腎小球的濾過功能 

 迴圈血液經過腎小球毛細血管時,血漿中的水和小分子溶質,包括少量分子量較小的血漿蛋白,可以濾入腎小囊的囊腔而形成濾過液。用微穿刺法實驗證明,腎小球的濾過液就是血漿中的超濾液。 

 

 微穿刺法是利用顯微操縱儀將外徑6-10μm的微細玻璃插入腎小體的囊腔中。在與囊腔相接部位的近球小管內,注入石蠟油防止起濾液進入腎小管。用微細玻璃管直接抽到囊腔中的液體進行微量化學分析(圖8-2)。分析顯示,除了蛋白質含量甚少之外,各種晶體物質如葡萄糖、氯化物、無機磷酸鹽、尿素、尿酸和肌酐等的濃度都與血漿中的非常接近,而且滲透壓及酸鹼度也與血漿的相似,由此證明囊內液確是血漿的超濾液。 

 

 單位時間內(每分鐘)兩腎生成的超濾液量稱為腎小球濾過率(glomerular filtration rate,GFR)。據測定,體表面積為1.73m2的個體,其腎小球濾過率為125ml/min左右。照此計算,兩側腎每一晝夜從腎小球濾出的血漿總量將高達180L。此值約為體重的3倍。腎小球濾過率和腎血漿流量的比例稱為濾過分數(filtration fraction)。經測算,腎血漿流量為66ml/min,所以濾過分數為:125/660×100=19%。濾過分數顯示,流經腎的血漿約有1/5幔有小球小茁到囊腔中。腎小球濾過率大小決定於濾過係數(Kf)(即濾過膜的面積及其通透性的狀態)和有效濾過壓。腎小球濾過率=Kf×PUF,PUF表示有效濾過壓。

 

一、濾過膜及其通透性 

 人體兩側腎全部腎小球毛細血管總面積估計在1.5m2以上,這樣大的濾過面積有利於血漿的濾過。在正常情況下,人兩腎的全部腎小球濾過面積可以保持穩定。但是在急性腎小球腎炎時,由於腎小球毛細血管管腔變窄或完全阻塞,以致有濾過功能的腎小球數量減少,有效濾過面積也因而減少,導致腎小球濾過率降低,結果出現少尿(每晝夜尿量在100-500ml之間)以致無尿(每晝夜尿量不到100ml)。

8-1 物質的有效半徑和腎小球濾過能力的關係

物質

分子量

有效半徑(nm

濾過能力

18

010

10

23

014

10

尿素

60

016

10

葡萄糖

180

036

10

蔗糖

342

044

10

菊粉

5500

148

098

肌球蛋白

17000

195

075

卵白蛋白

43000

285

022

血紅蛋白

68000

325

003

血漿白蛋白

69000

355

<001

濾過能力(filterability)值為1.0表示該物質可自由濾過,0則表示不能濾過

 


 

 不同物質通過腎小球濾過膜的能力決定於被濾過物質的分子大小及其所帶的電荷。表8-1表示被濾過物質的分子量和有效半徑對濾過的影響。一般來說,有效半徑小於1.8nm的物質,如葡萄糖(分子量180)的有效半徑為0.36nm,它可以被完全濾過。有效半徑大於3.6nm的大分子物質,如血漿白蛋白(分子量約69000)則幾乎完全不能濾過。有效半徑介於葡萄糖和白蛋白之間的各種物質,隨著有效半徑的增加,它們被濾過的量逐漸降低,以上事實提示,濾過膜上存在著大小不同的孔道,小分子物質很容易通過各種大小的孔道,而有效半徑較大的物質只能通過較大的孔道,用不同有效半徑的中性右旋糖酐分子進行實驗,也清楚地說明了被濾過物質的大小對濾過的影響。有效半徑小於1.8nm的中性右旋糖酐能自由通過濾過膜,有效半徑大於3.6nm的右旋糖酐就完全不能通過。有效半徑在1.8-3.6nm的右旋糖酐,其濾過量與有效半徑成反比,即隨著有效半徑增大,濾過量就不斷減少(圖8-6)。

 

 

86 不同的有效半徑和帶不同電荷對右旋糖酐濾過能力的作用

濾過能力的值為1.0,表示自由濾過 0則不能濾過

 

 濾過膜的通性還決定於被濾過物質所帶的電荷。用帶不同電荷的右旋糖酐進行實驗觀察到,即使有效半徑相同,帶正電荷的右旋糖酐較易被濾過,而帶負電荷的右旋糖酐則較難通過(圖8-6)。血漿白蛋白雖然其有效半徑為3.5nm,由於其帶負電荷,因此就難於通過濾過膜。

 

 濾過膜的上述特性可由濾過膜的超微結構的特點來說明。濾過膜由三層結構組成(圖8-3);

內層是毛細血管的內皮細胞。內皮細胞有上許多直徑50-100nm的小孔,稱為窗孔(fenestration),它可防止血細胞通過,但對血漿蛋白的濾過可能不起阻留作用。

中間層是非細胞性的基膜,是濾過膜的主要濾過屏障。基膜是由水合凝膠(hydrated gel)構成的微纖維網結構,水和部分溶質可以通過微纖維網的網孔。有人把分離的基膜經特殊染色證明有4-8nm的多角形網孔。微纖維網孔的大小可能決定著分子大小不同的溶質何者可以濾過。

外層是腎小囊的上皮細胞。上皮細胞具有足突,相互交錯的足突之間形成裂隙。裂隙上有一層濾過裂隙膜(filtration slit membrane),膜上有直徑4-14nm的孔它是濾過的最後一道屏障。通過內、中兩層的物質最後將經裂隙膜濾出,裂隙膜在超濾作用中也很重要。

 

 濾過膜各層含有許多帶負電荷的物質,主要為糖蛋白。這些帶負電荷的物質排斥帶帶負電荷的血漿蛋白,限制它們的濾過。腎在病理情況下,濾過膜上帶負電荷的糖蛋白減少或消失,就會導致帶負電荷的血漿蛋白濾過量比正常時明顯增加,從而出現蛋白尿。

 

二、有效濾過壓 

 腎小球濾過作用的動力是有效濾過壓。像其他器官組織液生成的機制那樣,腎小球有效濾過壓=(腎小球毛細血管壓+囊內液膠體滲透壓)-(血漿膠體滲透壓+腎小囊內壓)(圖8-7)。

 

8-7 有效濾過示意圖

 


 

 由於腎小囊內的濾過液中蛋白質濃度較低,其膠體滲透壓可忽力略不計。因此,腎小球毛細血管血壓是濾出的唯一動力,而血漿膠滲透壓和囊內壓則是濾出的阻力。有效濾過壓=腎小球毛細血管壓-(血漿膠體滲透壓+腎小囊內壓)。皮質腎單位的入球小動脈粗而短,血流阻力較小;出球小動脈細而長,血流阻力較大。因此,腎小球德細血管血壓較其他器官的毛細血管血壓高。用微穿刺法沒得腎小球毛細血管平均值為6.0kPa45mmHg)(為主動脈平均壓的40%左右);用微穿法還發現,由腎小球毛血管的入球端到出球端,血壓下降不多,兩端的血壓幾乎相等。腎小囊內壓與近曲小管內壓力相近。囊內壓為1.3kPa10mmHg)。據測定,在大鼠的腎小球毛細血管入球端的血漿膠體滲透壓約為3.3kPa25mmHg)左右。

 

 在入球端,有效濾過壓=6.0-3.3+1.3=1.4kPa。但腎小球毛細血管內的血漿膠體滲透壓不是固定不變的。在血液流經腎小球毛細血管時,由於不斷生成濾過液,血液中血漿蛋白濃度就會逐漸增加,血漿膠體滲透壓也隨之升高。因此,有效濾過壓也逐漸下降。當有效濾過壓下降到零時,就達到濾過平衡(filtration equilibrium),濾過便停止了(圖8-8)。由此可見,不是腎小球毛細血管全段都有濾過作用,只有從入球小動脈端到濾過平衡這一段才有濾過作用。濾過平衡越靠近入球小動脈端,有效濾過的毛細血管長度就越短,有效濾過壓和面積就越小,腎小球濾過率就低。相反,濾過平衡越靠近出球小動脈端,有效濾過的毛細血管長度越長,有效濾過壓和濾過面積就越大,腎小球濾過率就越高。如果達不到濾過平衡,全段毛細血管都有濾過作用(圖8-8)。

 

8-8腎小球毛細血管血壓,膠體滲透壓和囊內壓對腎小球濾過率的作用

 

三、影響腎小球濾過的因素 

 濾過膜的通透性和濾過面積的改變對腎小球濾過功能的影響前已述。下面進一步分析腎小球毛細血管血壓、血漿膠體滲透壓、囊內壓和腎血漿流量變化對腎小球濾過功能的影響。

 

(一)腎小球毛細血管血壓

 全身動脈血壓如有改變,理應影響腎小球毛細血管的血壓。由於腎血流量具有自身調節機制,動脈血壓變動於10.7?/FONT>24kPa80-45mmHg)範圍內時,腎小球毛細血管血壓維持穩定,人而使腎小球濾過率基本保持不變(圖8-5)。但當動脈血壓降到10.7kPa80mmHg)以下時,腎小球毛細血管將相應下降,於是有效濾過壓降低,腎小球濾過率也減少。當動脈血壓降到5.3-6.7kPa40-50mmHg)以下時,腎小球濾過率將降低到零,因而無尿。在高血壓病晚期,入球小動脈由於硬化而縮小,腎小球毛細血管血壓可明顯降低,於是腎小球濾過率減少而導致少尿。

 


 

(二)囊內壓

 在正常情況下,腎小囊內壓是比較穩定的。腎盂或輸尿管結石、腫瘤壓迫或其他原因引起的輸尿管阻塞,都可使腎盂內壓顯著升高。此時囊內壓也將升主,致使有效濾過壓降低,腎小球濾過率因此而減少。有些藥物如果濃度太高,可在腎小管液的酸性班幹部析出結晶;某些疾病時溶血過多,血紅蛋白過可堵塞腎小管,這些情況也會導致囊內壓升高而影響腎小球濾過。

 

(三)血漿膠體滲透壓

 人體血漿膠滲透墳在正常情況下不會有很大變動。但若全身血漿蛋白的濃度明顯降低時,血漿膠體滲透壓也將降低。此時有效濾過壓將升高,腎小球濾過率也隨之增加。例如由靜脈快速注入生理鹽水時,腎小球濾過率將增加,其原因之一可能是血漿膠體滲透壓的降低。

 

(四)腎血漿流量

 腎血漿流量對腎小球濾過率有很大影響,主要影響濾過平衡的位置。如果腎轎漿流量加大,腎小球毛細血管內血漿膠體滲透壓的上升速度減慢,濾過平衡就靠近出球小動脈端,有效濾過壓和濾過面積就增加,腎小球濾過率將隨之增加。如果腎血流量進一步增加,血漿膠體滲透壓上升速度就進一步減慢,腎小球毛細血管的全長都達不到濾過平衡,全長都有濾過,腎小球濾過率就進一步增加。相反,腎血漿流量減少時,血漿膠體滲透壓的上升速度加快,濾過平衡就靠近入球小動脈端,有效濾過壓和濾過面積就減少,腎小球濾過率將減少(圖8-8)。在嚴重缺氧、中毒性休克等病理情況下,由於交感神經興奮,腎血流量和腎血漿流量將顯著減少,腎小球濾過率也因而顯著減少。

 

 

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