Bilirubin wird im retikuloendothelialen System während des Abbaus gealterter Erythrozyten gebildet. Der Häm-Anteil aus dem Hämoglobin und aus anderen Proteinen wird entfernt, zu Bilirubin umgewandelt und als Komplex mit Serumalbumin zur Leber transportiert. Dieser Prozess macht etwa 80 % des täglich gebildeten Bilirubins aus. Weitere Bilirubinquellen sind der Abbau von Myoglobin und Cytochromen sowie der Abbau von unreifen Erythrozyten im Knochenmark.
In der Leber wird Bilirubin zur Solubilisierung mit Glucuronsäure konjugiert, um konjugiertes oder direktes Bilirubin für den anschließenden Transport durch den Gallengang in den Verdauungstrakt zu bilden, wo es von Bakterien zu einer Gruppe von Produkten verstoffwechselt wird, die als Stercobilinogen bekannt sind. Das Gesamtbilirubin ist die Summe der konjugierten und unkonjugierten Fraktionen. Prähepatische Erkrankungen oder Zustände wie hämolytische Erkrankungen oder Lebererkrankungen, die zu einer Beeinträchtigung des Eintritts, des Transports oder der Konjugation innerhalb der Leber führen, verursachen eine Erhöhung des unkonjugierten (indirekten) Bilirubins. Die Überwachung des Bilirubins bei Neugeborenen, insbesondere bei Frühgeborenen, ist von besonderer Bedeutung, da die hepatische Verarbeitung von Bilirubin noch nicht ausgereift ist, was zu erhöhtem unkonjugiertem Bilirubin führt. Wenn es nicht an Albumin gebunden ist, kann unkonjugiertes Bilirubin leichter die Blut-Hirn-Schranke passieren, was das Risiko von Hirnschäden erhöht.
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