Почки млекопитающих представляют собой пару выделительных органов мочевыделительной системы млекопитающих , [2] являясь функционирующими почками у особей от постнатального до взрослого возраста [3] (т. е. метанефрические почки ). [2] Почки у млекопитающих обычно имеют форму бобов [4] или дольчаты снаружи. [5] Они расположены за брюшиной ( ретроперитонеально ) [6] на задней ( дорсальной ) стенке тела. [7] Типичная почка млекопитающих состоит из почечной капсулы , периферической коры , внутреннего мозгового вещества , одной или нескольких почечных чашечек и почечной лоханки . [7] Хотя чашечки или почечная лоханка могут отсутствовать у некоторых видов . [7] Мозговое вещество состоит из одной или нескольких почечных пирамид, [8] образующих сосочки с их самыми внутренними частями. [9] Обычно моча , вырабатываемая корковым и мозговым веществом, стекает из сосочков в чашечки, а затем в почечную лоханку, из которой моча выводится из почки через мочеточник . [7] [10] Азотсодержащие отходы выводятся почками у млекопитающих в основном в виде мочевины . [11]
Строение почки различается у разных видов. [12] Почки могут быть однодольчатыми (одна доля представлена одной почечной пирамидой) или многодольчатыми, [13] [14] однососочковыми (один или общий сосочек), с несколькими сосочками или многососочковыми, [14] [15] могут быть с гладкой поверхностью или дольчатыми. [1] [13] Многодольчатые почки также могут быть реникулярными , которые встречаются в основном у морских млекопитающих . [16] Однососочковая почка с одной почечной пирамидой является простейшим типом почки у млекопитающих, из которой, как полагают, произошли более структурно сложные почки. [17] [6] [18] Различия в строении почек являются результатом адаптации в ходе эволюции к изменениям массы тела и среды обитания (в частности, засушливости ) между видами. [19] [20] [12]
Корковый и мозговой слой почки содержат нефроны , [21] каждый из которых состоит из клубочка и сложной системы трубочек. [22] Корковый слой содержит клубочки и отвечает за фильтрацию крови . [7] Мозговой слой отвечает за концентрацию мочи [23] и содержит канальцы с короткими и длинными петлями Генле . [24] Петли Генле необходимы для концентрации мочи. [25] Среди позвоночных только млекопитающие и птицы имеют почки, которые могут вырабатывать мочу более концентрированную ( гипертоническую ), чем плазма крови , [7] но только у млекопитающих все нефроны имеют петлю Генле. [26]
Почки млекопитающих являются жизненно важными органами [27] , которые поддерживают водный, электролитный и кислотно-щелочной баланс в организме, выводят азотистые отходы , регулируют артериальное давление и участвуют в формировании костей [28] [29] [30] и регуляции уровня глюкозы . [31] Процессы фильтрации плазмы крови, канальцевой реабсорбции и канальцевой секреции происходят в почках, и образование мочи является результатом этих процессов. [8] Почки вырабатывают гормоны ренин [32] и эритропоэтин [33] и участвуют в превращении витамина D в его активную форму. [34] Млекопитающие являются единственным классом позвоночных, у которых только почки отвечают за поддержание гомеостаза внеклеточной жидкости в организме. [35] Функция почек регулируется автономной нервной системой и гормонами. [36]
Потенциал регенерации в зрелых почках ограничен [37] [38] , поскольку новые нефроны не могут быть сформированы. [39] Но в случаях ограниченного повреждения почечная функция может быть восстановлена с помощью компенсаторных механизмов. [40] Почки могут иметь неинфекционные и инфекционные заболевания; в редких случаях в почках млекопитающих возникают врожденные и наследственные аномалии. [41] Пиелонефрит обычно вызывается бактериальными инфекциями . [42] [43] Некоторые заболевания могут быть видоспецифичными, [44] а паразитарные заболевания почек распространены у некоторых видов. [45] [46] Структурные характеристики почек млекопитающих делают их уязвимыми для ишемических и токсических повреждений. [47] Постоянное повреждение может привести к хроническому заболеванию почек . [48] [49] Старение почек также вызывает в них изменения, и количество функционирующих нефронов уменьшается с возрастом. [50]
У млекопитающих почки обычно имеют форму бобов; [4] эта форма уникальна для млекопитающих ( например, у рыб почки удлиненные). [52] У некоторых видов почки имеют внешне дольчатые почки, как у морских млекопитающих , быков и медведей . [53] [13] Дольчатые почки китообразных и ластоногих имеют удлиненную овальную форму. [54] Вогнутая часть бобовидных почек называется почечными воротами , через которые почечная артерия и нервы входят в почку. Почечная вена , собирающая лимфатические сосуды и мочеточник выходят из почки через почечные ворота. [6] [55]
Почки расположены забрюшинно [6] на задней ( дорсальной ) стенке тела млекопитающих. [7] В организме почка окружена или частично окружена слоем жировой ткани (околопочечной жировой капсулой ), [56] [57] [58] которая отделяет почку от околопочечной фасции . [58]
Наружный слой каждой почки состоит из фиброзной оболочки, называемой почечной капсулой . Периферический слой почки называется корковым веществом, а внутренний слой — мозговым веществом. Мозговое вещество состоит из пирамид (также называемых мальпигиевыми пирамидами), восходящих своим основанием к корковому веществу и образующих вместе с ним почечную долю. [59] Пирамиды отделены друг от друга почечными столбами (столбами Бертена), образованными корковой тканью. [60] Верхушки пирамид заканчиваются почечными сосочками, из которых моча выделяется в чашечки, лоханку , мочеточник и, у большинства видов, непосредственно в мочевой пузырь , [59] [10] после чего она выделяется через уретру . [61]
Паренхима , являясь функциональной частью почек, визуально делится на кору и мозговое вещество. [63] [64] Сама кора похожа на типичные почки менее развитых позвоночных , которые не могут вырабатывать концентрированную мочу, [7] в то время как мозговое вещество является основным местом концентрации мочи. [23] Соотношение коры и мозгового вещества варьируется между видами, у одомашненных животных кора обычно занимает третью или четвертую часть паренхимы, в то время как у пустынных животных она составляет только пятую часть. [13] Увеличенная толщина мозгового вещества почек связана с большей способностью концентрировать мочу у пустынных млекопитающих. [65]
Корковый и мозговой слой основаны на нефронах [66] [22] вместе с обширной сетью кровеносных сосудов и капилляров , а также собирательными трубочками , в которые впадают нефроны, и почечным интерстицием . [67] Нефрон состоит из почечного тельца и почечного канальца. Почечный тельце является фильтрующей кровь частью нефрона и расположен в корковом веществе. Почечный каналец простирается от почечного тельца до мозгового вещества в петле Генле , а затем возвращается обратно в корковое вещество. Наконец, почечный каналец впадает своим дистальным концом в свой собирательный каналец, который является общим для нескольких нефронов. Собирательные трубочки снова спускаются в мозговое вещество и сливаются в более широкие собирательные трубочки, которые проходят через внутреннюю часть мозгового вещества. [68] [69]
На основании расположения почечного тельца в корковом веществе нефроны подразделяются на 3 типа: поверхностные (ближе к почечной капсуле), среднекортикальные (в средней части коркового вещества) и юкстамедуллярные (ближе к мозговому веществу) нефроны. [24] Как правило, они различаются по длине петли Генле. Поверхностные и среднекортикальные нефроны обычно имеют петли Генле, которые короче, чем у юкстамедуллярных нефронов. [70] В зависимости от длины петли Генле нефроны подразделяются на нефроны с длинной петлей и с короткой петлей Генле. [24] Хотя эти две классификации не совпадают. Обычно юкстамедуллярные нефроны имеют длинные петли Генле, но в почках больше нефронов с длинной петлей, чем юкстамедуллярных. [71]
Структурно кора состоит из коркового лабиринта и мозговых лучей . [9] Корковый лабиринт содержит междольковые артерии , сосудистые сети, образованные афферентными и эфферентными артериолами , почечные тельца , проксимальные извитые канальцы , плотное пятно , дистальные извитые канальцы , соединительные канальцы и начальные части собирательных трубочек. [72] Проксимальные извитые канальцы преобладают в корковом лабиринте. [73] Непрерывный слой коры, лежащий над мозговыми лучами, называется cortex corticis. [9] Cortex corticis отличается от остальной части коркового лабиринта тем, что не содержит клубочков. [74] [75] У некоторых млекопитающих (например, у свиньи ) есть нефроны, петли Генле которых не достигают мозгового вещества; Такие нефроны называются корковыми нефронами. [68] [76] Корковые нефроны имеют очень короткий тонкий сегмент петли Генле, и этот сегмент может даже отсутствовать. [76] Мозговые лучи коркового вещества содержат проксимальные прямые канальцы, корковую часть толстого восходящего колена петли Генле и корковую часть собирательных трубочек. [72] Корковое вещество разделено на дольки, каждая из которых представляет собой мозговой луч в сочетании с соединенными с ним нефронами, и междольковые артерии, которые проходят между дольками. [77]
Мозговое вещество у млекопитающих делится на наружную и внутреннюю области. Наружная область состоит из коротких петель Генле и собирательных трубочек, а внутренняя область состоит из длинных петель и собирательных трубочек. [78] Наружная область также подразделяется на наружную [79] (лежащую непосредственно под корой) [80] и внутреннюю полоски. [79] Полоски отличаются тем, что наружная полоска содержит проксимальные прямые канальцы, а внутренняя полоска содержит тонкие нисходящие колена петли Генле (участок нефрона, следующий за проксимальным прямым канальцем). [80]
Способность производить более концентрированную мочу связана с длиной внутреннего мозгового вещества (с его длинными петлями Генле). [81] Большинство видов млекопитающих имеют нефроны как с короткими, так и с длинными петлями Генле, в то время как некоторые виды могут иметь только один тип. Например, у горных бобров есть только нефроны с короткой петлей, и, соответственно, в почках нет внутреннего мозгового вещества, и их способность концентрировать мочу низкая. У собак и кошек , с другой стороны, есть только длиннопетлевые нефроны со средней способностью концентрировать мочу. Соотношение нефронов с короткими петлями Генле к нефронам с длинными петлями также варьируется между видами. [82] Ранее ошибочно считалось, что виды с самой высокой способностью концентрировать мочу имеют только длиннопетлевые нефроны. Но почки видов с высокой способностью концентрировать мочу имеют больше короткопетлевых нефронов, чем длиннопетлевых, поэтому для самой высокой способности концентрировать мочу требуются оба типа нефронов. [83]
Структурно почки различаются у разных млекопитающих. [85] Какой структурный тип будет у конкретного вида, в целом зависит от массы тела животных. [86] У мелких млекопитающих почки однодольчатые с компактной структурой и одним почечным сосочком. [85] [14] У более крупных животных почки многодольчатые, например, у коров. [85] [14] Сама по себе доля эквивалентна простой однососочковой почке, как у крыс или мышей . [73] У коровьих почек также отсутствует почечная лоханка , моча из больших чашечек выводится непосредственно в мочеточник . [87]
Почки могут быть однососочковыми, [14] как у крыс и мышей , [88] с небольшим количеством почечных сосочков, как у паукообразных обезьян , или со многими, как у свиней и людей . [14] Большинство животных имеют один почечный сосочек. [14] У некоторых животных, таких как лошади , кончики почечных пирамид сливаются друг с другом, образуя общий почечный сосочек, называемый почечным гребнем. [15] Такие почки называются гребневыми почками и также считаются однососочковыми почками (увеличенная модификация). [89] [86] [19] Гребневые почки обычно появляются у видов, более крупных, чем кролик (например, у обезьян и верблюдов ). [90] [19]
Почки морских млекопитающих , выдр и медведей являются реникулярными . [16] Реникулярные почки состоят из небольших реникул, [16] каждая из которых по своей структуре сопоставима с простой однососочковой почкой. [9] Почки морских млекопитающих могут иметь сотни [16] или тысячи [49] реникул, каждая со своей собственной корой, мозговым веществом и чашечкой. [16] Например, каждая почка кита состоит из примерно 7000 реникул, которые объединяются в общую коллективную систему. [49] Хотя почки ламантинов на самом деле многодольчатые, потому что их кора непрерывна, а не дискретна. [16]
Размеры почек увеличиваются с массой млекопитающих, а количество нефронов в почках у млекопитающих увеличивается аллометрически . [92] У мышей почки имеют длину около 1 см (0,4 дюйма), весят 400 мг, содержат 16 000 нефронов, тогда как у косатки длина почки превышает 25 см (10 дюймов), масса составляет около 4,5 кг (10 фунтов), количество нефронов порядка 10 000 000. В то же время почки косатки реникулярные, каждая реникуляра весит около 430 мг и имеет длину 1 см (0,4 дюйма), что делает реникуляру косатки похожей на почку мыши не только по структуре, но и по размеру и массе. [93]
По микроанатомическому строению почку можно разделить на несколько основных элементов: интерстиций , почечные тельца , канальцы и сосудистая сеть . [13] Интерстиций — это клетки и внеклеточный матрикс в пространстве между клубочками , сосудами, канальцами и собирательными трубочками . [94] [95] Интерстициальное пространство, окружающее клетки, заполнено интерстициальной жидкостью . [96] Интерстиций между канальцами содержит фибробласты , дендритные клетки , макрофаги и лимфоциты . Кортикальный интерстиций также включает эндотелиальные клетки лимфатических капилляров , [96] которые считаются частью интерстиция из-за отсутствия базальной мембраны . [97] Интерстициальные фибробласты образуют тканевой скелет почки. [98] Через интерстиций проходят кровеносные сосуды , нервы и лимфатические сосуды. [99] Нефрон вместе с собирательным канальцем , в который он впадает, называется мочевыводящим канальцем. Каждый мочевыводящий каналец вместе с питающей его сосудистой сетью встроен в интерстиций. [13]
В почках млекопитающих описано около 18–26 различных типов клеток , причем диапазон сильно варьируется из-за отсутствия консенсуса относительно того, что считается определенным типом клеток, и, вероятно, из-за видовых различий. [100] Почечные тельца состоят из 4 типов клеток: фенестрированного эндотелия , мезангиальных клеток , подоцитов и париетальных эпителиальных клеток капсулы Боумена . [101] Почечные канальцы состоят как минимум из 16 различных типов клеток. [102] Сами канальцы делятся как минимум на 14 сегментов, [102] которые различаются по типам клеток и функциям. [103] Нормальное функционирование почек обеспечивается комплексом эпителиальных , эндотелиальных , интерстициальных и иммунных клеток. [104]
Почки млекопитающих являются органом, имеющим наиболее сложную сосудистую систему крови по сравнению с другими органами. [105] Несмотря на свои небольшие размеры, почки млекопитающих составляют значительную часть минутного объема кровообращения. [106] Считается, что у наземных млекопитающих около пятой части объема крови, проходящей через сердце, проходит через почки. [107] У взрослых мышей , например, минутный объем составляет около 9%–22%. [108]
Кровь поступает в почку через почечную артерию , [55] которая в многодолевой почке разветвляется в области почечной лоханки на крупные междолевые артерии , проходящие через почечные столбы . [10] [109] Междолевые артерии разветвляются у основания пирамиды, давая начало дугообразным артериям , от которых в корковое вещество отходят междольковые артерии. [109] Междолевые артерии снабжают пирамиды и прилегающую корковую ткань обширной сетью кровеносных сосудов. [10] Сама корковая ткань сильно пронизана артериями, тогда как в мозговом веществе артерии отсутствуют. [17] Венозный ток крови идет обратно параллельно артериям. [109] У некоторых видов под капсулой в корковом веществе имеются вены, изолированные от артерий, которые у человека называются звездчатыми венами. Эти вены впадают в междольковые вены. [110] Почечная портальная система отсутствует у млекопитающих, [111] за исключением однопроходных . [112] Млекопитающие являются единственным классом позвоночных (за исключением некоторых видов), у которого нет почечной портальной системы. [113]
Сосудистые клубочки нефронов получают кровь из приносящих артериол , которые берут начало в междольковых артериях с промежуточным образованием преартериол. Каждая приносящая артериола делится на несколько почечных клубочков. Затем эти клубочки объединяются в выносящую артериолу , в которую из нефронов поступает отфильтрованная кровь. В нефронах с длинной петлей Генле выносящие артериолы разветвляются, образуя прямые сосуды, называемые прямыми сосудами , которые спускаются в мозговое вещество. Нисходящие прямые сосуды, восходящие прямые сосуды и петля Генле вместе образуют противоточную систему почки. В приносящей артериоле кровь подается под высоким давлением, что способствует фильтрации, а в выносящей артериоле — под низким давлением, что способствует реабсорбции . [109]
Почка хорошо снабжена лимфатическими сосудами , [114] которые удаляют избыток жидкости с растворенными в ней веществами и макромолекулами из интерстиция , заполняющего пространство между канальцами и кровеносными сосудами. [115] [116] Анатомия лимфатической системы почки схожа у млекопитающих. [117] Лимфатические сосуды в основном следуют по пути кровеносных сосудов. [ 118]
Лимфатическая система почек начинается в корковом веществе с начальными слепо-конечными внутридольковыми лимфатическими капиллярами, проходящими около канальцев и почечных телец , но лимфатические сосуды не заходят внутрь почечных телец. Внутридольковые лимфатические капилляры соединены с дугообразными лимфатическими сосудами. [119] Дугообразные лимфатические сосуды переходят в междолевые лимфатические сосуды, которые проходят около междолевых артерий. [119] [117] Дугообразные и междолевые лимфатические сосуды являются лимфатическими преколлекторами. [97] Наконец, междолевые лимфатические сосуды присоединяются к собирательным гилярным лимфатическим сосудам, покидающим почку через почечные ворота . [119] Лимфатические сосуды обычно отсутствуют в мозговом веществе почек млекопитающих, и предполагается, что роль лимфатических сосудов выполняют прямые сосуды . [120] [121]
У некоторых видов могут быть различия в анатомии лимфатической системы почек. Например, у овец отсутствуют лимфатические сосуды в почечной капсуле , а у кроликов отсутствуют междольковые лимфатические сосуды. [119] Большинство исследований не смогли обнаружить лимфатические сосуды в мозговом веществе почек животных , в частности, они не обнаружены у овец и крыс . Но некоторые исследования обнаружили лимфатические сосуды в мозговом веществе почек свиней и кроликов. [121] В зависимости от вида может быть или не быть связь между лимфатическими сосудами почечной капсулы и внутренней почечной лимфатической системой. [122]
Иннервация почки обеспечивается эфферентными симпатическими нервными волокнами, входящими в почку через почечные ворота , [55] берущими начало в чревном сплетении , [123] и афферентными , выходящими из почки в спинномозговой ганглий . [123] Нет надежных доказательств иннервации почки парасимпатическими нервами , [123] в то время как существующие доказательства являются спорными. [124] Эфферентные симпатические нервные волокна достигают почечной сосудистой сети, почечных канальцев, юкстагломерулярных клеток и стенки почечной лоханки, [125] все части нефрона иннервируются симпатическими нервами. [123] Нервные волокна проходят через соединительную ткань вокруг артерий и артериол . В продолговатом мозге нисходящие прямые сосуды иннервируются до тех пор, пока они содержат гладкомышечные клетки. [126] Большинство афферентных нервных волокон расположены в почечной лоханке. [127] Подавляющее большинство нервов в почках не миелинизированы . [128]
Нормальная физиологическая стимуляция эфферентных симпатических нервов почки участвует в поддержании баланса воды и натрия в организме. Активация эфферентных симпатических нервов почки снижает ее кровоток , и соответственно фильтрацию и выведение натрия с мочой, а также увеличивает скорость секреции ренина . [129] Афферентные нервы в почке также участвуют в поддержании баланса. Механосенсорные нервы почки активируются растяжением ткани почечной лоханки, которое может происходить при увеличении скорости оттока мочи из почки, в результате чего происходит рефлекторное снижение активности эфферентных симпатических нервов. То есть активация афферентных нервов в почке подавляет активность эфферентных нервов. [130]
У млекопитающих азотистые продукты метаболизма выводятся преимущественно в виде мочевины , [11] которая является конечным побочным продуктом метаболизма белков млекопитающих [131] [132] и хорошо растворяется в воде. [133] Большая часть мочевины выводится почками. [131] Фильтрация крови , как и у других позвоночных , происходит в почечных клубочках , где находящаяся под давлением кровь проходит через проницаемый барьер, который отфильтровывает клетки крови и крупные молекулы белка, образуя первичную мочу. Отфильтрованная первичная моча осмотически и ионно такая же, как плазма крови. В канальцах нефрона полезные для организма вещества, растворенные в первичной моче, впоследствии реабсорбируются , поскольку моча концентрируется. [134]
Почки млекопитающих поддерживают почти постоянный уровень осмолярности плазмы . Основным компонентом плазмы крови , определяющим ее осмолярность, является натрий и его анионы . [135] Ключевая роль в поддержании постоянного уровня осмолярности осуществляется путем контроля соотношения натрия и воды в крови. [135] [136] Употребление большого количества воды может разбавлять плазму крови. Чтобы удалить избыток воды, но сохранить соль в крови, почки вырабатывают более разбавленную мочу, чем плазма. Если потребляется слишком мало воды, то моча выделяется более концентрированной, чем плазма крови. [135] Концентрация мочи обеспечивается осмотическим градиентом , который увеличивается от границы между корой и мозговым веществом к вершине пирамиды мозгового вещества. [135]
Помимо почек, в регуляции водного баланса через систему обратной связи участвуют гипоталамус и нейрогипофиз . Осморецепторы гипоталамуса реагируют на повышение осмолярности плазмы крови, в результате чего стимулируется секреция вазопрессина задней долей гипофиза , а также возникает жажда . Почки через рецепторы реагируют на повышение уровня вазопрессина усилением реабсорбции воды. В результате осмолярность плазмы снижается за счет ее разбавления водой. [137]
Изменение скорости выделения воды является важной функцией выживания для млекопитающих, имеющих ограниченный доступ к воде. [135] Петля Генле является наиболее заметной особенностью почки млекопитающих. Эти петли обеспечивают наиболее эффективный способ реабсорбции воды и создания концентрированной мочи, позволяя млекопитающим сохранять воду в своих телах. [138] После прохождения через петлю Генле жидкость становится гипертонической по отношению к плазме крови. [139] Почки млекопитающих объединяют нефроны с короткими и длинными петлями Генле . [140] Способность концентрировать мочу определяется в основном структурой мозгового вещества и длиной петель Генле. [141]
Помимо выделительной, почки выполняют и эндокринную функцию , они вырабатывают определенные гормоны . Юкстагломерулярные клетки почек вырабатывают ренин , который является ключевым регулятором ренин-ангиотензиновой системы , отвечающей за регуляцию артериального давления. [32]
Выработка эритропоэтина почками отвечает за дифференциацию эритроидных прогениторных клеток в костном мозге в эритроциты и индуцируется гипоксией . Таким образом, при недостатке кислорода количество эритроцитов в крови увеличивается, и они отвечают за транспортировку кислорода. [33]
Почки участвуют в метаболизме витамина D. В печени витамин D преобразуется в кальцифедиол (25OHD), тогда как почки преобразуют кальцифедиол в кальцитриол (1,25(OH) 2D ), который является активной формой витамина и по сути является гормоном . Витамин D участвует в формировании костей и хрящей , а также выполняет ряд других функций, например, участвует в функционировании иммунной системы . [34]
Некоторые внутренние органы млекопитающих , включая почки и легкие , предназначены для функционирования в пределах нормальных уровней артериального давления и нормальных уровней объема крови , а само артериальное давление также зависит от изменений уровней объема крови. Поэтому поддержание постоянного объема крови для млекопитающих является очень важной функцией организма. [142] На стабильный уровень объема крови влияют скорость клубочковой фильтрации , функция отдельных частей нефрона, симпатическая нервная система и ренин-ангиотензин-альдостероновая система . [143]
В стенках афферентных артериол у входа в почечные клубочки находятся юкстагломерулярные клетки . Эти клетки чувствительны к изменениям минутного объема кровообращения , а также к составу и объему внеклеточной жидкости , вырабатывая ренин в ответ на изменения их уровня. [144] Попав в кровоток , ренин превращает ангиотензиноген в ангиотензин I. Ангиотензин I далее расщепляется ангиотензинпревращающим ферментом до ангиотензина II, который является мощным вазоконстриктором , повышающим артериальное давление. [144] Помимо ангиотензина II, у млекопитающих могут образовываться и другие биологически активные вещества. Ангиотензин II может расщепляться на ангиотензин III, ангиотензин IV и ангиотензин (1–7). [145]
Поддержание кислотно-щелочного баланса жизненно важно, поскольку изменения уровня pH влияют практически на все биологические процессы в организме. [146] У типичного млекопитающего нормальный средний уровень pH составляет около 7,4. [147] Как и в случае с другими позвоночными , у млекопитающих кислотно-щелочной баланс поддерживается в основном бикарбонатной буферной системой (HCO 3 - /CO 2 ), которая позволяет поддерживать постоянный уровень pH крови и внеклеточной жидкости. [148] Эта буферная система описывается следующим уравнением: [149]
Регулирование кислотно-щелочного баланса через систему бикарбонатного буфера обеспечивается легкими и почками. [148] Легкие регулируют уровень CO2 ( углекислого газа ), в то время как почки регулируют HCO3- и H + ( ионы бикарбоната и водорода ) . [149] Почки играют ключевую роль в поддержании постоянного уровня кислотно-щелочного баланса у млекопитающих. [30] В клубочках HCO3- полностью фильтруется в первичную мочу. [149] Для поддержания постоянного pH почки реабсорбируют почти весь HCO3- из первичной мочи обратно в кровоток и выделяют H + в мочу, окисляя мочу. [150 ]
Реабсорбция HCO 3 - происходит в проксимальном канальце , в восходящем отделе петли Генле и в меньшей степени в дистальном извитом канальце нефрона . Секреция H + осуществляется в основном через Na + /H + обменники в канальцах нефрона. [ 150] Собирательные трубочки участвуют в энергозависимой секреции H + . [151] Когда ионы H + попадают в мочу, они могут соединяться с отфильтрованным HCO 3 - с образованием угольной кислоты H 2 CO 3 , которая преобразуется в CO 2 и H 2 O (воду) люминальной карбоангидразой. Образовавшийся CO 2 диффундирует в клетки канальцев, где он соединяется с H 2 O с помощью цитозольной карбоангидразы и образует HCO 3 - , который затем возвращается в кровоток, а образовавшийся ион H + секретируется в мочу. Некоторые ионы H + секретируются с затратой энергии посредством АТФ -зависимого механизма. [150]
Выделяемая моча имеет слегка кислую реакцию. Выделение H + вместе с мочой происходит также через буферные системы, в частности, NH4 + ( аммоний ) . [152] Только небольшое количество NH4 + фильтруется через клубочки; [152] большая часть выделяемого аммония является результатом окисления ионами H + NH3 ( аммиака ), образующегося в клетках проксимального извитого канальца , который секретируется в просвет канальца либо в виде NH3 , либо в виде NH4 + . [ 153] Образование аммиака сопровождается также образованием нового HCO3- , который пополняет внеклеточную буферную систему. [153] В толстом восходящем канальце петли Генле, наоборот, происходит всасывание NH4 + , что вызывает его накопление в интерстиции. [154] Заключительная стадия окисления мочи происходит в собирательных трубочках, где ионы H + секретируются с участием АТФ, а NH3 транспортируется из интерстиция и секретируется в мочу, где NH3 окисляется H + с образованием NH4 + . [ 151] Регулируя реабсорбцию HCO3- и секрецию H + , почки помогают поддерживать гомеостаз pH крови . [149]
Вместе с печенью [155] почки участвуют в поддержании гомеостаза глюкозы в организме млекопитающих. [31] [156] Процессы фильтрации , реабсорбции и потребления глюкозы , а также выработка глюкозы посредством глюконеогенеза происходят в почках. [31] [156] Потребление глюкозы ( гликолиз ) происходит в основном в мозговом веществе, тогда как глюконеогенез происходит в корковом веществе. Гормонально процесс глюконеогенеза в почках регулируется инсулином и катехоламинами . [31]
Считается, что первые млекопитающие появились в пермский период , который характеризовался холодными ночами в засушливых пустынях и ярко выраженной сезонностью с долгими холодными зимами. Вероятно, что холод и засушливость были значимыми факторами эволюционного давления в то время. Развитие теплокровности у протомлекопитающих могло привести к увеличению интенсивности кровообращения, и, соответственно, к повышению артериального давления , что, в свою очередь, увеличило скорость клубочковой фильтрации почек. Однако увеличение скорости клубочковой фильтрации также привело бы к увеличению скорости удаления воды из организма. [157] У всех млекопитающих есть тонкий сегмент канальца, который является частью петли Генле . Этот сегмент отвечает за концентрацию мочи и реабсорбцию воды. [158] Можно предположить, что развитие механизма реабсорбции воды могло быть частью эволюции теплокровности, а не прямой адаптацией к засушливости. [157]
Способность производить более концентрированную мочу обратно пропорциональна массе тела млекопитающих, то есть, чем меньше масса животного, тем более концентрированную мочу относительно животных с большей массой его почки могли бы производить во время адаптации к засушливой среде. [159] Некоторые пустынные животные развили большую способность концентрировать мочу, чем другие животные. [160] Самую концентрированную мочу среди изученных видов производит австралийская прыгающая мышь Notomys alexis , [159] почки которой имеют более длинные петли Хенли и удлиненный почечный сосочек по сравнению с почками других млекопитающих. [161] Более длинные петли Хенли у австралийской прыгающей мыши позволяют производить очень концентрированную мочу [138] и выживать в условиях дефицита воды. [159]
Одним из ключевых факторов, определяющих форму и морфологию почек у млекопитающих, является их масса. [162] Простейшим типом почки у млекопитающих является однососочковая почка, состоящая из коркового вещества, мозгового вещества и почечной лоханки. [163] Однако однососочковая почка ограничена числом нефронов, при котором она функционирует оптимально. [20] Предполагается, что однососочковая почка была изначальной структурой почки у млекопитающих, из которой развились многодольчатые почки. [19]
Более сложные многодольчатые почки, вероятно, возникли как адаптация к возросшей массе тела млекопитающих и соответствующей потребности в увеличении числа нефронов в почках. [20] Дальнейшим механизмом адаптации является увеличение размеров почечных клубочков у крупных млекопитающих (и, соответственно, увеличение длины канальцев), как у слонов , у которых диаметр клубочка может быть в 2 раза больше, чем у косаток . [93] Появление реникулярных почек , вероятно, стало результатом адаптации как к увеличению массы тела, так и к среде обитания . [19] [20]
Реникулярные почки типичны в основном для морских млекопитающих . Считается, что они являются адаптацией как к большой массе тела, позволяя увеличивать количество нефронов за счет увеличения количества реникулов, так и к диете с большим количеством соленой воды , а также адаптацией к длительному нырянию. [19] Реникулярные почки, вероятно, позволяют увеличивать количество нефронов за счет добавления реникулов без необходимости увеличения длины канальцев по мере увеличения размера органа. [93] Потребление избыточного количества соли у морских млекопитающих приводит к внутриклеточной дегидратации , что приводит к необходимости быстрого удаления избытка соли из организма, что в случае реникулярных почек облегчается увеличением общей площади поверхности между корковым и мозговым веществом. [19] Необходимость нырять в течение длительных периодов времени требует снижения потребления кислорода организмом , [164] в то время как почки являются энергоемким органом, [165] поэтому скорость клубочковой фильтрации снижается во время ныряния. [164] Напротив, скорость клубочковой фильтрации очень высока между погружениями. [19]
У млекопитающих развитие почек в эмбриональный период проходит через три стадии, при этом на каждой стадии развивается разный тип почек: пронефрос , мезонефрос и метанефрос . [166] [167] Все три типа почек развиваются из промежуточной мезодермы последовательно в кранио-каудальном направлении (в направлении от боковой поверхности головы к хвосту тела). [168] [167] Сначала формируется пронефрос, который у млекопитающих считается рудиментарным , то есть он не функционирует. [166] Затем, каудальнее пронефроса, развивается мезонефрос , который является функционирующей почкой эмбриона . [ 166] [167] Впоследствии мезонефрос деградирует у самок, а у самцов участвует в развитии половой системы . Третий этап — формирование метанефроса в каудальной части эмбриона. Метанефрическая почка – это окончательная (постоянная) почка млекопитающих, которая сохраняется у взрослых. [166]
Метанефрос развивается из зачатка мочеточника , который является выростом на каудальной части почечного протока , [170] [171] и метанефрогенной бластемы , которая является частью промежуточной мезодермы, окружающей зачаток мочеточника. [172] [173] Развитие метанефроса начинается с индукции метанефрогенной бластемы зачатком мочеточника. [173] [166] В то время как почка развивается, метанефрогенная бластема и зачаток мочеточника взаимно индуцируют друг друга. [166] Прорастая в мезодерму, зачаток мочеточника разветвляется и трансформируется в древовидную структуру, которая в конечном итоге станет мочеточником , почечной лоханкой , большими и малыми чашечками , почечными сосочками и собирательными трубочками . [174] В то же время на кончиках собирательных трубочек мезодерма дифференцируется в эпителиальные клетки , которые образуют канальцы нефрона [175] (происходят процессы эпителизации и тубулогенеза). [176] Сосудистая система почки также развивается с развитием нефронов, с крупными сосудами, ответвляющимися от дорсальной аорты . [176]
У некоторых млекопитающих органогенез почек заканчивается до рождения, а у других он может продолжаться некоторое время в послеродовой период [177] (например, у грызунов он заканчивается примерно через неделю после рождения). [178] Когда заканчивается образование новых нефронов (нефрогенез), количество нефронов в почке становится окончательным. [177]
После рождения и в постнатальном периоде почки функционально незрелые; функциональное развитие почек у всех млекопитающих отстает от анатомического развития. [179] В постнатальном периоде масса канальцев недостаточно велика, поэтому способность реабсорбировать жидкости снижена по сравнению с почками взрослых млекопитающих. [180] В этот период происходит гипертрофия и гиперплазия канальцев, и почки увеличиваются в размерах. Период, в течение которого формируются полностью функциональные почки, значительно различается между видами млекопитающих. У крыс почки быстро становятся полностью функциональными, тогда как у обезьян это занимает 5 месяцев. [179]
Заболевания или расстройства почек могут быть врожденными , наследственными , неинфекционными и инфекционными . [41] Заболевания различаются между видами млекопитающих. Некоторые заболевания могут быть специфичны только для некоторых видов, в то время как другие могут быть более распространены у одного вида и менее распространены у другого. [44] Например, хроническая прогрессирующая нефропатия распространена у мышей , крыс и голых землекопов , [181] но в то же время нет аналогичного заболевания у людей . [182]
Врожденные аномалии и наследственные заболевания почек среди млекопитающих встречаются редко, но могут оказывать существенное влияние на функцию почек, [183] в некоторых случаях они могут стать причиной смерти в раннем неонатальном периоде. [184] Среди аномалий развития почек выделяют гипоплазию и дисплазию почек (дисплазия может быть односторонней или двусторонней), агенезию (отсутствие) одной или обеих почек, поликистоз почек , простые почечные кисты , околопочечные псевдокисты , удвоенные или утроенные почечные артерии , неправильное положение почек, подковообразная почка и нефробластома . [184]
Неинфекционные заболевания почек включают острое повреждение почек , хроническое заболевание почек , [185] гломерулярные заболевания [186] и тубулярные заболевания ( почечный канальцевый ацидоз , синдром Фанкони и почечная глюкозурия ). [187] У мелких млекопитающих почечные новообразования встречаются редко, но обычно не являются доброкачественными. [188] Почечные новообразования и абсцессы редки у жвачных животных . [189] Обструктивная уропатия (препятствие оттоку мочи из одной или обеих почек) может привести к гидронефрозу с расширением почечной лоханки . [190] Камни в почках также могут образовываться в почках ( нефролитиаз ). [191]
Причиной острого повреждения почек в большинстве случаев является ишемическое или токсическое повреждение. Почки млекопитающих подвержены ишемическому повреждению, поскольку у млекопитающих отсутствует почечно-портальная система , и, как следствие, сосудистая вазоконстрикция в клубочках может привести к снижению кровоснабжения всей почки. Почки подвержены токсическому повреждению, поскольку токсины реабсорбируются в канальцах вместе с большей частью отфильтрованных веществ. [47] Почки способны восстанавливать свою функциональность после острого повреждения, но оно также может прогрессировать в хроническое заболевание почек . Хроническое заболевание почек характеризуется потерей функции почечной ткани, и заболевание обычно прогрессирует. [185]
Инфекции почек у мелких млекопитающих обычно вызываются аэробными бактериями , включая Escherichia coli , стафилококки , энтерококки и стрептококки . [192] Грибковые и паразитарные инфекции почек у мелких млекопитающих встречаются редко. [192] Пиелонефрит обычно вызывается бактериями , которые попадают в почки восходящим путем из нижних отделов мочевыделительной системы , в редких случаях через кровь (нисходящий гематогенный путь ). [42] У жвачных животных пиелонефрит чаще всего вызывают бактерии Corynebacterium renale и Escherichia coli . [43] Млекопитающие, питающиеся рыбой (например, норки и собаки ), могут заразиться гигантским почечным червем Dioctophyme renale . [45] Свиньи могут заразиться червем Stephanurus dentatus , который встречается во всем мире, но чаще встречается в тропиках и субтропиках . [46] [45] Инфекции почек считаются редкими среди морских млекопитающих . [193]
После созревания почки медленно начинают подвергаться процессам старения , которые характеризуются изменениями в анатомии , физиологии , функции и регенеративных возможностях. В течение жизни млекопитающих гломерулосклероз поражает клубочки , базальная мембрана утолщается, канальцы подвергаются атрофическим изменениям, а фиброз почечного интерстиция увеличивается. Количество функционирующих нефронов постепенно уменьшается на протяжении всей жизни. С точки зрения функции снижается скорость клубочковой фильтрации и также снижается способность концентрировать мочу. Сами по себе возрастные изменения могут быть незаметны и не приводить к почечной недостаточности или заболеванию, но являются фактором риска заболеваний почек или мочевыводящих путей. [50]
В отличие от более примитивных позвоночных , таких как рыбы , у млекопитающих нефрогенез заканчивается до или через некоторое время после рождения, [39] что вызвано потерей уплотненной мезенхимы метанефрогенной бластемы . [194] В результате этого у взрослых не могут образовываться новые нефроны, [39] а после травм почки взрослых млекопитающих не могут регенерировать путем образования новых нефронов. [37] Однако почки имеют другие компенсаторные и регенеративные механизмы для восстановления своей функции. [195]
В случае односторонней нефрэктомии нагрузка на оставшуюся почку увеличивается, что приводит к увеличению скорости фильтрации и реабсорбции и изменению самих нефронов. Почечный клубочек может удвоиться или утроиться в диаметре. Эти компенсаторные изменения аналогичны изменениям в нефронах, которые происходят после рождения по мере роста почки. [196] Резекция почечной ткани также не вызывает регенерации почки, [197] однако компенсаторные изменения могут возникнуть и после повреждения почки, если это приводит к значительному уменьшению количества нефронов в почках. [198]
В пределах одного нефрона регенеративные способности различаются между его частями. [199] При острых токсических и ишемических повреждениях канальцы способны регенерировать и восстанавливать функцию нефрона. [196] В частности, проксимальная часть нефрона, через которую всасывается до двух третей первичной мочи , [200] обладает способностью к регенерации. [201] Эта часть нефрона у млекопитающих наиболее подвержена риску ишемического или токсического повреждения. [200] Кроме того, восстановление нефронов происходит в ходе нормальной физиологической активности на протяжении всей жизни за счет слущивания эпителиальных клеток канальцев. [202] Клубочек имеет сложную структуру, и его способность восстанавливаться после травмы ограничена. [203] Мезангиальные и эндотелиальные клетки способны пролиферировать и восстанавливать свою популяцию после травмы. Напротив, подоциты не пролиферируют в нормальных условиях. [204]
Если происходит незначительное повреждение канальцев нефрона, потерянные клетки заменяются новыми, и эпителий регенерируется, восстанавливая свою структуру и функцию. При умеренных и тяжелых повреждениях с большой потерей клеток шансы на регенерацию эпителия канальцев снижаются. [38] В таких случаях повреждение приводит к воспалительным и фиброзным реакциям, а регенеративное восстановление тканей нарушается. [38] Такая реакция типична для острого повреждения почек . [49] Фиброз является второй линией защиты организма, [205] которая должна была уменьшить возможное кровотечение и бороться с возможной инфекцией в ходе эволюции млекопитающих. [49] Почечный фиброз является результатом неудачного заживления почек и связан с почечной дисфункцией, [206] но было высказано предположение, что он может способствовать выживанию неповрежденных и частично поврежденных нефронов. [207] Хроническое повреждение почек характеризуется фиброзом, рубцеванием и потерей функции тканей. [48]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь )Книги
Статья в научных журналах