Cơ chế nhân ngược dòng tạo ra khoảng kẽ tủy thận tăng thẩm thấu
Nồng độ thẩm thấu của dịch trong hầu hết các tất cả các phần của cơ thể là khoảng 300 mOsm/L, tương tự với nồng độ thẩm thấu huyết tương. (Như được nói đến trong loạt bài viết trước, hoạt động thẩm thấu đã hiệu chỉnh, mà đã trừ đi tương tác gian phân tử, là khoảng 282 mOsm/L). Nồng độ thẩm thấu của dịch kẽ trong tủy thận thì cao hơn nhiều và có thể tăng dần dần đến khoảng 1200 đến 1400 mOsm/L trong đỉnh chậu thận của tủy thận. Điều này có nghĩa là khoảng kẽ tủy thận đã tích tụ các chất tan vượt quá lượng nước rất nhiều. Một khi nồng độ chất tan cao trong tủy thận được đạt đến, nó sẽ được duy trì bởi một dòng vào và dòng ra cân bằng của các chất tan và nước trong tủy thận.
Các yếu tố chính mà đóng góp vào sự tích tụ của nồng độ chất tan vào trong tủy thận là như sau:
1. Sự vận chuyển chủ động của ion natri và sự đồng vận chuyển của kali, chloride và các ion khác ra khỏi phần dày của nhánh lên quai Henle vào trong khoảng kẽ tủy thận.
2. Sự vận chuyển chủ động ion từ các ống thu thập vào trong khoảng kẽ của tủy thận.
3. Sự khuếch tán có gia tốc của urea từ các ống thu thập của tủy thận vào trong khoảng kẽ tủy thận.
4. Sự khuếch tán của chỉ các lượng nhỏ nước từ các ống thận tủy vào trong khoảng kẽ của tủy thận – ít hơn nhiều so với sự tái hấp thu của các chất tan vào trong khoảng kẽ tủy thận.
Các đặc điểm của quai Henle mà làm cho các chất tan được giữ trong tủy thận
Các đặc điểm vận chuyển của các quai Henle được tóm tắt trong Bảng 1, cùng với các thuộc tính của các ống lượn gần, các ống lượn xa, các vi ống thu thập vỏ và các ống thu thập tủy trong.
Một nguyên nhân chính cho nồng độ thẩm thấu cao của tủy thận là sự vận chuyển chủ động của natri và sự đồng vận chuyển của kali, chloride và các ion khác từ phần lên dày của quai Henle vào trong khoảng kẽ. Bơm này có khả năng thiết lập khoảng 200 mOsm/L gradient nồng độ thẩm thấu giữa lòng ống và dịch kẽ. Bởi vì nhánh dày lên này thì hầu như không thấm với nước nên các chất tan được bơm ra ngoài thì không được theo sau bởi dòng thẩm thấu của nước vào trong khoảng kẽ. Vì thế, sự vận chuyển chủ động của natri và các ion khác ra khỏi quai lên dày giúp thêm ion nhiều hơn nước vào trong khoảng kẽ tủy thận. Có một số sự tái hấp thu thụ động của natri chloride từ nhánh lên mỏng của quai Henle, đoạn mà về bản chất cũng không thấm với nước, mà giúp bổ sung nhiều hơn nữa vào nồng độ chất tan cao của khoảng kẽ tủy thận.
Nhánh xuống của quai Henle thì ngược lại với nhánh lên, rất thấm đối với nước và nồng độ thẩm thấu dịch ống thận nhanh chóng trở nên cân bằng với nồng độ thẩm thấu tủy thận. Vì thế, nước khuếch tán ra khỏi nhánh xuống của quai Henle vào trong khoảng kẽ và nồng độ thẩm thấu của dịch ống thận dần dần tăng khi nó chảy về phía đỉnh của quai Henle.
Các bước liên quan trong việc tạo ra khoảng kẽ thận tăng thẩm thấu. Luôn nhớ trong đầu các đặc điểm này của quai Henle, bây giờ hãy bàn đến việc làm thế nào tủy thận trở nên tăng thẩm thấu (hyperosmotic). Đầu tiên, giả sử rằng quai Henle chứa đầy dịch có một nồng độ là 300 mOsm/L, giống với khi rời khỏi ống lượn gần (Hình 1, bước 1). Tiếp theo, bơm ion hoạt động của nhánh lên dày của quai Henle làm giảm nồng độ bên trong ống và làm tăng nồng độ dịch kẽ; bơm này thiết lập một gradient nồng độ 200 mOsm/L giữa dịch ống thận và dịch kẽ (Hình 1, bước 2). Giới hạn đối với gradient là khoảng 200 mOsm/L bởi vì sự khuếch tán cạnh tế bào của các ion quay trở lại vào trong ống cuối cùng sẽ cân bằng lại sự vận chuyển của các ions ra khỏi lòng ống khi gradient nồng độ 200 mOsm/L được đạt đến.
Bước 3 là dịch ống thận trong nhánh xuống của quai Henle và dịch kẽ nhanh chóng đạt đến cân bằng thẩm thấu do sự thẩm thấu của nước ra khỏi nhánh xuống. Nồng độ thẩm thấu kẽ ban đầu được duy trì ở 400 mOsm/L do sự vận chuyển ions liên tục ra khỏi đoạn lên dày của quai Henle. Vì thế, sự vận chuyển chủ động natri chloride ra khỏi nhánh lên dày thì có thể thiết lập một gradient nồng độ chỉ 200 mOsm/L, ít hơn nhiều so với việc đạt được bởi hệ thống nhân ngược dòng.
Bước 4 là dòng dịch thêm vào trong quai Henle từ ống lượn gần, điều mà làm cho dịch tăng thẩm thấu đã được hình thành trước đó trong nhánh xuống chảy vào trong nhánh lên. Một khi dịch này ở trong nhánh lên, thêm các ions nữa được bơm vào trong dịch kẽ và nước vẫn ở trong dịch ống thận cho đến khi một gradient thẩm thấu 200 mOsm/L được thiết lập, và áp suất thẩm thấu dịch kẽ tăng đến 500 mOsm/L (bước 5). Do đó, một lần nữa, dịch trong nhánh xuống đạt đến cân bằng với dịch kẽ tủy thận tăng thẩm thấu (bước 6) và, khi dịch ống thận tăng thẩm thấu từ nhánh xuống của quai Henle chảy vào trong nhánh lên thì thậm chí có nhiều chất tan hơn nữa liên tục được bơm ra khỏi các ống và tích tụ vào trong khoảng kẽ của tủy thận.
Các bước này được lặp đi lặp lại, với tác động toàn phần là việc thêm ngày càng nhiều chất tan vào trong tủy thận vượt trội so với nước. Với đủ thời gian, quá trình này dần dần giữ chất tan trong tủy thận và nhân gradient nồng độ được thiết lập bởi sự bơm các ions chủ động ra khỏi nhánh lên dày của quai Henle lên, cuối cùng làm tăng nồng độ thẩm thấu dịch kẽ đến 1200 đến 1400 mOsm/L, như được thể hiện trong bước 7.
Vì thế, sự tái hấp thu lặp đi lặp lại natri chloride bởi nhánh lên dày của quai Henle và dòng vào liên tục của natri chloride mới từ ống lượn gần vào trong quai Henle được gọi là “yếu tố nhân ngược dòng” (countercurrent multiplier). Natri chloride được tái hấp thu từ nhánh lên quai Henle liên tục bổ sung natri chloride mới, vì thế “nhân” nồng độ của nó lên trong khoảng kẽ tủy thận.
Vai trò của ống lượn xa và các ống thu thập trong bài tiết nước tiểu cô đặc
Khi dịch ống thận rời quai Henle và chảy vào trong ống lượn xa trong vỏ thận thì dịch loãng, với một nồng độ thẩm thấu chỉ khoảng 100 đến 140 mOsm/L (Hình 2). Đoạn đầu ống lượn xa pha loãng nhiều hơn nữa dịch ống thận bởi vì đoạn ống này, giống như quai Henle lên, vận chuyển một cách chủ động natri chloride ra khỏi ống nhưng tương đối không thấm với nước.
Khi dịch chảy vào trong vi ống thu thập vỏ, lượng nước được tái hấp thu thì phụ thuộc một cách chặt chẽ vào nồng độ trong huyết tương của ADH. Trong sự vắng mặt của ADH, đoạn ống này hầu như không thấm với nước và không thể tái hấp thu nước nhưng tiếp tục tái hấp thu các chất tan và làm loãng nước tiểu hơn nữa. Khi có một nồng độ ADH cao, vi ống thu thập vỏ trở nên thấm mạnh với nước, vì thế, các lượng nước lớn bây giờ được tái hấp thu từ các vi ống vào trong khoảng kẽ vỏ thận, nơi mà nó được đưa đi bởi các mao mạch quanh ống thận chảy nhanh. Bởi vì các lượng lớn nước được tái hấp thu vào trong vỏ thận hơn là vào trong tủy thận nên điều này giúp bảo tồn nồng độ thẩm thấu cao của dịch kẽ tủy thận.
Khi dịch ống thận chảy dọc theo các ống thu thập tủy, có một sự tái hấp thu nước nhiều hơn nữa từ dịch ống thận vào trong khoảng kẽ, nhưng tổng lượng nước thì tương đối nhỏ so với lượng nước được thêm vào trong khoảng kẽ vỏ thận. Nước được tái hấp thu được mang đi khỏi bởi các mạch thẳng vào trong máu tĩnh mạch. Khi các mức cao ADH xuất hiện, các ống thu thập trở nên thấm với nước, vì thế, dịch ở cuối ống thu thập về bản chất có cùng nồng độ thẩm thấu với dịch kẽ của tủy thận – khoảng 1200 mOsm/L (xem Hình 1). Vì thế, bằng sự tái hấp thu nhiều nước nhất có thể, các thận hình thành nên nước tiểu cô đặc, bài tiết các lượng chất tan bình thường trong nước tiểu đồng thời thêm nước quay trở lại dịch ngoại bào và đền bù cho các sự thiếu hụt của nước trong cơ thể.
Urea đóng góp vào khoảng kẽ tủy thận tăng thẩm thấu và sự hình thành của nước tiểu cô đặc
Urea đóng góp khoảng 40% đến 50% nồng độ thẩm thấu (500 – 600 mOsm/L) của khoảng kẽ tủy thận bình thường khi thận đang hình thành một nước tiểu cô đặc tối đa. Không giống như natri chloride, urea được tái hấp thu một cách thụ động từ ống thận. Khi có một sự thiếu hụt nước và nồng độ ADH trong máu thì cao thì các lượng lớn urea được tái hấp thu một cách thụ động từ các ống thu thập vùng tủy trong vào trong khoảng kẽ.
Cơ chế tái hấp thu urea vào trong tủy thận là như sau. Khi nước chảy lên theo nhánh lên của quai Henle vào trong ống lượn xa và vi ống thu thập vỏ, một ít urea được tái hấp thu bởi vì các đoạn ống này không thấm với urea (xem Bảng 1). Trong sự có mặt của các nồng độ cao ADH, nước được tái hấp thu một cách nhanh chóng từ vi ống thu thập vỏ và nồng độ urea tăng một cách nhanh chóng bởi vì urea không quá thấm trong phần này của ống.
Khi dịch ống thận chảy vào trong các ống thu thập vùng tủy trong, thậm chí nhiều sự tái hấp thu nước hơn được diễn ra, tạo ra một nồng độ urea thậm chí còn cao hơn trong dịch. Nồng độ urea cao này trong dịch ống thận của ống thu thập tủy trong làm cho urea khuếch tán ra khỏi ống thận vào trong dịch kẽ thận. Sự khuếch tán này được tạo điều kiện mạnh mẽ bởi các chất vận chuyển urea (urea transporters) chuyên biệt, UT-A1 và UT-A3. Các chất vận chuyển urea này được hoạt hóa bởi ADH, điều mà làm tăng sự vận chuyển urea ra khỏi ống thu thập vùng tủy trong thậm chí còn nhiều hơn khi các mức ADH được tăng lên. Sự di chuyển đồng thời của nước và urea ra khỏi các ống thu thập tủy trong giúp duy trì một nồng độ urea cao trong dịch ống thận và cuối cùng, trong nước tiểu, mặc dù urea đang được tái hấp thu.
Vai trò nền tảng của urea trong việc đóng góp vào khả năng cô đặc nước tiểu là có bằng chứng bởi sự thật là những người ăn một chế độ ăn giàu protein, thu được các lượng lớn urea dưới dạng sản phẩm thải chứa nitrogen, có thể cô đặc nước tiểu của họ tốt hơn nhiều so với những người mà sự ăn vào protein và sự sản xuất urea thấp. Suy dinh dưỡng liên quan với một nồng độ urea thấp trong dịch kẽ tủy thận và sự suy giảm đáng kể khả năng cô đặc nước tiểu.
Sự tái tuần hoàn của urea từ ống thu thập đến quai Henle đóng góp vào tủy thận tăng thẩm thấu. Một người khỏe mạnh thường bài tiết khoảng 20% đến 60% tải urea được lọc, phụ thuộc vào mức lưu lượng nước tiểu và tình trạng hydrate hóa. Nhìn chung, mức bài tiết urea được xác định chủ yếu bởi các yếu tố sau: (1) nồng độ urea trong huyết tương; (2) mức lọc cầu thận (GFR); và (3) sự tái hấp thu urea của ống thận. Ở những bệnh nhân mắc bệnh thận mà có các sự giảm nhiều trong GFR, nồng độ urea huyết tương tăng lên đáng kể, đưa tải urea được lọc và mức bài tiết urea đến mức bình thường (bằng với mức độ sản xuất urea), mặc dù GFR giảm.
Trong ống lượn gần, 40% đến 50% urea được lọc là được tái hấp thu nhưng thậm chí là như vậy, nồng độ urea dịch ống thận vẫn tăng lên bởi vì urea thì không thấm được nhiều như nước. Nồng độ urea tiếp tục tăng lên khi dịch ống thận chảy vào trong đoạn mỏng của quai Henle, một phần là bởi vì sự tái hấp thu nước khỏi nhánh xuống quai Henle nhưng cũng bởi vì có một ít sự bài tiết của urea vào trong quai Henle mỏng từ khoảng kẽ tủy thận (Hình 3). Sự bài tiết thụ động của urea vào trong các quai mỏng Henle được tạo điều kiện bởi chất vận chuyển urea UT-A2.
Nhánh dày của quai Henle, ống lượn xa và vi ống thu thập vỏ tất cả đều ít thấm với urea, và chỉ các lượng nhỏ của sự tái hấp thu urea bình thường xảy ra trong các đoạn ống này. Khi thận đang hình thành nước tiểu cô đặc và các mức cao ADH xuất hiện thì sự tái hấp thu nước từ ống lượn xa và vi ống thu thập vỏ sẽ làm tăng nồng độ urea dịch ống thận nhiều hơn nữa. Khi urea chảy vào trong ống thu thập tủy trong thì nồng độ urea dịch ống thận cao và các chất vận chuyển urea UT-A1 và UT-A3 làm cho urea khuếch tán vào trong khoảng kẽ tủy thận. Một lượng urea trung bình mà di chuyển vào trong khoảng kẽ tủy thận cuối cùng sẽ khuếch tán vào trong quai Henle mỏng và sau đó đi lên trên qua quai Henle lên, ống lượn xa và vi ống thu thập vỏ và quay trở lại vào trong ống thu thập tủy một lần nữa. Theo cách này, urea có thể được tái tuần hoàn qua các phần tận cùng này của hệ thống ống thận một vài lần trước khi nó được bài tiết. Mỗi lần tuần hoàn đóng góp vào một nồng độ urea cao hơn.
Sự tái tuần hòa này của urea cung cấp thêm một cơ chế trong việc hình thành nên một tủy thận tăng thẩm thấu. Bởi vì urea là một trong số các sản phẩm thải dồi dào nhất mà phải được bài tiết bởi các thận nên cơ chế cô đặc urea này trước khi nó được bài tiết thì cần thiết cho sự tiết kiệm dịch của cơ thể khi nước khan hiếm.
Khi có lượng dư nước trong cơ thể, mức lưu lượng nước tiểu tăng lên, và vì thế, nồng độ của urea trong các ống thu thập tủy trong giảm xuống, làm cho ít có sự khuếch tán của urea vào trong khoảng kẽ tủy thận. Các mức ADH cũng giảm khi có lượng dư nước trong cơ thể và sự giảm này cuối cùng sẽ làm giảm tính thấm của các ống thu thập tủy trong đối với cả nước và urea và nhiều urea hơn được bài tiết trong nước tiểu.
Sự trao đổi ngược dòng trong mạch thẳng giúp bảo tồn tính tăng thẩm thấu của tủy thận
Dòng máu phải được cung cấp đến tủy thận để cung cung cấp các nhu cầu chuyển hóa của các tế bào trong phần này của thận. Nếu như không có một hệ thống dòng máu tủy thận chuyên biệt thì các chất tan được bơm vào trong tủy thận bởi hệ thống nhân ngược dòng sẽ nhanh chóng mất đi.
Hai đặc điểm đặc biệt của dòng máu tủy thận đóng góp vào sự bảo toàn của các nồng độ chất tan cao:
1. Lưu lượng máu tủy thận thì thấp, chiếm dưới 5% của tổng lưu lượng máu thận. Dòng máu chậm chạp này không chỉ đủ để cung cấp các nhu cầu chuyển hóa của các mô mà giúp làm giảm thiểu sự mất chất tan từ khoảng kẽ tủy thận.
2. Mạch thẳng đóng vai trò như là các thành phần trao đổi ngược dòng (countercurrent exchangers), làm giảm thiểu sự mất đi của các chất tan khỏi khoảng kẽ tủy thận.
Cơ chế trao đổi ngược dòng vận hành như sau (Hình 4). Máu đi vào và rời khỏi tủy thận thông qua mạch thẳng ở ranh giới của vỏ thận và tủy thận. Mạch thẳng, giống như các mao mạch khác, thì có tính thấm cao với các chất tan trong máu, trừ các proteins huyết tương. Khi máu đi xuống vào trong tủy thận về phía các nhú thận, nó trở nên dần dần đặc hơn, một phần bởi sự đi vào của các chất tan từ khoảng kẽ và một phần bởi sự mất của nước vào trong khoảng kẽ. Vào thời điểm máu đến đỉnh của mạch thẳng, nó có một nồng độ khoảng 1200 mOsm/L, giống với của khoảng kẽ tủy thận. Khi máu đi lên quay trở lại về phía vỏ thận thì nó trở nên dần dần ít cô đặc hơn khi các chất tan khuếch tán ngược trở ra vào trong khoảng kẽ tủy thận và khi nước di chuyển vào trong mạch thẳng.
Mặc dù các lượng lớn dịch và chất tan được trao đổi qua mạch thẳng nhưng có ít sự pha loãng toàn phần của nồng độ dịch kẽ ở mỗi mức của tủy thận do hình dạng chữ U của các mao mạch thẳng, mà đóng vai trò như là các thành phần trao đổi ngược dòng. Vì thế, các mạch thẳng không tạo ra tính tăng thẩm thấu của tủy thận nhưng chúng ngăn cản việc nó bị mất đi.
Cấu trúc hình chữ U của các mạch máu làm giảm thiểu sự mất chất tan khỏi khoảng kẽ nhưng không ngăn cản dòng dịch và các chất tan đi vào trong máu thông qua áp suất thẩm thấu keo và áp suất thủy tĩnh thông thường mà tạo điều kiện cho sự tái hấp thu trong các mao mạch này. Dưới các điều kiện ổn định, mạch thẳng chỉ mang đi lượng chất tan và nước tương đương với lượng được hấp thu từ các ống thận tủy và nồng độ cao của các chất tan được thiết lập bởi cơ chế ngược dòng được bảo tồn.
Tăng lưu lượng máu tủy thận làm giảm khả năng cô đặc nước tiểu. Các chất giãn mạch nhất định có thể làm tăng đáng kể lưu lượng máu tủy thận, bằng cách đó, loại bỏ một ít chất tan khỏi tủy thận và làm giảm khả năng cô đặc nước tiểu tối đa. Các sự tăng lên nhiều trong áp suất động mạch cũng có thể làm tăng lưu lượng máu của tủy thận đến một mức lớn hơn trong các vùng khác của thận và có khuynh hướng loại bỏ khoảng kẽ tăng thẩm thấu, bằng cách đó, làm giảm khả năng cô đặc nước tiểu. Như được bàn đến trước đây, khả năng cô đặc tối đa của thận không chỉ được xác định bởi mức ADH mà còn bởi nồng độ thẩm thấu của dịch kẽ tủy thận. Ngay cả với các mức ADH tối đa, khả năng cô đặc nước tiểu sẽ giảm nếu lưu lượng máu tủy thận tăng đủ để làm giảm tính tăng thẩm thấu trong tủy thận.
Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo nhé !!!
