urine&electrolytes&and& osmolality& · •...

URINE  ELECTROLYTES  AND  OSMOLALITY  

Assoc.  Prof.  Damjan  Kovač,  MD,  PhD  University  Medical  Centre  Ljubljana  Department  of  Nephrology  

UREX2015  

Urine  electrolytes  

•  Na+  

•  K+  

•  Cl-­‐    

UREX2015  

•  NH4+  

•  Mg2+  

•  Ca2+  

•  PO4-­‐  

When  are  urine  electrolytes  indicated?  

UREX2015  

In  the  following  clinical  circumstances:    •  Acute  kidney  injury  •  Disorders  of  intravascular  volume  •  Hyponatremia  •  Hypernatremia  •  Polyuria  •  Acid  –  base  disorders  •  AbnormaliYes  of  serum  potassium  concentraYon  

Remember!      1.  electrolyte  and  osmolality  analysis  should  be  done  before                insYtuYon  of  therapy  2.        urine  can  be  saved  and  analysed  at  a  later  Yme  

Osmolality  

UREX2015  

Number  of  moles  of    solute  per  kg  of  solvent  (water).      

Urine  osmolality  can  vary  in  healthy  person  from  80  -­‐1200  mOsm/kg  H2O    

Most  important  osmols  in  the  urine  are  caYons  Na+,  K+,  NH4+  with  their  

corresponding  anions  and  urea.    It  can  be  calculated:    

Uosm  =  2  x  (Na+  +  K+  +  NH4+)  +  (urea)  +  (glucose)  

It  is  measured  by  an  osmometer.    

Osmolality  [mOsm/kg  H2O]  =  depression  of  freezing  point    [mK]  ÷  1.858  

1.  Freezing  point  osmometers    2.  Vapor  pressure  osmometers  3.  Membrane  osmometers    

UREX2015  

Nonosmotic influences:

•  Drugs

•  ê efective arterial volume

•  Nausea

•  Postoperative pain

•  Pregnancy

High blood osmoticity

AnYdiureYc  hormone  (ADH)  

ADH  acYon  

UREX2015  

ADH  

H2O  

H2O  

H2O  

urine renal interstitium

H2O  

H2O  

H2O  

H2O  H2O  

H2O  

Protein kinaze A

ATP

cAMP

d i s t a l t u b u l e

V2  receptor  

OSMOLALITY  vs.  SPECIFIC  GRAVITY  

•  Osm:  determines  only  number  of  parYcles    •  SG:  determines  number  of  paYcles  and  their  weight  

•  Usually  they  change  in  paralel  •  SG  of  1.020-­‐1.030  à    osmolality  800-­‐1200  mOsm/kg  H2O  

•  SG  of  1.005  à  osmolaity  <100  mOsm/kg  H2O  •  DisproporYonate  increase  of  SG  if  urine  contains    

–  glucose  or  proteins      –  radiocontrast  material    

UREX2015  

Sodium  excreYon  

UREX2015  

•  Filtered  in  the  glomerulus                                      (25.000  mmol/day)  

•  1-­‐3  %  of  this  filtreed  load  is  excreted  in  the  urine  (FRACTIONAL  EXCRETION)  

•  Na+  determianYon  in  the  urine  is  very  suitable  for  differenYal  diagnosis  of  AKI  

•  Any  acute  kidney  injury  causes  Na+  loss                          (é FE)  

•  In  hypovolemia  and  hypoperfusion  Na+  is  rebasorbed  to  a  grater  extent                                    (ê  FE)  

•  DeterminaYon  of  24-­‐h  Na+  excreYon  is  useful  tool  for  determinaYon  of  salt  consumpYon  (17  mmol  Na+  =  1  g  salt)  

Impact  of  hypovolemia  on  urine  Na+  

Hypovolemia  

é Renin  

Na+  tubular  reabsorbYon  

é Angiotensin  II  

é Aldosterone  

é      ADH  

Concentrated  urine  with  low  Na+  

UREX2015  

Diagnosing  the  cause  of  AKI  by  urine  Na+  

Prerenal  azotemia?    or  Acute  tubular  necrosis?    Urine  Na+  <  20    mmol/L              ê  prerenal  azotemia  (osmolality  >  500  mOsm/kg)      Urine  Na+  >  40    mmol/L                 ê  acute  tubular  necrosis                                    (osmolality  <  350  mOsm/kg)  

UREX2015  

Diagnosing  the  cause  of  AKI  by  urine  Na+  

STATES  WHEN  URINE  Na+  CAN  BE  MISLEADING  •  Metaboloc  alkalosis  with  volume  depleYon  (vomiYng):    

 Urine  Na+  is  not  maximally  reduced                      à  obligate  Na+  excreYon  with  HCO3

-­‐  

 Urine  Cl-­‐  is  more  accurate  in  such  condiYons                    (Cl-­‐  <  20  mmol/L).    •  Prerenal  azotemia  in  preexisYng  CKD      •  DiureYc  use  

UREX2015  

HCO3-­‐  

Na+  

FracYonal  excreYon  of  Na+  

The  most  accurate  test  to  disYnguish  prerenal  AKI  from  ATN  in  oliguric  AKI      (24h  urine  <  400  ml)    DefiniYon:  %  of  filtered  Na+  excreted  in  the  urine    FE  1  %  à  99  %  of  filtered  Na+  reabsorbed,  1  %  excreted  in  urine    

     urine  Na+      X      serum  creaYnine  FENa%        =                                                                                                                                      x  100  

     urine  creaYnine      X      serum  Na+  

<  1%:  prerenal  AKI                    >2  %:  ATN  

UREX2015  

Piqalls  of  FENa  It  should  allways  be  taken  with  cau8on.    It  is  validated  only  in  persons  with  oliguria.    FENa  in  healthy  person  is  allways  <1%.  Low  in  several  renal  condiYons  not    associated  with  volume  depleYon:    

•  GN  •  contrast  AKI  •  pigment  nephropathy  •  vascular  diseases  •  vasculiYs  •  liver  disease  

 Some  hypovolemic  paYents  will  not  have  low  FENa.  Value  of  excreted  sodium  is  related  to  GFR:  as  GFR  decreases-­‐  FENa  increases.    Elderly  pts  and  pts  with  CKD  are  not  able  to  generate  FENa  <1%.      

UREX2015  

Hyponatremia  

UREX2015  

•  The  most  aboundant  electrolyte  disturbance,  present  in  15%  to  30%  of  hospitalized  paYents  

•  Hyponatremia  represents  an  excess  of  water  rela8ve  to  solute  in  the  body.    

•  Hyponatremia  usually  develops  as  a  result  of  the  acYon  of  ADH  in  the  kidney  to  diminish  free  water  excreYon.    

•  Most  common  s8muli  are  nonosmo8c:  drugs,              pain,  nausea,  decreased  effecYve  arterial  volume,            strenuous  exercise  ...  

•  Rarely  develops  as  a  consequence  of    •  consuming  very  low  quanYYes  of  solute  or    •  polydipsia  

Hyponatremia  and  anYdiureYc  hormone  

UREX2015  

280                     285                      290  Serum  osmolality  (mOsm/kg  H20)  

Serum [Na+] 135 mmol/L è max. suppressed ADH

ê

urine osmolality < 100 mOsm/kg

Nonosmotic ADH production

•  Drugs

•  ê effective art. volume

•  Nausea

•  Postoperative pain

•  Pregnancy

Physiological    respons  in    

hyponatremia:      

U-­‐Osm  <  P-­‐Osm  

137          Na+          145  

Urine  Na+  and  osmolality  in  hyponatremia  Urine  sodium    (mmol/L)  

Urine  osmolality  (mOsm/kg)  

True  volume  depleYon   <  20   >300  

EfecYve  circulaYng  volume  depleYon  

<  20   >300  

SIADH   >  40  if  consuming  regular  diet   >100-­‐150,  not  maximaly  dilute  

Volume  depleYon  and  SIADH   Variable,  may  be  <20  unYl  volume  depleYon  corrected  

>300    

Water  intoxicaYon   Variable,  may  be  low  due  to  dilute  urine  

<100  

Low  solute  intake  (tea  and  toast)   May  be  <20   Low  (less  than  serum  osmolality)  

UREX2015  

Adapted  from:  Muser  WP,  Korzelius  CA.  Hosp  Med  Clin  2012;  1:  e338-­‐e352.  

Urine  chemistries  in  hypernatremia  

Reason   Urine  osmolality  (mOsm/kg)   Urine  sodium    (mmol/L)  

Water  depleYon   >600-­‐800   Variable  

Water  and  volume  depleYon   >600-­‐800   <20  

OsmoYc  diuresis  (hyperglicemia,  manitol)  

>300   Variable  

Diabetes  insipidus  (central  or  nephrogenic)  

<300  (<100  in  complete  nephrogenic  DI)  

Variable  (depends  on  intake)  

Salt  intoxicaYon   >600-­‐800   >20  (very  high)  

UREX2015  

•  Deficit  of  free  water  relaYve  to  solute.    

•  Inadequate  free  water  intake  because  of  impaired  access,  impaired  thirst  (in  elderly  paYents).    

•  Most  adult  paYents  with  hypernatremia  also  have  concurrent  volume  depleYon.    

Adapted  from:  Muser  WP,  Korzelius  CA.  Hosp  Med  Clin  2012;  1:  e338-­‐e352.  

Urine  chemistry  in  polyuria  

Urine  osmolality  (mOsm/kg)  

Urine  sodium    (mmol/L)  

Water  diuresis   <  300   Low  (total  daily  excreYon  matches  intake)  

Solute  diuresis   Usually  >  300   Variable  (high  if  sodium  diuresis)  

Water  diuresis:        polydipsia                                                                        diabetes  insipidus    Solute  (osmoYc)  diuresis:    i.v.  NaCl    

           hyperalimentaYon                hyperglycemia                high  protein  intake              recovery  from  AKI  

UREX2015  

Adapted  from:  Muser  WP,  Korzelius  CA.  Hosp  Med  Clin  2012;  1:  e338-­‐e352.  

Diagnosing  polyuria  

UREX2015  

Water  restricYon  test:    1.  At  8.00  a.m.:  a)  Empty  bladder,  record  the  volume,  and  send  urine  osmolality  b)  Take  a  serum  osmolality  c)  Record  the  paYent's  weight.  2.  Then  for  the  next  8  hours  check:    Urine  osmolality  and  weight  every  hour  

           Serum  osmolality  every  2  hours  Stop  the  test  if  the  paYent's  weight  decreases  by  more  than  3%  of  body  weight  (or  by  4kg)  or  the  serum  osmolality  rises  >300  mOsm/kg/H2O.    3.  If  the  urine  osmolality  at  4  p.m.  remains  <600mOsm/kg  proceed  with  the  desmopressin  test.  a)  Desmopressin  (DDAVP)  20  μg  intranasally  or  2  µg  intramuscularly  b)  Can  eat  and  drink  freely  c)  Hourly  urine  volumes  and  osmolality  unYl  8.30  p.m.  

Polydypsia   Central  DI   Nephrogenic  DI  

Serum  osmolality  (mOsm/kg)  

<295   >300   >300  

Urine  osmolality  (mOsm/kg)  

>600  (400-­‐600  if  chronic)  

<300  ORen  <200  

<300  

Post  DDAVP  urine  osmolality  (mOsm/kg)  

No  or  mild  response  

>400-­‐600   No  response  

Acid-­‐base  disorders  

UREX2015  

Kidney  role  in  maintaining  acid-­‐base  balance:    -­‐  resorbYon  or  excreYon  HCO3

-­‐  

-­‐  secreYon  of  H+  

-­‐  producYon  of  NH3    Most  acid-­‐base  disorders  can  be  diagnosed  and  treated  without  measurement  of  urine  electrolytes.      ExcepYons:    1.  METABOLIC  ALKALOSIS  Urine  Cl-­‐  more  useful  than  urine  Na+  to  asses  volume  status.  HCO3

-­‐  excreted  in  urine  and    followed  by  Na+.  Urine  Cl-­‐  <  20  mmol/L  suggests  volume  depleYon.    2.  NON-­‐ANION-­‐GAP  METABOLIC  ACIDOSIS  Urine  electrolyte  measurement  in  non-­‐anion-­‐gap  metabolic  acidosis  to  disYnguish  between  bicarbonate  loss  and  impaired  renal  acid  excreYon.    

HCO3-­‐  

Na+  

Metabolic  alkalosis  

?  

Urine  anion-­‐gap  

UREX2015  

In  steady  state  UAG  is  posiYve:  with  a  mean  41  ±  9  mmol/L.      NH4

+=  0.8  (Cl-­‐-­‐Na++K+)  x  Vu  +  80    In  severe  diarrhea  with  metabolic  acidosis  urine  NH3  will  increase  and  be  secreted  with  Cl-­‐  à  negaYve  urine  anion  gap    In  type  4  and  type  1    RTA  NH3  excreYon  is  defecYve  à  posiYve  urine  anion  gap    

NH4+  NH4+  

K+   K+  

Na+  Na+  

Cl-­‐  

Cl-­‐  

Other    anions  

Other    anions  

NegaYve    anion  gap  

PosiYve    anion  gap  

UAG  =        (urine  Na+    +    urine  K+)    -­‐  (urine  Cl-­‐)  

Diarrhea  

RTA  4  

NH3  +  H+        à  NH4+  

éNH4+      à    é  Cl-­‐  

Potassium  disorders  

•  Daily  K+  dietary  load  is  80-­‐120  mmol,  excreted  mainly  in  the  urine.  

•  The  amount  of  excreted  K+  arises  from  the  tubular  excreYon  in  the  distal  and  collecYng  tubule  –  effect  of  aldosterone.  

•  Daily  K+  excreYon:  10  mmol  -­‐  400  mmol.  

•  The  most  important  indicaYon  for  determinaYon  of  urine  K+  is  differenYal  diagnosis  of  hypokalemia.    

UREX2015  

Hypokalemia,  UK+  <  10  mmol/L   Hypokalemia,  UK+  >  30  mmol/L    

Reduced  potassium  intake   Renal  potassium  loss  

Extrarenal  potassium  loss  

TRANSTUBULAR  POTASSIUM  GRADIENT    

                                                                         urine  K+/serum  K+  TTKG  =                                                urine  osmolality/serum  osmolality    

High  value:    kidney  is  excreYng  K+  Low  values:    conservaYon  of  K+    Urine  must  be  isotonic  or  hypertonic  to  serum  (300  mOsm/kg)  Urine  Na+  concentraYon  must  be  >25  mmol/L    

Potasium  concentraYon  in  a  urine  spot  is  difficult  to  interpret  without  daily  urine  volume  and  urine  concentraYon.      •  to  assess  kidneys  tendency  to  reabsorb  or  excrete  potassium      •  it  is  a  surogate  measure  of  aldosteron  effect  

UREX2015  

K+   K+  

CollecYng  duct  

Distal    capillary  

TTG  in  hypokalemia  and  hyperkalemia    

Hypokalemia    

Hyperkalemia  

Transtubular  potassium  gradient  

 <  2  

 >  2  

 <  7  

 >  10  

Cause   gastrointesYnal  loss  

hyper-­‐  aldosteronism  

hypo-­‐aldosteronism  

Normal  aldosterone  effect  

Example   Diarrhea   Conn  syndrome   ACEI,  spironolactone  

Potassium  shiz,  overload  

UREX2015  

Adapted  from:  Muser  WP,  Korzelius  CA.  Hosp  Med  Clin  2012;  1:  e338-­‐e352.  

Magnesium  excreYon  

UREX2015  

•  Mg++  concentraYon  in  serum  does  not  provide  accurate  informaYon  about  the  actual  Mg++    content  in  the  body.    

•  Renal  Mg++  excreYon  is  suprisingly  accurate  at  regulaYng  the  total  Mg++  content.  

•  In  Mg++  deficiency  excreYon  in  the  urine  is  reduced,  therefore  Mg++  excreYon  can  be  used  for  diagnosing  of  Mg++  deficiency,  even  though  Mg++  concentraYon  is  normal.    

Hypomagnesemia,    UMg++  <  0.5  mmol/L  

Hypomagnesemia,    UMg++  >  1.5  mmol/L  

 Extrarenal  magnesium  loss  

 Renal  magnesium  loss  

UREX2015  

Conclusion  

Urinary  electrolytes  and  osmolality  are  useful   tool   in  many  clinical   situaYons,  and  they  have  to  be  used  more  ozen,  to  show  their  full  value.