Fisiologia del rene Le funzioni renali sono: Mantenimento del bilancio idrico Regolazione dell’osmolarità del liquido extracellulare Mantenimento del bilancio elettrolitico Mantenimento dell’equilibrio acido-base Funzione emuntoria o escrezione di prodotti di scarto e di sostanze estranee Produzione di ormoni 7. Gluconeogenesi

Anatomia del rene I reni sono organi pari retroperitoneali posti sulla parete posteriore dell’addome ai due lati della colonna vertebrale. Il loro peso medio è di circa 150 g. Rene sin. più alto del dx.

Sezione frontale del rene Renal vein Renal artery Renal calyx Medullary pyramid Renal cortex Segmental artery Interlobar artery Arcuate artery Arcuate vein Interlobar vein Segmental vein Renal column Renal papillae Renal pelvis Ureter 1. Renal capsule 2. Renal cortex 3. Renal medulla 4. Renal pyramid 5. Renal pelvis 6. Renal column 7. Renal calyx 8. Ureter http://www.bio.psu.edu/people/faculty/strauss/anatomy/urogen/modelkidney2.htm

Aorta addominale  a. renale  a. lobari (o segmentali)  a Aorta addominale  a. renale  a. lobari (o segmentali)  a. interlobari  a. arcuate  a. interlobulari  arteriola afferente  glomerulo  arteriola efferente  capillari peritubulari/vasa recta -  vene …

Il nefrone: l’unità funzionale del rene I tubuli renali sono sottili condotti le cui pareti sono costituite da un singolo strato di cellule. Tubulo contorto prossimale o di I ordine. Molteplici convoluzioni, lungh. 15 mm, cellule CUBICHE con microvilli (membrana apicale) e introflessioni + mitocondri (membrana basolaterale). Sulle membrane laterali si trovano giunzioni strette “non occludenti”. Ansa Henle. 1° tratto (TDSp) uguale a 1). 2° tratto (TDSt) e 3° tratto (TASt) sono sottili (TDs) e formati da cellule epiteliali piatte. 4° tratto (TASp) assomiglia a tubulo contorto distale. Tubulo contorto distale o di II ordine. Simile a 1) ma lungh. soli 5 mm. Epitelio a cellule cubiche con introflessioni + mitocondri (membrana basolaterale). Prende parte alla costituzione dell’apparato juxtaglomerulare. Giunzioni laterali “occludenti”. Dotto collettore. Parete costituita inizialmente da cellule cubiche che diventano poi cilindriche. Scompaiono progressivamente i mitocondri.

Caratteristiche morfologiche delle cellule dell’epitelio tubulare

Il nefrone: unità funzionale del rene N. nefroni nell’uomo: ≈ 1.2 milioni per rene Nei vasa recta scorre solo l’1-2% del flusso renale totale 20% dei nefroni sono juxtamidollari Differenze fra nefroni superficiali e juxtamidollari: nei nefroni juxtamidollari il glomerulo renale è più grande ed è sito più in profondità, l’ansa di Henle è più lunga, e dall’a. efferente si originano i vasa recta.

Anatomia del glomerulo Endotelio dei capillari glomerulari: endotelio fenestrato con pori di circa 700 Å di diametro Lamina basale dell’endotelio: laminina, fibronectina, collageno di tipo IV Podociti (cellule del foglietto viscerale della capsula di Bowman): processi primari e secondari, fessure di filtrazione, pori (~ 40 x 140 Å) Cellule granulari

Innervazione dei reni È solo di tipo ortosimpatico e proviene dagli ultimi neuromeri toracici e i primi lombari. Le fibre postgangliari si originano principalmente dal plesso celiaco. Plesso celiaco  nervi splancnici;  plesso renale. Sono innervati: • cellule muscolari lisce delle arteriole afferenti ed efferenti dei glomeruli (sfinteri arteriolari); • cellule granulari  stimolazione secrezione renina; • tubulo prossimale, ansa di Henle, tubulo distale  assorbimento tubu- lare di Na+.

Nel soggetto adulto a riposo il rene riceve circa il 20-25% della portata cardiaca (massa dei reni: circa lo 0.5% della massa corporea totale).  ≈ 1200 ml/min ≈ 1700 litri al giorno ≈ 63000 litri in un anno ≈ 44 milioni litri in 70 anni Il flusso plasmatico renale è circa il 55% del flusso ematico renale. Il volume del filtrato glomerulare è circa il 20% del flusso plasmatico renale (≈ 180 litri al giorno; ≈ 5 milioni litri in 70 anni). Il volume di urina prodotta è ≈ 1 ml/min ≈ 1,5 litri al giorno ≈ 550 litri in un anno ≈ 38500 litri in 70 anni Lago azzurro in Valchiavenna Più del 99% del liquido filtrato dai reni deve tornare nel sangue.

I tre processi svolti dal nefrone: - Filtrazione - Riassorbimento - Secrezione Escrezione urinaria

Definizioni Filtrazione = movimento di liquidi e soluti dal sangue al lume dei nefroni Riassorbimento = trasferimento selettivo di sostanze presenti nel filtrato dal lume tubulare al sangue che scorre nei capillari peritubulari Secrezione = trasferimento selettivo di molecole dal sangue al lume tubulare Escrezione = eliminazione di sostanze attraverso l’urina

5 classi di sostanze: Inulina glucosio urea penicillina A - Filtrate ma non riassorbite (creatinina, inulina, acido urico) B - Filtrate e completamente riassorbite (aminoacidi e glucosio) C - Filtrate e parzialmente riassorbite (Na+, Cl-, bicarbonato) D - Filtrate e completamente secrete (penicillina, acido paraamminoippurico) E - Filtrate, parzialmente riassorbite e parzialmente secrete (urea)

Concetti fondamentali FLUSSO EMATICO RENALE (FER) (ml/min) FER è il volume di sangue che fluisce ai reni nell’unità di tempo (ml/min) ΔP = P arteriosa media – P venosa dell’organo R = resistenza al flusso attraverso l’organo (rene) Q = ΔP/R Nei glomeruli entrano circa 1200 ml /min (1700 l /giorno) di sangue (20% della portata circolatoria). In un solo giorno il volume di sangue di un individuo passa circa 350 volte attraverso i reni. FLUSSO PLASMATICO RENALE (FPR) (ml/min) FPR è il volume di plasma che fluisce ai reni nell’unità di tempo (ml/min). I valori di ematocrito sono circa 45% del flusso ematico renale, quindi il FPR equivale al 55% del FER (FPR = FER * 0.55)  ≈ 650 ml /min (900 l/giorno)

VELOCITÀ DI FILTRAZIONE GLOMERULARE (VFG) (ml/min) È il volume di liquido che filtra dai glomeruli nella capsula di Bowman nell’unità di tempo  125 ml/min (cioè 180 l/giorno). Il volume totale di plasma è circa 3 litri  Quindi l’intero volume plasmatico viene filtrato 60 volte in un giorno (2,5 volte in 1 h). FRAZIONE DI FILTRAZIONE La frazione di plasma che viene filtrata dai glomeruli è chiamata FF. FF = VFG/FPR  ≈ 20% Quindi circa il 20% del volume di plasma che scorre attraverso i reni viene filtrato.

CARICO FILTRATO CARICO ESCRETO CARICO TUBULARE Per carico FILTRATO si intende la quantità di una sostanza che viene filtrata nell’unità di tempo. Il carico filtrato di una sostanza che filtra liberamente si ottiene moltiplicando la concentrazione plasmatica per la velocità di filtrazione glomerulare. Carico filtrato = Concentrazione plasmatica x velocità di filtrazione glomerulare Fx (mg/min) = [X]p (mg/ml) * VFG (ml/min) mg o mEq CARICO ESCRETO Per carico ESCRETO si intende la quantità di una sostanza che viene eliminata con le urine nell’unità di tempo. Carico escreto = Concentrazione urinaria x flusso urinario Ex (mg/min) = [X]u (mg/ml) * Vu (ml/min) mg o mEq CARICO TUBULARE Per carico TUBULARE si intende la quantità di sostanza che viene trasportata (riassorbita o secreta) da tubuli renali nell’unità di tempo. Carico tubulare = carico filtrato – carico escreto Tx (mg/min) = Fx – Ex = (VFG * [X]p) – (Vu*[X]u)

Ultrafiltrazione glomerulare L’UG è un processo che consente di filtrare il sangue trattenendo gli elementi corpuscolati e le macro-molecole (PM > 70 kDa). Il riassor-bimento dei soluti e dell’H2O avviene nei tubuli. L’UG consente l’eliminazione delle sostanze di scarto e delle sostanze esogene per le quali sarebbe impossibile prevedere trasportatori specifici

Ultrafiltrazione glomerulare Anatomia del glomerulo Il setto filtrante Diametro pori ≈ 40 Å Barriera di filtrazione 3 elementi: - Endotelio fenestrato - Lamina basale Podociti Cos’è l’ultrafiltrazione È un processo di filtrazione nel quale particelle di dimensioni colloidali sono trattenute da un filtro mentre il solvente e soluti a basso peso molecolare passano attraverso di esso. Gli ultrafiltri sono usati per: - Separare i colloidi dal medium della sospensione - Separare particelle aventi dimensioni differenti tra loro - Determinare la distribuzione di particelle di varie dimensioni in un sistema colloidale utilizzando filtri con pori graduati.

Quali sono le forze in gioco nel processo di filtrazione glomerulare? Passaggio passivo. L’ultrafiltrazione si realizza grazie all’azione di differenti forze anche in contrasto tra di loro.

Pressione osmotica Equazione di van’t Hoff Definisce quantitativamente la pressione osmotica, intesa come la pressione che si deve applicare per impedire la diluizione del soluto. i: fattore di dissociazione soluto (es = 2 per NaCl) M: concentrazione molare del soluto(che non attraversa la membrana semipermebile) R: costante dei gas T: temperatura assoluta

J = Kf [(Pcg-Pcb) – σ (πcg-πcb)] Quali sono le forze in gioco nel processo di filtrazione glomerulare? Passaggio passivo. L’ultrafiltrazione si realizza grazie all’azione di differenti forze anche in contrasto tra di loro. L’azione di queste forze viene definita dalla legge di Starling: J = Kf [(Pcg-Pcb) – σ (πcg-πcb)] Kf = coefficiente di filtrazione σ = coefficiente di riflessione Pcg = P idrostatica capillare glomerulare Pcb = P capsula Bowman πcg = P oncotica capillare glomerulare πcb = P oncotica capsula Bowman

La selettività di una membrana ad un soluto trasportato passivamente è definita dal coefficiente di riflessione (σ) Il coefficiente di riflessione nelle membrane semipermeabili è in relazione alla capacità di una membrana di riflettere le particelle di un soluto, di opporsi al loro passaggio. Il valore 0 indica che il soluto passa come l’acqua (nessun ostacolo), mentre 1 equivale ad una restrizione totale.

La dimensione e la carica netta delle molecole condizionano l’efficienza della filtrazione glomerulare Differenti dimensioni Stesse dimensioni e carica differente Cf/Cp = conc. di una molecola nel liquido filtrato dal glomerulo rispetto alla conc. plasmatica Le molecole con carica positiva filtrano con più facilità perché sono presenti cariche negative (sialoproteine: glicoproteine) sulla superficie del “filtro”. Un indice di nefropatia lieve è la presenza di albumina nelle urine dovuta alla perdita di queste cariche negative.

VFG = Kf * Pf Pf = Pcg – (πcg + PCB) = 60 – 28 – 15 = 17 mm Hg Kf = coefficiente di filtrazione dipende da due componenti i) l’area della superficie dei capillari glomerulari disponibili per la filtrazione e ii) permeabilità dell’interfaccia (setto filtrante) che separa i capillari dallo spazio di Bowman. La VFG rappresenta un indice di funzionalità renale ed è utilizzata per valutare la gravità ed il decorso di una malattia.

Confronto tra pressioni in un capillare del circolo generale e nei capillari glomerulari

VFG = Pf * Kf Pf = Pcg – (πcg + Pcb) Capo afferente ↓ Pcg Se avviene filtrazione netta a livello dei capillari glomerulari qual è il rapporto tra la P idrostatica capillare e la P colloido-osmotica capillare? VFG = Pf * Kf Pf = Pcg – (πcg + Pcb) Capo afferente ↓ Pcg Capo efferente Pcg ↑ πcg πcg = Pcb Pcb

J = Kf [(Pcg-Pcb) – σ (πcg-πcb)] Quali sono le forze in gioco nel processo di filtrazione glomerulare? Passaggio passivo. L’ultrafiltrazione si realizza grazie all’azione di differenti forze anche in contrasto tra di loro. L’azione di queste forze viene definita dalla legge di Starling: J = Kf [(Pcg-Pcb) – σ (πcg-πcb)] Kf = coefficiente di filtrazione σ = coefficiente di riflessione Pcg = P idrostatica capillare glomerulare Pcb = P capsula Bowman πcg = P oncotica capillare glomerulare πcb = P oncotica capsula Bowman

Fattori che influenzano la VFG A) Pressione arteriosa sistemica B) Stato di contrazione delle arteriole afferenti ed efferenti C) Pressione oncotica del plasma D) Pressione idrostatica nella capsula di Bowman E) Permeabilità della barriera di filtrazione VFG = Pf * Kf Pf = Pcg – (πcg + Pcb)

A e B VFG direttamente proporzionale alla P arteriosa VFG = Pf * Kf Pf = Pcg – (πcg + Pcb) La P arteriosa e la P idrostatica che guida la filtrazione glomerulare sono correlate. La deduzione più ovvia è quindi che: se la P arteriosa aumenta  aumenta anche la VFG; se la P arteriosa diminuisce  diminuisce anche la VFG. NON È VERO

A e B Entro un ampio intervallo di P arteriosa (80-180 mmHg) la VFG rimane invece costante (180 L/giorno)

Si agisce sulle resistenze delle arteriole afferenti ed efferenti Come è possibile mantenere costante la VFG (o il FER) pur variando la pressione arteriosa? VFG = Pf * Kf Pf = Pcg – (πcg + Pcb) ΔP = P arteriosa media – P venosa dell’organo R = resistenza al flusso attraverso l’organo (rene). Soprattutto a livello delle arteriole efferente (Re) ed afferente (Ra). Q = ΔP / R Si agisce sulle resistenze delle arteriole afferenti ed efferenti

Profilo pressorio attraverso i vasi renali

Relazione tra VFG e resistenza dell’arteriola afferente Le variazioni della VFG sono inversamente proporzionali alle variazioni della Ra.

Relazione tra VFG e resistenza dell’arteriola efferente EFFETTO BIFASICO Aumenti della Re determinano un aumento della VFG ad un punto massimo, seguita da una diminuzione fino a valori molto bassi. Perché? 1) ↑Re  ↑Pcg  ↑ VFG 2) ↑Re  ↓ FER, FPR  ↑ FF (VFG/FPR)  ↑ πcg  ↓ VFG La diminuzione di VFG si ha quando l’ ↑Re è di 3 volte il valore normale e in questo caso ↑ πcg supera ↑ Pcg. Re < 3 volte il valore norm.  prevale 1) Re > 3 volte il valore norm.  prevale 2)

autoregolazione soprattutto a livello delle arteriole glomerulari; La VFG è soggetta a: autoregolazione soprattutto a livello delle arteriole glomerulari; regolazione estrinseca. È importante capire dove avviene la regolazione. La regolazione è esercitata prevalentemente a livello dell’a. afferente. FER = flusso ematico renale

Feedback (retroazione) tubulo-glomerulare 1) Autoregolazione Risposta miogena Feedback (retroazione) tubulo-glomerulare Entrambi questi sistemi di autoregolazione permettono di: disaccoppiare la funzionalità del rene dalla P arteriosa; mantenere costante il carico che arriva al tubulo renale. Variazioni accidentali della VFG potrebbero causare alterazioni nel bilancio di H2O e elettroliti e nell’eliminazione di sostanze di rifiuto. Ad es., in assenza di autoregolazione l’aumento della P arteriosa dovuto all’esercizio fisico determinerebbe un aumento sensibile della VFG. Se il riassorbimento tubulare rimanesse costante avremmo un flusso urinario enorme  disidratazione.

A) Risposta miogena Un aumento della P arteriosa distende la parete delle arteriole  apertura canali ionici sensibili allo stiramento sulla membrana delle fibrocellule muscolari lisce della tonaca media  depolarizzazione cellule muscolari  apertura di canali voltaggio-dipendenti del Ca2+  aumento della [Ca2+]i  contrazione  aumento della resistenza al flusso. Va segnalato che di norma l’arteriola afferente presenta un buon grado di vasodilatazione basale.

B) Feedback (retroazione) tubulo-glomerulare È mediato da segnali che provengono dal tubulo renale (apparato juxtaglomerulare): i) quando il flusso attraverso il tratto ascendente dell’ansa di Henle aumenta  segnali al glomerulo  diminuzione della VFG; ii) quando il flusso diminuisce  diminuzione della VFG; iii) la macula densa rileva variazioni nella composizione ionica del liquido tubulare (Δ[NaCl]) Apparato juxtaglomerulare Tubulo distale

Effetto dell’aumento della concentrazione di NaCl nel tubulo distale The effect of elevating NaCl at the macula densa is shown schematically to consist of an increase in the levels of adenosine in the juxtaglomerular apparatus (JGA) interstitium and adenosine 1 receptors (A1AR)-mediated constriction of the afferent arteriolar smooth muscle cells. Aumento di NaCl a livello della macula densa determina rilascio di adenosina e costrizione dell’arteriola afferente

Effetto della diminuzione della concentrazione di NaCl nel tubulo distale La diminuzione di NaCl nella macula densa è dovuto ad un aumentato riassorbimento prodotto da un rallentamento del flusso tubulare. AT II (vasocostrizione arteriola eff.) Aumento del rilascio di PGE2 nell’interstizio dell’ JGA seguito dalla secrezione di renina (mediata da recettori EP4) dalle cellule granulari.

Il sistema RAAS

Effetto dell’aumento della VFG La macula densa è il sensore. Il mediatore della vasocostrizione dell’arteriola afferente sembra essere l’adenosina, quello della vasodilatazione l’NO

Effetto della diminuzione della pressione arteriosa e della VFG

2) Regolazione estrinseca della VFG Emorragia 2) Regolazione estrinseca della VFG La VFG è controllata anche da meccanismi regolatori estrinseci. Questi entrano in gioco quando il ristabilimento di normali livelli della pressione arteriosa diventa prioritario rispetto al mantenimento di una normale VFG (es. emorragia). Questa regolazione è mediata dal sistema nervoso simpatico e dall’innervazione simpatica alle arteriole afferenti Diminuzione P arteriosa sistemica  rilevata dai barocettori del seno carotideo e dell’arco aortico  attivazione riflessi nervosi per aumentare tono simpatico cardiaco e vascolare  aumento gittata cardiaca, vasocostrizione arteriolare periferica e vasocostrizione a. afferente glomerulare  diminuzione VFG  riduzione emissione urinaria, riduzione VFG e quindi più liquido viene trattenuto rispetto alle condizioni normali Viceversa per situazioni di aumento della P arteriosa (per es. in seguito ad assunzione eccessiva liquidi)

L’attivazione del sistema ortosimpatico diminuisce la VFG ↑ adrenalina Recettori del seno carotideo Emorragia ↓ pressione arteriosa Stimolazione del simpatico renale ↑ costrizione arteriolare ↓ flusso ↓ VFG

Ossido nitrico di origine endoteliale Ormone o autacoide Effetto su VFG Noradrenalina Diminuzione Adrenalina Endotelina Angiotensina II ↔ Ossido nitrico di origine endoteliale Aumento Prostaglandine Sostanze con funzione vasocostrittrice determinano una riduzione di VFG L’adrenalina e la noradrenalina messe in circolo dalla midollare del surrene determinano vasocostrizione di aa e ae con riduzione del FPR e VFG. La loro azione è parallela a quella del sistema simpatico ed entrano quindi in gioco in situazioni estreme (emorragia, ischemia etc.). Un’altra sostanza vasocostrittrice è l’endotelina rilasciata da vasi lesionati che può determinare vasocostrizione per limitare la perdita di sangue dal vaso. Sembra che questo fattore entri in gioco in certe patologie quali blocco renale acuto e uremia cronica. Una sostanza con funzione opposta e che quindi tende a far aumentare VFG è l’ossido nitrico di origine endoteliale (rilasciato dall’endotelio dei vasi). Sembra che abbia il ruolo di impedire un’eccessiva vasocostrizione mantenendo un’escrezione normale di acqua e sodio.

Fattori che influenzano la VFG A) Pressione arteriosa sistemica B) Stato di contrazione delle arteriole afferenti ed efferenti C) Pressione oncotica del plasma D) Pressione idrostatica nella capsula di Bowman E) Permeabilità della barriera di filtrazione Fattori non regolati } VFG = Pf * Kf Pf = Pcg – (πcg + Pcb)

Influenza dei fattori non regolati sulla VFG C, D Influenza dei fattori non regolati sulla VFG La π (oncotica) plasmatica e la P idrostatica nella capsula di Bowman non sono soggette a regolazione. Variano però in situazioni patologiche - π (oncotica) plasmatica Grandi ustionati: perdita liquido derivato dl plasma, ricco di proteine  diminuzione π plasmatica  aumento VFG Diarrea disidratante:  aumento π plasmatica  diminuzione VFG Alterazioni metabolismo proteico - P idrostatica della capsula di Bowman Può diventare elevata come nel caso di ostruzione vie urinarie (calcolo renale e/o ipertrofia prostatica) VFG = Pf * Kf Pf = Pcg – (πcg + Pcb) VFG = Pf * Kf Pf = Pcg – (πcg + Pcb)

Frazione di filtrazione = VFG / FPR Aumento della pressione colloido-osmotica del plasma che scorre nei capillari glomerulari Frazione di filtrazione = VFG / FPR Modifiche del FER accompagnate da variazioni della FF possono quindi influenzare la VFG indipendentemente da variazioni della Pcg

E Regolazione della VFG attraverso modifica del coefficiente di filtrazione Modifica della superficie di filtrazione I capillari glomerulari sono immersi nelle cellule mesangiali che contengono fibre contrattili  stimolazione simpatica fa contrarre queste cellule  la contrazione determina una diminuzione della superficie di filtrazione  diminuzione della VFG Modifica della permeabilità I podociti contengono elementi contrattili  la contrazione di podociti (meccanismo non ancora ben caratterizzato) diminuisce il numero dei pori disponibili per la filtrazione  diminuzione della VFG

Fattori che possono diminuire la VFG ↓ Pcg ↑ Raa (attività simpatica, NA, AT II ad alte concentrazioni) ↓ Rae (↓ AT II) ↑ Pcb calcoli renali o delle vie urinarie ↑ πcg aumento proteine plasmatiche ↓ Kf diabete mellito, ipertensione (causano alterazioni della barriera di filtrazione)