แรงสตาร์ลิงในโกลเมอรูลัส

การกรองของโกลเมอรูลัสขับเคลื่อนด้วยแรงสตาร์ลิง (Starling forces) ซึ่งคือสมดุลของความดันอุทกสถิตและความดันออนโคติกที่ข้ามผ่านผนังหลอดเลือดฝอยโกลเมอรูลัส ความดันการกรองสุทธิ (net ultrafiltration pressure) เมื่อคูณด้วยสัมประสิทธิ์การกรอง (ultrafiltration coefficient) จะเป็นตัวกำหนดว่าพลาสมาถูกกรองเข้าสู่ช่องว่างโบว์แมน (Bowman's space) เร็วแค่ไหน

Definition

แรงสตาร์ลิงในโกลเมอรูลัสคือความดันอุทกสถิตและความดันออนโคติกที่ข้ามผ่านผนังหลอดเลือดฝอยโกลเมอรูลัส ซึ่งประกอบด้วยความดันอุทกสถิตของหลอดเลือดฝอยโกลเมอรูลัส ความดันอุทกสถิตในช่องว่างโบว์แมน และความดันออนโคติกของพลาสมา ซึ่งสมดุลสุทธิของแรงเหล่านี้เมื่อปรับด้วยสัมประสิทธิ์การกรอง จะเป็นตัวกำหนดอัตราการกรองของหน่วยไตเดี่ยว (single-nephron filtration rate)

Scope

บทความนี้จะนำเสนอแรงสตาร์ลิงแต่ละชนิดที่ออกฤทธิ์ที่โกลเมอรูลัส ความดันการกรองสุทธิที่เกิดขึ้น และบทบาทของสัมประสิทธิ์การกรอง นอกจากนี้ยังอธิบายว่าแรงเหล่านี้เปลี่ยนแปลงไปอย่างไรตามความยาวของหลอดเลือดฝอยโกลเมอรูลัส และวัดได้อย่างไร บทความนี้ครอบคลุมหลักฟิสิกส์ของการกรองของโกลเมอรูลัส และจะกล่าวถึงการวัดค่าของไตทั้งหมด เช่น GFR และเศษส่วนการกรอง (filtration fraction) ในบทความแยกต่างหาก

Core questions

• แรงสตาร์ลิงใดบ้างที่ออกฤทธิ์ข้ามหลอดเลือดฝอยโกลเมอรูลัส?
• คำนวณความดันการกรองสุทธิได้อย่างไร?
• เหตุใดความดันออนโคติกของพลาสมาจึงเพิ่มขึ้นตามความยาวของหลอดเลือดฝอยโกลเมอรูลัส?
• สัมประสิทธิ์การกรองคืออะไร และวัดได้อย่างไร?

Key concepts

• ความดันอุทกสถิตของหลอดเลือดฝอยโกลเมอรูลัส
• ความดันอุทกสถิตในช่องว่างโบว์แมน
• ความดันออนโคติกของพลาสมา (โกลเมอรูลัส)
• ความดันการกรองสุทธิ
• สัมประสิทธิ์การกรอง (Kf)
• สมดุลความดันการกรอง

Mechanisms

การกรองผ่านหลอดเลือดฝอยโกลเมอรูลัสเป็นไปตามสมดุลอุทกสถิต-ออนโคติกแบบเดียวกับที่สตาร์ลิงอธิบายไว้สำหรับหลอดเลือดฝอยโดยทั่วไป (starling-1896) แรงขับเคลื่อนออกคือความดันอุทกสถิตของหลอดเลือดฝอยโกลเมอรูลัส ส่วนแรงที่ต้านทานคือความดันอุทกสถิตในช่องว่างโบว์แมน และความดันออนโคติกของโปรตีนในพลาสมา ซึ่ง (เนื่องจากสารกรองแทบไม่มีโปรตีน) จะออกแรงเข้า ความดันการกรองสุทธิคือความดันอุทกสถิตของหลอดเลือดฝอย ลบด้วยผลรวมของความดันอุทกสถิตในช่องว่างโบว์แมนและความดันออนโคติกของพลาสมา เนื่องจากการกรองจะกำจัดของเหลวที่ปราศจากโปรตีนออกไปตลอดความยาวของหลอดเลือดฝอย ความเข้มข้นของโปรตีนในพลาสมาและความดันออนโคติกจึงเพิ่มขึ้น ทำให้ความดันสุทธิลดลงไปทางปลายหลอดเลือดฝอยขาออก ซึ่งเป็นลักษณะที่แสดงให้เห็นโดยตรงจากการวัดความดันของโกลเมอรูลัสด้วยวิธีไมโครพังเจอร์ (micropuncture) (brenner-1971) อัตราการกรองของหน่วยไตเดี่ยวเท่ากับความดันสุทธินี้คูณด้วยสัมประสิทธิ์การกรอง ซึ่งเป็นมาตรวัดการซึมผ่านของน้ำและพื้นที่ของสิ่งกีดขวาง ซึ่งถูกหาปริมาณในการศึกษาชุดเดียวกัน (deen-1973) แรงเหล่านี้ถูกตีความภายใต้กรอบการกวาดล้าง (clearance framework) ของสรีรวิทยาไต (smith-1951)

Clinical relevance

กรอบแนวคิดของแรงสตาร์ลิงอธิบายว่าเหตุใดการเปลี่ยนแปลงของโทนัสของหลอดเลือดแดงฝอย ความดันหลอดเลือดแดง ความเข้มข้นของโปรตีนในพลาสมา หรือความดันในทางเดินปัสสาวะจึงส่งผลต่อการกรอง และเป็นพื้นฐานแนวคิดในการทำความเข้าใจว่าการกรองถูกควบคุมอย่างไร บทความนี้เป็นคำอธิบายอ้างอิงเกี่ยวกับหลักฟิสิกส์พื้นฐาน และไม่ได้ให้เกณฑ์ทางคลินิกหรือคำแนะนำในการรักษา

Evidence & guidelines

กรอบแนวคิดนี้มาจากสูตรดั้งเดิมของสตาร์ลิงเกี่ยวกับสมดุลของของเหลวในหลอดเลือดฝอย (starling-1896) และจากการศึกษาด้วยวิธีไมโครพังเจอร์ที่วัดความดันของโกลเมอรูลัสและสัมประสิทธิ์การกรองโดยตรง (brenner-1971; deen-1973) ซึ่งตีความภายใต้สรีรวิทยาการกวาดล้างแบบคลาสสิก (smith-1951)

History

เออร์เนสต์ สตาร์ลิง อธิบายสมดุลของความดันอุทกสถิตและความดันออนโคติกที่ควบคุมการเคลื่อนที่ของของเหลวข้ามหลอดเลือดฝอยในปี 1896 (starling-1896) การประยุกต์ใช้หลักการนี้กับโกลเมอรูลัสได้ถูกทำให้เป็นเชิงปริมาณในช่วงทศวรรษ 1970 เมื่อการศึกษาด้วยวิธีไมโครพังเจอร์ในโกลเมอรูลัสของหนูได้วัดความดันอุทกสถิตของหลอดเลือดฝอย ความดันออนโคติก และสัมประสิทธิ์การกรอง ซึ่งกำหนดพลวัตของการกรองของโกลเมอรูลัส (brenner-1971; deen-1973)

Debates

โกลเมอรูลัสของหนูทำงานที่สมดุลความดันการกรองหรือไม่?

งานวิจัยไมโครพังเจอร์ในยุคแรกชี้ให้เห็นว่าความดันออนโคติกที่เพิ่มขึ้นสามารถทำให้ความดันการกรองสุทธิหมดไปก่อนถึงปลายหลอดเลือดฝอยโกลเมอรูลัส (สมดุลความดันการกรอง) ว่าสิ่งนี้ใช้ได้กับสัตว์ต่างชนิดและสภาวะที่แตกต่างกันหรือไม่ และข้อจำกัดนี้ส่งผลต่อการประมาณค่าสัมประสิทธิ์การกรองอย่างไร ได้มีการถกเถียงกันในวรรณกรรมไมโครพังเจอร์

Key figures

• Ernest Starling
• Barry M. Brenner
• William M. Deen
• Homer W. Smith

Seminal works

• starling-1896
• brenner-1971
• deen-1973

Frequently asked questions

แรงสตาร์ลิงที่ควบคุมการกรองของโกลเมอรูลัสมีอะไรบ้าง?

ความดันอุทกสถิตของหลอดเลือดฝอยโกลเมอรูลัส (ส่งเสริมการกรอง) ซึ่งถูกต้านทานโดยความดันอุทกสถิตในช่องว่างโบว์แมนและความดันออนโคติกของพลาสมา (ทั้งสองต้านทานการกรอง) สมดุลสุทธิของแรงเหล่านี้คือความดันการกรองสุทธิ

เหตุใดความดันการกรองสุทธิจึงลดลงตามความยาวของหลอดเลือดฝอยโกลเมอรูลัส?

เนื่องจากของเหลวที่ปราศจากโปรตีนถูกกรองออกไป โปรตีนในพลาสมาที่เหลืออยู่จะมีความเข้มข้นมากขึ้น ดังนั้นความดันออนโคติกของพลาสมาจึงเพิ่มขึ้นตามความยาวของหลอดเลือดฝอยและต้านทานการกรองเพิ่มเติมมากขึ้นเรื่อยๆ