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不同能量冲击波对猪肾近期病理损伤的实验研究

来源:《现代泌尿外科杂志》 作者:周惜才 2008-12-27
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摘要: 【摘要】 目的 探讨体外冲击波能量大小与肾脏损伤的关系。方法 将体重28-35kg的白猪36头,根据冲击电压的不同,随机分为A、B、C、D、E组,其中E组为对照组。每组按观察时间不同又分为4个亚组,分别于冲击后即刻、1周、2周和3周取双侧肾脏,肉眼和光镜下观察其形态的改变。结果 所有受冲击的肾脏均有损伤性改变,......


【摘要】  目的 探讨体外冲击波能量大小与肾脏损伤的关系。方法 将体重28-35kg的白猪36头,根据冲击电压的不同,随机分为A、B、C、D、E组,其中E组为对照组。每组按观察时间不同又分为4个亚组,分别于冲击后即刻、1周、2周和3周取双侧肾脏,肉眼和光镜下观察其形态的改变。结果 所有受冲击的肾脏均有损伤性改变,且损伤随电压的增加而加重,随时间的推移而逐渐恢复,当电压超过13kV后,所引起的损伤是不可逆的(至少短期内)。结论 当冲击电压≤13kV时,冲击波所引起的损伤在1-3周内基本可以恢复,而一旦超过13kV,则会造成肾脏不可逆性病理改变。本实验结果为临床ESWL能量参数的选择提供了参考依据。

【关键词】  体外冲击波 猪 肾脏 损伤

 自Chaussy等人首次应用Dornier HM1型体外冲击波碎石机成功治疗肾结石以来,肾结石的治疗发生了革命性的变化。经过短短20多年的发展,体外冲击波碎石术(extracorporeal shockwave lithotripsy, ESWL)已经成为肾结石治疗的主要方法。但是,大量的临床观察表明,由于能量参数选择不当,高能冲击波在 ESWL过程中对肾脏组织会造成急性和慢性损伤[1]。为了探讨体外冲击波能量大小与肾脏损伤的关系,为临床安全合理地使用ESWL提供实验基础,我们以猪为实验模型,进行了一系列的实验,现报告如下。

  1  材料与方法

  1.1  碎石机和冲击波源  电磁式HBESWLV型碎石机(湛江海滨医疗器械公司),冲击波波源为该公司自行研制,触发冲击电压选择为12-15kV,电容为1.2μf。

  1.2  实验动物及分组  体重28-35kg的白猪36头,根据冲击电压的不同,随机分为A(12kV)、B(13kV)、C(14kV)、D(15kV)和E 5组,其中E组为对照组。每组按观察时间又分为4个亚组(实验组每个亚组2头猪,对照组每亚组1头猪),分别于冲击后即刻、1周、2周和3周予以解剖。损伤分为5级:0级为无任何异常;1级为包膜下散在出血点,切面肾实质无肉眼可见的损伤;2级为包膜下散在出血点、瘀斑,小片状融合,切面肾实质见少量点状出血;3级为包膜下片状出血瘀斑,切面肾实质可见小片状出血(≤1cm);4级为包膜下血肿、片状瘀斑,切面肾实质可见明显出血(>1cm)。

  1.3  实验方法  应用氯胺酮(15-20mg/kg)肌注麻醉后,用剃刀剃除2侧胁腹部猪毛,用特制的固定架将猪仰卧位固定后,用76%的泛影葡胺(1mL/kg)做静脉肾盂造影,在X线透视的引导下将F2定位于肾脏。每头猪采用相同的电压冲击2侧肾脏,每侧冲击2500次,频率为60次/min。将实验动物分别于冲击后即刻、1周、2周和3周处死,立即取出双侧肾脏,肉眼和光镜下(HE染色)观察其形态的改变。

  2  结果
   
  3头猪接受冲击波处理后在观察期内死亡,其中C组1头,D组2头,解剖后取出其肾脏,可见肾脏损伤程度在3-4级。

  2.1  肉眼观察  所有受冲击的肾脏均有肉眼可见的损伤性改变,以焦斑中心区为重,且损伤随电压的增加而加重,随时间的推移逐渐恢复。对照组肾脏无任何异常(图1)。

  图1  肾脏损伤肉眼观(略)

  1:冲击后即刻;2:冲击后1周;3:冲击后2周;4:冲击后3周;

  A:12kV组;B:13kV组;C:14kV组;D:15kV组;E:对照组

  2.1.1  冲击后即刻  A组中4个肾脏均为1级损伤;B组中1个肾脏为1级损伤,3个肾脏为2级损伤;C组中3个肾脏为3级损伤,1个肾脏为4级损伤;D组中4个肾脏均为4级损伤。

  2.1.2  冲击后1周  A组中3个肾脏均为0级损伤,1个肾脏为1级损伤;B组中3个肾脏为1级损伤,1个肾脏为2级损伤;C组中1个肾脏为2级损伤,3个肾脏为3级损伤;D组中2个肾脏为4级损伤(D组在1周观察期间死亡1头猪)。

  2.1.3  冲击后2周  A组中4个肾脏均为0级损伤;B组中3个肾脏为0级损伤,1个肾脏为1级损伤;C组中1个肾脏为2级损伤,1个肾脏为3级损伤;D组中2个肾脏为2级损伤(C组和D组在2周观察期间各死亡1头猪)。

  2.1.4  冲击后3周  A组中4个肾脏均为0级损伤;B组中4个肾脏均为0级损伤;C组中1个肾脏为0级损伤,2个肾脏为1级损伤,1个肾脏为2级损伤;D组中1个肾脏为3级损伤,3个肾脏为4级损伤。

  2.2  光镜观察  所有受冲击的肾脏镜下均可见病理改变,损伤程度随能量的增加而加重,随时间的推移而逐渐恢复,但是当能量达到一定程度后(≥14kV),所引起的损伤是不可逆的(至少短期内)。对照组肾脏均正常。

  2.2.1  A组(12kV)  冲击后即刻可见受冲击部位包膜下肾实质、间质点灶状出血,间质散在淋巴细胞浸润,肾小球形态基本正常,囊内可见少量红细胞和蛋白浆液渗出,滤过膜轻度受损,肾小管上皮细胞轻度浊肿、空泡化改变,管腔变小,管腔内可见蛋白质颗粒(图2A);1周后上述改变基本恢复正常(图2B)。

  图2  A组(12kV组)镜下改变(×100)(略)

  A:冲击后即刻肾小球、肾小管内少量浆液性渗出,部分肾小管上皮细胞浊肿;B:冲击后1周,肾小球、肾小管形态基本恢复正常

  2.2.2  B组(13kV)  冲击后即刻可见受冲击部位包膜下肾实质、间质不同程度条索状出血,肾小球囊内可见多量红细胞和蛋白浆液渗出,间质少量淋巴细胞浸润,部分肾小球基底膜破裂,失去正常形态,肾小管上皮细胞浊肿,灶状坏死,部分肾小管扩张,其内有血性液体聚集,弓状动脉和小叶间动静脉内皮细胞轻度损伤,管腔缩小,不规则(图3A);1周后,肾小管形态接近正常,肾小球内仍可见蛋白浆液,未见红细胞,髓质仍可见点状出血,但较冲击后即刻明显减轻,间质轻度水肿,淋巴细胞浸润,动、静脉形态基本正常(图3B);2周后肾小球、肾小管形态基本恢复正常,间质内可见散在淋巴细胞浸润(图3C);3周后表现和2周相似(图3D)。

  2.2.3  C组(14kV)  冲击后即刻可见肾组织内较大范围的出血,间质内多量红细胞,出血灶周围淋巴细胞浸润,部分肾小球受压变形,部分肾小球破裂,滤过膜损伤,肾小管呈灶状或小片状坏死,肾小球、肾小管内可见浆液渗出,部分动静脉扩张,血管内皮细胞受损,可见红细胞溢出(图4A);1周后肾组织内出血灶仍存在,间质内淋巴细胞浸润,部分肾小球萎缩,其内可见蛋白浆液,肾小球毛细血管扩张充血,可见血栓形成,肾小管、集合管扩张,管腔内出现蛋白管型和细胞管型,肾小管上皮细胞肿胀明显(图4B);2周后未见明显出血灶,部分肾小球萎缩,部分代偿性肥大,间质仍可见淋巴细胞浸润伴肉芽组织形成,部分肾小管管腔内可见蛋白管型(图4C);3周后表现与2周基本相同,但是间质可见到不同程度的纤维组织增生,肾包膜稍增厚(图4D)。

  图3  B组(13kV组)镜下改变(×100)(略)

  A:冲击后即刻间质不同程度条索状出血;B:1周后肾小球、肾小管内可见蛋白浆液;C:2周后肾小球、肾小管形态基本恢复正常,间质内可见散在淋巴细胞浸润;D:3周后肾小球、肾小管形态基本恢复正常

  图4  C组(14kV组)镜下改变 (×100)(略)

  A:冲击后肾组织内可见较大范围的出血,部分肾小球受压变形;B:1周后肾组织内出血灶仍存在,间质内淋巴细胞浸润,部分肾小球萎缩,其内可见蛋白浆液;C:2周后间质仍可见淋巴细胞浸润伴肉芽组织形成;D:3周后间质可见到不同程度的纤维组织增生

  2.2.4  D组(15kV)  冲击后即刻可见肾组织内广泛(甚至整个视野)出血灶,其中央组织被完全破坏,可见大量血小板、纤维素和白细胞,在出血灶周围可见肾小球、肾小管和血管壁的碎片,周围组织明显受压变形,肾小球、肾小管和血管的基本表现同14kV组,但损伤范围更广,程度更重(图5A);1周后上述改变仍存在,但有所减轻,可见大量炎性细胞浸润,肉芽组织增生(图5B);2周后出血灶开始机化吸收,出血区域未见完整的肾单位,间质内可见灶性淋巴细胞浸润,出血灶周围可见肾小球萎缩或代偿性肥大,肾小球、肾小管内可见蛋白管型(图5C);3周后可见包膜增厚,肾组织陈旧性出血,其中可见含铁血黄素和钙沉积,纤维组织呈带状增生,间质弥漫性纤维化伴淋巴细胞浸润,增生的纤维组织部分呈玻璃样变,肾小管内皮细胞萎缩,部分管腔扩张,其内可见坏死颗粒或蛋白管型(图5D)。

  图5  D组(15kV组)镜下改变 (×100)(略)

  A:冲击后即刻可见肾组织内广泛出血灶,其中央组织被完全破坏;B:1周后出血灶仍存在,可见大量炎性细胞浸润;C:出血灶开始机化吸收,出血区域未见完整的肾单位,间质内可见灶性淋巴细胞浸润;D:肾组织陈旧性出血,可见含铁血黄素和钙沉积,增生的纤维组织部分呈玻璃样变

  3  讨论
   
  早期的ESWL研究认为,冲击波通过与水相近的机体组织时,能量衰减很少,高能冲击波在碎石过程中对结石周围的组织器官不产生损伤[2]。因此,为了提高碎石率,一般采用较高能量的体外冲击波。近年来,随着对冲击波生物学效应研究的不断深入,大量的临床观察和动物实验表明,ESWL可导致肾脏损伤,而且冲击波的能量越高,损伤越重[35]。为此,我们进行了相应的实验研究,以期为临床安全合理使用ESWL提供实验基础。因为猪和人的肾脏大小、体积相近,肾单位数量相同[6],为了尽可能在实验中复制治疗患者时的物理条件,使冲击波的应用接近临床上患者特征,我们选择猪为实验对象,并将冲击次数限定为2500次,冲击频率设置为60次/min。
   
  目前,关于高能冲击波引起肾脏损伤的机制主要有以下几种观点:①空化效应:是结石粉碎的主导机制,也是高能冲击波导致肾脏损伤的主要直接因素[7]。②氧自由基:机体在高能冲击波作用下产生巨大压力和局部高温,可在活体细胞微环境基质液中产生微气泡。该气泡迅速膨胀,撞击可产生水分子化学反应,生成多种氧自由基,而且ESWL过程会造成肾脏的缺血,缺血后对组织的再灌注过程中也会产生大量氧自由基而对肾组织造成损伤[8]。③应力效应:冲击波在非均一性物体中传播时,因介质声学特性和机械特性的差异可形成压应力和张应力梯度,在物体内产生的剪切力起着破坏细胞和组织的作用,但目前尚无这方面的直接证据[9]。
   
  决定冲击波损伤程度的主要参数为[10]:①脉冲能量:能量越高造成的组织损伤大;②发生频率:ESWL损伤的严重程度和冲击波发生频率之间成正相关,这是因冲击波发生频率增加时,空化效应增强,导致组织损伤加重;③治疗间隔和期数:间隔短,期数多则损伤重;④脉冲次数:冲击次数越多,损伤越重;⑤脉冲峰压:脉冲峰压在40MPa以下时损伤程度与峰压大小明显相关。
   
  冲击波对肾脏的肉眼损害主要表现为包膜下瘀斑、血肿和肾内出血。在设定其他参数不变的情况下,出血的范围和程度取决于脉冲能量和脉冲峰压的大小,而这二者又与冲击电压密切相关。本实验结果显示,随着冲击电压的逐渐加大,损伤程度也随之加重,由肾包膜下点状瘀斑加重为包膜下血肿。冲击电压在14kV以下组的肾脏在冲击后3周内,基本可以恢复到无肉眼可见的异常。而在15kV组,3周后包膜下血肿仍未能完全吸收。在组织学上,冲击波对肾脏的损伤可以分为可逆性改变与不可逆性改变。其中,可逆性改变的特点是肾小管上皮空泡化、轻度肾小管坏死,管腔内出现红细胞和管型、轻度间质水肿和出血等;不可逆性改变包括肾单位破坏、肾小球和肾小管周围毛细血管破裂、动静脉破裂、皮质和间质大量出血、广泛间质水肿、弥漫性间质纤维化等。本实验经过1-3周的观察发现,冲击电压为13kV以下组,肾脏病理改变符合可逆性改变;而14kV和15kV组的肾脏则会出现间质纤维化等不可逆性改变。
   
  为了减轻肾脏的损伤,在临床操作中,HBESWLV型电磁式碎石机的工作电压一般设置为9-12kV,由于能量偏低,造成部分结石难以粉碎而影响碎石效果。本实验显示,当冲击电压≤13kV时,冲击波所引起的损伤在1-3周内基本可以恢复,而一旦超过13kV,则会造成肾脏不可逆性病理改变。所以本实验为临床工作中ESWL能量参数的选择提供了参考依据。

 

【参考文献】
    [1]Skolarikos A, Alivizatos G, Rosette J. Extracorporeal shock wave lithotripsy 25 years later: complications and their prevention [J]. Eur Urol, 2006, 50(5):981990.

  [2]Auge B, Preminger G. Update on shock wave lithotripsy technology [J]. Curr Opin Urol, 2002, 12(4):287290.

  [3]Lynn R, Andrew P, Bret A, et al. Shockwave Lithotripsy: Doserelated effects on renal structure, hemodynamics, and tubular function [J]. J Endourol, 2005, 19(1):90101.

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  [5]Shao Y, Connors B, Evan A, et al. Morphological changes induced in the pig kidney by extracorporeal shock wave lithotripsy: nephron injury [J]. Anat Rec A Discov Mol Cell Evol Biol, 2003,275(1):979989.

  [6]连惠波,郭宏骞,王影,等. 医用冲击波的活体动物模型 [J]. 中国医学科学院学报, 2004, 26(2):213217.

  [7]Bailey MR, Pishchalnikov YA, Sapozhnikov OA, et al. Cavitation detection during shockwave lithotripsy [J]. Ultrasound Med Biol, 2005, 31(9):12451256.

  [8]吴雄飞,金锡御,帅学焱,等. ESWL致肾脏氧自由基损害的临床及实验研究 [J]. 临床泌尿外科杂志, 1997, 12(6):355366.

  [9]Zhong P, Preminger G. Mechanisms of differing stone fragility in extracorporeal shock wave lithotripsy [J]. J Endourol, 1994, 8(4):263268.

  [10]孙西钊. 医用冲击波 [M]. 北京:中国科学技术出版社, 2006:224226.


作者单位:华中科技大学同济医学院附属同济医院泌尿外科,湖北武汉 430030


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