Bildung von Gallenflüssigkeit

Die Leber sezerniert täglich etwa 500–600 ml Galle. Galle ist isoosmotisch zum Plasma und besteht hauptsächlich aus Wasser, Elektrolyten, Gallensalzen, Phospholipiden (vor allem Lecithin), Cholesterin, Bilirubin und anderen endogenen und exogenen Komponenten wie Proteinen, die die Magen-Darm-Funktion regulieren, Medikamenten oder deren Metaboliten. Bilirubin ist ein Abbauprodukt von Häm-Komponenten beim Abbau von Hämoglobin. Die Bildung von Gallensalzen, auch Gallensäuren genannt, bewirkt die Sekretion anderer Gallenbestandteile, insbesondere von Natrium und Wasser. Zu den Funktionen der Gallensalze gehören die Ausscheidung potenziell toxischer Substanzen (z. B. Bilirubin, Medikamentenmetaboliten), die Solubilisierung von Fetten und fettlöslichen Vitaminen im Darm, um deren Aufnahme zu erleichtern, und die Aktivierung der osmotischen Darmreinigung.

Die Synthese und Sekretion von Galle erfordert Mechanismen des aktiven Transports sowie Prozesse wie Endozytose und passive Diffusion. Galle wird in den Gallenkanälchen zwischen benachbarten Hepatozyten gebildet. Die Sekretion von Gallensäuren in den Gallenkanälchen ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Gallenbildung. Sekretion und Resorption erfolgen auch in den Gallengängen.

In der Leber gelangt die Galle aus dem intrahepatischen Sammelsystem in den proximalen, auch gemeinsamen Lebergang. Etwa 50 % der außerhalb der Mahlzeiten aus dem gemeinsamen Lebergang ausgeschiedenen Galle gelangt über den Gallenblasengang in die Gallenblase; die restlichen 50 % gelangen direkt in den gemeinsamen Gallengang, der durch den Zusammenfluss von gemeinsamem Leber- und Gallenblasengang gebildet wird. Außerhalb der Mahlzeiten kommt ein kleiner Teil der Galle direkt aus der Leber. Die Gallenblase absorbiert bis zu 90 % des Wassers aus der Galle, konzentriert und speichert es.

Die Galle fließt von der Gallenblase in den Gallengang. Dieser verbindet sich mit dem Pankreasgang zur Vaterschen Ampulle, die in den Zwölffingerdarm mündet. Vor der Vereinigung mit dem Pankreasgang verengt sich der Durchmesser des Gallengangs auf < 0,6 cm. Der Sphinkter Oddi umschließt sowohl den Pankreasgang als auch den Gallengang; jeder Gang besitzt zudem einen eigenen Sphinkter. Normalerweise fließt die Galle nicht retrograd in den Pankreasgang. Diese Sphinkter reagieren hochempfindlich auf Cholezystokinin und andere Darmhormone (z. B. Gastrin-aktivierendes Peptid) sowie auf Veränderungen des cholinergen Tonus (z. B. durch Anticholinergika).

Während einer normalen Mahlzeit beginnt sich die Gallenblase zu kontrahieren, und die Gallengangsschließmuskeln entspannen sich unter dem Einfluss sezernierter Darmhormone und cholinerger Stimulation. Dies fördert den Transport von etwa 75 % des Gallenblaseninhalts in den Zwölffingerdarm. Umgekehrt erhöht sich beim Fasten der Schließmuskeltonus, was die Füllung der Gallenblase fördert. Gallensalze werden durch passive Diffusion im proximalen Dünndarm schlecht resorbiert; die meisten Gallensäuren erreichen das distale Ileum, wo 90 % aktiv in das Pfortaderbett resorbiert werden. Zurück in der Leber werden die Gallensäuren effektiv extrahiert, schnell modifiziert (z. B. werden freie Säuren gebunden) und wieder in die Galle ausgeschieden. Gallensalze zirkulieren 10-12 Mal pro Tag durch den enterohepatischen Kreislauf.

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Anatomie der Gallengänge

Gallensalze, konjugiertes Bilirubin, Cholesterin, Phospholipide, Proteine, Elektrolyte und Wasser werden von Hepatozyten in die Gallenkanälchen sezerniert. Der Gallensekretionsapparat umfasst kanalikuläre Membrantransportproteine, intrazelluläre Organellen undzytoskelettale Strukturen. Enge Verbindungen zwischen Hepatozyten trennen das Lumen der Kanälchen vom Leberkreislauf.

Die kanalikuläre Membran enthält Transportproteine für Gallensäuren, Bilirubin, Kationen und Anionen. Mikrovilli vergrößern ihre Fläche. Die Organellen werden durch den Golgi-Apparat und Lysosomen repräsentiert. Vesikel dienen dem Transport von Proteinen (z. B. IgA) von der Sinusoidalmembran zur kanalikulären Membran und dem Transport von in der Zelle synthetisierten Transportproteinen für Cholesterin, Phospholipide und möglicherweise Gallensäuren von den Mikrosomen zur kanalikulären Membran.

Das Zytoplasma des Hepatozyten enthält um die Tubuli herum zytoskelettale Strukturen: Mikrotubuli, Mikrofilamente und Intermediärfilamente.

Mikrotubuli entstehen durch die Polymerisation von Tubulin und bilden ein Netzwerk innerhalb der Zelle, insbesondere in der Nähe der basolateralen Membran und des Golgi-Apparats. Sie sind am rezeptorvermittelten vesikulären Transport, der Lipidsekretion und unter bestimmten Bedingungen auch der Gallensäuren beteiligt. Die Mikrotubuli-Bildung wird durch Colchicin gehemmt.

Der Aufbau von Mikrofilamenten erfolgt durch die Interaktion polymerisierter (F) und freier (G) Aktine. Mikrofilamente, die sich um die kanalikuläre Membran konzentrieren, bestimmen die Kontraktilität und Motilität der Kanäle. Phalloidin, das die Aktinpolymerisation verstärkt, und Cytochalasin B, das sie schwächt, hemmen die Kanalmotilität und verursachen Cholestase.

Intermediärfilamente bestehen aus Zytokeratin und bilden ein Netzwerk zwischen Plasmamembranen, Zellkern, intrazellulären Organellen und anderen zytoskelettalen Strukturen. Ein Bruch der Intermediärfilamente führt zur Störung intrazellulärer Transportprozesse und zur Obliteration des Tubuluslumens.

Wasser und Elektrolyte beeinflussen die Zusammensetzung des tubulären Sekrets, indem sie aufgrund des osmotischen Gradienten zwischen dem Tubuluslumen und den Disse-Räumen (parazellulärer Fluss) durch die engen Verbindungen zwischen den Hepatozyten dringen. Die Integrität der engen Verbindungen hängt vom Vorhandensein des ZO-1-Proteins mit einem Molekulargewicht von 225 kDa auf der inneren Oberfläche der Plasmamembran ab. Der Bruch der engen Verbindungen geht mit dem Eintritt gelöster größerer Moleküle in die Tubuli einher, was zum Verlust des osmotischen Gradienten und zur Entwicklung einer Cholestase führt. Es kann zu einer Regurgitation der tubulären Galle in die Sinusoide kommen.

Die Gallenkanälchen münden in Gallengänge, die auch Cholangiolen oder Hering-Kanäle genannt werden. Die Gallengänge befinden sich hauptsächlich in den Pfortaderzonen und münden in die interlobulären Gallengänge. Diese sind die ersten Gallengänge, die von Ästen der Leberarterie und der Pfortader begleitet werden und sich in den Pfortadertriaden befinden. Die interlobulären Gänge verschmelzen zu Septumgängen, bis sich zwei Hauptlebergänge bilden, die im Bereich der Pfortader aus dem rechten und linken Leberlappen austreten.

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Sekretion von Galle

Die Gallenbildung erfolgt unter Beteiligung einer Reihe energieabhängiger Transportprozesse. Ihre Sekretion ist relativ unabhängig vom Perfusionsdruck. Der Gesamtfluss der Galle beim Menschen beträgt etwa 600 ml/Tag. Hepatozyten sorgen für die Sekretion zweier Gallenfraktionen: abhängig von Gallensäuren („225 ml/Tag“) und unabhängig von ihnen („225 ml/Tag“). Die restlichen 150 ml/Tag werden von Gallengangszellen sezerniert.

Die Sekretion von Gallensalzen ist der wichtigste Faktor bei der Bildung der Galle (der von Gallensäuren abhängigen Fraktion). Den osmotisch aktiven Gallensalzen folgt Wasser. Veränderungen der osmotischen Aktivität können den Wassereintritt in die Galle regulieren. Es besteht ein klarer Zusammenhang zwischen der Sekretion von Gallensalzen und dem Gallenfluss.

Die Existenz einer von Gallensäuren unabhängigen Gallenfraktion zeigt sich in der Möglichkeit, Galle ohne Gallensalze zu produzieren. Somit ist ein kontinuierlicher Gallenfluss trotz fehlender Gallensalzausscheidung möglich; die Wassersekretion erfolgt über andere osmotisch aktive Stoffe wie Glutathion und Bicarbonate.

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Zelluläre Mechanismen der Gallensekretion

Der Hepatozyt ist eine polare sekretorische Epithelzelle mit basolateralen (sinusförmigen und lateralen) und apikalen (tubulären) Membranen.

Die Gallenbildung beinhaltet die Aufnahme von Gallensäuren und anderen organischen und anorganischen Ionen sowie deren Transport durch die basolaterale (sinusoidale) Membran, das Zytoplasma und die kanalikuläre Membran. Dieser Prozess wird von einer osmotischen Filtration des im Hepatozyten und parazellulären Raum enthaltenen Wassers begleitet. Die Identifizierung und Charakterisierung von Transportproteinen der sinusoidalen und kanalikulären Membranen ist komplex. Die Untersuchung des Sekretionsapparates der Kanalikuli ist besonders schwierig, doch wurde inzwischen eine Methode zur Gewinnung von Doppelhepatozyten in einer kurzlebigen Kultur entwickelt, die sich in vielen Studien als zuverlässig erwiesen hat. Die Klonierung von Transportproteinen ermöglicht die separate Charakterisierung der Funktion jedes einzelnen Proteins.

Der Prozess der Gallenbildung hängt von der Anwesenheit bestimmter Trägerproteine in den basolateralen und kanalikulären Membranen ab. Die treibende Kraft der Sekretion ist die Na ⁺, K ⁺ - ATPase der basolateralen Membran, die für einen chemischen Gradienten und eine Potenzialdifferenz zwischen dem Hepatozyten und dem umgebenden Raum sorgt. Na ⁺, K ⁺ - ATPase tauscht drei intrazelluläre Natriumionen gegen zwei extrazelluläre Kaliumionen aus und hält so einen Konzentrationsgradienten von Natrium (außen hoch, innen niedrig) und Kalium (außen niedrig, innen hoch) aufrecht. Dadurch ist der Zellinhalt im Vergleich zum extrazellulären Raum negativ geladen (–35 mV), was die Aufnahme positiv geladener Ionen und die Ausscheidung negativ geladener Ionen erleichtert. Na ⁺, K ⁺ -ATPase kommt in der kanalikulären Membran nicht vor. Die Membranfluidität kann die Enzymaktivität beeinflussen.

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Erfassung auf der Oberfläche der Sinusmembran

Die basolaterale (sinusoidale) Membran verfügt über mehrere Transportsysteme für die Aufnahme organischer Anionen mit überlappenden Substratspezifitäten. Die Transportproteine wurden bereits in Tierzellstudien charakterisiert. Kürzlich durchgeführte Klonierungen menschlicher Transportproteine haben zu einem besseren Verständnis ihrer Funktion geführt. Das organische Anionentransportprotein (OATP) ist natriumunabhängig und transportiert eine Reihe von Molekülen, darunter Gallensäuren, Bromsulfalein und wahrscheinlich Bilirubin. Es wird angenommen, dass auch andere Transporter Bilirubin in die Hepatozyten transportieren. Mit Taurin (oder Glycin) konjugierte Gallensäuren werden vom Natrium-Gallensäure-Cotransportprotein (NTCP) transportiert.

^{Das Protein, das den Na +} /H ⁺ -Austausch und die pH-Wert-Regulation innerhalb der Zelle steuert, ist am Ionentransport über die basolaterale Membran beteiligt. Diese Funktion übernimmt auch das Cotransportprotein für Na ⁺ /HCO ₃^–. Auch Sulfate, unveresterte Fettsäuren und organische Kationen werden an der Oberfläche der basolateralen Membran eingefangen.

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Intrazellulärer Transport

Der Transport von Gallensäuren in der Leberzelle erfolgt durch zytosolische Proteine, wobei die 3α-Hydroxysteroid-Dehydrogenase die Hauptrolle spielt. Von geringerer Bedeutung sind Glutathion-S-Transferase und Proteine, die Fettsäuren binden. Das endoplasmatische Retikulum und der Golgi-Apparat sind am Transport von Gallensäuren beteiligt. Der vesikuläre Transport wird offenbar nur bei einem signifikanten Zustrom von Gallensäuren in die Zelle (in Konzentrationen über physiologischen Werten) aktiviert.

Der Transport von Flüssigphasenproteinen und Liganden wie IgA und Low-Density-Lipoproteinen erfolgt durch vesikuläre Transzytose. Die Transferzeit von der basolateralen zur kanalikulären Membran beträgt etwa 10 Minuten. Dieser Mechanismus ist nur für einen kleinen Teil des gesamten Gallenflusses verantwortlich und hängt vom Zustand der Mikrotubuli ab.

Tubuläre Sekretion

Die kanalikuläre Membran ist ein spezialisierter Bereich der Plasmamembran von Hepatozyten. Sie enthält Transportproteine (meist ATP-abhängig), die für den Transport von Molekülen in die Galle gegen den Konzentrationsgradienten verantwortlich sind. Die kanalikuläre Membran enthält außerdem Enzyme wie alkalische Phosphatase und GGT. Glucuronide und Glutathion-S-Konjugate (z. B. Bilirubindiglucuronid) werden vom kanalikulären multispezifischen organischen Anionentransporter (cMOAT) transportiert, Gallensäuren vom kanalikulären Gallensäuretransporter (cBAT), dessen Funktion teilweise durch das negative intrazelluläre Potenzial gesteuert wird. Der von Gallensäuren unabhängige Gallenfluss wird offenbar durch den Glutathiontransport und auch durch die tubuläre Sekretion von Bikarbonat bestimmt, möglicherweise unter Beteiligung des Cl ^– /HCO ₃^– -Austauschproteins.

Zwei Enzyme der P-Glykoprotein-Familie spielen eine wichtige Rolle beim Transport von Substanzen durch die kanalikuläre Membran; beide Enzyme sind ATP-abhängig. Das Multidrug-Resistenzprotein 1 (MDR1) transportiert organische Kationen und entfernt zudem Zytostatika aus Krebszellen, wodurch diese chemotherapieresistent werden (daher der Name des Proteins). Das endogene Substrat von MDR1 ist unbekannt. MDR3 transportiert Phospholipide und fungiert als Flippase für Phosphatidylcholin. Die Funktion von MDR3 und seine Bedeutung für die Sekretion von Phospholipiden in die Galle wurden in Experimenten an Mäusen ohne mdr2-P-Glykoprotein (ein Analogon des humanen MDR3) aufgeklärt. Fehlen Phospholipide in der Galle, verursachen Gallensäuren Schädigungen des Gallenepithels, Duktulitis und periduktuläre Fibrose.

Wasser und anorganische Ionen (insbesondere Natrium) werden entlang eines osmotischen Gradienten durch Diffusion durch negativ geladene semipermeable Tight Junctions in die Gallenkapillaren ausgeschieden.

Die Gallensekretion wird durch zahlreiche Hormone und Botenstoffe reguliert, darunter cAMP und Proteinkinase C. Erhöhte intrazelluläre Calciumkonzentrationen hemmen die Gallensekretion. Der Gallenfluss durch die Kanälchen erfolgt über Mikrofilamente, die für die Beweglichkeit und Kontraktion der Kanälchen sorgen.

Ductuläre Sekretion

Epithelzellen der distalen Gänge produzieren ein bikarbonatreiches Sekret, das die Zusammensetzung der kanalikulären Galle (den sogenannten duktulären Fluss) verändert. Während der Sekretion werden cAMP und einige Membrantransportproteine produziert, darunter das Cl–/HCO3–Austauschprotein ^und der _Cystic^Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator, ein Membrankanal für Cl–, der durch cAMP ^{reguliert wird}. Die duktuläre Sekretion wird durch Sekretin stimuliert.

Man geht davon aus, dass Ursodeoxycholsäure aktiv von den Ductulumzellen aufgenommen, gegen Bikarbonate ausgetauscht, in der Leber rezirkuliert und anschließend wieder in die Galle ausgeschieden wird („cholehepatischer Shunt“). Dies könnte die choleretische Wirkung der Ursodeoxycholsäure erklären, die mit einer hohen biliären Bikarbonatsekretion bei experimenteller Leberzirrhose einhergeht.

Der Druck in den Gallengängen, bei dem die Gallensekretion stattfindet, beträgt normalerweise 15–25 cm H2O. Ein Druckanstieg auf 35 cm H2O führt zur Unterdrückung der Gallensekretion und zur Entwicklung von Gelbsucht. Die Sekretion von Bilirubin und Gallensäuren kann vollständig aufhören, und die Galle wird farblos (weiße Galle) und ähnelt einer schleimigen Flüssigkeit.

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