleifendiuretika Bumetanid und Furosemid gehemmt wird, die Fähigkeit, NaCl gegen transepitheliale elektrochemische Gradienten zu transportieren, sowie eine niedrige Permeabilität für Wasser und Nettowassertransport (Miwa und Nishimura, 1986; Nishimura et al., 1986). Die Ionenrückresorption durch das TAL ist empfindlich gegenüber der Zufuhr von gelösten Stoffen (erhöht entweder durch erhöhten Fluss oder Konzentration; Osono und Nishimura, 1994), wird aber nicht durch AVT (Miwa und Nishimura, 1986), Forskolin oder Isoproterenol beeinflusst (Osono und Nishimura, 1994). Die Kombination aus aktiver Salzrückresorption und geringer Wasserpermeabilität impliziert, dass der Urin verdünnt wird, während er das TAL passiert.

Abbildung 7. Ein vorgeschlagenes Modell für den Mechanismus der Urinkonzentration bei Vögeln. Die mit dicken Linien dargestellten Tubulussegmente haben eine niedrige Permeabilität für Wasser. Mögliche Orte der Regulation sind die AVT-induzierte Reduktion der gefilterten Ladung (dargestellt), die Flusssensitivität des dicken aufsteigenden Gliedes und cAMP-vermittelte Veränderungen der Wasserpermeabilität des Sammelkanals. Rechts ist der hypothetische Kaskadeneffekt des Konzentrationsmechanismus dargestellt, der sich aus dem Vorhandensein von Henle-Schleifen unterschiedlicher Länge ergibt.

(Aus H. Nishimura (1993) New Insights in Vertebrate Kidney Function, S. 189-208, © Cambridge University Press 1993. Abgedruckt mit der Genehmigung der Cambridge University Press.)

iii. Sammelkanal Der aviäre Sammelkanal erhält verdünnten Urin sowohl aus dem TAL- als auch aus den RT-Nephronen, so dass die endgültige Konzentration des Urins (Extraktion von Wasser in das hyperosmotische Interstitium) voraussetzt, dass dieser Nephronabschnitt wasserdurchlässig ist oder werden kann. Eine Vielzahl von Ganztierversuchen deutet darauf hin, dass, wie bei Säugetieren, eine erhöhte Permeabilität des distalen Nephrons für Wasser durch AVT induziert werden kann. Zum Beispiel erhöhte die Infusion von AVT in das renale Portalsystem die Osmolarität des Urins (obwohl der Portalfluss keine medullären Nephronelemente perfundiert haben sollte und die Osmolarität des Urins nie über das Plasmaniveau anstieg; Skadhauge 1964). Darüber hinaus kann die Infusion von AVT in den systemischen Kreislauf, zumindest bei niedrigen Dosen, die Osmolarität des Urins erhöhen und den Urinfluss mit geringer oder keiner Änderung der GFR reduzieren (Ames et al., 1971; Stallone und Braun, 1985; Abbildung 6).

Trotz dieser Befunde konnte bei der direkten Beurteilung der Wirkung von AVT auf isolierte, perfundierte aviäre Sammelkanäle kein signifikanter Effekt des Hormons festgestellt werden (Nishimura, 1993). Der Coturnix-Wachtel-Sammelkanal hatte auch in Abwesenheit von AVT eine moderate Basis-Permeabilität für Wasser. Obwohl Forskolin (10-4 M), das die Produktion von zyklischem AMP aktiviert, eine erhebliche Erhöhung dieser Permeabilität induzierte, tat dies AVT nur geringfügig.

iv. Urinkonzentrationsmechanismus Nishimura (Nishimura, 1993; Osono und Nishimura, 1994) hat ein Modell des Urinkonzentrationsmechanismus bei Vögeln vorgeschlagen, das die oben beschriebenen Beweise einbezieht (Abbildung 7). Der einzige Effekt, der die Urinkonzentration antreibt, ist die aktive Ionenrückresorption durch die TAL. Diese reabsorbierten Ionen gelangen durch passive Diffusion ohne begleitenden Wasserfluss in die DTL. Die niedrige Wasserdurchlässigkeit der DTL hält den Volumenstrom durch die Schleife aufrecht, was die Ionenrückresorption durch die strömungsempfindliche TAL begünstigen sollte. Das Ergebnis ist, dass der Urin beim Abstieg durch die DTL konzentriert und beim Aufstieg durch die TAL verdünnt wird. Gleichzeitig sammelt das Interstitium, das die Schleife umgibt, Ionen an und wird konzentriert. Die Empfindlichkeit der TAL gegenüber der Abgabe von gelösten Stoffen bedeutet, dass die Spitze der Schleife (am Anfang des TAL-Epithels) der Ort der größten Ionenrückresorption sein sollte, und dies sollte zur Erzeugung eines Konzentrationsgradienten in der Medulla beitragen. Diese Effekte werden durch den Gegenstrom verstärkt und können durch die Interaktion zwischen den Henle-Schleifen, die sich in unterschiedlichen Tiefen des Markkegels drehen, noch verstärkt werden (Layton, 1986). Wenn der Urin anschließend durch den Sammelkanal absteigt, kann er sich über die Basis-Wasserdurchlässigkeit dieses Nephronabschnitts osmotisch mit dem Interstitium ausbalancieren. Die genaue Rolle der AVT in diesem Mechanismus muss noch geklärt werden. Aber selbst wenn die AVT in erster Linie durch eine Verringerung der Fitrationsrate der RT-Nephrone wirkt und nicht durch einen tubulären Effekt, dann würde der verringerte Fluss durch die Sammelkanäle einen größeren Wasserausgleich zwischen Tubulus und Interstitium ermöglichen. Außerdem muss das Modell noch mit neuen Details der Nierenanatomie von Vögeln in Einklang gebracht werden. Zum Beispiel sind zumindest bei einigen Vogelgruppen die absteigenden und aufsteigenden Henle-Schenkel durch einen Ring von Sammelkanälen in der Tiefe des Markkegels voneinander getrennt (Cassoti und Richardson, 1993). Schließlich ist es bemerkenswert, dass NaCl nur einen kleinen Teil der Gesamtosmolalität des Urins ausmacht (Skadhauge, 1977; Hughes et al., 1992; Goldstein 1993b); die Rolle anderer Ionen als NaCl in der Urinkonzentration verdient eine Untersuchung.

v. Nettoeffekt: Die Urinkonzentrationsfähigkeit von Vögeln Der Nettoeffekt des medullären Konzentrationsmechanismus ist, dass Vögel typischerweise in der Lage sind, den Urin auf eine Osmolarität zu konzentrieren, die 2-3 mal so hoch ist wie die des Plasmas. (Eine Ausnahme bildet ein Bericht, wonach Salzsavannen-Sperlinge, Passerculus sandwichensis beldingi, beim Trinken von Meerwasser Kloakenflüssigkeit mit einer Osmolarität ausscheiden, die 4,5 mal so hoch ist wie die des Plasmas (Poulson und Bartholomew, 1962)). Die Urinkonzentrationsfähigkeit variiert im Allgemeinen invers mit der Körpermasse, so dass kleine Vögel (10-25 g) typischerweise auf etwa 1000 mmol/kg, größere Vögel (>500-1000 g) meist auf etwa 600-700 mmol/kg konzentrieren (Goldstein und Braun, 1989). Dieses Muster könnte aus der Abhängigkeit der Urinkonzentration von stoffwechselaktiven Prozessen (aktive Ionenrückresorption) resultieren, zusammen mit der abnehmenden Rate des Zellstoffwechsels, die mit zunehmender Körpermasse einhergeht (Greenwald, 1989). Es bleibt unklar, inwieweit andere Merkmale der Nierenanatomie, wie z. B. die Proportionen von RT- und MT-Nephronen, die Länge der Markkegel oder der Anteil der Nierenmasse, der aus Markgewebe besteht, unabhängig vom Effekt der Körpermasse mit der Urinkonzentrationsfähigkeit zusammenhängen (Johnson, 1974; Goldstein und Braun, 1989; Warui, 1989). Zumindest innerhalb eng verwandter Arten scheint die Urinkonzentration mit dem Anteil des Markgewebes in den Nieren zusammenzuhängen (Skadhauge, 1981).

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