Omeostasi idro-elettrolitica Riassorbimento idrico isoosmotico o obbligatorio Riassorbimento idrico non-isoosmotico o facoltativo

Il bilancio idrico richiede l’azione integrata di molteplici sistemi

È possibile regolare l’escrezione di H2O indipendentemente da quella dei soluti Il rene può eliminare fino (limite estremo) a 20 l / giorno di urina con una concentrazione che può raggiungere un minimo di 50 mOsm/l. La quantità totale di soluti escreti rimane però relativamente costante. Diuresi dopo ingestione di 1 l H2O. Il volume di urine aumenta mentre l’osmolarità urinaria diminuisce  grande volume di urine diluite. La quantità di soluti rimane pressochè costante  i reni prevengono una significativa perdita di osmolarità plasmatica in seguito ad assunzione di un’elevata quantità di H2O.

Volume urinario minimo “obbligatorio” Quale volume di urina deve essere prodotto per eliminare i prodotti di scarto del metabolismo? 600 mOsm/d = quantità di soluti (soprattutto urea) che devono essere eliminati ogni girono 1200 mOsm/l = concentrazione urinaria massima nell’uomo Volume urinario minimo obbligatorio = 600 mOsm/d = 0.5 l/d (nell’uomo) 1200 mOsm/l Il limite è dato dalla capacità di concentrare urine fino a 1200 mOsm. Questo limite spiega perché bevendo H2O di mare (1200 mOsm/l) si va incontro a grave disidratazione. Bere 1 l H2O mare  1200 mOsm NaCl introdotte Sfruttando la capacità massima di concentrare urina (1200 mOsm/l) si produce  1l urina (conc. 1200 mOsm/l). Fin qui sembra “tutto bene”. Perché allora un individuo si disidrata? Il rene deve eliminare anche altri soluti, soprattutto urea, per 600 mOsm/l. Quindi per ogni l di H2O di mare ingerita è richiesta la produzione di 1.5 l di H2O. Il risultato netto è la perdita di 0.5 l di H2O (disidratazione di naufraghi)

Il fluido che esce dal TAS dell’ansa di Henle è sempre ipoosmotico Variazioni di osmolarità lungo il nefrone In rosso sono evidenziati i tratti in cui il riassorbimento di H2O (riassorbimento idrico facoltativo) e soluti può essere modulato. Il fluido che esce dal TAS dell’ansa di Henle è sempre ipoosmotico

Il riassorbimento di acqua nel TCD, nel tubulo collettore e nel dotto collettore è regolato dalla vasopressina (ADH): urine concentrate o diluite  riassorbimento non-isosomotico o facoltativo

Requisiti per la produzione di urina concentrata Alta osmolarità del fluido interstiziale della regione midollare renale  gradiente osmotico necessario al riassorbimento di H2O Alta permeabilità dei tubuli distali e dotti collettori all’H20  alti livelli di ADH Implica l’operatività del meccanismo di moltiplicazione in controcorrente che dipende essenzialmente: i) dalla forma anatomica dell’ansa di Henle e ii) dei vasa recta.

Il meccanismo dello scambio controcorrente Come si forma il gradiente osmotico necessario al riassorbimento di H2O Il meccanismo dello scambio controcorrente

Fattori che contribuiscono a creare gradiente di concentrazione nella midollare renale Trasporto attivo di Na+ e cotrasporto di K+ e Cl– dal TAS Trasporto attivo di ioni dal dotto collettore all’interstizio midollare Diffusione facilitata di urea dalla porzione midollare interna del dotto collettore all’interstizio midollare Diffusione di piccole quantità di H2O dalle porzioni midollari dei tubuli nell’interstizio midollare

Versione semplice Come si forma il gradiente osmotico verticale nella regione midollare del rene? Rriassorbimento distinto di H2O nel TDs dell’ansa di Henle e di NaCl nel TAS  dispositivo di moltiplicazione in controcorrente Preurina dal TCP (300 mOsm) H2O NaCl H2O NaCL H2O NaCl Regione MIDOLLARE H2O NaCl (schema iniziale linea tratteggiata, ansa di Henle + scritta regione midollare) La branca discendente sottile dell’ansa di Henle, TDs è permeabile all’H2O (appaiono frecce azzurre) ed è l’unico segmento del nefrone che non riassorbe il Na+, mentre la branca ascendente è impermeabile all’H2O ma riassorbe NaCl attraverso l’attività del trasportatore NKCC sulla membrana apicale e della pompa Na/k e del canale al Cl sulla membrana basolaterale. Per esigenze didattiche in questa animazione viene evidenziato come si forma il gradiente osmotico partendo da una situazione in cui sia la preurina contenuta nei diversi segmenti dell’ansa di Henle che il compartimento interstiziale si trovano in una condizione isosmotica, cioè a 300 mOsm e facendo scorrere la preurina nel lume tubulare in modo intermittente (vd http://www.colorado.edu/intphys/Class/IPHY3430-200/countercurrent_ct.html). (Prevedere un tasto di stop e uno di continua per fermare o far scorrere la preurina). H2O NaCl TAS riassorbe NaCl Impermeabile all’H2O TDs Permeabile all’H2O Non riassorbe Na+ 11

Versione semplice Come si forma il gradiente osmotico verticale nella regione midollare del rene? Preurina dal TCP (300 mOsm) H2O 300 300 300 NaCl 300 300 300 H2O NaCL 300 300 300 H2O NaCl 300 300 300 Regione MIDOLLARE H2O NaCl 300 300 300 (STEP 1 situazione di partenza i valori di osmolarità nella branca disc, asc e nel compartimento interstiziale sono uguali tra loro 300 mOsm) L’azione dei trasportatori NKCC presenti sulla membrana luminale della branca ascendente e la pompa Na/K sulla membrana basolaterale ( vd filmato countercurrent) promuovono il passaggio degli ioni Na+ e Cl- dal lume tubulare nel compartimento interstiziale. Questo processo determina una diminuzione dell’osmolarità della preurina nella branca ascendente mentre l’osmolarità aumenta nel compartimento interstiziale (i valori passano da 300 a 200 nella branca ascendente mentre variano da 300 a 400 nel compartimento interstiziale). La differenza di osmolarità che si è creata tra il compartimento interstiziale e la branca discendente dell’ansa di Henle promuove la diffusione di H2O (compaiono le frecce azzurre) dal lume tubulare della branca discendente, che è permeabile all’H2O, nel compartimento interstiziale. In questa situazione l’osmolarità della preurina nella branca discendente eguaglierà quella del compartimento interstiziale (i valori passano da 300 a 400 anche nella branca discendente ). H2O NaCl 300 300 300 300 300 300 300 300 300 12

Versione semplice Come si forma il gradiente osmotico verticale nella regione midollare del rene? Preurina dal TCP (300 mOsm) H2O 400 400 200 NaCl 400 400 200 H2O NaCL 400 400 200 H2O NaCl 400 400 200 Regione MIDOLLARE H2O NaCl 400 400 200 (Fine STEP 1) Ad ogni livello della regione midollare (far comparire i rettangoli azzurri) si viene quindi a formare un gradiente osmotico orizzontale la cui grandezza, circa 200 mOsm, è limitata dalla quantità di NaCl attivamente riassorbito attraverso i trasportatori NKCC e le pompe Na/K presenti sull’epitelio tubulare della branca ascendente. H2O NaCl 400 400 200 400 400 200 400 400 200 13

Versione semplice Come si forma il gradiente osmotico verticale nella regione midollare del rene? 200 mOsm Preurina dal TCP (300 mOsm) H2O 300 400 200 NaCl 300 400 200 H2O NaCL 300 400 200 H2O NaCl 300 400 200 Regione MIDOLLARE H2O NaCl 400 400 400 (STEP 2) A questo punto facciamo scorrere il fluido che si trova nel tubulo luminale, la preurina. Un determinato volume di preurina con osmolarità di 200 mOsm andrà nel TCD mentre un’eguale quantità giungerà dal TCP nella branca discendente dell’ansa di Henle ad una osmolarità di 300 mOsm (passare da slide 3 a slide 4 facendo scorrere i numeri all’interno del tubulo). Facciamo ora ripartire i dispositivi ( vd filmato countercurrent) che promuovono il passaggio degli ioni Na+ e Cl- dal lume tubulare nel compartimento interstiziale. Come abbiamo già visto questo processo determina una diminuzione dell’osmolarità della preurina nella branca ascendente mentre l’osmolarità aumenta nel compartimento interstiziale La differenza di osmolarità che si è creata tra il compartimento interstiziale e la branca discendente dell’ansa di Henle promuove la diffusione di H2O (compaiono le frecce azzurre) dal lume tubulare della branca discendente, che è permeabile all’H2O, nel compartimento interstiziale. Come abbiamo visto questi processi producono sempre un gradiente osmotico orizzontale la cui grandezza è di 200 mOsm.(i valori passano da 200 a 150 e da 400 a 300 nella branca ascendente mentre variano da 350 a 400 nel compartimento interstiziale). H2O NaCl 400 400 400 400 400 400 400 400 400 14

Versione semplice Come si forma il gradiente osmotico verticale nella regione midollare del rene? Preurina dal TCP (300 mOsm) H2O 350 350 150 NaCl 350 350 150 H2O NaCL 350 350 150 H2O NaCl 350 350 150 Regione MIDOLLARE H2O NaCl 500 500 300 (Fine STEP 2) Ad ogni livello della regione midollare (far comparire i rettangoli azzurri) si viene quindi a formare un gradiente osmotico orizzontale la cui grandezza è sempre di 200 mOsm. H2O NaCl 500 500 300 500 500 300 500 500 300 15

Versione semplice Come si forma il gradiente osmotico verticale nella regione midollare del rene? 150 mOsm Preurina dal TCP (300 mOsm) H2O 300 350 150 NaCl 300 350 150 H2O NaCL 350 350 300 H2O NaCl 350 350 300 Regione MIDOLLARE H2O NaCl 350 500 300 (STEP 3) Facciamo scorrere il fluido che si trova nel tubulo luminale. Un determinato volume di preurina con osmolarità di 150 mOsm andrà nel TCD mentre un’eguale quantità giungerà dal TCP nella branca discendente dell’ansa di Henle ad una osmolarità di 300 mOsm (passare da slide 5 a slide 6 facendo scorrere i numeri all’interno del tubulo). Facciamo ora ripartire i dispositivi ( vd filmato countercurrent) che promuovono il passaggio degli ioni Na+ e Cl- dal lume tubulare nel compartimento interstiziale. Come abbiamo già visto questo processo determina una diminuzione dell’osmolarità della preurina nella branca ascendente mentre l’osmolarità aumenta nel compartimento interstiziale La differenza di osmolarità che si è creata tra il compartimento interstiziale e la branca discendente dell’ansa di Henle promuove la diffusione di H2O (compaiono le frecce azzurre) dal lume tubulare della branca discendente, che è permeabile all’H2O, nel compartimento interstiziale. Questi processi determinano sempre un gradiente osmotico orizzontale la cui grandezza, circa 200 mOsm.(i valori passano da 150 a 125, da 300 a 225 e da 500 a 400 nella branca ascendente mentre variano da 350 a 400 nel compartimento interstiziale). H2O NaCl 350 500 300 500 500 500 500 500 500 16

Versione semplice Come si forma il gradiente osmotico verticale nella regione midollare del rene? Preurina dal TCP (300 mOsm) H2O 325 325 125 NaCl 325 325 125 H2O NaCL 425 425 225 H2O NaCl 425 425 225 Regione MIDOLLARE H2O NaCl 425 425 225 (fine STEP 3) Ad ogni livello della regione midollare (far comparire i rettangoli azzurri) si viene quindi a formare un gradiente osmotico orizzontale la cui grandezza è sempre di 200 mOsm. H2O NaCl 425 425 225 600 600 400 600 600 400 17

Meccanismo di moltiplicazione controcorrente nel rene Inserire meccanismi formazione gradiente Gradiente osmotico orizzontale 200 mOsm Na+ H2O gradiente osmotico verticale 1200 mOsm moltiplicatore Flusso osmotico orizzontale È limitato dalla quantità di sodio riassorbito attivamente Flusso osmotico verticale È limitato dalla lunghezza dell’ansa di Henle http://www.colorado.edu/intphys/Class/IPHY3430-200/countercurrent_ct.html

L’urea contribuisce per circa 40-50% all’osmolarità interstiziale Il contributo dell’urea è essenziale per determinare il gradiente iperosmotico nella regione midollare L’urea contribuisce per circa 40-50% all’osmolarità interstiziale Impermeabilità all’urea

Versione complicata ma realistica Come si forma il gradiente osmotico verticale nella regione midollare del rene? Preurina dal TCP (300 mOsm) H2O NaCl 300 300 H2O NaCL 400 400 500 H2O 500 NaCl 600 Regione MIDOLLARE H2O 700 NaCl 600 800 (schema iniziale linea tratteggiata, ansa di Henle e scritta regione midollare)(Tasto inserisci dotto collettore)Compare il dotto collettore La branca discendente sottile dell’ansa di Henle, TDs è permeabile all’H2O (appaiono frecce azzurre) ed è l’unico segmento del nefrone che non riassorbe il Na+, mentre la branca ascendente è impermeabile all’H2O e riassorbe NaCl passivamente nel TAs e attraverso il trasportatore NKCC nel TAS. A livello del dotto collettore si osserva invece un piccolo riassorbimento di NaCl e un riassorbimento di urea modulato dalla vasopressina. Quando i livelli di vasopressina in circolo sono molto bassi (tasto vasopressina OFF o bassa) la quantità di urea riassorbita è limitata e di conseguenza l’osmolarità nella regione interstiziale midollare raggiunge valori massimi di 700-800 mOsm(mettere un solo trasportatore UT1 sul dotto collettore che riassorbe lentamente urea (passa da preurina nel compartimento interstiziale)). Quando invece i livelli di vasopressina sono alti (tasti vasopressina ON o alta) come si può osservare in condizioni di ipovolemia o aumentata osmolarità plasmatica, vengono aumentati i trasportatori UT1 espressi sull’epitelio tubulare del dotto collettore nella midollare interna e la loro attività (far vedere aumento dei trasporatori ed eventualemnte loro velocità). Conseguentemente aumenta la quantità di urea che viene riassorbita (far vedere aumento dell’urea che viene riassorbita) e l’osmolarità dell’interstizio della regione midollare può aumentare,per effetto del maggior riassorbimento di urea fino a valori di 1200-1300 mOsm (cambiare valori del gradiente osmotico verticale fino a 1200-1300 mOsm- vd colonna numeri a dx). H2O 900 NaCl 700 1000 urea 1100 800 1200 TDs Non riassorbe Na+ 20

Trasporto di urea nelle cellule del dotto collettore della regione midollare interna è stimolato da ADH Quindi In presenza di ADH più urea sarà riassorbita nell’interstizio midollare e più alto sarà il gradiente di concentrazione! Trasporto facilitato ADH stimola UT1 mediante fosforilazione

Il ricircolo dell’urea (passive) Impermeabile urea

Versione complicata ma realistica Come si forma il gradiente osmotico verticale nella regione midollare del rene? Preurina dal TCP (300 mOsm) H2O NaCl H2O NaCL H2O NaCl Semplice rene schematizzato Regione MIDOLLARE H2O NaCl Il protratto riassorbimento di NaCl nella branca ascendente dell’ansa di Henle e di H2O in quella discendente porterebbe ad un aumento indefinito di H2O e di NaCl nella regione midollare (far vedere un cilindro che parte dall’ultima freccia azzurra e arriva alla prima e a dx una bilancia(a sin delle frecce rosse) far partire le frecce rosse e poi quelle blu: il cilindro si riempie gradualmente mentre sulla bilancia si forma un cumulo via via più grosso di NaCl). Il rene aumenterebbe velocemente di dimensione(aumenta il rene dello schema). Tutto questo non succede perché sono presenti i capillari peritubulari definiti vasa recta (tasto inserisci i vasa recta). H2O NaCl TDs Non riassorbe Na+ 23

Ruolo dei vasa recta nel meccanismo dello scambiatore in controcorrente Due caratteristiche del flusso sanguigno che contribuiscono a mantenere alta l’osmolarità midollare: Il flusso ematico midollare è basso (<5% FER) questo permette più facilmente di equilibrarsi con il fluido interstiziale  qdi deve rimanere basso per evitare alterazioni gradiente. I vasa recta costituiscono uno scambiatore in controcorrente. I vasa recta non creano l’iperosmoarità midollare ma contribuiscono a prevenirne la dissipazione.

Per spiegazione vasa recta casella pg 683 Pur essendo lento il flusso nei vasa recta determina un certo ritardo. Ramo discendente: la Posm sarà sempre un poco inferiore rispetto all’interstizio. Ramo ascendente: la Posm sarà sempre un poco superiore rispetto all’interstizio. Conclusione: il liquido che esce dai vasa recta è più ricco di soluti, elimina quindi il surplus di soluti dalla midollare. E l’H2O? Tratto discendente: la π si oppone all’uscita di H2O. Tratto ascendente: la π favorisce l’ingresso di H2O dallo spazio peritubulare. Conclusione: il volume di sangue in uscita dai vasa recta è maggiore di quello in entrata.

Hopping mouse Ratto canguro

Produzione urina in presenza o assenza di vasopressina (ADH)

Variazioni di osmolarità del fluido nel passaggio attraverso i vari segmenti tubulari Assenza ADH Il rene può: produrre urine iperosmotiche che contengono poco NaCl; eliminare grandi quantità di urine senza aumentare l’escrezione di Na e esiste una quantità minima di volume di urine (obbligatorio)

Come si quantifica la concentrazione renale delle urine: clearance osmolare e clearance dell’H2O libera I reni operano una sorta di “depurazione osmotica” del plasma La clearance totale dei soluti può essere espressa come clearance osmolare, Cosm Cosm = Uosm* V / Posm Uosm = osmolarità urina Posm = osmolarità plasma I reni possono estrarre o trattenere H2O dal plasma. L’H2O “legata” è il volume d’H2O necessario per eliminare una quantità di soluto in condizioni isosmotiche rispetto al plasma. La clearance dell’H2O libera (CH2O) è calcolata come la differenza tra l’escrezione di H2O (flusso urinario) e Cosm. CH2O = V – Cosm = V – (Uosm * V) / Posm = V * (1 – Uosm/Posm) La clearance dell’acqua libera è la quantità di acqua osmoticamente “libera” (priva di soluto) che il rene produce nell’unità di tempo.

Controllo integrato di osmolarità e volume Paragone guida in condizioni normali od elevata velocità Per semplicità trattati fin qui in modo quasi indipendente. In realtà si influenzano reciprocamente anche quando il rene è chiamato ad ridurre al minimo l’escrezione di H2O o di sali

Fattori che regolano secrezione di ADH ALTRI fattori: Nausea e vomito  aumenta [ADH] 100 volte Nicotina e morfina  ↑ [ADH] Alcool  ↓ [ADH]

↑osmolarità

Patologie legate alla capacità renale di concentrare l’urina Alterazione della secrezione di ADH. La mancanza di secrezione di ADH  diabete insipido “centrale” Trattamento con desmopressina analogo ADH che agisce su recettori V2 Diabete insipido “nefrogenico” - alterazione meccanismo controcorrente - alterazione recettore ADH