將人體紅血球置入下列何種溶液之中，最容易見到細胞體積脹大？

本題觀念：

本題的核心醫學觀念在於區分滲透濃度 (Osmolarity) 與 張力 (Tonicity)，以及了解不同溶質對紅血球細胞膜的穿透性 (Permeability)。

1. 滲透濃度 (Osmolarity)：溶液中所有溶質微粒的總濃度（包括可穿透和不可穿透的溶質）。
2. 張力 (Tonicity)：又稱有效滲透壓 (Effective Osmolality)，決定了細胞體積的改變。張力僅由不可穿透細胞膜的溶質 (Non-penetrating solutes) 決定，因為這些溶質無法自由進出細胞，會在膜兩側產生持續的滲透壓梯度，驅動水分子移動。
   • 不可穿透溶質 (Effective Osmoles)：如 $Na^+$、$K^+$（雖有通道但受幫浦調控，視為有效）、葡萄糖（在一般滲透實驗中常視為有效溶質，或其穿透速率遠低於水）。這些溶質會造成水分子移動。
   • 可穿透溶質 (Penetrating Osmoles)：如尿素 (Urea)、乙醇。這些溶質能自由且快速通過細胞膜，最終在膜兩側濃度平衡，因此不會產生持久的滲透壓梯度，對張力貢獻為 0。

紅血球內部的正常滲透濃度約為 280-300 mOsm/L。

• 高張溶液 (Hypertonic, >300 mOsm/L)：水流出，細胞皺縮 (Crenation)。
• 低張溶液 (Hypotonic, <300 mOsm/L)：水流入，細胞脹大 (Swelling) 甚至溶血。
• 等張溶液 (Isotonic, ~300 mOsm/L)：體積不變。

選項分析

假設 NaCl 與 KCl 完全解離 (i=2)，葡萄糖與尿素不解離 (i=1)。

• A: 100 mM NaCl + 200 mM KCl

  • 計算有效滲透壓：
    • NaCl: $100 \times 2 = 200 \text{ mOsm/L}$
    • KCl: $200 \times 2 = 400 \text{ mOsm/L}$ (鉀離子在短時間內視為有效溶質)
    • 總張力 = $200 + 400 = 600 \text{ mOsm/L}$
  • 結果：$600 > 300$，為極度高張溶液。
  • 細胞變化：水分子流出細胞，細胞嚴重皺縮。

• B: 100 mM NaCl + 200 mM 尿素 (Urea)

  • 計算有效滲透壓：
    • NaCl: $100 \times 2 = 200 \text{ mOsm/L}$
    • Urea: 雖然有 $200 \text{ mOsm/L}$ 的滲透濃度，但尿素是可穿透溶質 (Penetrating solute)，會快速進入紅血球達到內外平衡，對張力無貢獻 (Effective mOsm = 0)。
    • 總張力 (有效) = $200 \text{ mOsm/L}$
  • 結果：$200 < 300$，為低張溶液。
  • 細胞變化：外部有效滲透壓低於細胞內部，水分子流入細胞，導致細胞脹大 (最容易見到體積脹大)。

• C: 100 mM NaCl + 200 mM 葡萄糖

  • 計算有效滲透壓：
    • NaCl: $100 \times 2 = 200 \text{ mOsm/L}$
    • 葡萄糖: $200 \times 1 = 200 \text{ mOsm/L}$ (葡萄糖在此類實驗中視為有效溶質，因其透過 GLUT 運輸速率慢於水，且不會像尿素般自由擴散平衡至無梯度)。
    • 總張力 = $200 + 200 = 400 \text{ mOsm/L}$
  • 結果：$400 > 300$，為高張溶液。
  • 細胞變化：水分子流出細胞，細胞皺縮。

• D: 100 mM NaCl + 100 mM 葡萄糖

  • 計算有效滲透壓：
    • NaCl: $100 \times 2 = 200 \text{ mOsm/L}$
    • 葡萄糖: $100 \times 1 = 100 \text{ mOsm/L}$
    • 總張力 = $200 + 100 = 300 \text{ mOsm/L}$
  • 結果：$300 \approx 300$，為等張溶液。
  • 細胞變化：細胞體積不變。

答案解析

題目詢問何者最容易見到「細胞體積脹大」，即尋找低張溶液 (Hypotonic solution)。

• 選項 A、C 為高張溶液，造成細胞皺縮。
• 選項 D 為等張溶液，細胞體積不變。
• 選項 B 的有效滲透壓僅 200 mOsm/L（因為尿素無效），低於紅血球的 ~300 mOsm/L，因此水會持續進入細胞，導致脹大。

故正確答案為 B。

核心知識點

1. 張力定義 (Tonicity vs Osmolarity)：
   • Osmolarity = $\sum (\text{所有溶質濃度})$
   • Tonicity = $\sum (\text{不可穿透溶質濃度})$
2. 常見溶質分類：
   • 不可穿透 (Effective)：$Na^+, K^+, Ca^{2+}, Cl^-, \text{Glucose}^*, \text{Mannitol}, \text{Sucrose}$。
   • 可穿透 (Ineffective/Penetrating)：$\text{Urea}, \text{Ethanol}, \text{Glycerol}$。
   • 註：葡萄糖在體內長期代謝後視為無效(如D5W變成自由水)，但在張力實驗或高血糖急症(HHS)當下，它是有效溶質。
3. 臨床應用：
   • Mannitol (甘露醇)：高張溶液，用於降低腦壓（將水吸出細胞）。
   • 0.9% NaCl (Normal Saline)：等張溶液 (~308 mOsm/L)，用於擴充血容量。
   • 5% Glucose (D5W)：在瓶中等張，進入體內代謝後葡萄糖消失，變成純水 (低張)，用於補充水分。

參考資料

1. Costanzo, L. S. (2018). Physiology (6th ed.). Chapter 1: Cellular Physiology. (關於反射係數 $\sigma$ 與有效滲透壓的計算)
2. Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology. (關於紅血球在不同張力溶液中的體積變化)
3. UpToDate: General principles of disorders of water balance (hyponatremia and hypernatremia) and solute concentration.