nyrebækkenet: maskiner, der koncentrerer urin i papillen

overraskende for mange ligger pacemakeren til ureteral peristaltik inden i nyren, nær det kortikale-medullære kryds (3). Som følge heraf kontraherer nyrebækkenet (hos unipapillerede pattedyr) og nyrekalykkerne (hos multipapillerede dyr) rytmisk, hvilket tvinger blod og væske fra nyrepapillen; når musklerne slapper af, vender væske og blod tilbage (17)., Vi foreslår, at nyrepapillen fungerer som en pumpe gennem skiftende positive og negative tryk genereret af de peristaltiske sammentrækninger af bækkenvæggen. Vand bevæger sig ind i opsamlingskanalcellerne som et resultat af det lille positive hydrostatiske tryk på væggene i cellerne, som genereres af den peristaltiske bølge, der skubber væsken gennem opsamlingskanalerne. Derefter bevæger væske sig ud af cellerne som et resultat af det negative tryk, der genereres af de elastiske kræfter, der udvider papillen under rebound, og væske fjernes fra interstitium af vasa recta., Denne model omhandler mest specifikt pattedyr, der har en relativt lang papilla. (Den højeste grad af urinkoncentration findes hos pattedyr med den længste papilla, hvor peristaltikken forventes at have størst effekt; se Ref. 17).

pattedyr og fugle er de eneste hvirveldyr, der vides at producere en koncentreret urin ved hjælp af et nyremedullært modstrømssystem (18)., Disse to modstrømssystemer udviser imidlertid funktionelle og anatomiske forskelle, der synes at være relateret til det faktum, at fugle udskiller urinsyre, mens pattedyr udskiller det meste af deres affald nitrogen i form af urinstof. I fugl nyrerne, der er ingen ophobning af urinstof i nyrens medulla og der er ikke plads til urinen til at kontakte nyrens medulla, fordi rygmarven er omgivet af en stram ark af bindevæv. I pattedyrs nyrer spiller urinstofakkumulering i nyremedulla en vigtig rolle i mekanismen, der koncentrerer urinen i opsamlingskanalerne., Endvidere er pattedyrets nyremedulla omgivet af en muskuløs tragtformet bækkenvæg (fig. 1A), som efterlader et detaljeret urinrum mellem nyremedulla og indersiden af bækkenvæggen.

På dette tidspunkt er præcisering vedrørende terminologi nødvendig. I nyrerne med mange papiller, såsom human nyre, er hver papilla omgivet af en tragtformet Caly.. Dette svarer til det, vi kalder bækkenet i nyren med kun en papilla., I den menneskelige nyre er det rummet mellem calyces og urineren, der kaldes bækkenet. Dette rum er ikke til stede i nyrer med en papilla, hvor bækkenet er en direkte forlængelse af urinlægen.

en ple .us af glatte muskelfibre findes i væggen af nyrens bækken og calyces. To forskellige lag findes i unipapillerede nyrer., Det inderste lag indeholder fibre, der løber i forskellige retninger, indsæt nær det sted, hvor bækken væggen slutter med den base af papillen, og er kontinuert med ureteral glatte muskulatur; det ydre lag er rigt innervated men er mere diffuse og dækker kun nyre-bækken, der forbinder steder med det inderste lag, men til sidst slutter brat ved krydset med ureter (Fig. 2A; Ref. 7). Selvom lagene af glat muskel i calicealvæggen i multipapillate nyrer ikke er så forskellige (fig., 2B), har de indre fibre en tendens til at indsætte nær krydset af calicealvæggen og bunden af papillen, mens de ydre fibre strækker sig yderligere (musculus levator fornicis; Ref. 15), der danner en fortykket ring omkring tubuli og vasa recta, der løber mod papillen (Ringmuskel der Papille; Ref. 10). De glatte muskler fortsætter så langt som bindevævet forbundet med de bueformede arterier og vener (peripyramidale fibre; Ref. 16)., En koordineret peristaltiske sammentrækning af disse glatte muskler kan således udøve en rytmisk pumpende action på hele nyrens medulla, en funktion først foreslået af Henle (10) som en mekanisme til at fremme tømning af disse tubuli beliggende i nyre-papilla.

pattedyrets nyrebækken gør det muligt for urinen at kontakte epitelet, der dækker den indre og ydre nyremedulla., I tværsnit af unipapillerede pattedyrsnyrer ser bækkenet ud til kun at omringe den indre medulla og have en simpel tragtform. Afstøbninger af bækkenets urinrum afslører imidlertid tilstedeværelsen af en række bladlignende forlængelser (fig. 1B). Der er en enorm variation i bækkenrum, der spænder fra den enkle tragtform til den mest detaljerede af bækkenforlængelser. Sekundære poser og fornices findes i alle typer pattedyrsnyrer. Det er urinrum, hvor urinen kan kontakte det meget tynde epitel, der dækker det ydre medullære væv (se Ref. 13)., I et simpelt tværsnitsskema af gnavernyren kan den indre medulla og papilla ses at hænge i bækkenrummet. Ved siden af nyremedulla er septum, som er kontinuerlig med urinlægen. Hver septum har en række eger, der udstråler mod Corte.og danner fornices. Mellem egerne er den ydre kant af septum fri og har en semilunar kant. Bag denne kant strækker de sekundære poser sig mellem septum og den ydre medulla. De Utugt nå hele vejen til Corte.., Kapillærer er placeret direkte under den tynde epitel, og det er sandsynligt, at udveksling af opløst stof og vand finder sted mellem disse kapillærer og urin nå bækken udvidelser. De detaljerede fornices i sandrotten maksimerer muligheden for udveksling af vand og opløste stoffer mellem urinen i bækkenet og kapillærerne i den ydre medulla. Der er dog intet, der tyder på, at evnen til at koncentrere urinen forbedres hos pattedyr med de mest detaljerede og komplekse bækkenforlængelser., Snarere tillader disse strukturer dyrene at reagere på vandforgiftning ved hurtigt at udflade den opløste gradient langs nyrepapillen (17).

urodynamiske hændelser forekommer i nyrebækkenet

“nyrebækkenet er ikke et stift og ubevægeligt hulrum. Denne kendsgerning har været kendt i over 55 år….”(15), og det blev skrevet i 1940! Hamsteren er især velegnet til observation af urodynamiske begivenheder i nyrebækkenet, fordi den har en enkelt, ret lang papilla., Efter omhyggelig fjernelse af flere lag fedt og bindevæv bliver muskelsammentrækningerne i peripelvæggen synlige, især når papillen gennemlyses af et fiberoptisk lys. I hamsteren er frekvensen af peristaltiske sammentrækninger normalt 13 / min (17) sammenlignet med 7/min i miniature svin (men 12-13/min i isoleret svin nyre; Refs. 4 og 20), 0,3/min i hund (men 13-17 / min i isoleret hund nyre; Refs. 3 og 6) og 2-3/min hos mennesker (2). Denne peristaltik har en dyb indvirkning på papillens størrelse og form., Når væggen trækker sig sammen, indsnævres papillen. Dens diameter reduceres med så meget som 20%, hvilket betyder, at tværsnitsarealet reduceres med så meget som 36%. I øjeblikket bevæger den peristaltiske bølge sig forbi sin spids, papillen rebounds opad. Den gennemsnitlige bevægelse er 300 300 µm (17).

glat muskel findes i væggen i nyrebækkenet op til bunden af papillen i både unipapillat og multipapillat nyrer, men findes ikke i selve papillen (Fig. 2)., De peristaltiske sammentrækninger styres af en pacemaker beliggende i de øverste dele af bækkenet (9), som tilsidesætter de langsommere rytmer, der er forbundet med dele af bækkenvæggen og urinlederen.

det er muligt at studere bevægelsen af urinen i opsamlingskanalerne og i bækkenrummet omkring nyrepapillen under de peristaltiske sammentrækninger af den muskulære bækkenvæg ved hjælp af en teknik introduceret af Steinhausen i 1964 (19). Når farvestoffet Lissamine Green SF injiceres intravenøst, når det hurtigt nyrernes kapillærer og filtreres af glomeruli., Det vises snart i de proksimale tubuli på nyrens kortikale overflade. Når den bevæger sig gennem de proksimale tubuluskonvolutter, falder farven fra de første konvolutter, når farvestoffet kommer ind i Henles sløjfer. Den farvede væske vender derefter tilbage til de distale tubuli. Da der har været vandreabsorption fra nyretubuli, er farvestoffet mere koncentreret og ser mørkere ud. En lignende sekvens ses i nyrepapillen. Farvestoffet vises først i kapillærerne og vasa recta. Efter at den er blevet filtreret og bevæget gennem de pro proximimale svingninger, vises den i Henles sløjfer., Gradvist fjernes farvestoffet fra sløjferne, og efter at det har bevæget sig gennem de distale tubuli, kommer det ind i opsamlingsrørene og opsamlingskanalerne. Hvis farvestof infunderes kontinuerligt, forbliver urinen, der bevæger sig gennem opsamlingskanalerne, grøn.

urin kan tilbagesvales i nyrens bækken?

urin, der forlader kanalerne i Bellini ved spidsen af papillen, vil generelt strømme direkte ned i urinlederen efter hver bækkenkontraktion. Lejlighedsvis blæser urinen imidlertid ud omkring spidsen af papillen og bader kort de nedre 50 µm med urin (17)., Dette mønster, som vi kalder tip reflu., ses under konstant eller faldende urinstrøm. Når urinstrømningshastigheden hurtigt stiger, ses der imidlertid et andet strømningsmønster. Urinen strømmer ikke længere direkte ned i urinlederen, da den forlader kanalerne i Bellini. I stedet bliver urinen fejet op i bækkenet, hvor den når alle Utugt og sekundære poser. Under den næste sammentrækning bliver urinen fejet ned over papillen og kommer ind i urinlægen. Dette mønster kalder vi fuld bækken reflu..,

fuld bækkenrefluxes induceres fysiologisk, når urinstrømmen stiger hurtigere end 0, 05 µl / min2. De fortsætter i flere minutter, efter at strømningshastigheden ikke længere er stigende. Under stigende urinstrøm bliver urinen mere fortyndet, og dens osmolalitet falder. Urinen, der fejes op i bækkenforlængelserne, har således en lavere osmolalitet end det papillære væv. Det har vist sig, at fuld bækkenrefluxes under disse omstændigheder tjener til at reducere osmolaliteten og urinstofkoncentrationen af nyremedulla., Som en konsekvens kan tilbagesvaling af bækken tjene til at forkorte den tid, det tager for en vanddiurese at udvikle sig efter et stort indtag af vand. Dette kan især være nyttigt for ørkendyr, der drikker store mængder vand med jævne mellemrum og derfor skal være i stand til at fortynde urinen hurtigt for at undgå vandforgiftning (17).

peristaltik transporterer urin som en bolus ned i urinlederen

enhver, der har passeret en nyresten, ved, at urinlederen også sammentrækker peristaltisk., Urin, der kommer ind i urinlederen, fremdrives mod blæren i boluser, urinlederen lukkes foran og bagved hver bolus. Ved lave urinstrømningshastigheder er boluserne korte; ved højere strømningshastigheder bliver boluserne længere, men den lineære hastighed af boluserne er uændret. Således strømmen i urinlederen er meget forskellig fra strømmen i et rør med en fast diameter, hvor den lineære hastighed ville ændre sig i direkte forhold til strømningshastigheden. Efterhånden som urinstrømmen øges yderligere, fortsætter længden af boluserne med at stige, indtil urinlægen er fyldt fra den ene ende til den anden (17).,

peristaltiske kræfter koncentrerer urin

når den peristaltiske bølge bevæger sig ned over nyrepapillen, skubbes urinen gennem papillæropsamlingskanalerne som en bolus. Lette mikrografer af papillen fastgjort under sammentrækning viser, at opsamlingskanalerne er lukket (fig. 3A), men at de er vidt åbne, når bækkenvæggen er afslappet (Fig. 3B). Som med urinlederen er opsamlingskanalerne normalt tomme og lukkede bag bolus. Bolus er kort under lave urinstrømningshastigheder; opsamlingskanalerne forbliver tomme, indtil den næste bolus skubbes igennem., Ved lave urinstrømningshastigheder kan de være tomme så meget som 95% af tiden, hvor væske kun er i kontakt med opsamlingskanalepitelet. Den lineære hastighed af den peristaltiske bølge er 1,6 mm / s og svarer til hastigheden af den korte bolus. Ved højere urinstrømningshastigheder er bolus længere, fordi hastigheden af forkanten, som bestemmes af urinproduktionen, er lavere end hastigheden af den peristaltiske bølge, der skubber bagkanten; ved de højeste strømningshastigheder er opsamlingskanalerne kun tomme, når den peristaltiske bølge bevæger sig over papillen., Paradoksalt nok forlænges kontakttiden (eller den gennemsnitlige lineære hastighed af urinen i opsamlingskanalerne er langsommere) ved højere strømningshastigheder sammenlignet med lave urinstrømningshastigheder.

Som den peristaltiske sammentrækning bevæger sig ned papillen, indsamling kanalen væske er skubbet gennem kanalerne med en hastighed, der er større end den hastighed, med hvilken væske, der dannes, og dermed øge det hydrostatiske tryk på væggen af kanalerne. Under lave urinproduktionshastigheder kommer kun halvdelen af væsken i den terminale opsamlingskanal ud af papillen fra kanalerne i Bellini., Det resterende volumen absorberes i opsamlingskanalepitelcellerne, hvis volumener øges med omtrent volumenet af væsken absorberet fra opsamlingskanalens lumen under hver peristaltisk sammentrækning. Når sammentrækningen passerer, lukker opsamlingskanaler bag urinbolus (17).

Ostia af kanalerne i Bellini er normalt patenteret (fig. 3C), men synes ofte at indeholde prolapsed medullært væv i nyrer fra overvægtige kaniner (fig., 3D), fedme at være karakteriseret ved en beskeden grad af arteriel hypertension (+11 mmHg i disse kaniner og lignende stigninger i overvægtige hunde og mennesker), en forhøjet renal interstitiel hydrostatiske tryk (19 vs. 9 mmHg hos overvægtige vs. lean hunde), og en markant udvidet indre medullær interstitium (i kanin, hund og mennesker; Ref. 5)., Således udvidet interstitium kan give en større end normal modstand til den peristaltiske rush af væske gennem indsamling af kanaler, som øger den interstitielle tryk i nyrens parenkym og resulterer i en øget arterielt tryk systemisk såvel som prolaps af medullært indholdet ud ostia.

Henles sløjfer tømmes også delvist under bækkenkontraktionen. Dette kan ses efter en bolusinjektion af Lissamine Green SF, når væsken i løkkerne midlertidigt bliver grøn., Hver sammentrækning ser ud til at presse væsken ud af løkkerne, hvor noget væske skubbes retrograd og resten mod spidsen.

de peristaltiske sammentrækninger af bækkenvæggen påvirker dybt den papillære blodgennemstrømning. Papillen inde i bækkenvæggen bliver bleg, når væggen sammentrækkes omkring den, med kapillærerne indsnævret under hver sammentrækning. Ved nøje observation under mikroskopet kan det ses, at blodgennemstrømningen periodisk stopper og derefter kortvarigt bevæger sig retrograd i faldende kapillærer., Målinger har vist, at blodgennemstrømningen er stoppet ∼30% af tiden. Lys-og elektronmikrografer fra nyrepapiller fastgjort i slutningen af sammentrækningen har vist, at kapillærer, såvel som løkkerne i Henle og opsamlingskanalerne, alle var tæt lukket, hvorimod dem fra afslappede papiller alle var åbne. Dette intermitterende strømningsmønster kan hjælpe med at bevare den osmotiske gradient langs nyrepapillen, da en kontinuerlig strømning ville resultere i øget fjernelse af papillære opløste stoffer (17).,

Papilla rebound flytter vand ind i vasa recta

den peristaltiske sammentrækning komprimerer og strækker papillen, hvilket får den til at blive længere og smalere. I den tidlige afslapningsperiode (1 s) rebounds papillen til sin kortere og bredere afslappede form. Opsamlingskanalerne forbliver oprindeligt lukkede, men vand bevæger sig ud af cellerne ind i interstitiet på grund af negativt hydrostatisk tryk genereret af de elastiske egenskaber af den interstitielle Matri.., Da den stigende vasa recta er bundet til andre strukturer, åbnes de, når vævet udvides under rebound, hvilket tillader vand at komme ind (14). Snart vender blod tilbage til vasa recta, først til den faldende og derefter til den stigende vasa recta, skubber langs vandkolonnen, der var kommet ind i vasa recta fra interstitium. På dette tidspunkt vender rørformet væske også tilbage til Henles sløjfer.

i sen afslapning (2 s) åbnes opsamlingskanaler, når urinen strømmer ind i dem ovenfra., De resterende strukturer fortsætter med at fungere normalt, med formen af papillen uændret, vasa recta åben med blodgennemstrømning, og Henles sløjfer åbnes med væske, der fortsætter med at strømme gennem dem.

bækkenvæggen er nødvendig for peristaltik

Hvis bækkenvæggen resekteres, er blodstrømmen i kapillærerne kontinuerlig, og strømmen i Henles sløjfer og gennem opsamlingskanalerne er også uafbrudt., Tilsvarende, hvis et intakt bækken er lammet af lokalbedøvelse, bliver ureteral peristaltik afkoblet fra bækkenet, og bækkenet bliver lammet. Strømmene i opsamlingskanalerne, løkkerne af Henle og vasa recta er nu kontinuerlige, som det er, når bækkenvæggen fjernes eller lammede. Fysiologiske fund har vist, at når bækkenvæggen fjernes eller lammede, falder osmolaliteten og natriumkoncentrationen af papillærvævet markant (17).,

mekanismer, der koncentrerer urin i papillen

for at koncentrere urinen i opsamlingskanalerne skal vand fjernes fra opsamlingskanalerne ud over opløste stoffer. En del af denne vandfjernelse skyldes ophobning af opløste stoffer i det papillære interstitium, en konsekvens af iontransport, der forekommer i den ydre medulla. Matematiske modeller kan imidlertid ikke forklare de faktiske koncentrationer, som nogle dyr har nået (12, 13). Modellen præsenteret her (Fig., 4) foreslår, at det hydrostatiske tryk, der genereres af bækkenvægens peristaltik, bidrager til fjernelse af vand fra opsamlingskanalens lumen i fire trin. For det første bevæger kraften i den peristaltiske sammentrækning urinens bolus ikke kun ned i opsamlingskanalen, men også ind i cellerne, der forer kanalen (fig. 4A). For det andet har negative interstitielle tryk, der udvikler sig under rebound, en tendens til at flytte vand fra epitelcellerne ind i interstitium. For det tredje har den bundne stigende vasa recta tendens til at åbne før andre strukturer (fig. 4B; Ref., 14), der genererer en negativ intravaskulær hydrostatisk kraft og trækker interstitiel væske ind i lumen. For det fjerde har den stigende vasa recta en usædvanlig stor hydraulisk permeabilitet og lav reflektionskoefficient til albumin (14), hvilket muliggør vaskulær optagelse af både store og små osmotisk aktive particeless. Tilsammen udgør disse fire trin en yderst effektiv mekanisme til bevægelse af interstitiel væske ud af medulla for en given hydrostatisk eller osmotisk gradient.

strukturen af modellen er i modsætning til andre mekanismer, der er blevet foreslået. Vigtigst er det ikke en kontinuerlig funktion af tiden; i stedet skal de fysiske konsekvenser af nyrens bækkenkontraktioner integreres over en komplet peristaltisk cyklus for at transport af vand kan forekomme. For det andet er den termodynamiske energi ikke afledt af ATP eller ioniske gradienter i papillen., Dette er heldigt, fordi vævet ser ud til at have magre energireserver: blodgennemstrømningen er langsom, partialtrykket af ilt er lavt (<10 Torr), mitokondrier er få, og mest energi stammer fra anaerob glykolyse (8). I stedet foreslår vi, at den termodynamiske energi stammer fra en ekstern kilde, nemlig sammentrækning af glat muskel i den rigt vaskulariserede væg i nyrebækkenet. For det tredje kræver visse foreslåede mekanismer, at de interstitielle rum har et fast volumen, eller at nyrepapillen har en lav overensstemmelse (12, 14)., Faktisk skal nyrepapillen være meget kompatibel, uden kapsel og lidt kollagen. I stedet foreslår vi, at periodiske sammentrækninger af nyrebekkenvæggen håndhæver et konstant volumen, rytmisk bevægende væske fra opsamlingskanalerne ind i den stigende vasa recta.

denne model omhandler ikke eksplicit Henles sløjfer, selvom deres indhold tømmes af peristaltik meget som opsamlingskanalerne., Heller ikke beskæftige sig med transport af opløste stoffer, eller den dynamiske effekt af gentagne bevægelser af rent vand i papillær interstitium på munden af aquaporin-kanaler, en bevægelse, der kan ændre fysisk-kemiske karakter af proteiner, hyaluronan, og proteoglycaner, at udfylde denne plads. Vi forventer, at anvendelsen af moderne teknikker vil begynde at belyse disse funktioner i renal urodynamisk aktivitet.