Internal Environment and its possible disturbances Stanislav Matoušek

Disturbances of volume and osmolarity Dehydration hyperosmotic isoosmotic hypoosmotic Hyperhydration (hyperosmotic)

Disturbances of ions Hypernatremia and hyponatremia Hyperchloremia and hypochloremia Hyperkalemia and hypokalemia Hypercalcemia and hypocalcemia

WATER 60 % of BW Infants : 65-75% Old men : 50% Young men: 60-65% Young women: 50-55% 60 % of BW Old women: 45% Overweight people have lower % of water then the slim

Water in organism 20% (15 litres) ECF Plasma 4% (3 litres) ISF TBW 60% (45 litres) Plasma/IST=1/4 Transcellular water (Third space): Fluid in various body cavities (pleural, peritoneal, intestines) ICF 40% (30 litres)

Osmotic pressure P1 > = P2 = C1 > C2 [H2O]1 < [H2O] 2 = is proportional to the concentration of dissolved substances P1 > = P2 = C1 > C2 H2O Voda tvoři v organismu základní prostředí, v němž je rozpuštěno množství dalších solutů - zhruba na 200 molekul vody připadá jedna molekula solutu. S celkovou koncentrací rozpuštěných částic souvisí osmotický tlak. Jeho podstatu si demonstrujme na jednoduchém příkladě. Uvažujme dva prostory oddělené polopropustnou mebránou, která nepropouští soluty, ale ochotně propouští vodu. V prvním z nich je celková koncentrace solutů (C1) vyšší, než v druhém (C2). Čím větší je koncentrace rozpuštěných částic, tím na daný objem připadá relativně méně molekul vody. V prostoru s celkovou koncentrací solutů C1 je tedy nižší koncentrace vody (vyjádřená v molech/litr roztoku) než v prostoru s celkovou koncentrací solutů C2. V druhém prostoru bude tedy koncetrace vody vyšší. Znamená to tedy, že voda bude mít tendenci difundovat zkrze pro vodu propustné kanálky z tohoto prostředí do prvního prostředí, kde je koncentrace vody nižší - a celková koncentrace solutů vyšší. Přes polopropustnou membránu voda tedy difunduje směrem k prostoru z vyšší celkovou koncentrací solutů a snaží se tak koncentrace solutů v obou prostředích vyrovnat. To je podstata vzniku osmotických tlaků. Osmotický tlak v prostředí s vyšší celkovou koncentrací rozpuštěných látek bude tedy vyšší, než v prostředí s nižší celkovou koncentrací. V našem virtuálním experimentu stoupající tlak v prvním prostoru postupně vytlačuje píst směrem doleva. Přesunem vody do prvního prostoru se však postupně celková koncentrace solutů v tomto prostoru snižuje. V okamžiku, kdy se obě koncentrace solutů vyrovnají, ustane i rozdíl osmotických tlaků, který přesun vody zkrze polopropustnou memebránu pohání. [H2O]1 < [H2O] 2 =

Osmolarity of the body’s fluids Electrolytes Ca++ Mg++ Anion gap Osm = 2 (Na++ K+)+ Glc + Urea {Glc [mmol/l]} ={Glc [mg/dL] } /18 {Urea[mmol/l} ={Urea[mg/dL]} / 6 {Osm}norm = 280 – 296 mmol/l K+ HCO3- Na+ Cl-

Regulation of Na+ and H2O homeostasis Circulating volume ↓ Circulating volume ↑ Osmolarity ↑ Receptors Baroreceptors (juxtaglomerular apparatus Volumo-receptors 1(heart) Osmoreceptors (hypothalamus), baroreceptors (low volume) Hormones Renin – angiotenzin aldosterone ANP, BNP ADH Effects Retention of Na+ and H2O in kidneys Inhibition of the RAAS H2O retention Feedback loop Osmolarity ↓ Volume ↑

Volume Aldosterone ADH Osmolarity

Isotonic environment 290 ± 10 mmol/l Cell Vessel ECF Osmolarita jednotlivých prostorů tělních tekutin se za normálních okolností pohybuje v rozmezí 290 ± 10 mmol/l. Díky dobré permeabilitě biologických membrán pro vodu se výkyvy v osmolaritě jednotlivých prostorů tělních tekutin vyrovnávají. Osmolarita plazmy, intersiciální tekutiny a buněk je proto zhruba stejná. ECF

Hypertonic environment Cell > 300 mmol/l H2O Vessel Cévní stěna je pro nízkomolekulární soluty a vodu dobře propustná. Stoupne-li osmolarita, stoupne jak v plazmě, tak i v intersticiální tekutině. Přes buněčnou membránu však soluty tak snadno difundovat nemohou. Po vzestupu osmolarity v intersticiální tekutině se proto mezi intersticiem a intracelulární tekutinou vytvoří osmotický gradient. Tento gradient donutí vodu vystupovat z buněk do intersticiální tekutiny. ECT

Hypertonic environment > 300 mmol/l Cell Vessel Následkem toho buňka zmenší svůj objem. ECF

Isotonic environment 290 ± 10 mmol/l Cell Céva Interstitium Osmolarita jednotlivých prostorů tělních tekutin se za normálních okolností pohybuje v rozmezí 290 ± 10 mmol/l. Díky dobré permeabilitě biologických membrán pro vodu se výkyvy v osmolaritě jednotlivých prostorů tělních tekutin vyrovnávají. Osmolarita plazmy, intersiciální tekutiny a buněk je proto zhruba stejná. V opačném případě - při poklesu osmolarity extracelulární tekutiny (tj. intersticiální tekutiny a plazmy)... Interstitium

Isotonic environment 290 ± 10 mmol/l Cell Vessel ECF Osmolarita jednotlivých prostorů tělních tekutin se za normálních okolností pohybuje v rozmezí 290 ± 10 mmol/l. Díky dobré permeabilitě biologických membrán pro vodu se výkyvy v osmolaritě jednotlivých prostorů tělních tekutin vyrovnávají. Osmolarita plazmy, intersiciální tekutiny a buněk je proto zhruba stejná. ECF

Hypotonic environment Cell < 280 mmol/l H2O Vessel ... bude nitro buňky mít osmolaritu vyšší než intersticium. To donutí vodu přesunout se směrem do buňky. ECF

Hypotonic environment Cell < 280 mmol/l Vessel Buňka díky tomu zvětší svůj objem. ECF

Effective osmolarity = Total osmolarity – concentration of urea Isotonické prostředí Hyperosmolarity due to increase in urea Cell Total osmolarity > 300 290 ± 10 mmol/l Vessel Effective osmolarity = Total osmolarity – concentration of urea Rostliné buňky jsou proti osmoticky vyvolaným změnám objemu chráněny pevnou celulózovou buněčnou stěnou. Živočišné buňky pevnou stěnu nemají a proto jsou na změny osmolarity citlivé. Osmolarita vnitřního prostředí je proto v organismu regulována. V lidském organismu existuje nízkomolekulární látka, která poměrně snadno prochází buněčnou stěnou. Touto látkou je močovina. Při posuzování osmolarity je proto potřeba její hladinu brát v úvahu. Za normálních okolností se pohybuje od 3 do 9 mmol/l. Při ledvinném selhání její hladina může značně stoupnout. Ke osmoticky vyvolaným změnám objemu buněk však při tom nedochází protože močovina relativně dobře prochází skrze buněčnou membránu - a její koncentrace zvolna stoupne jak v intersticiální tekutině, tak i v buňkách. Gradient osmotických tlaků mezi buňkou a intersaticiální tekutinou se proto nevytvoří a k žádným přesunům vody tudíž nedojde. Přesuny vody mezi buňkou a jejím okolím závisí na tzv. efektivní osmolaritě, což je celková osmolarita bez koncentrace močoviny, která dobře prochází buněčnou membránou. ECF

Disturbances of volume and osmolarity Intravascular Fluid hypovolemia shock hypervolemia kidney failure with water intake Extracellular Fluid Dehydration hypertonic isotonic hypotonic Hyperhydration (hypertonic)

Clinical markers of electrolyte disturbances Hct, Hb, Tot.pl.prot. Plasma Na+ PlasmOsm. MCV Dehydration hyperosmotic isoosmotic normoosmotic ↑ normal ↓ Hyperhydration hypoosmotic (hyperosmotic

Dehydration

Dehydration hypertonic isotonic hypotonic ECF ICF

Hypertonic dehydration Loss of free water Eti: Insufficient water intake (thirsting) Loss of water through excessive sweating, breathing (hyperventilation), kidneys (diabetic coma, diabetes insipidus) Iatrogenic Signs: Great thirst, fever, confusion, obnubilation, (oliguria)

Isotonic dehydration Loss of both Na+ and water Eti.: Through kidneys: Polyuric phase of kidney insufficiency, diuretics, Addison disease Through GIT: Vomiting, diarrhea, fistulas To the third space: Pancreatitis, ileus Through skin: Burns Thirst, tachycardia, collapses, (polyuria)

Hypotonic dehydration Isotonic dehydration treated by substitution of pure water Causes of isotonic dehydration Signs of hypovolemia: Collapses, tachycardia, thirst Signs of cerebral swelling: Obnubilation, delirium, convulsions Correction must not be too fast (shrinking of the brain!)–even in heavy symptomatic hyponatremia no more then 20 mmol/l per day increase in sodium

Hyperhydration hypotonic isotonic (hypertonic) ECF ICF

Hyperhydration – causes Renal insufficiency Cardiac insufficiency Hypoproteinemia – malnutrition, liver cirhosis, nefrotic syndrome Regulatory disorders hyperaldosteronism treatment with corticoids SIADH /eg. paraneoplastic/

Hyperhydration - signs Increase in weight Pulmonary edemas (dyspnoea) or peripheral edemas In hypotonic hyperhydratation – cerebral signs – headaches, convulsions, coma In (hypertonic) - hypertension

Na+ Na+ norm 135-145 mmol/l usually corresponds with osmolarity, regulated by ADH Na+ Na+ Na+

Hyponatremia hyponatremia < 135 mmol/l with excess of water and Na+ : dilution hyponatremia = hypotonic hyperhydration (kidney insufficiency, heart insufficiency, low plasma proteins, SIADH) with deficit of water and Na+ : depletion hyponatremia = hypotonic dehydratation (diarrhea, pancreatitis, diuretics, Addison disease) rarely hypertonic and isotonic form (when other osmotic substances present in plasma – high proteins, manitol)

Hypernatremia Na+ > 145 mmol/l with water depletion hypovolemic hypernatremia = hypertonic dehydration (thirsting, sweating, diabetes insipidus)

Cl- Cl- norm = 97- 108 mmol/l Connected to Na+ and ABC regulated by aldosterone (reabsorption with Na+, exchange for bicarbonate) Cl- Cl- Cl-

Hypochloremia We find in metabolic acidosis caused by vomiting Increase in BB = SID and bicarbonate – decrease in Cl-

K+ K+ K+ K+ K+ norm. = 3.6 – 5.0 mmol/l influences membrane potencial – hypokalemia – loss of excitability,and even muscular paralyses hyperkalemia – more excitability but then depolarization block, heart neg. ionotropy and dromotropy more H+ , more K+ and vice versa (exchange to cells) K+ K+ K+

Hypokalemia diarreas polyuric phase of kidney failure diuretics (often) corticoids, hyperaldosteronism Asymptomatic, adynamia, paresis, obstipation and even paralytic ileus, areflexia , U wave on ECG

Hyperkalemia Acute renal failure Chronic renal failure Acidosis, cellular death, hemolysis, crush syndrom pseudohyperkalemia parestesia, stiff tongue, muscular twitches, paresis, Tall pointed T wave.

Ca++ Ca++ norm =2.2 – 2.7 mmol/l Ca++ free = 1.1 – 1.3 mmol/l regulated by PTH, vit. D3, and calcitonin Ca++ Ca++ Ca++

Hypocalcemia hypoparathyreosis (PTH ↓ HPO42- high↑) vit. D3 defficiency (PTH ↑, HPO42- low↓) pankreatitis chronic kidney failure (PTH ↑ HPO42- high↑) alcoholism, malnutrition (low together with Mg++ ) Cramps, tetany, parestesia, longer QT

Hypercalcemia Malignities (breast cancer, bronchogenic ca) Primary hyperparathyreosis, vit. D3 intoxication, insufficiency of adrenal cortex Immobilization, sarcoidosis polyuria, polydipsia, nausea, vomiting, obstipation, muscular weakness, psychosis, somnolence, coma – hypercalcemic crisis