het nierbekken: machines die Urine concentreren in de papil

verrassend voor velen, de pacemaker voor ureterale peristaltiek ligt in de nier, in de buurt van de corticaal-medullaire verbinding (3). Als gevolg hiervan trekken het nierbekken (bij unipapillaatzoogdieren) en de nierkelten (bij multipapillaatdieren) ritmisch samen, waardoor bloed en vloeistof uit de nierpapil worden gedwongen; wanneer de spier ontspant, komen vocht en bloed terug (17)., Wij stellen voor dat de nierpapil werkt als een pomp, door afwisselend positieve en negatieve druk gegenereerd door de peristaltische samentrekkingen van de bekkenwand. Water beweegt in de opvangkanalen als gevolg van de kleine positieve hydrostatische druk op de wanden van de cellen, die wordt gegenereerd door de peristaltische Golf duwen de vloeistof door de opvangkanalen. Vervolgens beweegt de vloeistof uit de cellen als gevolg van de negatieve druk die wordt gegenereerd door de elastische krachten die de papil tijdens de rebound uit te breiden, en de vloeistof wordt verwijderd uit het interstitium door de Vasa recta., Dit model behandelt vooral zoogdieren die een relatief lange papil hebben. (De hoogste mate van urineconcentratie wordt gevonden bij zoogdieren met de langste papil, waar peristaltiek naar verwachting het grootste effect zal hebben; zie Ref. 17).

zoogdieren en vogels zijn de enige gewervelde dieren waarvan bekend is dat ze geconcentreerde urine produceren door middel van een renale medullaire tegenstroomsysteem (18)., Deze twee tegenstroomsystemen vertonen echter functionele en anatomische verschillen die verband lijken te houden met het feit dat vogels urinezuur uitscheiden, terwijl zoogdieren het grootste deel van hun afvalstikstof uitscheiden in de vorm van ureum. In vogelnieren is er geen ureumaccumulatie in het renale medulla en is er geen ruimte voor de urine om contact te maken met het renale medulla, omdat het medulla is omgeven door strakke vellen bindweefsel. In zoogdiernieren speelt ureumaccumulatie in het niermerg een belangrijke rol in het mechanisme dat de urine concentreert in de opvangkanalen., Bovendien is het niermerg van zoogdieren omgeven door een Gespierde trechtervormige bekkenwand (Fig. 1A), die een uitgebreide urineruimte tussen de niermerg en de binnenkant van de bekkenwand achterlaat.

Op dit punt is verduidelijking van de terminologie nodig. In de nier met veel papillen, zoals menselijke nier, is elke papil omgeven door een trechtervormige kelk. Dit komt overeen met wat we noemen het bekken in de nier met slechts één papil., In de menselijke nier is het het compartiment tussen de kelken en de ureter dat het bekken wordt genoemd. Dit compartiment is niet aanwezig in de nieren met één papil, waar het bekken een directe uitbreiding van de urineleider is.

een plexus van gladde spiervezels wordt gevonden in de wand van het nierbekken en de kelken. Er bestaan twee verschillende lagen in unipapillaat nieren., De binnenste laag bevat vezels die lopen in verschillende richtingen, invoegen in de buurt van de plaats waar de bekkenwand verbindt met de basis van de papil, en zijn continu met de ureterale gladde spier; de buitenste laag is rijk innervated, maar is meer diffuus en dekt alleen het nierbekken, verbinden op plaatsen met de binnenste laag, maar uiteindelijk abrupt eindigend op de kruising met de ureter (Fig. 2A; Ref. 7). Hoewel de lagen van gladde spieren in de caliceale wand in multipapillaat nieren zijn niet zo verschillend (Fig., 2B), de binnenste vezels hebben de neiging om in te voegen in de buurt van de verbinding van de caliceale wand en de basis van de papil, terwijl de buitenste vezels verder uit te breiden (de musculus levator fornicis; Ref. 15), het vormen van een verdikte ring rond de tubuli en vasa recta die koers naar de papil (de Ringmuskel der Papille; Ref. 10). De gladde spieren gaan verder tot het bindweefsel geassocieerd met de boogvormige slagaders en aders( peripyramidale vezels; Ref. 16)., Een gecoördineerde peristaltische samentrekking van deze gladde spieren kan zo een ritmische pompactie uitoefenen op het gehele renale medulla, een functie die voor het eerst door Henle (10) wordt voorgesteld als een mechanisme om het ledigen van die tubuli in de renale papil te bevorderen.

het nierbekken van zoogdieren maakt het mogelijk dat urine in contact komt met het epitheel dat het binnenste en buitenste niermerg bedekt., In dwarsdoorsneden van unipapillate zoogdiernieren lijkt het bekken alleen het binnenste medulla te omringen en een eenvoudige trechtervorm te hebben. Afgietsels van de bekken urine ruimte, echter, onthullen de aanwezigheid van een reeks van blad-achtige extensies (Fig. 1 ter). Er is een enorme variatie in bekkenruimtes, die variëren van de eenvoudige trechtervorm tot de meest uitgebreide bekkenuitbreidingen. Secundaire pouches en fornices zijn te vinden in alle soorten zoogdieren nieren. Het zijn urineruimten waarin de urine in contact kan komen met het zeer dunne epitheel dat de buitenste medullaire weefsels bedekt (zie Ref. 13)., In een eenvoudig dwarsdoorsnede schema van de knaagdier nier, de binnenste medulla en papilla kan worden gezien te hangen in de bekkenruimte. Grenzend aan het niermerg is het septum, dat continu met de ureter is. Elk septum heeft een reeks spaken die naar de cortex stralen en de ontucht vormen. Tussen de spaken is de buitenste rand van het septum vrij en heeft een halve rand. Achter deze rand strekken de secundaire zakjes zich uit tussen het septum en de buitenste medulla. De hoererijen reiken tot aan de cortex., Haarvaten bevinden zich direct onder het dunne epitheel, en het is waarschijnlijk dat uitwisseling van opgeloste stof en water plaatsvindt tussen deze haarvaten en de urine het bereiken van de bekkenuitbreidingen. De uitgebreide honices in de zandrat maximaliseren de mogelijkheid voor uitwisseling van water en opgeloste stoffen tussen de urine in het bekken en de haarvaten in de buitenste medulla. Er is echter geen bewijs dat het vermogen om de urine te concentreren wordt versterkt bij de zoogdieren met de meest uitgebreide en complexe bekkenuitbreidingen., Deze structuren laten de dieren eerder toe om op waterintoxicatie te reageren door de opgeloste gradiënt langs de nierpapil snel af te vlakken (17).

urodynamische voorvallen treden op in het nierbekken

“het nierbekken is geen stijve en bewegingloze holle ruimte. Dit feit is al meer dan 55 jaar bekend….”(15), en dat werd geschreven in 1940! De hamster is bijzonder geschikt voor observatie van urodynamische gebeurtenissen in het nierbekken omdat hij een enkele, vrij lange papil heeft., Na zorgvuldige verwijdering van meerdere lagen vet en bindweefsel worden de spiersamentrekkingen van de peripelvische wand zichtbaar, vooral wanneer de papil door een fiberoptisch licht wordt getransillumineerd. Bij de hamster is de snelheid van peristaltische contracties normaal 13 / min (17), vergeleken met 7/min bij miniatuur varkens (maar 12-13/min in geïsoleerde varkensnieren; Refs. 4 en 20), 0,3/min bij honden (maar 13-17 / min in geïsoleerde hondennier; Refs. 3 en 6), en 2-3/min bij mensen (2). Deze peristaltiek heeft een diepgaand effect op de grootte en vorm van de papil., Als de muur samentrekt, versmalt de papil. De diameter wordt met maar liefst 20% verminderd, wat betekent dat de oppervlakte van de dwarsdoorsnede met maar liefst 36% wordt verminderd. Op het moment dat de peristaltische golf voorbij zijn punt beweegt, keert de papil terug naar boven. De gemiddelde beweging is ∼300 µm (17).

gladde spieren worden gevonden in de wand van het nierbekken tot aan de basis van de papil in zowel de unipapillaat-als de multipapillaatnieren, maar niet in de papil zelf (Fig. 2)., De peristaltische contracties worden gecontroleerd door een pacemaker gelegen in de bovenste delen van het bekken (9), die de langzamere ritmes intrinsiek aan delen van de bekkenwand en ureter overschrijft.

Het is mogelijk de beweging van de urine in de opvangkanalen en in de bekkenruimte rond de nierpapil tijdens de peristaltische samentrekkingen van de Gespierde bekkenwand te bestuderen met behulp van een techniek die in 1964 door Steinhausen werd geïntroduceerd (19). Wanneer de kleurstof Lissamine Green SF intraveneus wordt geïnjecteerd, bereikt het snel de haarvaten van de nier en wordt gefilterd door de glomeruli., Het verschijnt al snel in de proximale tubuli op het corticale oppervlak van de nier. Als het beweegt door de proximale tubulus windingen, de kleur vervaagt vanaf de eerste windingen als de kleurstof komt de lussen van Henle. De gekleurde vloeistof keert dan terug naar de distale tubuli. Aangezien er water reabsorptie uit de niertubuli, de kleurstof is meer geconcentreerd en lijkt donkerder. Een soortgelijke volgorde wordt gezien in de nier papil. De kleurstof verschijnt eerst in de haarvaten en de Vasa recta. Nadat het is gefilterd en verplaatst door de proximale kronkels, verschijnt het in de lussen van Henle., Geleidelijk wordt de kleurstof verwijderd uit de lussen, en nadat het door de distale tubuli is verplaatst, komt het in de opvangbuizen en de opvangkanalen. Als de kleurstof continu wordt geïnfundeerd, blijft de urine die door de opvangkanalen beweegt groen.

Urine kan reflux in het nierbekken?

Urine die de kanalen van Bellini aan de punt van de papil verlaat, zal over het algemeen direct door de ureter stromen na elke bekkencontractie. Af en toe, echter, urine waait rond de punt van de papil, kort baden de onderste 50 µm met urine (17)., Dit patroon, dat we tip reflux noemen, wordt gezien tijdens constante of afnemende urinestroom. Wanneer de urinestroom snel toeneemt, echter, een ander stromingspatroon wordt gezien. De urine stroomt niet meer direct door de urineleider als het de kanalen van Bellini verlaat. In plaats daarvan wordt de urine in het bekken geveegd, waar het alle honices en secundaire pouches bereikt. Tijdens de volgende samentrekking wordt de urine over de papil geveegd en komt de urineleider binnen. Dit patroon noemen we volledige bekkenreflux.,

volledige bekkenrefluxen worden fysiologisch geïnduceerd wanneer de snelheid van de urinestroom sneller toeneemt dan 0,05 µl / min2. Ze gaan enkele minuten door nadat het debiet niet meer toeneemt. Tijdens de stijgende urinestroom wordt de urine verdunner en neemt de osmolaliteit af. De urine die omhoog in de bekkenuitbreidingen wordt geveegd heeft zo een lagere osmolaliteit dan het papillaire Weefsel. Het is aangetoond dat volledige bekkenrefluxen, onder deze omstandigheden, dienen om de osmolaliteit en ureumconcentratie van de renale medulla te verminderen., Als gevolg daarvan kunnen bekkenrefluxen dienen om de tijd te verkorten die nodig is om een waterdiurese te ontwikkelen na een grote inname van water. Dit kan met name nuttig zijn voor woestijndieren die periodiek grote hoeveelheden water drinken en daarom de urine snel moeten kunnen verdunnen om waterintoxicatie te voorkomen (17).

peristaltiek transporteert urine als een bolus langs de urineleider

Iedereen die een niersteen heeft gepasseerd weet dat de urineleider ook peristaltisch samentrekt., Urine in de urineleider wordt voortgestuwd naar de blaas in bolussen, de urineleider wordt gesloten voor en achter elke bolus. Bij lage urinedebieten zijn de bolussen kort; bij hogere stroomsnelheden worden de bolussen langer, maar de lineaire snelheid van de bolussen is onveranderd. De stroom in de ureter is dus heel anders dan de stroom in een buis met een vaste diameter, waar de lineaire snelheid zou veranderen in directe verhouding tot het debiet. Naarmate de urinestroom verder toeneemt, blijven de lengtes van de bolussen toenemen totdat de urineleider van het ene uiteinde naar het andere wordt gevuld (17).,

peristaltische krachten concentreren urine

naarmate de peristaltische golf over de renale papil naar beneden beweegt, wordt de urine als een bolus door de papillaire opvangkanalen geduwd. Lichte micrografen van de tijdens het samentrekken gefixeerde papil tonen aan dat de opvangkanalen gesloten zijn (Fig. 3A) maar dat ze wijd open staan wanneer de bekkenwand ontspannen is (Fig. 3B). Net als bij de ureter zijn de opvangkanalen normaal gesproken leeg en gesloten achter de bolus. De bolus is kort bij lage urinedebieten; de opvangkanalen blijven leeg totdat de volgende bolus erdoor wordt geduwd., Bij lage urinedebieten kunnen ze wel 95% van de tijd leeg zijn, waarbij vloeistof slechts kort in contact komt met het epitheel van het opvangkanaal. De lineaire snelheid van de peristaltische Golf is 1,6 mm / s en is gelijk aan de snelheid van de korte bolus. Bij hogere urinedebieten is de bolus langer omdat de snelheid van de voorrand, die wordt bepaald door de urineproductie, lager is dan de snelheid van de peristaltische golf die de achterrand duwt; bij de hoogste stroomsnelheden zijn de opvangkanalen alleen leeg wanneer de peristaltische golf over de papil beweegt., Paradoxaal genoeg wordt de contacttijd dus verlengd (of is de gemiddelde lineaire snelheid van de urine in de opvangkanalen langzamer) bij hogere stroomsnelheden in vergelijking met lage urinestroomsnelheden.

naarmate de peristaltische samentrekking door de papil stroomt, wordt de vloeistof van de opvangkanalen met een grotere snelheid dan de snelheid waarmee de vloeistof wordt gevormd door de kanalen geduwd, waardoor de hydrostatische druk op de wand van de kanalen toeneemt. Bij een lage urineproductie verlaat slechts de helft van de vloeistof in het terminale opvangkanaal de papil uit de kanalen van Bellini., Het resterende volume wordt geabsorbeerd in de epitheliale cellen van het opvangkanaal, waarvan de volumes worden verhoogd met ongeveer het volume van de vloeistof geabsorbeerd uit het lumen van het opvangkanaal tijdens elke peristaltische contractie. Als de contractie passeert, het verzamelen van kanalen dicht achter de urine bolus (17).

Ostia van de kanalen van Bellini zijn normaal gepatenteerd (Fig. 3C) maar lijken vaak verzakt medullair weefsel in de nieren van zwaarlijvige konijnen te bevatten (Fig., 3D), obesitas wordt gekenmerkt door een bescheiden mate van arteriële hypertensie (+11 mmHg bij deze konijnen en vergelijkbare verhogingen bij obese honden en mensen), een verhoogde renale interstitiële hydrostatische druk (19 VS.9 mmHg bij obese vs. lean honden), en een duidelijk uitgebreide innerlijke medullaire interstitium (bij konijn, hond, en mensen; Ref. 5)., Aldus kan het uitgebreide interstitium een groter dan normale weerstand tegen de peristaltische stormloop van vloeistof door de verzamelende kanalen verstrekken, die de interstitiële druk in het nierparenchym verhoogt en in een verhoogde arteriële druk systemisch evenals prolaps van medullaire inhoud uit de ostia resulteert.

de lussen van Henle worden ook gedeeltelijk geleegd tijdens de bekkencontractie. Dit is te zien na een bolusinjectie van Lissamine Green SF, wanneer de vloeistof in de lussen tijdelijk groen wordt., Elke samentrekking lijkt de vloeistof uit de lussen te knijpen, waarbij wat vloeistof retrograde wordt geduwd en de rest naar de punt.

de peristaltische samentrekkingen van de bekkenwand hebben een diepgaande invloed op de papillaire bloedstroom. De papil in de bekkenwand wordt bleek als de wand eromheen samentrekt, waarbij de haarvaten versmallen tijdens elke samentrekking. Met nauwkeurige observatie onder de microscoop, kan worden gezien dat de bloedstroom periodiek stopt en dan kort beweegt retrograde in dalende haarvaten., Metingen hebben aangetoond dat de bloedstroom wordt gestopt ∼30% van de tijd. Licht – en elektronenmicrografen van renale papillen die aan het einde van de contractie zijn gefixeerd, hebben aangetoond dat de haarvaten, evenals de lussen van Henle en de opvangkanalen, allemaal goed gesloten waren, terwijl die van relaxte papillen allemaal open waren. Dit intermitterende patroon van stroom kan helpen de osmotische gradiënt langs de renale papil te behouden, aangezien een continue stroom in verhoogde verwijdering van papillaire opgeloste stoffen zou resulteren (17).,

papil rebound brengt water naar de Vasa recta

de peristaltische samentrekking comprimeert en rekt de papil, waardoor deze langer en smaller wordt. Tijdens de vroege rustperiode (1 s) herstelt de papil zich naar zijn kortere en bredere ontspannen vorm. De opvangkanalen blijven aanvankelijk gesloten, maar water stroomt uit de cellen naar het interstitium als gevolg van negatieve hydrostatische druk gegenereerd door de elastische eigenschappen van de interstitiële matrix., Aangezien de oplopende Vasa recta aan andere structuren zijn gebonden, worden ze geopend als het weefsel zich tijdens rebound uitbreidt, waardoor water kan binnendringen (14). Spoedig keert het bloed terug naar de Vasa recta, eerst naar de dalende en vervolgens naar de opgaande vasa recta, waarbij het langs de waterkolom duwt die vanuit het interstitium de Vasa recta was binnengedrongen. Op dit moment keert tubulaire vloeistof ook terug naar de lussen van Henle.

in late ontspanning (2 s), het verzamelen van kanalen open als urine stroomt in hen van boven., De resterende structuren blijven normaal functioneren, met de vorm van de papil onveranderd, de Vasa recta open met bloedstroom, en de lussen van Henle open met vloeistof blijven stromen door hen.

de bekkenwand is noodzakelijk voor de peristaltiek

als de bekkenwand wordt verwijderd, is de bloedstroom in de haarvaten continu en is de stroom in de Henle-lussen en door de opvangkanalen ook ononderbroken., Evenzo, als een intact bekken wordt verlamd door lokale verdoving, de ureterale peristaltiek wordt losgekoppeld van het bekken en het bekken wordt verlamd. De stromen in de opvangkanalen, lussen van Henle en Vasa recta zijn nu continu, zoals het is wanneer de bekkenwand wordt verwijderd of verlamd. Fysiologische bevindingen hebben aangetoond dat, wanneer de bekkenwand wordt verwijderd of verlamd, de osmolaliteit en natriumconcentratie van het papillaire weefsel aanzienlijk afneemt (17).,

mechanismen die urine in de papil concentreren

om de urine in de opvangkanalen te concentreren, moet meer dan opgeloste water uit de opvangkanalen worden verwijderd. Een deel van deze waterverwijdering wordt veroorzaakt door de accumulatie van opgeloste stoffen in het papillaire interstitium, een gevolg van ionentransport dat optreedt in de buitenste medulla. Wiskundige modellen kunnen echter geen verklaring geven voor de feitelijke concentraties die sommige dieren bereiken (12, 13). Het hier gepresenteerde model (Fig., 4) stelt voor dat de hydrostatische druk gegenereerd door de bekkenwand peristaltiek bijdraagt aan de verwijdering van water uit het opvangkanaal lumen in vier stappen. Ten eerste, de kracht van de peristaltische contractie beweegt de bolus van urine niet alleen langs de opvangkanaal, maar ook in de cellen die het kanaal (Fig. 4A). Ten tweede, negatieve interstitiële druk die zich ontwikkelen tijdens rebound hebben de neiging om water uit de epitheliale cellen te verplaatsen naar het interstitium. Ten derde, de vastgebonden oplopende Vasa recta hebben de neiging om te openen voor andere structuren (Fig. 4B; Ref., 14), het genereren van een negatieve intravasculaire hydrostatische kracht en trekken interstitiële vloeistof in het lumen. Ten vierde heeft de oplopende Vasa recta een ongewoon grote hydraulische permeabiliteit en lage reflectiecoëfficiënt voor albumine (14), waardoor vasculaire opname van zowel grote als kleine osmotisch actieve particless mogelijk is. Samen vormen deze vier stappen een zeer effectief mechanisme voor de beweging van interstitiële vloeistof uit de medulla voor een bepaalde hydrostatische of osmotische gradiënt.

de structuur van het model is anders dan andere voorgestelde mechanismen. Het belangrijkste is dat het niet een continue functie van de tijd is; in plaats daarvan moeten de fysieke gevolgen van de nierbekkencontracties worden geïntegreerd over een volledige peristaltische cyclus om het transport van water te laten plaatsvinden. Ten tweede wordt de thermodynamische energie niet afgeleid van ATP of ionische gradiënten binnen de papil., Dit is gelukkig, omdat het weefsel schamele energiereserves lijkt te hebben: de bloedstroom is traag, de partiële druk van zuurstof is laag (<10 Torr), mitochondriën zijn weinig, en de meeste energie is afgeleid van anaërobe glycolyse (8). In plaats daarvan stellen we voor dat de thermodynamische energie wordt afgeleid van een externe bron, namelijk de samentrekking van gladde spieren in de rijk gevasculariseerde wand van het nierbekken. Ten derde vereisen bepaalde voorgestelde mechanismen dat de interstitiële compartimenten een vast volume hebben of dat de renale papil een lage compliance hebben (12, 14)., In feite, moet de nierpapil zeer volgzaam zijn, die geen capsule en weinig collageen hebben. In plaats daarvan stellen we voor dat periodieke samentrekkingen van de nierbekkenwand een constant volume afdwingen, ritmisch bewegende vloeistof uit de opvangkanalen naar de oplopende Vasa recta.

dit model behandelt niet expliciet de lussen van Henle, hoewel de inhoud ervan wordt geleegd door peristaltiek net als de opvangkanalen., Noch gaat het over het transport van opgeloste stoffen, noch over het dynamische effect van de herhaalde bewegingen van zuiver water in het papillaire interstitium bij de monden van de aquaporin-kanalen, een flux die de fysisch-chemische aard van de eiwitten, hyaluronan en proteoglycanen die die ruimte vullen, kan veranderen. We verwachten dat de toepassing van hedendaagse technieken zal beginnen om deze kenmerken van renale urodynamische activiteit te verduidelijken.