Mineralstoffwechsel und Volumenregulation

Das Gesamtkörperwasser ist abhängig von Alter und Körperkonfiguration. Im Verhältnis zum Körpergewicht beträgt es etwa 70–75 % beim Säugling, 65–70 % beim Jugendlichen und 50–60 % beim Erwachsenen. Es verteilt sich im intrazellulären (etwa 60 %) und extrazellulären Raum. Letzterer wiederum besteht aus dem intravasalen (etwa 10 %) und dem interstitiellen Raum. Die vorherrschenden Elektrolyte im intrazellulären Raum sind Kalium und Phosphat. Die vorherrschenden extrazellulären Elektrolyte sind Natrium, Chlorid und Bikarbonat.

Die Mindestausscheidung von Wasser beträgt pro Tag etwa 1600 ml. Die Evaporation, die Verdunstung über Haut und Respirationstrakt, beträgt etwa 800–1000 ml und Wasserverluste über den Schweiß etwa 100 ml/Tag. Die minimale Urinmenge beträgt etwa 670 ml/Tag, was bei maximal möglicher Urinosmolalität von 1200 mosmol/kg einer Ausscheidung von 800 mosmol/Tag an osmotisch wirksamen Teilchen entspricht. Wasserverluste über den Stuhl betragen etwa 100–200 ml/Tag. Die Wasserzufuhr beträgt entsprechend der Ausscheidung mindestens etwa 1600 ml/Tag. Wir nehmen 200 ml/Tag mit der Nahrung und mindestens 400 ml über Flüssigkeitszufuhr auf, im Stoffwechsel wird 1000 ml Oxidationswasser gebildet. Durstgefühl wird initial über oropharyngeale Rezeptoren (trockener Mund) ausgelöst und die Aufnahme von Flüssigkeit über zentrale (kortikale) Mechanismen gesteuert.

Die Osmolalität beschreibt die Konzentration osmotisch wirksamer Teilchen in 1 kg Lösungsmittel. Die Osmolalitäten von extrazellulärem und intrazellulärem Raum sind gleich. Veränderungen der Osmolalität führen zu Elektrolyt- und Volumenverschiebungen. Natrium oder Kalium sind effektiv wirksame Osmolyte, da sie die Zellmembran nicht frei passieren können. Harnstoff hingegen kann die Zellmembran frei passieren und hat keinen Anteil an der intra- und extrazellulären Flüssigkeitsverteilung. Im Kapillargebiet sind Natrium, Kalium und Glukose frei permeabel und haben auch keinen Einfluss auf die Verteilung von Flüssigkeit zwischen intravaskulärem und interstitiellem Raum. Hingegen sind Proteine nicht frei permeabel und halten die Flüssigkeit intravasal.

Osmolyte können zwischen den einzelnen Kompartimenten ausgetauscht werden. Folgende Systeme spielen dabei eine Rolle: 1. Diffusion, 2. passiver, ungeregelter Austausch via Poren (Beispiele: Perforin, Komplement-C5b-9-Komplex), 3. Kanäle (Beispiele: Kalziumkanäle, Transient-receptor-potential-Kanäle), 4. Transportsysteme (Beispiele: Solute Carrier System SLC5 = SGLT = Natrium-Glukose-Kotransporter, Solute Carrier System SLC9 = NHE1–9 = Natrium/Proton-Exchanger), 5. aktiver Transport (Beispiel: die ATP-abhängige, elektrogene Natrium-Kalium-Pumpe mit Auswärtstransport von 3 Na⁺ und Einwärtstransport von 2 K⁺ zur Aufrechterhaltung des Zellvolumens trotz intrazellulärer Protein- und Phosphatanhäufung).

Osmorezeptoren im Hypothalamus bewirken ab einer Plasmaosmolalität von 280 mmol/kg eine gesteigerte ADH-Sekretion. Hypernatriämie und Hyperglykämie bei Insulinmangel können so einen Anstieg von antidiuretischem Hormon verursachen.

Antidiuretisches Hormon wird im Hypophysenhinterlappen gespeichert und später in das Blut abgegeben. Es wird 60–120 Minuten nach Anstieg der Plasmaosmolalität ausgeschüttet, in Leber und Niere abgebaut und hat eine Halbwertszeit von 15–20 Minuten.

Antidiuretisches Hormon, dessen humane Form das Arginin-Vasopressin ist, wirkt über Vasopressinrezeptoren. Der Vasopressinrezeptor V1 in den glatten Gefäßmuskelzellen bewirkt eine Vasokonstriktion. Der V2-Rezeptor ist vornehmlich in der Niere lokalisiert. ADH bindet an den V2-Rezeptor der „principial cells“ in den Bereichen dicker aufsteigender Schenkel der Henle-Schleife, distales Tubuluskonvolut und Sammelröhren. Dies steigert die Aktivität der Adenylatzyklase, was wiederum zur Aktivierung der Proteinkinase A und von Transkriptionsfaktoren im Zellkern führt. Es folgen eine gesteigerte Transkription von Aquaporin-2 und der Einbau von Aquaporin-2 in die apikale Zellmembran. Die (normalerweise) wasserundurchlässige apikale Zellmembran wird dadurch wasserpermeabel, und das Wasser wird in die systemische Zirkulation weitergeleitet. Es ist wichtig zu erwähnen, dass die Wasserpermeabilität der basalen Zellmembran via Auqaporin-3 und Aquaporin-4 nicht direkt durch ADH gesteuert wird (Knepper 2015). Es gibt aber Hinweise in der Literatur, dass der Effekt von ADH auf den Einbau von Aquaporin-2 in die apikale Zellmembran auch über andere lokale Mediatoren, unabhängig von der Adenylatzyklase, erfolgen kann (Olesen und Fenton 2017).

Antidiuretisches Hormon führt auch zu einer Reabsorption von Natrium und der Sekretion von Kalium in der Niere. Es stimuliert Prostaglandin E2 und die Prostazyklinbildung in der Niere sowie die Freisetzung von Faktor VIII und von-Willebrand-Faktor aus dem Gefäßendothel. Verminderte ADH-Freisetzung führt zur Durchschlafstörung infolge Pollakisurie. 1999 konnte nachgewiesen werden, dass nasal appliziertes Vasopressin Tiefschlaf induziert (Perras et al. 1999).

Eine gesteigerte Kochsalzaufnahme führt zu einer Zunahme der Natrium-Plasmakonzentration und Plasmaosmolalität. Dies führt zur Steigerung von ADH und damit Verminderung der Wasserausscheidung und zu Durstgefühl und Steigerung der Wasserzufuhr. Die erhöhte Plasmaosmolalität führt auch zu einer Volumenverschiebung aus dem intrazellulären in den extrazellulären Raum. Dies regt die Sekretion von natriuretischen Peptiden an, zum Beispiel ANP, und führt zu einer verminderten Sekretion von Renin mit vermehrter Natriumausscheidung. Der Nettoeffekt einer hohen Kochsalzzufuhr ist somit ein gesteigertes effektives zirkulierendes Volumen mit etwa normaler Natrium-Plasmakonzentration und eine verminderte Wasserausscheidung bei hoher Natrium-Urinkonzentration. Schließlich resultieren bei erhöhter Kochsalzzufuhr erhöhte Konzentrationen von ADH und natriuretischen Peptiden. Weitere Mechanismen, wie eine erhöhte Kochsalzzufuhr zur Wasserretention beiträgt, wurden kürzlich gezeigt: So führt eine Steigerung der Salzaufnahme um 6 g/Tag zu einer Verminderung der rhythmischen Freisetzung von Mineralokortikoiden und zu einer Steigerung der rhythmischen Glukokortikoidfreisetzung (Rakova et al. 2017).

Das Urinvolumen und die Elektrolytausscheidung sind zirkadian geprägte Parameter und am Tage höher als während des Schlafs. Zusätzlich zeigen das Urinvolumen und die Osmolarität eine Schlafstadienabhängigkeit in Gestalt einer REM-NREM-Oszillation. Der „REM-Schlaf“ ist mit einer Verringerung des Urinvolumens und der Osmolarität assoziiert.

Eine ausgeprägte Korrelation mit dem Schlaf und der REM-NREM-Zyklik ist auch für Renin bekannt. Im „NREM-Schlaf“ sinkt der Sympathikotonus und damit auch der mittlere arterielle Blutdruck, was eine gesteigerte Reninfreisetzung zur Folge hat. Erhöhte Plasmaspiegel von Renin gehen auch mit erhöhter Slow-Wave-Aktivität des Tiefschlafs einher. Während der REM-Phasen, in denen der Sympathikotonus eher erhöht ist, wird die Reninfreisetzung dagegen blockiert (Charloux et al. 2002). Dieser Zusammenhang ist auch in REM-Schlaf-Entzugsexperimenten bei Probanden nachgewiesen worden. Ist die REM-NREM-Zyklik gestört, wie zum Beispiel bei einer „Narkolepsie“, dann sind auch die schlaftypischen Reninoszillationen verändert. Die erhöhten Reninwerte im Schlaf gehen dabei mit einer erhöhten Konzentration von Aldosteron im Plasma einher.

Keine Abhängigkeit von Schlafen und Wachen ist für antidiuretisches Hormon bekannt (Brandenberger et al. 1998). Aber Erkrankungen, die mit ADH-Mangel einhergehen, wie beispielsweise Diabetes insipidus, führen zu schlafstörender Pollakisurie. Für ANP liegen zum Teil widersprüchliche Ergebnisse vor. Bei Obstruktiver Schlafapnoe kommt es bei einem Kollaps des Weichteilgewebes des oberen Atemtrakts und gleichzeitig anhaltenden Atemexkursionen des Thorax und des Zwerchfells zu einer erheblichen Verminderung des intrathorakalen Drucks. Dabei kann er von normalerweise 1–2 cmH₂O auf Minimalwerte von minus 80–90 cmH₂O abfallen. Dies führt zu einem gesteigerten venösen Rückstrom zum rechten Herzen mit Steigerung der pulsatilen Sekretion von ANP. Eine Erhöhung der nächtlichen ANP- als auch BNP-Spiegel konnte bei Patienten mit Obstruktiver Schlafapnoe (OSA; siehe „Obstruktive Schlafapnoe“) nachgewiesen werden. ANP blockiert wiederum die Sekretion von ADH. Patienten mit Obstruktiver Schlafapnoe haben daher eine gesteigerte nächtliche Diurese und nächtliche Natriurese (Ehlenz 1995) als ein früh im Krankheitsverlauf und unabhängig von dem Vorliegen einer Herzinsuffizienz auftretendes Symptom. Lange ist auch bekannt, dass die Redistribution von Flüssigkeit aus abhängigen Körperpartien während der Nachtruhe ein wesentliches Merkmal in der Pathophysiologie der Hypertonieentwicklung bei Obstruktiver Schlafapnoe darstellt (White et al. 2015). Zudem ist eine Verringerung der nächtlichen Reninspiegel bei Patienten mit Schlafapnoe bekannt. Eine Behandlung mit Continuous Positive Airway Pressure („CPAP“) normalisiert sowohl die erhöhten ANP- als auch BNP-Spiegel, die nächtliche Reninkonzentration und die Natriurese (Kita et al. 1998).

Bei Flüssigkeitsretention mit Vermehrung des extrazellulären Volumens sind Belastungsdyspnoe, Tachypnoe, Orthopnoe, periphere Ödeme und Nykturie typische Symptome. Während Patienten mit kompensiertem „Schnarchen“ nur in 49 % über eine Nykturie berichten, haben 67 % der Patienten mit milder Schlafapnoe und 77 % der Patienten mit ausgeprägter Obstruktiver Schlafapnoe eine Nykturie („Enuresis und Harninkontinenz“). Die Flüssigkeitsverteilung von der Peripherie nach kranial beim Wechsel vom Stehen hin zum Liegen („fluid shift“) kann nächtliche Atmungsstörungen provozieren beziehungsweise verstärken und zwar durch eine Zunahme der pharyngealen Kollapsibilität (Kasai et al. 2014). Anamnese, klinische Untersuchung (einschließlich Körpergewicht, Puls, Blutdruck und Atemfrequenz) sowie Laboruntersuchungen führen zur Diagnose. Bei den Laborwerten sollten Hämatokrit, Serumwerte für Natrium, Kalium, Kalzium, Kreatinin, Harnstoff und Eiweiß, Blutgasanalyse, Plasmaosmolalität, Urinvolumen, Urinosmolalität und Natriummenge im Urin bestimmt werden („Laborparameter“).

Veränderungen des Volumenhaushalts sind eine häufige klinische Erscheinung. Bei der Regulation von Volumen und Osmolalität spielen neben der eigentlichen Ausscheidungs- und Rückresorptionsfunktion der Nieren auch die Freisetzung einer Reihe von volumenregulierenden Hormonen beziehungsweise der Sympathikotonus eine Rolle („Autonomes Nervensystem“). Zu den Hormonen gehören das antidiuretische Hormon (ADH), natriuretisch wirkende Substanzen, einschließlich Atrial Natriuretic Peptide (ANP), endogenes Ouabain oder Adrenomedullin sowie antinatriuretisch wirkende Systeme wie das Renin-Angiotensin-Aldosteron-System. Schlaf hat einen Einfluss auf einige dieser regulierenden Hormone und eine Schlaffragmentation, wie bei der Schlafapnoe, oder eine Schlafdeprivation, wie bei „Insomnien“, dämpft den nächtlichen Anstieg von Renin und Aldosteron und trägt zum Entstehen einer Nykturie bei.

Weitere auslösende Faktoren für eine Nykturie können die Schlafbezogenen Hypoventilationssyndrome sein, die zu einer Rechtsherzinsuffizienz mit Dilatation des rechten Vorhofs und infolgedessen vermehrter Freisetzung von ANP führen können. Auch die signifikante Nykturie, die bei Patienten mit Obstruktiver Schlafapnoe ohne Zeichen der Herzinsuffizienz gefunden wird, geht auf eine vermehrte pulsatile Freisetzung von ANP zurück.