Giuseppe Regolisti Dipartimento di Clinica Medica, Nefrologia. Università di Parma

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1 Fisiologia del metabolismo dell acqua e del sodio Giuseppe Regolisti i Dipartimento di Clinica Medica, Nefrologia e Scienze della Prevenzione Università di Parma

2 Acqua totale corporea L acqua Lacqua rappresenta il principale costituente dell organismo, sia in terminidivolumechedipeso. Rappresenta il 60% del peso corporeo nell uomo, circa 50% nella donna E distribuita principalmente nel tessuto non adiposo e costituisce circa il 72% della massa magra E distribuita in due compartimenti principali, intra- (2/3) ed extracellulare (1/3) (rispettivamente 40% e 20% del peso corporeo) L extracellulare l è suddiviso in due compartimenti: plasmatico (1/4, 5% del peso corporeo) e interstiziale (3/4, 15% del peso corporeo) H2O extracellulare ESEMPIO: Uomo di 70 Kg H2O intracellulare H20 plasmati ica H20 interstiz ziale H2O totale corporea H20 totale 42 L H20 intracellulare 28 L H20 extracellulare 14 L H20 plasmatica 3.5 L H2O interstiziale 10.5 L

3 I soluti contenuti nell acqua corporea L acqua corporea non è pura ma è in realta una soluzione (solvente + soluti), nella quale il solvente è l acqua stessa, e i soluti sono rappresentati principalmente da elettroliti e altre sostanze (ad es aminoacidi, vitamine, proteine etc.) I principali i elettroliti liti del nostro organismo sono il sodio (Na), il potassio (K), il cloro (Cl), il bicarbonato (HCO3), il calcio (Ca), il magnesio (Mg), il fosforo (P) Non tutti i compartimenti idrici corporei hanno la stessa concentrazione di elettroliti e in particolare: Extracellulare: Sodio 140 mmol/l Potassio 4 mmol/l Cloro 104 mmol/l HCO3 24 mmol/l Intracellulare Sodio 10 mmol/l Potassio 140 mmol/l Cloro 4 mmol/l HCO3 10 mmol/l

4 Compartimentalizzazione dei principali cationi: Ruolo della pompa p Na/K-ATPasi

5 Distribuzione dei fluidi corporei La distribuzione e la composizione dei fluidi corporei sono strettamente tt t regolate, in modo da assicurare condizioni costanti all omeostasi generale dell organismo Presupposto fondamentale di tale regolazione è costituito dal mantenimento del bilancio dell acqua e del sodio

6 Bilancio dei fluidi: 2 tipi di bilancio Interno (distribuzione dei fluidi tra i compartimenti): basato sugli scambi tra i differenti compartimenti idrici corporei. E governato da: a) forze di Starling scambi tra compartimento intravascolare capillare e compartimento interstiziale b) variazioni di tonicità scambi di H2O tra extra ed intracellulare Esterno: basato sugli scambi tra organismo ed ambiente esterno (introduzione e perdite di H 2 O)

7 Bilancio dei fluidi: 2 tipi di bilancio Interno (distribuzione dei fluidi tra i compartimenti): basato sugli scambi tra i differenti compartimenti idrici corporei. E governato da: a) forze di Starling scambi tra compartimento intravascolare capillare e compartimento interstiziale b) variazioni di tonicità scambi tra extra ed intracellulare Esterno: basato sugli scambi tra organismo ed ambiente esterno (introduzione e perdite di H2O)

8 Mole (M): peso molecolare (o ionico o atomico) espresso in grammi. Contiene N di Avogadro (6.022 x ) di molecole (o di ioni o di atomi) Osmole (Osm): unità equivalente alla quantità di soluto che si dissocia per dare N di Avogadro di particelle disciolte in soluzione Osmolarità:èdatadal è dal numero di particelle osmoticamente attive formate in soluzione Osm/L = moles x n / L (n, numero di particelle in soluzione) Assumendo una dissociazione completa di un composto: 1 mole of glucosio in 1 L = soluzione 1 osmolare 1 mole of NaCl in 1 L = soluzione 2 osmolare 1 mole of fcaclcl 2 in 1 L = soluzione 3 osmolare Concentrazioni fisiologiche: unità milliosmolari l i più comunemente impiegatei 1 mosm= 10-3 osmoli/l

9 Il concetto di tonicità Il termine tonicità definisce le forze che determinano movimento di fluidi tra due soluzioni separate da una membrana permeabile all acqua ma impermeabile ai soluti in soluzione Poiché le membrane sono liberamente permeabili all acqua, variazioni di concentrazione di soluti non permeabili ai due lati di una membrana provocheranno movimenti di acqua dalla soluzione più diluita a quella meno diluita, variando la concentrazione dei soluti all interno ed all esterno delle cellule ed anche il volume di esse La pressione idrostatica necessaria ad impedire lo spostamento di acqua tra i due compartimenti equivale alla tonicità (osmolarità efficace) di una soluzione

10 Tonicità o osmolarità efficace L osmolarità è data dal numero di particelle disciolte in soluzione, indipendentemente dalla carica elettrica e dalle dimensioni. L osmolarità fornisce informazioni sul numero totale di particelle contenute in una soluzione, ma non sul numero di particelle che, non potendo attraversare le membrane liberamente, sono realmente in grado di determinare movimenti di acqua Una quota dell osmolarità è costituita da particelle (come ad esempio l urea nei fluidi corporei) che sono liberamente permeabili attraverso le membrane cellulari l La tonicità corrisponde invece all osmolarità efficace, cioè al p ff, numero di particelle che realmente sono in grado di determinare spostamento di acqua tra i due lati di una membrana semipermeabile

11 Tonicità dell extracellulare ed effetti delle sue variazioni sul volume cellulare Soluzione ipotonica La tonicità nell extracellulare e minore che nell intracellulare: l acqua passera all interno della cellula che aumenta di volume Soluzione isotonica La tonicità e uguale nei due compartimenti: non ci sara movimento di acqua (la cellula non cambia di volume) Soluzione ipertonica La tonicità nell intracellulare e minore che nell extracellulare: l acqua passera dalla cellula (che si riduce di volume) all esterno

12 L osmolarità efficace di ECF e ICF all equilibrio i deve essere uguale ECF ICF H 2 O ECF Osm = ICF Osm

13 Osmolarità plasmatica: 2[Na + ] (mmol/l) + [Urea] (mg/dl)/2.8 + [Glucosio] (mg/dl)]/18 Tonicità plasmatica (o osmolarità efficace): 2[Na + ] (mmol/l) + [Glucosio] (mg/dl)/18 Volume ICF: determinato dalla tonicità plasmatica sodiemia (in rapporto inverso) V l ECF d i d l di Volume ECF: determinato dal contenuto di Na + nel fluido extracellulare

14 Aumento della sodiemia ECF ICF H 2 0 [Na + ]

15 Riduzione della sodiemia ECF ICF H 2 0 Cell [Na + ] Swelling

16 Il mantenimento del patrimonio dei fluidi corporei è garantito dal controllo del bilancio esterno di H 2 O (entrate ed uscite)

17 e dal controllo del bilancio esterno di Na + (entrate ed uscite) Il contenuto corporeo di Na + dipende dal bilancio tra l apporto e l escrezione renale di Na + All equilibrio, l escrezione renale di Na + deve essere uguale all apporto di Na + L escrezione renale di Na + è regolata dalle variazioni del volume dell ECF

18 Bilancio dell acqua edelsodio Bilancio dell acqua Apporto regolato (sete) Escrezione urinaria di H 2 O e sete governate dalle variazioni di volume cellulare Escrezione urinaria di H 2 Oe sete influenzate dallo stato dei volumi (ECF e volemia efficace) Effettore: ADH (vasopressina) Bilancio del sodio Apporto non regolato Escrezione urinaria di Na + governata dallo stato del volume dell ECF e dalla volemia efficace Effettori multipli

19 Bilancio dell acqua edelsodio Bilancio dell acqua Apporto regolato (sete) Escrezione urinaria di H 2 O e sete governate dalle variazioni di volume cellulare Escrezione urinaria di H 2 Oe sete influenzate dallo stato dei volumi (ECF e volemia efficace) Mediatore: ADH (vasopressina) Bilancio del sodio Apporto non regolato Escrezione urinaria di Na + governata dallo stato del volume dell ECF e dalla volemia efficace Mediatori multipli

20 Meccanismi di controllo del bilancio esterno dell acqua Introduzione di H 2 O: Meccanismo della sete Conservazione ed eliminazione renale dell H 2 O (meccanismi di concentrazione e diluizione delle urine) gradiente osmotico midollare ADH

21 Stimoli in grado di indurre il meccanismo della sete Volume circolante osmolalità Secchezza efficace plasmatica delle fauci Barocettori Osmocettori (OVLT, SFO) Angiotensina II (+) (+) (+) (+) Sete

22 Fattori necessari per la concentrazione e la diluizione delle urine Generazione e mantenimento dell ipertonicità midollare: a) Adeguato delivery di sodio al nefrone distale b) Riassorbimento di sodio a livello dell ansa di Henle e del tubulo contorto distale c) Impermeabilità all acqua del THAL d) Moltiplicazione in controcorrente e) Ricircolo dell urea f) Flusso midollare normale Variabile permeabilità all acqua (ADHdipendente) del dotto collettore

23 Generazione renale di acqua libera Riassorbimento di NaCl senza H 2 O Riassorb. NaCl diluisce il fluido endoluminale Hays RM in The Kidney, Brenner & Rector, eds, 1976

24 Generazione renale di acqua libera Riassorb NaCl crea un gradiente di concentrazione midollare Hays RM in The Kidney, Brenner & Rector, eds, 1976

25 Arginin-Vasopressina (AVP o ADH)

26 Sintesi e secrezione ADH Sintesi nei neuroni secretori nuclei SO e PV ipotalamo Trasporto assonale lungo il peduncolo ipofisario Ril i d ll t i i i ih ll i fi i Rilascio dalle terminazioni assoniche nella ipofisi posteriore

27 Regolazione della secrezione di ADH Vie afferenti osmotiche a partenza dagli osmorecettori ipotalamici (OVLT e SFO, regione antero-ventrale 3 ventricolo) Vie afferenti non-osmotiche a partenza dai barocettori arteriosi e di volume (nn. glossofaringeo e vago) Gli inputs della via osmotica e della via nonosmotica convergono sulla stessa popolazione p di neuroni secretori

28 Osmoregolazione vs Regolazione da volume della secrezione di ADH Relazione lineare fra Posm e secrezione di ADH: variazioni della osmolarità dell 1-2% modificano la secrezione di ADH Relazione esponenziale fra volemia e secrezione di ADH: solo riduzioni della volemia efficace > 10% causano incrementi marcati della secrezione di ADH

29 Fattori che influiscono sulla secrezione di ADH Stimoli Iperosmolarità Ipovolemia Nausea Dolore Inibitori Ipo-osmolaritàosmolarità Ipervolemia Etanolo Fenitoina Stress (es. perioperatorio) Ipoglicemia IL-6 Gravidanza Nicotina Farmaci

30 Stimolazione ed effetti ADH Posm + + Vol. Intravasc. V 2 Recettori ADH V 1a Recettori Regolano riassorbimento H 2 O nel rene Regolano Tono Vascolare

31 V -R 2

32 Meccanismo d azione dell ormone antidiuretico a livello delle cellule del tubulo collettore renale

33 Effetto dell ADH sull escrezione di acqua libera Livelli soppressi di ADH: dotto collettore impermeabile ad H 2 O H 2 O Hays RM in The Kidney, Brenner & Rector, eds, 1976

34 Effetto dell ADH sull escrezione di acqua libera Livelli elevati di ADH: dotto collettore permeabile ad H 2 O (interstizio ipertonico) H2O Hays RM in The Kidney, Brenner & Rector, eds, 1976

35 ADH e U osm U osm varia da 50 mosm/kg a 1200 mosm/kg Robertson, GL J Lab Clin Med 1983; 101:351

36 Effetti renali dell ADH Incremento della permeabilità all acqua dell intero CD Incremento della permeabilità all urea del CD midollare Riduzione del flusso ematico nei vasa recta Aumento del espressione del trasportatore Na/K/2Cl nel THAL

37 Bilancio dell acqua edelsodio Bilancio dell acqua Apporto regolato (sete) Escrezione urinaria di H 2 O e sete governate dalle variazioni di volume cellulare Escrezione urinaria di H 2 Oe sete influenzate dallo stato dei volumi (ECF e volemia efficace) Mediatore: ADH (vasopressina) Bilancio del sodio Apporto non regolato Escrezione urinaria di Na + governata dallo stato del volume dell ECF e dalla volemia efficace Mediatori multipli

38 Bilancio esterno del Na + ght (kg) Wei Apporto = Escrezione So odium (m meq) Intake Excretion Days

39 Bilancio del Na + : risposta alla variazione i di apporto Weig ght (kg) Sod ium (me Eq) Intake Intake Apporto > Escrezione Excretion Days

40 Bilancio del Na + : risposta alla variazione i di apporto Weig ght (kg) Intake 150 Sodium (meq) Excretion Excretion Excretion L escrezione di Na + aumenta nell arco di alcuni gg Days

41 Bilancio del Na + : risposta alla variazione i di apporto Sodium (meq) Weight (kg) Weight 72 Gain 71 Intake Positive 150 Balance Nuovo equilibrio: Escrezione = Apporto 100 Excretion 50 Days

42 Bilancio del Na + : risposta alla variazione i di apporto Weight (kg) 72 ECF Volume 71 Nuovo equilibrio: 150 Contenuto di Na+ nell ECF Peso corporeo Non [Na + ] Sod dium (me Eq) (Poichè vi sarà stato t incremento nell introito e nella ritenzione di H2O) Days

43 Regolazione del volume dell ECF : meccanismi di segnale L escrezione renale di Na + risponde allo stato del: Volume circolante efficace Il riempimento del sistema arterioso ( volemia efficace ) è una funzione complessa di: Volume totale ECF Gittata cardiaca Resistenze periferiche Capacitanza venosa Pressione oncotica Permeabilità capillare Plas sma Fluido interstiziale 1/4 3/4 ECF

44 Sensori di volume Cardiopulmonary Atrial (distension) Ventricles (distension) Juxtapulmonary (interstitial pressure) Arterial Aortic arch (pressure) Carotid sinus (pressure) Hepatic Portal vein (pressure) Renal Afferent arteriole (pressure) Macula densa (NaCl delivery) Cardiac atria Cardiac ventricles adapted from Guyton AC. Textbook of Medical Physiology, 2002.

45 Escrezione renale di Na + : meccanismi effettori Intrarenali GFR Autoregolazione del flusso renale Bilancio glomerulo-tubulare Feed-back tubuloglomerulare Attività dei nervi simpatici renali Distribuzione intrarenale del flusso ematico Relazione pressione/natriuresi Neuroumorali SNS SRAA Peptidi natriuretici (ANP, BNP, C-type, urodilatina) Composti digoxin-like ADH Endoteline Prostaglandine NO

46 Regolazione della sodiemia vs regolazione del contenuto t di Na + nell ECF Concentrazione sierica di Na + Variabile semplice Un sensore principale (osmocettori, tonicità del plasma) Un singolo ormone (ADH) Un singolo effetto ormonale( sintesi i ed inserzione di AQP2 nel DC) Contenuto di Na + nell ECF Variabile complessa( volume circolante eficace ) Sensori multipli (baro- e volocettori) Multiple regolazioni ormonali + SNS Multipli effetti di ciascun mediatore neuro-umorale

47 Errori concettuali frequenti La sodiemia correla con il contenuto corporeo di sodio I sistemi fisiologici di regolazione della sodiemia e del contenuto corporeo di sodio coincidono Errori clinici frequenti L iposodiemia i i è espressione di deplezione di sodio Il trattamento razionale della iposodiemia consiste nella somministrazione di soluzione salina a concentrazione superiore a quella plasmatica La soluzione salina fisiologica è comunque in grado di correggere parzialmente l iposodiemia indipendentemente dalle cause della iposodiemia

48 Approccio corretto Corrispettivo clinico Terapia fisiologica appr.ta Eccesso di sodio corporeo Espansione ECF Ipervolemia Escrezione di Na + Edema Deficit di sodio corporeo Deplezione ECF Ripristinare Ipovolemia il contenuto di Na + Eccesso di H 2 O (libera) Iposodiemia Escrezione H 2 O (libera) Aumento volume cell Intake H 2 O (libera) Deficit di H 2 O (libera) Ipersodiemia Contrazione volume cell Escrezione H 2 O (libera) Intake di H 2 O (libera)