Sự lọc cầu thận – bước đầu tiên trong sự hình thành nước tiểu
Bước đầu tiên trong sự hình thành nước tiểu là sự lọc của các lượng lớn dịch qua các mao mạch cầu thận vào trong bao Bowman – gần 180 L/ngày. Hầu hết dịch lọc này là được tái hấp thu, để lại chỉ khoảng 1 lít dịch được bài tiết mỗi ngày mặc dù mức bài tiết dịch của thận là rất thay đổi, phụ thuộc vào lượng dịch tiêu hóa. Mức lọc cầu thận cao phụ thuộc vào một mức lưu lượng máu thận cao, cũng như là các đặc tính đặc biệt của các màng mao mạch cầu thận. Trong loạt bài viết này, chúng ta sẽ nói đến các lực vật lý mà giúp xác định mức lọc cầu thận (glomerular filtration rate – GFR), cũng như là các cơ chế sinh lý mà giúp điều hòa GFR và lưu lượng máu thận.
Thành phần của dịch lọc cầu thận
Giống như hầu hết các mao mạch, các mao mạch cầu thận thì tương đối không thấm với các proteins, vì thế, dịch lọc (được gọi là dịch lọc cầu thận [glomerular filtrate]) về bản chất là không có protein và không có các thành phần tế bào, bao gồm cả các tế bào hồng cầu. Các nồng độ của các thành phần khác nhau của dịch lọc cầu thận, bao gồm hầu hết các muối và các phân tử hữu cơ, là tương tự với các nồng độ trong huyết tương. Các ngoại lệ đối với sự tổng quát hóa này bao gồm một số chất trọng lượng phân tử thấp như canxi và các acids béo mà không được lọc một cách tự do bởi vì chúng liên kết một phần với các proteins huyết tương. Ví dụ, gần một nửa canxi huyết tương và hầu hết các acids béo huyết tương là được liên kết với các proteins, và các phần liên kết này thì không được lọc qua các mao mạch cầu thận.
Mức lọc cầu thận là khoảng 20% của lưu lượng huyết tương của thận
Tương tự với các mao mạch khác, các mao mạch cầu thận lọc dịch ở một mức mà được xác định bởi các yếu tố sau đây: (1) sự cân bằng của các lực thủy tĩnh và thẩm thấu keo tác động qua màng mao mạch; và (2) hệ số lọc mao mạch (Kf), là tích của độ thấm và diện tích bề mặt lọc của các mao mạch. Các mao mạch cầu thận có một mức lọc cao hơn nhiều so với hầu hết các mao mạch khác nhờ một áp suất thủy tĩnh cầu thận cao và một Kf lớn. Ở người trưởng thành trung bình, GFR là khoảng 125 ml/phút hay 180 L/ngày. Phần lưu lượng huyết tương của thận mà được lọc (phân số lọc [filtration fraction]) trung bình là khoảng 0.2, nghĩa là khoảng 20% huyết tương chảy qua thận được lọc qua các mao mạch cầu thận (Hình 1). Phân số lọc được tính toán như sau:
Phân số lọc = GFR/lưu lượng huyết tương thận
Màng mao mạch cầu thận
Màng mao mạch cầu thận thì tương tự với các mao mạch khác, trừ việc nó có 3 (thay vì 2) lớp chính: (1) lớp nội mô của mao mạch; (2) một màng đáy; và (3) một lớp tế bào biểu mô (các tế bào có chân [podocytes]) bao quanh mặt ngoài của màng đáy mao mạch (Hình 2). Cùng với nhau, các lớp này hình thành nên hàng rào lọc mà mặc cho dày đến ba lớp, nó vẫn lọc nhiều gấp vài trăm lần lượng nước và các chất tan so với màng mao mạch thông thường. Ngay cả với mức lọc cao này, màng mao mạch cầu thận bình thường chỉ lọc một lượng nhỏ protein huyết tương.
Mức lọc cao qua màng mao mạch cầu thận một phần là do các đặc điểm đặc biệt của nó. Nội mô mao mạch (endothelium) được đâm xuyên bởi hàng ngàn các lỗ nhỏ được gọi là các cửa sổ (fenestrae), tương tự với các mao mạch có cửa sổ trong gan mặc dù kích thước thì nhỏ hơn. Mặc dù các cửa sổ thì tương đối lớn nhưng các proteins của tế bào nội mô thì lại có rất nhiều điện tích âm cố định làm cản trở sự đi qua của các proteins huyết tương.
Bao quanh lớp nội mô là màng đáy (basement membrane), là thành phần chứa một mạng lưới các vi sợi collagen và proteoglycan mà có các khoảng trống lớn mà qua đó, các lượng lớn nước và các chất tan nhỏ có thể lọc qua. Màng đáy ngăn cản sự lọc các proteins huyết tương một cách đáng kể, một phần là do các tích điện âm mạnh liên quan với proteoglycans.
Phần cuối cùng của màng cầu thận là một lớp các tế bào biểu mô (các tế bào có chân [có cuống]) mà lót mặt ngoài của búi mao mạch (glomerulus). Các tế bào có chân này thì không liên tục nhưng có các mỏm giống bàn chân dài (các cuống) mà bao quanh mặt ngoài của các mao mạch (xem Hình 2). Các mỏm hình bàn chân thì được phân tách bởi các khe hở được gọi là các lỗ khe (slit pores) mà qua đó, dịch lọc sẽ đi qua. Các tế bào biểu mô, mà cũng có các tích điện âm, cung cấp thêm sự hạn chế đối với sự lọc của các proteins huyết tương. Vì thế, tất cả các lớp của thành mao mạch cầu thận đều cung cấp một hàng rào đối với sự lọc của các proteins huyết tương nhưng cho phép sự lọc nhanh của nước và hầu hết các chất tan trong huyết tương.
Khả năng lọc (độ lọc) của các chất tan tỷ lệ nghịch với kích thước của chúng. Màng mao mạch thì dày hơn hầu hết các mao mạch khác nhưng cũng nhiều lỗ hơn nhiều và vì thế lọc được dịch ở một tốc độ lớn. Mặc cho mức lọc cao, hàng rào lọc cầu thận thì vẫn có tính chọn lọc trong việc xác định các phân tử nào được lọc, dựa trên kích thước và tích điện của chúng.
Bảng 1 liệt kê tác động của kích thước phân tử lên khả năng lọc của các phân tử khác nhau. Một khả năng lọc 1.0 có nghĩa là chất tan được lọc một cách tự do như nước, ngược lại, một khả năng lọc 0.75 nghĩa là chất được lọc chỉ ở mức 75% so với nước. Chú ý rằng các chất điện giải như natri và các hợp chất hữu cơ nhỏ như glucose thì được lọc một cách tự do. Khi trọng lượng phân tử của phân tử tiệm cận đến giá trị của albumin thì khả năng lọc giảm một cách nhanh chóng, tiệm cận 0.
Các phân tử lớn tích điện âm được lọc khó khăn hơn các phân tử tích điện dương có cùng kích thước. Đường kính phân tử của albumin huyết tương chỉ khoảng 6 nanometers, ngược lại, các lỗ của màng cầu thận được cho là khoảng 8 nanometers (80 angstroms [Å]). Tuy nhiên, albumin được hạn chế lọc bởi vì tích điện âm của nó và lực đẩy tĩnh điện được thực hiện bởi các tích điện âm của proteoglycans của thành mao mạch cầu thận.
Hình 3 cho thấy việc tích điện ảnh hưởng đến sự lọc của các dextrans có các trọng lượng phân tử khác nhau bởi búi mao mạch cầu thận. Các dextrans là các polysaccharides mà có thể được tạo ra dưới dạng các phân tử trung tính, tích điện âm hoặc tích điện dương. Chú ý rằng đối với bất kỳ đường kính phân tử cho trước nào, các phân tử tích điện dương được lọc dễ hơn nhiều so với các phân tử tích điện âm. Các dextrans trung tính cũng được lọc dễ hơn so với các dextrans tích điện âm có cùng trọng lượng phân tử. Nguyên nhân cho các sự khác biệt này trong khả năng lọc là các tích điện âm của màng đáy và các tế bào có chân cung cấp các phương tiện quan trọng đối với sự hạn chế các phân tử tích điện âm, bao gồm cả các proteins huyết tương.
Bệnh cầu thận thương tổn tối thiểu và tăng tính thấm cầu thận với các proteins huyết tương. Trong bệnh cầu thận tổn thương tối thiểu (minimal-change nephropathy), các cầu thận trở nên thấm hơn đối với các proteins huyết tương mặc dù chúng trông có thể bình thường khi nhìn bởi một kính hiển vi quang học tiêu chuẩn. Tuy nhiên, khi nhìn dưới kính hiển vi điện tử với độ phóng đại lớn thì các cầu thận thường cho thấy các tế bào có chân phẳng (flattened podocytes) với các mỏm chân mà có thể tách khỏi màng đáy của cầu thận (sự xóa bỏ tế bào có chân [podocyte effacement]).
Các nguyên nhân của bệnh cầu thận thương tổn tối thiểu là không rõ ràng nhưng ít nhất có thể có một phần liên quan với một đáp ứng miễn dịch và sự bài tiết cytokines của tế bào T bất thường mà làm tổn thương các tế bào có chân và tăng tính thấm của chúng đối với một số proteins có trọng lượng phân tử thấp hơn, đặc biệt là albumin. Sự tăng tính thấm này cho phép các proteins được lọc bởi các mao mạch cầu thận và được bài tiết trong nước tiểu, một tình trạng mà được gọi là protein niệu (proteinuria) hay albumin niệu (albuminuria). Bệnh cầu thận thương tổn tối thiểu thường gặp nhất ở trẻ nhỏ nhưng cũng có thể xảy ra ở người trưởng thành, đặc biệt là ở những người mà có các rối loạn tự miễn.
Các yếu tố xác định mức lọc cầu thận
GFR được xác định bởi các yếu tố sau đây: (1) tổng của các lực thủy tĩnh và lực thẩm thấu keo qua màng cầu thận, tạo ra áp suất lọc toàn phần (net filtration pressure); và (2) Kf của cầu thận. Khi biểu diễn về mặt toán học, GFR bằng với tích của Kf với áp suất lọc toàn phần:
GFR = Kf x Áp suất lọc toàn phần
Áp suất lọc toàn phần đại diện cho tổng của các lực thủy tĩnh và lực thẩm thấu keo mà tạo điều kiện thuận lợi hoặc đối kháng với sự lọc qua các mao mạch cầu thận (Hình 4). Các lực này bao gồm các lực sau đây: (1) áp suất thủy tĩnh bên trong các mao mạch cầu thận (áp suất thủy tĩnh cầu thận, PG), là lực làm tăng cường sự lọc; (2) áp suất thủy tĩnh trong bao Bowman (PB) phía bên ngoài các mao mạch, lực này đối kháng lại sự lọc; (3) áp suất thẩm thấu keo của các proteins huyết tương mao mạch cầu thận (πG), là lực đối kháng với sự lọc; và (4) áp suất thẩm thấu keo của các protein trong bọc Bowman (πB), là lực giúp tăng cường sự lọc. Dưới các điều kiện bình thường, nồng độ của protein trong dịch lọc cầu thận thì thấp đến nỗi áp suất thẩm thấu keo của dịch bọc Bowman được xem là bằng 0.
GFR vì thế có thể được biểu diễn như sau:
GFR = Kf x (PG – PB – πG + πB)
Mặc dù các giá trị bình thường cho các yếu tố xác định GFR thì không được đo một cách trực tiếp từ con người nhưng chúng được ghi nhận lại ở các động vật như chó và chuột. Dựa trên các kết quả ở các động vật thực nghiệm, các lực xấp xỉ bình thường mà tạo điều kiện và đối kháng với sự lọc cầu thận ở người được cho là như sau (xem Hình 4):
Vì thế, áp suất lọc toàn phần = 60 – 18 – 32 = +10 mm Hg.
Một số trong số các giá trị này có thể thay đổi một cách đáng kể dưới các điều kiện sinh lý khác nhau, ngược lại, các giá trị khác được thay đổi chủ yếu trong các tình trạng bệnh lý, sẽ được nói đến sau.
Hệ số lọc mao mạch cầu thận tăng lên làm tăng mức lọc cầu thận
Kf là tích độ thấm với diện tích bề mặt của các mao mạch cầu thận. Kf không thể được đo một cách trực tiếp nhưng có thể được ghi nhận bằng thực nghiệm bằng cách chia GFR với áp suất lọc toàn phần:
Kf = GFR/Áp suất lọc toàn phần
Bởi vì tổng GFR cho cả hai thận là khoảng 125 ml/phút và áp suất lọc toàn phần là 10 mm Hg, nên Kf bình thường được tính là khoảng 12.5 ml/phút mỗi mm Hg của áp suất lọc. Khi Kf được biểu diễn trên mỗi 100 grams trọng lượng thận, nó trung bình là khoảng 4.2 ml/phút mỗi mm Hg, một giá trị gấp khoảng 400 lần so với Kf của hầu hết các hệ thống mao mạch trong cơ thể. Kf trung bình của hầu hết các hệ thống mao mạch khác trong cơ thể là khoảng 0.01 ml/phút mỗi mm Hg/100 g. Kf cao này đối với các mao mạch cầu thận đóng góp vào mức lọc dịch nhanh của chúng.
Mặc dù Kf tăng làm tăng GFR và Kf giảm làm giảm GFR, nhưng các sự thay đổi trong Kf dường như không cung cấp một cơ chế chính cho sự điều hòa GFR hằng ngày bình thường. Tuy nhiên, một số bệnh làm giảm Kf bằng cách làm giảm số mao mạch cầu thận có chức năng (bằng cách đó làm giảm diện tích bề mặt cho sự lọc) hoặc bằng cách tăng độ dày của của màng mao mạch cầu thận và làm giảm tính thấm của nó. Ví dụ, tăng huyết áp không kiểm soát mạn tính có thể dần dần làm giảm Kf bằng cách làm tăng độ dày của màng đáy mao mạch cầu thận nặng đến nỗi có sự mất chức năng mao mạch.
Tăng áp suất thủy tĩnh của bao Bowman làm giảm mức lọc cầu thận
Các sự đo đạc áp suất thủy tĩnh trực tiếp trong bao Bowman và ở các điểm khác nhau trong ống lượn gần trong ở các động vật thực nghiệm nhờ sử dụng các micropipettes cho thấy một sự ghi nhận phù hợp đối với áp suất bao Bowman ở người là khoảng 18 mm Hg dưới các điều kiện bình thường. Tăng áp suất thủy tĩnh trong bao Bowman làm giảm GFR, ngược lại, giảm áp suất này làm tăng GFR. Tuy nhiên, các sự thay đổi trong áp suất bao Bowman bình thường không đóng vai trò như là các phương tiện để điều chỉnh GFR.
Trong các trạng thái bệnh lý nhất định liên quan với sự tắc nghẽn của đường tiết niệu, áp suất bao Bowman có thể tăng lên một cách đáng kể, gây ra sự giảm nghiêm trọng trong GFR. Ví dụ, sự lắng đọng của canxi hoặc của uric acid có thể dẫn đến sự hình thành của các sỏi mà làm tắc đường tiết niệu, thường là trong niệu quản, bằng cách đó làm tắc đường ra của đường tiết niệu và làm tăng áp suất bao Bowman. Trường hợp này làm giảm GFR và cuối cùng có thể gây ra tình trạng thận ứ nước (hydronephrosis) (sự phình và giãn của chậu thận và các đài thận) và có thể làm tổn thương hoặc thậm chí phá hủy thận nếu như tắc nghẽn không được giải quyết.
Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo nhé !!!
