醫學研究部 于家城博士後研究員

我們身體有許多器官都儲備著額外的工作能力，例如心臟在平常安靜的情況下，每分鐘的心輸出量大約是5公升，遇到緊急情況，心輸出量可以大到35公升；又例如肺臟在平常的呼氣或吸氣大約是500毫升，若用力吸氣，肺活量可達5000毫升。一隻健康的大鼠，腎臟必須切除5/6，才會誘發尿毒症，可見腎臟處理身體代謝的可溶性廢物的儲備能力也是不容小覷。當我們年老體衰或染病時，這些儲備能力就會下降，甚至到了無法應付身體在平靜時的功能輸出，就是所謂的器官衰竭。由於許多器官都有強大的儲備能力，所以到器官衰竭程度，都己是很嚴重的情況。如何在器官還沒衰竭之前，檢測器官功能還剩下多少，是預防醫學的重要課題。

一、如何測量腎臟儲備功能

腎臟的儲備功能首先表現在腎臟的過濾功能，二顆腎臟每天要過濾180 公升的血漿進入腎小管內以產生尿液，所以過濾率的檢測就成為臨床或實驗上重要的腎功能指標，以下介紹左、右二顆腎臟的二百萬顆腎絲球過濾能力的檢測方法:

(一)、菊糖 (inulin) 法:

無論是臨床或實驗動物都是採用菊糖 (inulin)作為腎絲球過濾率的測試藥物。這是因為菊糖被認為具備可以任意通過腎絲球且不被腎小管處理的特性，而被認為是測量腎絲球過濾率的絕佳化學藥品。時至今日，菊糖仍是檢測腎絲球濾過率的標準檢測法，許多其它改進的方法仍需與菊糖法比較才可被確定其準確性。

(二)、放射性物質法:

菊糖雖然準確，但為求方便，人們仍嘗試其它物質取代菊糖，例如採用放射性物質^99mTc-DTPA(diethethylenetriaminopenta-acetic acid), ⁵¹Cr-EDTA, ¹²⁵I-iothalamate；也可做成非放射性的iothalamate, iohexol等。這些物質各有優缺點，在使用上並不是那麼普遍，其中EDTA在歐洲使用較多，DTPA則在美國使用多。iohexol需用HPLC分析，方法較煩複。

(三)、肌酸酐(creatinine)推估法:

上述2種檢測法有缺點及局限性，目前臨床上則是採用肌酸酐(creatinine)推估法來推測(estimate)病人的腎絲球濾過率(eGFR)。有別於前面菊糖的實測(measure)腎絲球濾過率(mGFR)，eGFR是用血漿中肌酸酐的濃度間接來推算腎絲球濾過率。其原理是腎臟的濾過率的降低會導致血中肌酸酐的累積，濾過率和肌酸酐血漿濃度的增加可以用一些實驗的經驗方程式連結在一起。這些經驗方程式如下:

1. Schwartz equation:
   eGFR (ml/min/1.73m²) = k × body height (cm) / serum creatinine (mg/dl)
   k, 0.45 (infants); 0.55(children); 0.55(female); 0.7 (male)

2. Cockcroft-Gault equation:
   Creatinine clearance (ml/min) = (140-age (yrs)) × body weight (kg) (×0.85 if female) / 72 × serum ceratinine (mg/dl)

3. MDRD equation:
   eGFR (ml/min/1.73m²) = 1.75 × (serum creatinine (mg/dl))^-1.154 × (age (yrs))^-0.203 × (0.742, if female) × (1.212, if African American)

4. CKD-EPI equation:
   eGFR = 141 × min (Scr /κ, 1) ^α × max(Scr /κ, 1)^-1.209 × 0.993^Age × 1.018 [if female] × 1.159 [if black]
   Scr is serum creatinine in mg/dL,κ is 0.7 for females and 0.9 for males, α is -0.329 for females and -0.411 for males, min indicates the minimum of Scr /κ or 1, max indicates the maximum of Scr /κ or 1.

5. CKD-EPI _{creatinine-cystatin C} equation:
   eGFR = 135 × min(Scr/κ, 1)^α× max(Scr/κ, 1)^−0.601 × min(Scys/0.8, 1)^−0.375 × max(Scys/0.8, 1)^−0.711 × 0.995^Age [× 0.969 if female] [× 1.08 if black]
   Scr is serum creatinine, Scys is serum cystatin C, κ is 0.7 for females and 0.9 for males, α is −0.248 for females and−0.207 for males,
   min indicates the minimum of Scr/κ or 1,max indicates the maximum of Scr/κ or 1.

這五個公式大略顯示了從早期至今推估eGFR方法改良的過程。Schwartz equation是Schwartz GJ等人在1976年所發展出來的公式，比較適合小孩及青少年腎絲球濾過率的估算。而幾乎在同時期Cockcroft DW和Gault MH發表Cockcroft-Gault equation，則適合成年人腎絲球濾過率的估算。但上面這二個公式都太簡單，主要是血漿中肌酸酐大部份來自於肌肉，而肌肉則與年紀、性別、人種等因素有關，因此才會有了較新的MDRD equation，將上述因素納入公式中。而CKD-EPI equation則是由MDRD equation改良而來，男性肌酸酐以0.9為界，大於0.9是max，小於0.9是min；女性則以0.7為界，可見CKD-EPI equation考量又比MDRD equation嚴謹許多。

由於肌酸酐檢測法有所謂的盲區(creatinine blind range)，近年，又發展出以血中胱抑素C (cystatin C) 來測量GFR。在腎功能開始下降的早期，當GFR從90降到70 ml/min時，血漿中肌酸酐並沒有顯著的變化，檢測肌酸酐不能提供有效的警訊，但是血漿中的胱抑素C在腎功能下降的早期便會上升，且在急性腎損傷 (acute kindey injury)早期濃度也會提升。藉由檢測胱抑素C可彌補肌酸酐檢測法上的不足，因此產生更準確的CKD-EPI _{creatinine-cystatin C} equation。一般在臨床上，判定病人是否為慢性腎臟病患者 (chronic kidney disease)，除了肌酸酐所推估的GFR以外，為求準確，應該再參考胱抑素C推估GFR值，以求慎重。

二、在動物如何測量GFR？

上述這些推估法雖然快速方便，適合大量檢體檢測，但是可能精密(precision) 但準確(accuracy) 不足，許多推估公式都必須輔以實測GFR的驗證，才可確定公式的可靠性，尤其是動物實驗，為求準確性，還是有很多論文使用菊糖來測GFR。以下介紹如何用菊糖測GFR：

這個方法的基本概念是菊糖不會在腎小管被重吸收或分泌，經由腎絲球過濾出來的菊糖全部都會匯聚到尿液中。公式表達如下：

Pin(mg/ml) ÏGFR(ml/min) = Uin(mg/ml) ÏV(ml/min)

腎臟過濾菊糖量 (mg/min) = 尿中菊糖量 (mg/min)
Pin: 血漿菊糖濃度; Uin: 尿中菊糖濃度; V: 尿流量

以下之示範影片是以大鼠為例，說明實際測量腎臟腎絲球過濾率的實做方式(請參閱參考資料4)。http://www.jove.com/video/52425/physiology-lab-demonstration-glomerular-filtration-rate-in-a-rat。步驟簡要說明如下：

1. 大鼠麻醉之後，游離出股動、靜脈、輸尿管，並給予插管，動脈抽血，靜脈給菊糖，輸尿管收集單側腎臟尿液。若要收集二邊腎臟尿液，宜在膀胱做插管。

2. 從靜脈給予菊糖 (5mg/ml/hr/100g BW) 。

3. 給予利尿劑furosemide (10 mg/Kg) 以方便尿液收集。

4. 每20分鐘收集尿液一管，並在收尿之前10分鐘採集血液0.5ml。有了血液、尿液檢體及收集尿液的時間之後就可依上面公式而帶出GFR。通常GFR是指二顆腎臟的總濾過率，但大鼠有體重之分，腎臟亦有大小之別，所以必須除以大鼠體重或腎重。表達方式為 ml/min/100 BW或ml/min/g kidney weight。另外，為防止尿流量太低，麻醉時間過長，在上述實驗是給予利尿劑，在其它研究，亦可給予酒精(1.2ml Alcohol/100ml saline)以達利尿的效果。但必須注意若酒精和菊糖同時給藥時，菊糖濃度要倍增，流速需減半，否則會造成體液累積，心肺功能衰竭。在檢測腎功能實驗，尿流量是很重要的，在腎損傷的動物實驗中，常因尿流量不足、不穩定、或無尿現象，造成實驗數據變異度過大或實驗的失敗。

在上述實驗中是以FITC-inulin這種螢光菊糖測試GFR，實驗室必須具備螢光模組的ELISA reader。若是不具備這些設備，也可以用不具螢光的菊糖(Sigma, I2255) ，以anthrone (Sigma, 10740) 顯色(colorimetry)法檢測血和尿液檢體中菊糖含量。顯色法的花費大約是螢光法的1/10左右，但要注意測血漿中菊糖要去除血糖的干擾(使用Smongyi’s method)。有興趣的讀者請參閱參考資料5，有檢測菊糖詳細步驟。

三、參考資料：

1. Levey AS, Inker LA, and Coresh J. GFR estimation: from physiology to public health. Am J Kidney Dis 63(5): 820-834, 2014.

2. Stefan HR, Arend B, and Walter H. How to estimate GFR-serum creatinine, serum, cystatin C or equations? Clin Biochem 40: 153-161, 2007.

3. Inker LA, Schmid CH, Tighiouart H, Eckfeldt JH, Feldman HI, Greene T, Kusek JW, Manze J, Lente FV, Zhang YL, Coresh J, and Levey AS. Estimating glomerular filtration rate from serum creatinine and cystatin C. N Engl J Med 367: 20-29, 2012.

4. Carmen HL, Jespersen B, and Shade R. Physiology lab demonstration: Glomerular filtration rate in a rat. J Vis Exp 101: e52425 (1-6), 2015.

5. Young MK and Raisz LG An anthrone procedure for determination of inulin in biological fluids. Porc Soc Exp Biol Med 80(4):771-774, 1952.

6. 評估腎臟功能的方法，吳明儒，腎臟與透析: 19卷2期，民國96年

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