Fisiologia apparato urinario

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1 Fisiologia apparato urinario

2 Funzioni del Rene Corticale Midollare Pelvi renale Uretere Nefroni Capsula Funzione di filtro: Eliminazione dal sangue ed escrezione con le urine di cataboliti (urea, creatinina, acido urico, prodotti finali degradazione emoglobina, metaboliti, ormoni) e sostanze esogene (farmaci, additivi alimentari) Funzione omeostatica: Regolazione equilibrio idrico Regolazione bilancio elettrolitico Regolazione equilibrio acido-base Regolazione pressione arteriosa Funzione ormonale: Produzione ormoni coinvolti in: Eritropoiesi (eritropoietina) Metabolismo Ca 2+ (forma attiva vitd = 1,25 -diidrossicolicalciferolo,) Regolazione pressione arteriosa e flusso ematico (renina)

3 Arteriole afferenti Arteria arcuata Glomeruli Vena arcuata Arteria renale Vena renale Nefrone corticale Flusso ematico renale (FER) = 1200 ml/min ( 21% gittata cardiaca). 90% corticale 10% midollare

4 Le funzioni del rene si esplicano a livello del nefrone Arteriola efferente Capillari glomerulari Capillari peritubulari 20% Apparato iuxtaglomerulare Arteriola afferente Ansa di Henle Dotto collettore Doppia capillarizzazione: capillari glomerulari + capillari peritubulari

5 Nel nefrone si realizzano 3 processi, che portano alla formazione dell urina: Ultrafiltrazione (glomerulo) Riassorbimento (tubuli) Secrezione (tubuli) Arteriola efferente Glomerulo Capillare peritubulare Tubulo distale Arteriola afferente Capsula di Bowman Ultrafiltrazione Riassorbimento Secrezione Escrezione Ansa di Henle Dotto collettore Alla vena renale URINA FINALE

6 Arteriola efferente Capillare peritubulare Alla vena renale Glomerulo Arteriola afferente Capsula di Bowman La quantità di qualsiasi sostanza presente nell urina (carico escreto) è il risultato della seguente espressione: Carico Escreto (E) = Carico Filtrato (F) Carico Riassorbito (R) + Carico Secreto (S) Perché per eliminare dal circolo le sostanze in eccesso, o tossiche è richiesta ultrafiltrazione e non è sufficiente la sola secrezione? Perché l ultrafiltrazione permette: Uscita più rapida delle sostanze dal circolo. Risparmio energetico, perché utilizza un processo fisico che sfrutta l energia pressoria creata dal cuore. L ultrafiltrazione impone però riassorbimento per recuperare le sostanze utili all organismo e quindi un lavoro metabolico per le cellule tubulari.

7 L ultrafiltrazione si realizza nel glomerulo Arteriola efferente Capsula di Bowman Epitelio capsulare Glomerulo Tubulo distale Podociti Tubulo prossimale Macula densa Cellule iuxtaglomerulari Arteriola afferente Capillari glomerulari Lume capsula Ultrafiltrazione: passaggio di un elevato volume di plasma privo di proteine (VFG) dai capillari glomerulari capsula di Bowman. La frazione del flusso plasmatico renale (FPR) che viene filtrata è detta: Frazione di filtrazione (FF) = VFG/FPR Normalmente viene filtrato 20% del plasma che fluisce attraverso il rene

8 L ultrafiltrazione è garantita dalle seguenti condizioni: Presenza di una struttura capace di trattenere le proteine e far passare solvente e cristalloidi (Barriera di ultrafiltrazione). Presenza di una pressione glomerulare (Pressione di filtrazione) risultante da una pressione ematica capace di superare la pressione colloido-osmotica del plasma e la pressione della capsula di Bowman.

9 Barriera di Ultrafiltrazione Permeabile a H 2 O + soluti con PM < 70KDa (albumina 69 KDa). Esercita azione selettiva in funzione di: dimensione (raggio molecolare) e carica elettrica (respinge cariche negative: le proteine a ph fisiologico si comportano come anioni). libera: raggio < 20Å (< 5 KDa) parziale: raggio 20-42Å (5-70 KDa) nulla: raggio > 42Å (> 70 KDa). Formata da: Endotelio fenestrato: (pori nm) caricato negativamente Membrana basale: collagene + proteoglicani polianionici e mucopolisaccaridi acidi (cariche negative fisse) Strato viscerale capsula di Bowman: podociti i cui prolungamenti (pedicelli) aderiscono alla mebrana basale grazie a ponti molecolari (integrine) e formano fessure (~5 nm) chiuse da diaframma (con pori di 4-14 nm) formato da nefrina e podocina ancorate all actina del citoscheletro tramite caderina (CD2AP). Filtrazione: f

10 Dimensioni e carica elettrica influenzano la filtrabilità La relazione tra dimensioni molecolari, carica e coefficiente di filtrazione (filtrabilità) è stata studiata utilizzando polimeri di destrano: la filtrabilità di macromolecole con raggio 20-42Å dipende dalla carica ed è maggiore per le forme cationiche. La filtrazione delle proteine è limitata perchè caricate negativamente. Se l albumina (raggio 35Å) fosse neutra filtrerebbe significativamente con conseguente ipoalbuminemia. Perdita della carica negativa sulla barriera di filtrazione (glomerulonefriti) provoca aumento di filtrazione delle proteine polianioniche con raggio fino a 42Å e comparsa nelle urine (proteinuria).

11 Velocità di filtrazione glomerulare (VFG) VFG è il volume di filtrato che si forma nell unità di tempo: 125 ml/min, 180 l/giorno (3 l plasma sono filtrati 60 volte in un giorno). Dipende da: Pressione netta di ultrafiltrazione (Pf) risultante delle forze di Starling (idrostatiche e colloido-osmotiche). Coefficiente di ultrafiltrazione (K f = permeabilità x superficie filtrante), che nel rene è 400 volte superiore a quello degli altri distretti vascolari.

12 Pressioni nei capillari sistemici P idrostatica capillare P oncotica plasma P idrostatica capillare P oncotica plasma C. arterioso C. venoso Filtrazione Riassorbimento -3 8 P idrostatica interstizio P oncotica interstizio -3 8

13 Pressioni e filtrazione nel glomerulo renale VFG = 125 ml/min (180 l/giorno) A. afferente A. efferente R a P c π p R e Capo afferente: P c = 60 mmhg π B = 0 mmhg P B = 18 mmhg π p = 28 mmhg Pf = 14 mmhg P B Capo efferente: P c = 59 mmhg π B = 0 mmhg P B = 18 mmhg π p = 36 mmhg Pf = 5 mmhg P f = P c (P B + π p ) Nel glomerulo non c è riassorbimento ma solo filtrazione

14 Pressioni e filtrazione Arteriola efferente VFG = 125 ml/min (180 l/dì) Glomerulo Arteriola afferente Re R a π p P c 18 mmhg 32 mmhg 60 mmhg P B Pf = 10 mmhg Capsula di Bowman P f mediamente = 60 ( ) = 10 mmhg

15 Per una VFG adeguata, il cuore deve assicurare una P ematica in grado di superare la P colloido-osmotica del glomerulo, che, per le caratteristiche del filtro glomerulare, dipende solo dalle proteine. Se il filtro fosse meno permeabile e trattenesse nel sangue molecole come glucosio ed aminoacidi, la P osmotica glomerulare da vincere aumenterebbe in proporzione alla concentrazione dei soluti che non ultrafiltrano (il solo glucosio 100 mg/100 ml eserciterebbe una pressione osmotica di mmhg). Questo ridurrebbe il lavoro metabolico del rene per riassorbire questi composti, ma aumenterebbe il lavoro cardiaco per assicurare una P ematica che consenta la filtrazione. Il bilancio tra lavoro del rene (per il riassorbimento) e lavoro del cuore (per produrre la P necessaria alla filtrazione) è ottenuto con una soluzione di compromesso: Un filtro così permeabile che la P osmotica da superare non imponga un lavoro eccessivo al cuore. Un filtro non troppo permeabile in modo che il lavoro del rene per il riassorbimento dei soluti di elevato valore biologico non sia eccessivo.

16 Pressione (mmhg) P c π p P B Modificazioni forze di Starling lungo i capillari glomerulari: P c : variazione modesta (1-2 mmhg) P B : costante π p : aumenta (28 mmhg 36 mmhg) 0 Arteriola afferente Distanza lungo il capillare glomerulare π B Arteriola efferente Pressione (mmhg) P f Forze a favore della filtrazione P c + π B Forze contro la filtrazione π p +P B Quando le forze si bilanciano la filtrazione si azzera Arteriola afferente Distanza lungo il capillare glomerulare Arteriola efferente

17 La variazione di π p lungo i capillari glomerulari dipende dal flusso plasmatico glomerulare P f Flusso basso Dipendenza della VFG dal FPR 100% normale P f Flusso normale VFG 100% normale P f FPR Arteriola afferente Flusso elevato Distanza lungo il capillare glomerulare Arteriola efferente La relazione tra VFG e FPR definisce la frazione di filtrazione FF = VFG/FPR

18 La velocità di incremento della pressione colloido-osmotica osmotica glomerulare dipende dalla frazione di filtrazione (FF = VFG/FPR) Pressione colloido-osmotica glomerulare (mmhg) Frazione di filtrazione Normale Frazione di filtrazione < FPR o > VFG > FPR o < VFG Estremità afferente Distanza lungo il capillare glomerulare Estremità efferente

19 Fattori che determinano riduzione della VFG: K f : riduzione numero capillari glomerulari funzionanti (glomerulonefriti), ispessimento parete capillare (ipertensione cronica, diabete mellito). P B : ostruzione vie urinarie. π p Pc Fattori maggiormente soggetti a variazioni e quindi sotto controllo fisiologico ai fini della regolazione della VFG

20 La P c dipende da tre variabili regolate in condizioni fisiologiche: Pressione arteriosa P A P c e VFG ( FER) P A P c e VFG ( FER) Effetto controllato da autoregolazione renale Resistenza arteriole afferenti R a P c e VFG ( FER) R a Pc e VFG ( FER) Resistenza arteriole efferenti R e Pc e VFG ( FER) R e Pc e VFG ( FER) Per R e, VFG varia con andamento bifasico: R e modesti VFG R e consistenti π p VFG

21 Flusso ad altri organi 200 R FER Pc VFG Costrizione arteriola afferente: VFG (ml/min) * * normale VFG FER FER ( ml/min) FER + Pc + VFG Resistenza arteriole afferenti (x normale) 200 Flusso ad altri organi Pc VFG R FER Costrizione arteriola efferente modesta: FER + Pc + VFG VFG (ml/min) * * normale VFG FER FER ( ml/min) Costrizione arteriola efferente intensa: FER + Pc + VFG Resistenza arteriole efferenti (x normale) 200

22 Sostanze che modificano la Resistenza delle arteriole afferenti ed efferenti influenzando FER e VFG SNS + Adrenalina (α 1 ): vasocostrizione (soprattutto a. afferente) FER + VFG. Effetto minimo in condizioni normali, consistente in caso di emorragia imponente, ischemia cerebrale, paura, dolore. Angiotensina II (AT 1 ): prodotta a livello sistemico e renale vasocostrizione a. afferente ed efferente (più sensibile) FER + e VFG. Adenosina (A 1A ): prodotta da macula densa vasocostrizione a. afferente FER + VFG. Coinvolta nel feedback tubulo-glomerulare. NO: vasodilatazione a. afferente ed efferente. Agisce in condizioni normali e contrasta l effetto vasocostrittore di Ang II e catecolamine. Endotelina: prodotta da endotelio vasi renali e c. mesangio vasocostrizione a. afferente ed efferente FER + VFG. Produzione elevata in diverse patologie del glomerulo (alterazioni associate a diabete mellito). PGE 1, PGE 2, PGI 2 : vasodilatazione (soprattutto a. afferente) FER + VFG. Non hanno effetto in condizioni normali ma in condizioni patologiche (emorragia) attenuano gli effetti vasocostrittori di simpatico e Ang II prevenendo vasocostrizioni che possono portare a ischemia renale. Bradichinina: Stimola rilascio NO e PG vasodilatazione FER+ VFG

23 Autoregolazione renale Funzione principale: stabilizzare la VFG per mantenere un controllo fine dell escrezione di H 2 O e soluti. VFG (l/die) Ambito di autoregolazione mmhg Pressione arteriosa media (mmhg) Senza autoregolazione, aumenti anche piccoli di P A ( mmhg), produrrebbero aumenti di VFG da 180 l/die (7.5 l/h) 216 l/die (9 l/h). Con riassorbimento tubulare invariato (178.5 l/die, 7.4 l/h) l escrezione urinaria aumenterebbe da 1.5 l/die (62.5 ml/h) 36 l/die (1.5 l/h) completa deplezione volume ematico in 2 ore.

24 Nell ambito di autoregolazione ( mmhg) le variazioni di FER sono minime e VFG rimane costante, mentre il flusso urinario (VU) aumenta in maniera significativa, incrementando l escrezione di acqua e sodio (diuresi e natriuresi pressoria: controllo renale della P A ) grazie a modificazioni del riassorbimento. P A riassorbimento H 2 O e Na + diuresi e natriuresi

25 Meccanismi dell autoregolazione renale: Feedback tubulo-glomerulare Meccanismo miogeno o di Bayliss (scarso) Meccanismi di regolazione aggiuntivi permettono la regolazione del riassorbimento tubulare in rapporto a variazioni della VFG. Bilancio glomerulo-tubulare

26 Feedback tubulo-glomerulare Macula densa sensibile a [NaCl] tubulare P A VGF NaCl alla MD P A VFG NaCl alla MD Tubulo Mesangio AA NaCl MD ATP-ADE NaCl liberazione sostanze paracrine da MD: ATP (P 2 ) + Adenosina (A 1A ) vasocostrizione a. afferente + produzione Renina (cellule iuxtaglomerulari) NaCl liberazione sostanze paracrine: PGE 2 vasodilatazione a. afferente + produzione Renina (cellule iuxtaglomerulari) Angiotensina II vasocostrizione a. efferente

27 Variazioni di P A P A FER P f VFG Carico di NaCl alla MD ATP +ADE Vasocostrizione arteriola afferente SRA - P A FER P f VFG Carico di NaCl alla MD PG Vasodilatazione arteriola afferente SRA +

28 Feedback tubulo-glomerulare R a Pf = 10 mmhg R e VFG 125 ml/min P A Pf = 20 mmhg Pf = 10 mmhg VFG 250 ml/min Costrizione afferente 18 VFG 125 ml/min P A Pf = 5 mmhg VFG 62.5 ml/min Dilatazione afferente Pf = 10 mmhg VFG 125 ml/min Costrizione efferente (SRA)

29 Meccanismi di rilascio della Renina in risposta a riduzione della pressione arteriosa P A P a. afferente Riflesso barocettivo VFG attività simpatico [Na + ] e [Cl - ] tubulo distale MD c. iuxtaglomerulari segnali chimici Secrezione Renina

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31 Effetto miogeno (Byliss) R a Pf = 10 mmhg R e Stiramento parete afferente Pf = 20 mmhg 18 VFG 125 ml/min Pf = 10 mmhg VFG 140 ml/min Contrazione parete afferente 18 VFG 125 ml/min P A

32 Bilancio glomerulo-tubulare (effetto della P oncotica) R a Pf = 10 mmhg R e 18 VFG 125 ml/min Pf = 20 mmhg L aumento della VFG incrementa π p VFG 250 ml/min P A In seguito ad aumenti della VFG il flusso tubulare a valle è riportato alla norma per aumento del riassorbimento