Fisiologia del rene
Le funzioni renali sono:
1. Mantenimento del bilancio idrico
2. Regolazione dell’osmolarità del liquido extracellulare
3. Mantenimento del bilancio elettrolitico
4. Mantenimento dell’equilibrio acido-base
5. Funzione emuntoria o escrezione di prodotti di scarto e di
sostanze estranee
6. Produzione di ormoni
7. Gluconeogenesi
Anatomia del rene
I reni sono organi pari retroperitoneali posti sulla parete posteriore dell’addome ai due lati
della colonna vertebrale. Il loro peso medio è di circa 150 g. Rene sin. più alto del dx.
Sezione frontale del rene
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Renal vein
Renal artery
Renal calyx
Medullary pyramid
Renal cortex
Segmental artery
Interlobar artery
Arcuate artery
Arcuate vein
Interlobar vein
Segmental vein
Renal column
Renal papillae
Renal pelvis
Ureter
http://www.bio.psu.edu/people/faculty/strauss/anatomy/urogen/modelkidney2.htm
1.
Renal capsule
2.
Renal cortex
3.
Renal medulla
4.
Renal pyramid
5.
Renal pelvis
6.
Renal column
7.
Renal calyx
8.
Ureter
Aorta addominale  a. renale  a. lobari (o segmentali)  a. interlobari  a.
arcuate  a. interlobulari  arteriola afferente  glomerulo  arteriola efferente 
capillari peritubulari/vasa recta -  vene …
Il nefrone: l’unità funzionale del rene
I tubuli renali sono sottili condotti le cui pareti
sono costituite da un singolo strato di cellule.
1)
Tubulo contorto prossimale o di I ordine.
Molteplici convoluzioni, lungh. 15 mm, cellule
CUBICHE con microvilli (membrana apicale)
e introflessioni + mitocondri (membrana
basolaterale). Sulle membrane laterali si
trovano giunzioni strette “non occludenti”.
2)
Ansa Henle. 1° tratto (TDSp) uguale a 1). 2°
tratto (TDSt) e 3° tratto (TASt) sono sottili
(TDs) e formati da cellule epiteliali piatte. 4°
tratto (TASp) assomiglia a tubulo contorto
distale.
3)
Tubulo contorto distale o di II ordine.
Simile a 1) ma lungh. soli 5 mm. Epitelio a
cellule cubiche con introflessioni +
mitocondri (membrana basolaterale). Prende
parte
alla
costituzione
dell’apparato
juxtaglomerulare.
Giunzioni
laterali
“occludenti”.
4)
Dotto
collettore.
Parete
costituita
inizialmente da cellule cubiche che
diventano poi cilindriche. Scompaiono
progressivamente i mitocondri.
Caratteristiche morfologiche delle cellule dell’epitelio tubulare
Il nefrone: unità funzionale del rene
N. nefroni nell’uomo: ≈ 1.2 milioni per rene
20% dei nefroni sono juxtamidollari
Nei vasa recta scorre solo l’1-2% del flusso
renale totale
Differenze fra nefroni superficiali e juxtamidollari: nei nefroni juxtamidollari il glomerulo renale è più grande ed
è sito più in profondità, l’ansa di Henle è più lunga, e dall’a. efferente si originano i vasa recta.
Anatomia del glomerulo
• Endotelio dei capillari glomerulari: endotelio fenestrato
con pori di circa 700 Å di diametro
• Lamina basale dell’endotelio: laminina, fibronectina,
collageno di tipo IV
• Podociti (cellule del foglietto viscerale della capsula di
Bowman): processi primari e secondari, fessure di
filtrazione, pori (~ 40 x 140 Å)
Cellule granulari
5 μm
Innervazione dei reni
È solo di tipo ortosimpatico e proviene dagli ultimi neuromeri toracici e i primi
lombari. Le fibre postgangliari si originano principalmente dal plesso celiaco.
Plesso celiaco
 nervi splancnici;
 plesso renale.
Sono innervati:
• cellule muscolari lisce delle arteriole afferenti ed efferenti dei glomeruli
(sfinteri arteriolari);
• cellule granulari  stimolazione secrezione renina;
• tubulo prossimale, ansa di Henle, tubulo distale  assorbimento tubulare di Na+.
Nel soggetto adulto a riposo il rene riceve circa il 20-25% della portata
cardiaca (massa dei reni: circa lo 0.5% della massa corporea totale).
 ≈ 1200 ml/min
 ≈ 1700 litri al giorno
 ≈ 63000 litri in un anno
 ≈ 44 milioni litri in 70 anni
Il flusso plasmatico renale è circa
il 55% del flusso ematico renale.
Il volume del filtrato glomerulare
è circa il 20% del flusso plasmatico renale
(≈ 180 litri al giorno; ≈ 5 milioni litri in 70 anni).
Lago azzurro in Valchiavenna
Il volume di urina prodotta è
≈ 1 ml/min
≈ 1,5 litri al giorno
≈ 550 litri in un anno
≈ 38500 litri in 70 anni
Più del 99% del liquido
filtrato dai reni deve tornare
nel sangue.
I tre processi svolti dal nefrone:
- Filtrazione
- Riassorbimento
- Secrezione
Escrezione urinaria
Definizioni
•
•
•
•
Filtrazione = movimento di liquidi e soluti dal sangue al lume dei nefroni
Riassorbimento = trasferimento selettivo di sostanze presenti nel filtrato dal lume
tubulare al sangue che scorre nei capillari peritubulari
Secrezione = trasferimento selettivo di molecole dal sangue al lume tubulare
Escrezione = eliminazione di sostanze attraverso l’urina
Inulina
glucosio
urea
penicillina
5 classi di sostanze:
•
•
•
•
•
A - Filtrate ma non riassorbite (creatinina, inulina, acido urico)
B - Filtrate e completamente riassorbite (aminoacidi e glucosio)
C - Filtrate e parzialmente riassorbite (Na+, Cl-, bicarbonato)
D - Filtrate e completamente secrete (penicillina, acido paraamminoippurico)
E - Filtrate, parzialmente riassorbite e parzialmente secrete (urea)
Concetti fondamentali
FLUSSO EMATICO RENALE (FER) (ml/min)
FER è il volume di sangue che fluisce ai reni nell’unità di tempo (ml/min)
Q = ΔP/R
ΔP = P arteriosa media – P venosa dell’organo
R = resistenza al flusso attraverso l’organo (rene)
Nei glomeruli entrano circa 1200 ml /min (1700 l /giorno) di sangue
(20% della portata circolatoria). In un solo giorno il volume di sangue
di un individuo passa circa 350 volte attraverso i reni.
FLUSSO PLASMATICO RENALE (FPR) (ml/min)
FPR è il volume di plasma che fluisce ai reni nell’unità di tempo (ml/min).
I valori di ematocrito sono circa 45% del flusso ematico renale, quindi il FPR equivale
al 55% del FER (FPR = FER * 0.55)  ≈ 650 ml /min (900 l/giorno)
VELOCITÀ DI FILTRAZIONE GLOMERULARE (VFG) (ml/min)
È il volume di liquido che filtra dai glomeruli nella capsula di Bowman nell’unità di
tempo  125 ml/min (cioè 180 l/giorno).
Il volume totale di plasma è circa 3 litri  Quindi l’intero volume plasmatico viene
filtrato 60 volte in un giorno (2,5 volte in 1 h).
FRAZIONE DI FILTRAZIONE
La frazione di plasma che viene filtrata dai glomeruli è chiamata FF.
FF = VFG/FPR  ≈ 20%
Quindi circa il 20% del volume di plasma che scorre attraverso i reni viene filtrato.
CARICO FILTRATO
Per carico FILTRATO si intende la quantità di una sostanza che viene filtrata nell’unità di tempo.
Il carico filtrato di una sostanza che filtra liberamente si ottiene moltiplicando la concentrazione plasmatica
per la velocità di filtrazione glomerulare.
Carico filtrato = Concentrazione plasmatica x velocità di filtrazione glomerulare
Fx (mg/min) = [X]p (mg/ml) * VFG (ml/min) mg o mEq
CARICO ESCRETO
Per carico ESCRETO si intende la quantità di una sostanza che viene eliminata con le urine nell’unità di
tempo.
Carico escreto = Concentrazione urinaria x flusso urinario
Ex (mg/min) = [X]u (mg/ml) * Vu (ml/min) mg o mEq
CARICO TUBULARE
Per carico TUBULARE si intende la quantità di sostanza che viene trasportata (riassorbita o secreta) da
tubuli renali nell’unità di tempo.
Carico tubulare = carico filtrato – carico escreto
Tx (mg/min) = Fx – Ex = (VFG * [X]p) – (Vu*[X]u)
Ultrafiltrazione glomerulare
L’UG è un processo che consente di
filtrare il sangue trattenendo gli
elementi corpuscolati e le macromolecole (PM > 70 kDa). Il riassorbimento dei soluti e dell’H2O avviene
nei tubuli.
L’UG consente l’eliminazione delle
sostanze di scarto e delle sostanze
esogene per le quali sarebbe
impossibile prevedere trasportatori
specifici
Ultrafiltrazione glomerulare
Anatomia del glomerulo
Il setto filtrante
Diametro pori
≈ 40 Å
Barriera di filtrazione
3 elementi:
- Endotelio fenestrato
- Lamina basale
- Podociti
Cos’è l’ultrafiltrazione
È un processo di filtrazione nel quale particelle di dimensioni colloidali sono trattenute da un filtro mentre il solvente e soluti a
basso peso molecolare passano attraverso di esso. Gli ultrafiltri sono usati per:
- Separare i colloidi dal medium della sospensione
- Separare particelle aventi dimensioni differenti tra loro
- Determinare la distribuzione di particelle di varie dimensioni in un sistema colloidale utilizzando filtri con pori graduati.
Quali sono le forze in gioco nel processo di filtrazione glomerulare?
Passaggio passivo. L’ultrafiltrazione si realizza grazie all’azione di differenti
forze anche in contrasto tra di loro.
Pressione osmotica
 iM R T
Equazione di van’t Hoff
Definisce quantitativamente la pressione osmotica, intesa come la pressione
che si deve applicare per impedire la diluizione del soluto.
i: fattore di dissociazione soluto (es = 2 per NaCl)
M: concentrazione molare del soluto(che non attraversa la membrana semipermebile)
R: costante dei gas
T: temperatura assoluta
Quali sono le forze in gioco nel processo di filtrazione glomerulare?
Passaggio passivo. L’ultrafiltrazione si realizza grazie all’azione di differenti
forze anche in contrasto tra di loro.
L’azione di queste forze viene definita
dalla legge di Starling:
J = Kf [(Pcg-Pcb) – σ (πcg-πcb)]
Kf = coefficiente di filtrazione
σ = coefficiente di riflessione
Pcg = P idrostatica capillare glomerulare
Pcb = P capsula Bowman
πcg = P oncotica capillare glomerulare
πcb = P oncotica capsula Bowman
La selettività di una membrana ad un soluto trasportato passivamente è definita dal
coefficiente di riflessione (σ)
Il coefficiente di riflessione nelle membrane semipermeabili è in relazione alla
capacità di una membrana di riflettere le particelle di un soluto, di opporsi al loro
passaggio. Il valore 0 indica che il soluto passa come l’acqua (nessun ostacolo),
mentre 1 equivale ad una restrizione totale.
La dimensione e la carica netta delle molecole condizionano
l’efficienza della filtrazione glomerulare
Differenti dimensioni
Stesse dimensioni e carica differente
Cf/Cp = conc. di una molecola nel liquido filtrato
dal glomerulo rispetto alla conc. plasmatica
Le molecole con carica positiva filtrano con più
facilità perché sono presenti cariche negative
(sialoproteine: glicoproteine) sulla superficie del
“filtro”. Un indice di nefropatia lieve è la presenza
di albumina nelle urine dovuta alla perdita di
queste cariche negative.
VFG = Kf * Pf
Pf = Pcg – (πcg + PCB) =
60 – 28 – 15 = 17 mm Hg
Kf = coefficiente di filtrazione dipende da due componenti i) l’area della
superficie dei capillari glomerulari disponibili per la filtrazione e ii) permeabilità
dell’interfaccia (setto filtrante) che separa i capillari dallo spazio di Bowman.
La VFG rappresenta un indice di funzionalità renale ed è utilizzata per valutare
la gravità ed il decorso di una malattia.
Confronto tra pressioni in un capillare del circolo generale e nei
capillari glomerulari
Se avviene filtrazione netta a livello dei capillari glomerulari qual è il
rapporto tra la P idrostatica capillare e la P colloido-osmotica capillare?
Pf = Pcg – (πcg + Pcb)
VFG = Pf * Kf
Capo
afferente
↓ Pcg
Pcg
↑ πcg
πcg
Pcb
= Pcb
Capo
efferente
Quali sono le forze in gioco nel processo di filtrazione glomerulare?
Passaggio passivo. L’ultrafiltrazione si realizza grazie all’azione di differenti
forze anche in contrasto tra di loro.
L’azione di queste forze viene definita
dalla legge di Starling:
J = Kf [(Pcg-Pcb) – σ (πcg-πcb)]
Kf = coefficiente di filtrazione
σ = coefficiente di riflessione
Pcg = P idrostatica capillare glomerulare
Pcb = P capsula Bowman
πcg = P oncotica capillare glomerulare
πcb = P oncotica capsula Bowman
Fattori che influenzano la VFG
A) Pressione arteriosa sistemica
B) Stato di contrazione delle arteriole afferenti ed efferenti
C) Pressione oncotica del plasma
D) Pressione idrostatica nella capsula di Bowman
E) Permeabilità della barriera di filtrazione
VFG = Pf * Kf
Pf = Pcg – (πcg + Pcb)
AeB
VFG direttamente proporzionale alla P arteriosa
VFG = Pf * Kf
Pf = Pcg – (πcg + Pcb)
La P arteriosa e la P idrostatica che guida la filtrazione glomerulare sono
correlate. La deduzione più ovvia è quindi che:
se la P arteriosa aumenta  aumenta anche la VFG;
se la P arteriosa diminuisce  diminuisce anche la VFG.
NON È VERO
AeB
Entro un ampio intervallo di P arteriosa (80-180 mmHg) la VFG rimane invece
costante (180 L/giorno)
Come è possibile mantenere costante la VFG (o il FER) pur variando la
pressione arteriosa?
VFG = Pf * Kf
Q = ΔP / R
Pf = Pcg – (πcg + Pcb)
ΔP = P arteriosa media – P venosa dell’organo
R = resistenza al flusso attraverso l’organo (rene).
Soprattutto a livello delle arteriole efferente (Re) ed
afferente (Ra).
Si agisce sulle resistenze delle arteriole afferenti ed efferenti
Profilo pressorio attraverso i vasi renali
Relazione tra VFG e resistenza dell’arteriola afferente
Le variazioni della VFG sono inversamente proporzionali alle
variazioni della Ra.
Relazione tra VFG e resistenza dell’arteriola efferente
EFFETTO BIFASICO
Aumenti della Re determinano un aumento
della VFG ad un punto massimo, seguita da
una diminuzione fino a valori molto bassi.
Perché?
1) ↑Re  ↑Pcg  ↑ VFG
2) ↑Re  ↓ FER, FPR  ↑ FF
(VFG/FPR)  ↑ πcg  ↓ VFG
La diminuzione di VFG si ha
quando l’ ↑Re è di 3 volte il
valore normale e in questo caso
↑ πcg supera ↑ Pcg.
Re < 3 volte il valore norm. 
prevale 1)
Re > 3 volte il valore norm. 
prevale 2)
La VFG è soggetta a:
1) autoregolazione soprattutto a livello delle arteriole glomerulari;
2) regolazione estrinseca.
È importante capire dove avviene la regolazione.
La regolazione è esercitata prevalentemente a livello
dell’a. afferente.
FER = flusso ematico renale
1) Autoregolazione
A) Risposta miogena
B) Feedback (retroazione) tubulo-glomerulare
Entrambi questi sistemi di autoregolazione permettono di:
1) disaccoppiare la funzionalità del rene dalla P arteriosa;
2) mantenere costante il carico che arriva al tubulo renale.
Variazioni accidentali della VFG potrebbero causare alterazioni nel bilancio di
H2O e elettroliti e nell’eliminazione di sostanze di rifiuto. Ad es., in assenza di
autoregolazione l’aumento della P arteriosa dovuto all’esercizio fisico
determinerebbe un aumento sensibile della VFG. Se il riassorbimento
tubulare rimanesse costante avremmo un flusso urinario enorme 
disidratazione.
A) Risposta miogena
Un aumento della P arteriosa distende la parete delle arteriole  apertura
canali ionici sensibili allo stiramento sulla membrana delle fibrocellule
muscolari lisce della tonaca media  depolarizzazione cellule muscolari 
apertura di canali voltaggio-dipendenti del Ca2+  aumento della [Ca2+]i 
contrazione  aumento della resistenza al flusso.
Va segnalato che di norma l’arteriola afferente presenta un buon grado di
vasodilatazione basale.
B) Feedback (retroazione) tubulo-glomerulare
È mediato da segnali che provengono dal tubulo renale (apparato juxtaglomerulare):
i) quando il flusso attraverso il tratto ascendente dell’ansa di Henle
aumenta  segnali al glomerulo  diminuzione della VFG;
ii) quando il flusso diminuisce  diminuzione della VFG;
iii) la macula densa rileva variazioni nella composizione ionica del liquido
tubulare (Δ[NaCl])
Apparato juxtaglomerulare
Tubulo
distale
Effetto dell’aumento della concentrazione di NaCl nel tubulo distale
The effect of elevating NaCl at the
macula densa is shown schematically
to consist of an increase in the levels
of adenosine in the juxtaglomerular
apparatus (JGA) interstitium and
adenosine 1 receptors (A1AR)mediated constriction of the afferent
arteriolar smooth muscle cells.
Aumento di NaCl a livello della macula densa determina
rilascio di adenosina e costrizione dell’arteriola afferente
Effetto della diminuzione della concentrazione di NaCl nel tubulo distale
La diminuzione di NaCl nella macula densa è dovuto ad un aumentato
riassorbimento prodotto da un rallentamento del flusso tubulare.
AT II (vasocostrizione
arteriola eff.)
Aumento del rilascio di PGE2 nell’interstizio dell’ JGA seguito dalla secrezione di
renina (mediata da recettori EP4) dalle cellule granulari.
Il sistema RAAS
Effetto dell’aumento della VFG
La macula densa è il sensore. Il mediatore della vasocostrizione dell’arteriola afferente
sembra essere l’adenosina, quello della vasodilatazione l’NO
Effetto della diminuzione della pressione arteriosa e della VFG
VFG
2) Regolazione estrinseca della VFG
La VFG è controllata anche da meccanismi
regolatori estrinseci. Questi entrano in gioco
quando il ristabilimento di normali livelli della
pressione arteriosa diventa prioritario rispetto al
mantenimento di una normale VFG (es. emorragia).
Questa regolazione è mediata dal sistema nervoso
simpatico e dall’innervazione simpatica alle arteriole
afferenti
Diminuzione P arteriosa sistemica  rilevata dai
barocettori del seno carotideo e dell’arco aortico 
attivazione riflessi nervosi per aumentare tono
simpatico cardiaco e vascolare  aumento gittata
cardiaca, vasocostrizione arteriolare periferica e
vasocostrizione a. afferente glomerulare 
diminuzione VFG  riduzione emissione urinaria,
riduzione VFG e quindi più liquido viene trattenuto
rispetto alle condizioni normali
Viceversa per situazioni di aumento della P
arteriosa (per es. in seguito ad assunzione
eccessiva liquidi)
Emorragia
L’attivazione del sistema ortosimpatico diminuisce la VFG
↑ adrenalina
Emorragia
↓ pressione arteriosa
Recettori
del seno carotideo
Stimolazione del simpatico renale
↑ costrizione arteriolare
↓ flusso
↓ VFG
Ormone o autacoide
Effetto su VFG
Noradrenalina
Diminuzione
Adrenalina
Diminuzione
Endotelina
Diminuzione
Angiotensina II
↔
Ossido nitrico di origine
endoteliale
Aumento
Prostaglandine
Aumento
Sostanze con funzione vasocostrittrice determinano una riduzione di VFG
L’adrenalina e la noradrenalina messe in circolo dalla midollare del surrene determinano vasocostrizione di aa e ae con riduzione del FPR e VFG. La
loro azione è parallela a quella del sistema simpatico ed entrano quindi in gioco in situazioni estreme (emorragia, ischemia etc.).
Un’altra sostanza vasocostrittrice è l’endotelina rilasciata da vasi lesionati che può determinare vasocostrizione per limitare la perdita di sangue dal
vaso. Sembra che questo fattore entri in gioco in certe patologie quali blocco renale acuto e uremia cronica.
Una sostanza con funzione opposta e che quindi tende a far aumentare VFG è l’ossido nitrico di origine endoteliale (rilasciato dall’endotelio dei vasi).
Sembra che abbia il ruolo di impedire un’eccessiva vasocostrizione mantenendo un’escrezione normale di acqua e sodio.
Fattori che influenzano la VFG
A) Pressione arteriosa sistemica
}
B) Stato di contrazione delle arteriole afferenti ed efferenti
C) Pressione oncotica del plasma
D) Pressione idrostatica nella capsula di Bowman
E) Permeabilità della barriera di filtrazione
VFG = Pf * Kf
Fattori
non regolati
Pf = Pcg – (πcg + Pcb)
C, D
Influenza dei fattori non regolati sulla VFG
La π (oncotica) plasmatica e la P idrostatica nella capsula di Bowman non sono
soggette a regolazione.
Variano però in situazioni patologiche
- π (oncotica) plasmatica
Grandi ustionati: perdita liquido derivato dl plasma, ricco di proteine  diminuzione π
plasmatica  aumento VFG
VFG = Pf * Kf
Pf = Pcg – (πcg + Pcb)
Diarrea disidratante:  aumento π plasmatica  diminuzione VFG
Alterazioni metabolismo proteico
- P idrostatica della capsula di Bowman
Può diventare elevata come nel caso di ostruzione vie urinarie (calcolo renale e/o
ipertrofia prostatica)
VFG = Pf * Kf
Pf = Pcg – (πcg + Pcb)
Aumento della pressione colloido-osmotica del plasma che scorre nei
capillari glomerulari
Frazione di filtrazione = VFG / FPR
Modifiche del FER accompagnate da variazioni della FF possono quindi influenzare
la VFG indipendentemente da variazioni della Pcg
E
Regolazione della VFG attraverso modifica
del coefficiente di filtrazione
Modifica della superficie di filtrazione
I capillari glomerulari sono immersi nelle cellule
mesangiali che contengono fibre contrattili 
stimolazione simpatica fa contrarre queste cellule  la
contrazione determina una diminuzione della superficie
di filtrazione  diminuzione della VFG
Modifica della permeabilità
I podociti contengono elementi contrattili  la
contrazione di podociti (meccanismo non ancora ben
caratterizzato) diminuisce il numero dei pori disponibili
per la filtrazione  diminuzione della VFG
Fattori che possono diminuire la VFG
↓ Pcg
↑ Raa (attività simpatica, NA, AT II ad
alte concentrazioni)
↓ Rae (↓ AT II)
↑ Pcb
calcoli renali o delle vie urinarie
↑ πcg
aumento proteine plasmatiche
↓ Kf
diabete mellito, ipertensione (causano
alterazioni della barriera di filtrazione)