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钾平衡的生理学及病理生理学中心课程2019

2020-1-14 编辑:admin 阅读次数:
  导读: 原标题:钾平衡的生理学及病理生理学:核心课程2019 钾平衡的生理学及病理生理学:核心课程2019 保定市第一中心医院东院重症医学科 李倩 李迎 审校 闫文文 重症行者翻译组 介绍 正常钾(K + )动态平衡是指维持血浆K+浓度在很小范围内波动。它是通过调节相...

原标题:钾平衡的生理学及病理生理学:核心课程2019

钾平衡的生理学及病理生理学:核心课程2019

保定市第一中心医院东院重症医学科

李倩 李迎 审校 闫文文

重症行者翻译组

介绍

正常钾(K + )动态平衡是指维持血浆K+浓度在很小范围内波动。它是通过调节相应的K + 摄入量和排出量来实现的,并且保持细胞外液和细胞内液的适当分布。后者是必不可少的,因为约2%的全身K + 存在于细胞外液中,而98%的可交换K + 存在于细胞内。这种差异决定了细胞的静息电位,细胞内相对于细胞外呈负向电位,这就是K + 平衡紊乱导致可兴奋组织出现相关临床表现的原因。这篇综述首先讨论了正常的K + 平衡状态,然后又介绍了治疗血浆K + 浓度紊乱的方法。

正常K + 稳态

K + 细胞内分布

病例1.一名38岁因糖尿病患有终末期肾病的女性,被送往手术室行直肠周围脓肿切开引流术。目前应用的药物包括美托洛尔50毫克每日两次和胰岛素。术前实验室检查显示以下结果:Na + 138 mEq/L; K + 4.9 mEq/L; Cl− 103 mEq/L;HCO3− 21 mEq/L; Cr 9.4 mg/dL; BUN 65 mg/dL。她在入院前一天进行了最后一次透析。术中她出现了低血压,静脉注射去氧肾上腺素来稳定血压。在复苏室里,她出现了严重虚弱,拔管困难,有必要注意一下的是,血浆K + 浓度为 6.4 mEq/L.

问题1:以下哪一项是对急性高钾血症发生的最佳解释?

a)醛固酮减少症

b)代谢性酸中毒

c)β-肾上腺素刺激

d)α-肾上腺素刺激

e)假性高钾血症

有关问题的答案,请参阅以下文字。

肾脏对维持全身K + 含量起着及其重要的作用。一个70kg的成年人体内平均含有 3,000 -4,000 mEq K + 。在所有的身体储备中,只有60到80 mEq存在于细胞外液中,维持正常范围3.5到5.3mEq/L的浓度。超出此范围较大时是危险的。K + 的瞬时增加可能对细胞电压产生不利影响。为了最大程度减少这种影响,机体已经形成了多种调节机制,可以将K + 转移至细胞内以待排泄。这种调节需要几个小时。

餐后胰岛素的释放,不但可以调节血糖浓度,而且还能将膳食中的 K + 在被肾脏排泄前转移到细胞内。与特定细胞表面受体结合之后,胰岛素导致GLUT4(葡萄糖转运蛋白4)的介入,促进胰岛素反应组织中的葡萄糖摄取,并通过增加腺苷三磷酸酶钠/钾泵(NA + /K + -ATP酶)的活性刺激K + 的摄取。在代谢综合征或慢性肾病(CKD)中,胰岛素介导的葡萄糖摄取受损,但细胞 K + 摄取正常,表明胰岛素介导的葡萄糖和K + 摄取之间的差异调节。

儿茶酚胺在调节K + 的分布中发挥了重要的生理作用。间质K + 浓度的增加引起血管舒张,导致运动肌肉的血流增加。儿茶酚胺通过β2受体增加Na + / K + -ATP酶活性发挥作用,限制细胞外K + 浓度的增加。在全身K + 缺乏的状态下,细胞间质的K + 减少,从而减少了骨骼肌的血流量,导致低钾血症合并横纹肌溶解症的发生。

血浆张力和酸碱紊乱也会影响体内k+平衡。细胞外的有效渗透压(如葡萄糖、甘露醇和蔗糖)产生渗透梯度,有利于水从细胞内移动到细胞外。细胞体积的减少使细胞内K + 浓缩,有利于通过k + 渗透通道的外排。相对于有机酸酸中毒(高阴离子间隙的代谢性酸中毒),更严重的是矿物质性酸中毒(高氯血症/阴离子间隙正常的代谢性酸中毒),它会引起k + 的跨细胞移动。酸血症导致细胞K + 流失,而不是因为钾离子(k + )/氢离子(H + )泵直接交换,相反的,可能是通过由酸中毒对转运蛋白触发的偶联完成的,这种存在于骨骼肌中的转运蛋白可以调节细胞pH(图1)。呼吸性酸碱平衡紊乱对K + 分布变化的影响往往很小。

回到病例1,正确答案是α-肾上腺素能刺激。交感神经系统在调控血浆K + 浓度中发挥着及其重要的作用。K + 摄入增加导致儿茶酚胺分泌增加,并通过β2-肾上腺素能受体,刺激并增强骨骼肌对K + 的摄取。阻断β-肾上腺素能受体会降低机体处理K+负荷的能力,α-肾上腺素能受体激动将K + 转移到细胞外,但在基础条件下这种影响可以忽略不计。在该患者中,由于β-肾上腺素能受体阻断(美托洛尔)的情况下,药物(苯肾上腺素)刺激α-肾上腺素能受体,术中组织损伤引起的内源性K + 负荷导致高钾血症。

肾脏对K + 的代谢

K + 由肾小球自由滤过,在近曲小管中(通过细胞旁通路与Na + 和水大致成比例)以及Henle的升支几乎被完全重吸收(跨细胞膜的K+转运由细胞膜上的钠/钾/氯 [Na + /K + /2Cl - ]协同转运蛋白介导)。肾对K + 的重吸收在很大程度上独立于K + 的摄取。

维持尿钾排泄的因素来自于对醛固酮敏感的远端分泌肾单位(ASDN),包括远曲小管(DCT2),连接小管,和集合管。小管K + 分泌由2种类型的顶端K + 通道介导,并受管腔负向的跨上皮电压驱动。电压主要由Na + 重吸收产生,并通过上皮Na + 通道(ENaC)定位于顶膜。醛固酮通过盐皮质激素受体刺激ENaC活性,增加了通道数量和通道处于开放状态的时间比例。K + 分泌通过主细胞内的K + 通道(ROMK,又称Kir1.1),在主细胞和间质细胞内通过BK通道分泌。后者主要是通过增加血流速来激活,说明K + 排泄的流量依赖性(图2)。K + 代谢的分泌成分根据生理有必要进行调整。

K + 排泄的主要决定因素与ASDN调节K + 分泌的因素相对应,包括小管内Na + 转运和流速、血浆K + 浓度、循环醛固酮及精氨酸加压素水平和酸碱状态。摄入高钾饮食后肾脏K + 排泄量的增加可归因于Na + 转运量和到ASDN的流量的增加。最近的数据表明,这种效应开始于DCT(DCT1)的初始部分,在该部分,盐的转运仅由噻嗪敏感型Na + /Cl − 协同转运蛋白(NCC)驱动。位于DCT1基底外侧表面的Kir4.1/5.1检测到血浆K + 浓度升高,引起WNK激酶家族及其调节蛋白SPAK 和 OxSR1活性的改变,导致NCC活性降低(图2)。因此,有更多的Na+转运并流向位于DCT(DCT2)和集合管后的醛固酮敏感性K + 分泌区段,导致更多的K + 分泌。长期高钾摄入后,由于髓质循环和间质中K + 的堆积,血浆K + 浓度对DCT1细胞的影响因升支和近端小管中Na + 重吸收减少而增强。与高钾摄入相比,低钾摄入和血浆K + 浓度降低导致DCT1中NCC活性增加。这种变化通过减少Na + 的转运和流向ASDN来限制K + 的分泌。

饮食中K + 的缺乏,K + 分泌减少,同时Na + 潴留的增加,与盐敏感性高血压的发病机制相关。当K + 缺乏时,肾脏已经逐渐形成了对K + 和Na + 的保护作用,可能是由于早期人类的饮食中可能同时存在K + 和Na + 的缺乏。然而,这种影响可能是有害的,在我们目前的环境中,通常饮食中Na + 摄入量高,K + 摄入量低。同样地,NCC活性降低和尿钠排泄可能可以解释高钾饮食对血压的降低作用。这种效应在高盐摄入者和黑人占主导地位的试验中更为明显。

当饮食摄入量高时,正常肾脏维持K + 稳态的能力可能已经进化到处理旧石器时代人类饮食K + 摄取量的近4倍。导致这种强大效应的原因是内脏感应机制的存在,这种机制可以在K + 进入胃肠道时就启动利尿效应。K + 的胃内给药导致DCT1中NCC的去磷酸化作用和活性降低。内脏感知K + 触发肾脏排泄反应,这种效应不依赖于血浆K + 浓度或盐皮质激素活性的改变(图3)。高钾饮食对健康有益。一个最重要的假设是,人体代谢能力与现代人类的摄入能力不匹配,这会导致一些慢性疾病的病理生理学变化,诸如肥胖、高血压、糖尿病、肾脏疾病、骨病等。

醛固酮可以向肾脏发出信号,刺激没有K + 分泌的盐潴留(在容量极度缺乏的情况下),刺激没有盐潴留的K + 分泌(在高钾血症中),这种模式被称为“醛固酮悖论”。尿量和远端Na + 转运与循环醛固酮水平之间的相互关系(下一步讨论)至少可以部分解释这一矛盾。此外,与高钾血症不同,血容量不足导致血管紧张素II和醛固酮水平升高(图4)。血管紧张素II刺激近端Na + 重吸收,对DCT1中的NCC有刺激作用。此外,血管紧张素II对ASDN中的ROMK有抑制作用。近端和远端肾单位的这些效应允许同时保留Na + 而不消耗K + 。此外,醛固酮还具有激活沿连接小管和集合管嵌入细胞的转运能力,从而调节K + 的分泌。嵌入细胞中的盐皮质激素受体在其配体结合部位被磷酸化,使其活性降低。因此,醛固酮主要刺激主细胞,导致电位相关的NA + 重吸收和K + 分泌。在血容量不足的情况下,血管紧张素II使嵌入细胞中的盐皮质激素受体去磷酸化,允许醛固酮激活嵌入细胞中的质子泵(H + -ATP酶和H + /K + -ATP酶)和Cl − /HCO3 - 交换器(Pendrin)。这为电中性的 NaCl 的吸收提供了途径,同时防止K + 过度分泌。

K+ 稳态的细微差别

K + 分泌昼夜节律

肾脏对K + 的代谢呈现出昼夜节律。其特征是夜间和清晨排泄较少,然后在下午增加,其部分原因与摄入含K + 食物的时间相关。这种排泄模式与编码K + 分泌相关的蛋白转录物的昼夜节律一致。此外,糖皮质激素合成和分泌的昼夜节律,似乎也与睡眠/清醒周期及血浆醛固酮水平的变化一致。

K + 稳态中的性别差异

在孕期和哺乳期等特殊生理状态下,女性对盐潴留的需求,引起了研究者对肾脏转运特性性别差异的研究。在女性机体中,由于雌激素和催乳素的作用,更多的NCC蛋白存在于远端肾单位。有研究分析了肾单位的多种的转运蛋白,结果表明蛋白活性的增加是对近端肾单位盐重吸收减少的代偿反应。协同转运蛋白活性的增加将有助于限制Na + 向ASDN的转运并防止K + 流失。研究表明雌性大鼠的血浆K+浓度设定点低于雌性大鼠。因为给予高K+膳食会导致尿Na + 和K + 排泄明显增加,这与协同转运蛋白磷酸化降低相关。K + 代谢中的这些性别差异可能有助于预防妊娠期高钾血症,这个时期食物摄入量显著增加,可以为发育中的胎儿提供营养支持

低钾血症

低钾血症在临床上很常见,通常定义为K + 浓度<3.5 mEq/L(<3.5 mmol/L)。短暂性低钾血症通常是由于细胞内外转移,而摄入不足,则会导致持续性的低钾血症,或者,更常见的原因是,由于K + 丢失过多。在大多数情况下,能够最终靠了解临床表现、容量状态、是不是真的存在酸碱紊乱以及尿电解质水平来确定病因。

尿钾排泄量的评估有助于区分肾脏是否是导致低钾血症的原因, 并且可以对其他病因有适当的提示。24小时尿液测定是对肾脏K + 代谢最准确的评估方法。低于25-30mEq/d的数值是K + 消耗的正常范围,而较高的数值则表明某个病因导致肾脏对K + 的异常消耗。通过获得尿K + 浓度,可以更直接地进行评估:5至15 mEq/L与肾外低钾血症原因相关,而>40 mEq/L则与肾脏本身疾病有关。然而,尿液浓度的变化对尿K + 浓度有影响。尿K + 浓度为40 mEq/L可以反映低钾血症患者因饮水量减少而出现高度浓缩尿。如果发生在有效血容量减少的情况下,血容量减少刺激醛固酮的产生,由于Na + 减少并向远端肾单位输送水分,尿液中K + 的绝对值将保持相对较低的水平。另一个例子是,如果在水利尿的情况下,尿K + 浓度小于15 mEq/L,那么它可能提示肾脏消耗了K + 。对治疗的反应也可以提示低钾血症的原因。一般来说,给予补充K + 治疗后(前提是潜在的干扰已经减少),非肾脏疾病更容易纠正。尿中K + 的持续丢失使低钾血症的纠正更为困难。

有人认为,经肾K + 梯度(TTKG)的机制能够尽可能的防止在评估低钾血症病人时,尿液K+浓度显示出的局限性。这个公式提供了在管状液体与血浆等渗时,皮质集合管管腔中K + 与毛细血管中K + 比值的估计。对于低钾血症患者,比值<3表明肾脏对疾病的反应,而比值>7则意味着肾脏K + 的消耗。该计算要求尿液中的Na + 浓度至少为25 mEq/L,尿渗透压至少等于血浆渗透压。尽管近年来TTKG的临床应用已经不再推崇,但对于管道的K + 调节而言是个有用的构想。

因为尿素和Na + 在下游肾髓质被重新吸收,一些人质疑这一公式的实用性,因为它假定了集合管的远端渗透压吸收可以忽略不计。相反,尿钾肌酐比值可用于评估肾脏对K + 的代谢。由于尿液中肌酐的排泄率接近恒定,这一比率可以校正尿液浓度的变化。K + 肌酐比值<13 mEq/g(有报道另一个阈值为尿液<2.5 mEq/mmol)表明胃肠道K + 丢失、远程使用利尿剂、饮食摄入减少和K + 向细胞内转移。较高的比率意味着肾脏出现不恰当的反映(对激素、药物等)(图5)。

减少K + 摄入

正常肾脏在饮食中Na + 缺乏的情况下,几乎可以排出不含Na + 的尿液。但是,对于无钾饮食,大约15 mEq/d的 K + 仍继续被肾脏排出。因此,单独限制K + 的饮食可能会跟着时间的推移导致低钾血症。更常见的是,饮食中的K + 限制会加重其他原因引起的低钾血症。在极度缺钾的饮食中(如神经性厌食症、暴饮暴食、酗酒和肠道吸收不良),常见的相应镁(Mg 2+ )缺乏,使K+代谢紊乱变得更严重。在一般的情况下,细胞内的Mg 2+ 通过远端肾单位的ROMK通道抑制K + 的分泌,细胞去极化对它产生很大的影响,而这种去极化是醛固酮通过ENaC刺激Na + 重吸收引起的。细胞内Mg 2+ 浓度低导致肾脏K + 排泄持续增加,如果Mg 2+ 缺乏不能改善,低钾血症就会难以纠正。如后文所述,当远端Na + 转运量和醛固酮水平增加时,促尿钾排泄效应就会增强。

细胞分布

如前所述,体内K + 分布有重要的生理调节因子。如餐后释放胰岛素,将膳食中的K + 转移到细胞内,并释放儿茶·

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