Use of stress tests to study human water-elecgrolyte metabolism and kidney function in extreme conditions of space and diving medicine

OBJECTIVE. Determine prospects of using kidney stress tests to study water-electrolyte metabolism and kidney function under the action of extreme factors in diving descents.

MATERIALS AND METHODS. There was a review of works from the scientometric databases Scopus, eLibrary.ru (Russian Science Citation Index – RSCI), PubMed, Google Scholar, Ulrichsweb. The analysis was based on keywords and phrases in Russian and English: an astronaut, water-electrolyte metabolism, diver, stress kidney test, excretory system, kidney function, diuresis, kidney. 87 literary sources were selected for the period 1970–2023, of which 36 works were included in the review, which corresponded inclusion and exclusion criteria. Moreover, at least 45 % of the works, included in the review, have been published for the last twenty years, at least 20 % of works – for the last 10 years.

RESULTS. To study kidney function and water-electrolyte metabolism in the practice of space medicine, testes with water load in the volume of 20 ml/kg of body weight, load with 10 % solution of potassium chloride at the rate of 0,55 ml/kg of body weight, sodium chloride and calcium lactate were used. Stress tests have shown that fluid retention after space flight is a compensatory reaction to developing hypohydration and aims to replenish losses of extracellular fluid. Water-sault load was also used to increase human orthostatic resilience both under normal conditions and with exposure of hypoxic hypoxia to the body. Research with the use of kidney stress tests has just begun in diving medicine. Currently obtained data demonstrates the need to develop the system to diagnose changes in water-electrolyte metabolism in divers under the action of hyperbaric factors using functional kidney stress tests.

DISCUSSION. When using various water-sault loads, the body’s ability to retain an excess of substances in the depot as well as quickly dispose of others, currently redundant, is of utmost importance. The use of kidney stress tests in diving medicine would make it possible not only to detect mechanisms for regulating kidney functions and to evaluate the state of water-electrolyte metabolism, but also to determine the reserve capacity level of the excretory system of the body.

CONCLUSION. In space medicine the system of measures has been developed to diagnose water-electrolyte metabolism and to manage resistance to adverse factors of orbital flight by changing the hydration of the body tissues using water-sault supplements and diuretics. The development of such system is an important scientific problem in diving medicine. Further research into the use of kidney stress tests will help to form a system of diving disease prevention due to diagnosis of changes in kidney function and developed methods of exposure to water-electrolyte metabolism.

marine medicine, diver, astronaut, water-electrolyte metabolism, kidney, kidney stress test, decompression sickness, hypoxic hypoxia, toxic oxygen effect

1. Щеголев В. А., Попов С. В. Несчастные случаи, возникающие с водолазами в связи с особенностями водной среды и несоблюдением мер безопасности // Медико-биологические и социально-психологические проблемы безопасности в чрезвычайных ситуациях. 2013. № 2. С. 27–31 [Shchogolev V. A., Popov S. V. Accidents that occur with divers due to the nature of water environment and failure to comply with safety measures. Medical-biological and social-psychological problems of safety in emergencies, 2013, No 2, рр. 27–31 (In Russ.)].

2. Мясников А. А. Профессиональная патология специалистов Военно-морского флота // Патофизиология: руководство для слушателей и врачей Военно-медицинской академии и Военно-медицинских институтов / Под. ред. В. Ю. Шанина. СПб.: ЭЛБИ-СПб. 2005. 639 с. [Myasnikov A. A. Professional pathology of Navy specialists. Pathophysiology: a guide for students and doctors of the Military Medical Academy and Military Medical Institutes / Edited by V.Yu. Shanin, St. Petersburg: ELBI-SPb, 2005, 639 p. (In Russ.)].

3. Зверев Д. П., Мясников А. А., Шитов А. Ю., Андрусенко А. Н., Чернов В. И., Кленков И. Р. Водно-электролитный обмен и функции выделительной системы у водолазов: новые подходы к определению устойчивости к декомпрессионной болезни // Воен.-мед. журн. 2018. Т. 339, № 4. С.42–48 [Zverev D. P., Myasnikov A. A., Shitov A. Yu., Andrusenko A. N., Chernov V. I., Klenkov I. R. Water-electrolyte metabolism and excretory system functions in divers: new approaches to determination of dysbarism resistance. Military medical journal, 2018, Vol. 339, No. 4, P. 42–48 (In Russ.)].

4. Григорьев А. И., Николаев С. О., Орлов О. И., Семенов В. Ю., Перфильева Т. А. Влияние гипербарии на водно-солевой обмен // Космическая биология и медицина. 1985. № 2-3. C. 3–44 [Grigoriev A. I., Nikolaev S. O., Orlov O. I., Semenov V. Yu., Perfileva T. A. The effect of hyperbaria on water-salt metabolism. Space Biology and Medicine, 1985, No. 2-3, pp. 3–44. (In Russ.)].

5. Молчанов Д. В. Почки при гипероксии. М.: Бином. 2015. 160 с. ISBN 978-5-9518-0640-6 [Molchanov D. V. Buds during hyperoxia. Moscow: Binom, 2015, 160 p. (In Russ.)].

6. Григорьев А. И., Ларина И. М., Носков В. Б. Влияние космических полетов на состояние и регуляцию водно-электролитного обмена // Российский физиологический журнал. им. И.М. Сеченова. 2006. Т. 92. № 1. С. 5–17 [Grigoriev A. I., Larina I. M., Noskov V. B. The influence of space flights on water-electrolytes turnover and its regulation. Russian physiological journal. them. I.M. Sechenov, 2006, Vol. 92, No. 1, P. 5–17 (In Russ.)].

7. Григорьев А. И., Носков В. Б. Функциональные нагрузочные пробы в оценке состояния функций почек и водно-солевого обмена // Физиология человека. 2013. Т. 39, № 2. С. 10–18. [Grigoriev A.I., Noskov V.B. Functional stress tests in assessing the state of kidney function and water-salt metabolism // Human Physiology. 2013. Vol. 39. No. 2. P. 10-18. (InRuss.)]. https://doi: 10.7868/S0131164613020069

8. Носков В. Б. Водно-солевой гомеостаз и система гормональной волюморецепции при космических полётах на орбитальной станции «Мир». М.: Орбитальная станция «Мир». 2002. Т. 2. С. 121 [Noskov V.B. Water-salt homeostasis and the system of hormonal volume reception during space flights on the «Mir» orbital station. Moscow: Orbital station «Mir», 2002, Vol. 2, P. 121 (InRuss.)].

9. Григорьев А. И., Носков В. Б., Атьков О. Ю. Состояние водно-солевого гомеостаза и систем гормональной регуляции при 237-суточном космическом полёте // Космическая биология и авиакосмическая медицина. Т.25. № 2. 1991. С.15. [Grigoriev A.I., Noskov V.B., Atkov O.Yu. The state of water-salt homeostasis and hormonal regulation systems during a 237-day space flight. Space biology and aerospace medicine, 1991, Vol. 25, No. 2, P.15 (In Russ.)].

10. Носков В. Б. Фармакологическая гипогидратация как средство повышения работоспособности человека в ранний период невесомости // Авиакосмическая и экологическая медицина. 1994. Т. 28. № 4. С. 9 [Noskov V. B. Pharmacological hypohydration as a means of increasing human performance in the early period of weightlessness. Aerospace and environmental medicine, 1994, Vol. 28, No. 4, P. 9 (In Russ.)].

11. Носков В. Б., Лукьянюк В. Ю. Влияние фармакологической гипогидратации на переносимость перегрузок // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2003. Т. 37, № 6. С. 30–33 [Noskov V. B., Lukyanyuk V. Yu. The influence of pharmacological hypohydration on overload tolerance. Aerospace and environmental medicine, 2003, Vol. 37, No. 6, P. 30–33 (In Russ.)].

12. Зверев Д. П. Мясников А. А., Шитов А. Ю., Андрусенко А. Н., Чернов В. И., Кленков И. Р. Использование пероральных нагрузочных почечных проб для определения устойчивости водолазов к факторам гипербарии // Воен.-мед. журн. 2020. Т. 341, № 2. С. 66–72 [Zverev D. P., Myasnikov A. A., Shitov A. Yu., Andrusenko A. N., Chernov V. I., Klenkov I. R. The use of oral stress renal tests to determine the resistance of divers to hyperbaric factors. Military medical journal, 2020, Vol. 341, No. 2, P. 66–72 (In Russ.)].

13. Газенко О. Г., Григорьев А. И., Наточин Ю. В. Водно-солевой гомеостаз и космический полёт. М.: Наука. 1986. Т. 54. 238 с. [Gazenko O. G., Grigoriev A. I., Natochin Yu. V. Water-salt homeostasis and space flight. Moscow: Nauka, 1986, Vol. 54, 238 p. (In Russ.)].

14. Носков В. Б., Григорьев А. И., Козыревская Г. И. Функциональная проба с водной нагрузкой: физиологические параметры и критерии оценки // Лабораторное дело. 1978. № 7. С. 415–420 [Noskov V. B., Grigoriev A. I., Kozyrevskaya G. I. Functional test with water load: physiological parameters and evaluation criteria. Laboratory work, 1978, No. 7, P. 415–420. (In Russ.)].

15. Носков В. Б., Балаховский И. С. Выведение 17-оксикортикостероидов при функциональной пробе с водной нагрузкой у здорового человека // Физиология человека. 1977. Т. 3, № 1. С. 156–160 [Noskov V. B., Balakhovsky I. S. Removal of 17-hydroxycorticosteroids during a functional test with water load in a healthy person. Human Physiology, 1977, Vol. 3, No. 1, pp. 156–160 (In Russ.)].

16. Носков В. Б., Балаховский И. С., Григорьев А. И., Длусская И. Г., Киселев Р. К. К вопросу о состоянии гипофизарно-адреналовой системы у космонавтов после орбитальных полётов различной продолжительности // Космическая биология и авиакосмическая медицина. 1981. Т. 15, №1. С. 29–32 [Noskov V. B., Balakhovsky I. S., Grigoriev A. I., Dlusskaya I. G., Kiselev R. K. On the issue of the state of the pituitary-adrenal system in cosmonauts after orbital flights of various durations. Space biology and aerospace medicine, 1981, Vol. 15, No. 1, pp. 29–32 (In Russ.)].

17. Григорьев А. И., Козыревская Г. И. Осморегулирующая функция почек у членов экипажей космических кораблей «Союз-4» и «Союз-5». Космическая биология и медицина. 1970. Т. 4, № 5. С. 55–59 [Grigoriev A. I., Kozyrevskaya G. I. Osmoregulatory function of the kidneys in crew members of the «Soyuz-4» and «Soyuz-5» spacecraft. Space biology and medicine, 1970, Vol. 4, No. 5, P. 55–59 (In Russ.)].

18. Корольков В. И., Доценко М. А., Григорьев А. И., Козыревская Г. И. Водно-солевой обмен и функция почек человека в условиях высокогорья // Физиология человека. 1979. Т.5, № 5. С. 849–854 [Korolkov V. I., Dotsenko M. A., Grigoriev A. I., Kozyrevskaya G. I. Water-salt metabolism and human kidney function in high altitude conditions. Human Physiology, 1979, Vol. 5, No. 5, P. 849–854 (InRuss.)].

19. Мельников В. Н., Донгак А. О., Кривощеков С. Г., Айзман Р. И. Показатели гемодинамики у молодых мужчин при действии водной нагрузки в сочетании с кратковременной гипоксией // Бюллетень СО РАМН. 2007. № 3 (125). С. 159–162 [Melnikov V. N., Dongak A. O., Krivoshchekov S. G., Aizman R. I. Hemodynamic parameters in young men under the influence of water load in combination with short-term hypoxia. Bulletin of the Siberian Branch of the Russian Academy of Medical Sciences, 2007, No. 3 (125), pp. 159–162 (In Russ.)].

20. Loeppky J. A., Icenogle M. V., Maes D., et al. Early fluid retension and severe acute mountain sickness. J. Appl. Physiol, 2005, Vol. 98, P. 591–597.

21. Зверев Д. П. Мясников А. А., Шитов А. Ю., Андрусенко А. Н., Чернов В. И., Кленков И. Р., Исрафилов З. М. Исследование показателей функций почек для определения устойчивости водолазов к гипоксической гипоксии // Морская медицина. 2021. Т. 7, № 3. С. 49–61 [Zverev D. P., Myasnikov A. A., Shitov A. Yu., Andrusenko A. N., Chernov V. I., Klenkov I. R., Israfilov Z. M. Study of renal function indices to determine hypoxic hypoxia resistance in divers. Marine Medicine, 2021, Vol. 7, No. 3, P. 49–61 (In Russ.)]. https://dx.doi.org/10.22328/2413-5747-2021-7-3-49-61.

22. Балаховский И. С., Длусская И. Г. Влияние водных и водно-солевых нагрузок у здоровых людей на ортостатические реакции // Физиология человека. 1981. Т. 7, № 1. С.130–137 [Balakhovsky I. S., Dlusskaya I. G. The influence of water and water-salt loads in healthy people on orthostatic reactions. Human Physiology, 1981, Vol. 7, No. 1, P. 130–137 (In Russ.)].

23. Мясников А. А., Кулешов В. И., Чернов В. И., Шитов А. Ю., Зверев Д. П. Питьевой режим водолазов и индивидуальная устойчивость организма к декомпрессионной болезни // Воен.-мед. журн. 2007. Т. 328, № 3. С. 49–52 [Myasnikov A. A., Kuleshov V. I., Chernov V. I., Shitov A. Yu., Zverev D. P. Drinking regime of divers and individual resistance of the body to decompression sickness. Military medical journal, 2007, Vol. 328, No. 3, P. 49–52 (In Russ.)].

24. Длусская И. Г., Хоменко М. Н. Особенности реакции на активную ортостатическую и воднонагрузочную пробы у лиц с различной устойчивостью к перегрузкам +Gz // Космическая биология и авиакосмическая медицина. 1985. Т. 19, № 6. С. 22–27 [Dlusskaya I. G., Khomenko M. N. Features of the reaction to active orthostatic and water load tests in individuals with different resistance to +Gz overloads. Space biology and aerospace medicine, 1985, Vol. 19, No. 6, pp. 22–27 (In Russ.)].

25. Григорьев А. И., Арзамазов Г. С. Роль почек в регуляции ионного гомеостаза у здорового человека при нагрузке хлористым калием // Физиология человека. 1977. Т. 3, № 6. С. 1084–1089 [Grigoriev A. I., Arzamazov G. S. The role of the kidneys in the regulation of ionic homeostasis in a healthy person under potassium chloride loading. Human Physiology, 1977, Vol. 3, No. 6, P. 1084–1089 (InRuss.)].

26. Донгак А. О., Корощенко Г. А., Кирсанов С. И., Кривощёков С. Г., Айзман Р. И. Реакция почек и гемодинамики на водно-солевые нагрузки у юношей // Бюллетень СО РАМН. 2008. № 4 (132). С. 77–84 [Dongak A. O., Koroshchenko G. A., Kirsanov S. I., Krivoshchekov S. G., Aizman R. I. Reaction of the kidneys and hemodynamics to water-salt loads in young men. Bulletin of the Siberian Branch of the Russian Academy of Medical Sciences, 2008, No. 4 (132), pp. 77–84 (In Russ.)].

27. Григорьев А. И., Бугров С. А., Богомолов В. В., Егоров А. Д., Козловская И. Б. Пестов И. Д., Тарасов И. К. Обзор основных медицинских результатов годового полёта на станции «Мир» // Космич. биология и авиакосмическая медицина. 1990. Т. 24, № 5. С. 3–10 [Grigoriev A. I., Bugrov S. A., Bogomolov V. V., Egorov A. D., Kozlovskaya I. B. Pestov I. D., Tarasov I. K. Review of the main medical results of the annual flight at the «Mir» station. Space biology and aerospace medicine, 1990, Vol. 24, No. 5, P. 3–10 (In Russ.)].

28. Григорьев А. И., Носков В. Б. Функциональная проба с хлористым калием после длительных космических полетов // Авиакосмическая и экологическая медицина. 1997. Т. 31, № 5. С. 15–19 [Grigoriev A. I., Noskov V. B. Functional test with potassium chloride after long-term space flights. Aerospace and environmental medicine, 1997, Vol. 31, No. 5, P. 15–19 (In Russ.)].

29. Григорьев А. И., Дорохова Б. Р., Арзамазов Г. С., Моруков Б. В. Ионорегулирующая функция почек у человека при длительных космических полетах и в модельных исследованиях // Космич. биология и авиакосмич. медицина. 1982. Т. 16, № 1. С. 29 [Grigoriev A. I., Dorokhova B. R., Arzamazov G. S., Morukov B. V. Ion-regulating function of the kidneys in humans during long-term space flights and in model studies. Space biology and aerospace medicine, 1982, Vol. 16, No. 1, P. 29 (In Russ.)].

30. Григорьев А. И., Воложин А. И., Ступаков Г. П. Минеральный обмен у человека в условиях измененной гравитации // Проблемы космич. биологии. Т. 74. М.: Наука. 1994. 214 с. [Grigoriev A. I., Volozhin A. I., Stupakov G. P. Mineral metabolism in humans under conditions of altered gravity. Problems of space biology. Vol. 74. Moscow: Nauka, 1994, 214 p. (In Russ.)].

31. Гоженко А И., Доломатов С. И., Шумилова П. А., Топор Е. А., Пятенко В. А., Бадьин И. Ю. Влияние осмотических нагрузок на функциональное состояние почек здоровых людей // Нефрология. 2004. Т.8, № 2. С. 44–48 [Gozhenko A. I., Dolomatov S. I., Shumilova P. A., Topor E. A., Pyatenko V. A., Badiin I. Yu. Effects of osmotic loads on the functional state of the kidneys in healthy volunteers. Nephrology, 2004, Vol. 8, No 2, pp. 44–48 (In Russ.)].

32. Носков В. Б., Ничипорук И. А., Григорьев А. И. Динамика жидкостных сред и состава тела в условиях длительного космического полета (биоимпедансный анализ) // Авиакосмич. и экологич. медицина. 2007. Т. 41, № 3. С. 3 [Noskov V. B., Nichiporuk I. A., Grigoriev A. I. Dynamics of liquid media and body composition during long-term space flight (bioimpedance analysis). Aerospace and environmental medicine, 2007, Vol. 41, No. 3, P. 3 (In Russ.)].

33. Григорьев А. И., Носков В. Б. Оценка эффективности водно-солевой добавки при длительных космических полетах на орбитальном комплексе «Мир» // Авиакосмич. и экологич. медицина. 2001. Vol. 35, № 5. С. 11–15 [Grigoriev A. I., Noskov V. B. Evaluation of the effectiveness of a water-salt supplement during long-term space flights on the «Mir» orbital complex. Aerospace and environmental medicine, 2001, Vol. 35, No. 5, pp. 11–15 (In Russ.)].

34. Зверев Д. П. Мясников А. А., Шитов А. Ю., Чернов В. И., Андрусенко А. Н., Кленков И. Р., Исрафилов З. М. Физиологическое обоснование определения устойчивости водолазов к токсическому действию кислорода с помощью пероральных нагрузочных почечных проб // Морская медицина. 2020. Т. 6, № 3. С. 50–59 [Zverev D. P., Myasnikov A. A., Shitov A. Yu., Chernov V. I., Andrusenko A. N., Klenkov I. R., Israfilov Z. M. Physiological substantiation of determining the resistance of divers to the toxic effect of oxygen using oral stress renal tests. Marine Medicine, 2020,Vol. 6, N. 3, P. 50–59 (In Russ.)]. doi: http://dx.doi.org/10.22328/2413-5747-2020-6-3-50-59.

35. Моруков Б. В., Ларина И. М., Григорьев А. И. Изменения обмена кальция и его регуляции у человека во время длительного космического полета // Физиология человека. 1998. Т. 24, № 2. С. 102 [Morukov B. V., Larina I. M., Grigoriev A. I. Changes in calcium metabolism and its regulation in humans during long-term space flight. Human Physiology, 1998, Vol. 24, No. 2, P. 102 (In Russ.)].

36. Зверев Д. П., Шитов А. Ю., Мясников А. А., Андрусенко А. Н., Чернов В. И., Кленков И. Р., Исрафилов З. М. Феномен «диуреза давления»: механизмы возникновения и физиологическое значение в практике медицинского обеспечения водолазов: проспективное когортное исследование // Морская медицина. 2023. Т. 9, № 1. С. 73–86 [Zverev D. P., Shitov A. Yu., Myasnikov A. A., Andrusenko A. N., Chernov V. I., Klenkov I. R., Israfilov Z. M. «Pressure diuresis» phenomenon: mechanisms and physiological significance in diving medical support practice: prospective cohort study. Marine Medicine, 2023, Vol. 9, N. 1, P. 73–86 (In Russ.)]. doi: http://dx.doi.org/10.22328/2413-5747-2023-9-1-73-86.