Водно-электролитный баланс

Когда мы думаем о жидкости в организме, мы, по сути, думаем о воде. Жесткая регулировка баланса между поступлением и выведением воды, и ее распределения, крайне важна для оптимального функционирования всех систем организма. При различных заболеваниях и во время операции возникают нарушения этого тонкого равновесия, которые необходимо выявлять и исправлять, чтобы предотвратить ухудшение состояния, осложнения и способствовать выздоровлению.

Практикующий врач ежедневно сталкивается с пациентами, имеющими нарушения водного баланса и пациентами, подвергающимися оперативному лечению. Поэтому важно иметь хорошее понимание физиологии нормального жидкостного гомеостаза и его нарушений.

Вопросы

Для проверки своих текущих знаний и понимания физиологии водного баланса организма до чтения этой статьи. Ответы можно найти в тексте.

Каков объем внеклеточной жидкости у здорового мужчины весом 75 кг? Где/как распределяется эта жидкость?
Что такое нормальная осмоляльность плазмы? Как можно оценить осмоляльность плазмы?
Что вы понимаете под тоничностью?
Каковы основные пути потери жидкости из организма? Какой объем теряется по этим путям каждые 24 часа?
Если обычно гидратированный 75-килограммовый пациент мужского пола не получает жидкость перорально в течение 24 часов, какой объем воды должен быть введен альтернативным путем для поддержания гидратации и какие электролиты должны содержать растворы для замещения текущих потерь?

Сколько жидкости находится в организме и как она распределена

Количество воды в организме зависит от возраста, веса и пола пациента. Общее содержание воды в организме (TBW) составляет 60% от общей массы тела взрослого мужчины; обычно гидратированный 75-килограммовый человек будет состоять примерно из 45 литров воды. Чтобы упростить, все последующие расчеты будут основываться на этом ‘идеальном’ организме с общим объемом воды в 45 литров.

Изменение TBW с возрастом

Неонатальный период – 80 %
6 месяцев – 70 %
1 год – 60 %
Взрослые – 60 %
Престарелые – 50 %

Общая вода распределена по всему организму, и находится в различных пространствах или компартментах. Компартменты отделены один от другого мембранами, которые регулируют переход воды между ними и таким образом контролируют количество воды, которое может содержаться в каждом компартменте.

Самый большой жидкостный компартмент составляет 2/3 (30 л) TBW, находится внутри клеток организма и назван внутриклеточной жидкостью (ICF). Оставшаяся треть (15 л) TBW находится вне клеток – “внеклеточная жидкость” (ECF). Внеклеточная жидкость разделена на несколько других компартментов (рис.).

10 л (приблизительно 2/3) находится в пространствах между клетками и называется интерстициальной жидкостью (ISF)
3,5 л находится в кровеносных сосудах в составе плазмы крови и называется внутрисосудистой жидкостью
1,5 л находится в трансцеллюлярной жидкости, которая состоит из внутриглазной жидкости, спинномозговой жидкости (CSF), мочи в мочевом пузыре и жидкости в просвете кишечника

вода организма

Основные принципы

Для того, чтобы полностью понять распределение и движение воды в организме, необходимо запомнить некоторые существующие определения, принципы и понятия.

Растворы, растворители и растворенные вещества

Растворитель – это жидкость, твердое вещество или газ, в котором может раствориться другое твердое, жидкое или газообразное вещество (растворенное вещество). Результатом этого процесса будет раствор, который находится в таком же физическом состоянии, как и растворитель. Хорошим примером может быть растворение соли в воде; раствор по-прежнему выглядит и ведет себя как вода!
Для образования раствора растворитель и растворенное вещество подвергаются реакции с разрывом и образованием физических связей. В данном процессе растворенное вещество будет полностью соединено с растворителем.
Смешивание – процесс, когда одно вещество добавлено к другому, но не происходит никакая физическая или химическая реакция и они продолжают существовать отдельно.

Возможно существование жидкости, которая одновременно является и раствором, и смесью. Для иллюстрации рассмотрим море и пляж. Морская вода – это раствор, так как это вода (растворитель) с растворенной в ней солью. Эти два вещества подверглись реакции и объединились в одно новое вещество. На берегу морская вода сталкивается с песком и часть песка смешивается с водой. Однако вода и песок химически не сочетаются и явно существуют как отдельные вещества, т. е. смесь. Оставленный в покое песок легко отделится от воды и опустится на дно, в то время как соль остается растворенной.

Состав жидкости в человеческом организме сложен, так как это одновременно и раствор, и смесь. Растворителем является вода, растворенные вещества многочисленны и включают электролиты, например, натрий (Na+), калий (K+) и ионы хлорида (Cl-), растворенные молекулы, например, сахар и мочевина, а также газы, например, кислород (O2) и углекислый газ (CO2). Внутриклеточная и внеклеточная жидкость содержит протеины, внутрисосудистая жидкость содержит протеины, жиры, и клетки крови делая эти жидкости как растворами, так и смесями.

Осмолярность и осмоляльность

Это способы количественной оценки того, сколько растворенного вещества растворено в растворе, т. е. концентрация растворенного вещества в растворе.
Осмолярность – количество осмолей частиц растворенного вещества на единицу объема раствора и выражается в осмолях/литр. Это очень высокая концентрация, а в организме мы используем миллиосмоли (т.е. одна тысячная осмоля).
Осмоляльность — количество осмолей частиц растворенного вещества на единицу массы растворителя и выражается в осмолях/килограмм. В организме мы используем миллиосмоли.

Эти два термина являются схожими понятиями, разница заметна при изменении температуры; объем изменится, но масса останется прежней. В большинстве физиологических условий температура достаточно постоянна и два понятия очень похожи, однако предпочтительным термином является осмолярность.

Один моль любого вещества содержит постоянное число молекул (или атомов), эквивалентное числу Авогадро, но не обязательно одинаковую массу. Это число атомов или молекул, а не общая масса, что важно при рассмотрении растворенных веществ, и, следовательно, измерение в молях позволяет лучше сравнивать. Единицы осмолей используются, чтобы определить количество частиц растворенного вещества в растворе. Это связано с количеством молей растворенного вещества и тем, насколько растворенное вещество диссоциирует в растворе. Это можно проиллюстрировать, сравнивая вещества, которые диссоциируют или не диссоциируют:

Ионные соединения диссоциируют, например, хлорид натрия (NaCl) диссоциирует на ионы Na+ и Cl- ионы, которые можно рассматривать как отдельные частицы растворенного вещества, каждая из которых влияет на осмоляльность. Следовательно, при добавлении 1 моля NaCl в 1 кг воды образуются 2 осмоля растворенных частиц и образуется раствор с концентрацией 2 осмоля/кг H2O.
Неионные соединения, например, глюкоза, не диссоциируют и поэтому 1 моль глюкозы, добавленный в 1 кг воды, будет производить 1 осмоль растворенных частиц и раствор с концентрацией 1 осмоль/кг H2O.

Растворенные частицы в растворе обладают энергией, что означает, что хаотично движутся, и, как правило, равномерно распределяются по всему раствору, если нет факторов, препятствующих этому (рис.).

диффузия

Осмоляльность плазмы можно оценить расчётным способом путем суммирования основных частиц растворенных в плазме – ионов натрия, калия, хлорида, глюкозы и мочевины. Сывороточная концентрация ионов натрия и калия удвоена для учета диссоциации хлорида натрия и хлорида калия, которая происходит в растворе:

Осмоляльность плазмы

= 2 (Na + K) + глюкоза + мочевина
= 2 (137 + 4.0) + 5.0 + 4
= 291 мосм/кг H20

Тоничность

Это похожее понятие, но не то же самое, что осмоляльность.
Тоничность – это способ описания относительных концентраций растворенных веществ в двух растворах, разделенных селективно проницаемой мембраной (часто называемой полупроницаемой мембраной). Например, внутриклеточная и внеклеточная жидкость, отделенная клеточной мембраной.
В то время как осмоляльность определяется общим числом частиц растворенного вещества в растворе, на тоничность влияют только те частицы растворенного вещества, которые не могут пересечь мембрану, разделяющую два раствора.
Из этого следует, что существуют две ключевых детерминанты тоничности – частицы растворенного вещества и свойства мембраны. Строго говоря, тоничность всегда должна применяться к конкретной мембране, например, клеточной мембране.

Тоничность двух растворов, разделенных мембраной, можно описать относительно друг к другу как:

гипертонический (содержит более высокую концентрацию растворенного вещества с одной стороны мембраны)
изотонический (содержит одинаковую концентрацию растворенного вещества с обеих сторон мембраны)
гипотонический (содержит меньшую концентрацию растворенного вещества с одной стороны мембраны)

Часто в клинической практике тоничность жидкости, вводимой внутривенно, описывается относительно тоничности внутренней среды эритроцита и применительно к мембране эритроцитов. Это связано с тем, что внутривенное введение гипотонических или гипертонических растворов приведет к перемещению воды в или из клеток крови, приводя к повреждению клеток (рис.).

Осмос

Это пассивное движение воды из разбавленного раствора (т. е. относительно гипотонический) в более концентрированный раствор (т. е. относительно гипертонический) через селективно проницаемую мембрану.
Мембрана называется селективно проницаемой, когда она позволяет свободно проходить молекулам воды с одной стороны на другую, но не пропускает частицы растворенного вещества.
Процесс является пассивным, так как он не зависит от энергии, произведенной при аэробном или анаэробном метаболизме.

осмос

Как вода перемещается между жидкостными компартментами?

Внутрисосудистый, интерстициальный, и внутриклеточный жидкостные компартменты отделены один от другого селективно проницаемыми мембранами. Стенка капилляра отделяет внутрисосудистую и интерстициальную жидкость, клеточная мембрана отделяет внутриклеточную и внеклеточную жидкость. Эти две мембраны обладают разными свойствами.

Стенка капилляра – движение воды и растворенных веществ через эту мембрану в значительной степени пассивно, происходит в результате фильтрации или простой диффузии.

фильтрация возникает в результате действия сил Старлинга, что приводит к перемещению воды из капилляра в интерстиций, вместе с водой перемещаются растворенные в ней вещества.
диффузия – это перемещение растворенных веществ из области более высокой концентрации в область более низкой концентрации.
вода пересекает стенку капилляра через промежутки между клетками или непосредственно через клеточную мембрану.

Клеточная мембрана – перемещение большей части растворенных веществ и воды через эту мембрану осуществляется посредством трансмембранных белков и ионных каналов, которые могут обеспечить различную проницаемость для различных растворенных веществ.

В устойчивом состоянии, внеклеточная и внутриклеточная жидкости изоосмолярны.
Для перемещения воды между ними должна быть разница тоничности между двумя сторонами клеточной мембраны.
Тоничность внеклеточной или внутриклеточной жидкости меняется из-за изменения концентрации растворенного вещества в жидкостном компартменте. Затем вода движется путем осмоса из зоны относительной гипотоничности в зону гипертоничности.
Клеточная мембрана практически непроницаема для ионов Na+, и поэтому внеклеточная концентрация Na+ фактически управляет распределением воды между ECF и ICF.
Концентрация Na+ внеклеточной жидкости контролируется почками под различным нейроэндокринным контролем.

Как в норме ежедневно поступают и выводятся вода и электролиты?

Для обеспечения оптимального функционирования организма общее количество воды в организме должно оставаться на нужном уровне (в зависимости от возраста, веса, пола и т.д.).). Жизненно необходимо, чтобы она соответствующим образом постоянно распределялась по всему организму для обеспечения должных объемов воды в каждом компартменте. Этот процесс, при котором организм поддерживает правильный баланс жидкости называется гомеостазом.

В здоровом организме вода (и электролиты) постоянно теряются, это нормальный физиологический процесс. Их необходимо возмещать для поддержания равновесия. Бывают случаи, когда эти потери резко увеличиваются, например, диарея, ожоги, или, когда жидкость неправильно распределена, что приводит к слишком большому или слишком малому количеству в некоторых жидкостных компартментах организма, например, послеоперационный период, сепсис.

Выделение воды

моча 1500 мл
фекалии 200 мл
кожа (пот) 400 мл
дыхание 400 мл
общее 2500 мл

Поступление воды

пища 750 мл
питье 1500 мл
метаболическая вода 250 мл
общее 2500 мл

Эти жидкости содержат различное количество электролитов. Чтобы принять решение о соответствующем возмещении жидкости, важно оценить, какое количество электролитов теряется в составе этой жидкости в среднем за 24 часа.

Пот

Скорость потоотделения контролируется гипоталамусом в ответ на изменение температуры кожи и тела. Может быть важным источником потери воды по мере того как скорость потоотделения меняется от 100 до 8000 мл/сут. Фактическое содержание электролитов в поту варьируется в зависимости от эмоционального состояния, диеты, физических упражнений, акклиматизации и различных наследственных факторов, таких как муковисцидоз. Основной электролит, теряющийся с потом – натрий, скорость потери может составлять от 5 ммоль/сут до 350 ммоль/сут.

Моча

Как и для любого раствора, концентрация мочи описывается с точки зрения ее осмоляльности. Нет единого ‘нормального’ значения для объема, состава, или концентрации мочи. Объем и состав мочи, вырабатываемой почками, могут сильно варьировать в зависимости от объема и состава жидкости в компартменте IVF, а также качества функционирования почек. Состав IVF жидкости сам по себе является результатом многочисленных факторов, таких как недавнее употребление жидкости (напитки и еда), температура тела и окружающей среды, чрезмерные потери жидкости из организма.

Для нормально гидратированного пациента с нормальной функцией почек существует облигатный объем выделяемой мочи и потеря электролитов в течение 24 часов. Облигатные потери – это результат ежедневного потребления растворенных веществ и продукты жизнедеятельности организма, обмена веществ, например, мочевина, креатинин и метаболиты препаратов (которые имеют тенденцию к увеличению тоничности ECF), они должны быть выделены. Иными словами, каков наименьший объем мочи, который должны вырабатывать почки для выделения избыточных растворенных веществ в организме?

Способность почек концентрировать мочу изменяется с возрастом; дети и пожилые люди не могут произвести мочу высокой концентрации, и, следовательно, потеряют больше воды для того чтобы выделить равнозначное количество растворенных веществ. Для здоровых пациентов с нормальной функцией почек осмоляльность мочи может варьировать от 50-100 мосмоль/кг H2O до 1200 мосмоль/кг H2O.

За сутки, с мочой экскретируются следующие вещества:

Натрий 50-200 ммоль
Калий 20-60 ммоль
Мочевина 330-500 ммоль
Креатинин 9-16 ммоль
Белок < 0,1 г

Изменения объема внутрисосудистой жидкости и осмоляльности влияют на скорость клубочковой фильтрации почек (СКФ) и, следовательно, количество хлорида натрия в фильтрате, достигающего дистальных канальцев почек. Это отслеживается юкстагломерулярным аппаратом, который ответствен за секрецию гормона ренина, контролирующего ренин-ангиотензин-альдостероновую систему (РААС).

При гиповолемии (низкий объем внутрисосудистой жидкости) или высокой осмоляльности (обезвоживание) больше хлорида натрия в фильтрате поступает к юкстагломерулярному аппарату, стимулируя секрецию ренина и активируя РААС. Одним из влияний РААС является увеличение реабсорбции натрия и воды в проксимальных канальцах (под действием ангиотензина 2) и в собирательных трубках (под действием альдостерона и антидиуретического гормона (АДГ)). Это приводит к возвращению объема и осмоляльности внутрисосудистой жидкости к норме.

Желудочно-кишечный тракт

В течение суток большие объемы жидкости и электролитов выделяются и реабсорбируются из кишечника. В нормально функционирующем кишечнике около 9000 мл жидкости попадает в просвет кишечника в результате перорального приема, выделения слюны, желудочного сока и секреции тонкой кишки. Подавляющее большинство (8500мл) реабсорбируется в тощей и подвздошной кишке, и в результате только 500 мл поступает в толстый кишечник, где 250мл реабсорбируется. За счет этого механизма рециркуляции, в просвете кишки одномоментно находится на самом деле лишь очень небольшой объем, который является частью трансцеллюлярной жидкости.

Если механизм рециркуляции в гастроинтестинальном тракте нарушается, например, упорная рвота, непроходимость кишечника, послеоперационный илеус, большие объемы жидкости и электролитов, выделяемые проксимально, не реабсорбируются дистальнее. Это приводит к избыточной потере внеклеточной жидкости вместе с большим количеством электролитов.

Респираторный тракт

Выдыхаемые газы содержат водяной пар, но не содержат растворенных веществ. В норме за сутки этим путем теряется 400 мл чистой воды. Эта потеря увеличивается с увеличением минутной вентиляции, или при дыхании сухой кислородо-воздушной смесью, например, неувлажненным кислородом. Эти потери, как правило, изолированно не являются клинически значимыми, но в практике желательно свести их к минимуму, где это возможно, например, с помощью подогретого увлажненного кислорода.

Потери от испарения

В дополнение к потоотделению, около 400 мл жидкости также теряется через кожу испарением. В отличие от пота, теряется чистая вода, без содержания электролитов и обычно этот путь имеет меньшую клиническую значительность. Однако существуют обстоятельства, которые приводят к значительному увеличению потерь на испарение. Например, во время открытых операций на полостях тела (грудной или брюшной), где висцеральные поверхности и мембраны подвергаются воздействию воздуха и тепла от приборов освещения, иногда в течение нескольких часов. В этих обстоятельствах важно предвидеть эти потери и планировать адекватное возмещение.

Общие ежедневные потери электролитов

У нормального здорового человека можно объединить все потери, описанные выше, чтобы оценить суточную потерю электролитов и, следовательно, количество, которое нуждается в возмещении.

натрий – 1-1.5 ммоль/кг
калий – 1-1.5 ммоль/кг
магний – 0.1-0.2 ммоль/кг
кальций – 0.1-0.2 ммоль/кг
хлор – 0.07-0.22 ммоль/кг
фосфор – 20-40 ммоль/кг

Резюме

Для поддержания оптимальной функции каждой отдельной клетки и органа, а также организма в целом, необходимо чтобы правильный объем жидкости с правильным составом содержался в правильном компартменте. Важно иметь хорошее знание и понимание состава и объема жидкости в различных компартментах, а также регуляторных механизмов организма, для того, чтобы оценить нарушения баланса жидкости у пациентов, потери и требования к возмещению при остром заболевании и в периоперационном периоде.

Dr Matthew Gwinnutt
Heart of England NHS Foundation Trust
Dr Jennifer Thorburn
Sandwell and West Birmingham Hospitals NHS Trust