Pelvi renale: Macchinario che concentra l’urina nella Papilla

Sorprendente per molti, il pacemaker per la peristalsi ureterale si trova all’interno del rene, vicino alla giunzione corticale-midollare (3). Di conseguenza, la pelvi renale (nei mammiferi unipapillati) e i calici renali (negli animali multipapillati) si contraggono ritmicamente, costringendo sangue e liquido dalla papilla renale; quando il muscolo si rilassa, il fluido e il sangue ritornano (17)., Suggeriamo che la papilla renale funzioni come una pompa, attraverso l’alternanza di pressioni positive e negative generate dalle contrazioni peristaltiche della parete pelvica. L’acqua si muove nelle cellule del condotto di raccolta come risultato della piccola pressione idrostatica positiva sulle pareti delle cellule, che è generata dall’onda peristaltica che spinge il fluido attraverso i condotti di raccolta. Successivamente, il fluido esce dalle cellule a causa della pressione negativa generata dalle forze elastiche che espandono la papilla durante il rimbalzo e il fluido viene rimosso dall’interstizio dal vasa recta., Questo modello si occupa più specificamente di mammiferi che hanno una papilla relativamente lunga. (Il più alto grado di concentrazione urinaria si trova nei mammiferi con la papilla più lunga, dove si prevede che la peristalsi abbia il massimo effetto; vedi Rif. 17).

I mammiferi e gli uccelli sono gli unici vertebrati noti a produrre un’urina concentrata mediante un sistema controcorrente midollare renale (18)., Questi due sistemi controcorrente, tuttavia, presentano differenze funzionali e anatomiche che sembrano essere correlate al fatto che gli uccelli espellono l’acido urico, mentre i mammiferi espellono la maggior parte del loro azoto residuo sotto forma di urea. Nei reni degli uccelli, non vi è accumulo di urea nel midollo renale e non c’è spazio per l’urina per contattare il midollo renale, perché il midollo è circondato da fogli stretti di tessuto connettivo. Nei reni dei mammiferi, l’accumulo di urea nel midollo renale svolge un ruolo importante nel meccanismo che concentra l’urina nei dotti di raccolta., Inoltre, il midollo renale dei mammiferi è circondato da una parete pelvica a forma di imbuto muscolare (Fig. 1A), che lascia uno spazio urinario elaborato tra il midollo renale e l’interno della parete pelvica.

A questo punto è necessario chiarire la terminologia. Nel rene con molte papille, come il rene umano, ogni papilla è circondata da un calice a forma di imbuto. Questo corrisponde a quello che chiamiamo il bacino nel rene con una sola papilla., Nel rene umano, è il compartimento tra i calici e l’uretere che si chiama bacino. Questo compartimento non è presente nei reni con una papilla, dove il bacino è un’estensione diretta dell’uretere.

Un plesso di fibre muscolari lisce si trova nella parete della pelvi renale e dei calici. Esistono due strati distinti nei reni unipapillati., Lo strato interno contiene fibre che corrono in direzioni assortite, si inseriscono vicino al sito in cui la parete pelvica si unisce alla base della papilla e sono continue con la muscolatura liscia ureterale; lo strato esterno è riccamente innervato ma è più diffuso e copre solo la pelvi renale, collegandosi in punti con lo strato interno ma terminando infine bruscamente alla giunzione con l’uretere (Fig. 2 BIS; Rif. 7). Sebbene gli strati di muscolatura liscia nella parete calicea nei reni multipapillati non siano così distinti (Fig., 2B), le fibre interne tendono ad inserirsi vicino alla giuntura della parete calicea e alla base della papilla, mentre le fibre esterne si estendono ulteriormente (il musculus levator fornicis; Rif. 15), formando un anello ispessito intorno ai tubuli e vasa recta quel corso verso la papilla (il Ringmuskel der Papille; Ref. 10). I muscoli lisci continuano fino al tessuto connettivo associato alle arterie e alle vene arcuate( fibre peripiramidali; Rif. 16)., Una contrazione peristaltica coordinata di questi muscoli lisci può quindi esercitare un’azione di pompaggio ritmica sull’intero midollo renale, una funzione inizialmente proposta da Henle (10) come meccanismo per promuovere lo svuotamento di quei tubuli situati nella papilla renale.

La pelvi renale dei mammiferi consente all’urina di contattare l’epitelio che copre il midollo renale interno ed esterno., Nelle sezioni trasversali dei reni dei mammiferi unipapillati, il bacino sembra circondare solo il midollo interno e avere una semplice forma a imbuto. Calchi dello spazio urinario pelvico, tuttavia, rivelano la presenza di una serie di estensioni simili a foglie (Fig. 1 TER). C’è un’enorme variazione negli spazi pelvici, che vanno dalla semplice forma a imbuto alle più elaborate estensioni pelviche. Sacchetti secondari e fornici si trovano in tutti i tipi di rene di mammiferi. Sono spazi urinari in cui l’urina può contattare l’epitelio molto sottile che copre il tessuto midollare esterno (vedi Rif. 13)., In un semplice schema di sezione trasversale del rene del roditore, il midollo interno e la papilla possono essere visti appesi all’interno dello spazio pelvico. Adiacente al midollo renale è il setto, che è continuo con l’uretere. Ogni setto ha una serie di raggi che si irradiano verso la corteccia e formano i fornici. Tra i raggi, il margine esterno del setto è libero e ha un bordo semilunare. Dietro questo bordo i sacchetti secondari si estendono tra il setto e il midollo esterno. I fornici arrivano fino alla corteccia., I capillari si trovano direttamente sotto l’epitelio sottile ed è probabile che lo scambio di soluto e acqua avvenga tra questi capillari e l’urina che raggiunge le estensioni pelviche. I fornici elaborati nel ratto di sabbia massimizzano la possibilità di scambio di acqua e soluti tra l’urina nel bacino e i capillari nel midollo esterno. Tuttavia, non ci sono prove che suggeriscano che la capacità di concentrare l’urina sia migliorata nei mammiferi con le estensioni pelviche più elaborate e complesse., Piuttosto, queste strutture consentono agli animali di rispondere all’intossicazione da acqua appiattendo rapidamente il gradiente di soluto lungo la papilla renale (17).

Eventi urodinamici si verificano nella pelvi renale

“La pelvi renale non è uno spazio cavo rigido e immobile. Questo fatto è noto da oltre 55 anni….”(15), e questo è stato scritto nel 1940! Il criceto è particolarmente adatto per l’osservazione di eventi urodinamici nella pelvi renale perché ha una papilla singola, piuttosto lunga., Dopo un’attenta rimozione di diversi strati di grasso e tessuto connettivo, le contrazioni muscolari della parete peripelvica diventano visibili, in particolare quando la papilla è transilluminata da una luce fiberottica. Nel criceto, il tasso di contrazioni peristaltiche è normalmente 13/min (17), rispetto a 7/min nei suini in miniatura (ma 12-13 / min nei reni di suini isolati; Ref. 4 e 20), 0,3/min nel cane (ma 13-17 / min nel rene canino isolato; Ref. 3 e 6), e 2-3 / min negli esseri umani (2). Questa peristalsi ha un profondo effetto sulle dimensioni e sulla forma della papilla., Mentre il muro si contrae, la papilla si restringe. Il suo diametro è ridotto fino al 20%, il che significa che l’area della sezione trasversale è ridotta fino al 36%. Al momento l’onda peristaltica si muove oltre la punta, la papilla rimbalza verso l’alto. Il movimento medio è ∼300 µm (17).

La muscolatura liscia si trova nella parete della pelvi renale fino alla base della papilla sia nei reni unipapillati che multipapillati, ma non si trova nella papilla stessa (Fig. 2)., Le contrazioni peristaltiche sono controllate da un pacemaker situato nelle parti più alte del bacino (9), che sostituisce i ritmi più lenti intrinseci alle sezioni della parete pelvica e dell’uretere.

È possibile studiare il movimento dell’urina nei dotti collettori e nello spazio pelvico che circonda la papilla renale durante le contrazioni peristaltiche della parete pelvica muscolare utilizzando una tecnica introdotta da Steinhausen nel 1964 (19). Quando il colorante Lissamine Green SF viene iniettato per via endovenosa, raggiunge rapidamente i capillari del rene e viene filtrato dai glomeruli., Appare presto nei tubuli prossimali sulla superficie corticale del rene. Mentre si muove attraverso le circonvoluzioni del tubulo prossimale, il colore svanisce dalle prime circonvoluzioni mentre il colorante entra nei cappi di Henle. Il liquido colorato ritorna quindi ai tubuli distali. Poiché c’è stato riassorbimento di acqua dai tubuli renali, il colorante è più concentrato e appare più scuro. Una sequenza simile è vista nella papilla renale. Il colorante appare per la prima volta nei capillari e nella vasa recta. Dopo che è stato filtrato e spostato attraverso le circonvoluzioni prossimali, appare nei loop di Henle., A poco a poco il colorante viene eliminato dai cappi e dopo che si è spostato attraverso i tubuli distali entra nei tubuli di raccolta e nei condotti di raccolta. Se la tintura viene infusa continuamente, l’urina che si muove attraverso i condotti di raccolta rimarrà verde.

L’urina può refluire nella pelvi renale?

L’urina che lascia i dotti di Bellini sulla punta della papilla fluirà generalmente direttamente lungo l’uretere dopo ogni contrazione pelvica. Occasionalmente, tuttavia, l’urina si espande intorno alla punta della papilla, bagnando brevemente i 50 µm inferiori con l’urina (17)., Questo modello, che chiamiamo reflusso di punta, è visto durante il flusso di urina costante o decrescente. Quando la portata dell’urina sta aumentando rapidamente, tuttavia, un modello differente di flusso è veduto. L’urina non scorre più direttamente lungo l’uretere mentre lascia i dotti di Bellini. Invece l’urina viene travolta nel bacino, dove raggiunge tutti i fornici e le sacche secondarie. Durante la successiva contrazione, l’urina viene spazzata giù sopra la papilla ed entra nell’uretere. Questo modello chiamiamo reflusso pelvico completo.,

I reflussi pelvici completi sono fisiologicamente indotti quando la velocità del flusso urinario aumenta più velocemente di 0,05 µl / min2. Continuano per diversi minuti dopo che la portata non aumenta più. Durante l’aumento del flusso di urina, l’urina diventa più diluita e la sua osmolalità diminuisce. L’urina che viene raccolta nelle estensioni pelviche ha quindi un’osmolalità inferiore rispetto al tessuto papillare. È stato dimostrato che i reflussi pelvici completi, in queste circostanze, servono a ridurre l’osmolalità e la concentrazione di urea del midollo renale., Di conseguenza, i reflussi pelvici possono servire a ridurre il tempo necessario per lo sviluppo di una diuresi acquosa a seguito di una grande assunzione di acqua. Ciò può essere particolarmente utile per gli animali del deserto che bevono periodicamente grandi quantità di acqua e quindi devono essere in grado di diluire prontamente l’urina per evitare l’intossicazione da acqua (17).

La peristalsi trasporta l’urina come un bolo lungo l’uretere

Chiunque abbia superato un calcolo renale sa che l’uretere si contrae anche peristalticamente., L’urina che entra nell’uretere viene spinta verso la vescica in boli, l’uretere viene chiuso davanti e dietro ogni bolo. A basse portate di urina, i boli sono brevi; a portate più elevate, i boli diventano più lunghi ma la velocità lineare dei boli è invariata. Quindi il flusso nell’uretere è molto diverso dal flusso in un tubo con un diametro fisso, dove la velocità lineare cambierebbe in proporzione diretta alla portata. Man mano che il flusso di urina aumenta ulteriormente, le lunghezze dei boli continuano ad aumentare fino a quando l’uretere non viene riempito da un’estremità all’altra (17).,

Le forze peristaltiche concentrano l’urina

Mentre l’onda peristaltica si sposta verso il basso sulla papilla renale, l’urina viene spinta attraverso i dotti di raccolta papillari come un bolo. Micrografie leggere della papilla fissate durante la contrazione mostrano che i condotti di raccolta sono chiusi (Fig. 3A) ma che sono spalancate quando la parete pelvica è rilassata (Fig. 3 TER). Come con l’uretere, i condotti di raccolta sono normalmente vuoti e chiusi dietro il bolo. Il bolo è breve durante basse portate di urina; i condotti di raccolta rimangono vuoti fino a quando il bolo successivo viene spinto attraverso., A basse portate di urina, possono essere vuoti fino al 95% del tempo, con il fluido che viene a contatto con l’epitelio del dotto di raccolta solo brevemente. La velocità lineare dell’onda peristaltica è 1,6 mm/s ed è uguale alla velocità del bolo corto. A portate di urina più elevate, il bolo è più lungo perché la velocità del bordo d’attacco, determinata dalla produzione di urina, è inferiore alla velocità dell’onda peristaltica che spinge il bordo di uscita; alle portate più elevate, i condotti di raccolta sono vuoti solo quando l’onda peristaltica si muove sopra la papilla., Quindi, paradossalmente, il tempo di contatto è prolungato (o la velocità lineare media dell’urina nei condotti di raccolta è più lenta) a portate più elevate rispetto a basse portate di urina.

Mentre la contrazione peristaltica si sposta lungo la papilla, il fluido del condotto di raccolta viene spinto attraverso i condotti ad una velocità maggiore della velocità con cui si forma il fluido, aumentando così la pressione idrostatica sulla parete dei condotti. Durante bassi tassi di produzione di urina, solo la metà del fluido nel condotto terminale di raccolta esce dalla papilla dai dotti di Bellini., Il volume rimanente viene assorbito nelle cellule epiteliali del condotto di raccolta, i cui volumi sono aumentati di circa il volume del fluido assorbito dal lume del condotto di raccolta durante ogni contrazione peristaltica. Mentre la contrazione passa, i condotti di raccolta si chiudono dietro il bolo urinario (17).

Ostia dei condotti di Bellini sono normalmente brevettati (Fig. 3C) ma spesso sembrano contenere tessuto midollare prolasso nei reni da conigli obesi (Fig., 3D), l’obesità è caratterizzata da un modesto grado di ipertensione arteriosa (+11 mmHg in questi conigli e simili elevazioni nei cani obesi e negli esseri umani), una pressione idrostatica interstiziale renale elevata (19 vs. 9 mmHg nei cani obesi vs. magri) e un interstizio midollare interno marcatamente espanso (in coniglio, cane e uomo; Ref. 5)., Così l’interstizio espanso può fornire una resistenza maggiore del normale alla corsa peristaltica del fluido attraverso i condotti di raccolta, che aumenta la pressione interstiziale nel parenchima renale e si traduce in un aumento della pressione arteriosa sistemicamente così come prolasso del contenuto midollare fuori ostia.

Anche i cappi di Henle vengono parzialmente svuotati durante la contrazione pelvica. Questo può essere visto dopo un’iniezione in bolo di Lissamina verde SF, quando il fluido nei loop diventa temporaneamente verde., Ogni contrazione sembra spremere il fluido dai loop, con un po ‘ di fluido spinto retrogrado e il resto verso la punta.

Le contrazioni peristaltiche della parete pelvica influenzano profondamente il flusso sanguigno papillare. La papilla all’interno della parete pelvica diventa pallida mentre la parete si contrae attorno ad essa, con i capillari che si restringono durante ogni contrazione. Con un’attenta osservazione al microscopio, si può vedere che il flusso sanguigno si arresta periodicamente e quindi si muove brevemente retrogrado nei capillari discendenti., Le misurazioni hanno dimostrato che il flusso sanguigno viene interrotto 3 30% del tempo. Micrografie leggere ed elettroniche delle papille renali fissate alla fine della contrazione hanno dimostrato che i capillari, così come le anse di Henle e i dotti di raccolta, erano tutti strettamente chiusi, mentre quelli delle papille rilassate erano tutti aperti. Questo modello intermittente di flusso può aiutare a preservare il gradiente osmotico lungo la papilla renale, poiché un flusso continuo comporterebbe una maggiore rimozione dei soluti papillari (17).,

Il rimbalzo della papilla sposta l’acqua nel vasa recta

La contrazione peristaltica comprime e allunga la papilla, facendola diventare più lunga e più stretta. Durante il primo periodo di rilassamento (1 s), la papilla rimbalza nella sua forma rilassata più corta e più ampia. I condotti di raccolta inizialmente rimangono chiusi, ma l’acqua esce dalle cellule nell’interstizio a causa della pressione idrostatica negativa generata dalle proprietà elastiche della matrice interstiziale., Poiché i vasa recta ascendenti sono legati ad altre strutture, vengono aperti mentre il tessuto si espande durante il rimbalzo, permettendo all’acqua di entrare (14). Presto il sangue ritorna al vasa recta, prima al vasa recta discendente e poi al vasa recta ascendente, spingendo lungo la colonna d’acqua che era entrata nel vasa recta dall’interstizio. In questo momento, il fluido tubolare ritorna anche ai cappi di Henle.

Nel tardo rilassamento (2 s), i condotti di raccolta si aprono mentre l’urina scorre in essi dall’alto., Le strutture rimanenti continuano a funzionare normalmente, con la forma della papilla invariata, la vasa recta si apre con il flusso sanguigno e le anse di Henle si aprono con il fluido che continua a fluire attraverso di esse.

La parete pelvica è necessaria per la peristalsi

Se la parete pelvica viene resecata, il flusso sanguigno nei capillari è continuo e il flusso nelle anse di Henle e attraverso i condotti di raccolta è anche ininterrotto., Allo stesso modo, se un bacino intatto viene paralizzato dall’anestetico locale, la peristalsi ureterale si stacca dal bacino e il bacino diventa paralizzato. I flussi nei condotti di raccolta, nei cappi di Henle e nella vasa recta sono ora continui, come quando la parete pelvica viene rimossa o paralizzata. I risultati fisiologici hanno dimostrato che, quando la parete pelvica viene rimossa o paralizzata, l’osmolalità e la concentrazione di sodio del tessuto papillare diminuiscono significativamente (17).,

Meccanismi che concentrano l’urina nella papilla

Per concentrare l’urina nei condotti di raccolta, l’acqua deve essere rimossa dai condotti di raccolta in eccesso di soluti. Parte di questa rimozione dell’acqua è causata dall’accumulo di soluti nell’interstizio papillare, una conseguenza del trasporto di ioni che si verifica nel midollo esterno. I modelli matematici, tuttavia, non possono spiegare le concentrazioni effettive raggiunte da alcuni animali (12, 13). Il modello presentato qui (Fig., 4) propone che la pressione idrostatica generata dalla peristalsi della parete pelvica contribuisca alla rimozione dell’acqua dal lume del condotto di raccolta in quattro fasi. In primo luogo, la forza della contrazione peristaltica sposta il bolo di urina non solo lungo il condotto di raccolta, ma anche nelle cellule che rivestono il condotto (Fig. 4 BIS). In secondo luogo, le pressioni interstiziali negative che si sviluppano durante il rimbalzo tendono a spostare l’acqua dalle cellule epiteliali nell’interstizio. In terzo luogo, il vasa recta ascendente legato tende ad aprirsi prima di altre strutture (Fig. 4B; Rif., 14), generando una forza idrostatica intravascolare negativa e disegnando il liquido interstiziale nel lume. In quarto luogo, il vasa recta ascendente ha una permeabilità idraulica insolitamente grande e un basso coefficiente di riflessione all’albumina (14), consentendo l’assorbimento vascolare di particelle osmoticamente attive grandi e piccole. Insieme, questi quattro punti costituiscono un meccanismo altamente efficace per il movimento del liquido interstiziale dal midollo per tutto il gradiente idrostatico o osmotico dato.

La struttura del modello è diversa da altri meccanismi che sono stati proposti. Soprattutto, non è una funzione continua del tempo; invece, le conseguenze fisiche delle contrazioni pelviche renali devono essere integrate su un ciclo peristaltico completo per il trasporto dell’acqua. In secondo luogo, l’energia termodinamica non deriva da ATP o gradienti ionici all’interno della papilla., Questo è fortunato, perché il tessuto sembrerebbe avere scarse riserve energetiche: il flusso sanguigno è lento, la pressione parziale dell’ossigeno è bassa (<10 Torr), i mitocondri sono pochi e la maggior parte dell’energia deriva dalla glicolisi anaerobica (8). Invece, proponiamo che l’energia termodinamica sia derivata da una fonte esterna, vale a dire la contrazione della muscolatura liscia nella parete riccamente vascolarizzata della pelvi renale. In terzo luogo, alcuni meccanismi proposti richiedono che i compartimenti interstiziali abbiano un volume fisso o che la papilla renale abbia una bassa compliance (12, 14)., Infatti, la papilla renale deve essere molto conforme, non avendo capsula e poco collagene. Invece, proponiamo che le contrazioni periodiche della parete pelvica renale impongano un volume costante, spostando ritmicamente il fluido dai dotti di raccolta nel vasa recta ascendente.

Questo modello non tratta esplicitamente i loop di Henle, sebbene il loro contenuto sia svuotato dalla peristalsi tanto quanto i condotti di raccolta., Né si occupa del trasporto di soluti, né dell’effetto dinamico dei ripetuti movimenti dell’acqua pura nell’interstizio papillare alle bocche dei canali dell’acquaporina, un flusso che può alterare la natura fisico-chimica delle proteine, dello ialuronano e dei proteoglicani che riempiono quello spazio. Prevediamo che l’applicazione di tecniche contemporanee inizierà a chiarire queste caratteristiche dell’attività urodinamica renale.