Fisiologia renale e Fisiologia respiratoria

Fisiologia renale

Funzione del rene e omeostasi

Il rene è quell'organo che mi permette di tenere sotto controllo e mantenere l'omeostasi idrica e osmolare. Tutti i sali devono essere mantenuti nel loro range di concentrazione intracellulare e extracellulare. (riguardare tutte le concentrazioni dei vari ioni e concentrazione di Ca²⁺ nella contrazione muscolare, come agisce la pompa sodio-potassio!)

Equilibrio idro-elettrolitico

Concentrazione di H₂O nel corpo umano; per mantenere costante la quantità d'acqua, la quantità in ingresso deve essere uguale alla quantità in uscita. Dipende dall'uomo nelle diverse fasi della vita: feto 100%; neonato 80%; adulto 70% e anziano 50%. Per quanto riguarda la fisiologia dei sistemi si fa sempre riferimento quando si parla di parametri ad un uomo maschio adulto di circa 70 kg.

Compartimenti cellulari

I compartimenti cellulari sono 3: 2 sono gli extracellulari (LEC=14L), ovvero il plasmatico (plasma 25%) e compartimento interstiziale (liquido interstiziale 75%), e il terzo compartimento è quello intracellulare (28L). Circa i 2/3 del liquido corporeo sono contenuti nel compartimento intracellulare, quindi nel citoplasma delle cellule; mentre circa 1/3 costituisce i compartimenti extracellulari. Di questo 1/3 circa il 25% costituisce il plasma mentre il 75% si trova nell'interstizio delle cellule.

Bilancio idrico-salino

La quantità di ingresso è uguale alla quantità di uscita. Con il cibo e le bevande vengono introdotti al giorno circa 1,5L di acqua e circa 500mL vengono prodotti dal metabolismo cellulare. Per fare in modo che l'organismo non si disidrati dovremmo avere una quantità di acqua che va via dall'organismo. In condizioni normali, di riposo, e in condizioni ambientali normali, circa 100mL d'acqua lasciano l'organismo attraverso le feci, 100-300mL attraverso l'atto respiratorio e 100mL attraverso la simulazione (intestino tenue). Circa 1-1,5L vengono eliminati con le urine.

Controllo dell'osmolarità

Abbiamo controllo della quantità d'acqua, controllo dell'osmolarità, controllo dei liquidi interstiziali, controllo dell'osmolarità del plasma (pressione osmotica=indice di Van't Hoff x MxRxT). Questo prodotto ci dà l'osmolarità e tutte le particelle mi portano ad avere un'osmolarità di circa 300 milliosmoli. Questo valore è isotonico. Qualsiasi valore al di sopra di questo è ipertonico e al di sotto è ipotonico. Per mantenere questo equilibrio possiamo produrre urine isotoniche, ipertoniche o ipotoniche. È importante perché una delle funzioni del rene è quella di mantenere l'osmolarità dei fluidi del nostro organismo, ma anche mantenere entro un ristretto intervallo la concentrazione intra-/extracellulare di tutti gli ioni.

Diffusione dell'acqua

È un processo che non richiede energia, è dovuto ai moti browniani. Il flusso di acqua è definito flusso osmotico; l'acqua si muove da una soluzione a bassa concentrazione ad una ad alta concentrazione di soluti, così da formare il gradiente osmotico dell'acqua attraverso una membrana permeabile all'acqua ma impermeabile ai soluti.

Funzioni del rene

• Mantenimento del bilancio idrico: il rene serve per depurare il sangue ma non ha solo questa funzione;
• Mantenimento del bilancio ionico: tutti gli ioni devono essere controllati e devono trovarsi in un ristretto range di concentrazione e ciò avviene grazie al rene;
• Regolazione dell'osmolarità;
• Mantenimento dell'equilibrio acido-base: non è una funzione semplice perché l'equilibrio acido-base viene mantenuto in stretta correlazione con il sistema respiratorio. Per mantenere il corretto pH dei fluidi ci deve essere una sinergia tra il rene e i polmoni;
• Eliminazione delle sostanze in eccesso nel nostro organismo o sostanze di scarto, il rene agisce da filtro del plasma e lo riassorbe quasi completamente; viene riassorbito circa il 99%;
• Produzione di ormoni: un importante ormone è la renina;
• Gluconeogenesi.

Anatomia del rene

Sono organi pari retroperitoneali, che si trovano a fianco della colonna vertebrale, hanno forma a fagiolo e la concavità è rivolta verso la colonna vertebrale. A livello macroscopico le dimensioni dei reni sono di 11cm in lunghezza e hanno un peso di 150g, quindi sono molto piccoli. Attraverso il rene passa circa il 20% della gittata cardiaca. I reni sono un po' sfalsati tra loro, il rene sinistro è posto un po' più in alto del rene destro. Il rene è avvolto da una struttura membranosa che è la capsula renale. Se effettuiamo un taglio sagittale si distinguono facilmente una zona più esterna e chiara al di sotto della capsula che è la corteccia renale, e poi una struttura più interna che prende il nome di midollare del rene. È suddivisa in una struttura che sembrano tronchi di piramide che sono le piramidi renali. Dal punto di vista funzionale, l'osmolarità del fluido interstiziale della corticale del rene è circa 300 milliosmoli, quindi è isotonica; la midollare del rene invece ha una caratteristica curiosa perché si osserva un gradiente osmotico verticale, se misuriamo l'osmolarità del compartimento interstiziale nella zona midollare appena sotto la corticale, l'osmolarità è 300 milliosmoli, ma man mano che ci approfondiamo nella midollare del rene l'osmolarità passa a circa 1200 milliosmoli.

Percorso dell'urina e del sangue

Una volta che le urine raggiungono la pelvi renale, lasciano i reni attraverso gli ureteri. Il sangue arriva al rene attraverso l'arteria renale, che si suddivide in rami più piccoli, arterie lobari, arterie arcuate circondano le piramidi midollari e dalle arterie arcuate si diramano le arterie interlobulari. Dalle arterie interlobulari si dipartono le arteriole afferenti, fa seguito un groviglio di capillari chiamato capillari glomerulari e il sangue di questi in parte viene filtrato e in parte va direttamente nella arteriola efferente e passa ai capillari peritubulari e da qui nel sistema di vene che a ritroso porta il sangue nella vena renale.

Struttura del glomerulo renale

La struttura composta dall'insieme dell'arteriola afferente, capillari glomerulari, arteriola efferente e la capsula di Bowmann (epitelio) costituisce l'unità funzionale del rene chiamata glomerulo renale. Esistono circa 1 milione di glomeruli nel rene. I glomeruli sono tutti localizzati nella regione corticale. Una volta che il sangue viene filtrato qui dentro scorre e questo liquido è chiamato pre-urina o urina primitiva. Entra in questo sistema di tubuli renali e viene modificato il plasma. L'urina viene filtrata e passa nel sistema di tubuli costituiti da epiteli monostratificati. Sono diversi segmenti consecutivi. Il primo segmento è chiamato tubulo contorto prossimale, cui fa seguito un'ansa di Henle, dopo abbiamo il tubulo contorto distale, seguito dal tubulo collettore.

Segmenti dell'ansa di Henle

Nell'ansa di Henle distinguiamo: il segmento discendente spesso, segmento discendente sottile, segmento ascendente sottile e segmento ascendente spesso. La branca discendente dell'ansa di Henle è permeabile all'acqua e impermeabile ai sali, infatti vedremo riassorbimento di acqua. Mentre la branca ascendente è impermeabile all'acqua e permeabile ai sali che verranno riassorbiti in questa branca. Viene chiamata ansa per la sua forma. Poi abbiamo il tubulo contorto distinto in una parte prossimale e una parte distale.

Epitelio del nefrone

L'epitelio monostratificato è identico per tutti i segmenti del nefrone? Il nefrone è l'unità funzionale del rene. Il 70% di acqua, sodio, glucosio vengono riassorbiti nel tubulo contorto prossimale quindi è un epitelio adatto all'assorbimento. Sono presenti estroflessioni che aumentano la superficie di assorbenza. Deve essere ricco di mitocondri perché alcuni tipi di assorbimenti saranno per diffusione senza utilizzo di energia ma se si tratta di assorbimenti che richiedono energia c'è bisogno di molti mitocondri. Nell'ansa di Henle nella branca sottile avviene riassorbimento di acqua quindi necessita solo di canali per l'acqua che sono le acquaporine; la branca ascendente riassorbe sali e abbiamo un epitelio simile a quello del tubulo contorto prossimale; le giunzioni sono strutture che tengono connesse una cellula con la successiva e possono essere più o meno occludenti e comporta una differenza di assorbimento perché le sostanze possono essere assorbite per via transcellulare o paracellulare tramite lo spazio tra una cellula e l'altra. Anche qui abbiamo assorbimento attivo quindi con cellule cubiche che contengono mitocondri. Man mano che ci spostiamo diventano cellule piatte.

Decorso del sangue

Il sangue arriva dall'arteria renale, arriva all'arteriola afferente e passa nei capillari glomerulari dove viene filtrato tramite capsula di Bowmann e passa in parte direttamente nella arteriola efferente, capillari peritubulari.

Tipi di nefrone

• Nefrone juxtamidollare: che possiede un corpuscolo del Malpighi molto vicino alle cellule midollari;
• Nefrone corticale.

La differenza tra i due è che i nefroni juxtamidollari hanno un'ansa di Henle che si approfondisce molto nella midollare e costituiscono il 20% dei nefroni. I capillari peritubulari sono molto vicini ai tubuli del nefrone. Associati ai nefroni juxtamidollari ci sono i vasa recta, tipo particolare di capillari peritubulari, che hanno decorso a U simile all'ansa di Henle e hanno un'importanza dal punto di vista funzionale.

Innervazione del rene

È solo di tipo ortosimpatico, importante perché innesca processi che possono essere attivati solo dal sistema ortosimpatico. Un soggetto adulto a riposo: circa il 20% della gittata cardiaca raggiunge il rene. Generalmente attraverso il rene passano circa 1800L di sangue al giorno. Il volume di urina che viene prodotto è solo 1 mL/min su 1200 mL/min di sangue che arriva al rene. Più del 99% del liquido che entra nei reni torna al sangue.

Processi fondamentali della fisiologia renale

• Filtrazione: il passaggio di sostanze e soluti e solventi dall'interno dei capillari glomerulari nei tubuli renali, quindi nella capsula di Bowmann; diventa pre-urina e percorre tutti i segmenti del nefrone e diventa urina;
• Riassorbimento: il passaggio di sostanze dal lume del nefrone nel plasma che percorre il capillare peritubulare, le sostanze devono passare all'interno della cellula nel compartimento intracellulare, poi nel compartimento interstiziale e da qui nel plasma nei capillari peritubulari; i compartimenti che bisogna ricordare sono 4: lume tubulare del nefrone in cui troviamo l'ultrafiltrato circondato dalle cellule dell'epitelio monostratificato, che costituiscono il compartimento intracellulare, poi abbiamo il compartimento interstiziale e i capillari peritubulari; se la via è paracellulare l'ultrafiltrato passa dal lume del nefrone direttamente nel compartimento interstiziale e da qui nel plasma nei capillari peritubulari;
• Secrezione: processo opposto al riassorbimento quindi le sostanze passano dai capillari peritubulari nel tubulo renale del nefrone;
• Escrezione: eliminazione di sostanze e acqua attraverso le urine.

Quantità di sostanza eliminata

Quant'è la quantità della sostanza che viene eliminata? È la quantità di sostanza che viene filtrata, a cui devo togliere la quantità riassorbita e aggiungere la quantità secreta. Le sostanze possono essere suddivise in base al comportamento che hanno nei processi appena descritti:

• Filtrate ma non riassorbite: ad esempio creatinina, inulina, acido urico; la creatinina viene stimata per stimare la filtrazione glomerulare dalle analisi del sangue perché inulina e creatinina vengono filtrate e non vengono né secrete né riassorbite;
• Filtrate e completamente riassorbite: ad esempio amminoacidi e glucosio; il glucosio viene riassorbito con un trasporto e non viene secreta;
• Filtrate e parzialmente riassorbite: ad esempio Na⁺, Cl^-, bicarbonato;
• Filtrate e completamente secrete: ad esempio penicillina; è una sostanza che viene filtrata, secreta ma non riassorbita;
• Filtrate, parzialmente riassorbite e parzialmente secrete: ad esempio urea.

Concetti fondamentali

Flusso ematico renale (FER): volume di sangue che scorre nel rene nell'unità di tempo (mL/min), circa 1200mL al minuto.

Flusso plasmatico renale (FPR): volume di plasma che scorre nel rene nell'unità di tempo (mL/min). Se ho un ematocrito del 45% quanto sarà la quantità di plasma? È il 55%. Per calcolare il flusso plasmatico renale= flusso ematico renale x 55%.

Velocità di filtrazione glomerulare (VFG): è il volume di plasma che viene filtrato nella capsula di Bowmann nell'unità di tempo (mL/min). È circa 125mL al minuto.

Frazione di filtrazione: circa il 20% del plasma che arriva ai capillari glomerulari viene filtrato, l'altro 80% va direttamente nei capillari peritubulari. La frazione di filtrazione è il rapporto tra la velocità di filtrazione glomerulare e il flusso plasmatico renale e in media è circa del 20%.

Carico filtrato: quantità di sostanza che viene filtrata nell'unità di tempo, quindi filtro 125ml al minuto di plasma ma voglio sapere qual è la quantità di glucosio che sto filtrando quindi si prende in considerazione il carico filtrato, che è il prodotto della velocità di filtrazione glomerulare per la concentrazione plasmatica della sostanza che viene filtrata.

Carico escreto: quantità di sostanza che viene escreta con le urine nell'unità di tempo. Si calcola con il flusso urinario per la concentrazione urinaria, è anche uguale al carico filtrato meno il carico tubulare.

Carico tubulare: quantità di sostanza che viene trasportata dai tubuli renali nell'unità di tempo. Il tipo di trasporto che posso avere nei tubuli è quello di riassorbimento o secrezione. Il carico tubulare di una sostanza che viene riassorbita è positivo, il carico tubulare di una sostanza che viene secreta è negativo. È anche uguale al carico filtrato meno il carico escreto.

Rene come organo filtrante

Perché il rene è considerato un organo filtrante? Dove si trova il filtro? Che caratteristiche ha il filtro? Il rene è un organo filtrante ed è provvisto di strutture di filtrazione. La filtrazione del sangue avviene a livello del glomerulo, a livello dei capillari glomerulari che prendono il sangue in arrivo dall'arteriola afferente. Quello che viene filtrato è circa il 20%. Esiste un filtro costituito da 3 elementi:

• Endotelio fenestrato dei capillari che sono dotati di questo endotelio abbastanza permeabile; è direttamente a contatto con il sangue;
• Lamina basale, sotto l'endotelio che è tessuto connettivo;
• All'esterno la terza componente è quella dei podociti; corpo cellulare della cellula mesangiale da cui si dipartono tutti i prolungamenti.

Questi 3 elementi vanno a costituire il setto filtrante, che contiene pori attraverso cui possono passare sostanze con peso molecolare massimo di 70kDa e i fori sono di circa 40 Ångström Å.

Filtrazione nei capillari periferici

Nei capillari periferici succede che nella prima parte il plasma viene filtrato, nella seconda parte viene riassorbito. Qua il plasma viene sempre filtrato lungo il decorso dei capillari glomerulari. Perché? Dipende dalle forze di Starling. Le forze che agiscono nel processo di filtrazione sono 3:

• Pressione idrostatica del sangue che scorre all'interno del capillare glomerulare (Pcg) che tende a spingere la capsula di Bowmann, quindi favorisce la filtrazione;
• Pressione oncotica delle proteine nel sangue che scorre nei capillari glomerulari (Πcg), ovvero la pressione osmotica operata dalle proteine, quindi questa pressione tende a tornare al plasma;
• Pressione idrostatica nel plasma filtrato della proteina che si trova nella capsula di Bowman (Pcb) che tende ad opporsi al processo di filtrazione;
• Pressione oncotica del plasma filtrato.

Chiamiamo pressione netta di filtrazione (PF)=Pcg – (Πcg + Pcb)= 55-(30+15)=10mmHg. Avviene sempre filtrazione quindi il valore della pressione del sangue che scorre nei capillari glomerulari è sempre superiore alla somma degli altri 2. Le forze di Starling non sono le stesse che abbiamo visto nel cuore. La quantità di sostanza che viene filtrata dipende anche dalla permeabilità del filtro e dall'estensione (superficie filtrante), oltre che alle forze di Starling. Questi parametri sono messi insieme dall'equazione VFG= Pf x Kf. Il coefficiente di filtrazione (Kf) tiene conto della permeabilità e dell'estensione del setto. Se prendiamo un soggetto con diabete mellito diminuisce la permeabilità.

Caratteristiche della filtrazione

Sono rivestite con sieroproteine, quindi a parità di peso molecolare passano facilmente le sostanze cariche positivamente. L'albumina non si trova nelle urine e queste sieroproteine non permettono all'albumina di essere nelle urine. Nel grafico abbiamo in ordinata la pressione netta di filtrazione e in ascissa è presente il decorso del capillare glomerulare con estremità afferente, parte centrale e estremità efferente. Si vede che la pressione di filtrazione favorisce la filtrazione del sangue pur andando dall'estremità afferente a quella efferente. Cosa che non succede nei capillari periferici. Per far sì che abbiamo sempre filtrazione, la pressione netta di filtrazione deve essere sempre positiva, quindi la pressione dei capillari glomerulari deve essere sempre superiore alle altre due. Filtra l'acqua e le proteine che hanno basso peso molecolare, quindi se filtro l'acqua, aumenta la concentrazione delle proteine quindi man mano che arteriola afferente va verso arteriola efferente aumenta anche la pressione oncotica, quindi diminuisce pressione idrostatica.