A network thermodynamic model of glomerular dynamics: Application in the rat

A network thermodynamic model of glomerular dynamics: Application in the rat. A model of glomerular dynamics has been developed by using network thermodynamics and the SPICE 2 computer program to further explore the determinants of glomerular filtration. The model is designed to be holistic and self-adjusting, taking cognizance of and permitting quantitation of the secondary alterations in individual effective glomerular resistances, glomerular blood and plasma flow, capillary oncotic pressure and glomerular capillary pressure, which inevitably result when any parameter affecting glomerular dynamics changes. Such automatic adjustment adds to the precision of computation and is unique to the present model. Few assumptions are introduced, independent variables (arterial pressure, individual resistances, hydraulic conductivity, hematocrit, and serum protein concentration) being entered whereas values for the dependent variables are determined by the computer. In rats, filtration pressure equilibrium is seen not to obtain either under physiologic conditions or with reasonably large changes in any of the independent variables. Capillary pressure is shown to be affected by any maneuver that modulates single nephron GFR (SNGFR) and flow across the efferent arteriole (for example, tubule pressure, serum protein concentration) even when arteriolar caliber is held constant. The axial rise in colloid oncotic pressure and serum protein concentration along the capillary is found to be neither linear nor semilogarithmic, a characteristic that reflects on equations used to determine capillary hydraulic conductivity. Isolated change in afferent arteriolar resistance is shown by the model to produce a linear relationship between glomerular plasma flow and capillary pressure, and thus between the former parameter and filtration. Large solitary increases in efferent arteriolar resistance raise SNGFR and a 60% fall in resistance virtually abolishes filtration while exerting little change in blood flow. Concomitant and equal alterations of afferent and efferent arteriolar resistances cause filtration to rise linearly with blood flow but to produce minor change in glomerular capillary pressure, an example of true plasma flow dependence. Plasma flow dependence is, however, found to be unique to this particular circumstance under physiologic conditions. Adding an optional element that automatically adjusts effective efferent arteriolar resistance as a function of Hct 2 has but modest effects on glomerular dynamics except when systemic hematocrit is substantially altered. The data and conclusions derived in this study are based on typical values for resistances, hydraulic conductivity, systemic protein concentration, hematocrit, and arterial and tubular pressures reported for normal hydropenic rats. They will not necessarily hold in other species in which these values may be distinctly different. Un modele de dynamique glomerulaire utilisant la thermodynamique de reseau: Application au rat. Un modele de dynamique glomerulaire a ete developpe au moyen de la thermodynamique de reseau et du programme d'ordinateur SPICE 2 pour mieux explorer les determinantes de la filtration glomerulaire. Ce modele est concu pour etre holistique et s'ajustant lui-meme, prenant connaissance de, et permettant la quantification des alterations secondaires des resistances glomerulaires effectives individuelles, des debits sanguins et plasmatiques glomerulaires, de la pression oncotique capillaire et de la pression capillaire glomerulaire qui surviennent inevitablement quand un des parametres qui affectent la dynamique glomerulaire change. Un tel ajustement automatique ajoute a la precision du calcul et est original dans ce modele. Peu d'hypotheses sont introduites, les variables independantes (pression arterielle, resistances individuelles, conductivite hydraulique, hematocrite, concentration des proteines du serum) sont fournies alors que les variables dependantes sont calculees par l'ordinateur. Chez le rat l'equilibre de pression de filtration n'est pas obtenu que ce soit dans les conditions physiologiques ou avec des modifications raisonnables des variables independantes. Il apparait que la pression capillaire est affectee par toutes les manoeuvres qui modulent SNGFR et le debit a travers l'arteriole efferente (pression tabulaire, concentration des proteines seriques), meme quand le calibre arteriolaire est maintenu constant. L'augmentation axiale de la pression colloido-oncotique et de la concentration des proteines seriques le long du capillaire n'est ni lineaire, ni semi-logarithmique, une caracteristique qui se reflete sur les equations utilisees pour determiner la conductivite hydraulique capillaire. La modification isolee de la resistance de l'arteriole afferente produit, selon le modele, une relation lineaire entre le debit plasmatique glomerulaire et la pression capillaire et donc entre le premier parametre et la filtration. Des augmentations importantes et isolees de la resistance arteriole efferente augmentent SNGFR et une diminution de 60% de la resistance abolit pratiquement la filtration mais ne determine que de faibles modifications du debit sanguin. Des changements concomitants et egaux des resistances arteriolaires afferente et efferente entrainent une augmentation lineaire de la filtration avec le debit sanguin mais ne produisent que des modifications mineures de la pression capillaire glomerulaire, un exemple de dependance vraie du debit plasmatique Celle-ci, cependant, n'existe que dans cette circonstance particuliere dans les conditions physiologiques. L'addition d'un element optionnel qui ajuste automatiquement la resistance arteriolaire efferente effective en fonction du carre de l'hematocrite n'a que des effets modestes sur la dynamique glomerulaire sauf quand l'hematocrite systemique est modifiee de facon importante. Les observations et les conclusions de cette etude sont basees sur des valeurs typiques des resistances, de la conductivite hydraulique, de la concentration des proteines, de l'hematocrite et des pressions arterielle et tubulaire rapportees pour le rat normal hydropenique. Elles ne sont pas necessairement les memes dans d'autres especes chez lesquelles ces valeurs peuvent etre tres differentes.