Đo đạc các thể tích thành phần dịch cơ thể – nguyên lý pha loãng chất chỉ thị
Thể tích của một thành phần dịch trong cơ thể có thể được đo bằng đưa một chất chỉ thị vào trong thành phần dịch, cho phép nó phân tán một cách đều đặn trên khắp dịch của thành phần dịch và sau đó phân tích mức độ mà chất bị pha loãng. Hình 4 thể hiện phương pháp pha loãng chất chỉ thị (indicator-dilution method) này của việc đo thể tích của một thành phần dịch. Phương pháp này dựa trên nguyên lý bảo toàn khối lượng, có nghĩa là tổng khối lượng của một chất sau khi phân tán trong thành phần dịch sẽ tương đương với tổng khối lượng đã truyền vào trong thành phần dịch.
Trong ví dụ được thể hiện trong Hình 4, một lượng nhỏ chất nhuộm hoặc chất khác chứa trong ống tiêm được tiêm vào trong một buồng chứa và chất này được pháp phân tán trên khắp buồng chứa cho đến khi nó được trộn lẫn để có các nồng độ bằng nhau ở mọi khu vực. Sau đó, mẫu dịch chứa chất phân tán được lấy ra và nồng độ của nó được phân tích về mặt hóa học, quang điện và bằng các phương tiện khác. Nếu như không có chất bị rò rỉ khỏi thành phần dịch. Tổng khối lượng của chất trong thành phần dịch (Thể tích B x Nồng độ B) sẽ bằng với tổng khối lượng của chất tiêm vào (Thể tích A x Nồng độ A). Bằng sự tái sắp xếp đơn giản phương trình, chúng ta có thể tính toán thể tích chưa biết của buồng chứa B như sau:
Đối với phép tính này, chúng ta cần biết các giá trị sau: (1) tổng lượng chất được tiêm vào trong buồng chứa (tử số của phương trình); và (2) nồng độ của dịch trong buồng chứa sau khi chất chỉ thị được phân tán (mẫu số).
Ví dụ, nếu như 1 milliliter dung dịch chứa 10 mg/ml thuốc nhuộm được phân tán vào trong buồng chứa B và nồng độ cuối cùng của buồng chứa là 0.01 mg/ml dịch, thể tính chưa biết của buồng chứa có thể được tính toán như sau:
Phương pháp này có thể được sử dụng để đo thể tích của hầu hết bất cứ thành phần dịch nào trong cơ thể miễn là những điều sau được đảm bảo: (1) chất chỉ thị khuếch tán một cách đều đặn trong thành phần dịch; (2) chất chỉ thị phân tán chỉ trong thành phần dịch đang được đo; và (3) chất chỉ thụ không được chuyển hóa hoặc bài tiết. Nếu như chất chỉ thị bị chuyển hóa hoặc bài tiết thì sự hiệu chỉnh phải được thực hiện đối với sự mất của chất chỉ thị khỏi cơ thể. Một số chất có thể được sử dụng để đo thể tích của mỗi trong số các thành phần dịch cơ thể.
Sự xác định các thể tích của các thành phần dịch cơ thể đặc hiệu
Sự đo đạc tổng lượng nước của cơ thể. Nước phóng xạ (tritium, 3H2O) hay nước nặng (deuterium, 2H2O) có thể được sử dụng để đo tổng lượng nước của cơ thể. Các dạng nước này hòa lẫn với tổng lượng nước cơ thể trong vòng một vài giờ sau khi được truyền vào trong máu và nguyên lý pha loãng có thể được sử dụng để tính toán tổng lượng nước của cơ thể (Bảng 3). Một chất khác mà được sử dụng để đo tổng lượng nước trong cơ thể là antipyrine, là một chất rất tan trong lipid, xuyên nhanh qua các màng tế bào và phân bố một cách đều đặn trên khắp các thành phần dịch nội bào và ngoại bào.
Sự đo đạc thể tích dịch ngoại bào. Thể tích dịch ngoại bào có thể được ghi nhận nhờ sử dụng bất kỳ chất nào trong số một vài chất mà khuếch tán trong huyết tương và trong dịch kẽ mà không thể dễ dàng thấm qua màng tế bào. Các chất này bao gồm natri phóng xạ, chloride phóng xạ, iothalamate phóng xạ, ion thiosulfate và inulin. Khi bất kỳ chất nào trong số các chất này được truyền vào trong máu, nó thường phân tán gần như một cách hoàn toàn trên khắp dịch ngoại bào trong vòng 30 đến 60 phút. Tuy nhiên, một số trong số các chất này, như natri phóng xạ, có thể khuếch tán vào trong các tế bào với các lượng nhỏ. Vì thế, chúng ta thường gọi là “sodium space” (tạm dịch là “không gian natri”) hoặc “inulin space” (tạm dịch là “không gian inulin”) thay vì gọi sự đo đạc này là sự đo đạc thể tích dịch ngoại bào thực thụ.
Sự tính toán thể tích dịch nội bào. Thể tích dịch nội bào không thể được đo một cách trực tiếp. Tuy nhiên, nó có thể được tính toán như sau:
Sự đo đạc thể tích huyết tương. Thể tích huyết tương có thể được đo nhờ sử dụng một chất mà không dễ dàng xuyên qua các màng mao mạch mà vẫn ở trong hệ thống mạch máu sau khi tiêm. Một trong số các chất thường được sử dụng nhất để đo thể tích huyết tương là albumin huyết thanh được đánh dấu với iodine phóng xạ (125I-albumin) hoặc với một thuốc nhuộm mà liên kết mạnh với các protein huyết tương, như thuốc nhuộm xanh Evans (còn được gọi là T-1824).
Sự tính toán thể tích dịch kẽ. Thể tích dịch kẽ không thể được đo đạc một cách trực tiếp mà nó có thể được tính toán như sau:
Sự đo đạc thể tích máu. Nếu như chúng ta đo hematocrit (phần trăm thể tích của các tế bào máu) và thể tích huyết tương sử dụng các phương pháp đã mô tả trước đây thì thể tích máu có thể được tính toán sử dụng phương trình sau:
Ví dụ, nếu như thể tích huyết tương là 3 lít và hematocrit là 0.40 thì tổng thể tích máu sẽ được tính toán như sau:
Một cách khác để đo đạc thể tích máu là truyền các tế bào hồng cầu mà đã được đánh dấu với chất phóng xạ vào trong hệ thống tuần hoàn. Sau khi các tế bào hồng cầu này hòa trộn vào trong hệ thống tuần hoàn, độ phóng xạ của mẫu máu hòa trộn có thể được đo và tổng thể tích máu có thể được tính toán sử dụng nguyên lý pha loãng chất chỉ thị. Một chất mà có thể được sử dụng để đánh dấu các tế bào hồng cầu là chromium phóng xạ (51Cr), là chất mà liên kết chặt chẽ với các tế bào hồng cầu.
Sự trao đổi dịch và cân bằng thẩm thấu giữa dịch nội bào và dịch ngoại bào
Một vấn đề thường gặp trong việc điều trị các bệnh nhân bệnh nặng là duy trì các lượng dịch đầy đủ trong một hoặc cả hai thành phần dịch nội bào và ngoại bào. Như được nói đến trong các bài viết trước và sẽ nói đến sau trong loạt bài viết này, các lượng tương ứng của dịch ngoại bào phân bố giữa huyết tương và các khoảng kẽ được xác định chủ yếu bởi sự cân bằng của các lực thủy tĩnh và lực thẩm thấu keo qua các màng mao mạch.
Sự phân bố của dịch giữa các thành phần dịch nội bào và ngoại bào thì ngược lại, được xác định chủ yếu bởi tác động thẩm thấu của các chất hòa tan nhỏ hơn – đặc biệt là natri, chloride và các chất điện giải khác – tác động qua màng tế bào. Nguyên nhân cho vấn đề này là các màng tế bào có tính thấm cao với nước nhưng tương đối không thấm với thậm chí các ion nhỏ như natri và chloride. Vì thế, nước di chuyển qua màng tế bào một cách nhanh chóng và dịch nội bào vẫn đẳng trương với dịch ngoại bào.
Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ bàn luận đến các mối liên hệ giữa các thể tích dịch nội bào và ngoại bào và các yếu tố thẩm thấu mà có thể gây ra các sự dịch chuyển của dịch giữa hai thành phần dịch này.
Các nguyên lý cơ bản của sự thẩm thấu và áp suất thẩm thấu
Các nguyên lý cơ bản của sự thẩm thấu và áp suất thẩm thấu đã được bàn luận đến trong các bài viết trước. Vì thế, chúng ta sẽ chỉ nói đến ở đây các khía cạnh quan trọng của các nguyên lý này khi chúng được áp dụng cho sự điều hòa thể tích.
Bởi vì các màng tế bào thì tương đối không thấm với hầu hết các chất tan nhưng thấm mạnh đối với nước (nghĩa là, chúng thấm một cách có chọn lọc) nên bất cứ khi nào có một nồng độ chất tan cao hơn ở một bên của màng tế bào, nước sẽ khuếch tán qua màng về phía vùng có nồng độ chất tan cao hơn. Vì thế, nếu như một chất tan như natri chloride được thêm vào dịch ngoại bào, nước khuếch tán một cách nhanh chóng từ các tế bào qua các màng tế bào vào trong dịch ngoại bào cho đến khi nồng độ nước ở cả hai bên của màng trở nên cân bằng. Ngược lại, nếu như một chất tan như natri chloride được loại bỏ khỏi dịch ngoại bào, nước khuếch tán từ dịch ngoại bào qua các màng tế bào và vào trong các tế bào.
Osmolality và osmolarity. Nồng độ thẩm thấu của một dung dịch được gọi là “osmolality” khi nồng độ được biểu diễn dưới dạng osmoles trên mỗi kilogram nước, nó được gọi là “osmolarity” khi nó được biểu diễn dưới dạng osmoles trên mỗi lít dung dịch. Trong các dung dịch pha loãng như các dịch cơ thể, hai thuật ngữ này gần như là đồng nghĩa bởi vì các sự chênh lệch là nhỏ. Hầu hết các sự tính toán được sử dụng trên lâm sàng và các sự tính toán được biểu diễn trong các loạt bài viết tiếp theo là dựa trên các “osmolarities” chứ không phải là các “osmolalities”.
Sự tính toán nồng độ thẩm thấu và áp suất thẩm thấu của một dung dịch. Sử dụng định luật van’t Hoff, chúng ta có thể tính toán áp suất thẩm thấu của một dung dịch, giả sử rằng màng tế bào là không thấm đối với chất tan. Ví dụ, áp suất thẩm thấu của một dung dịch natri chloride 0.9% được tính toán như sau. Một dung dịch 0.9% có nghĩa là có 0.9 gram natri chloride trên mỗi 100 milliliters dung dịch, hay 9 g/L. Bởi vì trọng lượng phân tử của natri chloride là 58.5 g/mol, nên nồng độ mol của dung dịch là 9 g/L chia cho 58.5 g/mol, hay khoảng 0.154 mol/L. Bởi vì mỗi phân tử natri chloride tương đương với 2 osmoles nên nồng độ thẩm thấu của dung dịch là 0.154 x 2, hay 0.308 Osm/L. Vì thế, nồng độ thẩm thấu của dung dịch này là 308 mOsm/L. Áp suất thẩm thấu của dung dịch này vì thế sẽ là 308 mOsm/L x 19.3 mm Hg/mOsm/L, hay 5944 mm Hg.
Sự tính toán này là một sự xấp xĩ gần đúng bởi vì natri và chloride không hoạt động một cách độc lập trong dung dịch do sự thu hút ion giữa chúng. Chúng ta có thể hiệu chỉnh cho các sự biến động này từ các dự đoán của định luật van’t Hoff bằng cách sử dụng một hệ số hiệu chỉnh được gọi là hệ số thẩm thấu (osmotic coefficient). Đối với natri chloride, hệ số thẩm thấu là khoảng 0.93. Vì thế, nồng độ thẩm thấu thực sự của một dung dịch natri chloride 0.9% là 308 x 0.93, hay khoảng 286 mOsm/L. Vì các lý do thực tiễn, các hệ số thẩm thấu của các chất tan khác nhau đôi khi được bỏ qua trong việc xác định nồng độ thẩm thấu và áp suất thẩm thấu của các dung dịch sinh lý.
Nồng độ thẩm thấu của các dịch cơ thể. Xem lại Bảng 2 của phần 1, chú ý nồng độ thẩm thấu xấp xỉ của các chất hoạt động về mặt thẩm thấu khác nhau trong huyết tương, dịch kẽ và dịch nội nào. Khoảng 80% tổng nồng độ thẩm thấu của dịch kẽ và huyết tương là do các ion natri và chloride, ngược lại đối với dịch nội bào, gần một nửa nồng độ thẩm thấu là do các ion kali, và phần còn lại là được tạo ra bởi các chất nội bào khác.
Như được thể hiện trong Bảng 2 của phần 1, tổng nồng độ thẩm thấu của mỗi dịch trong số ba thành phần dịch là khoảng 300 mOsm/L, với huyết tương có khoảng 1 mOsm/L lớn hơn so với các dịch kẽ và dịch nội bào. Sự hơi chênh lệch giữa dịch huyết tương và dịch kẽ được gây ra bởi các tác động thẩm thấu của các protein huyết tương, thành phần mà giúp duy trì áp suất lớn hơn khoảng 20 mm Hg so với các khoảng kẽ xung quanh, như được nói đến trong các bài viết trước.
Hoạt động thẩm thấu được hiệu chỉnh của các dịch cơ thể. Ở dưới cùng Bảng 2 của phần 1 cho thấy các hoạt động thẩm thấu được hiệu chỉnh của huyết tương, dịch kẽ và dịch nội bào. Nguyên nhân cho các sự hiệu chỉnh này là các cations và các anions thực hiện các lực hút giữa các ion, điều này có thể gây ra sự giảm nhẹ trong hoạt động thẩm thấu của các chất hòa tan.
Cân bằng thẩm thấu giữa các dịch nội bào và ngoại bào
Các áp suất thẩm thấu cao có thể phát triển qua màng tế bào với các sự thay đổi tương đối nhỏ trong các nồng độ các chất tan trong dịch ngoại bào. Như được nói đến trước đây, đối với mỗi gradient nồng độ milliosmole của một chất tan không thể thấm (một chất mà không thể xuyên qua màng tế bào), khoảng 19.3 mm Hg áp suất thẩm thấu được tạo ra qua màng tế bào. Nếu như màng tế bào được tiếp xúc với nước tinh khiết, và nồng độ thẩm thấu của dịch nội bào là 282 mOsm/L thì áp suất thẩm thấu mà có thể phát triển qua màng tế bào là lớn hơn 5400 mm Hg. Điều này cho thấy một lực lớn mà có thể đưa nước qua màng tế bào khi các dịch nội bào và ngoại bào không trong sự cân bằng thẩm thấu. Kết quả, các sự thay đổi tương đối nhỏ trong nồng độ của các chất tan không xuyên màng trong dịch ngoại bào có thể gây ra các sự thay đổi lớn trong thể tích tế bào.
Các dịch đẳng trương, nhược trương và ưu trương. Các tác động của các nồng độ các chất tan không thể thấm qua màng khác nhau trong dịch ngoại bào lên thể tích tế bào được thể hiện trong Hình 5. Nếu như một tế bào được đặt trong một dung dịch chứa các chất tan không thể thấm có một nồng độ thẩm thấu là 282 mOsm/L thì các tế bào sẽ không teo hoặc phình bởi vì nồng độ nước trong các dịch nội bào và ngoại bào là bằng nhau và các chất tan không thể đi vào hoặc đi ra khỏi tế bào. Một dung dịch như vậy được gọi là “đẳng trương” (isotonic) bởi vì nó không làm teo cũng không làm phồng các tế bào. Các ví dụ của các dung dịch đẳng trương bao gồm dung dịch natri chloride 0.9% hoặc một dung dịch glucose 5%. Các dung dịch này có vai trò quan trọng trong y học lâm sàng bởi vì chúng có thể được truyền vào trong các mạch máu mà không gây ra nguy hiểm trong việc làm rối loạn cân bằng thẩm thấu giữa các dịch nội bào và ngoại bào.
Nếu một tế bào được đặt trong một dung dịch nhược trương (hypotonic) mà có nồng độ của các chất tan không thể thấm thấp hơn (<282 mOsm/L), nước sẽ khuếch tán vào bên trong tế bào, làm loãng dịch nội bào đồng thời làm tăng nồng độ dịch ngoại bào cho đến khi cả hai dung dịch có nồng độ thẩm thấu gần bằng nhau. Các dung dịch natri chloride với một nồng độ dưới 0.9% là nhược trương và làm cho các tế bào phình lên.
Nếu như một tế bào được đặt trong một dung dịch ưu trương (hypertonic) mà có một nồng độ của các chất hòa tan không thể thấm cao hơn (>282 mOsm/L), thì nước sẽ chảy ra khỏi tế bào vào trong dịch ngoại bào, làm tăng nồng độ dịch nội bào và pha loãng dịch ngoại bào. Trong trường hợp này, tế bào sẽ teo cho đến khi hai nồng độ trở nên bằng nhau. Các dung dịch natri chloride lớn hơn 0.9% là dung dịch ưu trương.
Các dung dịch đẳng thẩm thấu, tăng thẩm thấu và giảm thẩm thấu. Các thuật ngữ đẳng trương, nhược trương và ưu trương đề cập đến đến việc liệu các dung dịch có gây ra một sự thay đổi trong thể tích tế bào hay không. Tính trương (tonicity) của các dung dịch phụ thuộc vào nồng độ của các chất tan không thấm. Tuy nhiên, một số chất tan có thể xuyên qua màng tế bào. Các dung dịch với một nồng độ thẩm thấu giống với tế bào được gọi là đẳng thẩm thấu (isosmotic), bất kể việc chất tan có xuyên qua màng tế bào hay không.
Các thuật ngữ “hyperosmotic” (tăng thẩm thấu) và “hypo-osmotic” (giảm thẩm thấu) lần lượt đề cập đến các dung dịch mà có một nồng độ thẩm thấu cao hơn hoặc thấp hơn, so với dịch ngoại bào thông thường, mà không quan tâm đến việc chất tan có thấm qua màng tế bào hay không. Các chất có tính thấm cao như urea, có thể gây ra sự dịch chuyển tạm thời của thể tích dịch giữa các thành phần dịch nội bào và ngoại bào nhưng, với đầy đủ thời gian, các nồng độ của các chất này cuối cùng sẽ trở nên cân bằng trong hai thành phần dịch và có ít tác động lên thể tích nội bào dưới các điều kiện cân bằng.
Cân bằng thẩm thấu giữa các dịch nội bào và ngoại bào nhanh chóng được thiết lập. Sự dịch chuyển của dịch qua màng tế bào xảy ra nhanh đến nỗi bất cứ các sự chênh lệch nào trong các nồng độ thẩm thấu giữa hai thành phần dịch này thường được hiệu chỉnh trong vòng vài giây hoặc, tối đa là vài phút. Sự dịch chuyển nhanh của nước qua màng tế bào này không có nghĩa là sự cân bằng hoàn toàn xảy ra giữa các thành phần dịch nội bào và ngoại bào trên toàn bộ cơ thể trong cùng khoảng thời gian ngắn như vậy. Điều này là bởi vì dịch thường đi vào trong cơ thể qua ruột và phải được vận chuyển bởi máu đến tất cả các mô trước khi cân bằng thẩm thấu hoàn toàn có thể xảy ra. Thường tốn khoảng 30 phút để đạt được cân bằng thẩm thấu ở mọi nơi trong cơ thể sau khi uống nước.
Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo nhé !!!
