Fisiologia - fisiologia renale

Lezione 1: cenni anatomici

Colonna del Bertin e piramide

Rapida occhiata all’anatomia renale. Questa è una sezione sagittale del rene: l’interno del parenchima renale non è omogeneo. Abbiamo questi “coni” con la punta che guarda verso l’ilo del rene: sono le piramidi renali. Al di fuori delle piramidi renali, prima della capsula, abbiamo la zona della corticale. Tra una piramide e l’altra ci sono le colonne del Bertin.

Ciascuna piramide ha la punta del cono che viene abbracciata da un calice: è la via di deflusso dell’urina, che poi si continua nella pelvi e nell’uretere. Tutto quello che viene filtrato dal plasma per arrivare al calice si chiama “pre-urina”: una situazione intermedia tra la concentrazione del plasma privato dalle proteine e quella che filtra all’interno del sistemi dei tubuli (urina definitiva).

Il rene è un’interfaccia tra il sistema tubulare che poi si continua con le vie urinifere e il sistema vascolare: in tutte le parti del parenchima renale c’è una costante interfaccia tra vasi e tubuli. È un sistema che scambia in maniera passiva e attiva.

Il peso del rene è piuttosto limitato: 150 g ciascun rene, quindi meno dello 0,5% del peso corporeo. Il flusso ematico renale è un 1/4 della GS: al rene arriva un’enorme quantità di sangue, una circolazione funzionale. La funzione del rene infatti si basa sulla filtrazione di grandi quantità di plasma e sulla manipolazione in quest’interfaccia tubulo-vascolare del contenuto della pre-urina. Grande parte di questa portata renale ha dunque un significato funzionale, non nutritivo.

Rete vascolare renale

Peso ≈ 150 g (< 0.5% peso corporeo). FER ≈ 25% GC.

• Arteria renale
• Arterie segmentali
• Art. cortex corticis
• Arterie interlobari
• Arterie arcuate
• Vasa recta
• Arterie interlobulari
• Arteriole afferenti
• Glomeruli arteriosi
• Arteriole efferenti / vasa recta spuria

Questa è la sequenza dei vasi renali. La circolazione renale è una circolazione molto specializzata, quindi è diversa da ogni altro tessuto dell’organismo. Si parte dall’arteria renale, da cui dipartono arterie interlobari che scorrono fino ad arrivare ai vari lobi del rene. Una volta che sono risalite fino al confine cortico-midollare (midollare: piramidi; corticale: il resto) le arterie scorrono orizzontalmente rispetto alle basi delle piramidi e si chiamano arterie arcuate. Dalle arterie arcuate si staccano vasi che si approfondiscono nelle piramidi (vasi retti) e altri che vanno in corticale (arterie interlobulari arteriole).

Due letti capillari in serie

• Capillari glomerulari ad alta pressione (filtrazione)
• Capillari peritubulari a bassa pressione (riassorbimento)

Il livello pressorio di alimentazione del sistema è regolato dal calibro dell’arteriola afferente. I 2 compartimenti sono separati dall’arteriola efferente, il cui stato di contrazione regola l’equilibrio idrostatico tra filtrazione e riassorbimento di liquidi.

Guardiamo la circolazione a più alto ingrandimento. Qui siamo al confine tra la midollare e la corticale: in rosso c’è un’arteria arcuata, che demarca il confine tra la base della piramide e la corticale. Vediamo i vasi retti staccarsi verso il basso: hanno un caratteristico andamento a forcina e si approfondiscono nelle piramidi fin quasi all’apice; dalla parte opposta si staccano le arterie interlobulari, che si portano in alto fino alla capsula esterna. Nella salita staccano arteriole afferenti, che portano il sangue al glomerulo renale. Il glomerulo renale è la sede della filtrazione. Dal glomerulo esce l’arteriola efferente, da cui si origina una rete capillare che accompagnerà i tubuli nel loro decorso.

Nella circolazione renale ho due reti capillari poste in serie: una prima rete è quella del glomerulo (l’arteriola afferente quando forma il glomerulo genera dei capillari che confluiscono dando origine all’arteriola efferente), la seconda è la rete capillare che accompagnerà i tubuli (arteriola efferente → metarteriola rete peritubulare). La prima rete è chiamata rete mirabilis arteriosa: una circolazione di capillari tra due arteriole. La seconda rete capillare è una classica rete capillare.

I capillari glomerulari sono ad alta pressione, dal momento che sono interposti tra due arteriole: se ricordiamo il diagramma della pressione sanguigna nei confronti delle varie tipologie di vasi (arterie, arteriole, capillari, venule, vene), nella zona delle arteriole la pressione è più elevata rispetto ai capillari. Avendo i capillari una pressione notevolmente più alta della norma, avremo solo filtrazione. La rete di capillari secondaria, che si forma a valle del glomerulo (capillari veri), è una rete a pressione particolarmente bassa.

La rete capillare di prima ci ha fatto dissipare energia, quindi abbiamo un calo di pressione rispetto ai capillari normali. Questo è un aspetto positivo: in base all’ipotesi di Starling degli scambi capillari questa seconda rete capillari è deputata esclusivamente al riassorbimento. Se nei capillari sistemici lo stesso capillare prima filtra e poi assorbe, nel rene le due funzioni avvengono in due distretti separati e distinti: il distretto glomerulare (filtrazione) e il distretto peritubulare (riassorbimento). Il rene inizialmente filtra tutto (secrezione di massa, aspecifica), quindi riassorbe le sostanze utili lungo il tubulo (ed eventualmente secerne ulteriori sostanze dannose: lavoro sulle singole molecole).

Il livello pressorio di alimentazione del sistema chiaramente è regolato dal calibro dell’arteriola afferente, che essendo arteriola è piena di fibre muscolari lisce e quindi può regolare in maniera molto dinamica il suo calibro. I due compartimenti (la rete capillare arteriosa del glomerulo e la rete capillare vera peritubulare) sono separate dall’arteriola efferente. Nel circolo sistemico abbiamo una sola sede di regolazione (c’è solo un’arteriola!), qui invece abbiamo due livelli di arteriole, che possono essere controllate singolarmente; tra le due abbiamo il glomerulo, a valle della seconda abbiamo la rete capillare.

Il livello pressorio di questi due compartimenti può essere molto ben regolato dallo stato di contrazione selettivo dell’arteriola afferente ed efferente: si tratta quindi di un sistema idraulico più complesso rispetto alla circolazione sistemica.

Consumo di ossigeno del rene

L’alto flusso ematico renale origina dalla necessità di filtrare molte volte al giorno il plasma. L’alto flusso ematico renale origina dalla necessità di filtrare molte volte al giorno il plasma.

Gran parte del consumo di O₂ renale è dedicata a sostenere i meccanismi attivi di trasporto tubulare. Gran parte del consumo di O₂ renale è dedicata a sostenere i meccanismi attivi di trasporto tubulare.

Pressione e resistenza nel letto vascolare renale

Pressione e resistenza nel letto vascolare renale

Per quanto il rene abbia un metabolismo molto attivo, la maggior parte del sangue che vi giunge non ha significato trofico. La richiesta energetica del rene (misurata come consumo di ossigeno) è direttamente proporzionale all’entità di riassorbimento del sodio. Di tutte le molecole che il rene maneggia, il sodio è determinante nel consumo di ossigeno. Il riassorbimento di Na⁺ gioca un ruolo centrale nella funzione del rene e tutti i meccanismi di trasporto renali sono collegati al riassorbimento del Na⁺: in effetti anche riassorbire un altro composto sfrutta il riassorbimento o il gradiente del Na⁺.

Il nefrone

Il nefrone.

• Vie nefroni
• Vie urinifere
• Numero e lavoro giornaliero
• Operano su volume plasmatico
• Operano in parallelo
• Composti da parte vascolare e parte tubulare

Il nefrone è l’unità funzionale del rene. Il rene è fondamentalmente un’interfaccia continua tra sistema vascolare e tubulare: nel nefrone i due sistemi si interfacciano. Guardiamo l’immagine in alto: il nefrone è interposto tra arteria e vena renale, e da questo tramite originano le vie urinifere. Nel nefrone abbiamo un’alimentazione da parte del sangue arterioso, parte del plasma passa nella via urinifera e il resto torna al sistema venoso, che confluirà nella vena renale.

Nel rene ci sono più di un milione di nefroni. Partendo dal glomerulo, incontriamo il tubulo contorto prox, l’ansa di Henle, il tubulo contorto distale e il dotto collettore. C’è sempre un contatto tra sistema vascolare e tubulare: ogni parte del tubulo è accompagnato da un vaso sanguigno; l’accoppiamento inizia nel glomerulo e continua fino alla papilla. I nefroni sono unità che funzionano in serie, non in parallelo: ogni nefrone svolge il suo compito fino alla fine, e una convergenza tra più unità è presente solo a livello di dotto collettore.

La regione tubulare del nefrone non è identica lungo il suo decorso, a testimonianza di una funzione diversa svolta nelle varie parti. In ogni caso si tratta sempre di un monostrato di cellule epiteliali su membrana basale: in certi punti sono alte, con orletto a spazzola e mitocondri (trasporto attivo intenso), in altri punto sono piatte con pochi mitocondri (parte sottile ansa di Henle: trasporti passivi). Quando parliamo di tratto spesso e sottile ci riferiamo all’altezza delle cellule che tappezzano il tubulo.

Composizione del nefrone

Composizione del nefrone

Nomenclatura delle varie parti del nefrone. Per chiarezza la parte tubulare e vascolare sono separate, ma sono in realtà sono assolutamente sovrapposte.

La parte vascolare è semplice: arteriola afferente, glomerulo arterioso e arteriola efferente. L’arteriola efferente può generare due tipi di vasi: la rete capillare peritubulare o i vasi retti spuri (sono morfologicamente identici a quelli che si generano a partire dalle arterie arcuate).

Passiamo alla parte tubulare. La capsula di Bowman corrisponde al glomerulo arterioso: è un fondo cieco del tubulo che si adatta sul glomerulo arterioso ed accoglie il filtrato del plasma che avviene a livello dei capillari glomerulari. Dalla capsula di Bowman, che rappresenta l’inizio del tubulo, entriamo nel tubulo contorto prox (TCP), diviso in tre porzioni: prox, media, dist (la divisione indica che avvengono trasporti diversi). Dopo il tubulo prossimale entriamo nell’ansa di Henle, che è di lunghezza variabile (alcune arrivano quasi fino alla papilla, altre si fermano a metà strada della piramide).

Tutte le anse sono caratterizzate da una sottile parte discendente, un tratto sottile ascendente e infine un tratto spesso ascendente. Al tratto spesso ascendente fa seguito il tubulo contorto distale, che si continua nel dotto collettore. È un canale che parte dalla parte più esterna della corticale ed attraversa tutto il parenchima fino a raggiungere la papilla; passa attraverso tre regioni: dotto collettore corticale, dotto collettore midollare (per ragioni fisiologiche distinguiamo in midollare esterno ed interno).

La cellula tubulare è l’esemplificazione dell’interfaccia: da un lato guarda il lume del tubulo con la pre-urina, dall’altro è a contatto con la membrana basale, quindi l’interstizio e i capillari peritubulari. Quindi sono le cellule del tubulo le vere interfacce. Sono cellule polarizzate: la membrana che guarda al tubulo e quella che guarda l’interstizio sono profondamente diverse tra loro. La membrana che guarda il tubulo è detta apicale o luminale, l’altra verso i capillari è detta basolaterale: sono diverse perché la composizione di canali e trasportatori è diversa. Dopo i neuroni, le cellule del tubulo renale sono le cellule più polarizzate dell’organismo.

Nella figura in alto c’è il glomerulo renale. La parte vascolare è costituita, come abbiamo detto, dall’arteriola afferente, che si sfiocca in capillari glomerulari, che convergono nell’arteriola efferente. Entrambe le arteriole sono ricche di fibre muscolari: variandone il tono, vario il flusso e la pressione intracapillare. I capillari sono ricoperti dalle cellule del foglietto viscerale della capsula di Bowman; il foglietto parietale delimita la capsula esteriormente. La capsula si continua nel tubulo prox.

È chiara quindi la sequenza degli eventi: l’alta pressione presente nei capillari determina filtrazione del plasma, come vedremo la barriera esercitata da questi capillari non fa passare le proteine plasmatiche (sono capillari fenestrati, che fanno passare piccoli peptidi e molto liquido, ma non le proteine plasmatiche). Nella capsula del Bowman accumulo un filtrato di plasma privato di proteine (preurina); se ne formano 180 litri al giorno.

Il tubulo contorto distale del nefrone ritrova il glomerulo e forma un complesso “tubulo-glomerulare”. Questo complesso è molto importante per due ragioni:

• In questa zona di contatto si forma l’apparato iuxta glomerulare, in cui avviene un controllo della pressione arteriosa e la secrezione di renina;
• Funzionalmente è un modo per il nefrone di fare un controllo di qualità: il nefrone filtra plasma, poi la preurina arriva al tubulo distale: qui controlliamo il Na⁺. Se il controllo di qualità mi dice che c’è stata poca o troppa filtrazione, il sistema adatta direttamente la quantità di filtrazione del glomerulo.

Tipi di nefroni

Corticali. Juxtamidollari.

• Frequenza: 7; 1
• Glomerulo: corticale; giunzionale
• AH: breve; lunga
• Vasa recta: assenti; presenti
• AE (Φ): < AA; > AA
• Rete peritub.: ricca; modesta

Tipi di nefroni

Corticali. Juxtamidollari.

• Frequenza: 7; 1
• Glomerulo: corticale; giunzionale
• AH: breve; lunga
• Vasa recta: assenti; presenti
• AE (Φ): < AA; > AA
• Rete peritub.: ricca; modesta

La maggioranza dei nefroni umani (in altri animali il rapporto è diverso) sono nefroni corticali, specializzati nei trasporti. Il glomerulo si trova nella parte esterna della corticale, i tubuli contorti prox sono molto sviluppati e l’ansa di Henle è poco sviluppata. La minoranza è rappresentata da nefroni iuxta-midollari. Il glomerulo è in prossimità della midollare (ma sempre nella corticale...!!), il tubulo contorto prossimale è poco sviluppato e viceversa l’ansa di Henle è molto sviluppata: a volte arriva in prossimità dell’apice della piramide.

La prima famiglia di nefroni è in grado di trasportare soluti, ma non di concentrare le urine; la seconda famiglia è in grado di regolare la quantità di urine (concentrazione e diluzione delle urine). I vasi retti retti sono assenti nelle anse abortive, presenti nelle lunghe anse. Nei nefroni in cui si forma solo rete peritubulare il calibro dell’arteriola efferente è minore di quello dell’arteriola afferente; nei nefroni iuxta-midollari l’arteriola efferente oltre alla rete peritubulare deve anche generare i vasi retti spuri, che seguono il decorso dell’ansa di Henle, e quindi il calibro è maggiore di quello dell’arteriola afferente. La rete peritubulare, soprattutto dei tubuli contorti, è ricca nel caso dei primi nefroni e più scarsa nei secondi.

L’uomo ha un rapporto di 7:1 tra i due tipi di nefroni, e infatti ha una modesta capacità di concentrare le urine: questo si traduce in una limitata sopravvivenza in ambienti con poca acqua, come il deserto. Il rene infatti non può azzerare il volume di urina perché è obbligato ad eliminare dei sali: l’unica via di eliminazione dei sali è l’emuntorio renale. La pressione osmotica dei liquidi altrimenti crescerebbe. Il rene ogni giorno sulla base della nostra alimentazione deve eliminare una certa quantità di soluti, e visto che non li può eliminare solidi li deve eliminare in acqua e qui viene il volume minimo necessario per eliminare questi soluti.

Processi renali di base

Osmolarità del plasma. Il rene riesce a fare un lavoro osmotico tale che riesce ad eliminare un certo carico di soluti in un volume 5 volte minore rispetto al rapporto che c’è nel plasma. Però questo se ho gravi restrizioni idriche può non essere sufficiente: questo è quello intendo dicendo che l’uomo ha capacità di concentrazione delle urine abbastanza limitate.

Filtrazione glomerulare

Glomerulo.

Il ratto del deserto ha il 100% di nefroni iuxta-midollari: concentra le urine a tal punto da limitare le perdite di acqua al minimo: può sopravvivere per tempi lunghissimi solo con l’acqua del metabolismo aerobio.

Riassorbimento tubulare

Unità.

Secrez