渗透稳态

2020-09-17 09:00


       在数百万年后,干燥的陆地上爬行的陆栖动物,面临着截然相反的问题,至少在水方面是这样。液体守恒而非液体丢失是主要的关注点。陆地脊椎动物不是丢弃它们现在不必要的压力过滤器,而是重新设计它们的肾脏,将肾脏作为有效的分泌器官,并修改和扩增它们现有的系统以挽救滤液中的宝贵水分。
-RobertF. Pitts
       伟大的生理学家罗伯特·皮茨(Robert F. Pitts)描述了从海洋到陆地的生物进化。海洋动物通过各种机制以便能在高张力的海水(500-1000 mOsm / kg)中存活。鲨鱼的体液是高张的,而从海豚从食品中吸收水分,同时通过复杂的多级网状(译者:葡萄状)的肾脏产生高度浓缩的尿液。然而,对于我们这些陆地人来说,在我们的咖啡店,瓶装水和“健康保湿”理念的世界中,挑战不仅仅是节约用水而且还有水的排出。
        水是人体中最大的成分,约占体重的50%-60%。将细胞隔开的细胞膜和构成血管内成分的血管内皮细胞都是透水的。因此,细胞内空间构成最大的体腔,容纳了约三分之二的体液,体内水平衡的变化主要影响细胞;水过量导致细胞肿胀,缺水导致细胞收缩。每1升水的变化,其中大约666ml影响细胞空间隙,而仅有约110ml是影响血管内的。
       虽然,当细胞外渗透压改变时,细胞具有对细胞体积变化作出反应的先天能力,但机体主要是通过严格调节细胞外渗透压来保护细胞。尽管摄入了大量的饮用水,而且有多种途径可以排出水分,包括呼吸道和胃肠道,皮肤和肾脏,但体内水量仍然非常稳定。在这篇综述中,我们探讨了使我们的身体对各种外部影响作出反应的机制,微调尿液排泄的精确数量以符合身体的直接需要。
维持脑细胞大小
        随着大量的毛细血管通过蛛网膜下腔进入实质,大脑显着血管化。星形胶质细胞,星形神经细胞,包裹着毛细血管,形成“血脑屏障”并控制许多重要的神经功能。虽然以前认为(血脑屏障)是不可渗透的,星形胶质细胞内水通道蛋白 (AQP) 的发现阐明了该屏障是有透水性的(图1)。AQP4位于星形胶质细胞的血管周围和皮下,并控制水流出和流入,以及调节钾的稳态,神经元兴奋性,炎症和神经元信号。通过控制水从脑实质到全身循环的流动,AQP4调节脑的含水量和体积。通过控制水流入,AQP4在低渗性脑水肿引起的信号级联中发挥作用。



                                         图1 血脑屏障

        穿透性毛细血管通过蛛网膜下腔进入实质,并被星形胶质细胞包裹,星形胶质细胞除控制重要的神经功能外,还形成血脑屏障。沿着血管周隙和终足细胞膜的AQP4水通道赋予血脑屏障的透水性。AQP,水通道蛋白; CSF,脑脊液。
       因为细胞内含水量影响细胞内容物和细胞大小的浓度,所以渗透压的变化会扰乱协调细胞功能的复杂信号网络。鉴于脑功能的复杂性,神经元离子组成和大小,即便是微小变化也会对神经元信号的处理和传递产生深远的影响。因此,大脑已经形成了复杂的渗透压调节机制,以抵御血浆渗透压的变化。在渗透性挑战(原文:osmolar challenges)的几分钟内,脑细胞的反应要么是无机渗透物的丢失,要么是积累(或增加),细胞大小就会恢复正常。在低张性的情况下,如图2所示,细胞的快速膨胀激活静止的细胞膜通道,并立刻引起的Cl -,K +和随之而来的水分流失,这一过程被称为调节性的体积减少。在随后的24小时内,细胞进一步丢失有机溶质,例如肌醇,和氨基酸,例如谷氨酰胺,谷氨酸和牛磺酸。随着高渗性诱导的细胞收缩,脑细胞的反应是立即吸收周围的Na +,K +和Cl -,纠正细胞体积的过程称为调节性的体积增加。随着更长时间的暴露,细胞内的有机溶质浓度会升高,以代替高水平的离子。



                                          图2

       细胞通过激活膜载体蛋白和通道调节其细胞体积以应对渗透压的变化。在该图中,正常细胞受高渗(左)或低渗(右)环境的攻击。在高渗应激的情况下,细胞随着水的流出而收缩,然后神经元通过快速集聚Na +,K +和Cl -离子做出反应,之后细胞内产生有机溶质。然后,细胞内溶质含量的增加会促进水的吸收,使得细胞膜的浓度恢复正常,从而恢复细胞大小。低渗诱发的肿胀,激活K +和Cl -通道,以及K.+-Cl -协同转运蛋白,导致溶质和随之而来的水的丢失,从而恢复细胞体积。
       尽管存在这些重要的细胞保护机制,但血浆渗透压的改变可能会有灾难性的后果。低渗透压的典型神经系统症状,包括头痛,恶心,呕吐,如果严重,癫痫发作,通常被认为发生在125 mEq / L(mmol/L)的血清钠,虽然具有广泛的敏感性, 并很大程度上受到渗透变化速度的影响。再轻微的血浆渗透性变化也与神经症状有关,,包括步态不稳定,记忆障碍和认知能力下降。某些人群对血浆渗透压的变化具有高度敏感性。儿童被认为患有低渗性脑病的风险增加,可能是与成人相比,其脑颅内容量相对较大的缘故。相反,由于大脑从60岁开始萎缩,老年人可能因急性低钠血症而患严重并发症的风险较低。除年龄外,性别也被认为是神经系统敏感性的重要决定因素。绝大多数报道的术后低钠血症引起致命性结果的病例发生在女性,包括产后和绝经后妇女。
       与低渗透性引起的脑肿胀不同,大脑在高渗条件下会缩小。当严重高渗状态时,保护性的强烈口渴反射可能消失,取而代之的是嗜睡,意识模糊和肌肉无力。如果足够严重,萎缩的大脑将会被从颅骨中拉开,撕裂丰富的毛细血管丛,并引起蛛网膜下腔出血,脑出血和死亡。成人文献报道的血清钠含量最高为255 mEq / L(mmol/L),这是饮用咸水作为驱魔仪式的一部分所导致的致命性后果。据推测,由于将食盐作为常见的止吐剂使用,无论是意外还是自愿地摄入致命的盐,以及偶然的医源性给药,都有报道。海水淹溺也会引起严重的高钠血症。总之,尽管细胞的自身(调节)机制保护着细胞体积,但细胞仍然存在水平衡被破坏的风险; 因此,预防血浆渗透压的显着变化对于生存而言至关重要。
感知机体浓度的变化:渗透压感受器
        机体监测血浆渗透压的能力是维持水稳态的基础。正如Sharif-Naeini等人所述,已经在阐明“渗透压感受器”的机制方面取得了很大进展。特殊的神经元位于大脑的几个部位,包括(血管脉丛终端器官OVLT)和视上核,以及下丘脑的室旁核,都能够感测血浆渗透压变化,并作出复杂的神经元命令。来自大鼠下丘脑视上核的电生理记录表明,缺水时,细胞去极化的发生率增加,而补充液体后(发生率)降低。最近的研究表明,高渗透压通过激活非选择性钙阳离子通道引起渗透压感受器膜的去极化是与细胞脱水相关的特定细胞内溶质的变化,还是与细胞膜收缩相关的机械效应,谁是准确的刺激,仍然有些未能解决。瞬时受体电位香草酸(TRPV)阳离子通道家族作为一种可能“机械 - 拉伸”受体,有力地支持了渗透压监测是一种机械过程的概念(图3),并且其多态性都与低钠血症有关。OVLT神经元的收缩,无论是因为脱水或负性吸引力,都是通过TRPV1 来刺激细胞而活化的。细胞体积在神经元活化中的重要性,可以解释为什么穿过细胞膜的无效渗透物质,例如尿素和葡萄糖(在胰岛素存在下)不会激活渗透压感受器。渗透性感受器,可能是因为它在协调保水途径中的作用,会减轻调节性体积减少的效应,由此保持高渗性引起的自身收缩,由于持续存在的刺激口渴和加压素释放直至血浆渗透压得到纠正。在接下来的部分中,我们将讨论渗透压感受器如何调节口渴和加压素(同义称为抗利尿激素)的释放。



                                                             图3


        OVLT细胞核和SON的渗透性感受功能分别控制口渴和加压素的释放。为了应对高渗性诱导的细胞收缩,特殊的机械拉伸TRPV阳离子通道被激活,允许正电荷的流入和随后的细胞去极化,激发刺激口渴中枢的动作电位和加压素释放。相反,低渗性细胞肿胀使这些通道失活,导致细胞超极化,抑制口渴和加压素释放。虽然TRPV渠道的确切作用仍在研究中,但它的存在对于这一机制至关重要。OVLT,organum vasculosum laminae terminalis血管脉丛终端器官; SON,视上核; TRPV,瞬时受体电位香草素。
口渴
        口渴的感觉是驱动饮水的复杂的生理体验。神经影像学研究已经明确了口渴的解剖学起源,在第三脑室的前壁,前扣带回,海马旁回,脑岛和小脑中具有高渗性刺激活性。这些大脑区域也与复杂的功能相关联,包括情绪行为和思想,或许这可以解释为什么除了生理基础之外,口渴的感知与社会和行为的关系如此紧密相关。
       高渗性是一种可重复的口渴刺激。对于口渴,传统上认为它的渗透阈值比血管加压素释放阈值高约5 mOsm / kg,也有些人提出类似的调定点。高于口渴阈值,促使血管加压素去滴定尿液的排出,而无需频繁地饮水。随着渗透压的增加,OVLT渗透压感受器通过几个位于中间位置的丘脑核继续刺激岛叶和扣带皮质,刺激增加口渴的感觉。饮水后,口渴的感觉几乎立即熄灭,表明水对舌头和颊膜的直接满足作用以及对液体摄入的认知意识可能是解决口渴的一种方案。此外,最近,发现位于胃肠道和门静脉系统内的外周渗透压感受器,提示了一种直接感知胃水吸收的局部机制。支配肝脏的胸神经节内的TRPV阳性神经元监测局部渗透压的变化,并可刺激多种生理反应,包括调节血压,代谢和水的稳态。这些外周渗透压感受器是否可能导致肝硬化患者常见的渗透压障碍仍然未知。
       除渗透刺激外,还有重要的非渗透性的口渴刺激。出血的血流动力学是可以明显出现这种情况的。在战场上的口渴是周所皆知的,出血的士兵要求喝水。在动物模型中,出血强烈刺激饮水的诉求,饮用盐水比普通水更容易熄灭渴感。当血管紧张素II注射入大脑敏感区,或全身注射成为增加水的摄入量的有力刺激,是因为肾素-血管紧张素轴的激活,为口渴与体液量异常之间的关联提供机械(机制上)的解释。口渴是充血性心脏衰竭常见的主诉,并经常困扰着透析患者,并可能导致低钠血症在这些人群中的很常见。尽管理论上具有吸引力,肾素 - 血管紧张素轴的药理学阻断似乎不会减少口渴。除了液体紊乱之外,精神疾病患者也经常遇到口渴,高达25%的精神分裂症住院患者报告了这种情况。虽然这可能部分归因于精神药物的强迫行为或抗胆碱能副作用,但研究表明,精神疾病患者口渴感觉改变,渗透压阈值较低。
血管加压素
        血管加压素是一种有效的内源肽, 影响多种生物功能,包括水平衡调节、血压调节、血小板功能调节和热调节。它在下丘脑后脑室和视上核的巨细胞体中合成为激素原,并通过与神经垂体的载体蛋白结合,沿着视上垂体束运输到垂体后叶的大细胞神经元的轴突末端。合成和储存大约需要2小时,t 1/2为20-30分钟,通过肝脏和肾脏中的加压素酶代谢。血管加压素作用于V 1,V 2,V 3和催产素型受体。V 1受体位于血管系统,子宫肌层和血小板上。V 3受体主要存在于垂体中。V 2受体沿远端小管和集合管分布。
       对血管加压素释放最敏感的刺激是血浆渗透压的增高。禁食时,正常的加压素浓度为0.5-5 pg / ml,血浆渗透压的微小增加,往往在机体总水量的<2%范围内,刺激渗透压受体以释放血管加压素,血清浓度迅速增加3倍。垂体中存储的加压素,保证可以进行快速有效的水调节。当水被保留,并且血浆渗透压恢复正常时,加压素释放的刺激被消除。
此外,还有非渗透性刺激,包括NE,多巴胺,疼痛,缺氧和酸中毒,最重要的是,循环的血流动力学。心血管塌陷与大量的加压素释放有关,其浓度比正常值高100倍,可能是因为增加收缩压比控制抗利尿作用需要更高的加压素浓度。如此高的浓度会迅速耗尽垂体后叶储存的加压素,并且考虑到加压素产生是需要时间的,血管加压素耗尽被认为是导致休克的生理学机制。体液量的细微变化改变了加压素释放对渗透压的反应能力。出血或输血的狗的早期生理实验表明,循环血容量改变了血浆渗透压和血管加压素之间的关系。对于任何给定的血浆渗透压,出血与较高的血管加压素浓度相关,而输血与较低的血管加压素浓度相关。在这些实验中,出血和输血与左心房压力的变化有关,但与血压无关。
       虽然无数术语,如血管内容量,有效动脉容积或循环量,已被用于描述重要器官的有效灌注的体液成分,这些术语暗示血管腔易于测量,但这在实验室中很难实现,而在床边是不可能的。此外,因为水和钠可自由地通过血管内皮,所以血管内和间质隔室间自由地和动态地连通,进一步限制了单独的,可量化的血管内空间的想法。相反,由于位于心脏中的压力感受器和颈内动脉中的颈动脉和受体是体液量的传感器,我们赞成简单的术语张力性容积。动脉压力感受器,通过颅神经IX和X,与下丘脑相通,可以改变血管加压素的释放。在真正的容量消耗(例如,腹泻或呕吐)或容量超负荷(例如,心力衰竭和肝硬化)的情况下,二者都放大了对加压素的敏感性,使得对于任何给定的血浆渗透压,尿渗透压变得更大。
       总之,渗透感受器受到渗透和非渗透刺激的刺激,以引发口渴和释放血管加压素以维持水平衡。

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