Sự đa chức năng của thận
Hầu hết mọi người đã biết đến chức năng quan trọng của các thận – là loại bỏ các chất thải mà đã được tiêu hóa hoặc được sản xuất bởi chuyển hóa khỏi cơ thể. Một chức năng thứ hai mà đặc biệt quan trọng là kiểm soát thể tích và thành phần điện giải của các dịch cơ thể. Đối với nước và hầu hết các chất điện giải trong cơ thể, sự cân bằng giữa lượng ăn vào (do sự tiêu hóa hoặc sản phẩm chuyển hóa) và lượng mất đi (do sự bài tiết hoặc sự tiêu thụ trong chuyển hóa) được duy trì phần lớn bởi các thận. Chức năng điều hòa này của các thận giúp duy trì môi trường bên trong ổn định cần thiết để các tế bào thực hiện các chức năng khác nhau của chúng.
Các thận thực hiện hầu hết chức năng quan trọng của chúng bằng cách lọc huyết tương và loại bỏ các chất khỏi dịch lọc ở các mức độ khác nhau, phụ thuộc vào các nhu cầu của cơ thể. Cuối cùng, các thận loại bỏ các chất không cần thiết khỏi dịch lọc (và vì thế khỏi máu) bằng cách bài tiết chúng vào trong nước tiểu, đồng thời đưa các chất được cần đến quay trở lại máu.
Mặc dù loạt bài viết này và các loạt bài viết tiếp theo tập trung chủ yếu vào sự kiểm soát bài tiết nước, các chất điện giải và các sản phẩm thải trong chuyển hóa của các thận nhưng các thận cũng đóng nhiều chức năng cần bằng nội môi quan trọng, bao gồm các chức năng sau:
- Sự loại bỏ các sản phẩm thải của chuyển hóa và các chất hóa học lạ
- Sự điều hòa các cân bằng nước và điện giải
- Sự điều hòa áp suất thẩm thấu dịch và các nồng độ chất điện giải của cơ thể
- Sự điều hòa áp suất động mạch
- Sự điều hòa cân bằng acid-base
- Sự điều hòa sản xuất tế bào hồng cầu
- Sự bài tiết, sự chuyển hóa và sự loại bỏ các hormones
- Quá trình tân tạo đường
Sự bài tiết các sản phẩm thải của chuyển hóa, các chất hóa học lạ, các thuốc và các sản phẩm chuyển hóa của hormone. Các thận là các phương tiện chính giúp cho việc loại thải hầu hết các sản phẩm thải của chuyển hóa mà không được cần đến bởi cơ thể nữa. Các sản phẩm này bao gồm urea (từ sự chuyển hóa amino acids), creatinine (từ creatine cơ), uric acid (từ nucleic acids), các sản phẩm cuối cùng của sự thoái hóa hemoglobin (như bilirubin), và các sản phẩm chuyển hóa của các hormones khác nhau. Các sản phẩm thải này phải được loại bỏ khỏi cơ thể nhanh như cách chúng được tạo ra. Các thận cũng loại bỏ hầu hết các chất độc và các chất lạ khác mà được sản xuất bởi cơ thể hoặc được tiêu hóa, như các thuốc trừ sâu, các thuốc và các chất phụ gia thực phẩm.
Sự điều hòa của các thăng bằng nước và điện giải. Để duy trì hằng định nội môi, sự bài tiết nước và các chất điện giải phải phù hợp với lượng ăn vào một cách chính xác. Nếu như ăn vào vượt quá bài tiết, lượng chất đó trong cơ thể sẽ tăng lên. Nếu như lượng ăn vào ít hơn lượng bài tiết thì lượng chất đó trong cơ thể sẽ giảm xuống. Mặc dù các sự mất cân bằng tạm thời (hay theo chu kỳ) của nước và các chất điện giải có thể xảy ra trong các tình trạng sinh lý và sinh lý bệnh khác nhau liên quan đến thay đổi lượng ăn vào hoặc sự bài tiết của thận, nhưng sự tiếp diễn của sự sống vẫn phụ thuộc vào sự hồi phục của thằng bằng nước và điện giải.
Lượng nước và nhiều chất điện giải ăn vào thường được kiểm soát bởi các thói quen ăn uống của một người, cần các thận điều chỉnh mức độ bài tiết của chúng để phù hợp với các lượng ăn vào của các chất khác nhau. Hình 1 cho thấy đáp ứng của các thận với một sự tăng đột ngột lên 10 lần trong lượng natri ăn vào từ một mức thấp là 30 mEq/ngày đến một mức cao là 300 mEq/ngày. Trong vòng 2 đến 3 ngày sau khi tăng lượng natri ăn vào, sự bài tiết của thận cũng tăng đến khoảng 300 mEq/ngày sao cho thăng bằng giữa lượng ăn vào và lượng bài tiết nhanh chóng được tái thiết lập. Tuy nhiên, trong suốt 2 đến 3 ngày sau sự thích nghi của thận với lượng natri ăn vào cao, có một sự tích tụ rõ ràng của natri mà làm tăng thể tích dịch ngoại bào một chút và khởi động cho các sự thay đổi hormone và các đáp ứng đền bù khác mà truyền tín hiệu cho các thận để tăng sự bài tiết natri của chúng.
Khả năng của các thận trong việc làm thay đổi sự bài tiết natri trong đáp ứng với các sự thay đổi trong lượng natri ăn vào là rất lớn. Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng ở nhiều người, lượng natri ăn vào có thể tăng đến 1500 mEq/ngày (nhiều hơn 10 lần so với bình thường) hoặc giảm đến 10 mEq/ngày (<0.1 so với bình thường), với các sự thay đổi tương đối nhỏ trong thể tích dịch ngoại bào hoặc nồng độ natri huyết tương. Hiện tượng này cũng đúng đối với nước và đối với hầu hết các chất điện giải khác, như chloride, kali, canxi, hydrogen, magie và phosphate. Trong các loạt bài viết tiếp theo, chúng ta sẽ bàn đến các cơ chế đặc hiệu mà cho phép các thận thực hiện các khả năng đáng kinh ngạc này của cân bằng nội môi.
Sự điều hòa huyết áp động mạch. Như được nói đến trong các bài viết trước, các thận đóng một vai trò quan trọng trong sự điều hòa dài hạn của áp suất động mạch bằng cách bài tiết các lượng natri và nước khác nhau. Các thận cũng đóng góp vào sự điều hòa áp suất động mạch ngắn hạn bằng cách bài tiết các hormones và các yếu tố hay các chất vận mạch (như renin) mà dẫn đến sự hình thành của các sản phẩm vận mạch (như angiotensin II).
Sự điều hòa thăng bằng acid-base. Các thận đóng góp vào sự điều hòa acid-base, cùng với các phổi và các hệ đệm của dịch cơ thể, bằng cách bài tiết các acids và bằng cách điều hòa các sự tích trữ của hệ đệm của dịch cơ thể. Các thận là các phương tiện duy nhất của sự loại bỏ các loại acids nhất định khỏi cơ thể, như sulfuric acid và phosphoric acid, là các chất được tạo ra bởi sự chuyển hóa các proteins.
Sự điều hòa của sự sản sinh hồng cầu. Các thận bài tiết erythropoietin, là thành phần kích thích sự sản sinh các tế bào hồng cầu bởi các tế bào gốc tạo máu (hematopoietic stem cells) trong tủy xương, như được nói đến trong các bài viết sau. Một kích thích quan trọng cho sự bài tiết erythropoietin bởi các thận là tình trạng hạ oxy máu (hạ oxy mô) (hypoxia). Các thận bình thường đóng góp gần như toàn bộ erythropoietin được bài tiết vào trong hệ thống tuần hoàn. Ở những người mắc bệnh thận nặng hoặc những người mà bị cắt bỏ thận và những người đang chạy thận, thiếu máu nặng phát triển như là kết quả của sự giảm sản xuất erythropoietin.
Sự điều hòa của sự sản xuất 1,25-Dihydroxyvitamin D3. Các thận sản xuất 1,25-dihydroxyvitamin D3 (calcitriol), dạng hoạt động của vitamin D, bằng cách hydroxyl hóa vitamin này ở vị trí “số 1”. Calcitriol là thành phần thiết yếu cho sự lắng đọng canxi bình thường trong xương và sự tái hấp thu canxi bởi đường tiêu hóa. Như sẽ được nói đến trong các bài viết sau, calcitriol đóng một vai trò quan trọng trong sự điều hòa canxi và phosphate.
Sự tổng hợp glucose. Các thận tổng hợp glucose từ các amino acids và các tiền thân khác trong suốt quá trình nhịn ăn kéo dài, một quá trình mà được gọi là tân tạo đường (gluconeogenesis). Khả năng của các thận trong việc thêm glucose vào trong máu trong suốt quá trình nhịn ăn kéo dài được thực hiện cùng với khả năng của gan.
Với bệnh thận mạn hoặc suy cấp tính các thận, các chức năng cân bằng nội môi này bị phá vỡ và các bất thường nghiêm trọng của các thể tích và thành phần dịch cơ thể xảy ra. Với tình trạng suy thận hoàn toàn, thì sẽ có đủ lượng kali, acids, dịch và các chất khác tích tụ trong cơ thể để gây ra tử vong trong vòng một vài ngày nếu như không có các can thiệp lâm sàng như lọc máu được bắt bắt đầu để hồi phục, ít nhất là một phần, các sự cân bằng dịch và điện giải của cơ thể.
Giải phẫu sinh lý của các thận
Tổ chức chung của các thận và đường tiết niệu
Hai thận nằm trên thành sau của bụng, bên ngoài khoang phúc mạc (Hình 2). Mỗi thận của người trưởng thành nặng khoảng 150 grams và có kích thước bằng khoảng nắm đấm siết chặt. Mặt trong của mỗi thận chứa một vùng lõm vào, được gọi là rốn (hilum), mà đi qua đó là các cấu trúc: động mạch thận và tĩnh mạch thận, các mạch bạch huyết, chi phối thần kinh, niệu quản, là cấu trúc mang nước tiểu cuối cùng từ thận đến bàng quang, nơi mà nó được tích trữ cho đến khi bàng quang được làm rỗng. Thận được bao quanh bởi một bao sợi dai (capsule) mà giúp bảo vệ các cấu trúc mỏng manh bên trong của nó.
Nếu như thận được cắt đôi từ đỉnh cho đến đáy thì hai vùng chính mà có thể được nhìn thấy là vỏ (cortex) bên ngoài và tủy (medulla) bên trong. Vùng tủy được chia thành 8 đến 10 khối mô hình nón, được gọi là các tháp thận (renal pyramids). Đáy của mỗi tháp xuất phát ở bờ giữa vỏ và tủy và tháp thận sẽ kết thúc ở nhú thận (papilla), là thành phần mà nhô vào trong khoang của chậu thận (renal pelvis), một sự liên tục hình phễu của đầu trên niệu quản. Bờ ngoài của chậu thận được chia thành các túi hở đầu, được gọi là các đài thận lớn (major calyces), mà mở về phía xa và phân chia thành các đài thận bé (minor calyces), là các thành phần nhận nước tiểu từ các ống của mỗi nhú thận. Các thành của các đài thận, chậu thận và niệu quản chứa các thành phần có khả năng co bóp để đẩy nước tiểu về phía bàng quang, nơi mà nước tiểu được tích trữ cho đến khi được làm rỗng bởi sự tiểu tiện (micturition), sẽ được nói đến sau trong loạt bài viết này.
Sự cấp máu của thận
Lưu lượng máu đến hai thận bình thường là khoảng 22% của cung lượng tim, hay 1100 ml/phút. Động mạch thận đi vào trong thận thông qua rốn thận và sau đó phân nhánh tiếp tục để hình thành nên các động mạch gian thùy (interlobar arteries), các động mạch hình cung (arcuate arteries), các động mạch gian tiểu thùy (interlobular arteries) (còn gọi là các động mạch tỏa [radial arteries]), và các tiểu động mạch đến (afferent arterioles), là động mạch dẫn đến các mao mạch cầu thận (glomerular capillaries), nơi mà các lượng dịch và chất tan lớn (trừ các proteins huyết tương) được lọc để bắt đầu cho sự hình thành nước tiểu (Hình 3). Các đầu tận xa của các mao mạch của mỗi cầu thận hợp lại để hình thành nên tiểu động mạch đi (efferent arteriole), là thành phần động mạch mà dẫn đến mạng mao mạch thứ hai, là các mao mạch quanh ống thận (peritubular capillaries), mà bao quanh các ống thận.
Hệ thống tuần hoàn của thận thì độc đáo trong việc có đến hai mạng mao mạch, các mao mạch cầu thận và các mao mạch quanh ống thận, đây là các mạng mao mạch được sắp xếp nối tiếp và được phân tách bởi các tiểu động mạch đi. Các tiểu động mạch này giúp điều hòa áp suất thủy tĩnh trong cả hai hệ thống mao mạch. Áp suất thủy tĩnh cao trong các mao mạch cầu thận (khoảng 60 mm Hg) gây ra sự lọc dịch nhanh, ngược lại, một áp suất thủy tĩnh thấp hơn nhiều trong các mao mạch quanh ống thận (khoảng 13 mm Hg) cho phép sự tái hấp thu dịch nhanh chóng. Bằng cách điều chỉnh sức cản của các tiểu động mạch đến và đi, các thận có thể điều hòa áp suất thủy tĩnh trong các mao mạch cầu thận và quanh ống thận, bằng cách đó, thay đổi mức lọc của cầu thận, sự tái hấp thu của ống thận hoặc cả hai trong đáp ứng với các nhu cầu cân bằng nội môi của cơ thể.
Các mao mạch quanh ống thận đổ vào trong các mạch máu của hệ thống tĩnh mạch mà chạy song song với các mạch máu tiểu động mạch. Các mạch máu của hệ thống tĩnh mạch dần dần hình thành nên tĩnh mạch gian tiểu thùy (interlobular vein), tĩnh mạch hình cung (arcuate vein), tĩnh mạch gian thùy (interlobar vein) và tĩnh mạch thận (renal vein), là tĩnh mạch rời thận ở bên cạnh động mạch thận và niệu quản.
Nephron là đơn vị chức năng của thận
Mỗi thận người chứa khoảng 800,000 đến 1,000,000 nephrons, mỗi trong số đó có khả năng hình thành nên nước tiểu.
Thận không thể tái tạo các nephrons mới. Vì thế, với chấn thương, bệnh lý hoặc sự lão hóa bình thường của thận, số lượng nephron dần dần bị giảm xuống. Sau tuổi 40, số lượng nephron chức năng thường giảm khoảng 10% mỗi 10 năm; vì thế, ở tuổi 80, nhiều người có số nephron thực hiện chức năng thấp hơn 40% so với chính họ ở tuổi 40. Sự mất này không đe dọa tính mạng bởi vì các thay đổi thích nghi trong các nephrons còn lại cho phép chúng bài tiết các lượng nước, điện giải và sản phẩm thải thích hợp, như được bàn đến trong các bài viết tiếp theo.
Mỗi nephron chứa (1) một búi các mao mạch của cầu thận được gọi là “glomerulus”, mà qua đó các lượng dịch lớn được lọc khỏi máu và (2) một ống dài mà trong đó dịch lọc được chuyển thành nước tiểu trên đường nó đến chậu thận (xem Hình 3).
Cầu thận chứa một mạng lưới các mao mạch cầu thận phân nhánh và thông nối mà so với các mao mạch khác, nó có áp suất thủy tĩnh cao (khoảng 60 mm Hg). Các mao mạch cầu thận được che phủ bởi các tế bào biểu mô và toàn bộ các mao mạch cầu thận được chứa trong bao Bowman (Bowman’s capsule).
Dịch được lọc từ các mao mạch cầu thận chảy vào trong bọc Bowman và sau đó vào trong ống lượn gần (proximal tubule), là thành phần ống nằm trong vỏ thận (Hình 4). Từ ống lượn gần, dịch chảy vào trong quai Henle (loop of Henle), là thành phần ống chìm sâu vào trong tủy thận. Mỗi quai gồm một nhánh lên (ascending limb) và một nhánh xuống (descending limb). Các thành của nhánh xuống và đầu dưới của nhánh lên thì rất mỏng và vì thế được gọi là đoạn mỏng của quai Henle (thin segment of the loop of Henle). Sau khi nhánh lên của quai phần nào quay trở về phía vỏ, thành của nó trở nên dày hơn nhiều; đoạn này được gọi là đoạn dày của nhánh lên (thick segment of the ascending limb).
Ở cuối nhánh lên dày là một đoạn ngắn mà có một mảng các tế bào biểu mô chuyên biệt trong thành của nó, được gọi là vết đặc (macula densa). Như được nói đến trước đây, vết đặc đóng một vai trò quan trọng trong việc kiểm soát chức năng nephron. Qua khỏi vết đặc, dịch đi vào trong ống lượn xa (distal tubule), là thành phần ống giống như ống lượn gần, nằm trong vỏ thận. Ống lượn xa được theo sau bởi vi ống nối (connecting tubule) và vi ống thu thập vỏ (cortical collecting tubule), là thành phần dẫn đến ống thu thập vỏ (cortical collecting duct). Các phần đầu của 8 đến 10 ống thu thập vỏ hợp lại để hình thành nên một ống thu thập đơn lớn hơn mà chạy xuống phía xa vào trong tủy và trở thành ống thu thập tủy (medullary collecting duct). Các ống thu thập hợp lại để dần dần hình thành nên các ống lớn hơn mà cuối cùng sẽ đổ vào trong chậu thận thông qua các đỉnh của các nhú thận. Trong mỗi thận có khoảng 250 ống thu thấp rất lớn này, mỗi trong số chúng thu thập nước tiểu từ 4000 nephrons.
Các sự khác biệt theo vùng trong cấu trúc nephron: Các nephron vỏ và cạnh tủy. Mặc dù mỗi nephron có tất cả các thành phần đã được mô tả trước đây nhưng có một số sự khác biệt phụ thuộc vào việc nephron nằm sâu đến đâu trong khối thận. Các nephrons mà có các cầu thận nằm trong vỏ ngoài thì được gọi là các nephrons tủy (cortical nephrons); chúng có các quai Henle ngắn mà chỉ đâm xuyên một đoạn ngắn vào trong tủy thận (Hình 5).
Khoảng 20% đến 30% các nephrons là có các cầu thận mà nằm sâu trong vỏ thận, gần tủy thận và được gọi là các nephrons cạnh tủy thận (juxtamedullary nephrons). Các nephrons này có các quai Henle dài mà chìm sâu vào trong tủy thận, trong một số trường hợp là đến tận các đỉnh của các nhú thận (Hình 5).
Các cấu trúc mạch máu cấp máu cho các nephrons cạnh tủy thận cũng khác so với cấp máu cho các nephrons vỏ thận. Đối với các nephrons vỏ thận, toàn bộ hệ thống ống thận được bao quanh bởi một hệ thống mao mạch quanh ống thận phong phú. Đối với các nephrons cạnh tủy, các tiểu động mạch đi dài mở từ các cầu thận vào trong tủy thận ngoài và sau đó phân chia thành các mao mạch quanh ống thận chuyên biệt được gọi là các mạch thẳng (vasa recta), là thành phần mạch máu mở xuống dưới, vào trong tủy thận, nằm sát bên các quai Henle. Giống như các quai Henle, các mạch thẳng trở về vỏ thận và đổ vào trong các tĩnh mạch vỏ thận. Mạng lưới mao mạch đặc trưng này trong tủy thận đóng một vai trò thiết yếu trong sự hình thành của nước tiểu cô đặc, sẽ được nói đến trong các loạt bài viết tiếp theo nhé.
Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo nhé !!!