а) Анатомия гломерулы. Почки расположены в забрюшинном пространстве немного выше уровня пупка. Размер варьирует по длине, весу, соответственно, ~6 см и 24 г у доношенного новорожденного и до >12 см и 150 г у взрослого. Почка (рис. 1) имеет наружный слой, кору, которая содержит клубочки, проксимальные, дистальные извитые канальцы, собирательные трубочки, внутренний слой, мозговое вещество, которое содержит прямые сегменты проксимальных канальцев, петли Генле, прямые сосуды и кортикальные собирательные трубки (рис. 2).
Рисунок 1. Общая морфология почечного кровообращения
Рисунок 2. Сравнение кровоснабжения кортикальных и юкстамедуллярных нефронов
Кровоснабжение каждой почки осуществляется через главную почечную артерию, выходящую из аорты. Возможны множественные почечные артерии. Основная артерия делится на сегментарные ветви в мозговом веществе, становясь междолевыми артериями, которые проходят через мозговое вещество к кортикомедуллярному соединению.
В этом месте на уровне основания почечных пирамид междолевые артерии разветвляются, образуя дугообразные артерии, которые проходят параллельно поверхности почки. Междольковые артерии берут начало от дугообразных артерий и от них к каждому почечному клубочку отходит афферентная (приносящая) артериола. Специальные мышечные кл. в стенке афферентной артериолы и специальные кл. дистальных канальцев, прилегающие к клубочку (плотное пятно), образуют юкстагломерулярный аппарат, контролирующий секрецию ренина.
Афферентная артериола входит в почечный клубочек, делится на сеть почечных капилляров и, вновь соединяясь, выходит из клубочка в виде эфферентной (выносящей) артериолы (см. рис. 2). Юкстамедуллярных эфферентных артериол больше, чем во внешней коре, распадаясь на пучки прямых артериол, они обеспечивают кровоснабжение канальцев и мозгового вещества.
Каждая почка содержит ~1 млн нефронов (каждый из которых состоит из клубочка и связанных канальцев). Нормальное количество нефронов в одной почке у людей варьирует от 200 тыс. до 1,8 млн. Эта вариация может иметь большое патофизиологическое значение как фактор риска более позднего развития гипертонии и прогрессирующей почечной дисфункции. У людей формирование нефронов завершается на 34-36-й неделях беременности, функциональное созревание с ростом и удлинением канальцев продолжается в течение первых 10 лет жизни.
Поскольку новые нефроны не могут образоваться после рождения, любое заболевание, которое приводит к прогрессирующей потере нефронов, может привести к почечной недостаточности.
Уменьшение количества нефронов, имеет место у детей с НМТ при рождении, при недоношенности и/или при воздействии неизвестного генети-ческого/экологического фактора, оно является высоким риском развития первичной гипертонии и прогрессирующей почечной дисфункции во взрослом возрасте. Низкое количество нефронов, вероятно, приводит к гиперфильтрации и, в конечном итоге, к склерозу перегруженных нефроновых единиц.
Гломерулярная сеть специальных капилляров служит фильтрующим механизмом почек. Капилляры клубочков выстланы эндотелиальными кл. (рис. 3), имеют очень тонкую цитоплазму, которая содержит множество отверстий (фенестраций). Базальная мембрана клубочков образует непрерывный слой между эндотелиальными и мезангиальными кл. с одной стороны и эпителиальными кл. с другой. Мембрана имеет три слоя: центральную электронно-плотную lamina densa; lamina rara interna, которая расположена между lamina densa и эндотелиальными кл.; и lamina rara externa, которая лежит между lamina densa и эпителиальными кл.
Рисунок 3. Электронная микрофотография нормальной стенки капилляра клубочка (Сар), демонстрирующая эндотелий (En) с его фенестрациями (f), базальную мембрану клубочка (В) с ее центральным плотным слоем, lamina densa (LD) и прилегающую lamina гага interna (LRI) и externa (LRE) (белая стрелка), а также отростки эпителиальных кл. (fp) с их толстой клеточной оболочкой (с). Клубочковый фильтрат проходит через эндотелиальные отверстия, пересекает базальную мембрану и проходит через фильтрационные щели (черная стрелка) между отростками эпителиальных кл., достигая мочевого пространства (МП) (х 60000); j — соединение между двумя эндотелиальными кл.
Висцеральные эпителиальные кл. покрывают капилляр и выпускают цитоплазматические отростки, которые прикрепляются к lamina rara externa. Между отростками имеются промежутки/фильтрационные щели. Мезангий (мезангиальные кл. и матрикс) расположен между гломерулярными капиллярами на стороне эндотелиальных кл. клубочковой базальной мембраны и образует медиальную часть стенки капилляра. Мезангий может служить в качестве опорной, черенкообразной структуры для капилляров клубочков, возможно, он играет важную роль в регуляции клубочкового кровотока, фильтрации и удалении макромолекул (например, иммунных комплексов) из клубочка.
Капсула Боумена, которая окружает клубочек, состоит из базальной мембраны, которая является продолжением базальных мембран капилляров клубочков и проксимальных канальцев, а также париетальных эпителиальных кл., которые прилегают к висцеральному эпителию (рис. 4).
Рисунок 4. Схематическое изображение клубочка и окружающих его структур
б) Клубочковая фильтрация. Функцию почек лучше всего измерять по СКФ. Когда кровь проходит через капилляры клубочков, плазма фильтруется через стенки капилляров клубочков. Небольшие молекулы плазмы фильтруются свободно (например, электролиты, глюкоза, фосфат, мочевина, креатинин, пептиды, низкомолекулярные белки), более крупные молекулы остаются в кровотоке (например, альбумин, глобулины). Фильтрат собирается в пространстве Боумена и попадает в канальцы. Там состав фильтрата изменяется за счет жестко регулируемой секреции и абсорбции растворенных в-в, жидкости множеством канальцевых сегментов нефрона и системы трубочек, пока он не покинет почку через мочеточник в виде мочи.
Клубочковая фильтрация — прямой результат противодействующих сил, воздействующих на стенку капилляров. Сила ультрафильтрации (гидростатическое давление клубочковых капилляров) — результат системного АД, изменяемого тонусом афферентных и эфферентных артериол. Основная сила, препятствующая ультрафильтрации — онкотическое давление в капиллярах клубочков, создаваемое градиентом между высокой концентрацией белков плазмы в капилляре и безбелковым ультрафильтратом в пространстве Боумена. Фильтрация может быть изменена скоростью потока клубочковой плазмы, гидростатическим давлением в пространстве Боумена и/или проницаемостью стенки капилляров клубочков.
Хотя клубочковая фильтрация начинается примерно на 6-й неделе жизни плода, функция почек не является необходимой для нормального внутриутробного гомеостаза, т.к. плацента — основной выделительный орган плода. После рождения СКФ увеличивается до прекращения роста почек (к 18-20 годам у большинства людей). Для сравнения СКФ у детей и взрослых, ее стандартизируют по площади поверхности тела (1,73 м2) «идеального» взрослого с МТ 70 кг.
У детей <3 лет даже после поправки на площадь поверхности тела СКФ не равна значениям взрослых (рис. 5). СКФ можно оценить путем измерения уровня креатинина в сыворотке. Креатинин образуется в результате метаболизма мышц. Его продукция относительно постоянна, а экскреция происходит в основном через клубочковую фильтрацию, канальцевую секрецию (креатинин сыворотки повышается при почечной недостаточности).
Рисунок 5. Изменения нормального значения скорости клубочковой фильтрации, измеренной по клиренсу креатинина (Ccr), при стандартизации до мл/мин/1,73 м2 площади поверхности тела. Сплошная линия отображает среднее значение, а заштрихованная область включает в себя ±2 SD
В отличие от концентрации АМК, на которую влияют гидратация и азотистый баланс, уровень креатинина в сыворотке зависит в первую очередь от мышечной массы и уровня функции клубочков. Уровень сывороточного креатинина имеет значение только для оценки СКФ в стационарных условиях. Нормальный уровень сывороточного креатинина м.б. у пациента с пониженной функцией почек сразу после начала острого повреждения почек. Стабилизация показателя в этих условиях начнется через несколько дней. Может отмечаться снижение функции почек <50% до значительного повышения сывороточного креатинина.
Точное измерение СКФ достигается путем количественного определения клиренса в-ва, которое свободно фильтруется через стенку капилляра, не реабсорбируется и не секретируется канальцами. Клиренс (Cs) в-ва — объем плазмы, который при полном очищении от содержащегося в-ва даст такое же количество этого в-ва, которое выводится с мочой за определенное время. Почечный клиренс рассчитывается по формуле (1):
Сs (мл/мин) = Us(мг/мл) х V (мл/мин) / Рs (мг/мл), (1) где Сs — клиренс вещества s, Us — концентрация s в моче, V — скорость потока мочи, Рs — концентрация s в плазме. Для того чтобы скорректировать клиренс для конкретной площади поверхности тела, применяется формула (2):
Скорректированный клиренс (мл/мин/1,73 м2) = Сs (мл/мин) х 1,73 / площадь поверхности (м2). (2)
СКФ измеряется по клиренсу инулина, полимера фруктозы, имеющего молекулярную массу ~5,7 кДа. Метод клиренса инулина громоздок, в клинической практике для измерения СКФ используются радиоизотопы. Точно определить СКФ можно путем однократного в/в введения чаще 99mTC-DTPA с последующим мониторингом образцов сыворотки по времени.
Поскольку истинное измерение СКФ — дорогостоящее, требует много времени, СКФ обычно рассчитывается (расчетная скорость клубочковой фильтрации — рСКФ) по клиренсу эндогенного креатинина. Полезные формулы для точного определения клиренса креатинина в клинических условиях: «прикроватная» формула Шварца — широко используемая в детской практике — основана на креатинине сыворотки (Scr), росте пациента и эмпирической константе:
рСКФ = 0,413 х рост (см) / Scr (мг/дл). (3)
Точность уравнений для расчета СКФ можно дополнительно повысить, используя дополнительный к креатинину сыворотки эндогенный маркер цистатин С. Цистатин С — ингибитор протеазы массой 13,6 кДа, продуцируемый ядросодержащими кл., свободно фильтрующийся почками. Метод популярен, применяется как альтернатива формулам на основе креатинина, т.к. имеет преимущества при расчете СКФ. В отличие от креатинина, цистатин С не секретируется почечными канальцами при любых условиях. На него меньше, чем на креатинин сыворотки, влияют пол, возраст, мышечная масса.
Отсутствие белков плазмы, превышающих размер альбумина из клубочкового фильтрата, подтверждает эффективность стенки капилляров клубочков как фильтрационного барьера. Эндотелиальная кл., базальная мембрана и эпителиальная кл. стенки капилляра клубочков обладают избирательными по размеру свойствами, которые фильтруют молекулы плазмы разной молекулярной массы. Молекулярный заряд определяет проницаемость клубочков, при этом отрицательно заряженные белки плазмы отталкиваются отрицательно заряженными участками стенки капилляров клубочков. Т.о., почечные клубочки способны обеспечивать свободную фильтрацию воды и др. растворенных в-в, сохраняя при этом жизненно важные белки плазмы.
в) Гломерулярные болезни:
1. Патогенез. Повреждение клубочков — результат генетических, иммунологических, перфузионных/коагуляционных нарушений. Генетические нарушения клубочков м.б. результатом мутаций экзонов ДНК, кодирующих белки, расположенные в клубочках, интерстиции/канальцевом эпителии; мутаций в регуляторных генах, контролирующих транскрипцию ДНК; аномальной посттранскрипционной модификации транскриптов РНК; аномальной посттрансляционной модификации белков. Иммунологическое повреждение клубочков приводит к гломерулонефриту, который является общим термином для нескольких заболеваний, точнее гистопатологическим термином, определяющим воспаление капилляров клубочков.
Доказательства того, что гломерулонефрит вызван иммунологическим повреждением, включают в себя морфологическое и иммунопатологическое сходство с экспериментальным иммуноопосредованным гломерулонефритом; демонстрацию иммунных реагентов (Ig, комплемент) в клубочках; аномалии сывороточного комплемента; обнаружение аутоАТл (анти-ГБМ) при некоторых этих заболеваниях (рис. 6).
Рисунок 6. Клеточная локализация повреждения при гломерулонефрите. Мезангиальные кл. напрямую участвуют в кровобращении. Отложение иммунных комплексовв на этих кл. наблюдается при таких расстройствах, как IgA-нефропатия, что приводит к пролиферации и разрастанию кл., гематурии, протеинурии, почечной недостаточности. Эпителиальные кл. в сочетании с базальной мембраной позволяют фильтровать растворенные в-ва плазмы, но задерживают прохождение кл. и белков плазмы. Заболевание, связанное с этими кл., характеризуется наличием субэпителиальных отложений, уплощением отростков, которые затрагивают базальную мембрану, приводя к нарушению фильтрационного барьера, протеинурии. Заболевание эндотелиальных кл. м.б. результатом отложения иммунного комплекса (как при мезангиокапиллярном гломерулонефрите), прикрепления антител к базальной мембране (болезнь Гудпасчера)/травмы, активации коагуляции (гемолитико-уремический синдром — ГУС). Пролиферация и некроз эндотелиальных кл. сопровождаются накоплением лейкоцитов, разрывом базальной мембраны, формированием фиброзных полулуний, нарушением структуры клубочков. Это быстро прогрессирующие нефритические проявления
По-видимому, это два основных механизма иммунологического повреждения: отложение ЦИК АГн-АТл в клубочках и взаимодействие АТл с гломерулярными АГн in situ. В последнем случае антиген может быть нормальным компонентом клубочка (неколлагеновый домен [NC-1] коллагена IV типа, предполагаемый АГн при анти-ГБМ нефрите человека)/АГн, который депонирован в клубочках. При заболеваниях, опосредованных иммунными комплексами, АТл вырабатываются против циркулирующего АГн, который обычно не связан с почками, и соединяются с ним (см. рис. 6). Иммунные комплексы накапливаются в гломерулярной базальной мембране, активируют систему комплемента, приводя к иммунному повреждению.
Острая сывороточная болезнь у кроликов является моделью гломерулонефрита, опосредованного иммунным комплексом, который вызывается однократной в/в инъекцией бычьего альбумина. В течение 1-й недели после инъекции кролик вырабатывает АТл против бычьего альбумина, а АГн остается в крови в высокой концентрации. Иммунные комплексы АГн-АТл образуются в кровотоке, накапливаются в клубочках, вызывают острый гломерулонефрит и васкулит. Процессы, вовлекающие клубочки, не совсем понятны, но они включают характеристики комплекса (концентрация, заряд, размер) и/или клубочка (мезангиальный захват, отрицательно заряженная стенка капилляра); гидродинамические силы; влияние различных хим. медиаторов (ангиотензин II, Пг).
При отложении иммунных комплексов в клубочках у кроликов развивается острый пролиферативный гломерулонефрит. Иммунофлуоресцентная микроскопия демонстрирует гранулярные отложения (так называемые горбики), содержащие Ig и комплемент, в стенке капилляров клубочков. Электронно-микроскопические исследования показывают, что эти отложения находятся на эпителиальной стороне гломерулярной базальной мембраны и в мезангиуме. В течение следующих нескольких дней, когда в кровоток попадает дополнительное количество АТл, АГн удаляется из кровотока, гломерулонефрит проходит.
Пример взаимодействия АГн-АТл in situ — заболевание, при котором АТл реагирует с АГн гломерулярной базальной мембраны. Иммунопатологические исследования показывают линейное отложение Ig и комплемента вдоль гломерулярной базальной мембраны при синдроме Гудпасчера, некоторых типах быстро прогрессирующего гломерулонефрита.
Воспалительная реакция, следующая за иммунологическим повреждением, возникает в результате активации одного/нескольких медиаторных путей. Наиболее важная из них — система комплемента, имеющая две инициирующие последовательности: классический путь, который активируется иммунными комплексами АГн-АТл, и альтернативный путь/путь пропердина, активирующийся полисахаридами и эндотоксином. Эти пути сходятся в С3; с этого момента та же последовательность приводит к лизису клеточных мембран.
Основные токсичные продукты активации комплемента вырабатываются после активации С3 и включают анафилатоксин (который стимулирует сократительные белки в стенках сосудов и увеличивает проницаемость сосудов) и хемотактические факторы (С5а), которые привлекают нейтрофилы и, возможно, макрофаги к месту активации комплемента, приводя к последующему повреждению эндотелия сосудов и базальных мембран.
Система свертывания может активироваться непосредственно после повреждения эндотелиальных кл., которое обнажает тромбогенный субэндотелиальный слой (тем самым инициируя каскад коагуляции), или она может активироваться косвенно, после активации комплемента. Т.о., фибрин откладывается в капиллярах клубочков/в пространстве Боумена в виде полулуний. Активация каскада коагуляции может активировать кининовую систему, которая продуцирует дополнительные хемотактические и анафилатоксиноподобные факторы.
2. Патология. Гломерула м.б. повреждена несколькими механизмами, но имеет ограниченное количество гистопатологических ответов; различные болезненные состояния могут вызывать похожие микроскопические изменения.
Пролиферация гломерулярных кл. происходит при большинстве форм гломерулонефрита, м.б. генерализованной (с вовлечением всех клубочков)/очаговой (с вовлечением только некоторых клубочков, сохранением других). В пределах одного клубочка пролиферация м.б. диффузной (включая все части клубочка)/сегментарной (включая только один/несколько пучков, но не другие). В пролиферацию обычно вовлекаются эндотелиальные и мезангиальные кл., часто это связано с увеличением мезангиального матрикса (см. рис. 6).
Мезангиальное разрастание м.б. результатом отложения иммунного комплекса в мезангиуме. Увеличивающиеся в результате размер и количество кл., а также производство мезангиального матрикса может увеличить размер клубочков, сузить просветы капилляров клубочков, приводя к почечной недостаточности.
Формирование полулуния в пространстве (капсуле) Боумена — результ пролиферации париетальных эпителиальных кл. — часто связано с клиническими признаками почечной дисфункции. Полулуния развиваются при нескольких формах гломерулонефрита (называемых быстро прогрессирующими или полулунными, являются характерной реакцией на отложение фибрина в капсуле Боумена. Новообразованные полулуния содержат фибрин, пролиферирующие эпителиальные кл. капсулы Боумена, материал, подобный базальной мембране, продуцируемый этими кл., макрофаги, которые могут играть большую роль в генезе повреждения клубочков.
В последующие дни/недели полулуние заполняется соединительной тканью, становится фиброзно-клеточным полулунием, что приводит к устареванию клубочков, клиническому развитию ХПН. Формирование полулуния часто связано с гибелью клубочковых кл.
Некротический клубочек имеет характерный эозинофильный вид, обычно содержит ядерные остатки. Формирование полулуния связано с генерализованной пролиферацией мезангиальных кл., с отложением иммунных комплексов/анти-ГБМ АТл в стенке капилляров клубочков.
При некоторых формах острого гломерулонефрита наблюдается гломерулярная экссудация кл. крови, включая нейтрофилы, эозинофилы, базофилы, мононуклеарные кл. Утолщенный вид гломерулярной базальной мембраны м.б. результатом истинного увеличения ширины мембраны (как видно при мембранозной гломерулопатии), из-за массивного отложения ЦИК, имеющих характеристики окрашивания, аналогичные характеристикам мембраны (как при СКВ), или от внедрения мезангиальных кл. и матрикса в субэндотелиальное пространство между эндотелиальными кл. и гломерулярной базальной мембране.
Последнее может придавать базальной мембране расщепленный вид, что наблюдается при мембранопролиферативном гломерулонефрите I типа и др. заболеваниях.
Склероз — наличие рубцовой ткани внутри клубочка. Иногда патологи используют этот термин для обозначения увеличения мезангиального матрикса.
Тубулоинтерстициальный фиброз присутствует у всех пациентов с гломерулярной болезнью и прогрессирующим поражением почек. Этот фиброз инициируется повреждением клубочков, которое, если оно серьезное, может вторично затрагивать канальцы, или прямым повреждением самих канальцев. Повреждение канальцев образует инфильтрат мононуклеарных кл., который высвобождает множество растворимых факторов, обладающих фиброзстимулирующим эффектом. Матричные белки почечного интерстиция начинают накапливаться, что в конечном итоге приводит к разрушению почечных канальцев, перитубулярных капилляров.
Видео физиология фильтрации в почках и поддержки осмотического давления крови - профессор, д.м.н. П.Е. Умрюхин
