Nefrologie » 303. Fyziologie ledvin

Anatomie

Ledviny jsou párový orgán nalézající se v retoperitoneu. V jejich hilu do ledvin vstupuje renální tepna a vystupuje žíla. Ledvinami protéká 20 % srdečního výdeje a tenze kyslíku klesá od kůry směrem ke dření, proto jsou ledviny částečně citlivé k ischemii. 

Anatomickou jednotkou ledvin je nefron (u dospělých jedinců obsahuje každá ledvina cca 900 tisíc nefronů, na druhou stranu, u nedonošených vzniká v každé ledvině pouze cca 225 tisíc nefronů, což zvyšuje jejich vulnerabilitu vůči nemoci v dospělosti), který se skládá z klubíčka kapilár, které se nazývá glomerulus, ze kterého odstupuje tubulus, kde je dále upravována primární moč. Tubulus se dělí na proximální tubulus, Henleovu kličku, distální tubulus a sběrné kanálky. Do glomerulu vstupuje aferentní arteriola a vystupuje eferentní arteriola, endotel glomerulárních kapilár je kryt speciálním epitelem a dohromady vytváří Bowmanovo pouzdro, mezi endotelem a epitelem je bazální membrána. Prostor mezi kapilárami glomerulu se nazývá mezangium, kde se nacházejí makrofágy, které mohou po stimulaci produkovat různé cytokiny, např. transforming growth-factor-beta (TGF-beta). Distální konec glomerulárních kapilárm se dále rozvětvuje v druhou kapilární síť (tzv. vasa recta), které obklopují tubuly. Nefron má tedy dvě kapilární sítě, které jsou odděleny eferentní arteriolou. Distální kapiláry poté přechází ve venuly, které se sbírají v renální žílu. 

Histologická struktura glomerulů má několik zajímavostí:

1. Kapilární endotel je fenestrovaný, nicméně je pokryt negativně nabitými glykoproteiny a glykosaminoglykany, tudíž k prostupu negativně nabitých proteinů (zejména albuminu) nedochází.
2. Na druhé straně glomerulární bazální membrány se nachází speciální epiteliální buňky, tzv. podocyty, nazvané díky výběžkům, kterými spolu komunikují. 

Fyziologie

Hlavní silou, která ovlivňuje glomerulární filtraci je hydrostatický tlak, proti kterému působí onkotický tlak, který vzniká přítomností nefiltrovatelných plazmatických proteinů, zejména albuminu. Podél cesty k eferentní arterioly dochází k filtraci velké části vody a filtrovatelných molekul, zvyšuje se koncentrace albuminu (díky negativnímu náboji není filtrován), roste onkotický tlak a filtrace z kapiláry klesá až se zastavuje. 

Glomerulární filtrace (norma > 1,5 ml/s) je závislá na krevním tlaku, ale tato závislost není lineární, díly přítomnosti renálních regulačním mechanismů, díky kterým je glomerulární filtrace zachována i do poměrně nízkýcvh hodnot TK a k jejímu poklesu dochází až od středního tlaku cca 65 mm Hg:

Renální autoregulační mechanismy:

• myogenní reflex – akutní změny v perfuzním tlaku ledvin působí konstrikci nebo dilataci aferentní tepny (zvýšení tlaku konstrikci, snížení dilataci). 
• tubuloglomerulární feedback – oblast macula densa ve vzestupném raménku Henleovy kličky „analyzuje“ rychlost toku v tubulární tekutině, která je vyjádřena jako koncentrace solutů. Při jejím zvýšení se zvyšuje i štěpení ATP při aktivním tubulárním transportu za vzniku adenozinu, který je silným vazokonstriktorem aferentní arterioly, což zase sníží glomerulární filtraci. Mechanismus samozřejmě funguje i obráceně (pokles TK a vazodilatace aferentní arterioly). 
• renin – angiotenzin – aldosteronový systém (RAAS) – při snížení průtoku krve ledvinou dochází k uvolnění reninu z granulárních buněk, které se nachází ve stěně aferentní arterioly poblíž macula densa. Renin katalyzuje konverzi angiotenzinogenu na angiotenzin I, kterých dále konvertován angiotenzin-konvertujícím enzymem (ACE) na angiotenzin II, který působí vazokonstrikci eferentní arterioly a zvyšuje glomerulární hydrostatický tlak a glomerulární filtraci. 

Tubulární transport

Na vnitřní straně tubulů je jedna vrstva specifických buněk, které mají specifické transportní funkce a na okrajích jsou s ostatními spojeny pomocí tights junctions. Buňky jsou navíc polarizované, strana směrem do lumen tubulů se nazývá apikální, směrem opačným bazolaterální. Přes tubuly probíhá řada transportních dějů, jednak přes buňku (transcelulárně) a jednak přes tight junctions (paracelulárně). Transcelulárně jsou využívány různé kanály, aktivní trasport (užívá energii z ATP) a sekundární aktivní transport (kotransport). Aktivní transport vytváří asymetrickou koncentraci iontů na obou stranách buněčné membrány a může probíhat proti chemickému gradientu. 

Transportní děje v proximálním tubulu

Plocha apikální plochy tubulárních buněk je zvýšena četnými mikroklky. V proximálním tubulu dochází k reabsorpci cca 2/3 filtrovaného NaCl a vody, až 90 % filtrovaného bikarbonátu a dále téměř všechna glukóza a aminokyseliny. Platí:

• Resorpce vody a iontů je řízena vysokým onkotickým a nízkým hydrostatickým tlakem ve vasa recta. 
• Voda je resorbována trvale aktivními akvaporiny 1, které jsou přítomny na bazolaterální i apikální membráně. 
• Celulární transport většiny solutů (např. aminokyseliny, glukóza, fosfáty) je v proximálním tubulu spřažen s Na⁺, jehož koncetrace je intracelulárně udržovaná nízká díky aktivitě Na⁺/K⁺ ATPázy bazolaterálně. 
• Chloridy jsou v počátečních segmentech proximálního tubulu špatně resorbovány a vzestup Cl^– elektricky vyvažuje pokles HCO₃^– jak je resorbován v proximálním tubulu. V následujícíh částech proximálního tubulu jsou chloridy transportovány antiportem s intracelulárními formáty a bazolaterálně resorbovány pomocí K⁺/Cl^– symportu. Formáty v tubulární tekutině přijímají H⁺ díky antiportu Na⁺/H⁺, dochází ke vzniku kyseliny mravenčí, která volně difunduje přes apikální membránu intracelulárně a zde uvolňuje H⁺, který tak může být znovu použit. 
• V proximálním tubulu je resorbován téměř všechen bikarbonát. Vodíkové ionty se do lumen dostávají téměř výhradně díky Na⁺/H⁺ antiportu a téměř ihned se slučují s HCO₃^– za vzniku H₂CO₃, která je pomocí enzymu kartáčového lemu karboanhydrázy štěpen na CO₂ a H₂O. CO₂ difunduje do buněk tubulů, kde je opačným dějem tvořen HCO₃^– a H⁺. HCO₃^– je resorbován pomocí bazolaterálního symportu Na⁺/HCO₃^– a H⁺ je opět vylučováno do tubulární tekutiny pomocí Na⁺/H⁺ antiportu. 
• V proximálním tubulu dochází k vylučování kyseliny pomocí:
  • amoniaku NH₃ (vzniká z glutaminu), který příjme H⁺ za vzniku NH₄⁺ a následně je vyloučen do moči. Tvorba amoniaku je mimo jiné nepřímo úměrná kalémii. 
  • HPO₄^2-, na který se váže H⁺ za vzniku H₂PO₄^–.
• Glukóza je reabsorbována pouze v proximálním tubulu, transport je apikálně spřažen s Na⁺, na bazolaterální straně poté usnadněnou difúzí. Tento transport je saturovatelný, při glykémii > 10 – 11 mmol/l se cukr objevuje již v moči a dochází ke glykosurii.
• Dochází zde k resorpci 2/3 Ca²⁺ a cca 85 % anorganického fosforu. Kalcium je resorbováno zejména paracelulárně pasivní difuzí, u fosfátů je transport spřažen s Na⁺, který je inhibován FGF-23 (fibroblast-growth hormon, který vzniká v kostech a snižuje fosfatémii) a dále PTH. V buňkách proximálního tubulu dochází k bioaktivaci 25-OH vitamínu D na 1,25-OH vitamín D, který zvyšuje resorpci kalcia v tenkém střevě (stimulováno PTH).
• V proximální tubulu dochází k reabsorpci aminokyselin pomocí několika transportérů (např. cystin, lyzin, arginin a ornitin je resorbován pomocí systému kódovaného geny SLC3A1 a SLC7A9, kdy mutace jednoho z nich je odpovědna za vznik cystinurie).
• P glykoprotein má za úkol resorpci a transport několika velice důležitých léků (takrolimus, cyklosporin, digoxin atd.) a má zásadní úlohu v interakcích mezi léky.
• Přítomny jsou i transportéry pro organické anionty (uráty, dikarboxylové anionty atd.).

Transportní děje v Henleově kličce

Je zde resorbováno cca 15 – 25 % NaCl (zejména v ascendentní tlusté části). Hraje důležitou roli v protiproudovém mechanismu. Henleova klička se skládá z několika segmentů.

• descendentní tenká část – vysoce propustná pro vodu díky trvale aktivním akvaporinům 1
• ascendentní tenká část – nepropustná pro vodu
• ascendentní tlustá část – nepropustná pro vodu, ale vysoká propustnost pro Na⁺ díky apikálnímu Na⁺/K⁺/2Cl^– symportu (limitujícím substrátem je tubulární koncentrace K⁺, který je recyklován apikálním K⁺ kanálem). Tyto ionty jsou dále bazolaterálně resorbovány díky Na⁺/K⁺ ATPáze a Cl^– kanálům. Je blokován kličkovými diuretiky a jeho mutace působí Barterův syndrom (hypokalémie a metabolická alkalóza).

Recyklace K⁺se podílí na pozitivním náboji uvnitř tubulu, který podporuje paracelulární resorpci divalentních kationtů (Mg²⁺ a Ca²⁺). Definitivní resorpci Ca²⁺ umožňuje CaSR (calcium sending receptor) v bazolaterální membráně, který může zvýšit kalciurii (hypofunkční mutace CaSR působí familiární hyperkalcemickou hypokalciurii).

Henleova klička se podílí na vzniku protiproudového systému (zahrnuje Henleovu kličku a vasa recta) a udržení hypertonického intersticia dřeně a tak na koncentraci moči, protože dochází k excesivní resorpci NaCl (na tomto se podílí i recyklace urey ze sběrných kanálku). Protiproudový systém zahrnuje jednak Henleovu kličku, jednak vasa recta.

Transportní děje v distálním tubulu

V distálním tubulu je resorbováno 5 % filtrovaného NaCl a je je velmi málo prostupný pro vodu.

• Hlavním transportérem je apikální Na⁺/Cl^– symport ve spolupráci s Na⁺/K⁺ ATPázou a Cl^– kanálem bazolaterálně.
• Apikálně se nachází Ca²⁺ selektivní kanály (TRPV5) a bazolaterálně antiport Na⁺/Ca²⁺.

Ca²⁺ resorpce je nepřímo úměrná resorpci Na⁺ a je stimulována PTH. Při medikaci thiazidy dochází k blokádě Na⁺/Cl^– symportu, snižuje se množství Na⁺ intracelulárně, kde je tedy méně kationtů, jejichž místo přebírá Ca²⁺ a navíc je díky tomu více substrátu pro Na⁺/Ca²⁺ antiport. Výsledkem je tedy vyšší resorpce Ca²⁺.

Pseudohypoaldosteronismus II. typu – mutace genu WNK1 a WNK4 serin-treonin kinázy nebo KLHL3 (Kelch-like 3) a CUL3 (Cullin 3), což jsou dvě komponenty a zároveň regulátory komplexu ubikvitin ligázy E3. Všechny tyto proteiny regulují funkci Na⁺/Cl^– symportu v distálním tubulu. Klinicky přesný opak Gittelmannova syndromu. Projevuje se hypertenzí, hyperkalémií, hyperchloremickou metabolickou acidózou, supresí PRA a aldosteronu a hyperkalciurií se sníženou kostní denzitou. K hyperkalémii dochází snížením aktivity K⁺ kanálů ve sběrných kanálcích (není zde dostatek Na⁺ k resorpci přes ENaC a následnému „elektrickému vytlačení“ K⁺ do tubulů). Po podání thiazidů dochází k úpravě stavu.

Gitelmanův syndrom – inhibiční mutace genu pro Na⁺/Cl^– symportu v distálním tubulu. Projevuje se hypomagnezémií, hypokalciurií (tou se liší od Bartterova syndromu), hypokalémií, hypokalemickou alkalózou a navíc často chondrokalcinózou (abnormální depozice kalcium pyrofosfát dihydrátu v kloubní chrupavce). Projevy poruchy jsou mírnější než u Bartterova syndromu. Syndrom klinicky odpovídá předávkování thiazidy. 

Familiární hypomagnezémie s hypokalcémií – mutace TRPM6, který kóduje kanál pro Mg²⁺.

Transportní děje ve sběrných kanálcích

Sběrné kanálky modulují konečnou podobu moče, je zde resorbováno cca 4 – 5 % filtrovaného Na⁺ a jsou důležité pro hormonální regulaci vodní a iontové rovnováhy. Lze je rozdělit na kortikální a dřeňovou část. Veškerý transport zde probíhá transcelulárně. Na apikální části buněk je exprimován akvaporin 2, na bazolaterální akvaporin 3 a 4. ADH se váže na V₂ receptory s následnou aktivací cAMP, proteinkinázy A a fosforylací akvaporinů 2, které se následně inzerují na apikální stranu, tvoří zde póry a velmi výrazně zvyšují propustnost membrány pro vodu.

I. Epitel kortikálních sběrných kanálků obsahuje dva typy buněk:

1. Hlavní buňky, které mají úlohu v reabsorpci vody a Na⁺ a exkreci K⁺. Na⁺ je resorbován přes amilorid senzitivní epitelový kanál (ENaC) a bazolaterálně buňky opouští cestou Na⁺/K⁺ ATPázy. Tento proces je úzce regulován aldosteronem, který vstupuje z bazolaterální strany dovnitř buňky, váže se na mineralokortikoidní receptor a moduluje trankripci s následným zvýšením resorpce Na⁺ a exkrece K⁺.

Hyperfunkční mutace ENaC vede k Liddleho syndromu se vznikem hypertenze, hypokalémie a metabolické alkalózy. Naopak, amilorid funkci ENaC blokuje.

Resorpcí Na⁺ dochází ke vzniku pozitivního náboje uvnitř buňky a negativního náboje v lumen tubulů. Dochází tak na základě elektrického gradientu k přestupu K⁺ do lumen tubulů. Vylučování draslíku je ovlivněno:

• aldosteronem, který zvyšuje aktivitu ENaC i počet draslíkových kanálů a zvyšuje vylučování K⁺.
• volumexpanze nebo diuretika zvyšují tok tubulární tekutiny a zvyšuje se tak i rychlost vylučování K⁺.
• přítomnost neresorbovatelných aniontů v lumen (bikarbonát, peniciliny) zvyšuje elektrický gradient a zvyšuje vylučování K⁺.
• některá antibiotika (trimetoprim, pentamidin) blokují ENaC a zmenšují tak elektrický gradient se snížením vylučování K⁺.

2. Vmezeřené buňky zprostředkovávají udržování acidobazické rovnováhy cestou protonové pumpy (H⁺ATPáza) a  Cl^–/HCO₃^– antiportu.

• typ A zprostředkuje exkreci kyselin a resorpci bikarbonátů, kdy protonová pumpa je na apikální membráně a Cl^–/HCO₃^– antiport bazolaterálně. H⁺ v lumen je následně vázán na NH₃ (difunduje do lumen z okolního intersticia) za vzniku NH₄⁺, které je vylučováno močí. Aldosteron zvyšuje počet protonových pump a tak zvyšuje kyselou exkreci a může působit metabolickou alkalózu.
• typ B zprostředuje resorpci kyselin a exkreci bikarbonátů), kdy je protonová pumpa bazolaterálně a Cl^–/HCO₃^– antiport apikálně.

Pro zapamatování: buňky typu A, jdou organismem preferovány při Acidémii a protonová pumpa se nachází Apikálně, buňky typu B jsou organismem preferovány při nadbytku Bazí a protonová pumpa se nachází Bazolaterálně.

II. Dřeňové sběrné kanálky sdílí mnoho společných znaků s kortikálními, navíc jsou místem účinku renálních (urodilatin) a atriálních natriuretických peptidů (ANP, uvolňovány z myocytů síní jako odpvěď na volumexpanzi). Stimulují guanylyl cyklázu a zvyšují hladinu cGMP se snížením aktivity apikálních Na⁺ kanálů a zvýšením natriurézy.

Dochází zde i k transportu urey mimo lumen, kde se podílí na vzniku hypertonického intersticia a tak i na protiproudovém mechanismu. Urea se poté dostává zpět do lumen Henleovy kličky pasivní difúzí.

Hormonální regulace homeostázy vody a sodíku

Regulace homeostázy vody

Zásadní k regulaci vodní homeostázy je osmolarita, což je koncentrace efektivních osmolů uvnitř a vně buňky. Právě ona řídí pohyb vody dovnitř a ven z buňky (při vyšší osmolaritě v jednom kompartmentu voda z kompartmentu o nižší osmolaritě proniká do kompartmentu s vyšší osmolaritou, kterou zde tak snižuje a tím, že opouští kompartment s nižší osmolaritou, zde osmolaritu zvyšuje až se osmolarita mezi oběma kompartmenty vyrovná). Při poruše této homeostázy může dojít ke tkáňové dehydrataci nebo naopak edému. Základním solutem, který ovlivňuje osmolaritu je Na⁺.

Osmolarita organismu je cca 280 mosmol/l. Při dehydrataci dochází ke zvýšení koncentrace Na⁺, svraštění speciálních neuronů spojené s organum vasculosum laminae terminalis (tenká ploténka ohraničující III. mozkovou komoru zepředu, která je součástí nepárového telencephala), které obsahují mechanosenzitivní kanály TRPV 1, 2 nebo 4. Tyto vedou ke spuštění pocitu žízně a uvolnění ADH z neurohypofýzy (k jeho uvolnění vedou i některé neosmotické stimuly, např. změn krevního tlaku, stres, bolest, nauzea a některé léky). V ledvinách se nachází speciální kanály, akvaporiny, které vedou vodu. Akvaporin 1 je otevřen trvale, akvaporiny 2 (na apikální membráně), 3 a 4 bazolaterálně jsou citlivé k ADH, který se váže na V₂ receptory s následnou aktivací cAMP, proteinkinázy A a fosforylací akvaporinů 2, které se následně inzerují na apikální stranu, tvoří zde póry a velmi výrazně zvyšují propustnost membrány pro vodu.

Regulace homeostázy sodíku

Funkce krevního objemu je dána vaskulární rezistencí, srdečním výdejem, tepovou frekvencí a množstvím vody a extracelulárních solutů, z nichž je nejdůležitější Na⁺. Za normálních podmínek je volum regulován právě množstvím (nikoliv koncentrací!!!) Na⁺, které je regulováno baroreceptory, ANP, renin-angiotenzin-aldosteronovým systémem (RAAS), Ca²⁺, adenozinem, vazopresinem, autonomním nervovým systémem apod. Když je zvýšen příjem Na⁺, zvýší se exkrece Na⁺ ledvinami a naopak.

RAAS – renin je syntetizován v granulárních buňách aferentních arteriol (jeho syntéza je regulována beta-1 receptory aferentních arteriol, signály z macula densa, prostaglandiny atd.). Renin štěpí angiontenzinogen na angiotenzin-I, který angiotenzin-konvertující enzym štěpí na angiotenzin-II, který stimuluje:

• antiport Na⁺/H⁺ se zvýšením resorpce Na⁺ a exkrece H⁺
• resorpci Na⁺ ve sběrných kanálcích
• sekreci aldosteronu v nadledvinách
• vazokonstrikci eferentní arterioly se zvýšením intraglomerulárního tlaku a glomerulární filtrace i filtrační frakce. Dochází ke zvýšení peritubulárního onkotického tlaku a snížení tlaku ve vasa recta, což opět zvyšuje resorpci Na⁺.
• negativní zpětnou vazbou inhibuje sekreci reninu

Aldosteron je syntetizován v zona glomerulosa nadledvin. Váže se na cytoplazmatický mineralokortikoidní receptor hlavních buněk sběrných kanálků, kde zvyšuje aktivitu ENaC, apikálních kanálů pro K⁺ a aktivitu Na⁺/K⁺ ATPázy. Dochází tak ke zvýšení reabsorpce Na⁺ a pozitivnímu náboji intracelulárně, což vytlačuje K⁺ do zubulů a zvyšuje tak jeho exkreci.