Prof. Diego Ingrosso, MD, PhD Dip.to di Medicina di Precisione diego.ingrosso@uninacampania.it TEST DI FUNZIONE RENALE

Lezione 1: Biochimica della funzione renale e propedeutica alla Fisiopatologia 2

URINE FUNZIONI DEL RENE: ESCRETORIA Funzione di emuntorio REGOLATORIA ESCRETORIA URINE Funzione di emuntorio (escrezione di vari soluti, prodotti catabolici, farmaci) Regolazione dell’equilibrio idro-elettrolitico Regolazione dell’equilibrio acido-base Organo endocrino Funzione metabolica renina EPO Vit D (1-25OH calciferolo) prostaglandine 3

FUNZIONE METABOLICA Esempi: gluconeogenesi degradazione di ormoni

UNITA’ FUNZIONALE DEL RENE: NEFRONE 5

FORMAZIONE DELL’URINA EMUNTORIO RENALE: FORMAZIONE DELL’URINA E CLEARANCE RENALE 6 6

Le urine si formano mediante tre processi: Filtrazione glomerulare Riassorbimento di acqua e soluti dall’ultrafiltrato Secrezione selettiva di alcune sostanze che vengono trasferite dai capillari peritubulari al liquido tubulare I tubuli renali modificano composizione e volume dell’ultrafiltrato 7 7

FUNZIONE DI EMUNTORIO RENALE: FILTRAZIONE GLOMERULARE capillari peritubulari capsula di Bowman glomerulo vena renale Sistema escretore: Calici Bacinetti Ureteri Vescica arteriola afferente tubulo renale E (escrezione) = = F (filtrazione) – R (riassorbimento) + S (secrezione) arteriola efferente filtrazione glomerulare di H2O, Na+, K+, Cl-, glucosio, urea, ecc… velocità di filtrazione glomerulare: 125 ml/min 1200 ml/min FER, 660 ml/min FPR, 19% x 660 = 125 ml/min VFG in un giorno filtriamo 125 x (60 x 24) = 180 l/giorno scartiamo 1.5 l di urina al giorno (<1% della VFG)

FUNZIONE DI EMUNTORIO RENALE: SECREZIONE E RIASSORBIMENTO TUBULARE arteriola efferente >99% del plasma che entra nel glomerulo ritorna nel circolo sistemico capillara peritubulare arteriola afferente 20% del volume è filtrato >19% del fluido è riassorbito <1% del volume è escreto capsula di Bowman tubulo renale glomerulo volume di plasma che entra l’a.a. 100% FUNZIONE DI EMUNTORIO RENALE: SECREZIONE E RIASSORBIMENTO TUBULARE 9 riassorbiamo più del 99% del filtrato il riassorbimento selettivo di H2O, Na+, K+, Cl-, glucosio, ecc… consente la concentrazione dei prodotti da scartare. la secrezione tubulare regola la concentrazione plasmatica di H+, HCO3- e K+. Permette l’eliminazione di farmaci e altri prodotti esogeni. 9

GLOMERULO TUBULO FORMAZIONE DELLE URINE: FILTRAZIONE GLOMERULARE Risultato: filtrato isotonico, protein-free RIASSORBIMENTO TUBULARE PROSSIMALE Risultato: 1/3 del filtrato glomerulare [Na] uguale al plasma Zero glucosio o amminoacidi ANSA DI HENLE Risultato: fluido ipotonico, ipoosmotico il 10% del filtrato glomerulare TUBULO CONVOLUTO DISTALE Assorbimento di Na+ via aldosterone Secrezione protoni, ammoniaca e potassio SISTEMA DEI DOTTI COLLETTORI Sotto l’ influenza dell’ ADH, regola l‘osmolarità GLOMERULO TUBULO

IL RIASSORBIMENTO RENALE NETTO GIORNALIERO FILTRATO ESCRETO % NETTO ACQUA 180 L 0.5-3.0 L 98-99 NA+ 26000 mEq 100-250 mEq > 99 CL- 21000 mEq > 98 HCO3- 4800 mEq 100 K+ 800 mEq 40-120 mEq 85-95* UREA 54 g 27-32 g 40-50 * Il K+ viene secreto nel tubulo collettore corticale

Clearance renale e filtrazione glomerulare concentr. di x arteriosa Flusso Plasmatico Renale arterioso FPR venoso Px venoso flusso urinario concentr. di x nell’urina Assunto: consideriamo una certa sostanza X di cui il plasma viene completamente depurato solo mediante ultrafiltrazione, mentre i tubuli non intervengono nè con secrezione nè riassorbimento. In tali condizioni avremo che la concentrazione di tale sostanza nelle urine dipenderà dal volume di plasma che viene ultrafiltrato dal glomerulo nell’unità di tempo. Pxa  FPRa = Pxv  FPRv + U  V Px  (FPRa - FPRv ) = U  V (FPRa - FPRv ) = Cx = U  V Px Definiamo la clearance renale Cx: la quantità di ultrafiltrato prodotto dal rene in un minuto

VFG (Velocità di Filtrazione Glomerulare) Clearance dell’inulina l’inulina è un polisaccaride (PM 5 kD) che filtra facilmente, non è riassorbito né secreto dal rene, per cui: Pin VFG = Uin  V Cin = VFG = Uin  V = 125 ml/min Pin La quantità di inulina ultrafiltrata è uguale alla quantità escreta la clearance dell’inulina permette di misurare la VFG (Velocità di Filtrazione Glomerulare) (GFR: Glomerular Filtration Rate) 13

test clinico per la valutazione della funzionalità renale (VFG - GFR) Clearance dell’inulina: significato rispetto alla funzione tubulare se una sostanza x ha Cx < Cin significa che è riassorbita (Na+, Cl-, glucosio) se Cx > Cin la sostanza è secreta (K+, NH3) Clearance dellinulina: significato clinico test clinico per la valutazione della funzionalità renale (VFG - GFR)

Clearance della creatinina: due assunti FONDAMENTALI La creatinina è filtrata dal glomerulo ed, in buona approssimazione, non è nè secreta, nè riassobita dal tubulo. La produzione di creatinina nelle 24h è costante, e, in un individuo adulto, corrisponde a 1-1.5 g/die Di conseguenza possiamo normalizzare la concentrazione dei soluti urinari, rispetto alla creatininuria. 15

La creatininemia è normale La creatininemia è elevata IMPLICAZIONI: A: la creatinina escreta nelle 24h corrisponde alla quantità definita sopra. B: la creatinina escreta nelle 24h non corrisponde alla quantità definita sopra. La creatininemia è normale La creatininemia è elevata La creatininemia è normale Incompleta raccolta delle urine Frode GFR ridotto GFR nei limiti della norma Disfunzione renale Contromisure (eGFR?) 16

Clearance della creatinina: cosa è vero e cosa no deriva dal metabolismo della creatina (proporzionale alla massa muscolare) sostanza endogena che filtra perfettamente e non è riassorbita solo il 10% è secreto dal tubulo (piccolo errore compensato da una sottostima della sua concentrazione nell’urina) si usa nella pratica clinica per misurare la VFG non richiede iniezioni di sostanze esogene e raccolta di urine si misura solo la concentrazione plasmatica (Pcr) Quali possibili problemi? Dipende dal metodo di dosaggio OK OK Definire l’algoritmo 17

concentrazione plasmatica di creatinina vs. VFG Clearance della creatinina se la VFG diminuisce, la concentrazione di creatinina plasmatica cresce secondo la curva riportata in basso Pcr  VFG = Ucr  Vcr PCr (mg/dl) VFG (ml/min) concentrazione plasmatica di creatinina vs. VFG 18

Clearance del PAI Plasma = 1-Ht 55% dell’intero volume ematico: il PAI è una sostanza esogena liberamente filtrata e non riassorbita a basse concentrazioni (0.1 mg/ml) è totalmente secreto dal tubulo tutto il sangue che raggiunge il rene è totalmente depurato dal PAI la clearance del PAI (acido para-ammino ippurico) permette di determinare il flusso ematico renale (FER) Plasma = 1-Ht 55% dell’intero volume ematico: FER = FPR x 100 = 660 x 1.82 ~ 1200 ml min-1 55

Riassorbimento tubulare Il rene regola l’escrezione dei diversi soluti indipendentemente l’uno dall’altro, controllandone la velocità di riassorbimento. Lungo i tubuli renali viene riassorbita la maggior parte dei soluti e il 99% dell’acqua. VFG = 125 ml/min Riassorbimento = 124 ml/min Escrezione = 1 ml/min In condizioni normali il 65% del carico filtrato di acqua e sodio viene riassorbito dal tubulo prossimale. In condizioni fisiologiche le eventuali variazioni di VFG e riassorbimento sono regolate e coordinate per impedire variazioni significative dell’escrezione urinaria 20

Ruolo dei tubuli renali nel regolare la composizione in soluti dell’urina CT

Biochimica dei meccanismi di trasporto per il riassorbimento tubulare - TRASPORTO ATTIVO Il riassorbimento tubulare dei soluti avviene meccanismi attivi e passivi Trasporto attivo • Primario se accoppiato direttamente ad una fonte di energia (idrolisi di ATP). Pompa ATPasi Na+/K+ • Secondario se accoppiato indirettamente ad una fonte di energia L’acqua è riassorbita per osmosi 22

Riassorbimento Na+ (trasporto attivo primario) 23

Trasporto attivo secondario (co-trasporto Na+ Glucosio/Aminoacidi e contro-trasporto Na+/H+) 24

Riassorbimento di Na+ Il riassorbimento attivo del Na+ è assicurato dalla pompa Na+/K+ lungo la maggior parte del nefrone. Nel tubulo prossimale il trasporto di grandi quantità di Na+, dipende altresì: • dall’estesa superficie della membrana luminale, assicurata dalla presenza di orletto a spazzola • dalla presenza di carrier per il Na+ che assicurano la diffusione facilitata 25

Riassorbimento di Na+ Il riassorbimento del Na+, modificando il potenziale elettrico del lume tubulare, favorisce il riassorbimento di ioni carichi negativamente (Cl-). Il riassorbimento del Na+ produce un gradiente osmotico che determina il riassorbimento di acqua a cui segue il riassorbimento di soluti, per gradiente di concentrazione. 26

Composizione dell’urina Rispetto al plasma: Aumento Diminuzione 27

Trasporto massimo Per le sostanze riassorbite o secrete con meccanismo attivo esiste un limite alla velocità di trasporto detto trasporto massimo, dovuto alla saturazione dei sistemi di trasporto. Si ha saturazione quando il carico tubulare è in eccesso rispetto alla disponibilità del trasportatore. 28

Clearance del glucosio La clearance del glucosio è zero in condizioni normali ma cresce in condizioni di iperglicemia. Il meccanismo di trasporto per il riassorbimento si satura se viene raggiunta la soglia renale FPR = 700 ml min-1 VFG = 100 ml min-1 A PG = 1 mg ml-1 B PG = 5 mg ml-1 Riassorbimento 100 mg min-1 massimo 375 mg min-1 PG FPR 700 mg min-1 3375 mg min-1 PG x FPR Carico filtrato PG x VFG VFG 100 ml min-1 500 mg min-1 3500 mg min-1 UG x V = 0 mg min-1 . UG x V = 125 mg min-1 Clearance del glucosio = 0 mL min-1 Clearance del glucosio = 25 mL min-1

Soglia per il glucosio La soglia renale per il glucosio è pari a 180 mg/100 ml di plasma: ciò vuol dire che se la conc.ne ematica di glucosio supera tale valore non viene più riassorbito completamente e si ha glicosuria. La glicosuria è quindi nulla fino al raggiungimento della soglia renale (220 mg/min, [G]p = ∼1.8mg/ml), oltre la quale glucosio compare nelle urine e l’escrezione risulta proporzionale al carico tubulare. 30

Carico massimo riassorbito Lo splay si definisce è la divergenza delle due curve riguardanti escrezione e riassorbimento del glucosio. La slope massima è raggiunta in tempi diversi, ed è dovuto a: a ) I nefroni hanno velocità di riassorbimento diverse, Tm non è lo stesso per tutti i nefroni, alcuni di essi possono avere Tm anomali e possono lasciare passare glucosio prima di avere raggiunto la saturazione. b ) GR G + R G = glucosio R = recettore ( carrier ) K = [G] [R] / [GR] K è molto piccola, i.e. la reazione è molto spostata a sx, verso la formazione del complesso glucosio - recettore, ma c’è pur sempre qualche molecola di carrier libera e qualche molecola di glucosio che sfugge nel tubulo. La soglia renale è in realtà 180mg/dl, e non >300 come in teoria. Soglia per il glucosio Carico massimo riassorbito Tmax = 375 mg min-1 VFG = pendenza 125 ml min-1 soglia renale glicosuria 31

Le condizioni principali per la formazione di urina concentrata sono: Il rene può eliminare acqua in eccesso attraverso l’escrezione di urina diluita  Il rene trattiene acqua mediante l’escrezione di urina concentrata  Il rene controlla l’osmolarità e la concentrazione del sodio nel liquido extracellulare Le condizioni principali per la formazione di urina concentrata sono: Alti livelli di ADH Elevata osmolarità dell’interstizio midollare 32

Andamento dei riassorbimenti e concentrazioni nel lume del nefrone 33

uLa midollare diventa iper-osmotica attraverso meccanismi controcorrente, che dipendono dalla organizzazione anatomica dell’ansa di Henle (nefroni iuxtamidollari) e dei vasa recta, i capillari peritubulari della midollare renale. uLa midollare e iper-osmotica, perchè accumula soluti in grande eccesso rispetto all’acqua u L’alta concentrazione di soluti nella midollare è mantenuta attraverso uno scambio bilanciato di soluti ed acqua 34

uImpermeabilità della branca ascendente spessa all’acqua uRiassorbimento attivo di Na+ e co-trasporto di Cl- e K+ dalla porzione spessa della branca ascendente dell’ansa di Henle nell’interstizio della midollare uImpermeabilità della branca ascendente spessa all’acqua u Trasporto attivo di ioni dai dotti collettori nell’interstizio midollare u Diffusione passiva di grandi quantità di urea dai dotti collettori della midollare interna nell’interstizio midollare 35

MECCANISMO A CONTROCORRENTE E RUOLO DELL’ADH 36

FUNZIONE ENDOCRINA ERITROPOIETINA Cellule endoteliali peritubulari 1,25 DIIDROSSICOLECALCIFEROLO Tubulo convoluto prossimale PROSTAGLANDINE CHININE

La renina è un enzima proteolitico

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Autoregolazione della VFG il rene può regolare il proprio flusso ematico mediante l’adattamento delle Rvascolari quando cambia la Pa il flusso ematico renale (FER) e la VFG (GFR) rimangono costanti in un ampio range di Pa (80–180 mmHg) l’autoregolazione delle Rvascolari è locale (nefroni corticali) e dipende da due meccanismi: 1 – variazioni di Pa 2 – variazioni di flusso del liquido tubulare n. corticali n. juxtamidollari Diuresi pressoria il primo è un meccanismo miogenico, origina dalla elasticità dell’a. afferente se Pa , l’arteriola reagisce alla distensione contraendosi e Ra. Il flusso ematico rimane costante secondo la legge: Q = Pa Ra il secondo meccanismo è basato sul feedback tubulo-glomerulo che avviene a livello della macula densa (app. juxtaglomerulare) la riduzione del flusso tubulare dovuto ad una riduzione della VFG induce un aumento del diametro dell’a. afferente con conseguente aumento della VFG (mediato da adenosina e NO) Rene_2