Advanced

Capillary and interstitial transport of fluid and solutes across the peritoneal membrane

Carlsson, Ola LU (1999)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Vid njursvikt finns två huvudsakliga metoder för att rena blodet: bukdialys och bloddialys. Vid bukdialys, peritonealdialys (PD), används bukhinnan som dialysmembran, och sockerhaltig dialysvätska fylls på via en kateter i bukväggen. Under dialysen sker transport av slaggprodukter och överskottsvätska från blodet till bukhålan. Dialysen pågår kontinuerligt under hela dygnet, och dialysvätskan byts via den ovannämnda katetern med fyra till sex timmars intervall dagtid. Vätsketransporten från blodet drivs med hjälp av osmos på grund av en skillnad i sockerkoncentration mellan dialysvätska och blod. Transporten av vätska och lösta ämnen (slaggämnen) mellan blod och bukhåla sker över... (More)
Popular Abstract in Swedish

Vid njursvikt finns två huvudsakliga metoder för att rena blodet: bukdialys och bloddialys. Vid bukdialys, peritonealdialys (PD), används bukhinnan som dialysmembran, och sockerhaltig dialysvätska fylls på via en kateter i bukväggen. Under dialysen sker transport av slaggprodukter och överskottsvätska från blodet till bukhålan. Dialysen pågår kontinuerligt under hela dygnet, och dialysvätskan byts via den ovannämnda katetern med fyra till sex timmars intervall dagtid. Vätsketransporten från blodet drivs med hjälp av osmos på grund av en skillnad i sockerkoncentration mellan dialysvätska och blod. Transporten av vätska och lösta ämnen (slaggämnen) mellan blod och bukhåla sker över kapillärmembranet, interstitiet och mesotelcellslagret, som omger bukhålan.



Kapillärväggen består av ett enkelt lager celler, endotelceller, och mellan dessa finns små öppningar (porer) genom vilka vatten och små molekyler, såsom glukos och urea, kan transporteras. Vidare finns en transportväg genom cellerna som bara kan passeras av vatten, s.k. vattenkanaler. Stora molekyler (äggviteämnen, proteiner) kan transporteras genom ett litet antal s.k. stora porer sannolikt mellan cellerna. Dessa stora porer har inte kunnat påvisas direkt, och det har debatteras, om denna transportväg i själva verket utgöres av transport via vesikler (små blåsor av cellmembranet, som transporteras genom cellen). Utanför kapillärerna finns ett interstitium som består av en lucker vävnad med enstaka utspridda celler. Det som omger cellerna är stora, ”fiberlika” molekyler som bildar ett nätverk och som binder vatten. Närmast bukhålan ligger ett enkelt celllager som kallas mesotel. Mellan dessa celler finns ett stort antal öppningar, vilket gör att mesotelet inte bildar någon egentlig barriär för transporten mellan blod och bukhåla.



Huvudsyftet med denna avhandling är att utröna hur transporten mellan blod och dialysvätska sker och vilka komponenter i bukhinnan som är betydelsefulla i detta sammanhang. Vid transporten mellan blod och dialysvätska passeras kapillärernas membran först. Detta är sannolikt även den viktigaste transportbarriären. Därefter passeras interstitiet och mesotelet. Dessa strukturer består dock av relativt ”öppen” vävnad, vilket innebär att de troligen har en mindre betydelse. Interstitiets betydelse är dock omtvistad, och vissa forskare menar, att vävnaden utanför kapillärväggen spelar en betydande roll som transporthinder vid PD.



I avhandlingens första delarbete demonstrerades ett lyckat försök att blockera en av de tre transportvägarna över kapillärmembranen, nämligen de molekylära vattenkanalerna. Dessa kanaler har en mycket liten radie och kan således av det skälet enbart transportera vatten. Vattenkanalernas existens postulerades redan under sextiotalet, men sedan deras molekylära struktur beskrevs i slutet av åttiotalet/ början av nittiotalet, ökade intresset för dem. Genom att blockera transporten genom vattenkanalerna med hjälp av kvicksilverklorid kunde vi visa deras stora betydelse för osmotisk vattentransport. Vi kunde även visa, genom elektronmikroskopi, att vattenkanalerna verkligen existerar i kapillärväggarnas cellmembran. I delarbete tre visas att omrörning och blandning av dialysvätskan i buken, åstadkommet genom att skaka (vibrera) försöksdjuren, är betydelsefull för utbytet över bukhinnan. Vi kunde även visa att inälvorna, trots sitt stora blodflöde och sin stora yta mot bukhålan, inte har så stor betydelse som väntat vid vanlig PD. Vibration medför dock att kontakten mellan dialysatet och omgivande vävnader ökar, vilket i sin tur ger en snabbare transport över bukhinnan. Anledningen till att inälvornas betydelse är liten under normala dialysförhållanden är, att dessa strukturer är starkt veckade. Därmed blir ”kontakten” mellan dialysvätskan och vävnaderna samt omrörningen i dialysvätskan dålig.



Interstitiet har tidigare tillskrivits stor betydelse för transporten mellan blod och bukhåla. I delarbete fyra undersöktes interstitiets betydelse med hjälp av uppladdning av bukvävnaderna med en liten molekyl (51Cr-EDTA), vars transport borde påverkas markant av interstitiet. När 51Cr-EDTA transporten i dessa försök jämfördes med motsvarande i försök utan föregående uppladdning av vävnaderna, erhölls ingen skillnad. Resultaten tyder på, att interstitiets betydelse som reservoar för små molekyler kan vara mindre än vad som tidigare antagits. Interstitiets betydelse som transportbarriär belystes ytterligare i delarbete fem, där en av de viktiga högmolekylära komponenterna i bukhinnan, hyaluronsyra, bröts ned med hjälp av enzymet hyaluronidas. Hyaluronsyran bildar ett interstitiellt nätverk, som teoretiskt borde ha en viss betydelse för transporten av vatten och små molekyler, ss glukos och urea genom bukhinnan. Trots att närmare 80% av hyaluronsyran eliminerades i vävnaden, kunde ingen förändring av transporten av vare sig små eller stora molekyler eller vatten över bukhinnan detekteras. Detta tyder återigen på att interstitiets betydelse som transporthinder kan ha överestimerats tidigare, och att den viktigaste barriären för transporten mellan blod och bukhåla är kapillärväggen.



Vad som sker med transporten över bukhinnan vid inflammation i bukhålan (peritonit), har stor klinisk betydelse, eftersom peritonit är en mycket vanlig komplikation vid peritonealdialys. Vid inflammation ökar transporten ut ur blodbanan markant, dels beroende på ett ökat blodflöde i de områden som är inflammerade, dels genom att kapillärerna blir mer permeabla (genomsläppliga) för stora molekyler (proteiner) och även för celler. Detta medför att stora mängder vätska transporteras ut i interstitiet, vilket leder till ett ökat tryck i vävnaden. Det förhöjda trycket ökar i sin tur lymfflödet från de flesta vävnader. Detta var dock inte fallet i dessa försök, där lymfflödet, förvånande nog, var något reducerat. Resultaten skulle kunna tyda på, att en del av de stora lymfkärl som dränerar bukhålan via diafragman (mellangärdet) täppts till av vita blodkroppar vid peritonit. Det kan även vara så, att trycket inte ökar i samma utsträckning i bukhålan som i andra vävnader vid inflammation. I andra vävnader har vävnadstrycket större möjlighet att öka vid vätskeutträde till vävnaderna.



Under lång tid har det pågått en debatterats huruvida transkapillär transport av stora molekyler sker via aktiv transport över kapillärmembranen med vesikler, s.k. transcytos, eller om transporten sker passivt genom stora porer. I ett antal studier har passagen av proteiner studerats genom inhibering av den förmodade aktiva transporten. En av de substanser som använts för hämning av vesikeltransport är N-etylmaleimid (NEM). Vi har undersökt hur NEM påverkar transporten av blodäggvita (albumin) i en försöksuppställning, där muskulaturen i råttans bakkropp perfunderats. Modellen medger mätning av ett stort antal fysiologiska parametrar, vilket betyder att cirkulationssystemet kan kontrolleras. Dessa försök visade att NEM orsakar stora förändringar i cirkulationen. Bland annat noterades en ökad, ej minskad, genomsläpplighet i kapillärerna för albumin, kärlsammandragning och en förändring av kapillärtrycket. Försöken indikerar att NEM är direkt olämpligt att använda för studier av vesikelmedierad transport. Tillsammans med tidigare studier, där likartad metodik tillämpats, talar våra data för att vesikulär transport sannolikt har en underordnad betydelse för transporten av albumin mellan blod och vävnad.



Sammanfattningsvis kan sägas, att kunskapen om transporten över bukhålans olika skikt fortfarande är starkt begränsad. Härvarande avhandling pekar emellertid på, att interstitiets betydelse i detta sammanhang troligen har betydligt överdrivits tidigare. Den huvudsakliga barriären för transporten mellan blod och dialysvätska är sålunda troligtvis kapillärväggen, även om vissa effekter av interstitiet inte kan negligeras. Det står nu också helt klart, att vattenkanalerna i kapillärmembranet har en avgörande betydelse för osmotisk vattentransport vid peritonealdialys, vilket var kontroversiellt i början av detta decennium. Vidare sker äggvitetransporten till bukhålan sannolikt passivt via ”stora porer”. Studierna stödjer således den s.k. ”trepors-hypotesen”, som numera ligger till grund för vår uppfattning om passagen av vatten och lösta ämnen mellan blod och bukhåla, och som möjliggör detaljerade beräkningar och förutsägelser av denna transport. (Less)
Abstract
According to the three-pore model of peritoneal transport the major exchange pathway between the blood and the peritoneal cavity is represented by “small pores”, permeable to small solutes and water. Osmotically induced fluid flow, as during peritoneal dialysis (PD), is postulated to occur to a great extent through a water-only pathway, whereas proteins are predicted to reach the peritoneal cavity by unidirectional convection across “large pores”. Using an experimental rat model of PD, we were able to show the existence of aquaporins (AQP1) in mesothelial and endothelial cells and to block these aquaporins using mercuric chloride after gentle pre-fixation of the peritoneum in vivo. Data obtained from isolated perfused rat hindquarters,... (More)
According to the three-pore model of peritoneal transport the major exchange pathway between the blood and the peritoneal cavity is represented by “small pores”, permeable to small solutes and water. Osmotically induced fluid flow, as during peritoneal dialysis (PD), is postulated to occur to a great extent through a water-only pathway, whereas proteins are predicted to reach the peritoneal cavity by unidirectional convection across “large pores”. Using an experimental rat model of PD, we were able to show the existence of aquaporins (AQP1) in mesothelial and endothelial cells and to block these aquaporins using mercuric chloride after gentle pre-fixation of the peritoneum in vivo. Data obtained from isolated perfused rat hindquarters, using N-ethylmaleimide (NEM) as a blocker of transcytosis, did not support a significant role for “non-porous” transport mechanisms in the overall transendothelial passage of proteins. The interstitial space of the peritoneum was investigated using a combination of different techniques. The increased mass-transfer area coefficients to small solutes occurring early during PD dwells are mainly attributed to initial vasodilatation and recruitment of capillaries instead of interstitial solute discharge from the spaces surrounding the peritoneal cavity. Neither interstitial edema, as during peritonitis, or during pre-incubation of the peritoneal cavity using phosphate buffered saline, nor removal of the interstitial hyaluronan seemed to markedly alter overall peritoneal transport. Furthermore, vibration of rats markedly increased the contact between dialysate and the visceral, but not the parietal, peritoneum, indicating that there are “unmixed” conditions during normal PD. In peritonitis lymph flow from the peritoneum was reduced, not increased. In conclusion the present thesis points out the capillary wall as the major transport barrier between the plasma and the peritoneum, while the interstitial compartment seems to be of less importance. The data presented support the presence of a water-only and a large pore pathway in the capillary wall, in agreement with the three-pore model of peritoneal transport. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Professor Reed, Rolf K., Department of Nephrology, University of Bergen, Norway
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
vascular resistance., capillary pressure, aquaporins, Capillary permeability, vesicular transport, Urology, nephrology, Urologi, nefrologi
pages
137 pages
publisher
Department of Nephrology, Lund University
defense location
Segerfalksalen, WNC Lund
defense date
1999-06-10 09:15
external identifiers
  • Other:ISRN: LUMEDW/MENM-1019-SE
ISBN
91-628-3439-8
language
English
LU publication?
yes
id
2f70dfb9-cdc7-466b-96a5-36b13cc29020 (old id 39677)
date added to LUP
2007-06-20 13:21:10
date last changed
2016-09-19 08:45:08
@phdthesis{2f70dfb9-cdc7-466b-96a5-36b13cc29020,
  abstract     = {According to the three-pore model of peritoneal transport the major exchange pathway between the blood and the peritoneal cavity is represented by “small pores”, permeable to small solutes and water. Osmotically induced fluid flow, as during peritoneal dialysis (PD), is postulated to occur to a great extent through a water-only pathway, whereas proteins are predicted to reach the peritoneal cavity by unidirectional convection across “large pores”. Using an experimental rat model of PD, we were able to show the existence of aquaporins (AQP1) in mesothelial and endothelial cells and to block these aquaporins using mercuric chloride after gentle pre-fixation of the peritoneum in vivo. Data obtained from isolated perfused rat hindquarters, using N-ethylmaleimide (NEM) as a blocker of transcytosis, did not support a significant role for “non-porous” transport mechanisms in the overall transendothelial passage of proteins. The interstitial space of the peritoneum was investigated using a combination of different techniques. The increased mass-transfer area coefficients to small solutes occurring early during PD dwells are mainly attributed to initial vasodilatation and recruitment of capillaries instead of interstitial solute discharge from the spaces surrounding the peritoneal cavity. Neither interstitial edema, as during peritonitis, or during pre-incubation of the peritoneal cavity using phosphate buffered saline, nor removal of the interstitial hyaluronan seemed to markedly alter overall peritoneal transport. Furthermore, vibration of rats markedly increased the contact between dialysate and the visceral, but not the parietal, peritoneum, indicating that there are “unmixed” conditions during normal PD. In peritonitis lymph flow from the peritoneum was reduced, not increased. In conclusion the present thesis points out the capillary wall as the major transport barrier between the plasma and the peritoneum, while the interstitial compartment seems to be of less importance. The data presented support the presence of a water-only and a large pore pathway in the capillary wall, in agreement with the three-pore model of peritoneal transport.},
  author       = {Carlsson, Ola},
  isbn         = {91-628-3439-8},
  keyword      = {vascular resistance.,capillary pressure,aquaporins,Capillary permeability,vesicular transport,Urology,nephrology,Urologi,nefrologi},
  language     = {eng},
  pages        = {137},
  publisher    = {Department of Nephrology, Lund University},
  school       = {Lund University},
  title        = {Capillary and interstitial transport of fluid and solutes across the peritoneal membrane},
  year         = {1999},
}