Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)
Other Title (Parallel Title in Other Language of ETD)
ผลของการเปลี่ยนแปลงทางสรีรวิทยาและการไหลเวียนโลหิตที่มีต่อการกรองผ่านโกลเมอร์รูลัสโดยศึกษาผ่านแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายด้วยทฤษฎีการขนส่งผ่านสิ่งกีดขวาง
Year (A.D.)
2020
Document Type
Thesis
First Advisor
Panadda Dechadilok
Second Advisor
Pisut Katavetin
Faculty/College
Faculty of Science (คณะวิทยาศาสตร์)
Department (if any)
Department of Physics (ภาควิชาฟิสิกส์)
Degree Name
Doctor of Philosophy
Degree Level
Doctoral Degree
Degree Discipline
Physics
DOI
10.58837/CHULA.THE.2020.1453
Abstract
In nephrology, before formed into the primary urine in the Bowman’s Capsule, the excess fluid and wastes in our blood have to be first filtrated by the wall of glomerular capillary. Its wall consists of two parts such as three-layer surface and four-layer surface. The mutual components of both three-layer and four-layer surfaces are the endothelial fenestrae, the glomerular basement membrane (GBM) and the epithelial slit. The additional layer of the four-layer surface is the glomerular mesangium between the endothelial fenestrae and the GBM. Nephrotic syndromes cause the abnormality in the complex nanostructure of the glomerular capillary. How the alternation of physiological and hemodynamic quantities affects size-based selectivity of glomerular filtration and how the surface with glomerular mesangium contributes to size-based selectivity of glomerular filtration are still questioned. This dissertation aims to analyze the influences of physiological and hemodynamic variations regarding nephropathy and the relative role between three-layer surface and four-layer surface on the transport of fluid and solutes in the glomerular capillaries through the numerical computation and mathematical simulation. There are two different mathematical models combined with the principle of hydrodynamics for low-Reynolds-number flow and hindered transport theory in order to complete the dissertation purposes. One is the model viewing glomerular capillaries as a network of long parallel cylindrical tubes with three-layer barriers. GBM is assumed to be a fibrous medium with two main types of fibers: those of type IV collagens and glycosaminoglycans (GAGs). A row of parallel cylinders with non-uniform spacing obeying a lognormal distribution based on recent observation from electron microscopy is employed to represent the filtration slit of epithelial cell layer. The fenestrae of endothelium are viewed as the cylindrical channels filled with the fibers whose size is similar to that of GAGs. The other model is a structural unit composed of both three-layer and four-layer surface. Like the GBM and the endothelial fenestrae, the glomerular mesangium is assumed to be a fibrous medium, but the number of types of filled fibers is not obvious. The calculated sieving coefficients of particles from these two mathematical models agree well with ficoll sieving coefficients of ficolls obtained from in-vivo urinalysis in both humans and rats who are normal and with diabetic nephropathy for most solute radii which are less than 5.0 nm. Those solute radii can be equivalent to some biomarkers such as myoglobin and albumin. Results show that the varied number of GAG in the fenestrae of endothelium plays an important role on glomerular size-based selectivity whereas the change of GBM thickness scarcely contributes to the solute filtration. In contrast, the alternation of hemodynamic parameters causes the slight change in sieving coefficient of solutes. Furthermore, the increase in solute whose size is more than 5 nm, like Immunoglobulin G(IgG) and Immunoglobulin A(IgA), is found to reinforce the impacts of physiological and hemodynamic variations on size-based selectivity of glomerular filtration. However, these two possible mathematical models cannot describe the transport of large solutes; it means that there are other factors affecting the large particle restriction such as the periodically opening shunts at the boundary between two surface areas due to hypertension. This can be good choice for future plan of our research work.
Other Abstract (Other language abstract of ETD)
ในทางวักกะวิทยา ของเสียและของเหลวส่วนเกินที่อยู่ในเลือดของเราจะถูกกรองโดยผนังหลอดเลือดฝอยภายในโกลเมอรูลัสก่อนจะไหลไปรวมกันเป็นปัสสาวะปฐมภูมิภายในพื้นที่ว่างของโบว์แมนแคปซูล งานวิจัยหลายชิ้นรายงานว่าผนังของหลอดเลือดฝอยสามารถแบ่งออกได้เป็นสองส่วน ได้แก่ พื้นผิวที่ประกอบด้วยเนื้อเยื่อ 3 ชั้นและพื้นที่ผิวที่ประกอบด้วยเนื้อเยื่อ 4 ชั้น ชั้นเนื้อเยื่อที่พื้นผิวทั้งสองส่วนมีเหมือนกัน ได้แก่ ชั้นเอนโดทีเลียม ชั้นโกลเมอรูลาร์เบสเมนต์เมมเบรนและชั้นอีพิทีเลียม ส่วนชั้นเนื้อเยื่อที่มีเพิ่มเติมมาในส่วนพื้นผิวประกอบด้วยเนื้อเยื่อ 4 ชั้นคือชั้นมีแซงเจียมซึ่งแทรกตัวอยู่ระหว่างชั้นเอนโดทีเลียมและชั้นโกลเมอรูลาร์เบสเมนต์เมมเบรน รวมไปถึงมีงานหลายวิจัยหลายชิ้นชี้ให้เห็นว่าโรคที่เกี่ยวกับไตจะส่งผลให้เกิดความผิดปกติในโครงสร้างที่ซับซ้อนของหลอดเลือดฝอยภายในโกลเมอรูลัส จึงเกิดคำถามว่าการเปลี่ยนแปลงทางสรีรวิทยา รวมไปถึงการเปลี่ยนแปลงทางการไหลเวียนโลหิตอันเนื่องมาจากความผิดปกติเหล่านั้นจะส่งผลต่อการกรองแบบคัดกรองด้วยขนาดของตัวถูกละลายผ่านโกลเมอรูลัสอย่างไร และบทบาทของพื้นผิวที่มีชั้นมีแซงเจียมอยู่ที่มีต่อการกรองแบบคัดกรองด้วยขนาดของตัวถูกละลายผ่านโกลเมอรูลัสมีมากน้อยแค่ไหน งานวิทยานิพนธ์นี้มีวัตถุประสงค์คือการพัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่อศึกษาผลของการเปลี่ยนแปลงทางสรีรวิทยาและโลหิตวิทยาที่มาจากความผิดปกติในไต รวมไปถึงเปรียบเทียบระหว่างบทบาทของพื้นผิวที่ประกอบด้วยเนื้อเยื่อ 3 ชั้นและบทบาทของพื้นที่ผิวที่ประกอบด้วยเนื้อเยื่อ 4 ชั้นที่มีต่อการกรองตัวถูกละลายและของไหลผ่านกลุ่มหลอดเลือดฝอยในโกลเมอรูลัสผ่านการคำนวณเชิงตัวเลขและการจำลองทางคณิตศาสตร์ ในงานนี้ เราได้ทำการวิจัยผ่านแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่แตกต่างกัน 2 แบบโดยนำหลักการทางอุทกพลศาสตร์สำหรับการไหลที่มีค่าตัวเลขเรย์โนลด์น้อย ๆ และทฤษฎีการขนส่งผ่านสิ่งกีดขวางมาใช้ในการจำลองและการคำนวณ แบบจำลองแบบแรกคือแบบจำลองที่สมมติให้กลุ่มของหลอดเลือดฝอยภายในโกลเมอรูลัสเป็นเครือข่ายของท่อทรงกระบอกยาวที่มีผนังประกอบเนื้อเยื่อซ้อนกัน 3 ชั้น ได้แก่ ชั้นโกลเมอรูลาร์ เบสเมนต์เมมเบรน ที่ถูกจำลองให้เป็นตัวกลางที่มีเส้นใยภายในอยู่สองชนิด คือ คอลลาเจนประเภทที่ 4 และไกลโคอะมิโนไกลแคน ชั้นอีพิทีเลียมซึ่งสลิตสำหรับการกรองมีลักษณะเป็นแถวของทรงกระบอกหลายอันวางตัวขนานกันโดยขนาดของช่องว่างระหว่างทรงกระบอกแต่ละช่องมีค่าไม่คงที่และเป็นไปตามการกระจายแบบล็อกปกติจากการศึกษาล่าสุดผ่านภาพที่ได้จากกล้องจุลทรรศน์อิเลกตรอน และชั้นเอนโดทีเลียมที่ช่องว่างถูกจำลองให้เป็นช่องที่มีรูปร่างคล้ายทรงกระบอก โดยภายในช่องดังกล่าวมีเส้นใยที่มีขนาดใกล้เคียงกับไกลโคอะมิโนไกลแคน แบบจำลองอีกแบบหนึ่งคือแบบจำลองเชิงโครงสร้างแบบหนึ่งหน่วยที่มีทั้งพื้นผิวที่ประกอบด้วยเนื้อเยื่อ 3 ชั้นและพื้นที่ผิวที่ประกอบด้วยเนื้อเยื่อ 4 ชั้น โดยสำหรับชั้นมีแซงเจียมที่แทรกตัวอยู่ในพื้นที่ผิวที่ประกอบด้วยเนื้อเยื่อ 4 ชั้นนั้น เราได้จำลองในลักษณะที่คล้ายกับชั้นโกลเมอรูลาร์เบสเมนต์เมมเบรนและชั้นเอนโดทีเลียม แต่เนื่องจากเราไม่ทราบแน่ชัดว่าชั้นมีแซงเจียมนั้นประกอบด้วยเส้นใยกี่ชนิดและแต่ละชนิดมีจำนวนเป็นเท่าไหร่ ผลที่ได้จากการคำนวณหาสัมประสิทธิ์การกรองของตัวถูกละลายด้วยแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ทั้งสองแบบนั้นมีความสอดคล้องกับค่าที่ได้จากการตรวจปัสสาวะทั้งในคนและในหนู ทั้งที่มีสุขภาพปกติและที่มีความผิดปกติในไตอันเนื่องมาจากโรคเบาหวานได้สำหรับตัวถูกละลายที่มีขนาดน้อยกว่า 5 นาโนเมตรซึ่งเทียบได้กับขนาดของตัวชี้วัดทางชีวภาพ เช่น ไมโอโกลบิน อัลบูมิน เป็นต้น ผลการคำนวณแสดงให้เห็นว่า การลดลงของไกลโคอะมิโนไกลแคนในรูช่องของเอนโดทีเลียมคือหนึ่งในปัจจัยที่มีผลต่อการคัดกรองตัวถูกละลายโดยใช้ขนาด ในขณะที่การเปลี่ยนแปลงความหนาของชั้นโกลเมอรูลาร์เบสเมนต์เมมเบรน แทบจะไม่มีผลอะไรเลย ในทางกลับกัน การเปลี่ยนแปลงของปริมาณที่เกี่ยวข้องกับการไหลเวียนโลหิตส่งผลให้สัมประสิทธิ์ของตัวถูกละลายเปลี่ยนแปลงเพียงแค่เล็กน้อย แต่หากตัวถูกละลายมีขนาดใหญ่กว่า 5 นาโนเมตร การเปลี่ยนแปลงของปัจจัยทางสรีรวิทยาและการไหลเวียนโลหิตจะส่งผลต่อการกรองผ่านโกลเมอรูลัสแบบคัดกรองด้วยขนาดของตัวถูกละลายมากขึ้น แต่อย่างไรก็ตาม โดยสรุปแล้ว แบบจำลองที่เป็นไปได้ทั้งสองแบบที่นำเสนอในวิทยานิพนธ์นี้ก็ยังไม่สามารถอธิบายการขนส่งของตัวถูกละลายที่มีขนาดใหญ่กว่า 5 นาโนเมตรได้ โดยตัวถูกละลายที่มีขนาดใหญ่กว่า 5 นาโนเมตรสามารถเทียบเท่าได้กับตัวชี้วัดทางชีวภาพ เช่น อิมมูโนโกลบูลิน จี อิมมูโนโกลบูลิน เอ เป็นต้น นั่นหมายความว่าอาจจะมีปัจจัยอื่นที่มีผลต่อปรากฏการณ์ดังกล่าว เช่น การเปิดของรอยต่อระหว่างพื้นที่ผิวแบบมีเนื้อเยื่อ 3 ชั้นกับพื้นที่ผิวแบบมีเนื้อเยื่อ 4 ชั้นเป็นช่วง ๆ อันเนื่องมาจากภาวะความดันโลหิตสูง เป็นต้น ซึ่งนั่นอาจจะเป็นทางเลือกหนึ่งสำหรับงานวิจัยในอนาคต
Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-No Derivative Works 4.0 International License.
Recommended Citation
Punyaratabandhu, Numpong, "Effects of physiological and hemodynamic changes on glomerular filtration examined through mathematical model employing hindered transport theory" (2020). Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD). 73745.
https://digital.car.chula.ac.th/chulaetd/73745