Sự tái hấp thu và bài tiết dọc theo các phần khác nhau trong nephron
Sự vận chuyển chất tan và nước trong quai Henle
Quai Henle bao gồm ba đoạn chức năng riêng biệt – đoạn xuống mỏng; đoạn lên mỏng và đoạn lên dày. Đoạn xuống mỏng và đoạn lên mỏng, như các tên của chúng, có các màng biểu mô mỏng mà không có các bờ bàn chải, ít ty thể và các mức độ hoạt động chuyển hóa thấp (Hình 1).
Phần xuống của đoạn mỏng có tính thấm cao với nước và có tính thấm trung bình với hầu hết chất tan, bao gồm urea và natri. Chức năng của đoạn nephron này chủ yếu là cho phép sự khuếch tán đơn giản của các chất qua các thành của nó. Khoảng 20% nước được lọc là được tái hấp thu trong quai Henle và hầu hết tất cả sự tái hấp thu này là xảy trong trong nhánh xuống mỏng. Nhánh lên, bao gồm cả các phần mỏng và dày, thì hầu như không thấm với nước, một đặc trưng mà quan trọng đối với sự cô đặc nước tiểu.
Đoạn dày của quai Henle, mà bắt đầu ở khoảng giữa nhanh lên, có các tế bào biểu mô dày mà có hoạt động chuyển hóa cao và có khả năng tái hấp thu chủ động natri, chloride và kali (xem Hình 1). Khoảng 25% các tải lọc natri, chloride và kali được tái hấp thu trong quai Henle, hầu như là trong nhánh lên dày. Các lượng đáng kể của các ions khác, như calcium, bicarbonate và magnesium, cũng được tái hấp thu trong nhánh lên dày của quai Henle. Đoạn mỏng của nhánh lên có một khả năng tái hấp thu thấp hơn nhiều so với đoạn dày, và nhánh xuống mỏng thì không tái hấp thu các lượng đáng kể của bất kỳ chất tan nào trong số các chất này.
Một phần quan trọng của sự tái hấp thu chất tan trong nhánh lên dày là bơm Na+-K+ ATPase trong các màng đáy-bên của tế bào biểu mô. Như trong ống lượn gần, sự tái hấp thu các chất tan khác nhau trong đoạn dày của nhánh lên quai Henle lên thì có liên hệ chặt chẽ với khả năng tái hấp thu của bơm Na+-K+ ATPase, thành phần giúp duy trì một nồng độ natri nội bào thấp mà cuối cùng sẽ cung cấp một gradient thuận lợi cho sự di chuyển của natri từ dịch ống thận vào trong tế bào. Trong nhánh lên dày, sự di chuyển của natri qua màng lòng được điều hòa chủ yếu bởi một kênh đồng vận chuyển 1-natri, 2-chloride, 1-kali (NKCC2) (Hình 2). Protein đồng vận chuyển này trong màng lòng sử dụng năng lượng thế năng được giải phóng bởi sự khuếch tán theo gradient nồng độ của natri vào trong tế bào để điều khiển sự tái hấp thu của kali vào trong tế bào ngược gradient nồng độ.
Nhánh lên dày của quai Henle là vị trí hoạt động của các thuốc lợi niệu quai mạnh mẽ furosemide, ethacrynic acid và bumetanide, tất cả chúng đều ức chế hoạt động của kênh đồng vận chuyển NKCC2. Các thuốc lợi niệu này sẽ được nói đến trong loạt bài viết tiếp theo. Nhánh lên dày cũng có một cơ chế đối vận chuyển natri-hydrogen trong màng tế bào lòng mà điều hòa sự tái hấp thu natri và sự bài tiết hydrogen (xem Hình 2).
Cũng có sự tái hấp thu cạnh tế bào đáng kể của các cations, như Mg2+, Ca2+, Na+ và K+, trong nhánh lên dày do sự tích điện hơi dương của lòng ống so với dịch kẽ. Mặc dù kênh đồng vận chuyển NKCC2 đưa các lượng bằng nhau của các cations và anions vào trong tế bào nhưng hơi có một sự thoát ngược của ion kali vào trong lòng ống, tạo ra một sự tích điện dương là khoảng +8 millivolts trong lòng ống. Tích điện dương này đẩy các cations như Mg2+ và Ca2+ khuếch tán từ lòng ống qua khoang cạnh tế bào và vào trong dịch kẽ.
Đoạn dày của quai Henle lên thì hầu như không thấm với nước. Vì thế, hầu hết nước được vận chuyển đến đoạn này là vẫn ở trong lòng ống, mặc cho sự tái hấp thu các lượng lớn các chất tan. Dịch ống thận trong nhánh lên trở nên rất loãng khi nó chảy về phía ống lượn xa, một đặc điểm mà quan trọng trong việc cho phép các thận làm loãng hoặc cô đặc nước tiểu dưới các điều kiện khác nhau, như được nói đến chi tiết trong loạt bài viết tiếp theo.
Các ống lượn xa
Đoạn dày của nhánh lên quai Henle đổ vào trong ống lượn xa. Phần đầu tiên của ống lượn xa hình thành nên vết đặc (macula densa), một nhóm các tế bào biểu mô được sắp xếp chặt chẽ mà là một phần của phức hợp cạnh cầu thận (juxtaglomerular complex) và cung cấp sự kiểm soát phản hồi của GFR và lưu lượng máu trong cùng nephron này.
Phần tiếp theo của ống lượn xa thì được cuộn quấn mạnh và có nhiều đặc điểm tái hấp thu giống với đoạn dày của nhánh lên quai Henle. Nghĩa là, nó hấp thu mạnh mẽ hầu hết các ions, bao gồm natri, kali, và chloride, nhưng hầu như không thấm đối với nước và urea. Vì lý do này, nó được gọi là đoạn pha loãng (diluting segment) bởi vì nó cũng pha loãng dịch ống thận.
Gần 5% tải natri chloride lọc là được tái hấp thu trong đoạn đầu ống lượn xa. Chất đồng vận chuyển natri-chloride đưa natri chloride từ lòng ống vào trong tế bào và bơm Na+-K+ ATPase vận chuyển natri ra khỏi tế bào qua màng đáy-bên (Hình 3). Chloride khuếch tán ra khỏi tế bào vào trong dịch kẽ thận thông qua các kênh chloride trong màng đáy-bên.
Lợi niệu thiazide (thiazide diuretics), mà được sử dụng rộng rãi để điều trị các rối loạn như tăng huyết áp và suy tim, sẽ làm ức chế kênh đồng vận chuyển natri-chloride.
Các đoạn cuối ống lượn xa và các vi ống thu thập vỏ
Nửa sau của ống lượn xa và vi ống thu thập vỏ kế tiếp có các đặc điểm chức năng tương tự. Về mặt giải phẫu, chúng bao gồm hai loại tế bào riêng biệt, các tế bào chính (principal cells) và các tế bào xen kẽ (intercalated cells) (Hình 4). Các tế bào chính tái hấp thu natri và nước từ lòng ống và bài tiết ion kali vào trong lòng ống. Các tế bào xen kẽ type A tái hấp thu ion kali và bài tiết ion hydrogen vào trong lòng ống.
Các tế bào chính tái hấp thu natri và bài tiết kali. Sự tái hấp thu natri và sự bài tiết kali bởi các tế bào chính phụ thuộc vào hoạt động của bơm Na+-K+ ATPase trong màng đáy-bên của mỗi tế bào (Hình 5). Bơm này duy trì một nồng độ natri thấp bên trong tế bào và vì thế, tạo điều kiện cho sự khuếch tán natri vào trong tế bào thông qua các kênh vận chuyển chuyển biệt. Sự bài tiết kali bởi các tế bào này từ máu vào trong lòng ống liên quan đến hai bước: (1) kali đi vào trong tế bào nhờ bơm Na+-K+ ATPase, là bơm giúp duy trì một nồng độ kali nội bào cao; và (2) một khi ở trong tế bào, kali khuếch tán theo gradient nồng độ của nó qua màng lòng vào trong dịch ống thận.
Các tế bào chính là các vị trí chủ yếu của hoạt động lợi niệu giữ kali (potassium-sparing diuretics), bao gồm spironolactone, eplerenone, amiloride và triamterene. Spironolactone và eplerenone là các thuốc đối kháng thụ cảm thể mineralocorticoid (mineralocorticoid receptor antagonists) mà tranh chấp với aldosterone cho các vị trí thụ cảm thể trong các tế bào chính và vì thế ức chế các tác động kích thích của aldosterone lên sự tái hấp thu natri và sự bài tiết kali. Amiloride và triamterene là các thuốc chặn kênh natri (sodium channel blockers) mà ức chế một cách trực tiếp sự đi vào của natri vào trong các kênh natri của các màng lòng ống và vì thế làm giảm lượng natri mà có thể được vận chuyển qua các màng đáy-bên bởi bơm Na+-K+ ATPase. Điều này, cuối cùng, làm giảm sự bài tiết kali vào trong dịch ống thận. Vì lý do này, các thuốc chặn kênh natri, cũng như là các thuốc đối kháng aldosterone, sẽ làm giảm sự bài tiết trong nước tiểu của kali và đóng vai trò như là các thuốc lợi niệu giữ kali (potassium-sparing diuretics).
Các tế bào xen kẽ có thể bài tiết hoặc tái hấp thu các ion hydrogen, bicarbonate và kali. Các tế bào xen kẽ đóng một vai trò chính trong điều hòa acid-base và chiếm 30% đến 40% số lượng các tế bào trong các vi ống thu thập và ống thu thập. Có hai loại tế bào xen kẽ, là type A và type B (Hình 6). Tế bào xen kẽ type A bài tiết các ion hydrogen bởi một chất vận chuyển hydrogen-ATPase và bởi một chất vận chuyển hydrogen-kali-ATPase. Hydrogen được tạo thành trong tế bào này bởi hoạt động của carbonic anhydrase đối với nước và carbon dioxide để hình thành carbonic acid, là chất mà sau đó phân ly thành ion hydrogen và ion bicarbonate. Ion hydrogen sau đó được bài tiết vào trong lòng ống thận và đối với mỗi ion hydrogen được bài tiết, một ion bicarbonate trở nên sẵn có để tái hấp thu qua màng đáy-bên. Các tế bào xen kẽ type A thì đặc biệt quan trọng trong việc loại bỏ ion hydrogen đồng thời tái hấp thu bicarbonate trong tình trạng nhiễm toan.
Các tế bào xen kẽ type B có các chức năng đối nghịch với các tế bào type A và bài tiết bicarbonate vào trong lòng ống thận đồng thời tái hấp thu các ions hydrogen trong tình trạng nhiễm kiềm. Các tế bào xen kẽ type B có các chất vận chuyển hydrogen và bicarbonate trên các phía đối diện của màng tế bào so với các tế bào type A. Chất đối vận chuyển chloride-bicarbonate trên màng đỉnh của các tế bào type B được gọi là pendrin và khác so với kênh vận chuyển chloride-bicarbonate của các tế bào type A. Ion hydrogen được vận chuyển một cách chủ động ra khỏi tế bào xen kẽ type B trên mặt đáy-bên của màng tế bào bởi hydrogen-ATPase và bicarbonate được bài tiết vào trong lòng ống, vì thế, loại bỏ bicarbonate huyết tương dư thừa trong tình trạng nhiễm kiềm. Sự cảm ứng của nhiễm kiềm chuyển hóa mạn tính làm tăng số lượng tế bào xen kẽ B, tế bào mà sẽ đóng góp vào sự tăng bài tiết bicarbonate, ngược lại, nhiễm toan làm tăng số lượng tế bào type A.
Một sự bàn luận chi tiết hơn về cơ chế này được thể hiện trong loạt bài tiết tiếp theo. Các tế bào xen kẽ cũng có thể tái hấp thu hoặc bài tiết các ion kali, như được thể hiện trong Hình 6.
Các đặc điểm chức năng của đoạn cuối ống lượn xa và vi ống thu thập vỏ có thể được tóm tắt như sau:
1. Các màng ống của cả hai đoạn ống thận thì hầu như hoàn toàn không thấm với urea, tương tự với đoạn pha loãng của đoạn đầu ống lượn xa. Vì thế, hầu như tất cả urea mà đi vào trong các đoạn này thì sẽ đi qua và vào trong ống thu thập để được bài tiết trong nước tiểu mặc dù một ít sự tái hấp thu của urea xảy ra trong các ống thu thập tủy.
2. Cả đoạn cuối ống lượn xa và vi ống thu thập vỏ đều tái hấp thu ion natri và tốc độ tái hấp thu được kiểm soát bởi các hormones, đặc biệt là aldosterone. Cùng lúc đó, các đoạn này bài tiết ion kali từ máu mao mạch quanh ống thận vào trong lòng ống, một quá trình mà cũng được kiểm soát bởi aldosterone và các yếu tố khác như nồng độ của ion kali trong các dịch cơ thể.
3. Tế bào xen kẽ type A của các đoạn nephron này có thể bài tiết mạnh ion hydrogen bởi một cơ chế hydrogen-ATPase chủ động trong tình trạng nhiễm toan. Quá trình này thì khác với sự bài tiết tích cực thứ phát của các ion hydrogen bởi ống lượn gần bởi vì nó có khả năng bài tiết ion hydrogen ngược một gradient nồng độ lớn, lên đến 1000 so với 1. Điều này thì ngược lại với gradient tương đối nhỏ (4 đến 10 lần) đối với ion hydrogen mà có thể đạt được bởi sự bài tiết tích cực thứ phát trong ống lượn gần. Trong tình trạng nhiễm kiềm, các tế bào xen kẽ type B bài tiết bicarbonate và tái hấp thu một cách chủ động ion hydrogen. Vì thế, các tế bào xen kẽ đóng một vai trò quan trọng trong điều hòa acid-base của các dịch cơ thể.
4. Tính thấm của đoạn cuối ống lượn xa và ống thu thập vỏ đối với nước thì được kiểm soát bởi nồng độ ADH, hormone còn được gọi là vasopressin. Với các mức ADH cao, các đoạn ống này thì thấm với nước nhưng trong sự vắng mặt của ADH, chúng thì hầu như không thấm với nước. Đặc điểm đặc biệt này cung cấp một cơ chế quan trọng cho sự kiểm soát mức độ pha loãng hay cô đặc của nước tiểu.
Các ống thu thập tủy
Măc dù các ống thu thập tủy thường tái hấp thu dưới 5% nước và natri được lọc nhưng chúng là các vị trí cuối cùng của việc xử lý nước tiểu và vì thế, đóng một vai trò thiết yếu trong việc xác định lưu lượng nước và các chất tan cuối cùng trong nước tiểu.
Các tế bào biểu mô của các ống thu thập thì gần như có hình hộp, với các mặt trơn láng và tương đối ít ty thể (Hình 7). Các đặc điểm đặc biệt của đoạn ống thận này là như sau:
1. Tính thấm của ống thu thập tủy với nước được kiểm soát bởi mức ADH. Với các mức ADH cao, nước được tái hấp thu một cách mạnh mẽ vào trong khoảng kẽ tủy thận, bằng cách đó, làm giảm thể tích nước tiểu và cô đặc hầu hết các chất tan trong nước tiểu.
2. Không giống như vi ống thu thập vỏ, ống thu thập tủy thì thấm với urea và có các chất vận chuyển urea (urea transporters) chuyên biệt mà tạo điều kiện cho sự khuếch tán của urea qua các màng lòng và màng đáy-bên. Vì thế, một ít urea của ống thận được tái hấp thu vào trong khoảng kẽ của tủy thận, giúp làm tăng nồng độ thẩm thấu trong vùng này của thận và đóng góp vào khả năng tổng quan của thận trong việc hình thành nên nước tiểu cô đặc. Chủ đề này sẽ được nói đến trong loạt bài viết tiếp theo.
3. Ống thu thập tủy thận thì có khả năng bài tiết ion hydrogen ngược lại một gradient nồng độ lớn, như cũng xảy ra trong vi ống thu thập vỏ. Vì thế, ống thu thập tủy cũng đóng một vai trò quan trọng trong điều hòa thăng bằng acid-base.
Tóm tắt các nồng độ của các chất tan khác nhau trong các đoạn ống thận khác nhau
Việc liệu một chất tan sẽ trở nên cô đặc trong dịch ống thận hay không thì được xác định bởi độ tái hấp thu tương đối của chất tan đó so với sự tái hấp thu của nước. Nếu như một phần trăm của nước lớn hơn được tái hấp thu thì chất tan trở nên cô đặc hơn. Nếu như một phần trăm chất tan lớn hơn được tái hấp thu thì chất tan trở nên loãng hơn.
Hình 8 cho thấy mức độ của nồng độ của một số chất tan trong các đoạn ống thận khác nhau. Tất cả các giá trị trong hình này biểu diễn nồng độ trong dịch ống thận chia cho nồng độ trong huyết tương của một chất. Nếu như nồng độ huyết tương của chất được cho là hằng định thì bất cứ sự thay đổi nào trong tỷ số nồng độ dịch ống thận/huyết tương sẽ phản ánh các sự thay đổi trong nồng độ dịch ống thận.
Khi dịch lọc di chuyển dọc theo hệ thống ống thận thì nồng độ tăng dần dần đến cao hơn 1.0 nếu như nhiều nước được tái hấp thu hơn chất tan hoặc nếu như có một sự bài tiết toàn phần của chất tan vào trong dịch ống thận. Nếu như tỷ số nồng độ trở nên dần dẫn thấp hơn 1.0 thì điều này có nghĩa là nhiều chất tan được tái hấp thu hơn so với nước.
Các chất tan được biểu diễn ở đỉnh của Hình 8 như creatinine, trở nên được cô đặc nhiều trong nước tiểu. Nhìn chung, các chất này thì không được cần bởi cơ thể, và các thận trở nên thích nghi với việc tái hấp thu ít chúng hoặc không tái hấp thu hoặc thậm chí bài tiết chúng vào trong các ống thận, bằng cách đó, bài tiết các lượng lớn vào trong nước tiểu. Ngược lại, các chất biểu diễn ở đáy của hình, như glucose và amino acids thì tất cả đều được tái hấp thu một cách mạnh mẽ. Đây là tất cả các chất mà cơ thể cần bảo toàn và hầu như không có chất nào trong số chúng bị mất trong nước tiểu.
Nồng độ inulin dịch ống thận/huyết tương có thể được sử dụng để đánh giá sự tái hấp thu nước bởi các ống thận. Inulin, một polysaccharide được sử dụng để đo GFR, thì không được tái hấp thu hay bài tiết bởi các ống thận. Các sự thay đổi trong nồng độ inulin ở các điểm khác nhau dọc theo ống thận vì thế sẽ phản ánh các sự thay đổi trong lượng nước xuất hiện trong dịch ống thận.
Ví dụ, tỷ số nồng độ dịch ống thận/huyết tương đối với inulin tăng đến khoảng 3.0 ở cuối của ống lượn gần, chỉ ra rằng nồng độ inulin trong dịch ống thận gấp ba lần so với trong huyết tương và dịch lọc cầu thận. Bởi vì inulin không được bài tiết hay tái hấp thu từ các ống thận nên một tỷ số nồng độ dịch ống thận/huyết tương là 3.0 có nghĩa là chỉ một phần ba nước mà được lọc thì vẫn còn ở trong ống thận và có nghĩa là hai phần ba nước được lọc đã được tái hấp thu khi dịch đi qua ống lượn gần. Ở cuối của các ống thu thập, tỷ số nồng độ inulin của dịch trong ống thận/huyết tương tăng đến khoảng 125 lần (xem Hình 8), cho thấy rằng chỉ 1/125 nước được lọc là vẫn còn trong ống thận và hơn 99% là được tái hấp thu.
Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo nhé !!!
