Sự lọc dịch qua các mao mạch
Áp suất thủy tĩnh (hydrostatic pressure) trong các mao mạch có khuynh hướng đẩy dịch và các chất hòa tan qua các lỗ mao mạch vào trong các khoảng kẽ. Ngược lại, áp suất thẩm thấu (osmotic pressure) được tạo ra bởi các protein huyết tương (được gọi là áp suất thẩm thấu keo (colloid osmotic pressure)) có khuynh hướng làm dịch di chuyển bởi sự thẩm thấu từ các khoảng kẽ vào trong máu. Áp suất thẩm thấu được tạo ra bởi các protein huyết tương này bình thường sẽ ngăn cản đáng kể sự mất thể tích dịch từ máu vào trong các khoảng kẽ.
Cũng có vai trò quan trọng là hệ thống bạch huyết (lymphatic system), hệ thống này giúp đưa các lượng nhỏ protein và dịch thừa thoát ra từ máu vào trong các khoảng kẽ về lại hệ thống tuần hoàn. Trong các bài viết còn lại của phần này, chúng ta sẽ bàn luận về các cơ chế kiểm soát sự lọc của mao mạch và chức năng dòng bạch huyết trong điều hòa các thể tích của huyết tương và dịch kẽ.
Các lực thủy tĩnh và thẩm thấu keo giúp xác định sự chuyển động của dịch qua màng mao mạch. Hình 1 cho thấy 4 lực chủ yếu giúp xác định liệu dịch sẽ đi ra khỏi máu để vào trong dịch kẽ hay theo hướng ngược lại. Các lực này, được gọi là các lực Starling, được đặt tên theo nhà sinh lý học Ernest Starling, người đầu tiên đã trình bày tầm quan trọng của các lực này:
1. Áp suất thủy tĩnh của mao mạch (Pc), có khuynh hướng đẩy dịch ra phía bên ngoài qua màng mao mạch.
2. Áp suất thủy tĩnh mạch dịch kẽ (Pif), có khuynh hướng đẩy dịch vào bên trong qua màng mao mạch khi Pif dương nhưng sẽ đẩy dịch ra ngoài khi Pif âm.
3. Áp suất thẩm thấu keo của huyết tương mao mạch (Πp), có khuynh hướng gây ra sự thẩm thấu của dịch vào bên trong qua màng mao mạch.
4. Áp suất thẩm thấu keo của dịch kẽ (Πif), có khuynh hướng gây ra sự thẩm thấu của dịch ra bên ngoài qua màng mao mạch.
Nếu như tổng của các lực này – áp suất lọc toàn phần (net filtration pressure) – là dương thì sẽ có một sự lọc dịch toàn phần (net fluid filtration) qua các mao mạch. Nếu như tổng của các lực Starling là âm thì sẽ có một sự hấp thu dịch toàn phần (net fluid absorption) từ các khoảng kẽ vào trong các mao mạch. Áp suất lọc toàn phần (net filtration pressure – NFP) được tính toán như sau:
Như được bàn luận sau này, NFP thì sẽ hơi dương dưới các điều kiện bình thường, tạo ra một sự lọc toàn phần của dịch qua các mao mạch vào trong khoảng kẽ trong hầu hết các cơ quan. Tốc độ của sự lọc dịch trong một mô thì cũng được xác định bởi số lượng và kích thước của các lỗ trong mỗi mao mạch, cũng như là số lượng các mao mạch mà máu sẽ chảy qua. Những yếu tố này thường được biểu diễn cùng với nhau dưới dạng hệ số lọc mao mạch (capillary filtration coefficient) (Kf). Vì thế, Kf là một sự đo đạc về khả năng của các màng mao mạch trong việc lọc nước đối với một NFP cho trước và thường được biểu diễn dưới đơn vị ml/phút mỗi mm Hg NFP.
Tốc độ lọc dịch của mao mạch vì thế sẽ được xác định như sau:
Trong các phần tiếp theo, chúng ta sẽ bàn luận về mỗi lực mà giúp xác định tốc độ lọc dịch của mao mạch.
1. Áp suất thủy tĩnh mao mạch
Các phương pháp khác nhau được sử dụng để ghi lại áp suất thủy tĩnh mao mạch: (1) đặt micropipette trực tiếp vào các mao mạch, cách đo này sẽ cho ra một áp suất mao mạch trung bình là khoảng 25 mm Hg trong một số mô, như cơ xương và ruột và (2) sự đo chức năng gián tiếp trong áp suất mao mạch, sẽ cho một áp suất mao mạch trung bình khoảng 17 mm Hg trong các mô này.
Phương pháp micropipette trong việc đo áp suất mao mạch. Để đo áp suất trong một mao mạch bằng cách đặt ống (cannulation), một pipette thủy tinh hiển vi được đặt trực tiếp vào trong mao mạch và áp lực được đo bởi một hệ thống vi áp kế. Sử dụng phương pháp này, các áp suất mao mạch được đo trong các mô được bộc lộ của động vật và trong các vòng mao mạch lớn của dải biểu bì móng (eponychium) ở gốc móng tay ở người. Những sự đo đạc này sẽ cho ra các áp suất là từ 30 đến 40 mm Hg trong các đầu động mạch của các mao mạch, 10 đến 15 mm Hg trong các đầu tĩnh mạch và khoảng 25 mm Hg ở giữa mao mạch.
Trong một số mao mạch, như các mao mạch cầu thận của các thận, các áp suất được đo bởi phương pháp micropipette thì cao hơn nhiều, trung bình khoảng 60 mm Hg. Các mao mạch quanh ống thận thì ngược lại, có một áp suất thủy tĩnh trung bình chỉ khoảng 13 mm Hg. Vì thế, các áp suất thủy tĩnh mao mạch trong các mô khác nhau thì có sự biến đổi lớn, phụ thuộc vào mô nhất định và các điều kiện sinh lý.
2. Áp suất thủy tĩnh dịch kẽ
Có một số phương pháp đo áp suất thủy tĩnh dịch kẽ, mỗi phương pháp trong số này đều cho các giá trị hơi khác nhau, phụ thuộc vào phương pháp được sử dụng và các mô mà trong đó áp suất được đo. Trong các mô dưới da lỏng lẻo, áp suất dịch kẽ được đo bởi các phương pháp khác nhau thường thấp hơn áp suất khí quyển một vài millimeters thủy ngân; nghĩa là, các giá trị này sẽ được gọi là áp suất dịch kẽ âm (negative interstitial fluid pressure). Trong các mô khác mà được bao quanh bởi các vỏ bao như các thận thì áp suất dịch kẽ nhìn chung là dương (nghĩa là lớn hơn áp suất khí quyển). Các phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất là: (1) đo áp suất bằng một micropipette đặt vào trong các mô; (2) đo áp suất từ các bọc xuyên (perforated capsules) được cấy vào mô; và (3) đo áp suất từ một bấc bông (cotton wick) được đặt vào trong một mô. Các phương pháp đo khác nhau này sẽ cho ra các giá trị khác nhau trong áp suất thủy tĩnh, ngay cả là khi đo trong cùng một mô.
Sự đo áp suất thủy tĩnh dịch kẽ sử dụng các micropipette. Loại micropipette được sử dụng để đo áp suất mao mạch cũng có thể được sử dụng trong một số mô để đo áp suất dịch kẽ. Đỉnh của micropipette là khoảng 1 micrometer đường kính, nhưng kích thước này thậm chí còn lớn hơn kích thước của các khoảng trống giữa các vi sợi proteoglycan của khoảng kẽ khoảng 20 lần hoặc nhiều lần hơn. Vì thế, áp suất mà được đo thì dường như là áp suất trong một túi dịch tự do.
Các áp suất được đo sử dụng phương pháp micropipette thay đổi từ -2 đến +2 mm Hg trong các mô lỏng lẻo, như da nhưng trong hầu hết các trường hợp, trung bình chúng sẽ hơi thấp hơn áp suất khí quyển.
Sự đo áp suất dịch tự do khoảng kẽ trong các bọc rỗng xuyên. Áp suất dịch tự do khoảng kẽ đo được khi sử dụng các bọc đường kính 2 centimeters trong mô dưới da lỏng lẻo bình thường trung bình là khoảng -6 mmHg nhưng với các bọc kích thước nhỏ hơn, các giá trị thì không khác nhiều so với -2 mm Hg như được đo bởi các micropipette.
Các áp suất dịch kẽ trong các mô được bao bọc chắc. Một số mô trong cơ thể thì được bao quanh bởi các các bao chắc, như vòm sọ quanh não, bao sợi chắc quanh thận, vỏ sợi chắc quanh các cơ và củng mạc quanh mắt. Trong hầu hết các mô này, bất kể là phương pháp đo nào được sử dụng thì áp suất dịch kẽ sẽ dương. Tuy nhiên, các áp suất dịch kẽ hầu như không thay đổi này thì vẫn thấp hơn các áp suất ở phía bên ngoài của các mô được tạo ra bởi vỏ bọc. Ví dụ, áp suất dịch não tủy quanh não của động vật đang nằm nghiêng trung bình là khoảng +10 mm Hg, ngược lại áp suất dịch kẽ não trung bình là khoảng +4 đến +6 mm Hg. Trong các thận, áp suất của vỏ bao quanh thận trung bình là khoảng +13 mm Hg, ngược lại các áp suất dịch kẽ thận được ghi lại trung bình là khoảng +6 mm Hg. Vì thế, nếu như chúng ta nhớ rằng áp suất trên da là áp suất khí quyển, được xem là áp suất 0, thì chúng ta có thể xây dựng một quy tắc chung là áp suất dịch kẽ bình thường thường thấp hơn khoảng vài millimeters thủy ngân so với áp suất quanh mỗi mô.
Trong hầu hết các khoang tự nhiên của cơ thể, nơi mà có dịch tự do tồn tại trong sự cân bằng động với các dịch kẽ xung quanh thì các áp suất được đo là âm. Một vài trong số các khoang này và các số đo áp suất của chúng là như sau:
- Khoang trong màng phổi: -8 mm Hg
- Các khoang hoạt dịch khớp: -4 đến -6 mm Hg
- Khoang ngoài màng cứng: -4 đến -6 mm Hg
Tóm tắt: Áp suất dịch kẽ trong mô dưới da lỏng lẻo thường dưới áp suất khí quyển. Mặc dù các phương pháp đo khác nhau đã đề cập trước đó thì cho các kết quả hơi khác nhau về áp suất dịch kẽ, nhung hầu hết các nhà sinh lý học đều tin rằng áp suất dịch kẽ trong mô dưới da lỏng lẻo trong các điều kiện bình thường thì hơi thấp hơn dưới áp suất khí quyển, trung bình là khoảng -3 mm Hg.
Sự bơm bởi hệ thống bạch huyết – nguyên nhân cơ bản của áp suất dịch kẽ âm. Hệ thống bạch huyết sẽ được bàn luận sau này trong các bài viết của mình, nhưng trước hết, chúng ta cần hiểu vai trò cơ bản mà hệ thống này thực hiện trong việc xác định áp suất dịch kẽ. Hệ thống bạch huyết là một loại hệ thống dọn dẹp giúp loại bỏ dịch thừa, các phân tử protein thừa, các mảnh tế bào và các chất khác từ các khoảng kẽ của mô. Bình thường, khi dịch đi vào trong các mao mạch bạch huyết tận, các thành mạch bạch huyết sẽ tự động co lại trong một vài giây và bơm dịch vào trong hệ thống tuần hoàn máu. Quá trình này nhìn chung sẽ tạo ra áp suất hơi âm mà đo được bên trong các khoảng kẽ.
3. Áp suất thẩm thấu keo của huyết tương
Các protein huyết tương tạo ra áp suất thẩm thấu keo. Chỉ các phân tử hoặc ion mà không thể đi qua các lỗ của một màng bán thấm thì mới tạo ra áp suất keo. Bởi vì các protein là các thành phần duy nhất hòa tan trong huyết tương và dịch kẽ mà không thể dễ dàng đi qua các lỗ mao mạch nên chính các protein của huyết tương và dịch kẽ sẽ chịu trách nhiệm đối với các áp suất thẩm thấu ở 2 phía của màng mao mạch. Để phân biệt áp suất thẩm thấu này với áp suất thẩm thấu xuất hiện ở màng tế bào thì áp suất thẩm thấu này sẽ được gọi là áp suất thẩm thấu keo (colloid osmotic pressure) hay áp suất keo (oncotic pressure). Thuật ngữ “áp suất thẩm thấu keo” có nguồn gốc từ việc một dung dịch protein thì giống như dung dịch keo mặc dù sự thật nó là một dung dịch phân tử thực sự.
Các giá trị bình thường đối với áp suất thẩm thấu keo của huyết tương. Áp suất thẩm thấu keo của huyết tương người bình thường trung bình là khoảng 28 mm Hg; 19 mm Hg của áp suất này là được gây ra bởi các tác động phân tử của protein hòa tan và 9 mm Hg là được gây ra bởi hiệu ứng Donnan – nghĩa là, áp suất thẩm thấu thêm vào được gây ra bởi ion natri, kali và các cation khác liên kết với các protein huyết tương.
Tác động của các protein huyết tương khác nhau lên áp suất thẩm thấu keo. Các protein huyết tương là một hỗn hợp chứa albumin, globulins và fibrinogen, với các trọng lượng phân tử trung bình tương ứng là 69,000, 140,000 và 400,000. Vì thế, 1 gram của globulin chứa chỉ khoảng một nửa số lượng các phân tử so với 1 gram của albumin và 1 gram fibrinogen chỉ chứa 1/6 số lượng phân tử so với 1 gram của albumin. Các bạn nhớ là áp suất thẩm thấu được xác định bởi số lượng các phân tử hòa tan trong một dịch chứ không phải là khối lượng của các phân tử này. Bảng sau đây sẽ cho các bạn thấy các nồng độ theo khối lượng (g/dl) tương đối của các loại protein khác nhau trong huyết tương bình thường và các đóng góp tương ứng của chúng vào tổng áp suất thẩm thấu keo (Πp). Những giá trị này bao gồm hiệu ứng Donnan của các ion liên kết với các protein huyết tương:
Vì thế, khoảng 80% tổng áp suất thẩm thấu keo của huyết tương là từ albumin, 20% là từ globulin và gần như không có tác động từ fibrinogen. Vì thế, từ quan điểm của động lực học dịch mao mạch và dịch mô, chủ yếu là albumin sẽ đóng vai trò quan trọng.
4. Áp suất thẩm thấu keo của dịch kẽ
Mặc dù kích thước của lỗ mao mạch thông thường thì nhỏ hơn các kích thước phân tử của các protein huyết tương nhưng điều này thì không đúng đối với tất cả các lỗ. Vì thế, các lượng nhỏ protein huyết tương sẽ thoát vào trong các khoảng kẽ qua các lỗ và bởi sự xuyên bào (transcytosis) trong các túi nhỏ. Tổng lượng protein trong toàn bộ 12 lít dịch kẽ của cơ thể thì hơi lớn hơn tổng lượng protein trong huyết tương nhưng bởi vì thể tích này thì gấp 4 lần so với thể tích huyết tương nên nồng độ protein trung bình của dịch kẽ trong hầu hết các mô thường chỉ bằng 40% so với trong huyết tương, hay khoảng 3 g/dl. Về mặt định lượng, áp suất thẩm thấu keo trung bình của dịch kẽ cho nồng độ các protein này là khoảng 8 mm Hg.
5. Sự trao đổi dịch qua màng mao mạch
Các yếu tố khác nhau tác động đến sự di chuyển của dịch qua màng mao mạch đã được bàn tới, vì thế, chúng ta có thể đặt tất cả các yếu tố này lại cùng với nhau để thấy cách hệ thống mao mạch duy trì thể sự phân bố thể tích dịch bình thường giữa huyết tương và dịch kẽ.
Áp suất mao mạch trung bình ở các đầu động mạch của các mao mạch là lớn hơn từ 15 đến 25 mm Hg so với các đầu tĩnh mạch. Bởi vì sự khác nhau này, dịch lọc qua các mao mạch ở các đầu động mạch nhưng ở các đầu tĩnh mạch, dịch được tái hấp thu quay trở lại các mao mạch (xem Hình 2). Vì thế, một lượng nhỏ dịch thực sự sẽ “chảy” qua các mô từ các đầu động mạch của các mao mạch đến các đầu tĩnh mạch. Các động lực học của sự chảy này là như sau.
Phân tích các lực gây ra sự lọc tại đầu động mạch của mao mạch. Các lực trung bình gần đúng xuất hiện ở đầu động mạch của mao mạch mà gây ra sự di chuyển của dịch qua màng mao mạch là như sau:
Vì thế, tổng các lực ở đầu động mạch của mao mạch cho thấy một áp suất lọc toàn phần là 13 mm Hg, có khuynh hướng làm cho dịch di chuyển ra bên ngoài qua các lỗ mao mạch. Áp suất lọc 13 mm Hg này làm cho trung bình khoảng 1/200 lượng huyết tương trong dòng máu đang chảy được lọc qua các đầu động mạch của các mao mạch vào trong các khoảng kẽ mỗi khi máu đi qua các mao mạch.
Phân tích sự tái hấp thu ở đầu tĩnh mạch của mao mao. Huyết áp thấp ở đầu tĩnh mạch của mao mạch làm thay đổi sự cân bằng các lực theo hướng có lợi cho sự hấp thu như sau:
Vì thế, có một áp suất tái hấp thu toàn phần là 7 mm Hg ở các đầu tĩnh mạch của các mao mạch. Sự tái hấp thu này thì ít hơn đáng kể sao với áp suất lọc ở các đầu động mạch của mao mạch nhưng nhớ rằng là các mao mạch tĩnh mạch thì nhiều hơn và dễ thấm hơn so với các mao mạch động mạch. Vì thế, cần áp suất tái hấp thu ít hơn để gây ra sự chuyển động vào bên trong của dịch.
Áp suất tái hấp thu làm cho khoảng 9/10 dịch được lọc qua các đầu động mạch của các mao mạch được tái hấp thu lại ở các đầu tĩnh mạch. 1/10 còn lại chảy vào trong các mạch bạch huyết và trở về máu tuần hoàn.
6. Cân bằng Starling đối với sự trao đổi của mao mạch
Ernest Starling đã chỉ ra cách đây hơn một thế kỷ rằng dưới các điều kiện bình thường, một trạng thái gần như cân bằng tồn tại trong hầu hết các mao mạch. Nghĩa là, lượng dịch lọc ra bên ngoài từ các đầu động mạch của các mao mạch hầu như đúng bằng lượng dịch trở về hệ thống tuần hoàn bởi sự hấp thu. Sự hơi mất cân bằng xuất hiện sẽ đóng góp vào lượng dịch cuối cùng trở lại hệ thống tuần hoàn bởi con đường bạch huyết.
Bảng sau đây cho thấy các nguyên lý của cân bằng Starling. Đối với bảng này, các áp suất trong các mao mạch động mạch và mao mạch tĩnh mạch thì được trung bình hóa để có thể tính toán áp suất mao mạch chức năng trung bình cho toàn bộ chiều dài của mao mạch. Áp suất mao mạch chức năng trung bình này được tính toán là khoảng 17.3 mm Hg.
Vì thế, đối với tổng tuần hoàn mao mạch, chúng ta sẽ tìm thấy một trạng thái gần cân bằng của tổng các lực hướng ra, 28.3 mm Hg và tổng các lực hướng vào, 28.0 mm Hg. Sự hơi mất cân bằng này của các lực, 0.3 mm Hg, được gây ra bởi sự lọc hơi nhiều hơn của dịch vào trong các khoảng kẽ so với sự tái hấp thu. Sự lọc hơi quá này được gọi là sự lọc toàn phần (net filtration) và nó chính là lượng dịch sẽ trở về hệ thống tuần hoàn qua hệ thống bạch huyết. Tốc độ của sự lọc toàn phần bình thường trong toàn bộ cơ thể, không bao gồm các thận là chỉ khoảng 2 ml/phút.
7. Hệ số lọc của mao mạch
Trong ví dụ trước, một sự mất cân bằng toàn phần trung bình của các lực ở các màng mao mạch là 0.3 mm Hg, làm cho sự lọc dịch toàn phần trong toàn bộ cơ thể là 2 ml/phút. Biểu diễn tốc độ lọc dịch toàn phần đối với mỗi mm Hg mất cân bằng, chúng ta sẽ thấy một tốc độ lọc dịch toàn phần là 6.67 ml/phút cho mỗi mm Hg trên toàn bộ cơ thể. Giá trị này được gọi là hệ số lọc mao mạch của toàn bộ cơ thể.
Hệ số lọc cũng có thể được biểu diễn cho các phần cơ thể riêng rẽ ở đơn vị tốc độ lọc mỗi phút cho mỗi mm Hg trên mỗi 100 grams mô. Trên cơ sở này, hệ số lọc của mô trung bình là khoảng 0.01 ml/phút mỗi mm Hg mỗi 100 g mô. Tuy nhiên, bởi vì các sự chênh lệch cực kỳ nhiều trong tính thấm của các bề mặt của hệ thồng mao mạch trong các mô khác nhau nên hệ số có thể thay đổi hơn 100 lần giữa các mô khác nhau. Hệ số này sẽ rất nhỏ trong não và cơ, lớn trung bình trong mô dưới da, lớn trong ruột và cực kỳ lớn trong gan và cầu thận của thận, nơi mà bề mặt mao mạch lớn và các lỗ thì nhiều hay mở rộng. Vì lẽ đó, sự thấm của protein qua các màng mao mạch cũng thay đổi nhiều. Nồng độ của protein trong dịch kẽ của cơ là khoảng 1.5 g/dl; trong mô dưới da là 2 g/dl; trong ruột là 4 g/dl; và trong gan là 6 g/dl.
Tác động của sự mất cân bằng bất thường của các lực ở màng mao mạch. Nếu như áp suất mao mạch trung bình tăng đáng kể trên giá trị trung bình là 17 mm Hg thì lực tổng có khuynh hướng làm cho sự lọc dịch vào trong các khoảng kẽ của mô tăng lên. Vì thế, một sự tăng lên 20 mm Hg trong áp suất mao mạch trung bình sẽ gây ra một sự tăng lên trong áp suất lọc toàn phần từ 0.3 đến 20.3 mm Hg, tức là gấp 68 lần so với sự lọc toàn phần của dịch vào trong các khoảng kẽ khi bình thường. Để ngăn cản sự tích tụ dịch thừa trong các mô này thì lượng dịch vào trong hệ thống bạch huyết phải nhiều hơn 68 lần so với bình thường, tuy nhiên một lượng dịch gấp 2 đến 5 lần đã là quá nhiều để cho hệ thống bạch huyết mang đi. Do đó, dịch sẽ bắt đầu tích tụ trong các khoảng kẽ và gây ra phù. Ngược lại, nếu như áp suất mao mạch rơi xuống rất thấp thì sự tái hấp thu toàn phần vào trong các mao mạch sẽ xuất hiện thay vì sự lọc toàn phần và thể tích máu sẽ tăng lên do thể tích dịch kẽ. Các tác động này của sự mất cân bằng tại màng mao mạch trong mối liên hệ với sự phát triển của các loại phù khác nhau thì sẽ được bàn luận đến trong các bài viết sau này nhé.
Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo nhé !!!
