正常尿路结构与尿液排出的生理学
尿路由肾小管、肾盏、肾盂、输尿管、膀胱和尿道组成。尿路具有转运、储存和排出尿液的功能，是功能完整、协调、统一的连续性管道。在正常的低压情况下，尿液经尿路单向且无阻碍地排出体外。尿路任何部位出现梗阻都将引起梗阻部位近端的尿路出现尿流储运异常的病理生理学改变，并最终不同程度地影响肾脏的功能，严重时出现代谢产物排泄障碍，水、电解质、酸碱平衡紊乱和内分泌代谢紊乱的终末期表现。肾盂和膀胱是整个尿路系统中的两个缓冲部位。在尿路远端出现梗阻时，肾盂和膀胱可以缓冲和代偿压力，因而具有保护肾功能的作用。
（一）肾脏收集系统生理
在显微镜下，肾脏收集系统起源于肾皮质肾单位的鲍曼囊（Bowmans capsule）。原尿进入鲍曼囊后，流经肾小管（包括近端小管、髓袢、远端小管和集合管）。通过肾小管的重吸收、分泌和浓缩作用由原尿形成尿液。集合管由皮质髓放线下行进入髓质，并不断相互汇合成较大的乳头管经肾乳头的筛区，开口于肾小盏。每个肾约有7～9个肾小盏，它们相互融合后形成2～3个肾大盏，再移行为肾盂。
尿液在肾小管内的转运依赖于肾小管内的静水压。当尿液从集合管进入肾盏后，肾盏即出现有规律的舒张和收缩，将尿液推送到肾盂。尿液从集合管至肾盏及肾盂的转运过程依赖于电传导活动。在肾收集系统的远端（肾小盏和肾大盏部）存在一种特殊的“起搏细胞”。电活动由这些起搏细胞产生，并由近端的肾小盏传向肾盂，使得肾盏收缩早于肾盂的收缩。这样一方面使肾乳头部的尿液顺利排入肾盏；另一方面可以保护肾实质免受肾盂传来的反压力作用。
起搏细胞是一种具有周期性、自发性电活动的细胞，类似于心脏的起搏细胞。起搏细胞的电活动取决于细胞膜两侧的离子分布和细胞对这些离子的相对通透性。起搏电活动的特点是跨膜静止期电位呈缓慢的自主的去极化。当自发性的膜电位去极化达到阈值电位时，就触发了活动电位。因此活动电位的出现有其固定的频率，这种频率只取决于阈值电位的水平，静止电位去极化的速率以及静止电位的水平。通常起搏细胞的频率为6次/min。除了上述位于肾收集系统近端的起搏点（原始起搏点）以外，在接近肾盂输尿管连接部和输尿管上段还存在着潜在起搏点。在正常情况下，由于原始起搏点的节律高于潜在起搏点，所以潜在起搏点的节律受到抑制。当原始起搏点停止起搏后，潜在起搏点则开始工作。当潜在起搏点也停止起搏后，输尿管则产生一种低节律的抗蠕动波。
（二）输尿管生理
1.解剖与生理
输尿管由3层组织构成。内层为移行上皮组成的黏膜层以及结缔组织组成的黏膜下层。中层为肌层。显微镜下肌层是由环行、纵行和螺旋形平滑肌肌束混杂复合而成。外层为纤维结缔组织构成的外膜。输尿管平滑肌之间存在间桥连接。电活动可以在细胞之间通过间桥传导，使输尿管发生连续的蠕动，有效地输送尿液。
2.输尿管的蠕动特点
正常输尿管的蠕动频率平均为3～4次/min。每次收缩2～3s，每次舒张为1～3s，两次蠕动间隔为7～9s。蠕动速度为2～6cm/s。蠕动收缩压为20～80cmH2O。无蠕动的静止压为0～5cmH2O。尿液经输尿管下达速率为8mL/min。由于蠕动是周期性的，因此尿液一股一股地向下推送。在蠕动过程中，尿股部一段的输尿管收缩并使管壁完全对合，由于尿股近端的输尿管段收缩关闭，而使尿股向下推送并防止反流。
3.输尿管肌肉的机械学
①在等张收缩时，收缩力与速度呈正相关。等张收缩时肌肉缩短并移动负荷。因负荷相对恒定，所以肌肉缩短过程中肌张力保持不变。负荷相对恒定，所以肌肉缩短过程中肌张力保持不变。负荷愈小，单位时间内的缩短（速度）愈大。负荷愈重，缩短速度愈慢。②在负荷大大超过肌肉本身的张力时，出现等长收缩，肌肉产生张力但不缩短。在等长收缩时，肌纤维的长度与收缩力呈正比，直至肌纤维收缩强度达到最大时。如果继续伸长肌纤维，那么肌收缩力反而下降。由于输尿管是一个黏弹结构，在某一方向上肌肉收缩的强度取决于预先加在这一方向上的长度变化和变化的速率。这种现象称为“滞后”。在一定范围内，如果输尿管肌肉受负荷牵张增加，那么它的收缩力增强。如果肌肉所受负荷牵张长度过大时，则出现肌肉收缩力下降和平滑肌伸长。③由于输尿管肌束的排列呈纵行、环行和螺旋形分布，因此输尿管在长轴方向和半径的改变上具有内在的相关性。当内压增高时，输尿管的长度和半径均增加，呈“蠕变”。
扩张的输尿管可导致收缩力减低，有效尿转运能力也低于正常输尿管。这种变化可用Laplace公式表述：
4.输尿管功能的神经支配
输尿管平滑肌缺乏神经肌肉接头，它的蠕动呈自律性活动。因此在移植后和去神经后，输尿管的蠕动仍然存在。但输尿管的功能也受交感和副交感神经的部分调节。副交感神经通过乙酰胆碱能受体增强输尿管的蠕动频率和强度。因而阿托品具有拮抗输尿管收缩的作用。但这种作用较轻微和不持续，因而应用阿托品治疗输尿管绞痛疗效差。输尿管上还存在激活性的α-肾上腺素能受体和抑制性β-肾上腺素能受体，去甲肾上腺素可刺激输尿管收缩，酚妥拉明可减轻输尿管收缩力，普萘洛尔可增强输尿管的收缩力。输尿管感觉神经纤维末梢释放的神经介质速激肽（P物质）具有刺激平滑肌收缩的作用；而钙调素基因相关蛋白（CGRP）则具有抑制收缩活性。
5.尿液在输尿管内的转运
（1）肾盂输尿管连接部（UPJ）。在正常情况下，产生于肾盏和肾盂的收缩频率高于输尿管上段的频率，同时来自肾盏的电传导在肾盂输尿管连接部相对受阻。当肾盂充盈和肾盂压力增高后，尿液被排入处于松弛状态的输尿管上段，使输尿管呈圆锥状。当输尿管开始收缩时，输尿管内的压力高于肾盂内压力，此时UPJ关闭以保护肾脏不受输尿管反压的作用。如果UPJ部神经肌肉结构异常，使UPJ关闭机制丧失，那么就会出现尿液反流，肾积水。
研究表明：随着单位时间内尿量增加，输尿管的蠕动频率增加，直至肾盂收缩和输尿管收缩呈1∶1的关系，此时UPJ的关闭停止。
（2）输尿管内尿液的运输。当尿液排入松弛状态的输尿管后，输尿管最近端产生收缩波，推动位于远端的尿股移向完全被动的非收缩状态的输尿管远端。为了有效地推进尿股，收缩的输尿管管壁完全对合。最后经输尿管膀胱连接部进入膀胱。
由于输尿管呈管状结构，输尿管运输尿液的能力有最大限度。当尿量增大至输尿管转运的最大限量时，输尿管壁则不对合，形成一个连续的柱状尿液。
输尿管转运尿液的能力不足，可引起尿液滞留，导致输尿管扩张。必须注意导致输尿管扩张的原因存在两方面：①单位时间内进入输尿管的尿量过多，超过了输尿管的转运能力；②单位时间内输尿管排出的尿量过少。因此在轻度梗阻时，人为增加单位时间内的尿量（如利尿试验），可使输尿管的扩张程度高于低尿量时。但当单位时间内的尿量达到一定高水平后，正常非梗阻的输尿管也可出现梗阻表现。
在利尿情况下，随着单位时间内尿量的增加，输尿管的首先反应是增加蠕动频率；当达到最大频率后，输尿管通过增加每股尿流的体积增加排出量；最终数股尿流汇合，甚至输尿管内充满柱状尿流并且扩张，此时尿流转运在一个开放的管道中。
（3）输尿管膀胱连接部（UVJ）。输尿管膀胱壁内段包裹在一个坚韧的鞘内（Waldeyer鞘），无扩张能力。正常时，输尿管末段内的压力高于膀胱内的压力，尿液通过UVJ，进入膀胱。在此过程中，远段输尿管在鞘内回撤，有帮助减低UVJ阻力的作用。(https://www.daowen.com)
当扩张输尿管收缩力降低、输尿管下段神经肌肉发育不良，或者单位时间内尿量过多时，输尿管壁不能完全对合以形成尿股。此时，只有当输尿管内的柱状尿流压力高于膀胱内压力时，才能使尿流进入膀胱。否则尿液潴留，造成输尿管扩张。
储尿期膀胱内的压力也是影响尿流通过UVJ的重要因素。在正常膀胱充盈过程中，交感神经冲动和膀胱的黏弹性特点，使膀胱在充盈过程中维持在一个相对较低的内压水平，有利于尿液通过UVJ。
此外，体位对输尿管内尿液的转运有影响，直立体位有利于尿液通过UVJ。
（三）膀胱生理
膀胱是一个贮存尿液并能随意间歇排空的器官。在一定容量内，膀胱可以无感觉地充盈，当充盈达到一定程度时，则引起排尿感觉，然后在意识控制下排尿。
膀胱壁内段输尿管肌肉在输尿管开口处向膀胱三角区分散移行，构成了三角区浅层，与黏膜层紧密相贴。而包绕输尿管末端的Waldeyer鞘移行为三角区的深层。这样的结构有利于抵抗膀胱输尿管反流。膀胱三角区的收缩可拉紧膀胱壁间段输尿管，使之闭锁，同时协助张开膀胱颈使尿液顺利排出。正常情况下，尿液只能从输尿管进入膀胱，而不能从膀胱回流到输尿管，这种机制对保护肾脏不受尿液回流的冲击十分重要。同时在膀胱及其远端发生梗阻时，可通过自身的代偿作用缓冲梗阻对肾功能的损害。
膀胱容量为300～500mL。正常情况下，由于脊髓上中枢对脊髓中枢的抑制作用，膀胱在充盈过程中，不发生强烈收缩，充盈期膀胱内压低于15cmH2O。当膀胱充盈到一定程度后，逼尿肌受牵张，由副交感神经中的感觉支传至脊髓中枢，并传导到脊髓上中枢。中枢传出冲动通过盆神经等到达膀胱，使膀胱逼尿肌收缩。在排尿开始前，由于逼尿肌等的收缩，使膀胱颈部成漏斗状，然后才开始排尿。尿液排空后，尿道括约肌等收缩，逼尿肌放松，膀胱颈部重新关闭。
在低顺应性的纤维化膀胱和膀胱神经障碍时，膀胱是自主性的。相对较少量的膀胱容量就导致膀胱内压增高，从而阻碍输尿管排空。输尿管可通过增加蠕动频率来代偿。但当充盈期膀胱内压高于40cmH2O时，输尿管将出现失代偿。
（四）肾内血管活性物质、炎症介质与肾脏生理学
1.花生四烯酸
细胞膜磷脂经磷脂酶A作用后，生成花生四烯酸，并进一步代谢为一组20碳烯酸类衍生物，具有多种生物学活性，称为脂类介质。肾脏内可以合成脂类介质。在单侧输尿管梗阻时，脂类介质合成增加。花生四烯酸的代谢有4个途径。
（1）经环加氧酶作用后，生成前列腺素H2（PGH2）。PGH2是前列腺素E2、F2、D2、前列环素（PGI2）和血栓烷A2（TXA2）的前体。环加氧酶分为COX-1和COX-2两型，其中COX-1型在全身各种组织内稳定表达，COX-2型在细胞因子、生长因子、激素和炎症的刺激下被某些特定的细胞表达。糖皮质激素对COX-1型作用少，而能够抑制COX-2型的作用，因而有抗感染作用。阿司匹林和吲哚美辛等药物可以抑制COX-1和COX-2型受体。当环加氧酶受抑制后，花生四烯酸的其他代谢途径增强。
TXA2的受体存在于多种组织中，如血小板、血管、脑、肾等组织。TXA2的主要作用是参与血栓形成、促动脉平滑肌收缩、促动脉硬化和诱发绞痛。
类前列腺素与单侧输尿管梗阻后肾脏的病理生理学改变有关。参与了梗阻后肾功能的改变、肾绞痛、细胞增殖和间质纤维化。①类前列腺素参与肾血流量、肾小球滤过率、自由水清除率、肾小管物质转运和肾素释放。在正常情况下，类前列腺素的合成受抑制，因而不影响肾脏功能。在血管收缩张力增高和应激的情况下，血管扩张性类前列腺素（如PGF2和PGE2）分泌增加。尿路梗阻后TXA2的释放增加，具有收缩入球小动脉，减少肾血流量和肾小球滤过率的作用。②类前列腺素具有使致痛因子（组织胺和缓激肽）相关受体敏感性增强的作用。③类前列腺素还具有影响细胞增殖的作用，其效应取决于类前列腺素的种类和靶细胞类型。单侧输尿管梗阻后梗阻肾TXA2的释放增加，而对侧肾PGE2合成增加。
（2）经脂氧化酶作用生成白三烯，具有减少肾血流量和肾小球滤过率的作用。白三烯在单侧输尿管梗阻时释放增多，引起血管收缩。
（3）经细胞色素P-450作用产生一系列产物，包括二元醇、环氧化物、羟花生四烯酸等，它们具有多种生物活性，包括血管活性、离子转运和肾素释放，并在调节肾脏功能中起重要作用。
（4）花生四烯酸直接经15-脂氧化酶和5-脂氧化酶作用，合成脂氧化素A、B。
2.血管紧张素Ⅱ
血管紧张素原是一个14氨基酸的α2球蛋白。在肾素的作用下，切去4个氨基酸，生成10肽血管紧张素Ⅰ，又在血管紧张素转换酶（ACE）作用下转变为血管紧张素Ⅱ，最后在氨基肽酶的作用下，转变为血管紧张素Ⅲ。血管紧张素Ⅲ可刺激醛固酮合成。作用于血管紧张素系统的药物有肾素抑制药物（如β受体阻滞剂和血管紧张素原肽类似物）、ACE酶抑制剂（如甲巯丙脯酸）和血管紧张素Ⅱ受体抑制剂（如saralasin）。血管紧张素Ⅱ有两种受体，即AT1和AT2。几乎所有血管紧张素Ⅱ的生理学效应是通过AT1受体介导的。在肾脏，血管紧张素Ⅱ具有血管收缩和促使肾内血流再分布的作用。促使肾素释放的因素有：①肾入球小动脉内压下降。②致密斑部管液流率减慢或钠负荷增加。③交感神经兴奋。血管紧张素Ⅱ参与了尿路梗阻的病理生理学改变。单侧输尿管梗阻时，血浆肾素水平增高。梗阻15h后，肾内血管紧张素Ⅱ增多。血管紧张素Ⅱ具有诱导TGFβ表达的作用，进而促进肾间质纤维化、诱导凋亡。
3.心钠素（ANP）
肾小管细胞、肾小动脉壁、髓质外带和肾乳头部都含有高浓度的ANP受体。ANP具有刺激肾脏排钠增多和利尿作用。其机制如下。①拮抗肾素-血管紧张素-醛固酮的作用。②直接抑制钠的重吸收。③降低髓质内带的高渗性。ANP还可以增加肾小球滤过率，机制如下。①ANP扩张入球小动脉。②收缩出球小动脉。③增加Kf值。④增加肾小球静水压。ANP在双侧输尿管梗阻时显著增高，可能是由于血容量增加后，刺激心房受体，引起ANP释放增多。
4.一氧化氮（NO）
在肾脏内，精氨酸在一氧化氮合成酶的作用下生成氨基甲酰鸟氨酸和NO。在生物体内，NO的半衰期为3～30s，可被超氧阴离子灭活，也可与含血红素的蛋白质结合。鸟苷环化酶是一种血红素蛋白，当与NO作用后，使cGMP增加，引起血管平滑肌舒张。NO与其他含血红素蛋白作用后，反应生成物具有多种生物效应。NO被氧化和超氧化后形成其他高反应性产物，对组织造成损害。NO是血管张力的主要生理调节因素之一。同时也是肺、胃肠道、中枢神经和生殖泌尿系的重要因子。感染时，可诱导一氧化氮合成酶的活性，引起NO增多，导致血管扩张，使组织血流量增加。此外过量NO将导致慢性炎症损害。尿路梗阻后NO在肾内的水平随梗阻时间延长而增高。一氧化氮合成酶在梗阻肾中增加。当单侧输尿管梗阻时，肾小管血管内的静水压增高，对内皮细胞产生机械性的刺激，从而释放NO。NO具有减少肾小球前血管阻力的重要作用。NO还可能参与了双侧输尿管梗阻的病理生理学改变，对肾小球滤过率和有效肾血流量的维持有重要作用。