Để các tế bào của cơ thể thực hiện chức năng một cách bình thường, chúng phải được ở trong dịch ngoại bào có chứa một nồng độ các chất điện giải tương đối hằng định. Tổng nồng độ của các chất tan trong dịch ngoại bào – và vì thế nồng độ thẩm thấu – cũng phải được điều hòa một cách chính xác để ngăn cản các tế bào không bị teo đi hay phình lên. Nồng độ thẩm thấu được xác định bởi lượng chất tan (chủ yếu là natri chloride) chia cho thể tích dịch ngoại bào. Vì thế, ở một mức độ lớn, áp suất thẩm thấu và nồng độ natri chloride của dịch ngoại bào được điều hòa bởi lượng nước ngoại bào. Tổng lượng nước của cơ thể được kiểm soát bởi (1) lượng dịch hấp thụ, được điều hòa bởi các yếu tố mà xác định cơn khát; và (2) sự bài tiết nước của thận, được kiểm soát bởi nhiều yếu tố mà tác dộng đến mức lọc cầu thận và sự tái hấp thu của ống thận.
Trong loạt bài viết này, chúng ta sẽ bàn luận những vấn đề sau: (1) các cơ chế mà làm cho các thận bài tiết lượng nước dư bằng cách bài tiết nước tiểu loãng; (2) các cơ chế mà làm cho các thận bảo toàn nước bằng cách bài tiết nước tiểu được cô đặc; (3) các cơ chế phản hồi của thận mà kiểm soát nồng độ natri và áp suất thẩm thấu dịch ngoại bào; và (4) các cơ chế khát và thèm muối cũng giúp kiểm soát thể tích, áp suất thẩm thấu và nồng độ natri dịch ngoại bào.
Các thận bài tiết lượng nước dư bằng cách hình thành nước tiểu loãng
Các thận bình thường có một khả năng lớn trong việc thay đổi các tỷ lệ tương đối của các chất tan và nước trong nước tiểu trong đáp ứng với các thách thức khác nhau. Khi có thừa nước trong cơ thể và nồng độ thẩm thấu dịch cơ thể bị giảm, các thận có thể bài tiết nước tiểu với một nồng độ thẩm thấu thấp đến 50 mOsm/L, một nồng độ mà chỉ bằng khoảng một phần sáu nồng độ thẩm thấu của dịch ngoại bào bình thường. Ngược lại, khi có một sự thiếu hụt nước trong cơ thể và nồng độ thẩm thấu dịch ngoại bào cao thì các thận có thể bài tiết nước tiểu được cô đặc nhiều với một nồng độ thẩm thấu là 1200 đến 1400 mOsm/L. Hơn thế nữa, các thận có thể bài tiết một lượng lớn thể tích nước tiểu loãng hoặc một lượng nhỏ nước tiểu cô đặc mà không gây ra các sự thay đổi nhiều trong các mức độ bài tiết của các chất tan như natri và kali. Khả năng điều hòa bài tiết nước một cách độc lập so với sự bài tiết chất tan này thì cần thiết cho sự sống, đặc biệt là khi lượng dịch hấp thu bị giới hạn.
Hormone chống bài niệu kiểm soát nồng độ nước tiểu
Cơ thể có một hệ thống phản hồi mạnh mẽ để điều hòa nồng độ thẩm thấu huyết tương và nồng độ natri mà vận hành bằng cách thay đổi sự bài tiết nước của thận một cách độc lập so với mức bài tiết chất tan. Một chất tác động chủ yếu của cơ chế phản hồi này là hormone chống bài niệu (antidiuretic hormone – ADH), còn được gọi là vasopressin.
Khi nồng độ thẩm thấu của dịch cơ thể tăng lên trên mức bình thường (nghĩa là các chất tan trong các dịch cơ thể trở nên quá cô đặc), thùy sau tuyến yên bài tiết nhiều ADH hơn, là hormone làm tăng độ thấm của các ống lượn xa và các ống thu thập đối với nước, như được nói đến trong loạt bài viết trước. Cơ chế này làm tăng sự tái hấp thu nước và làm giảm thể tích nước tiểu nhưng không làm thay đổi đáng kể mức bài tiết các chất tan của thận.
Khi có một lượng nước dư trong cơ thể, nồng độ thẩm thấu dịch ngoại bào được giảm xuống, sự bài tiết ADH của thùy sau tuyến yên giảm, bằng cách đó, làm giảm tính thấm của ống lượn xa và ống thu thập đối với nước, điều này tạo ra các lượng nước tiểu loãng hơn được bài tiết. Vì thế, mức bài tiết ADH giúp xác định, ở một mức độ lớn, việc liệu thận bài tiết nước tiểu loãng hay nước tiểu cô đặc.
Các cơ chế của thận trong bài tiết nước tiểu loãng
Khi có một lượng nước dư nhiều trong cơ thể, thận có thể bài tiết lên đến 20 L/ngày nước tiểu loãng, với một nồng độ thấp đến 50 mOsm/L. Thận thực hiện tác động ấn tượng này bằng cách liên tục tái hấp thu các chất tan mà không tái hấp thu các lượng lớn nước trong các phần xa của nephron, bao gồm cả đoạn cuối ống lượn xa và các ống thu thập.
Hình 1 cho thấy các đáp ứng của thận gần đúng ở một người sau khi tiểu thụ 1 lít nước. Chú ý rằng thể tích nước tiểu đã tăng đến khoảng 6 lần so với bình thường trong vòng 45 phút sau khi nước được tiêu thụ. Tuy nhiên, tổng lượng chất tan được bài tiết vẫn tương đối hằng định bởi vì nước tiểu được hình thành trở nên loãng và nồng độ thẩm thấu của nước tiểu giảm từ 600 xuống khoảng 100 mOsm/L. Vì thế, sau khi tiêu thụ lượng dư nước, thận loại bỏ khỏi cơ thể lượng nước dư nhưng không bài tiết các lượng chất tan quá mức.
Khi dịch lọc cầu thận được hình thành ban đầu thì nồng độ thẩm thấu là gần giống với huyết tương (300 mOsm/L). Để bài tiết lượng nước dư, dịch lọc được pha loãng khi nó đi dọc theo ống thận bằng cách tái hấp thu các chất tan với một mức độ nhiều hơn nước, như được thể hiện trong Hình 2. Tuy nhiên, sự pha loãng này chỉ xảy ra trong các đoạn ống nhất định, như được mô tả trong các phần bên dưới đây.
Dịch ống thận vẫn đẳng thẩm thấu trong các ống lượn gần. Khi dịch chảy qua ống lượn gần, các chất tan và nước được tái hấp thu theo các tỷ lệ tương đương, vì thế ít có sự thay đổi trong áp suất thẩm thấu xuất hiện. Vì thế, dịch ống lượn gần vẫn đẳng thẩm thấu so với huyết tương, với một nồng độ thẩm thấu là khoảng 300 mOsm/L. Khi dịch đi xuống nhánh xuống của quai Henle, nước được tái hấp thu bằng sự thẩm thấu, và dịch ống thận đạt đến một cân bằng với dịch kẽ xung quanh của tủy thận, là dịch mà rất ưu trương – khoảng 2 đến 4 lần so với áp suất thẩm thấu ban đầu của dịch lọc cầu thận. Vì thế, dịch ống thận trở nên cô đặc hơn khi nó chảy vào trong tủy thận trong.
Dịch ống thận được pha loãng trong nhánh lên quai Henle. Trong nhánh lên của quai Henle, đặc biệt là trong đoạn dày, natri, kali và chloride thì được tái hấp thu một cách mạnh mẽ. Tuy nhiên, phần này của ống thận thì không thấm với nước, thậm chí là khi có mặt của các lượng lớn ADH. Vì thế, dịch ống thận trở nên loãng hơn khi nó chảy lên theo nhánh lên của quai Henle vào trong phần đầu ống lượn xa, với áp suất thẩm thấu giảm dần dần đến khoảng 100 mOsm/L vào thời điểm dịch đi vào trong đoạn đầu của ống lượn xa. Vì thế, bất kể liệu ADH có xuất hiện hay vắng mặt, dịch rời đoạn đầu của ống lượn xa là giảm thẩm thấu, với một nồng độ thẩm thấu chỉ bằng khoảng một phần ba so với nồng độ thẩm thấu huyết tương.
Dịch ống thận trong ống lượn xa và vi ống thu thập thì được pha loãng nhiều hơn nữa trong sự vắng mặt của ADH. Khi dịch loãng trong đoạn đầu ống lượn xa đi vào trong đoạn cuối ống lượn xa, ống thu thập vỏ và ống thu thập tủy, có sự tái hấp thu thêm natri chloride. Trong sự vắng mặt của ADH, phần này của ống cũng không thấm với nước và sự tái hấp thu thêm các chất tan làm cho dịch ống thận trở nên thậm chí loãng hơn nữa, làm giảm áp suất thẩm thẩm của nó xuống thấp đến 50 mOsm/L. Sự không tái hấp thu nước và liên tục tái hấp thu các chất tan đưa đến một thể tích lớn nước tiểu loãng.
Tóm lại, cơ chế để hình thành nước tiểu loãng là liên tục tái hấp thu các chất tan từ các đoạn xa của hệ thống ống thận đồng thời giảm sự tái hấp thu nước. Ở các thận khỏe mạnh, dịch rời nhánh lên quai Henle lên và đoạn đầu ống lượn xa thì luôn luôn là dịch loãng bất kể mức ADH là bao nhiêu. Trong sự vắng mặt của ADH, nước tiểu được pha loãng nhiều hơn nữa trong đoạn cuối của ống lượn xa và các ống thu thập, và một lượng lớn nước tiểu loãng được bài tiết.
Các thận bảo toàn nước bằng cách bài tiết nước tiểu cô đặc
Khả năng của thận trong hình thành nên nước tiểu cô đặc là cần thiết cho sự sống của động vật có vú sống trên mặt đất, bao gồm cả con người. Nước thì liên tục mất khỏi cơ thể thông qua các chặng khác nhau, bao gồm các phổi bởi sự bay hơi vào trong không khí thở ra, đường tiêu hóa bởi đường phân, da thông qua sự bốc hơi và sự đổ mồ hôi và các thận thông qua sự bài tiết của nước tiểu. Dịch hấp thu thì được cần đến để bù lại lượng dịch mất, nhưng khả năng của các thận trong việc hình thành nên một thể tích nhỏ nước tiểu cô đặc sẽ làm giảm thiểu lượng dịch cần tiêu thụ để duy trì hằng định nội môi, một chức năng mà đặc biệt quan trọng khi thiếu nước cung cấp.
Khi có một sự thiếu hụt nước trong cơ thể, các thận hình thành nên nước tiểu cô đặc bằng cách liên tục bài tiết các chất tan đồng thời tăng cường tái hấp thu nước và làm giảm thể tích nước tiểu. Thận người có thể cung cấp một nồng độ thẩm thấu nước tiểu tối đa là 1200 đến 1400 mOsm/L, 4 đến 5 lần so với nồng độ thẩm thấu của huyết tương.
Một số động vật sa mạc, như chuột nhảy Australia, có thể cô đặc nước tiểu cao đến 10,000 mOsm/L. Khả năng này cho phép chuột sống sót trong sa mạc mà không cần uống nước; lượng nước đủ có thể thu được qua thức ăn được tiêu hóa và nước được tạo ra trong cơ thể bởi sự chuyển hóa của thức ăn. Các động vật thích nghi với các môi trường nước ngọt thường có khả năng cô đặc nước tiểu ít. Ví dụ, hải li chỉ có thể cô đặc nước tiểu đến khoảng 500 mOsm/L.
Thể tích nước tiểu bắt buộc (obligatory urine volume)
Khả năng cô đặc tối đa của các thận sẽ cho biết có bao nhiêu thể tích nước tiểu phải được bài tiết mỗi ngày để loại bỏ các sản phẩm thải chuyển hóa và chất điện giải của cơ thể mà được ăn vào. Một người bình thường nặng 70 kg phải bài tiết khoảng 600 milliosmoles chất tan mỗi ngày. Nếu như khả năng cô đặc nước tiểu tối đa là 1200 mOsm/L thì thể tích nước tiểu tối thiểu mà phải được bài tiết, được gọi là thể tích nước tiểu bắt buộc (obligatory urine volume), có thể được tính toán là như sau:
(600 mOsm/ngày)/(1200 mOsm/L) = 0.5 L/ngày
Sự mất thể tích nước tối thiểu này trong nước tiểu đóng góp vào sự mất nước, cùng với sự mất nước từ da, đường hô hấp và đường tiêu hóa, khi nước không có sẵn để uống.
Khả năng giới hạn của thận người trong việc cô đặc nước tiểu đến chỉ khoảng 1200 mOsm/L giải thích tại sao mất nước nghiêm trọng xảy ra nếu như một người cố gắng uống nước biển. Nồng độ natri chloride trong đại dương trung bình là khoảng 1000 và 1200 mOsm/L. Uống 1 lít nước biển với một nồng độ là 1200 mOsm/L sẽ cung cấp tổng cộng một lượng natri chloride hấp thụ là 1200 milliosmoles. Nếu như khả năng cô đặc nước tiểu tối đa là 1200 mOsm/L, lượng nước tiểu cần để bài tiết 1200 milliosmoles là 1.0 lít. Tại sao sau khi uống nước biển lại gây ra mất nước? Câu trả lời là thận phải bài tiết các chất tan khác nhau, đặc biệt là urea, là thành phần đóng góp khoảng 600 mOsm/L khi nước tiểu được cô đặc tối đa. Vì thế, nồng độ tối đa của natri chloride mà có thể được bài tiết bởi các thận là khoảng 600 mOsm/L. Do đó, đối với mỗi lít nước biển tiêu thụ, 1.5 lít thể tích nước tiểu sẽ bắt buộc phải được loại bỏ khỏi cơ thể gồm 1200 milliosmoles của natri chloride được tiêu thụ cùng với 600 milliosmoles của các chất tan khác, như urea. Điều này gây ra một sự mất dịch toàn phần là 0.5 lít đối với mỗi lít nước biển, giải thích sự mất nước nhanh mà xảy ra ở những nạn nhân đắm tàu mà uống nước biển. Tuy nhiên, một con chuột nhảy Australia, là thú nuôi của nạn nhân đắm tàu có thể uống nước biển mà không bị sao cả.
Trọng lượng riêng của nước tiểu
Trọng lượng riêng (specific gravity) của nước tiểu thường được sử dụng trong các trường hợp lâm sàng để cung cấp một sự ước tính nhanh về nồng độ chất tan trong nước tiểu. Nước tiểu càng được cô đặc thì trọng lượng riêng của nước tiểu càng cao. Trong hầu hết các trường hợp, trọng lượng riêng nước tiểu tăng một cách tuyến tính với sự tăng lên trong nồng độ thẩm thấu của nước tiểu (Hình 3). Tuy nhiên, trọng lượng riêng của nước tiểu là một sự đo đạc về trọng lượng của các chất tan trong một thể tích nước tiểu cho trước và vì thế được xác định bởi số lượng và kích thước của các phân tử chất tan. Ngược lại, nồng độ thẩm thấu chỉ được xác định bởi số phân tử chất tan trong một thể tích cho trước.
Trọng lượng riêng nước tiểu nhìn chung được thể hiện ở đơn vị grams trên mỗi milliliter (g/ml) và ở người, bình thường là từ 1.002 đến 1.028 g/ml, tăng lên 0.001 cho mỗi sự tăng lên 35- đến 40- mOsm/L trong nồng độ thẩm thấu nước tiểu. Mối liên hệ này giữa trọng lượng riêng và nồng độ thẩm thấu được thay đổi khi có các lượng đáng kể các phân tử lớn trong nước tiểu, như glucose, các chất cản quang được sử dụng cho các mục đích chẩn đoán hay một số kháng sinh. Trong các trường hợp này, các sự đo đạc trọng lượng riêng nước tiểu có thể cho thấy một nước tiểu cô đặc cao sai lệch mặc cho một nồng độ thẩm thấu nước tiểu đang bình thường.
Que nhúng (dipstick) thì có sẵn để đo trọng lượng riêng nước tiểu gần đúng nhưng hầu hết các phòng xét nghiệm đo trọng lượng riêng nước tiểu bằng một khúc xạ kế (refractometer).
Bài tiết nước tiểu cô đặc cần các mức ADH cao và tủy thượng thận tăng thẩm thấu
Các yêu cầu cơ bản để hình thành nên một nước tiểu cô đặc là (1) một mức cao của ADH, là hormone mà làm tăng tính thấm của các ống lượn xa và các ống thu thập đối với nước, bằng cách đó cho phép các đoạn ống này tái hấp thu nước một cách mạnh mẽ; và (2) một nồng độ thẩm thấu cao của dịch kẽ tủy thận, điều này cung cấp gradient thẩm thấu cần cho sự tái hấp thu nước xảy ra trong sự có mặt của các mức ADH cao.
Khoảng kẽ của tủy thận quanh các ống thu thập bình thường thì tăng thẩm thấu, vì thế, khi các mức ADH cao thì nước di chuyển qua màng ống thận bởi sự thẩm thấu vào trong khoảng kẽ của thận; từ đó nó được mang đi khỏi bởi các mạch thẳng (vasa recta) quay trở lại trong máu. Vì thế, khả năng cô đặc nước tiểu bị giới hạn bởi mức ADH và bởi mức độ tăng thẩm thấu của tủy thận. Chúng ta bàn luận đến các yếu tố mà kiểm soát sự bài tiết ADH sau, còn bây giờ, quá trình nào mà làm cho dịch kẽ tủy thận trở nên tăng thẩm thấu? Quá trình này liên quan đến sự vận hành của cơ chế nhân ngược dòng (countercurrent multiplier mechanism).
Cơ chế nhân đối dòng phụ thuộc vào sự sắp xếp giải phẫu đặc trưng của các quai Henle và các mạch thẳng, các mao mạch quanh ống thận đặc trưng của tủy thận. Ở người, khoảng 25% các nephrons là các nephrons cạnh tủy (juxtamedullary nephrons), với các quai Henle và các mạch thẳng đi sâu vào trong tủy thận trước khi trở lại vỏ thận. Một số quai Henle chìm sâu đến các đỉnh của các nhú thận mà nhô từ tủy thận vào trong chậu thận. Song song với các quai Henle dài là các mạch thẳng, là các mạch máu mà cũng vòng xuống vào trong tủy thận trước khi trở lại vỏ thận. Và cuối cùng, các ống thu thập, mà mang nước tiểu qua vùng tủy thận tăng thẩm thấu trước nó được bài tiết, cũng đóng một vai trò quan trọng trong cơ chế ngược dòng.
Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo nhé !!!
