Long-term studies on sodium balance and their relevance to human health

Abstract

The steady-state theory of sodium homeostasis for maintenance of constant extracellular solute and fluid concentrations suggests that the body sodium (Na+) content is maintained steady by rapid adjustment of renal excretion to variable intakes. This theory derives from studies with short-term exposure to dietary extremes. We recently performed the reverse experiment in that we fixed sodium intake for weeks at three levels of sodium intake (salt 6 g/day, 9 g/day, 12 g/day) and collected all urine made. We capitalized on a simulated flight to Mars, in which we could control intake and output of all nutrients for months. We found weekly (circaseptan) patterns in sodium excretion that were inversely cross-correlated with aldosterone and directly to cortisol. Total-body sodium was not dependent on sodium intake either but instead exhibited far longer (≥ monthly) infradian rhythms independent of extracellular water, body weight, or blood pressure. We also tested the utility of 24 hour urinary sample to predict the actual salt intake. Due to inherent changing patterns in Na+ of retention and excretion and alterations in the body Na+ content that are uncoupled from body fluid and blood pressure homeostasis, every second 24 hour urinary sample failed to predict salt intake within a 3 g range of real intake. Our findings are consistent with our ideas on tissue sodium storage and its regulation that we developed on the basis of animal research. We are implementing sodium magnetic resonance imaging to pursue open questions on sodium balance in patients. In Berlin, we could expand this technique to a 7-Tesla platform with greater resolution. The findings may recast thinking about how homeostasis of internal environment composition is achieved and become beneficial to diagnostic and therapeutic strategies, for instance in hypertension and target-organ damage.

Natrium-Homöostase soll einen Gleichgewichtszustand aufrechterhalten werden. Eine rasche Anpassung der Natriumausscheidung auf vermehrte oder verminderte Natriumzufuhr hält dabei den Natriumgehalt im Körper konstant. Diese Theorie basiert auf relativ kurzen Experimenten, in deren Verlauf massive Veränderungen in der Kochsalzzufuhr vorgenommen wurden. Wir konnten im Rahmen eines simulierten Marsfluges die Natrium-Homöostase unter konstanten Bedingungen von drei Kochsalzmengen (6, 9 und 12 Gramm/Tag) über Wochen an 10 normalen männlichen Probanden untersuchen. Alle anderen Diätbestandteile wurden über diese Zeit konstant gehalten. Wir entdeckten bei konstanter Natriumzufuhr wöchentliche (circaseptane) Rhythmuszyklen in der Natriumausscheidung, die invers mit Aldosteronausscheidung und direkt mit Kortisolausscheidung kreuzkorrelierten. Der Gesamtkörpergehalt an Natrium schwankte mit noch langfristiger infadianer Rhythmik (Periodendauer >30 Tage). Diese Schwankungen des Gesamtkörpernatriums traten ohne parallele Veränderungen von Gesamtkörperwasser, Körpergewicht oder Blutdruck auf. Wir testeten auch den prädiktiven Wert von 24-Stunden-Sammelurinproben zur Erfassung der täglichen Salzzufuhr. Aufgrund der infradianen Ausscheidungsrhythmen erfasst nur jede zweite 24-Stunden-Sammelurinprobe die tatsächliche Natriumaufnahme innerhalb eines 3-g Prädiktionsintervalls korrekt. Unsere Befunde zur Natriumspeicherung beim Menschen stimmen mit unseren Tierversuchsergebnissen überein. Auch passen sie zu unseren Natrium- Magnetresonanztomographischen Untersuchungen, die wir in Berlin auf 7-Tesla haben erweitern können. Unsere Befunde könnten jetzige Überlegungen hinsichtlich Kochsalzzufuhr, Bluthochdruck und Endorganschaden beeinflussen und zu besseren therapeutischen Strategien führen.