Connors BA, Gardner T, Liu Z, Lingeman JE, Kreider W, Williams JC. Functional and Morphological Changes Associated with Burst Wave Lithotripsy-Treated Pig Kidneys. J Endourol. 2022 Dec;36(12):1580-1585. doi: 10.1089/end.2022.0295. Epub 2022 Sep 5. PMID: 35920117; PMCID: PMC9718432.
爆破波碎石术（BWL）是一种用于粉碎尿路结石的新技术。该技术是非侵入性的，正压幅度低，被认为会产生少量的肾损伤。然而，与 BWL 治疗相关的功能变化知之甚少。在这项研究中，我们试图确定临床 BWL 暴露是否会在肾脏中产生功能或形态变化。
材料与方法：
准备12头母猪进行肾清除率评估，并作为假时间对照（6）或接受BWL治疗（6）。在治疗组中，每头猪的 1 个肾脏以 10 个脉冲/秒和 20 个周期/脉冲暴露于 18,000 个脉冲。与每个脉冲相关的压力水平分别为 12 和 −7 MPa。在治疗前和治疗后 1 小时测量菊粉（肾小球滤过率，GFR）和对氨基马尿酸（有效肾血浆流量，eRPF）清除率。进行病变大小分析以评估每次治疗产生的出血性组织损伤体积 （% FRV）。
结果：
在所收集的治疗肾脏的任何尿液样本中均未观察到可见的肉眼血尿。BWL暴露也不会导致治疗后GFR或eRPF的变化，也不会导致组织中可测量的出血量。
爆破波碎石术 （BWL） 是一种用于粉碎尿路结石的新兴技术。BWL 采用聚焦超声波的多周期正弦脉冲在微积分中产生应力，导致石材中形成裂缝并最终碎裂。 1 该技术是经皮和非侵入性的，类似于冲击波碎石术 （SWL），但其正焦点压幅度远低于 SWL 产生的冲击波。 2 因此，与SWL相比，希望BWL产生的伤害要小得多，同时仍能保持足够的结石粉碎熟练度。
先前的研究表明，显示用于人结石骨折的 BWL 设置可在肾上皮中产生小的局灶性出血，而不会对肾实质造成明显损害。 3 然而，如果 BWL 暴露参数改变，可能会发生更广泛的肾组织损伤，从而导致尿液收集空间或实质中的持续空洞化（检测为动态高回声）。 4,5
目前，人们对 BWL 治疗的功能后果知之甚少，即使在 BWL 暴露的肾脏中观察到很少的形态学损伤，肾功能是否会发生变化。
材料与方法
动物程序
本研究中用于评估肾功能和形态变化的手术和动物治疗方案是根据美国国立卫生研究院实验动物护理和使用指南进行的，并得到了印第安纳大学医学院机构动物护理和使用委员会的批准（批准#21060）。
实验设计和实验期间采用的所有外科手术都遵循先前发表的研究中使用的方法。 2,6,7 12头母猪，每头重32-42公斤（Oak Hill Genetics，Edwin，IL），用氯胺酮和甲苯噻嗪的组合麻醉，插管，然后维持异氟烷麻醉。每只动物的两侧被剃光以去除毛发，并将猪以仰卧位放置在手术台上。呼吸是自发的。
将导管置于耳静脉中，以每小时 1% 体重的速度输注等渗盐水，并输注菊粉和对氨基马尿酸。接下来，将导管放置在股动脉中，用于血压和心律监测（EMKA Technologies，Sterling，VA）和血液采样，并在两个输尿管中进行定时尿液收集。在菊粉和对氨基马尿酸（PAH）达到稳定状态后，在BWL治疗前（基线）和后1小时从猪身上采集血液和尿液样本。
基线清除收集完成后，将每头猪放在其左侧。接下来，扫描超声凝胶（离心除去气泡;Parker Laboratories， Fairfield， NJ）被分层到侧面，并将水桶固定到位，然后充满脱气水，直到桶膜接触超声凝胶层，将浴缸与猪耦合。完成后，将BWL治疗头和超声成像探头都浸入脱气水中（ 图1 和 和 2 2 ).
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图 1.
照片从上方俯视浴缸，带有 BWL 治疗头和超声探头。BWL处理头和超声探头都浸入脱气水中。塑料桶将 1 密耳厚的塑料膜固定到位，有助于盛水。猪的 右翼 如图所示。超声凝胶层夹在猪的膜和侧翼之间（BWL = BWL治疗头，U =超声探头; 箭头 表示脱气水的液位）。BWL = 爆破波碎石术。
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图 2.
照片显示了固定浴缸的框架的侧视图。图中还显示了固定 BWL 治疗头和超声探头的脚手架。塑料桶将 1 密耳厚的塑料膜固定到位，有助于盛水。猪的 右翼 如图所示。超声凝胶层（此处看不到）夹在猪的膜和侧翼之间。
然后使用超声成像来定位每只动物的右肾。从那里，选择右肾的下极杯并与 BWL 的焦点对齐 （ 图3 ).每个目标肾脏要么被分配为假对照，通过超声观察 30 分钟，要么被分配使用 18,000 个脉冲的参数接受 BWL 治疗，脉冲重复率为 10 个脉冲/秒，脉冲为 20 个周期/脉冲，正压幅度为 12 MPa，负压幅度为 -7 MPa。
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图 3.
显示 右 肾的超声机屏幕图像。找到 右 肾后，在治疗开始前，该肾脏的下极杯与 BWL 头部的焦点对齐（ 箭头 表示超声屏幕上肾脏的轮廓）。
在完成 BWL 治疗或假控制期后，再次将猪仰卧，并在治疗后 1 小时重复收集血液和尿液以清除肾脏。请参阅 补充数据 部分，了解有关动物准备和 BWL 设备的更多详细信息。
病变分析
在实验结束时 ，用 2.5%戊二醛在0.1M二甲胂酸盐缓冲液（pH = 7.4）中灌注固定肾脏。取出肾脏后，将它们浸没在新鲜的固定剂中，以便随后确定病变大小。使用类似于 Handa 等人的技术的过程分析治疗过的肾脏的形态学损伤，其中获得肾脏的 MRI 扫描并分析组织出血（ 图4 ). 8
图 4.
对取自 BWL 治疗的肾脏的纵切片的 T2 加权信号进行单次 MRI 扫描。下极位于图像的 底部 。注意缺乏黑暗区域，出血部位，位于下极的肾实质。请与 Handa 等人的研究图像进行比较 8 （C = 深灰色 的皮层， P = 浅灰色 的）。
然后使用这些图像来确定病变体积，并以每个肾脏受损的肾实质 FRV 的百分比表示。计算不同组的平均病灶大小±SEM，并使用Dunnett方法进行 事后 比较的单因素方差分析，以BWL治疗的动物为参照组，比较假对照、BWL治疗的动物和SWL治疗的动物（包括用于比较目的）之间的病灶大小。
双侧 p 值 <0.05 被认为是显著的。
肾脏清除率分析
通过对收集的血液和尿液样本进行比色测定来确定肾功能。测量值用于确定菊粉的肾脏清除率，用于估计肾小球滤过率 （GFR），以及用于估计有效肾血浆流量 （eRPF） 的 PAH 清除率。计算 SEM ± GFR 和 eRPF 的平均值，并使用配对 t 检验比较每组基线和治疗后 1 小时之间的清除率值。
此外，使用双样本独立 t 检验来比较假手术组和 BWL 治疗组的功能相对于基线的变化。双侧 p 值 <0.05 被认为是显著的。然后将数据表示为每只动物相对于基线测量的平均百分比变化，并包括这些测量值的 95% 置信区间值。
结果
两组猪体重和肾脏重量相似（平均±SEM，假BWL组和BWL治疗组的体重分别为37.1±1.1和34.9±0.8 kg，肾脏重量分别为107±4和113±6 g）。在BWL治疗或假控制期间，我们没有观察到从右肾收集的任何尿液中出现肉眼血尿。此外，当我们回顾每只动物记录的血压追踪时，在长达 30 分钟的 BWL 治疗期间，我们没有检测到心律的任何变化（早搏或延迟心跳）。
对于肾脏本身，假对照组和治疗组之间GFR和eRPF的基线肾功能值相似。假对照和BWL治疗动物的基线GFR平均为38±6和39±4 mL/min，而假对照和BWL治疗动物的基线eRPF平均分别为126±10和122±9 mL/min。BWL治疗似乎不会改变肾功能。
与基线值相比，或在治疗后 1 小时，假手术组或 BWL 治疗组的 GFR 和 eRPF 均无显着变化（ 图5 ).当检查病变时，确定在本研究中使用的参数下，BWL 治疗不会产生与假对照动物（0.028 ± 0.008% FRV）显着不同的肾脏病变（0.±028 0.008% FRV）（ 图6 ).
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图 5.
假对照治疗或 BWL 治疗后测量的 GFR 和 eRPF（相对于基线）百分比变化的条形图。图中还包括 95% 置信区间的值。对于BWL治疗的动物，两组的GFR和eRPF与基线值没有显着变化，并且治疗后值与治疗后假值没有显着差异。每组 N = 6。GFR = 肾小球滤过率;eRPF = 有效肾血浆流量。彩色图像可在线获取。
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图 6.
假对照组和 BWL 治疗组出血性病变大小的条形图。SWL组的值（最 右边 ，Dornier Compact S，2500冲击波，功率水平=5,120冲击波/分钟）用于比较目的，来自先前发表的使用相同大小的猪的研究。 2 假对照组和BWL治疗组之间没有显著差异。SWL产生的病变明显大于BWL产生的病变。假对照组 的 N = 5，BWL 和 SWL 组的 N = 6。*与BWL治疗的病变明显不同。SWL = 冲击波碎石术;NS = 不显著。彩色图像可在线获取。
讨论
在这项研究中，我们没有观察到任何使用已知的动物或人类结石骨折治疗参数接受 BWL 治疗的肾脏的显着出血性损伤。 3,9,10 这一发现与我们的观察结果一致，即从治疗肾脏收集的任何尿液中都没有可见的肉眼血尿，因为实质出血的血液通常会进入小管并顺着小管流出，导致尿液沾有血液。
除了没有出血性损伤外，这种 BWL 治疗没有造成足够的损伤来改变肾功能。这一观察结果特别有趣，因为大量研究表明，其他体外结石去除手术会导致治疗后肾功能显着下降 50% 或更多。 11–15
是什么原因导致了这种 BWL 治疗没有损伤？为了回答这个问题，将 BWL 与其他基于声学的结石去除疗法 SWL 进行比较可能会有所帮助。虽然 BWL 和 SWL 相似，因为它们都是经皮和非侵入性的，但这些技术在传递到肾脏的总能量、产生的正压大小以及每种脉冲引起的空化方面存在显着差异。
对于本研究中描述的 BWL 处理，整个处理过程中的脉冲能量（直径为 5 毫米的光束）总计为 313 J。对于 PL = 5 时 2500 SW 的典型 SWL 治疗（Dornier Compact S，Dornier Medical Systems，Kennesaw，GA）， 2 整个处理过程中的脉冲能量（直径为 5 mm 的光束）总计 48 J。有人预测，由于 BWL 在相同的大致时间段内向肾脏输送更多的总能量，因此 BWL 将产生比 SWL 观察到的更大的出血性损伤。
然而，未观察到 BWL 的出血性损伤比假对照肾（ 图6 ），当使用接受类似治疗方案和类似大小的肾脏的猪时，它的测量值远低于 SWL 治疗的肾脏中产生的值（SWL 出血性病变测量值为 1.55% FRV，用于比较目的 图6 ). 2 这一观察结果表明，除了传递的总能量之外，其他因素是导致 BWL 治疗没有观察到损伤的原因。
治疗过程中产生的正压大小在 BWL 和 SWL 脉冲之间也不同。对于本研究中描述的 BWL 处理，脉冲的正压幅度为 12 MPa。对于使用 Dornier Compact S 模拟临床治疗并产生严重出血性损伤的典型 SWL 治疗方案，脉冲的正压幅度为 ≈52-55 MPa 或更高。 2 此外，SWL脉冲波形表现出真正的激波锋的陡峭正压尖峰。
SWL产生更高的正压并产生肾损伤的观察结果可能表明，脉搏中的压力幅度或冲击前沿的存在在确定肾脏损伤程度方面起着决定性作用。然而，Evan等人进行的一项研究表明，脉压与损伤之间的关系比最初看起来要复杂得多。 16 在这项研究中，当使用压力释放反射器改变SWL脉冲的压力曲线时，肾脏损伤显着减少。
在正常的SWL脉冲波形中，正压尖峰之后是负压谷。然而，压力释放反射器具有压力波形，其中负压谷先于正压峰值。这种波形反转过程不会改变脉冲的压力，因为测量的脉冲波形在正压和负压阶段保持相同的近似幅度。
然而，确实发生了变化，与正常的SWL脉冲相比，空化气泡的发展被扼杀了。此外，这种空化的减少与几乎完全消除伤害有关。这些观察结果表明，虽然 BWL 中的脉压可能较低，但肾脏中的组织损伤可能更多地由空化活动驱动，而不是由脉压驱动。
脉冲诱导的空化气泡活动在SWL和BWL之间也不同。在SWL中，每个SW的长负压尾可以激发通过整流扩散而增长的大型空化气泡， 17 慢慢溶解， 18 并在连续的脉冲中增殖成密集的云。 19 另一方面，BWL脉冲缺乏类似的长负压尾，这导致气泡更小，整流扩散更少。 20
因此，这些气泡倾向于在脉冲之间溶解，而不是增殖成与损伤有关的持续空化云。 4 BWL中气泡云活性的这种减少可以解释我们目前的研究中注意到的缺乏损伤，尽管声能传递到肾脏的速率有所增加。有趣的是，其他一些研究人员注意到，在BWL治疗期间观察到空化的区域对应的猪和患者中存在组织出血，这导致建议在检测到空化活动时暂时暂停BWL治疗。 4,10
最后，本研究中使用的动物体重约为 36 公斤（80 磅），肾脏平均为 10.1 厘米 x 5.7 厘米。这些实验中使用的肾脏没有损伤和功能变化，这意味着当使用与本研究期间应用的相同的 BWL 参数时，治疗肾脏大小小到此处治疗的患者应该是安全的。
结论
总之，在这项研究中，我们已经表明，当使用猪模型检测肾组织损伤时，BWL治疗不会引起肾功能的变化，也不会引起出血性病变。除了这些发现之外，我们也没有观察到治疗期间心律的变化或尿液中来自BWL暴露的肾脏的血液的存在。
