生理學｜泌尿生理與酸鹼平衡

(1) 腎臟的主要功能

• 排除廢物：尿素（urea）、肌酸酐（creatinine）、尿酸及藥物代謝物。
• 水與電解質：調節體液量、血漿滲透壓與 Na⁺、K⁺、Ca²⁺ 濃度。
• 酸鹼平衡：分泌 H⁺、再吸收並新生 HCO₃⁻。
• 內分泌：分泌腎素（renin）、紅血球生成素（erythropoietin, EPO），並把維生素 D 活化為 1,25-(OH)₂D₃（calcitriol）。
• 血壓調節：經腎素—血管收縮素—醛固酮系統與鈉、水排出量長期控制血壓。

(2) 尿液生成：過濾、再吸收、分泌

腎元（nephron）處理物質只有三個方向：血漿經腎絲球過濾（filtration）進入鮑氏囊；腎小管把有用物質再吸收（reabsorption）回到血液；再把血液中多餘物質分泌（secretion）到管腔。因此：

(3) 腎血流量

• 兩側腎臟只占體重不到 1%，卻接受心輸出量約 20~25% 的血流，約 1.2 L/min；腎血漿流量約 650 mL/min。
• 血流路徑：入球小動脈（afferent arteriole）→腎絲球微血管→出球小動脈（efferent arteriole）→腎小管周圍微血管；近髓質腎元的出球小動脈另延伸為直血管（vasa recta）。
• 過濾分率（filtration fraction）＝GFR ÷ 腎血漿流量，正常約 20%，即流經腎絲球的血漿約五分之一被濾出。

(1) 過濾屏障與濾液組成

過濾屏障由三層組成：有窗孔的微血管內皮、基底膜、足細胞（podocyte）的過濾裂隙。屏障同時篩選分子大小與電荷：小分子（水、Na⁺、葡萄糖、胺基酸、尿素）自由通過；白蛋白等血漿蛋白質分子大且帶負電，幾乎不被濾出；血球完全不能通過。

• 濾液特徵：除了幾乎不含蛋白質之外，小分子溶質濃度與血漿大致相同，因此濾液與血漿最主要的差別就是蛋白質。
• 異常意義：尿中出現大量蛋白質或紅血球，代表過濾屏障受損（腎絲球腎炎等，見泌尿生殖與乳房病理單元）。

(2) 腎絲球過濾率與決定因素

腎絲球過濾率（glomerular filtration rate, GFR）指單位時間兩腎形成的濾液量。正常成人約 125 mL/min，一天約 180 L；而每日尿量僅約 1~2 L，表示濾出的水 99% 左右被再吸收。

三者相加得到淨過濾壓，正常約 10 mmHg。GFR＝過濾係數 × 淨過濾壓，過濾係數受過濾面積與通透性影響。

(3) 入球與出球小動脈對 GFR 的影響

(4) 自我調節（autoregulation）

平均動脈壓約在 80~180 mmHg 範圍內變動時，腎血流與 GFR 能維持相對穩定，靠兩種機轉：

• 肌原性反應：動脈壓上升牽張入球小動脈平滑肌，使其反射性收縮。
• 管腎絲球回饋：GFR 太高時，流到緻密斑（macula densa）的 NaCl 增加，訊號使同一腎元的入球小動脈收縮、腎素分泌減少；GFR 太低時則相反。

(5) 休克時尿量減少

出血或缺血性休克時，動脈壓低於自我調節範圍，加上強烈交感興奮使入球小動脈收縮，腎絲球靜水壓下降，GFR 隨之下降。此時交感神經 β1 作用與腎灌流壓下降都會刺激腎素分泌增加，血管收縮素 II 與醛固酮、抗利尿激素一起促進鈉與水的保留，因此尿量進一步減少，出現寡尿。

(1) 清除率的定義

腎臟清除率（renal clearance）指每分鐘有多少毫升的血漿被腎臟完全清除某物質：

• 清除率＝GFR：只過濾、不再吸收也不分泌，例如菊糖（inulin）。
• 清除率＜GFR：該物質有淨再吸收，例如葡萄糖、尿素、Na⁺。
• 清除率＞GFR：每分鐘排出量大於過濾量，表示腎小管有淨分泌，例如對胺基馬尿酸、penicillin。

(2) 常見物質的清除率排序

清除率由低到高：葡萄糖＜尿素＜菊糖≒肌酸酐＜PAH。

(3) 葡萄糖的最大運輸速率與糖尿

近曲小管靠鈉—葡萄糖共同運輸蛋白（sodium-glucose cotransporter, SGLT）再吸收葡萄糖，載體數量有限，因此有最大運輸速率（transport maximum, Tm）。

• 正常血糖下，濾出的葡萄糖遠低於 Tm，幾乎 100% 被再吸收，所以尿中無糖；在常考的物質中，葡萄糖的再吸收比例最高（高於 Na⁺ 與水，尿素最低）。
• 血糖高到每分鐘濾出量超過 Tm 時，多出來的葡萄糖無法回收而出現在尿中，即糖尿。開始出現糖尿的血糖值稱腎閾值，約 180~200 mg/dL。
• 尿中葡萄糖會把水一起帶出（滲透性利尿），所以糖尿病控制不良時出現多尿、口渴。

(1) 近曲小管：再吸收的主力

近曲小管（proximal convoluted tubule）有大量微絨毛與粒線體，即使沒有抗利尿激素或醛固酮作用，也能再吸收濾液中約 65% 的 Na⁺ 與水，是再吸收量最多的一段。

• 動力來源：基底側膜的鈉鉀幫浦（Na⁺-K⁺ ATPase）把 Na⁺ 打出細胞，維持細胞內低 Na⁺，頂端膜才能讓 Na⁺ 順濃度梯度進入。
• 共同運輸：與 Na⁺ 同向進入上皮細胞的主要是葡萄糖與胺基酸，屬於次級主動運輸；葡萄糖與胺基酸在此幾乎完全回收。
• 逆向運輸：Na⁺/H⁺ 交換體分泌 H⁺，協助再吸收約 80% 的 HCO₃⁻。
• 等滲再吸收：水經水通道蛋白（aquaporin-1）隨溶質移動，管腔液離開時仍與血漿等滲。
• 分泌：有機酸與有機鹼的分泌部位，例如 PAH、penicillin、尿酸及多數藥物。
• 其他：再吸收大部分 K⁺、Ca²⁺ 與磷酸鹽；副甲狀腺素抑制此處的磷酸鹽再吸收。

(2) 亨利氏管：降支通水、升支不通水

亨利氏管（loop of Henle，考題亦寫作亨式彎管、亨利氏環）約再吸收 25% 的 NaCl 與 15% 的水；粗升支同時以細胞旁路徑再吸收 Ca²⁺ 與 Mg²⁺。furosemide 等環利尿劑即作用於粗升支的共同運輸蛋白。

(3) 遠曲小管（distal convoluted tubule）

• 以 Na⁺-Cl⁻ 共同運輸蛋白再吸收約 5% 的 NaCl，thiazide 類利尿劑作用於此。
• 對水通透性低，管腔液繼續被稀釋。
• Ca²⁺ 再吸收受副甲狀腺素調控（副甲狀腺素增加此處 Ca²⁺ 再吸收），是腎臟精細調整血鈣的部位。

(4) 集尿管：激素做最後調整

(5) 鉀離子的處理

• 濾出的 K⁺ 大部分在近曲小管與亨利氏管被再吸收，這部分變化不大。
• 每天排出多少 K⁺，主要取決於遠曲小管後段與集尿管主細胞的分泌。吃高鉀食物時，血鉀稍升即直接刺激主細胞分泌，並刺激醛固酮分泌，兩者共同增加尿鉀。
• 其他增加鉀分泌的因素：醛固酮增加、遠端流速增加（如使用利尿劑）、鹼中毒；酸中毒時 H⁺ 進入細胞換出 K⁺，常伴隨高血鉀。

(1) 逆流倍增：建立髓質高滲

腎皮質間質約與血漿等滲（約 300 mOsm/kg），越深入髓質滲透度越高，內髓質可達約 1,200 mOsm/kg。這個梯度由亨利氏管的逆流倍增（countercurrent multiplication）建立：上行枝把 NaCl 打到間質卻不讓水跟出，間質變濃；下行枝的水被濃的間質吸出，管腔液變濃後再流到上行枝，循環反覆放大梯度。

(2) 尿素再循環

髓質高滲的兩大溶質是 NaCl 與尿素。抗利尿激素作用時，皮質與外髓質集尿管只讓水通過，尿素在管腔內越來越濃；到了內髓質集尿管，抗利尿激素增加尿素通透性，尿素擴散入間質，提高內髓質滲透度，再幫助亨利氏管下行枝與集尿管把水吸出。因此蛋白質攝取極少、尿素不足時，尿液濃縮能力也會下降。

(3) 逆流交換：直血管

直血管呈髮夾狀與亨利氏管並行，血流緩慢。下行段吸入溶質、失去水，上行段再把溶質還給間質、吸回水，這種逆流交換（countercurrent exchange）讓血液把再吸收的水帶走，卻不把髓質的溶質沖掉。能進行逆流交換的是直血管，不是入球、出球小動脈或腎絲球。

(4) 抗利尿激素

• 來源：抗利尿激素（antidiuretic hormone, ADH）由下視丘視上核與室旁核神經元合成，沿軸突送到腦下腺後葉儲存與釋放；後葉本身不合成激素。
• 分泌刺激：血漿滲透壓上升（下視丘滲透壓受器，最敏感的訊號）、血量或血壓明顯下降、血管收縮素 II、噁心與疼痛；酒精抑制其分泌。
• 腎臟作用：與集尿管主細胞基底側的 V2 受體結合，經 cAMP 使含水通道蛋白-2（aquaporin-2）的小泡插入頂端膜，水再吸收增加，尿量少而濃。
• 血管作用：高濃度時經 V1 受體使血管收縮、血壓上升，所以又名血管加壓素（vasopressin）。

流汗、口渴時，血漿滲透壓上升→抗利尿激素分泌增加→集尿管水通道蛋白增加→水分再吸收增加；大量喝水時則相反，可排出低至約 50 mOsm/kg 的稀釋尿。抗利尿激素缺乏造成尿崩症，詳見內分泌生理單元。

(5) 腎素—血管收縮素—醛固酮系統

1. 腎素由入球小動脈壁的近腎絲球細胞（juxtaglomerular cell）分泌。刺激因素：腎灌流壓下降、腎臟交感神經 β1 興奮、流經緻密斑的 NaCl 減少。
2. 腎素把肝臟製造的血管收縮素原轉成血管收縮素 I，再由主要位於肺臟的血管收縮素轉化酶（angiotensin-converting enzyme, ACE）轉成血管收縮素 II。
3. 血管收縮素 II：全身小動脈收縮、優先收縮出球小動脈、刺激腎上腺皮質分泌醛固酮、刺激抗利尿激素分泌與口渴、增加近曲小管 Na⁺/H⁺ 交換（同時增加 Na⁺ 再吸收與 H⁺ 分泌）。

(6) 醛固酮與心房利鈉胜肽

• 醛固酮：由腎上腺皮質絲球帶分泌，刺激因素為血管收縮素 II 與高血鉀。作用於集尿管主細胞，增加 Na⁺ 再吸收（水隨之保留），同時增加 K⁺ 與 H⁺ 分泌。
• 醛固酮過多：鈉水滯留、高血壓、低血鉀，並造成代謝性鹼中毒。
• 醛固酮不足：低血鈉、高血鉀與代謝性酸中毒（第 4 型腎小管性酸中毒即屬此類）。
• 心房利鈉胜肽：心房利鈉胜肽（atrial natriuretic peptide, ANP）在血量過多、心房被撐開時分泌，增加 GFR、減少 Na⁺ 再吸收，並抑制腎素、醛固酮與抗利尿激素，使排鈉排水增加。

膀胱充滿時，膀胱壁的牽張受器經骨盆神經把訊號送到薦髓（S2~S4）排尿中樞，再由腦幹橋腦排尿中樞協調。排尿基本上是一個脊髓反射，大腦皮質可以加以抑制或促進，因此嬰兒無法自主控制，脊髓高位損傷者會出現反射性尿失禁。

(1) 正常值與基本關係

動脈血 pH 正常約 7.35~7.45，PaCO₂ 約 35~45 mmHg，HCO₃⁻ 約 22~26 mEq/L。依 Henderson–Hasselbalch 方程式，pH 取決於 HCO₃⁻ 與 CO₂ 的比值（正常約 20：1）：HCO₃⁻ 由腎臟調節，CO₂ 由肺臟調節。

(2) 三道防線

重碳酸鹽系統雖然化學上不是最理想的緩衝對，但濃度高，且兩端分別可由肺與腎調整，所以是細胞外液最重要的緩衝系統。

(3) 腎臟如何排酸

• 近曲小管：Na⁺/H⁺ 交換體以次級主動運輸分泌 H⁺，主要用於回收濾出的 HCO₃⁻，本身不增加淨排酸。
• 集尿管：A 型間介細胞以 H⁺ 幫浦（初級主動運輸）分泌 H⁺，可把尿液 pH 降到約 4.5。
• 可滴定酸：分泌的 H⁺ 與磷酸氫根（HPO₄²⁻）結合成 H₂PO₄⁻ 排出。
• 銨：近曲小管代謝麩醯胺酸產生 NH₃，與 H⁺ 結合成 NH₄⁺ 排出；慢性酸中毒時此途徑大幅增加。

每有一個 H⁺ 以磷酸鹽或銨的形式排出，細胞內同時產生一個新的 HCO₃⁻ 回到血漿，因此血漿 HCO₃⁻ 增加、pH 上升。

(4) 四種酸鹼失衡與代償

• 判讀順序：先看 pH 定酸或鹼，再看 PaCO₂ 與 HCO₃⁻ 那一個的變化方向與 pH 相符，即為原發；另一個往同方向移動即為代償。
• 鉀的連動：酸中毒常伴隨高血鉀，鹼中毒常伴隨低血鉀。