Trong loạt bài viết này, chúng ta sẽ bắt đầu bàn đến các tế bào máu (blood cells) và các tế bào của hệ thống đại thực bào (macrophage system) và hệ thống bạch huyết (lymphatic system). Đầu tiên, chúng ta sẽ trình bày các chức năng của các tế bào hồng cầu (red blood cells – RBCs), là các tế bào máu dồi dào nhất và cần thiết cho sự vận chuyển oxygen đến các mô.
Các tế bào hồng cầu (red blood cells hay erythrocytes)
Một chức năng chính của RBCs (tiếng Anh còn được gọi là “erythrocytes”) là vận chuyển hemoglobin, mà cuối cùng sẽ mang oxygen từ các phổi đến các mô. Ở một số động vật, bao gồm nhiều động vật không xương sống, hemoglobin tuần hoàn dưới dạng protein tự do trong các dịch tuần hoàn và không được bao trong RBCs. Khi nó tự do trong huyết tương người, khoảng 3% thoát ra qua màng mao mạch vào trong các khoảng kẽ mô hoặc qua màng cầu thận của thận vào trong dịch lọc cầu thận mỗi khi máu đi qua các mao mạch. Vì thế, hemoglobin phải được giữ bên trong RBCs để thực hiện chức năng của nó ở trong cơ thể người một cách hiệu quả.
RBCs có các chức năng khác bên cạnh sự vận chuyển hemoglobin. Ví dụ, chúng chứa một lượng lớn carbonic anhydrase, một enzyme mà xúc tác phản ứng có thể đảo ngược giữa carbon dioxide (CO2) và nước để hình thành nên carbonic acid (H2CO3), làm tăng vận tốc của phản ứng này lên vài ngàn lần. Tính nhanh của phản ứng này khiến nước của máu có thể vận chuyển các lượng CO2 khổng lồ ở dạng ion bicarbonate (HCO3–) từ các mô đến các phổi, nơi mà nó được chuyển lại thành CO2 và được đẩy vào trong khí quyển dưới dạng một sản phẩm thải của cơ thể. Hemoglobin trong các tế bào là một đệm acid-base tuyệt vời (như cũng đúng đối với hầu hết các proteins), vì thế, RBCs chịu trách nhiệm cho hầu hết khả năng đệm của máu toàn phần.
Hình dạng và kích thước của các tế bào máu. RBCs bình thường được thể hiện trong Hình 3, có dạng hình đĩa lõm hai mặt, có một đường kính trung bình là khoảng 7.8 micrometers và một độ dày là 2.5 micrometers ở điểm dày nhất và 1 micrometer hoặc ít hơn ở trung tâm. Thể tích trung bình của RBC là 90 đến 95 micrometers khối.
Các hình dạng của RBCs có thể thay đổi đáng kể khi các tế bào nén ép qua các mao mạch. Thực sự, RBC giống như một chiếc túi mà có thể biến dạng thành hầu như bất cứ hình dạng nào. Hơn thế nữa, bởi vì các tế bào bình thường có một lượng màng tế bào dư lớn so với lượng chất bên trong nên sự biến dạng không làm căng màng tế bào một cách đáng kể và kết quả, không làm vỡ tế bào, như trường hợp của nhiều tế bào khác.
Nồng độ của các tế bào hồng cầu trong máu. Ở nam giới khỏe mạnh, số lượng RBCs trung bình mỗi millimeter khối máu là 5,200,000 (± 300,000); ở phụ nữ khỏe mạnh, nó là 4,700,000 (± 300,000). Những người sống ở độ cao cao so với mực nước biển sẽ có các số lượng RBCs lớn hơn, như sẽ được nói đến sau.
Lượng hemoglobin trong các tế bào. RBCs có thể cô đặc hemoglobin trong dịch tế bào lên đến khoảng 34 grams/100 ml tế bào. Nồng độ không tăng trên giá trị này bởi vì đây là giới hạn chuyển hóa của cơ chế hình thành hemoglobin của tế bào. Hơn thế nữa, ở những người bình thường, phần trăm hemoglobin thì hầu như luôn luôn gần tối đa trong mỗi tế bào. Tuy nhiên, khi sự hình thành hemoglobin bị suy giảm, phần trăm của hemoglobin trong các tế bào có thể giảm một cách đáng kể bên dưới giá trị này, và thể tích của RBC cũng có thể giảm do hemoglobin đổ đầy tế bào giảm.
Khi hematocrit (phần trăm của máu mà bao gồm các tế bào – bình thường là 40% đến 45%) và lượng hemoglobin trong mỗi tế bào riêng là bình thường, thì máu toàn phần của nam giới chứa một trung bình là 15 grams hemoglobin/100 ml; đối với nữ giới, nó chứa một trung bình là 14 grams hemoglobin/100 ml.
Như được nói đến trong mối liên hệ với sự vận chuyển oxygen của máu trong một loạt bài viết sau, mỗi gram hemoglobin có thể kết hợp với 1.34 ml oxygen nếu như hemoglobin là 100% bão hòa. Vì thế, ở một nam giới trung bình, một tối đa là khoảng 20 milliliters oxygen có thể được mang trong sự kết hợp với hemoglobin trong mỗi 100 milliliters máu và ở nữ giới là 19 milliliters oxygen có thể được mang.
Sự sản xuất các tế bào hồng cầu
Các khu vực của cơ thể mà sản xuất các tế bào hồng cầu. Trong các tuần đầu của đời sống thai nhi, các RBCs có nhân nguyên thủy được sản xuất trong túi noãn hoàng (yolk sac). Trong suốt tam cá nguyệt giữa (middle trimester) của quá trình thai kỳ, gan là cơ quan chính của sự sản xuất RBC nhưng các số lượng đáng kể cũng được sản xuất trong lách và các hạch bạch huyết. Sau đó, trong suốt tháng cuối cùng hoặc trễ hơn của thai kỳ và sau sinh, RBCs được sản xuất hoàn toàn trong tủy xương.
Như được minh họa trong Hình 1, tủy xương của hầu như tất cả các xương đều sản xuất RBCs cho đến khi một người được khoảng 5 tuổi. Tủy xương của các xương dài, ngoại trừ các phần gần của xương cánh tay và xương chày, trở nên có nhiều mỡ và không sản xuất RBCs nữa sau khoảng tuổi 20. Qua tuổi này, hầu hết RBCs tiếp tục được sản xuất trong tủy của các xương màng, như các xương đốt sống, xương ức, các xương sườn và các xương cánh chậu. Ngay cả trong các xương này, tủy xương trở nên ít sản xuất hồng cầu hơn khi tuổi tăng lên.
Sự tạo các tế bào máu
Các tế bào gốc tạo máu đa năng, các chất cảm ứng tăng trưởng và các chất cảm ứng biệt hóa. Các tế bào máu bắt đầu đời sống của chúng trong tủy xương từ một loại tế bào đơn được gọi là tế bào gốc tạo máu đa năng (multipotential hematopoietic stem cell), mà từ đó tất cả các tế bào của máu tuần hoàn cuối cùng sẽ được tạo ra. Hình 2 cho thấy các sự phân chia liên tiếp của các tế bào đa năng để hình thành nên các tế bào máu tuần hoàn khác nhau. Khi các tế bào này sinh sản, một phần nhỏ của chúng vẫn hoàn toàn giống như các tế bào đa năng ban đầu và được giữ lại trong tủy xương để duy trì sự cung cấp của chúng mặc dù số lượng của chúng sẽ suy giảm theo tuổi. Tuy nhiên, hầu hết các tế bào được sản sinh biệt hóa để hình thành nên các loại tế bào khác nhau, được thể hiện ở bên phải của Hình 2. Các tế bào giai đoạn trung gian thì rất giống với các tế bào gốc đa năng mặc dù chúng đã được biệt hóa thành một dòng tế bào nhất định; các tế bào này được gọi là các tế bào gốc đã biệt hóa (committed stem cells).
Các tế bào gốc đã biệt hóa khác nhau, khi phát triển trong môi trường nuôi cấy, sẽ tạo ra các cụm của các loại tế bào máu chuyên biệt. Một tế bào gốc đã biệt hóa mà sản xuất ra các tế bào hồng cầu được gọi là đơn vị hình thành cụm-hồng cầu (colony-forming unit-erythrocyte) và viết tắt CFU-E được sử dụng để kí hiệu cho loại tế bào gốc này. Tương tự, các đơn vị hình thành cụm mà hình thành nên các bạch cầu hạt và bạch cầu mono được ký hiệu là CFU-GM và vân vân.
Sự tăng trưởng và sinh sản của các tế bào gốc khác nhau được kiểm soát bởi nhiều proteins được gọi là các chất cảm ứng tăng trưởng (growth inducers). Ít nhất bốn loại chất cảm ứng tăng trưởng chính đã được mô tả, mỗi trong số đó có các đặc điểm khác nhau. Một trong số này, là interleukin-3, thúc đẩy sự tăng trưởng và sản sinh của hầu như tất cả các loại tế bào gốc đã biệt hóa khác nhau, ngược lại, các chất cảm ứng tăng trưởng khác cảm ứng sự tăng trưởng của chỉ các loại tế bào đặc hiệu.
Các chất cảm ứng tăng trưởng thúc đẩy sự tăng trưởng mà không thúc đẩy sự biệt hóa của các tế bào, mà là chức năng của một tập hợp các proteins khác được gọi là các chất cảm ứng biệt hóa (differentiation inducers). Mỗi trong số các chất cảm ứng biệt hóa này làm cho một loại tế bào gốc đã biệt hóa biệt hóa thêm một hoặc nhiều bước về phía tế bào máu trưởng thành cuối cùng.
Sự hình thành của các chất cảm ứng tăng trưởng và các chất cảm ứng biệt hóa được kiểm soát bởi các yếu tố bên ngoài tủy xương. Ví dụ, trong trường hợp của RBCs, sự tiếp xúc của máu với một mức oxygen thấp trong một khoảng thời gian dài gây ra sự cảm ứng tăng trưởng, sự biệt hóa và sự sản xuất của các số lượng RBCs tăng lên đáng kể, như được bàn đến sau trong loạt bài viết này. Trong trường hợp của một số các tế bào bạch cầu, các bệnh nhiễm khuẩn gây ra sự tăng trưởng, sự biệt hóa và sự hình thành cuối cùng của các loại tế bào bạch cầu đặc hiệu mà được cần đến để chống lại mỗi nhiễm khuẩn.
Các giai đoạn của sự biệt hóa các tế bào hồng cầu
Tế bào đầu tiên mà có thể được xác định là thuộc về dòng RBC là tiền nguyên hồng cầu (proerythroblast), được thể hiện ở điểm bắt đầu trong Hình 3. Dưới sự kích thích thích hợp, các lượng lớn các tế bào này được hình thành từ các tế bào gốc CFU-E.
Một khi tiền nguyên hồng cầu được hình thành, nó phân chia nhiều lần, cuối cùng hình thành nên nhiều RBCs trưởng thành. Các tế bào thế hệ đầu tiên được gọi là nguyên hồng cầu ưa base (basephil erythroblasts) khi chúng nhuộm màu với các thuốc nhuộm có tính base. Hemoglobin lần đầu tiên xuất hiện trong các nguyên hồng cầu đa sắc (ưa nhiều màu) (polychromatophil erythroblasts). Trong các thế hệ kế tiếp, như được thể hiện trong Hình 3, các tế bào được lấp đầy bởi hemoglobin đến một nồng độ khoảng 34%, nhân cô đặc đến một kích thước nhỏ, và phần còn lại cuối cùng được hấp thu hoặc được xuất ra khỏi tế bào. Cùng lúc đó, lưới nội chất cũng được tái hấp thu. Tế bào ở giai đoạn này được gọi là tế bào hồng cầu lưới (reticulocyte) bởi vì nó vẫn chứa một lượng nhỏ chất ưa base, bao gồm các phần thừa của bộ máy Golgi, ty thể và một ít các bào quan trong bào tương khác. Trong suốt giai đoạn hồng cầu lưới này, các tế bào đi từ tủy xương vào trong các mao mạch máu bằng cách xuyên mạch (diapedesis) (nén ép qua các lỗ của màng mao mạch).
Chất ưa base còn lại trong hồng cầu lưới bình thường biến mất trong vòng 1 đến 2 ngày, và tế bào sau đó là tế bào hồng cầu trưởng thành (mature erythrocyte). Do đời sống ngắn của các tế bào hồng cầu lưới nên nồng độ của chúng trong số tất cả các RBCs bình thường hơi thấp hơn 1%.
Erythropoietin điều hòa sự sản xuất của tế bào hồng cầu
Tổng khối RBCs trong hệ thống tuần hoàn được điều hòa trong khoảng giới hạn hẹp, và vì thế (1) một số lượng RBCs đầy đủ thì luôn luôn có sẵn để cung cấp cho sự vận chuyển oxygen đầy đủ từ các phổi đến các mô, tuy nhiên (2) các tế bào không trở nên nhiều đến nỗi làm cản trở dòng máu. Cơ chế kiểm soát này được sơ đồ hóa trong Hình 4 và được mô tả trong các phần tiếp theo.
Sự oxygen hóa mô – yếu tố điều hòa thiết yếu của sự sản xuất tế bào hồng cầu. Các tình trạng mà làm giảm lượng oxygen được vận chuyển đến các mô thông thường làm tăng tốc độ sản xuất RBC. Vì thế, khi một người trở nên cực kì thiếu máu do chảy máu hoặc các tình trạng khác, tủy xương bắt đầu sản xuất các lượng RBCs lớn. Ngoài ra, sự phá hủy các phần lớn của tủy xương, đặc biệt là bởi điều trị tia X, gây ra sự tăng sản của tủy xương còn lại trong “nỗ lực” đáp ứng nhu cầu của cơ thể đối với RBCs.
Ở độ cao rất cao so với mực nước biển, nơi mà lượng oxygen trong không khí bị giảm đáng kể, lượng oxygen không đầy đủ được vận chuyển đến các mô và sự sản xuất RBC tăng lên đáng kể. Trong trường hợp này, không phải nồng độ RBCs trong máu kiểm soát sự sản xuất RBC mà là lượng oxygen được vận chuyển đến các mô trong mối liên quan với nhu cầu của mô đối với oxygen.
Các bệnh khác nhau của hệ thống tuần hoàn mà làm giảm lưu lượng máu mô, đặc biệt là các tình trạng mà làm suy yếu khả năng hấp thu oxygen bởi máu khi nó đi qua các phổi, cũng có thể làm tăng mức sản xuất RBC. Kết quả này thì đặc biệt rõ ràng trong suy tim kéo dài (cardiac failure) và trong nhiều bệnh phổi (lung diseases) bởi vì hạ oxygen mô do các tình trạng này làm tăng sự sản xuất RBC, cùng với một sự tăng lên kết quả trong hematocrit và thường cả tổng thể tích máu.
Hạ oxygen mô làm tăng sự hình thành của erythropoietin mà kích thích sự sản xuất tế bào hồng cầu. Kích thích chủ yếu cho sự sản xuất RBC trong một trạng thái oxygen thấp là hormone tuần hoàn được gọi là erythropoietin, một glycoprotein với một trọng lượng phân tử khoảng 34,000. Trong sự vắng mặt của erythropoietin, hạ oxygen mô có ít hoặc không có tác động kích thích sự sản xuất RBC. Tuy nhiên, khi hệ thống erythropoietin thực hiện chức năng, hạ oxygen mô gây ra một sự tăng lên đáng kể trong sự sản xuất erythropoietin và erythropoietin cuối cùng sẽ làm tăng cường sự sản xuất RBC cho đến khi hạ oxygen mô được giải quyết.
Erythropoietin được hình thành chủ yếu trong các thận. Bình thường, khoảng 90% trong số tất cả erythropoietin được hình thành trong các thận và phần còn lại được hình thành chủ yếu trong gan. Vẫn không biết chính xác erythropoietin được hình thành ở đâu trong các thận. Một số nghiên cứu cho thấy rằng erythropoietin được bài tiết chủ yếu bởi các tế bào kẽ giống nguyên bào sợi (fibroblast-like interstitial cells) quanh các ống thận trong vùng vỏ và tủy ngoài, nơi mà hầu hết sự tiêu thụ oxygen của thận xảy ra. Dường như là các tế bào khác, bao gồm các tế bào biểu mô thận, cũng bài tiết erythropoietin trong đáp ứng với hạ oxygen mô.
Hạ oxygen mô thận dẫn đến các mức tăng lên của yếu tố cảm ứng với hạ oxygen mô 1 (hypoxia-inducible factor-1 – HIF-1) ở mô, mà đóng vai trò như là một yếu tố phiên mã cho một số lượng lớn các genes cảm ứng với hạ oxygen mô, bao gồm gene của erythropoietin. HIF-1 liên kết với một đoạn đáp ứng với hạ oxygen mô (hypoxia response element) trong gene của erythropoietin, cảm ứng sự phiên mã của RNA thông tin và cuối cùng là sự tăng tổng hợp erythropoietin.
Nhiều khi, hạ oxygen mô trong các phần khác nhau của cơ thể, mà không phải trong các thận, sẽ kích thích sự bài tiết erythropoietin của thận, điều mà cho thấy rằng có lẽ có một số thụ cảm thể không phải ở thận mà gửi thêm tín hiệu đến các thận để sản xuất hormone này. Cụ thể, norepinephrine và epinephrine và một số prostaglandins kích thích sự sản xuất erythropoietin.
Khi cả hai thận bị loại bỏ khỏi một người, hoặc khi các thận bị phá hủy bởi bệnh thận, người đó chắc chắn trở nên rất thiếu máu. Điều này là bởi vì 10% erythropoietin bình thường được hình thành trong các mô khác (chủ yếu là trong gan) là chỉ đủ để gây ra một phần ba đến một nửa sự hình thành RBC được cần bởi cơ thể.
Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo nhé !!!
