用人体解剖参数建立连续肾单位

肾脏药物改变一个转运蛋白后,效应会沿着肾小管传到其他位置。美国杜克大学(Duke University)与加拿大滑铁卢大学(University of Waterloo)团队在 PLOS Computational Biology 报道计算模型,比较这些局部变化怎样影响最终尿排泄。

模型从滤液进入小管开始,依次表示近端小管、亨利袢、远端小管及集合管。各段具有不同转运蛋白和通透性,通过稳态方程计算管腔流量、细胞内外溶质、膜电位及跨上皮通量。

团队使用人体小管长度、直径、滤过等资料,并调整部分转运参数,使基础尿量和主要溶质结果接近既有人体数据。许多参数仍沿用先前大鼠模型,本次结构直接表示占人体较大比例的浅表肾单位。初始人体参数组合使尿液偏酸,也把几乎全部葡萄糖重吸收集中在前段。团队因此将近端钠-葡萄糖共转运蛋白 2(sodium-glucose cotransporter 2,SGLT2)密度降低 25%,将集合管的两类质子泵密度降低 50%,以调整葡萄糖分段重吸收和尿液酸度。

改变滤过量后,近端和远端响应幅度不同

研究先把单肾单位滤过率上下调整 10%。滤过增加时,近端小管钠重吸收约增加 11%;降低滤过则产生相反变化。这一结果显示,模型中的近端重吸收能够随滤入负荷调整。

下游小管的钠、氯和水递送也改变,远端钾分泌对这一变化较敏感。模型将各段再吸收和最终排泄分别列出,展示同一滤过变化在不同位置的反应幅度。

SGLT2 抑制主要从近端葡萄糖处理开始

团队通过降低 90% 的 SGLT2 表达参数模拟抑制,并配套设定单肾单位滤过率降低 3%。近端小管腔内的葡萄糖增多,管腔渗透压升高,水的重吸收减少。

净钠重吸收在近端小管约降低 17%。流量增加可以增强部分主动转运,但细胞旁被动转运减少的影响更大;下游小管则承担更多盐处理。整体模拟出现利尿、排钠和排钾增加。

钠-葡萄糖共转运蛋白 1(sodium-glucose cotransporter 1,SGLT1)和剩余转运途径仍可重吸收部分葡萄糖。研究由此说明,一个局部靶点受抑制后,其他转运路径和下游段会参与最终反应。

NKCC2 抑制同时改变粗升支与髓质环境

另一组模拟用 80% 的钠-钾-氯共转运蛋白 2(Na-K-2Cl cotransporter 2,NKCC2)抑制表示呋塞米相关作用。NKCC2 位于粗升支,处理后该段钠转运下降约 20%。团队还设定肾髓质浓度梯度减弱,模拟持续抑制后尿液浓缩能力的变化。

近端曲小管未受到相同的直接靶点抑制,较低的髓质渗透梯度却改变了其他部位的水重吸收。两种干预都增加盐水排泄,其作用起点及各段补偿过程不同。

SGLT2 与 NKCC2 抑制下,模型预测的肾小管各段盐和水递送量。

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SGLT2 与 NKCC2 抑制下,模型预测的肾小管各段盐和水递送量。(Anita T. Layton et al. / PLOS Computational Biology, 2019, Fig. 7;CC BY 4.0)

模型解释分段过程,整体反馈仍需扩展

该模型提供了人体内难以逐点直接测量的小管浓度、通量和膜电位预测。其药物比较针对健康成人的稳态条件,糖尿病及肾单位减少等病理情况需要另行修改参数。

研究没有完整纳入肾血管、肾单位之间的相互作用及自动调节,间质组成和滤过也按预设输入。当前结果用于分析转运过程及药理干预的可能机制,已有的人体尿排泄数据主要承担基础结果参照。

来源与延伸阅读

  1. A computational model of epithelial solute and water transport along a human nephron. PLOS Computational Biology. 2019. doi:10.1371/journal.pcbi.1006108 ↗