Università degli studi di Verona Sede aggregata di Trieste Scuola di Specializzazione in Nefrologia Elisa Bedina Ilenia Filippi Dalla FILTRAZIONE GLOMERULARE alla PRODUZIONE di URINA Corso Integrato di Fisiologia Umana II - 9 e 11 Aprile 2013 1 Il RENE 2 1
Il NEFRONE 3 Superficially, it might be said that the function of the kidneys is to make urine; but in a more considered view one can say that the kidneys make the stuff of philosophy itself H. W. Smith 4 2
Le FUNZIONI del RENE OMEOSTATICHE DEPURATIVE ENDOCRINE! Regolazione dell osmolarità del liquido extracellulare attraverso variazioni nel volume di acqua.! Regolazione del volume del liquido extracellulare attraverso variazioni nella quantità del Na.! Regolazione della composizione ionica del liquido extracellulare (Na, K, Cl, Ca, Mg, SO4, HPO4), essenziale per ilcorretto funzionamento dei processi cellulari.! Regolazione dell acidità del liquido extracellulare, attraverso la regolazione della concentrazione di H.!! Escrezione dei prodotti di scarto: urea (dalle proteine), acido urico (dagli acidi nucleici), creatinina (dalla fosfocreatina muscolare), derivati dell emoglobina, metaboliti degli ormoni, ecc. Escrezione delle sostanze estranee: tossine di origine vegetali, ed animali, farmaci, pesticidi, additivi, alimentari, ed i loro metaboliti.!!! Secrezione dell ormone Renina, componente del sistema RAAS, per la regolazione del volume del liquido extracellulare. Secrezione dell ormone Eritropoietina (EPO), stimolo per la produzione midollare degli eritrociti, in risposta a variazioni nella PO2 a livello renale. Produzione dell ormone 1,25-diidroxivitamina D3, componente di un circuito per la regolazione della quantità degli ioni Ca e K a livello corporeo totale. 5 1.200 ml/min di SANGUE 1- FILTRAZIONE GLOMERULARE 2/3 RIASSORBIMENTO e SECREZIONE TUBULARE 180 Lt/giorno di ULTRAFILTRATO 1,5 Lt/giorno di URINA 6 3
1 FILTRAZIONE glomerulare 2 - RIASSORBIMENTO di acqua e soluti dall ultrafiltrato 3 - SECREZIONE selettiva di alcune sostanze che vengono trasferite dai capillari peritubulari al liquido tubulare. 7 L ESCREZIONE RENALE di una determinata sostanza è data dalla quantità di sostanza filtratata meno la riassorbita più la quantità secreta. E = F-R+S E = escreto F = filtrato R = riassorbito S = secreto 8 4
1- FILTRAZIONE GLOMERULARE 2/3 RIASSORBIMENTO e SECREZIONE TUBULARE 9 Il GLOMERULO RENALE 10 5
La PARETE del CAPILLARE GLOMERULARE 11 I PODOCITI 12 6
La BARRIERA di FILTRAZIONE GLOMERULARE SPAZIO di BOWMAN DIAFRAMMA di FILTRAZIONE Processi pedicillari dei PODOCITI LUME CAPILLARE MEMBRANA BASALE GLOMERULARE (lamina rara interna, lamina densa, lamina rara esterna) ENDOTELIO FENESTRATO 13 La BARRIERA di FILTRAZIONE GLOMERULARE 14 7
- I fori di filtrazione hanno un ampiezza di 30-40 nm. SLIT DIAPHRAGM -!La membrana del poro di filtrazione (Slit diaphragm) è costituita da proteine e comprende Nefrina, NEPH1-3, P-caderina, FAT1. -! Queste proteine prendono contatto con il citoscheletro dei processi pedicillari 15 Lo SCOLAPASTA GLOMERULARE: quali MOLECOLE PASSANO il FILTRO? - DIMENSIONE - le molecole con diametro > di 4nm non vengono filtrate, al di sotto dei 1,8-2 nm di diametro passano il filtro. Per le molecole con diametro compreso tra 2 e 4 la filtrazione è variabile. -! FORMA - CARICA delle MOLECOLE - le cellule endoteliali e i podociti sono coperte da un GLICOCALICE caratterizzato da molecole cariche negativamente (glicoproteine, glicosamminoglicanie e proteoglicani). La membrana 16 basale è ricoperta da proteoglicani ed eparansolfati. 8
Quali sono le FORZE che permettono l ULTRAFILTRAZIONE GLOMERULARE? - PRESSIONE IDROSTATICA all INTERNO del CAPILLARE GLOMERULARE HPgc -! PRESSIONE IDROSTATICA a LIVELLO dello SPAZIO di BOWMAN HPbs -! PRESSIONE ONCOTICA a LIVELLO dello SPAZIO di BOWMAN HPbs -! PRESSIONE ONCOTICA a LIVELLO del CAPILLARE GLOMERULARE - OPgc OPgc HPbs HPgc OPbs PRESSIONE di FILTRAZIONE = (HPgc +OPbs) - (HPbs+OPgc) OPbs = 0 mmhg PF=HPgc-(HPbs+OPgc)=50-(15+25)= 10mmHg 17 Arteriola Afferente Arteriola Efferente HPbs=15 mmhg OPgc=20 mmhg PF = 50-(15+20) = 15 mmhg HPgc= 50mmHg PF = 50-(15+35) = 0 mmhg HPbs=15mmHg OPgc=30 mmhg PF = 50-(15+30) = 5 mmhg HPbs=15mmHg OPgc=25mmHg PF = 50-(15+25) = 10 mmhg 18 9
GLOMERULAR FILTRATION RATE GFR = Kf x PF GFR = Kf [(HPgc +OPbs)-(HPbs+OPgc)] Kf = coefficiente di filtrazione - Il GFR, Glomerular Filtration Rate rappresenta la velocità con cui un certo volume di fluidi è filtrato dall insieme dei nefroni, come tale è espresso in ml/min/sup.corporea. - Nel rene normale è pari a 120ml/min/1,73m2 - Dipende dalla pressione di filtrazione glomerulare e dal coefficiente di filtazione Kf. 19 La CLEARANCE RENALE La CLEARANCE RENALE di una determinata sostanza è il VOLUME di PLASMA FILTRATO dal rene, necessario per l ESCREZIONE di un determinato quantitativo di quella sostanza nell unità di tempo. Cl = UV/P Cl = Clearance U = conc. urinaria della sostanza V =volume urinario P = conc. plasmatica della sostanza L ESCREZIONE RENALE di una determinata sostanza è data dalla quantità di sostanza filtratata meno la riassorbita più la quantità secreta. E = F-R+S E = escreto F = filtrato R = riassorbito S = secreto 20 10
Cl= Ø E=F-R= Ø Es: Glu, AA Sostanze FILTRATE e RIASSORBITE COMPLETAMENTE Cl<GFR E=F-R Es: Urea RIASSORBIMENTO PARZIALE Cl=GFR E=F Es:creatin ina, inulina, EDTA Sostanze SOLO FILTRATE Cl>GFR E=F+S Es:PAH Es: Farmaci E=S Es: Ac.Urico Sostanze FILTRATE e SECRETE Sostanze SOLO SECRETE Sostanze FILTRATE, completamente RIASSORBITE e poi SECRETE 21 Queste sostanze non vengono riassorbite né secrete, ma solamente filtrate Perciò la quantità escreta è pari alla quantità filtrata (E = F) di conseguenza si possono utilizzare facilmente per MISURARE il GFR, infatti: Cl = UV/P = GFR 22 11
MARKERS per la MISURAZIONE del GFR -! MARKERS ENDOGENI: -! CREATININA -! UREA -! CISTATINA C -! MARKERS ESOGENI: -! INULINA -! EDTA 23 CREATININA - La CREATININA è un prodotto del catabolismo muscolare, deriva dalla FOSFOCREATINA MUSCOLARE. - È rilasciata nel circolo muscolare a velocità costante, non si lega alle proteine in circolo ed liberamente filtrata dal glomerulo (ed in piccolissima percentuale secreta dal tubulo). - Il calcolo della Clearance della creainina (Cl.Creat=U creat xv urine /P creat ) consente dei misurare il GFR e di fornire quindi una stima della FUNZIONALITÀ RENALE. 24 12
FORMULE per la STIMA del GFR -! FORMULA di CROCKROFT-GAULT - FORMULA MDRD (Modification of Diet in Renal Disease) 25 AUTOREGOLAZIONE del FLUSSO SANGUIGNO GLOMERULARE La velocità di filtrazione glomerulare ed il flusso ematico si mantengono praticamente COSTANTI grazie a meccanismi di feedback intrinseci al rene. Questa AUTOREGOLAZIONE stabilizza il GFR per mantenere un controllo fine dell escrezione di acqua e soluti (si pensi che oscillazioni di valori pressori da 75 a 160 mmhg modificano di pochi punti percentuali il GFR). Esistono inoltre meccanismi adattativi che consentono di modulare l attività di riassorbimento dai tubuli renali in rapporto alle eventuali variazione di GFR (Feedback glomerulo tubulare) - RIFLESSO MIOGENO - FEEDBACK TUBULO GLOMERULARE 26 13
RIFLESSO MIOGENO L arteriola afferente si VASOCOSTRINGE (contrazione della muscolatura liscia) ogni qualvolta è presente uno stiramento od un aumento di tensione delle pareti del vaso Lo stiramento della parete vascolare facilita lo scambio di ioni calcio che passano in maggior quantità dal liquido extracellulare dentro le cellule, facilitando la contrazione. 27 FEEDBACK TUBULOGLOMERULARE L aumentato carico di sodio a livello del tratto spesso ascendente dell ansa di Henle provoca vasocostrizione a livello della arteriola afferente. La diminuzione del sodio a livello delle cellule della macula densa genera diminuzione della resistenza delle arteriole afferenti. 28 14
Il diminuito apporto di Na alla macula densa provoca uno stimolo alle cellule juxtaglomerulari le quali producono renina che induce la formazione di Angiotensina I e quindi di Angiotensina II, la quale restringe il calibro delle arteriole afferenti aumentando la pressione idrostatica glomerulare; l effetto netto è un rialzo della pressione idrostatica glomerulare (HP), e relativo mantenimento del GFR PA - - HP GLOMERULARE GFR NaCl MACULA DENSA RENINA ANGIOTENSINA II RESISTENZA AE Riassorb.Pros simale NaCl RESISTENZA AA 29 Si pensa che a livello locale il mediatore del FEEDBACK TUBULOGLOMERULARE sia costituito dall ADENOSINTRIFOSFATO (ATP) o da altri mediatori come l Angiotensina II o il NO. 30 15
31 32 16
IL TUBULO RENALE 33 34 17
1 FILTRAZIONE glomerulare 2 - RIASSORBIMENTO di acqua e soluti dall ultrafiltrato 3 - SECREZIONE selettiva di alcune sostanze che vengono trasferite dai capillari peritubulari al liquido tubulare. 35 Il TUBULO PROSSIMALE IL TUBULO PROSSIMALE HA un ALTISSIMA CAPACITÀ DI RIASSORBIMENTO Fino al 65% del CARICO FILTRATO di H 2 0 e Na + vengono riassorbiti a livelllo del tubulo prossimale prima che l ultrafiltrato raggiunga l ansa di Henle. Tutto ciò avviene grazie alle caratteristiche delle cellule che lo compongono. 36 18
Le CELLULE del TUBULO PROSSIMALE - HANNO UN ELEVATO METABOLISMO, QUINDI SONO PROVVISTE di NUMEROSISSIMI MITOCONDRI - SONO PROVVISTE di UN COSPICUO APPARATO LISOSOMIALE - SONO PROVVISTE DI BRUSH BORDER e di un INTRICATO SISTEMA di CANALI INTRACELLULARI e BASALI; QUESTE STRUTTURE AUMENTANO LA SUPERFICIE di MEMBRANA DISPONIBILE per il TRASPORTO di SODIO e di ALTRE SOSTANZE - LE GIUNZIONI CELLULARI (TIGHT JUNCTIONS) CONSENTONO IL PASSAGGIO DI SOLUTI FRA CELLULE ADIACENTI 37 Le CELLULE del TUBULO PROSSIMALE 38 19
TRASPORTO TUBULARE É IL TRASPORTO di SOSTANZE dal LUME TUBULARE al SANGUE, o VICEVERSA -! TRASPORTO TRANSCELLULARE -! TRASPORTO PARACELLULARE 39 TRASPORTO TUBULARE TRASPORTO PASSIVO Secondo gradiente TRASPORTO ATTIVO Contro gradiente 40 20
TRASPORTO PASSIVO NON RICHIEDE ENERGIA, perché avviene SECONDO gradiente di concentrazione e differenza di potenziale - DIFFUSIONE SEMPLICE, secondo gradiente elettrochimico. -!DIFFUSIONE attraverso CANALE o PORO di MEMBRANA. - DIFFUSIONE FACILITATA o CARRIER MEDIATA, dipende dall interazione di uno ione o di una proteina carrier che media o facilita il suo passaggio attraverso il bilayer fosfolipidico. NB: La diffusione di H2O (osmosi) dipende dal gradiente osmotico 41 TRASPORTO ATTIVO RICHIEDE ENERGIA, perché avviene CONTRO gradiente di concentrazione e differenza di potenziale -! Primario: accoppiato direttamente ad una fonte di energia (idrolisi di ATP). Pompa ATPasi Na+/K+ attiva in quasi tutto il tubulo renale -! Secondario: l energia deriva dal movimento di un altro soluto, accoppiato direttamente ad una fonte di energia (Meccanismi di co-trasporto e contro-trasporto). ENDOCITOSI ed ESOCITOSI sono meccanismi di trasporto attivo che prevedono l internalizzazione o l espulsione di proteine, altre macromolecole o fluidi mediante invaginazione o estroflessione della membrana plasmatica 42 21
SISTEMI di TRASPORTO TRASPORTO PASSIVO TRASPORTO ATTIVO DIFFUSIONE SEMPLCE DIFFUSIONE FACILITATA ATTIVO PRIMARIO ATTIVO SECONDARIO ENDOCITOSI ESOCITOSI TRANSCITOSI DIPENDONO DA UN VETTORE, CANALE O CARRIER 43 QUALI SOSTANZE VENGONO RIASSORBITE lungo il TUBULO? Lungo tutto il tubulo renale viene riassorbita la maggior parte dei soluti ed il 99% dell acqua filtrata (178 Lt/giorno). F = 125 ml/min FILTRATO (GFR) R = 124 ml/min RIASSORBITO E = 1 ml/min ESCRETO 44 22
QUALI SOSTANZE VENGONO RIASSORBITE nel TUBULO PROSSIMALE? -! H 2 O - Na + - K + - Cl - -! HCO 3 - -! Ca ++ -! PO 4 - -! UREA - GLUCOSIO - AMINOACIDI - PROTEINE A BASSO PESO MOLECOLARE (RTB Retinol Binding Protein, e ß microglobuline) 45 QUALI SOSTANZE VENGONO RIASSORBITE nel TUBULO PROSSIMALE? Il 65% del carico filtrato di acqua viene riassorbito nel tubulo prossimale. - In condizioni fisiologiche, in caso di variazioni di VFG, il riassorbimento può essere modificato per impedire variazioni significative dell escrezione urinaria H 2 O - La diffusione dell H 2 O avviene con MECCANISMO PASSIVO sfruttando il gradiente elettrochimico generato dall azione di una POMPA Na+/K+ ATPasi espressa sulle membrane basolaterali di tutte le cellule dell epitelio tubulare. 46 23
La POMPA Na+/K+ ATPasi -! È un ANTIPORTO che permette di trasportare!contro!gradiente di concentrazione!tre!ioni!di Na +!verso l'ambiente extracellulare e due ioni di K +!verso l'ambiente intracellulare sfruttando l'energia derivante dall idrolisi dell'atp. -! Grazie a questo processo si determina una DIFFERENZA di POTENZIALE ambiente intracellulare ed ambiente extracellulare pari a circa -70 mv. Tale differenza è detta potenziale di membrana. 47 TRASPORTO ATTIVO PRIMARIO La POMPA Na + /K + ATPasi costituisce la PRINCIPALE FORZA MOTRICE del RIASSORBIMENTO di Na +, Cl - e H 2 O lungo tutto il tubulo prossimale 1)! Na + è pompato attivamente attraverso la membrana basolaterale dalla pompa Na + /K + 2) Na + diffonde dal lume tubulare dentro la cellula lungo il suo gradiente elettrochimico 48 24
Na + Il 65% del Sodio viene riassorbito a livello del TUBULO PROSSIMALE 49 Nel tubulo prossimale il trasporto di elevate quantità di Na +, dipende anche: -! dall estensione della superficie della membrana luminale, aumentata dalla presenza di orletto a spazzola -! dalla presenza di carrier per il Na + che assicurano la diffusione facilitata. -! Il potenziale elettrochimico generato dalla pompa Na + / K + è utilizzato per guidare diversi sistemi di cotrasporto: ingresso Na + accoppiato a ingresso Glucosio (GLUT1-2), Aminoacidi, Fosfato e Lattati e di controtrasporto: ingresso Na + accoppiato ad uscita H +. - Nella seconda metà del tubulo, il Na +, viene riassorbito prevalentemente insieme al Cl -. Na + 50 25
- La fuoriuscita dei cationi Na + dal lume tubulare rende il lume stesso carico negativamente. Questa differenza di potenziale tende a richiamare Cl - gli ioni Cl - che diffondono per via PARACELLULARE -! Inoltre in seguito al riassorbimento di H 2 O la concentrazione degli ioni Cl - tubulari aumenta, istituendo un gradiente di concentrazione -! Il Cl - viene anche co-trasportato con il sodio a livello della membrana luminale RIASSORBIMENTO di Na + RIASSORBIMENTO di H 2 O POTENZIALE NEGATIVO del LUME [Cl - ] nel LUME [UREA] nel LUME RIASSORBIMENTO PASSIVO di Cl- RIASSORBIMENTO PASSIVO di UREA (50%) 51 -!L Urea viene in parte riassorbita nel tubulo prossimale con meccanismi Urea analoghi a quelli del cloro (50%) - Il riassorbimento di H2O determina l aumento di concentrazione dell Urea nel tubulo ed un conseguente gradiente di concentrazione che ne determina, appunto, l assorbimento. RIASSORBIMENTO di Na + RIASSORBIMENTO di H 2 O POTENZIALE NEGATIVO del LUME [Cl - ] nel LUME [UREA] nel LUME RIASSORBIMENTO PASSIVO di Cl- RIASSORBIMENTO PASSIVO di UREA 52 26
K + Il 45% del Potassio filtrato viene riassorbito a livello del TP, anche per via paracellulare 53 TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO - Una proteina carrier specifica dell orletto a spazzola lega una sostanza e uno ione Na +. - L energia liberata della molecola in favore di gradiente (il Na +, grazie al lavoro della pompa Na + /K + ATPasi) viene sfruttata per trasportate la molecola che si sposta contro gradiente chimico 54 27
-! Il riassorbimento dei Bicarbonati a livello tubulare (85%) avviene grazie a meccanismi di TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO e grazie alla presenza del contro-trasportatore N + /H + espresso sulla membrana cellulare luminale. HCO 3 - -! Le ANIDRASI CARBONICHE dissociano l acido carbonico (H 2 CO 3 in CO 2 +H 2 O rendendo possibile il passaggio dei bicarbonati all interno della cellula e poi nell interstizio. -! Il RISULTATO NETTO è CHE PER OGNI IONE H + CHE VIENE ESCRETO un HCO - 3 VIENE RIASSORBITO 55 Glu -!I simporti SGLT2 e SGLT1 (sodium-glucose linked transporter) trasportano il glucosio dal tubulo alla cellula. - Al livello della membrana basale sono presenti i trasportatori GLUT1 e GLUT2 che portano il glucosio 56 nell interstizio e quindi a livello capillare 28
Glu 57 TRASPORTO MASSIMO Glu Per le sostanze riassorbite con meccanismo attivo, esiste un limite alla velocità di trasporto (TRASPORTO MASSIMO) dovuto alla SATURAZIONE delle proteine di trasporto. Si ha saturazione quando il carico tubulare supera la disponibilità del trasportatore. 58 29
Glu mg/min TM 320 120 Saturazione Glu Glu=120mg/min,[GluP]=100mg/dL TM=320mg/min, [GluP]=250mg/dL SR=220mg/min, [GluP]=180mg/dl 0 120 220 SR 320 [Glu] tubulare ([GluP]xVFG) mg/min FILTRAZIONE: proporzionale al carico tubulare. Quindi proporzionale al [GluP] se VFG è costante RIASSORBIMENTO proporzionale al carico tubulare fino a TM, oltre il quale rimane costante ESCREZIONE: nulla fino al raggiungimento della SOGLIA RENALE, oltre la quale l escrezione urinaria di glucosio diventa pari al carico tubulare 59 La differenza fra i valori di SOGLIA RENALE e TRASPORTO MASSIMO è data dal fatto che: -! i nefroni hanno differenti capacità di trasportare il glucosio; -! alcuni nefroni eliminano glucosio prima che gli altri raggiungano la velocità di trasporto massimo. Di conseguenza la massima capacità del rene di eliminare glucosio è raggiunta quando TUTTI I NEFRONI hanno raggiunto la capacità di MASSIMO RIASSORBIMENTO TUBULARE DEL GLUCOSIO (TM). Tutto il glucosio filtrato viene riassorbito se la glicemia rimane nei limiti di norma, se invece vi è iperglicemia aumenta il carico filtrato e aumenta la quantità riassorbita. Quando l'iperglicemia supera valori di 180mg/dL il tubulo esaurisce la sua capacità di adattamento e compare glicosuria. Glu 60 30
TRASPORTO TEMPO-GRADIENTE DIPENDENTE Le sostanze riassorbite con meccanismo passivo non presentano valori limite di trasporto massimo. La velocità di trasporto per queste sostanze dipende da: - GRADIENTE ELETTROCHIMICO attraverso la membrana cellulare - PERMEABILITÀ SELETTIVA della membrana - DURATA della PERMANENZA nel tubulo del liquido contenente il soluto (dipendente dalla velocità del flusso tubulare) 61 Le macromolecole sono assorbite tramite un processo di ENDOCITOSI (PINOCITOSI). Le proteine e le altre macromolecole si localizzano nei microvilli dell orletto a spazzola, dove si formano piccole vescicole che si fondono con gli endosomi (vescicole e vacuoli). Attraverso gli endosomi le proteine assorbite sono trasferite ai lisosomi, dove avviene il processo di proteolisi enzimatica. PROTEINE 62 31
SECREZIONE A LIVELLO del TP La quota di sostanze secrete nel tubulo prossimale è veramente scarsa rispetto alla quantità di sostanze riassorbite. Tuttavia nella sua porzione finale si può registrare una piccola escrezione di ACIDI ORGANICI DEBOLI e BASI, inclusi molti diuretici e il PAI (Paraaminoippurato) 63 PAI -! PAI (Para-aminoippurato) è un acido organico filtrato dal glomerulo e completamente secreto dal tubulo prossimale -! L eliminazione del PAI è veloce: il flusso plasmatico renale viene depurato da esso per circa il 90% Cl>VFG Es:PAI Sostanze FILTRATE e SECRETE - Per questa ragione la CLEARANCE del PAI è usata come indice del FLUSSO PLASMATICO RENALE (RPF) 64 32
RENAL PLASMA FLOW RPF = PAI clearance= UV/P RPF = 650mL/min RENAL BLOOD FLOW RBF = [RPF/(100-Ht)]X100 RBF = [650/(100-45)] X100=1200mL/min Ht = ematocrito, la percentuale di volume sanguigno occupata dagli eritrociti 65 1- FILTRAZIONE GLOMERULARE 2/3 RIASSORBIMENTO e SECREZIONE TUBULARE 66 33
GRAZIE MILLE! 67 34