SINH LÝ MÁU

SINH LÝ MÁU (PHẦN 1)

Với bài viết này (3 phần), chúng ta cùng xem xét các thành phần khác nhau của máu và mô tả các vai trò mà chúng thể hiện trong chức năng tổng thể của máu. Chúng ta bắt đầu với việc mô tả phần lỏng của máu, được gọi là huyết tương (plasma), và vai trò trong việc vận chuyển các proteins, hormones, các chất điện ly, các dưỡng chất hữu cơ và các sản phẩm thải. Tiếp đó các thành phần của máu cũng được mô tả, bao gồm hồng cầu (erythrocytes), vận chuyển oxygen, carbon dioxide; các tế bào bạch cầu (leukocytes) bảo vệ cơ thể trước các yếu tố gây bệnh; và tiểu cầu (platelets), quan trọng đối với sự hình thành các cục máu đông để ngăn cản sự mất máu. Ngoài ra, chúng ta cũng sẽ trình bày sơ lược về nhóm máu, mà cụ thể ở đây là hệ nhóm máu ABO và Rh.

(Nguồn tham khảo: 
[1] Stanfield, Cindy L. (2012). Principles of human physiology, fifth edition. Pearson Education, Inc.
[2]  Fox, Stuart Ira. (2016). Human physiology, fourteenth edition. McGraw-Hill Education, 2 Penn Plaza, New York, NY 10121. )

1. Tổng quan về các thành phần máu: tỉ lệ thể tích huyết cầu

            Tổng thể tích máu trong cơ thể một người trưởng thành bình thường là khoảng 5.5 lít. Nó chứa chủ yếu huyết tương (khoảng 3 lít) và hồng cầu (khoảng 2.5 lít), nhưng cũng chứa cả các bạch cầu và tiểu cầu. (Hình 1). Tỉ lệ đóng góp của hồng cầu vào máu được gọi là tỉ lệ thể tích huyết cầu (hematocrit, ký hiệu là hct), được xác định bằng cách ly tâm một mẫu máu trong một ống ly tâm và thường được biểu hiện theo phần trăm (hình 2). Khi máu được ly tâm, các yếu tố của máu được tách ra dựa trên tỷ trọng. Bởi vì hồng cầu thì đặc hơn các thành phần khác của máu nên chúng bị kéo xuống đáy của ống nghiệm. Huyết tương, ít đặc nhất, nổi lên trên cùng. Giữa hai lớp này còn lại một lớp mỏng nữa của bạch cầu và tiểu cầu (chiếm khoảng dưới 1% tổng thể tích máu) và được gọi là lớp váng máu ly tâm (buffy coat).         

              Để xác định tỷ lệ thể tích huyết cầu, chiều cao của cột hồng cầu và của toàn bộ cột máu được đo, và sau đó tỉ lệ này được tính toán bằng cách xác định phần trăm tổng lượng máu chứa hồng cầu, tức là:

       

             Tỷ lệ thể tích hồng cầu là một giá trị lâm sàng hữu ích bởi vì nó phản ánh liệu một người có một lượng hồng cầu bình thường không. Đối với nam, phạm vi thay đổi của tỷ lệ thể tích hồng cầu thường là 42-52%, tức là hồng cầu chiếm 42-52% thể tích máu. Đối với nữ, con số này là 37-47%. Tỷ lệ thể tích huyết cầu thấp chỉ ra nồng độ của hồng cầu trong máu thấp hơn bình thường, trong khi một tỷ lệ cao chỉ ra nồng độ hồng cầu trong máu cao hơn bình thường, được gọi là chứng tăng hồng cầu (polycythemia). Chứng tăng hồng cầu là một đáp ứng thích nghi bình thường trong môi trường thiếu oxi, như là xuất hiện khi ở độ cao lớn. Ví dụ, người sống ở độ cao khoảng 15.000 feet (≈ 4570 m) ở dãy Andes thường có tỷ lệ thể tích huyết cầu cao tới 60. Ngoài ra, tỷ lệ thể tích huyết cầu tăng trong 2 tuần đối với người nào tới Andes.

            Bây giờ chúng ta đã biết các thành phần chính của máu, chúng ta sẽ mô tả từng thành phần một cách chi tiết.

2. Huyết tương

            Huyết tương (plasma) mà một dung dịch nước trong đó có sự đa dạng cao các chất tan được hòa tan. Các chất tan này bao gồm các proteins, các dưỡng chất (như glucose, lipids, amino acids), sản phẩn thải của chuyển hóa (như urea và lactic acid), các khí (oxygen (O₂), carbon dioxide (CO₂), nitrogen (N₂) và các khí khác) và các chất điện ly (như Na, K, Cl). Mặc dù protein là các chất tan chiếm nhiều nhất trong huyết tương về khối lượng, các chất tan nhỏ hơn lại thường có mặt với nồng độ cao hơn.

[Trong bài viết này tôi xin phép được viết kiểu Việt hóa oxygen là "oxy", carbon dioxide là "carbonic".]

            Về khía cạnh các chất tan nhỏ khác proteins, thành phần của huyết tương rất giống với dịch kẽ mô. Sự tương đồng này xuất hiện bởi vì thành mao mạch (cái mà tách huyết tương khỏi dịch kẽ mô) có tính thấm cao hơn đối với các chất tan nhỏ - một đặc điểm cho phép các chất tan này di chuyển tự do giữa huyết tương và dịch kẽ mô. Tuy nhiên về khía cạnh các proteins, huyết tương và dịch kẽ mô khác nhau nhiều về thành phần; nồng độ của proteins ở huyết tương cao hơn đáng kể so với trong dịch kẽ mô. Sự khác biệt về nồng độ này được duy trì bởi tính thấm thấp của thành mao mạch đối với proteins, nó giới hạn khả năng của proteins trong việc đi ra khỏi huyết tương.

            Các proteins huyết tương được xếp thành ba nhóm chính: albumins, globulins và fibrinogen. Albumins được sản xuất bởi gan, và là loại proteins huyết tương nhiều nhất và tạo ra một sự đóng góp lớn đối với áp suất thẩm thấu của huyết tương qua các mao mạch. Các globulins bao gồm đa dạng các proteins vận chuyển lipids, hormone steroid và các chất khác trong máu; thực hiện một vai trò quan trọng đối với khả năng hình thành khối máu đông của máu; và quan trọng trong việc bảo vệ cơ thể trước những chất lạ. Fibrinogen được tổng hợp bởi gan và là một chất mấu chốt trong sự hình thành các cục máu đông. Huyết thanh (serum) là huyết tương mà từ đó fibrinogen và các protein đông máu khác được loại bỏ.

            Các thành phần chính của huyết tương được liệt kê ở Bảng 1. 

3. Hồng cầu

            Các hồng cầu (erythrocytes) (các tế bào máu đỏ) là các tế bào phong phú nhất trong máu, số lượng khoảng 5 triệu tế bào mỗi mm³ máu. Trong số các tế bào của cơ thể, hồng cầu là dạng duy nhất thiếu nhân, ty thể, và các bào quan khác, như ribosomes, cần cho quá trình sản xuất proteins. Các hồng cầu có cấu trúc dạng đĩa và có đường kính gần 7.5 µm, độ dày dưới 2 µm một chút. Chúng thường được miêu tả như là dạng đĩa lõm hai mặt (biconcave disks).

            Cấu trúc của hồng cầu là do sự có mặt của một protein nội bào gọi là spectrin. Spectrin là một protein sợi giúp hình thành một hệ thống liên kết với màng sinh chất. Mạng lưới spectrin này có tính mềm dẻo, tạo cho hồng cầu khả năng uốn cong khi cần di chuyển qua các mao mạch, những mạch  mà đôi khi có đường kính còn nhỏ hơn cả hồng cầu. Ngoài tính mềm dẻo, cấu trúc lõm hai mặt tạo cho hồng cầu một diện tích bề mặt lớn, điều này khiến chúng phù hợp hơn để trao đổi. Khả năng này là rất quan trọng bởi vì, như chúng ta sẽ thấy ngay đây, hồng cầu vận chuyển khí oxy và carbonic trong máu để trao đổi với các tế bào trong cơ thể và mô phổi.

Vận chuyển oxy và carbonic

            Chức năng chính của hồng cầu là vận chuyển oxy và carbonic trong máu. Việc vận chuyển này là cần thiết đối với việc nhận lấy oxy từ phổi và mang đến các tế bào hô hấp, và đón lấy carbonic từ các tế bào hô hấp rồi mang tới phổi, nơi nó được bài tiết ra khỏi cơ thể. Hồng cầu có khả năng cao trong việc mang các chất khí bởi vì tế bào chất của chúng chứa hai proteins: hemoglobin và carbonic anhydrase. Hemoglobin bám, vận chuyển oxy và carbonic, trong khi carbonic anhydrase cần thiết cho việc vận chuyển chỉ carbonic.

Việc bám thuận nghịch của hemoglobin với oxy và carbonic

            Hemoglobin là protein phong phú nhất trong hồng cầu, với trên 250 triệu phân tử trong mỗi hồng cầu. Hemoglobin được tạo nên từ 4 chuỗi polypeptide thuộc hai loại (2 chuỗi α, 2 chuỗi β), mỗi chuỗi trong bốn chuỗi có một vòng mang sắt được gọi là nhân heme (heme group) (hình 3). Sắt trong hemoglobin xuất hiện ở dạng sắt II (Fe²⁺), nó mang lại màu đỏ cho hồng cầu, và vì thế, là màu đỏ của máu. Sắt này là vị trí mà ở đó một phân tử oxy bám vào. Bởi vì bốn nhân heme có mặt trong mỗi phân tử hemoglobin, mỗi hemoglobin có thể mang 4 phân tử oxy. Khí carbonic có khả năng bám thuận nghịch vào các amino acid bên trong chuỗi polypeptide; tuy nhiên hemoglobin vận chuyển carbonic ít hơn đáng kể so với oxy. 

Carbonic anhydrase và phản ứng carbonic – bicarbonate

            Mặc dù kém phong phú hơn, carbonic anhydrase là một protein hồng cầu khác quan trọng đối với vận chuyển khí. Carbonic anhydrase là một enzyme xúc tác cho sự chuyển đổi thuận nghịch của carbonic và axit carbonic :

Lộ trình tiếp tục với sự phân ly thuận nghịch của axit carbonic để tạo ra ion H⁺ và một ion bicarbonate:

Toàn bộ quá trình được viết như sau:

Vì thế carbonic có thể được chuyển thành ion hydro tự do,làm ảnh hưởng pH máu. Sau này chúng ta sẽ tìm hiểu làm thế nào phản ứng này là quan trọng đối với quá trình vận chuyển carbonic trong máu và vai trò then chốt của carbonic có được trong việc duy trì cân bằng axit-bazơ máu.

Vòng đời của hồng cầu

            Ngay khi các hồng cầu được giải phóng vào dòng máu, chúng tồn tại ở đây chỉ trong 120 ngày. Chúng không có nhân lẫn bào quan, vì thế chúng không thể trải qua phân chia tế bào. Vì thế các hồng cầu mới được tạo ra thường xuyên với tốc độ khoảng 2-3 triệu mỗi giây, hay 200 tỉ mỗi ngày! Tủy xương có nhiệm vụ lớn lao là sản xuất các hồng cầu trong một quá trình được gọi là sinh hồng cầu (erythropoiesis), trong khi lách loại bỏ các hồng cầu già khỏi máu. Hình 4 chỉ ra các cơ quan liên quan tới sự tổng hợp và phá hủy hồng cầu.

Sự sản xuất hồng cầu

            Tất cả các tế bao máu đều phát triển từ các tế bào trước đó được họ là các tế bào gốc tạo máu (hematopoietic), nằm bên trong tủy xương (Hình 5). Trong khi các hồng cầu và hầu hết bạch cầu phát triển đến giai đoạn trưởng thành hoàn toàn trong tủy xương thì các tế bào bạch cầu T phải di chuyển tới tuyến ức (nằm ở khoang ngực bên trên tim) trước khi phát triển thành trưởng thành. Sự phát triển của một loại tế bào đặc trưng phụ thuộc vào các cytokines được gọi là các nhân tố tăng trưởng tạo máu (hematopoietic growth factors hay HGFs). HGF thúc đẩy sự sản xuất hồng cầu được gọi là erythropoietin. Các HGFs liên quan tới sự sản xuất bạch cầu bao gồm colony-stimulating factors và interleulins.

            Erythropoietin được giải phóng từ một số tế bào trong thận trong sự đáp ứng lại mức độ oxy trong máu thấp. Erythropoietin đi theo dòng máu đến tủy xương, nơi mà bó kích hoạt quá trình biệt hóa của các tế bào đa năng thành hồng cầu. Một số mức độ biệt hóa khác nhau được đòi hỏi để tạo ra hồng cầu. Trong quá trình biệt hóa, các hồng cầu tạo ra hemoglobin và mất đi nhân cũng như các vào quan của chúng. Giai đoạn sau cùng trước khi phát triển thành các hồng cầu trưởng thành là hồng cầu lưới (reticulocyte), một loại tế bào máu đỏ có một số ribosomes vẫn có mặt trong tế bào chất, tạo cho tế bào một dạng tấm dệt, hay lưới. Thông thường, chỉ có tế bào hồng cầu được giải phóng vào dòng máu. Tuy nhiên, dưới một số điều kiện sản xuất hồng cầu nhanh, ví dụ có thể xuất hiện sau một đáp ứng chảy máu, một số hồng cầu lưới đi cũng vào dòng máu. Dưới các điều kiện bình thường, khoảng 0.5 – 2.5% các tế bào máu tuần hoàn trong máu ngoại vi là các hồng cầu lưới. Trong tình trạng bệnh, như là thiếu máu hồng cầu hình liềm, hồng cầu lưới chiếm tới 10 – 20%. Nếu một phép đếm hồng cầu lưới thủ công được thực hiện, máu được nhuộm với xanh methylen để nhìn thất các ribosome.  Mốt số thiết bị phân tích huyết học tự động cũng có thể  thực hiện đếm các hồng cầu lưới.

            Những lời khuyên về thức ăn cho sản sinh hồng cầu là sắt, axit folic, vitamin B₁₂. Sắt cần cho sản xuất hemoglobbin. Mặc dù gan lưu trữ một số lượng sắt và một số sắt được giải phóng từ các hồng cầu già trong chu trình, duy trì đầy đủ mức hemoglobin trong máu (13 – 18 g trên 100 ml với nam và 12 – 16 g mỗi ml ở nữ) đòi hỏi sắt trong chế độ ăn. Axit folic và viatmin B₁₂ là cần thiết cho sự tổng hợp DNA. Mặc dù những sự thiếu hụt axit folic và vitamin B₁₂ ảnh hưởng tới sự phân chia tế bào của tất cả các tế bào, ảnh hưởng của chúng lên quá trình hình thành hồng cầu là đáng chú ý nhất bởi sự sản sinh nhanh của hồng cầu.

            Sự thiếu hụt các yếu tố dinh dưỡng cho quá trình tạo hồng cầu có thể tạo ra sự giảm lượng hemoglobin mỗi tế bào hoặc giảm số lượng hồng cầu trong máu và vì thế làm giảm khả năng vận chuyển oxy của máu, một tình trạng được gọi là thiếu máu (anemia). Nếu hiện tượng này bị gây ra bởi sự thiếu sắt trong chế độ ăn, nó được gọi là thiếu máu thiếu sắt (iron-deficiency anemia), và các tế bào hồng cầu có đặc điểm là nhỏ hơn bình thường do sự giảm lượng hemoglobin mỗi tế bào hồng cầu. Nếu là do thiếu vitamin B₁₂, nó được gọi là thiếu máu ác tính (pernicious anemia) và đặc trưng là to hơn các tế bào hồng cầu bình thường nhưng giảm về số lượng tế bào hồng cầu. Thiếu máu có thể cũng là hệ quả từ sự xuất huyết (chảy máu) hoặc một tốc độ phá hủy hồng cầu cao bất thường (tan máu - hemolysis). Triệu chứng thiếu máu bao gồm mệt mỏi kéo dài và thở khó nhọc khi gắng sức. Chi tiết xem phần "Kết nối lâm sàng; thiếu máu."

Lọc và phá hủy hồng cầu ở lách

            Lách là một cơ quan dạng bạch huyết lưu trữ các tế bào máu và loại bỏ các tế bào hồng cầu già khỏi hệ tuần hoàn. Như đã định sẵn trước đó, các tế bào hồng cầu có đời sống khoảng 120 ngày. Một số hồng cầu già bị làm tan trong dòng máu, nhưng hầu hết là bị nhấn chìm bởi các đại thực bào trong lách, và với mức độ thấp hơn là ở gan. Khi các đại thực bào phá hủy hồng cầu, hemoglobin cũng bị dị hóa. Sau khi sắt bị loại bỏ đi, làm cho heme chuyển hóa thành bilirubin, một hợp chất có màu vàng. Bilirubin sau đó được giải phóng trong dòng máu, nó làm cho huyết tương có màu vàng nhạt. Bilirubin di chuyển tới gan, nơi mà nó bị dị hóa thêm. Hầu hết các sản phẩm của chuyển hóa bilirubin được tiết trong mật đến ruột non và cuối cùng được bài tiết ra theo phân, tạo ra màu nâu nhạt của phân. Các sản phẩm chuyển hóa bilirubin khác được giải phóng vào dòng máu, nơi mà chúng di chuyển tới thận và được thải ra ngoài theo nước tiểu, tạo ra màu vàng cho nước tiểu. Trong một số điều kiện (các bệnh gan, tắc ống mật, hay tan máu quá mức trong máu), mức độ bilirubin huyết tương cao, một tình trạng được gọi là vàng da (jaundice), làm cho da và lòng trắng mắt có màu hơi vàng.

            Sắt được giải phóng bởi quá trình chuyển hóa hemoglobin thì được tái chế để hình thành hemoglobin mới. Sắt được vận chuyển trong máu bám vào một protein được gọi là transferrin. Transferrin đón lấy sắt từ con đường dạ dày – ruột non hoặc từ lách và chuyển sắt vào tủy xương để sản xuất hồng cầu, hoặc tới gan nơi mà một số sắt được lưu trữ và bám vào protein ferritin. Một số sắt cũng được lưu trữ bám vào ferritin trong lách và trong các tế bào lót thành ruột non.

Kết nối lâm sàng: thiếu máu

Thiếu máu – được định nghĩa là sự suy giảm khả năng mang oxi của máu – thường liên quan tới tỷ lệ thể tích huyết cầu thấp, là hệ quả của hoặc sự giảm số lượng hồng cầu hoặc sự giảm kích cỡ hồng cầu (chứng hồng cầu nhỏ microcytosis). Một người có thể cũng phát triển thiếu máu khi hct bình thường, hoặc thậm chí còn cao, nhưng các tế bào hồng cầu chứa nồng độ hemoglobin thấp hơn bình thường. Vì hầu hết oxi được cận chuyển tỏng máu là bám vào hemoglobin trong hồng cầu, giảm độ phong phú hay kích cỡ của hồng cầu có liên quan tới lượng hemoglobin thấp.

            Sáu loại thiếu máu chính được phân biệt:

1. Thiếu máu dinh dưỡng (Nutritional anemias) bị gây ra bởi một chế độ ăn thiếu thốn, phổ biến nhất là thiếu sắt. Vì sắt là ột thành phần của hemoglobin, sự thiếu sắt làm giảm tổng hợp hemoglobin. Số lượng hồng cầu bình thường nhưng ít hemoglobin có mặt trong mỗi hồng cầu. Với sự thiếu hemoglobin, hồng cầu nhỏ đi, và khả năng vận chuyển oxi trong máu bị hạ thấp.

            Một dưỡng chất quan trọng cho sự vận chuyển oxi bình thường là axit folic, là chất yêu cầu cho sản xuất thymine, một trong 4 loại bases. Thiếu axit folic ảnh hưởng tới tất cả các tế bào trong cơ thể mà trải qua phân chia nhanh, vì sự sao chép DNA cần thiết cho phân chia tế bào. Cho rằng mỗi giây cơ thể tạo ra 2-3 triệu hồng cầu nhờ sự phân chia nhanh của một vài loại tế bào tiền thân, hạn chế về axit folic trong khẩu phần ăn tạo ra ít hồng cầu hơn, mỗi hồng cầu lại to hơn bình thường (được gọi là chứng đại hồng cầu macrocytosis). Các hồng cầu lớn, tuy nhiên có xu hướng dễ vỡ hơn và có đời sống ngắn hơn.

2. Thiếu máu ác tính (Pernicious anemia) gây ra bởi một sự thiếu hụt các nhân tố nội sinh, yêu cầu cho khả năng hấp thụ vitamin B₁₂ trong đường ruột. Vì B₁₂ cũng như axit folic, được yêu cầu cho quá trình tổng hợp thymine, dạng thiếu máu này cũng có đặc điểm tương tự như là thiếu máu gây bởi sự thiếu axit folic.

3. Thiếu máu không tái tạo (Aplastic anemia) gây bởi một khuyết tật trong tủy xương, vị trí chủ yếu sản xuất hồng cầu và bạch cầu; hệ quả là sự thiếu cả hai loại tế bào máu này. Ít hồng cầu vốn dĩ gây ra thiếu máu, và sự biểu hiện thiếu bạch cầu làm giảm sức đề kháng của cơ thể trước các tác nhân gây bệnh như vi khuẩn và virus.

4. Thiếu máu thận (Renal anemia) có liên hệ với sự giảm sản lượng hormone erythropoietin bởi một trạng thái bệnh học ở thận. Vì erythropoietin liên tục thúc đẩy tổng hợp các hồng cầu trong tủy xương, một sự giảm sản lượng erythropoietin làm hồng cầu trong máu ít đi.

5. Thiếu máu xuất huyết (Hemorrhagic anemia) gây bởi sự mất máu nhanh. Trong vòng vài ngày sau khi mất ác nhiều, chất lỏng đưa vào cơ thể và sự chuyển dịch dịch lỏng cơ thể giữa các bộ phận làm tăng thể tích máu vì thế quay trở lại như bình thường. Việc sản xuất hồng cầu tuy thế cần tốn một vàu tuần để trở về ban đầu. Vì thế thậm chí là khi thể tích máu trở về bình thường, hct vẫn thấp cho tới khi một số lượng hồng cầu đáng kể được tạo ra.

6. Thiếu máu tan máu (Hemolytic anemia) do sự thoát vị, hay sự phá vỡ của một lương lớn các hồng cầu. Sự tăng phá hủy hồng cầu có thể gây bởi sự lây nhiễm sốt rét, hoặc các khuyết tật hồng cầu, như là xuất hiện trong bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm. Thiếu máu hồng cầu hình liềm là một bệnh di truyền gây bởi một khuyết tật trong gene mã hóa cho hemoglobin. Một base duy nhất trên gene mã hóa cho chuỗi beta bị hỏng làm nó mã hóa sai cho amino axit. Thay thế một amino axit duy nhất này tỏng các phân tử hemoglobin trong một hồng cầu làm cho các phân tử hemoglobin trong một hồng cầu dính lại với nhau (polymerize) khi mức độ oxi thấp, làm cho hồng cầu hình liềm và dễ vỡ.

Một tế bào hồng cầu hình liềm (trái) và một tế bào hồng cầu bình thường (phải)