Các yếu tố xác định mức lọc cầu thận
Tăng áp suất thẩm thấu keo của mao mạch cầu thận làm giảm mức lọc cầu thận
Khi máu đi từ tiểu động mạch đến qua các mao mạch cầu thận đến các tiểu động mạch đi, nồng độ protein huyết tương tăng khoảng 20% (Hình 1). Nguyên nhân cho sự tăng này là khoảng một phần năm dịch trong các mao mạch lọc vào trong bao Bowman, bằng cách đó làm cô đặc các proteins huyết tương của cầu thận mà không được lọc. Giả sử rằng áp suất thẩm thấu keo bình thường của huyết tương đi vào trong các mao mạch cầu thận là 28 mm Hg, giá trị này thường tăng đến khoảng 36 mm Hg vào lúc máu đến đầu đi của mao mạch. Vì thế, áp suất thẩm thấu keo trung bình của các proteins huyết tương mao mạch cầu thận là nằm chính giữa khoảng 28 mm Hg và 36 mm Hg hay khoảng 32 mm Hg.
Hai yếu tố mà làm tăng cường áp suất thẩm thấu keo của mao mạch cầu thận là như sau: (1) áp suất thẩm thấu keo của huyết tương động mạch; và (2) phần huyết tương được lọc bởi mao mạch cầu thận (phân số lọc). Tăng áp suất thẩm thấu keo huyết tương của động mạch làm tăng áp suất thẩm thấu keo mao mạch của cầu thận, điều mà cuối cùng sẽ có khuynh hướng làm giảm GFR.
Tăng phân số lọc cũng làm tăng nồng độ các proteins huyết tương và tăng áp suất thẩm thấu keo của cầu thận (xem Hình 1). Bởi vì phân số lọc được định nghĩa là GFR chia cho lưu lượng huyết tương qua thận nên phân số lọc có thể được tăng lên bằng cách làm tăng GFR hoặc bằng cách làm giảm lưu lượng huyết tương của thận. Ví dụ, một sự giảm trong lưu lượng huyết tương thận mà không có sự thay đổi ban đầu trong GFR sẽ có khuynh hướng làm tăng phân số lọc, điều mà sẽ làm tăng áp suất thẩm thấu keo mao mạch của cầu thận và có khuynh hướng làm giảm GFR. Vì lý do này, các sự thay đổi trong lưu lượng máu thận có thể ảnh hưởng đến GFR một cách độc lập với các sự thay đổi trong áp suất thủy tĩnh của cầu thận.
Với lưu lượng máu thận tăng lên, một phần thấp hơn của huyết tương ban đầu được lọc khỏi các mao mạch cầu thận, gây ra một sự tăng lên chậm hơn trong áp suất thẩm thấu keo của mao mạch cầu thận và ít tác động ức chế hơn lên GFR. Kết quả, ngay cả với một áp suất thủy tĩnh hằng định, một mức lưu lượng máu lớn hơn vào trong mao mạch cầu thận có khuynh hướng làm tăng GFR và một mức lưu lượng máu thấp hơn vào trong mao mạch thận có khuynh hướng làm giảm GFR.
Áp suất thủy tĩnh mao mạch cầu thận tăng lên sẽ làm tăng mức lọc cầu thận
Áp suất thủy tĩnh được ghi nhận là khoảng 60 mm Hg dưới các điều kiện bình thường. Các sự thay đổi trong áp suất thủy tĩnh cầu thận đóng vai trò như là các phương tiện chính trong sự điều hòa sinh lý của GFR. Các sự tăng lên trong áp suất thủy tĩnh cầu thận làm tăng GFR, ngược lại, các sự giảm trong áp suất thủy tĩnh cầu thận làm giảm GFR.
Áp suất thủy tĩnh cầu thận được xác định bởi 3 biến số, mỗi trong số đó đều nằm dưới sự kiểm soát sinh lý: (1) áp suất động mạch; (2) sức cản của tiểu động mạch đến và (3) sức cản của tiểu động mạch đi.
Tăng áp suất động mạch có khuynh hướng làm tăng áp suất thủy tĩnh cầu thận và vì thế, làm tăng GFR. Tuy nhiên, như sẽ được nói đến sau, tác động này được “đệm” bởi các cơ chế tự điều hòa mà giúp duy trì một áp suất cầu thận tương đối hằng định khi áp suất động mạch dao động.
Tăng sức cản của các tiểu động mạch đến làm giảm áp suất thủy tĩnh của cầu thận và GFR (Hình 2). Ngược lại, sự giãn của các tiểu động mạch đến làm tăng áp suất thủy tĩnh cầu thận và GFR.
Sự co của các tiểu động mạch đi làm tăng sức cản đối với dòng máu ra từ các mao mạch cầu thận. Cơ chế này làm tăng áp suất thủy tĩnh cầu thận và miễn là sự tăng lên trong sức cản đầu ra không làm giảm lưu lượng máu thận quá nhiều thì GFR sẽ tăng lên nhẹ (xem Hình 2). Tuy nhiên, bởi vì sự co tiểu động mạch đi cũng làm giảm lưu lượng máu thận nên phân số lọc và áp suất thẩm thấu keo cầu thận cũng tăng lên khi sức cản tiểu động mạch đi tăng lên. Vì thế, nếu sự co các tiểu động mạch đi là đủ mạnh (tăng hơn khoảng 3 lần trong sức cản tiểu động mạch đi) thì sự tăng lên trong áp suất thẩm thấu keo vượt quá sự tăng lên trong áp suất thủy tĩnh mao mạch của cầu thận được gây ra bởi sự co tiểu động mạch đi. Khi tình huống này xảy ra, lực toàn phần (net force) cho sự lọc thực sự sẽ giảm xuống, gây ra một sự giảm trong GFR.
Vì thế, sự co tiểu động mạch đi có một tác động hai pha lên GFR (Hình 3). Ở các mức trung bình của sự co tiểu động mạch đi, có một sự tăng nhẹ trong GFR nhưng, với sự co mạnh, có một sự giảm trong GFR. Nguyên nhân chủ yếu của sự giảm cuối cùng trong GFR là như sau. Khi sự co tiểu động mạch đi trở nên mạnh và khi nồng độ protein huyết tương tăng lên, có một sự tăng lên phi tuyến tính trong áp suất thẩm thấu keo được gây ra bởi hiệu ứng Donnan; nồng độ protein càng cao thì các sự tăng lên trong áp suất thẩm thấu keo xảy ra càng nhanh do tương tác của các ions liên kết với các proteins huyết tương, thành phần mà cũng thực hiện một tác động thẩm thấu, như được bàn đến trong các bài viết trước.
Tóm lại, sự co của các tiểu động mạch đến làm giảm GFR. Tuy nhiên, tác động của sự co tiểu động mạch đi phụ thuộc vào mức độ mạnh của sự co; sự co tiểu động mạch đi vừa phải làm tăng GFR nhưng co tiểu động mạch đi mạnh mẽ (tăng hơn ba lần trong sức cản) có khuynh hướng làm giảm GFR.
Bảng 1 tóm tắt các yếu tố mà có thể làm giảm GFR.
Lưu lượng máu thận
Ở một người đàn ông nặng 70-kg, lưu lượng máu kết hợp qua cả hai thận là khoảng 1100 ml/phút, hay khoảng 22% của cung lượng tim. Giả sử rằng hai thận chiếm chỉ khoảng 0.4% tổng trọng lượng cơ thể, một điều có thể dễ dàng thấy là chúng nhận lưu lượng máu cực kỳ cao so với các cơ quan khác.
Như với các mô khác, dòng máu cung cấp cho các thận các chất dinh dưỡng và loại bỏ các sản phẩm thải. Tuy nhiên, lưu lượng máu lớn đến các thận vượt quá nhu cầu này một cách đáng kể. Mục đích của lưu lượng tăng thêm này là cung cấp đủ huyết tương cho các mức lọc cầu thận cao mà cần cho sự điều hòa chính xác các thể tích và các nồng độ chất tan của dịch cơ thể. Giống như dự đoán, các cơ chế mà điều hòa lưu lượng máu thận thì có liên hệ gần với sự kiểm soát GFR và các chức năng bài tiết của các thận.
Lưu lượng máu thận và sự tiêu thụ oxygen
Tính trên mỗi gram trọng lượng, các thận bình thường tiêu thụ lượng oxygen gấp hai lần so với não nhưng có lưu lượng máu gấp gần 7 lần lưu lượng máu đến não. Vì thế, oxygen được vận chuyển đến các thận thì vượt xa các nhu cầu chuyển hóa của chúng, và sự chênh lệch oxygen động-tĩnh mạch thì tương đối thấp so với hầu hết các mô khác.
Một phần lớn oxygen được tiêu thụ bởi các thận thì liên quan với mức độ tái hấp thu natri chủ động cao bởi các ống thận. Nếu như lưu lượng máu thận và GFR bị giảm xuống, và ít natri được lọc hơn thì ít natri được tái hấp thu hơn và ít oxygen được tiêu thụ hơn. Vì thế, sự tiêu thụ oxygen của thận thay đổi theo tỷ lệ với sự tái hấp thu natri của ống thận, việc mà có liên quan chặt chẽ với GFR và tốc độ natri được lọc (Hình 4). Nếu như sự lọc của cầu thận ngừng lại hoàn toàn thì sự tái hấp thu natri cũng ngừng lại và sự tiêu thụ oxygen sẽ giảm xuống còn một phần tư so với bình thường. Sự tiêu thụ oxygen còn lại này phản ánh các nhu cầu chuyển hóa cơ bản của các tế bào thận.
Các yếu tố xác định lưu lượng máu thận
Lưu lượng máu thận (renal blood flow – RBF) được xác định bởi gradient áp suất qua hệ mạch máu thận (sự chênh lệch áp suất thủy tĩnh giữa động mạch thận và tĩnh mạch thận) chia cho tổng sức cản mạch máu thận:
Áp suất động mạch thận là xấp xỉ bằng với áp suất động mạch hệ thống và áp suất tĩnh mạch thận trung bình khoảng 3 đến 4 mm Hg dưới hầu hết các điều kiện. Giống như trong các mạng mạch máu khác, tổng sức cản mạch máu qua thận thì được xác định bởi tổng sức cản trong các thành phần mạch máu riêng rẽ, bao gồm các động mạch, các tiểu động mạch, các mao mạch và các tĩnh mạch (Bảng 2).
Hầu hết sức cản mạch máu thận nằm trong 3 thành phần chính – các động mạch gian tiểu thùy, các tiểu động mạch đến và các tiểu động mạch đi. Sức cản của các mạch máu này được kiểm soát bởi hệ thống thần kinh giao cảm, các hormones khác nhau và các cơ chế kiểm soát tại thận cục bộ, sẽ được nói đến sau. Một sự tăng lên trong sức cản của bất cứ đoạn mạch máu nào của các thận thì đều có khuynh hướng làm giảm lưu lượng máu thận, ngược lại, một sự giảm trong sức cản mạch máu sẽ làm tăng lưu lượng máu thận nếu như các áp suất động mạch thận và tĩnh mạch thận vẫn hằng định.
Mặc dù các thay đổi trong áp suất động mạch có một ít tác động lên lưu lượng máu thận nhưng các thận có các cơ chế hiệu quả để duy trì lưu lượng máu thận và GFR tương đối hằng định trong khoảng áp suất động mạch giữa 80 và 170 mm Hg, một quá trình được gọi là tự điều hòa (autoregulation). Khả năng tự điều hòa này xảy ra thông qua các cơ chế nội tại ở các thận, như sẽ được nói đến sau trong loạt bài viết này.
Lưu lượng máu trong các mạch thẳng của tủy thận thì thấp so với lưu lượng máu của vỏ thận
Phần ngoài của thận, vỏ thận, nhận hầu hết lưu lượng máu của thận. Dòng máu trong tủy thận chiếm chỉ khoảng 1% đến 2% của tổng lưu lượng máu thận. Lưu lượng máu đến tủy thận thì được cung cấp bởi một phần chuyên biệt của hệ thống mao mạch quanh ống thận được gọi là mạch thẳng (vasa recta). Các mạch máu này đi xuống vào trong tủy trong sự song song với các quai Henle và sau đó vòng lại cùng với các quai Henle để trở về vỏ thận trước khi đổ vào trong hệ thống tĩnh mạch. Như sẽ được nói đến trong các loạt bài viết sau, các mạch thẳng đóng một vai trò quan trọng trong việc cho phép các thận hình thành nên nước tiểu cô đặc.
Sự kiểm soát sinh lý sự lọc cầu thận và lưu lượng máu thận
Yếu tố xác định GFR mà thay đổi nhiều nhất và là đối tượng của sự kiểm soát sinh lý là áp suất thủy tĩnh cầu thận. Biến số này cuối cùng sẽ bị tác động của hệ thống thần kinh giao cảm, các hormones, autacoids (các chất vận mạch mà được giải phóng trong các thận và đóng vai trò một cách cục bộ), và các sự kiểm soát phản hồi khác mà nội tại ở các thận.
Sự hoạt hóa hệ thống thần kinh giao cảm mạnh làm giảm mức lọc cầu thận
Về bản chất, tất cả các mạch máu của các thận, bao gồm cả các tiểu động mạch đến và đi, thì đều được chi phối một cách phong phú bởi các sợi thần kinh giao cảm. Sự hoạt hóa mạnh các thần kinh giao cảm thận có thể làm co các tiểu động mạch thận và làm giảm lưu lượng máu thận và GFR. Sự kích thích giao cảm trung bình hoặc nhẹ có ít tác động lên lưu lượng máu thận và GFR. Ví dụ, sự hoạt hóa phản xạ của hệ thống thần kinh giao cảm do các sự giảm trung bình trong áp suất ở các thụ cảm thể sức căng của xoang cảnh hoặc các thụ cảm thể tim-phổi có ít tác động lên lưu lượng máu thận, hay GFR. Tuy nhiên, như sẽ được nói đến trong các bài viết tiếp theo, ngay cả các sự tăng lên nhẹ trong hoạt động giao cảm của thận cũng có thể kích thích sự giải phóng renin và tăng sự tái hấp thu của ống thận, gây ra giảm sự bài tiết natri và nước.
Các thần kinh giao cảm thận dường như có vai trò quan trọng nhất trong việc làm giảm GFR trong suốt các rối loạn cấp tính nghiêm trọng mà kéo dài trong một vài phút đến một vài giờ, như các rối loạn được kích thích bởi phản ứng bảo vệ, thiếu máu não hoặc mất máu nặng.
Sự kiểm soát hormone và autacoid của tuần hoàn thận
Một số hormones và autacoids có thể ảnh hưởng đến GFR và lưu lượng máu thận, như được tổng hợp trong Bảng 3.
Norepinephrine, epinephrine và endothelin làm co các mạch máu thận và làm giảm mức lọc cầu thận. Các hormones mà làm co các tiểu động mạch đến và đi, gây ra các sự giảm trong GFR và lưu lượng máu thận, bao gồm norepinephrine và epinephrine được giải phóng từ tủy thượng thận. Nhìn chung, các mức trong máu của các hormone này thì tương đương với hoạt động của hệ thống thần kinh giao cảm; vì thế, norepinephrine và epinephrine có ít tác động lên huyết động của thận trừ khi dưới các tình trạng liên quan với sự hoạt hóa mạnh của hệ thống thần kinh giao cảm, như mất máu nặng.
Một chất gây co mạch khác, là endothelin, là một peptide mà có thể được giải phóng bởi các tế bào nội mô mạch máu bị tổn thương của các thận, cũng như là bởi các mô khác. Vai trò sinh lý của autacoid này thì không hoàn toàn được hiểu rõ. Tuy nhiên, endothelin có thể đóng góp vào hằng định nội môi (làm giảm mất máu) khi một mạch máu bị đứt, tình trạng mà làm tổn thương nội mô và giải phóng chất co mạch mạnh này. Các mức endothelin huyết tương cũng tăng lên trong nhiều tình trạng bệnh lý mà liên quan với tổn thương mạch máu, như tiền sản giật trong thai kỳ, suy thận cấp, và urea huyết mạn tính và có thể đóng góp vào sự co mạch của thận và giảm GFR trong một số tình trạng sinh lý bệnh này.
Angiotensin II ưu tiên co các tiểu động mạch đi trong hầu hết các điều kiện sinh lý. Một chất gây co mạch thận mạnh, là angiotensin II, có thể được xem là một hormone tuần hoàn và một autacoid hay hormone cận tiết (paracrine hormone) được sản xuất cục bộ bởi vì nó được hình thành trong các thận và trong tuần hoàn hệ thống. Các thụ cảm thế đối với angiotensin II thì xuất hiện trong hầu hết tất cả các mạch máu của các thận. Tuy nhiên, các mạch máu tiền cầu thận, đặc biệt là các tiểu động mạch đến, thì tương đối được bảo vệ khỏi sự co mạch qua trung gian angiotensin II trong hầu hết các tình trạng sinh lý liên quan với sự hoạt hóa của hệ thống renin-angiotensin, như trong suốt một chế độ ăn ít natri hoặc áp suất tưới máu thận giảm do hẹp động mạch thận. Sự bảo vệ này là do sự giải phóng của các chất giãn mạch, đặc biệt là nitric oxide và prostaglandins, là các chất chống lại các tác động co mạch của angiotensin II trong các mạch máu này.
Tuy nhiên, các tiểu động mạch đi thì rất nhạy với angiotensin II. Bởi vì angiotensin II ưu tiên co các tiểu động mạch đi trong hầu hết các tình trạng sinh lý nên tăng các mức angiotensin II sẽ làm tăng áp suất thủy tĩnh cầu thận đồng thời làm giảm lưu lượng máu thận. Luôn nhớ trong đầu là tăng sự hình thành angiotensin II thường xảy ra trong các trường hợp liên quan với áp suất động mạch giảm hoặc thể tích động mạch giảm, những tình trạng mà có xu hướng làm giảm GFR. Trong những trường hợp này, mức angiotensin II tăng, bằng cách co các tiểu động mạch đi, giúp ngăn cản các sự giảm trong áp suất thủy tĩnh của cầu thận và GFR. Tuy nhiên, cùng lúc đó, sự giảm trong lưu lượng máu thận được gây ra bởi sự co tiểu động mạch đi đóng góp vào lưu lượng giảm qua các mao mạch quanh ống thận, điều này cuối cùng sẽ làm tăng sự tái hấp thu của natri và nước, như được nói đến trong các bài viết sau.
Vì thế, tăng các mức angiotensin II mà xảy ra với một chế độ ăn ít natri hoặc giảm thể tích giúp duy trì GFR và sự bài tiết bình thường của các sản phẩm thải chuyển hóa dư thừa, như urea và creatinine, là các chất phụ thuộc vào sự lọc cầu thận cho sự bài tiết của chúng. Cùng lúc đó, sự co tiểu động mạch đi được tạo ra bởi angiotensin II làm tăng sự tái hấp thu của ống thận đối với natri và nước, điều mà giúp hồi phục thể tích máu và huyết áp. Tác động này của angiotensin II trong việc giúp cho sự tự điều hòa GFR được bàn đến chi tiết hơn trong phần sau nhé.
Nitric oxide có nguồn gốc nội mô làm giảm sức cản mạch máu thận và tăng mức lọc cầu thận. Một autacoid mà làm giảm sức cản mạch máu thận và được giải phóng bởi nội mô mạch máu trên khắp cơ thể là nitric oxide có nguồn gốc nội mô (endothelial-derived nitric oxide). Một mức sản xuất nitric oxide hằng định có vai trò quan trọng trong việc duy trì sự giãn mạch của các thận và sự bài tiết bình thường của natri và nước. Vì thế, sử dụng các thuốc ức chế sự hình thành của nitric oxide sẽ làm tăng sức cản mạch máu của thận và làm giảm GFR và sự bài tiết của natri đường tiểu và cuối cùng gây ra tăng huyết áp. Ở một số bệnh nhân tăng huyết áp hoặc ở những bệnh nhân mắc xơ vữa động mạch, sự tổn thương của nội mô mạch máu và suy giảm sản xuất nitric oxide có thể đóng góp vào việc tăng co mạch máu thận và tăng huyết áp.
Prostaglandins và bradykinin làm giảm sức cản mạch máu thận và có khuynh hướng làm tăng mức lọc cầu thận. Prostaglandins (PGE2 và PGI2) và bradykinin đóng vai trò như là các hormones và autacoids mà gây ra sự giãn mạch, tăng lưu lượng máu thận và tăng GFR. Các chất này được nói đến trong các bài viết trước. Mặc dù các chất giãn mạch này không có tầm quan trọng chủ yếu trong điều hòa lưu lượng máu thận hay GFR trong các điều kiện bình thường nhưng chúng có thể làm suy yếu các tác động co mạch thận của các dây thần kinh giao cảm hoặc angiotensin II, đặc biệt là các tác động của chúng trong co các tiểu động mạch đến.
Bằng cách đối kháng sự co mạch của các tiểu động mạch đến, prostaglandins giúp ngăn cản sự giảm quá mức trong GFR và lưu lượng máu thận. Dưới các tình trạng stress, như suy giảm thể tích hoặc sau phẫu thuật, việc sử dụng các thuốc kháng viêm không steroid (nonsteroidal antiinflammatory drugs – NSAIDs), như aspirin, mà ức chế sự tổng hợp prostaglandins có thể gây ra các sự giảm đáng kể trong GFR.
Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo nhé !!!
