钠水摄入进入肾滤过重吸收模型,再产生肾小球滤过、血压和血浆钠等输出的原创概念图。
肾系统模型的输入、滤过和重吸收过程与输出概念图;对应本篇稳态和摄入扰动模拟。(J&E Bio 原创)(J&E Bio)

肾过程与全身循环共同构成模型

美国佐治亚大学(University of Georgia)团队发表肾系统生理模型,模拟肾脏功能与全身钠、水和循环变化怎样相互影响。作者将其作为药物研发的基础框架,用于研究候选靶点、解释肾功能或毒性标志物,并分析短期观测与较长时间反应之间的关系。

模型中的肾单位包含肾小球与不同肾小管区段,描述滤过、重吸收和排泄。钠水排泄再影响细胞外液容量、血浆钠浓度、心输出量与平均动脉压;这些全身变化反过来影响肾脏。模型没有完整还原集合管汇合等形态复杂性。

反馈调节与药物靶点直接相关

作者纳入肾素–血管紧张素–醛固酮系统(renin–angiotensin–aldosterone system,RAAS)、血管自调节及激素控制。RAAS 相关药物可单独或联合影响肾脏和血压,因此模型对这一通路保留较详细表示。

肾与循环系统需要在扰动后重新维持稳态。模型用血管加压素对水重吸收的控制维持血浆钠,并以反馈描述心输出量的恢复。压力也会改变肾小管钠重吸收,但具体感知机制仍不完整,作者采用直接关系表示这一作用。

模型参数结合生理范围与扰动反应

参数分为三类:人体生理已有范围的数值、从已知稳态关系计算的数值,以及根据扰动反应估计的未知参数。RAAS 参数既有文献依据,也有为满足肽水平观测范围而确定的值;这些来源决定了模型能够在哪些条件下使用。

对于应回到设定值的变量,作者采用比例–积分控制。比例部分随偏差大小变化,积分部分在偏差持续时不断累积;另一些允许稳态偏离的机制则用饱和响应表示。

钠摄入量增至原来的 2 倍,用于比较反馈参数

模型报告,所比较的肾脏和心血管稳态输出均落在文献所列正常范围内。随后作者将钠摄入量增至原来的 2 倍,比较不同反馈参数:没有积分控制时,血浆钠或心输出量会留下稳态误差;加入积分部分可回到设定值,但增益过大又会产生振荡。

因此,作者选择能让血浆钠偏移小于 1 mmol/L、并无过冲地恢复的参数,心输出量也应在数日内回到稳态。

针对具体药物问题仍需细化相应过程

原模型使用 R 3.1.2 与 RxODE 实现,论文公开代码获取途径。作者强调,这一框架可随研究问题改进:例如研究特定转运抑制剂时,需要细化近端肾小管转运;研究激素通路或心衰相关肾效应时,也需扩展相应部分。

药物改变钠处理、血容量或心输出量时会触发反馈,所以模拟长期治疗反应必须先能合理表现恢复过程。作者在伴随论文另行讨论盐敏感高血压及不同降压治疗反应;本篇报告的是核心模型及其生理质量检查。

来源与延伸阅读

  1. A quantitative systems physiology model of renal function and blood pressure regulation: Model description. CPT: Pharmacometrics & Systems Pharmacology. 2017. doi:10.1002/psp4.12178 ↗