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Ketone werden am häufigsten nachgewiesen, wenn eine beschleunigte Triglyceridhydrolyse im Fettgewebe und eine erhöhte Fettsäurepermeabilität der Leber durch die innere Mitochondrienmembran (hervorgerufen durch einen Rückgang des zirkulierenden Insulins und einen Anstieg des Glukagons) einen erhöhten Glykogenabbau, Glukoneogenese, Lipolyse, Fettsäureoxidation und Ketogenese verursachen. Bei normalen Personen sind die Plasmaketonwerte selbstlimitierend, da bei Konzentrationen von 2 bis 4 mM und mehr die Insulinausschüttung stimuliert wird, wodurch eine Ketoazidose durch eine Insulinlimitierung der Lipolyse und die Verfügbarkeit freier Fettsäuren für die hepatische Oxidation verhindert wird. Bei insulinpflichtigen Diabetikern steigen die Konzentrationen freier Fettsäuren unkontrolliert weiter an, bis es zur Ketoazidose kommt. Neben Fasten, längerem Hungern und unkontrolliertem Diabetes kann eine Ketonurie auch unter anderen physiologischen Bedingungen beobachtet werden. Akuter Alkoholismus und schwere und lang andauernde körperliche Anstrengung können zu einer Ketonurie führen. Ketonkörper können auch während des dritten Schwangerschaftsdrittels, während der Wehen und der Entbindung, in der unmittelbaren postpartalen Phase und gelegentlich während der Stillzeit im Urin nachgewiesen werden. Die Ketogenese kann auch bei Neugeborenen erhöht sein, was zu einer signifikanten Ketonurie führt. Diese klinischen Zustände sind alle durch eine vorübergehende Abnahme der Glukoseverfügbarkeit, eine erhöhte Glukoseverwertung und erhöhte Spiegel an gegenregulatorischen oder stressassoziierten Hormonen wie Cortisol und Epinephrin gekennzeichnet.

Um den Urinverlust dieser wichtigen Stoffwechselbrennstoffe, die einen erheblichen Teil des Kalorienbedarfs während des Fastens decken, zu verringern, ist die Niere in der Lage, einen Teil der erhöhten gefilterten Last an Ketosäuren zu resorbieren. Es wurde eine lineare Korrelation zwischen der Ausscheidung von Acetoacetat im Urin und der Plasmakonzentration festgestellt, sobald der renale Schwellenwert überschritten ist. In den meisten Berichten wird eine ähnliche lineare Beziehung für die Ausscheidung von Hydroxybutyrat beschrieben, wenn die gefilterte Belastung steigt. Bei erhöhten Plasmakonzentrationen von Ketonkörpern beträgt die mittlere fraktionierte Ausscheidung 0,15 bzw. 0,19 für Acetoacetat und Hydroxybutyrat. Ketonkörper scheinen also bei niedrigen Plasmakonzentrationen vollständig von den Nierentubuli rückresorbiert zu werden, doch wenn die Plasmaspiegel steigen und die gefilterte Ketonkörperlast zunimmt, tritt eine signifikante Ketonurie auf. Die Nettorückresorptionsrate bleibt direkt proportional zur gefilterten Menge an Ketonkörpern, so dass trotz eines starken Anstiegs der Plasmakonzentration die Ausscheidungsrate von etwa 20 % der gefilterten Menge unverändert bleibt. Die neuesten Erkenntnisse lassen den Schluss zu, dass es kein tubuläres Maximum für Ketonkörper gibt bzw. dass dieses über die hohen gefilterten Mengen hinausgeht, die in den Hungerstudien beobachtet wurden. Da die Ausscheidungsraten relativ unverändert sind, müssen die Rückresorptionsraten also steigen. Die Mechanismen, die diese Rückresorptionsrate erhöhen, sind nicht bekannt, aber es hat sich gezeigt, dass die Rückresorptionsraten durch die Verringerung des extravaskulären Volumens und des Natriumgleichgewichts, die mit Hunger und dekompensiertem Diabetes einhergehen, nicht verändert werden.

Studien an der Ratte haben eine anfängliche Abnahme der fraktionierten Rückresorption von Hydroxybutyratkonzentrationen gezeigt, aber es gab keine weitere Abnahme, als die Hydroxybutyratkonzentration auf höhere Werte erhöht wurde. Diese Daten deuten darauf hin, dass es sowohl sättigbare als auch nicht sättigbare renale Transportsysteme für Hydroxybutyrat gibt. Die maximale Transportrate der sättigbaren Komponente wird bei einer arteriellen Konzentration von etwa 1,7 mM erreicht. Obwohl die renale Verwertung von Hydroxybutyrat mit zunehmender arterieller Konzentration dieser Ketosäure ansteigt, hat dies keinen Einfluss auf die Nettorückresorptionsrate. Die Rückresorptionsraten von Hydroxybutyrat übersteigen stets die Verwertung. Wie beim Menschen ist auch bei der Ratte die Ausscheidungsrate von Acetoacetat direkt proportional zu seiner Filtrationsrate. Es wurde keine maximale Rate beobachtet, was darauf hindeutet, dass auch in der Niere ein ungesättigter Mechanismus für die Rückresorption von Acetoacetat vorhanden ist. Die Rückresorption von Acetoacetat wird durch steigende Konzentrationen von Hydroxybutyrat verringert, was auf einen gemeinsamen, kompetitiven tubulären Transportmechanismus hinweist. Acetoacetat wurde bei zunehmender Hydroxybutyratverwertung nicht von der Niere ins Blut abgegeben, sondern es fand gleichzeitig eine Nettoverwertung von Acetoacetat durch die Niere statt. Dies nahm tendenziell mit steigenden Konzentrationen von Acetoacetat in den Arterien zu. Es gab Hinweise darauf, dass bei niedrigeren Acetoacetat-Rückresorptionsraten höhere Verwertungsraten durch zelluläre Aufnahme aus dem peritubulären Blut aufrechterhalten wurden. Schließlich ist bekannt, dass Membranvesikel, die aus dem Bürstensaum der Rattenniere isoliert wurden, ein vom Natriumgradienten abhängiges Trägersystem enthalten, das Ketonkörper in einen osmotisch reaktiven Raum transportiert. Der Carrier zeigt eine reziproke Hemmung zwischen Acetoacetat und Hydroxybutyrat, eine beschleunigte Austauschdiffusion, Sättigung und kompetitive Hemmung sowie eine fehlende Empfindlichkeit gegenüber Ouabain.

Die renale Verwertung der beiden Ketonsäuren macht etwa 50 % des Umsatzes der infundierten Ketonkörper aus. Somit ist der oxidative Stoffwechsel für einen großen Teil der gemessenen renalen Clearance von Ketonkörpern aus dem Blut verantwortlich. Bei längerer Hungersnot wurde berechnet, dass die renale Rückresorption von Ketonkörpern etwa 225 kcal/Tag einspart, die sonst mit dem Urin verloren gehen würden. Bis zu 60 % werden von der Niere verbraucht, der Rest wird bei Glukoseentzug zur Verwertung durch das zentrale Nervensystem freigegeben. Die Fähigkeit der Niere, Ketonkörper zu resorbieren, bewahrt auch Natrium-, Kalium- und Ammoniumionen, da die Elektroneutralität des Urins zur äquimolaren Ausscheidung von Kationen während des Verlusts dieser Anionen erforderlich ist. In den ersten Tagen des Fastens oder während des Verlaufs der diabetischen Ketoazidose gehen Natrium und Kalium mit der Ausscheidung von Ketonkörpern verloren. Wenn die Hungersnot anhält, wird das obligate Begleitkation der Ketonkörper zum Ammoniumion. Die Rückresorption von Ketonkörpern spart also nicht nur Kalorien, sondern auch Ammoniumstickstoff, wodurch mindestens 7 g Stickstoff pro Tag erhalten bleiben.