Funkční anatomie ledvin Clearance doc. MUDr. Markéta Bébarová, Ph.D. Fyziologický ústav Lékařská fakulta Masarykovy univerzity '°ítas Tato prezentace obsahuje pouze stručný výtah nejdůležitějších pojmů a faktů. V žádném případně není sama o sobě dostatečným zdrojem pro studium ke zkoušce z Fyziologie. Funkce ledvin > Vylučování odpadních produktů a toxinů > Kontrola objemu a složení tělesných tekutin, osmolality > Udržování acidobazické rovnováhy > Regulace krevního tlaku > Sekrece, metabolismus a exkrece hormonu > Glukoneogenéza Struktura ledvin Cortical radiate vein Cortical radiate artery Arcuate vein Arcuate artery Interlobar vein Interlobar artery Segmental arteries Renal vein Renal artery Renal pelvis Ureter Renal medulla Renal cortex (a) Frontal section illustrating major blood vessels ) 2013 Pearson Eduu!on Inc Aorta I Renal artery l SaýrvWr.laf artery 1 tntetfo'oar arSery t Arcuate íiľlcťy 1 Corsica! raťfate artery -■■i— i Afferent arteriole L Inferior vena cava t Renal vein ! Interlobar vein ! Arcuate vein t Cortical radiate vein 4- Peritubular capillaries -or vasa recta í Efferent arteriole GäromeruU-'s (capillaries) J Nephron-associated blood vessels (see Figure 25.7) (b) Path of blood flow through renal blood vessels http://classes.midlandstech.edu/carterp/Courses/bio211/chap25/chap25.htm Struktura ledvin Cortical nephron > Short nephron loop • Glomerulus further from the cortex-medulla junction • Efferent arteriole supplies peritubular capillaries Juxtamedullary nephron • Long nephron loop • Glomerulus closer to the cortex-medulla junction • Efferent arteriole supplies vasa recta J http://classes.midla ndstech.edu/carter p/Courses/bio211/c hap25/chap25.htm Struktura nefronu thin descending limb Ganong's Review of Medical Physiology, 23rd edition F renal cortical tissue (180X) Struktura nefronu - glomerulus Proximal tubule Podocytes Capillary loops Bowman's space Bowman's capsule B Basal lamina Endothelium Afferent arteriole Efferent arteriole Epithelium Basement t membrane Endothelium Basal lamina Endothelium mezangiální buňky Fenestrations Guyton &Hall. Textbook of Medical Physiology Struktura nefronu - glomerulus Proximal tubule Podocytes Capillary loops Bowman's space Bowman's capsule B Basal lamina Endothelium Afferent arteriole Efferent arteriole Epithelium Basement t membrane Endothelium Fenestrations Guyton &HaU. Textbook of Medical Physiology Basal lamina Endothelium Podocyte B Podocyte -Podocyte wL process 4^—Basal Capillary J^^^j \ Mesangial cell Cytoplasm of endothelial cell Capillary ^ iamjna Struktura nefronu - glomerulus > Vysoká rychlost filtrace v glomerulech Zajištěna vysokou permeabilitou glomerulární membrány > Prevence prostupu bílkovin Negativní náboj všech vrstev glomerulární membrány Effective molecular diameter (nm) Ganong 's Review of Medical Physiology Struktura nefronu - tubulus Distal convoluted tubule Proximal convoluted tubule Loop of Henle, thin descending limb Collecting duct v. Outer medulla Inner medulla > glomerulus > proximální stočený kanálek Ganong's Review of Medical Physiology, 23rd edition Proximal convoluted tubule Struktura nefronu - tubulus Proximal convoluted tubule Distal convoluted tubule jdi Collecting duct v. Outer medulla Inner medulla Loop of Henle, thin descending limb > glomerulus > proximální stočený kanálek > Henleova klička Loop of Henle, thin descending limb Ganong's Review of Medical Physiology, 23rd edition Loop of Henle, thick ascending ^ limb i< Struktura nefronu - tubulus > glomerulus > proximální stočený kanálek > Henleova klička Loop of Henle, thin descending limb Loop of Henle, thick ascending ^ Ganong's Review of Medical Physiology, 23rd edition limb Struktura nefronu - tubulus http://classes.midla ndstech.edu/carter p/Courses/bio211/c hap25/chap25.htm Cortical nephron > Short nephron loop • Glomerulus further from the cortex-medulla junction • Efferent arteriole supplies peritubular capillaries Juxtamedullary nephron • Long nephron loop • Glomerulus closer to the cortex-medulla junction • Efferent arteriole supplies vasa recta Renat-corpuscle Struktura nefronu - tubulus Distal convoluted tubule Proximal convoluted tubule Loop of Henle, thin descending limb Collecting duct v. Outer medulla Inner medulla > glomerulus > proximální stočený kanálek > Henleova klička > distální stočený kanálek Ganong's Review of Medical Physiology, 23rd edition Distal convoluted tubule Struktura nefronu - tubulus Distal convoluted tubule Proximal convoluted tubule Loop of Henle, thin descending limb Collecting duct v. Outer medulla Inner medulla > glomerulus > proximální stočený kanálek > Henleova klička > distální stočený kanálek > sběrný kanálek Ganong's Review of Medical Physiology, 23rd edition Collecting duct Tvorba moče Afferent arteriole Efferent arteriole Glomerular capillaries Bowman's capsule 1. Filtration 2. Reabsorption 3. Secretion 4. Excretion v Urinary excretion Excretion = Filtration - Reabsorption 4- Secretion 1) Glomerulární filtrace 2) Tubulární resorpce 3) Tubulární sekrece 4) Exkrece moči Guyton & Hall. Textbook of Medical Physiology Tvorba moče A. Filtration only B. Filtration, partial reabsorption Substance A Substance Urine Urine Guyton &Hall. Textbook of Medical Physiology Kreatinin Některé další odpadní produkty Elektrolyty C. Filtration, complete reabsorption ■ - ' 1 D. Filtration, secretion Substance C Substance D Urine Aminokyseliny Glukóza Urine PAH Toxické látky Organické kyseliny a báze I to Or tSJ 'J Tvorba moče A. Filtration only B. Filtration, partial reabsorption Substance A Substance C. Filtration, complete reabsorption (ft Substance C D. Filtration, secretion Substance D Urine Urine Guyton &Hall. Textbook of Medical Physiology Urine Urine Kreatinin Některé další odpadní produkty Concentration in Substance Urine |Uj Plasma (P) U/P Ratio Glucose (mg/dL) 0 100 0 Na+ [mEq/L) 90 140 0.6 Urea [mg/dL) 900 15 60 Creatinine [mg/dL) 150 1 150 PAH Toxické látky Organické kyseliny a báze I to O: ■ tu Tvorba moče - Glomerulární filtrace Proximal tubule Podocytes Capillary loops Bowman's space Bowman's capsule B GFR = 125 ml/min = 180 l/den FF = 0,2 profiltrováno 20% plazmy! Afferent arteriole Efferent arteriole Epithelium Basement * membrane Endothelium Fenestrations 800 600 :§ 400 E 200 - 0 Renal blood flow Glomerular filtration 70 140 210 Arterial pressure (mm Hg) Guyton &Hall. Textbook of Medical Physiology Ganong's Review of Medical Physiology, 23rd edition Tvorba moče - Glomerulární filtrace Rychlost glomerulární filtrace (GFR) závisí na: 1) Kapilární filtračním koeficientu Kf (permeabilita a plocha glomerulární membrány; mezangiální bb.) 2) Rovnováze hydrostatických a koloidně-osmotických sil GFR = Kf • čistý filtrační tlak Tvorba moče - Glomerulární filtrace Rychlost glomerulární filtrace (GFR) závisí na: 1) Kapilární filtračním koeficientu Kf (permeabilita a plocha glomerulární membrány; mezangiální bb.) 2) Rovnováze hydrostatických a koloidně-osmotických sil GFR = Kf • čistý filtrační tlak Tvorba moče - Glomerulární filtrace GFR = Kf ■ čistý filtrační tlak 800 600 c ^ 400 E 200 Renal blood flow Glomerular filtration 70 1 40 210 Arterial pressure (mm Hg) Afferent arteriole Glomerular Glomerular hydrostatic colloidosmotic pressure pressure Hg) (32 mm Hg) Efferent arteriole Ganong's Review of Medical Physiology, 23rd edition nB tPfl Bowman's capsule pressure (18 mm Hg) nB = 0 Ouyton & Hall. Textbook of Medical Physiology Za fyziologických podmínek: čistý filtrační tlak = PG + nB - PB - nG = 60 + 0 - 18 - 32 = 10 mmH GFR = Kf ■ (PG + 7Tß - PB - nG) Tvorba moče - Glomerulární filtrace Vas afferens, vas efferens ' vstup a výstup vysokotlaké glomerulární kapilární sítě průtok krve glomerulem = P - P 1 v.a. 1 v.e. • t odporu ve vas aff. či vas eff. -> i průtoku ledvinou (pokud je stabilní arteriální tlak) • řídí glomerulární filtrační tlak: s-■* konstrikce vas aff. -» i tlaku v glomerulu -» i filtrace konstrikce vas eff. -» t tlaku v glomerulu -» t filtrace J ryiv Tvorba moče - Tubulární procesy Peritubular capillary Tubular cells FILTRATION Lumen Paracellular path Transcellular path Solutes REABSORPTION EXCRETION -1 Guyton & Hail. Textbook of Medical Physiology Tvorba moče - Tubulární procesy Aktivní transportní mechanismy 1) Primární aktivní transport 2) Sekundární aktivní transport 3) Pinocytóza (velké molekuly, např. bílkoviny, zejména v proximálním tubulu) Tvorba moče - Tubulární procesy Aktivní transportní mechanismy 1) Primární aktivní transport Peritubular capillary Tubular epithelial cells Tubular lumen Na (-3 mv) Interstitial Basement fluid membrane channels Intercellular space flight junction Brush border (luminal membrane) Guyton &Hall. Textbook of Medical Physiology Tvorba moče - Tubulární procesy Aktivní transportní mechanismy 1) Primární aktivní transport - Na+/K+ ATPáza - H+ATPáza - Ca2+ATPáza Tvorba moče - Tubulární procesy Aktivní transportní mechanismy 2) Sekundární aktivní transport Interstitial fluid Tubular cells Co-transport ----- Glucose -70 mV ■----Amino acids XT'" <^ < Na+ < i r Na+ A / Am Tubular lumen Glucose symport ino acids k+ (atp}^ -70mv ^ ( ) antiport ^___ Counter-transport Guyton & Hall. Textbook of Medical Physiology Tvorba moče - Tubulární procesy Aktivní transportní mechanismy Látky podléhající aktivnímu transportu mají tzv. transportní maximum (dáno saturací přenašeče). Např. glukóza transportní maximum: -320 mg/min o -Q t_ D W .d tí Ü L_ (Ľ w o _^ TmG Splay "Ideal" Actual Plasma glucose (PG) 900 n q 'o. i— o in c Si ■ó* 10 r- - 2 TJ *J d) U = x M— 3Í ° o u 700- 6001 5001 400' 300' 2001 Filtered N load / Excretion ✓ f Transport / maximum / Reabsorption Normal / f / Threshold / —i-r**\ —i- T-1- —1-1 0 100 200 300 400 500 600 700 300 Plasma glucose concentration (mg/100 ml) Guyton & Hall. Textbook of Medical Physiology Tvorba moče - Tubulární procesy Aktivní transportní mechanismy Látky podléhající aktivnímu transportu mají tzv. transportní maximum (dáno saturací přenašeče). resorpce Substance Transport Maximum Glucose T75 mu.'m i n Phosphate 0.10 m M/min Sulfate 0.06 m M/m in Amino acids 1.5 mM/min Urate 15 mg/min Lactate 75 mg/min Plasma protein 30 mg/min sekrece Substance Transport Maximum Creatinine 16 mg/min Para-ami nohippuric acid SO mg/min Guy ton & Hall. Textbook of Medical Physiology Tvorba moče - Tubulární procesy Aktivní transportní mechanismy Látky podléhající aktivnímu transportu bez transportního maxima („gradient-time transport). resorpce Na+ v proximálním tubulu Čím větší koncentrace Na+ v proximálním tubulu, tím větší rychlost resorpce. Čím pomalejší tok tekutiny v proximálním tubulu, tím více Na+ resorbováno. V distálnějších částech tubulu už podléhá transport Na+ transportnímu maximu (těsnější tight junctions, transport menší) - může být zvýšeno např. aldosteronem. Tvorba moče - Tubulární procesy Aktivní transportní me( 1) Primární aktivní transport 2) Sekundární aktivní transport 3) Pinocytóza (velké molekuly, např. bílkoviny, zejména v Peritubular capillary Tubular epithelial cells Tubular lumen Na (-70 mV) ,-- Na (-3 mv) Basal channels ^Tight junction Brush border (luminal membrane) Interstitial Basement fluid membrane Intercellular space Pasivní transportní mechanismy 1) Resorpce H20 osmózou ■ v proximálním tubulu (vysoce propustný pro H20) ■ aktivní resorpce solutů -> koncentrační gradient mezi lumen a intersticiem H20 osmózou do intersticia (gradient zrušen) 2) Resorpce solutů difúzí ■ Cľ (Na+ do intersticia, resorpce vody osmózou) ■ urea (resorpce vody osmózou) Tvorba moče - Tubulární procesy Peritubular capillary i i i i Tubular epithelial cells Tubu ar lumen (-3 mv) Tight junction Brush border (luminal membrane) Interstitial fluid Basement membrane Intercellular space Lumen fnegative potential Na~ reabsorption J H20 reabsorption I \ t Luminal Cl~ concentration t Luminal urea concentration \ Passive Cl~ reabsorption Passive urea reabsorption Guyton & Hall. Textbook of Medical Physiology Tvorba moče - Tubulární procesy Peritubular capillary Tubular cells FILTRATION Lumen Paracellular path Transcellular path Solutes REABSORPTION EXCRETION -1 Guyton & Hail. Textbook of Medical Physiology Tvorba moče - Tubulární procesy Fyzikální síly působící v perltubulárních kapilárách a intersticiu tubulární resorpce řízena hydrostatickými a koloidné osmotickými silami (obdobně jako GFR) GFR = Kf • čistý filtrační tlak i _ TRR = Kf ■ čistá resorpční síla Tvorba moče - Tubulární procesy Fyzikální síly působící v peritubulárních kapilárách a intersticiu Peritubular capillary Interstitial fluid Tubular cells reabsorption pressui Tubular lumen H20 -----Na Guyton & Hail. Textbook of Medical Physiology Tvorba moče - Tubulární procesy Tubuloglomerulární zpětná vazba Glomerulotubulární rovnováha Glomerulo-tubular balance Renal arteriolar pressure Glomerular capillary pressure GFR Solute reabsorption in proximal tubule Solute reabsorption in thick ascending limb Salt and fluid delivery to the distal tubule Tubulo- glomerular feedback Ganong's Review of Medical Physiology, 23rd edition? 1) 2) 3) 4) 5) 65% Tvorba moče - Tubulární procesy Proximální tubulus úplná resorpce látek klíčových pro organismus (glukóza, aminokyseliny) částečná resorpce látek důležitých pro organismus (ionty -Na+, K+, Cľ, aj.) resorpce vody sekrece H+ resorpce HC03~ Výsledek: izoosmotická tekutina, objem významně snížen Guyton & Hall. Textbook of Medical Physiology 1) 2) Tvorba moče - Tubulární procesy Henleova klička tenké sestupné raménko - pasivní resorpce vody osmózou tlusté vzestupné raménko - aktivní resorpce iontů (Na+/K+/2Cľ symport), sekrece H+, resorpce HC03" Thin descending loop of Henle Thick ascending loop of Henle Na+, Ch, K\ Ca", HC03- Mg tzv. protiproudový násobič Výsledek: hypotonická tekutina, objem dále snížen Tvorba moče - Tubulární procesy Henleova klička 1) tenké sestupné raménko - pasivní resorpce vody osmózou 2) tlusté vzestupné raménko - aktivní resorpce iontů (Na+/K+/2Cľ symport), sekrece hľ, resorpce HC03" Renal interstitial fluid Tubular cells r (atp) Paracellular diffusion ■ci- ✓ \ é \ X. Tubular lumen (+8 mV) Na+, K+ H+ \ i / > -<-( \^2Ch -4-^ S K+ Loop diuretics • Furosemide • Ethacrynic acid • Bumetanide Tvorba moče - Tubulární procesy tubulus 1) juxtaglomerulární aparát 2) aktivní resorpce solutů obdobná jako v tlustém raménku Henleovy kličky, rovněž neprostupný pro močovinu a vodu - tzv. diluční segment („ředí" tubulární tekutinu) Early distal tubule Renal interstitial fluid Tubular cells K+ V / > -4--4- ■ci- Výsledek: hypotonická tekutina Tubular lumen (-10mV) Na- ci- Thiazide diuretics: Tvorba moče - Tubulární procesy Sběrací kanálek (+ konec distálního tu bul u) 1) principiální buňky - resorpce Na+ a vody (ADH), sekrece K+ Late distal tubule and collecting tubule Principal cells Intercalated cells Renal interstitial fluid Tubular cells Tubular lumen (-50 mV) Aldosterone antagonists • Spironolactone • Eplerenone No channel blockers • Amiloride • Triamterene Tvorba moče - Tubulární procesy Sběrací kanálek (+ konec distálního tubulu) 1) principiální buňky - resorpce Na+ a vody (ADH), sekrece K+ 2) vmezeřené buňky - sekrece H+, resorpce HC03" a K+ Late distal tubule and collecting tubule Principal Intercalated cells H CO.-+ j Renal interstitial fluid Tubular cells CI"--- Cľ HCO3- + H+ 4 H2C03 Tubular lumen cr Carbonic anhydrase CO, H20 + CO-, Tvorba moče - Tubulární procesy Sběrací kanálek - medulární část 1) resorpce Na+ a Cl~, vody (ADH) i urey 2) sekrece H+, resorpce HC03" Medullary collecting duct í^-^ Tvorba moče - Tubulární procesy 0.02H ; výrazná sekrece v porovnání s H20 Proximal tubule Loop of Henle Distal tubule Collecting i tubule výrazná resorpce v porovnání s H20 Guyton &Hall. Textbook of Medical Physiology Funkční vyšetření íedvín Clearance Vyšetření funkce ledvinných tubulů a) Vyšetrení koncentrační schopnosti ledvin - Koncentrační pokus žízněním (velmi nepríjemné; po 12 hod žíznění odběr moči ve 4-hod intervalech - hustota, osmolalita; i odběr krve) - Ad i u ret i nový test (šetrnější k pacientovi; po večeři bez tekutin už vyšetřovaný nepije, ráno aplikace ADH přes nosní sliznici - hustota a osmolalita moči) a) Vyšetření zřeďovacích funkcí (test reakce na zvýšený příjem vody - u zdravého snížení ■ s produkce ADH + zvýšení diurézy, moč sníženou osmolalitu) \j Clearance = objem plazmy, která je ledvinami od dané látky očištěna za čas Pomocí clearance lze kvantifikovat exkreční schopnost ledvin, rychlost průtoku ledvinami i základní funkce ledvin (GFR, tubulární resorpce a sekrece). Clearance Stanovení rychlosti průtoku plazmy ledvinami (RPF) Clearance látky, která je v glomerulotubulárním aparátu nefronu plně očištěna z plazmy. PAH (paraaminohippurová kyselina) očištěna z 90% PPAH = 0.01 mg/ml Renal plasma flow RPF = 5,85 x 1 mg/min 0,01 mg/ml = 585 ml/min >■ Renal venous PAH = 0.001 mg/ml UpAH = 5.85 mg/ml V = 1 ml/min Guyton &Hall. Textbook of Medical Physiology Korekce na extrakcni pomer PAH (EPAH): Clearance Stanovení rychlosti glomerulární filtrace (GFR) Clearance látky, která je v glomerulu plně filtrována a není v tubulech resorbována ani secernována. Inulin Kreatinin Uinulin = 125 m9/ml V = 1 ml/min Guyton & Hall. Textbook of Medical Physiology Clearance Stanovení filtrační frakce (FF) FF je frakce plazmy, která se profiltruje glomerulární membránou. PP = GFR = 125 ml/min = Q 1Q _^ -20% plazmy je v RPF 650 ml/min ' glomerulu profiltrováno. Výpočet tubulární resorpce/sekrece A. GFR • Ps > V • Us látka je resorbována. B. GFR • Ps < V • Us látka je secernována.