电磁式冲击波的原理（高能冲击波产生的生物效应）

众所周知，高能冲击波会产生与其临床应用相关的广泛的生物效应在冲击波碎石术（SWL）中，冲击波在临床上应用最成功的无创肾结石和上尿路结石碎石术，可能会产生一过性血尿、血肿和肾功能暂时性恶化这些对肾脏的短期副作用通常会在几天或几周内消失，而不会导致严重的长期并发症然而，人们仍在继续努力调查和了解冲击波暴露与潜在慢性副作用之间的关系，例如新发高血压和糖尿病 (DM)尤其是，有人主张对老年和儿科患者进行高能冲击波治疗，因为这些患者的冲击波引起的不良反应风险高于年轻成人患者除了 SWL，高能冲击波产生的生物效应已被利用和开发用于治疗各种非泌尿系统疾病冲击波疗法已被广泛用于促进骨折愈合、缓解上髁炎等疾病的疼痛以及慢性溃疡的愈合尽管这些治疗的有效性和功效仍需要充分验证，但大量研究表明，冲击波可以通过促进成骨和血管生成途径来刺激愈合，我来为大家科普一下关于电磁式冲击波的原理?以下内容希望对你有帮助!

电磁式冲击波的原理

高能冲击波产生的生物效应

众所周知，高能冲击波会产生与其临床应用相关的广泛的生物效应。在冲击波碎石术（SWL）中，冲击波在临床上应用最成功的无创肾结石和上尿路结石碎石术，可能会产生一过性血尿、血肿和肾功能暂时性恶化。这些对肾脏的短期副作用通常会在几天或几周内消失，而不会导致严重的长期并发症。然而，人们仍在继续努力调查和了解冲击波暴露与潜在慢性副作用之间的关系，例如新发高血压和糖尿病 (DM)。尤其是，有人主张对老年和儿科患者进行高能冲击波治疗，因为这些患者的冲击波引起的不良反应风险高于年轻成人患者。除了 SWL，高能冲击波产生的生物效应已被利用和开发用于治疗各种非泌尿系统疾病。冲击波疗法已被广泛用于促进骨折愈合、缓解上髁炎等疾病的疼痛以及慢性溃疡的愈合。尽管这些治疗的有效性和功效仍需要充分验证，但大量研究表明，冲击波可以通过促进成骨和血管生成途径来刺激愈合。

尽管冲击波碎石术 (SWL) 的广泛使用已被证明对治疗尿路结石有效，但患者暴露于高能冲击波所导致的不良生物学效应仍不完全清楚。SWL 产生的急性和慢性损伤仍然是一个临床问题，并且已成为 20 多年争论的话题。此外，了解高能冲击波产生的生物效应的努力由于临床碎石机中使用的技术的演变和多样性而变得复杂。冲击波产生、聚焦、耦合和结石定位方法的特殊进展混淆了生物效应的研究。随着 SWL 进入临床应用的第三个十年，除了冲击波-组织相互作用产生的不利影响外，许多研究还探索了高能冲击波的潜在有益生物效应，可用于治疗应用。SWL 之外最著名的治疗应用可能是骨科领域，其中冲击波已被用于治疗多种疾病，包括外上髁炎、足底筋膜炎和骨折愈合。此外，冲击波的治疗用途不仅限于肌肉骨骼系统；血管生成作用已被用于治疗慢性下肢溃疡和缺血性心肌的软组织。高能冲击波的新应用在靶向药物和基因传递领域不断涌现。在本章中，我们将讨论高能冲击波产生的生物学效应，包括 SWL 的急性和慢性副作用。本章的第一部分重点介绍冲击波治疗尿石症及其潜在的急性和慢性并发症（肾和肾外）。本章的第二部分讨论了冲击波-组织相互作用的其他现有和潜在的治疗应用，包括超声介导的基因转移和药物递送的新兴领域。

2 SWL 的不良生物效应

2.1肾脏并发症

2.1.1急性效应

动物研究和临床治疗的观察结果表明，冲击波会对肾脏造成伤害。人类和动物肾脏的病理学检查显示，在 SWL 之后，中型动脉和静脉以及肾小球毛细血管的内皮细胞受损。1 , 2皮质髓质交界处的薄壁弓形静脉特别容易受到冲击波的影响，并且与血尿和血肿有关。1动脉损伤通常局限于小叶间至传入小动脉的水平。1SWL 诱导的血管损伤包括血管壁，尤其是内皮的破坏，导致血细胞外渗到周围组织中并在破裂部位形成凝块。3电子显微镜显示内皮破裂的不同部位，在管周毛细血管中观察到显着变化，其中可以看到完全断裂穿过细胞及其基底膜。1 , 4这种类型的损伤在其他形式的肾损伤中没有观察到，并且可能是 SWL 独有的。

血尿是 SWL 常见的急性不良反应，大多数病例表现为肉眼血尿。此外，SWL 靶向肾脏经常在一个或多个区域出现不同程度的出血，包括肾周脂肪、包膜下组织和肾小管实质。5临床上，有症状的肾内、包膜下或肾周积液和血肿在接受 SWL 的患者中发生率为 0.2-1.5%。6 – 10但是，如果在 SWL 后常规进行计算机断层扫描或磁共振成像 (MRI)，血肿率可能会增加到 20–25%。11 – 13虽然冲击波的数量和能量水平在血肿形成中起着至关重要的作用，但14已经确定了几个额外的风险因素，包括出血性疾病、素质、高血压、肥胖、糖尿病 (DM) 和抗血小板活性药物的使用。血肿的表现也被证明随着患者年龄的增长而显着增加。SWL 引起的血尿通常是自限性的，通常不需要干预。在大多数情况下，治疗是保守的。血肿形成的最常见结果是血肿在平均 13 个月内自发消退，对血压或肾功能没有临床明显的不良影响。

2.1.2功能变更

尽管冲击波治疗引起的肾功能急性改变的程度尚未完全阐明，但观察到了几种功能改变。对氨基马尿酸 (PAH) 清除和提取水平已在 SWL 前后用于评估冲击波治疗后的肾功能改变。PAH 清除率的变化表明肾血流量的改变、肾小管功能的改变或两者兼有。动物研究表明，SWL 后 PAH 清除水平显着下降，但在几天内恢复到基线水平。17 , 18作为肾损伤指标的其他血液和尿液标志物，如肾素、肌酐、N-乙酰-b- D发现 SWL 后立即改变 -氨基葡萄糖苷酶 (NAG)、β(β)-半乳糖苷酶 (β-Gal)、β(β)-2-微球蛋白 (β2M)，这意味着冲击波暴露导致肾功能恶化。14然而，与 PAH 类似，这些生化标志物在几天内恢复到接近正常水平，从而否定了它们在确定长期生物效应方面的效用。据报道，在 30% 的接受 SWL 治疗的肾脏中，通过肾脏扫描测量的有效血浆流量立即下降。发现 SWL 后未阻塞的肾脏部分延迟至完全丧失对比剂排泄。肾功能下降与实施的电击次数有关。虽然潜在的机制仍然未知，但已发现先前存在的肾脏疾病、尿路感染和孤立肾与更严重的肾功能改变相关。在细胞水平上，已发现 SWL 对肾小管细胞具有凋亡作用，可在治疗后长达 4 周内检测到，而相比之下，未观察到对肾小球细胞的凋亡作用。20 SWL 治疗也减弱了肾小管和肾小球细胞的增殖指数。动物研究表明，钙通道阻滞剂维拉帕米在 SWL 后 24 小时和 3 个月时对组织病理学特征具有保护作用。Nifedipine 是另一种钙通道阻滞剂，给予 pre-SWL 后，急性组织损伤的尿液标志物显着降低。22基于这些发现，有人建议某些预防性药物，例如钙通道拮抗剂，可能是 SWL 后发生更严重肾脏损害的高风险患者的合理选择。尽管认为 SWL 引起的肾损伤机制本质上是机械性的（来自空化23和剪切应力24、25 ） ，但一些研究表明，自由基的形成也可能在 SWL 期间的肾损伤中起作用。据报道，抗氧化剂，如维生素 C 和 E，以及咖啡酸、苯乙酯和别嘌呤醇，可减少冲击波引起的肾小管氧化应激，在动物模型中提供显着保护免受自由基损伤或防止自由基形成和患者。26 – 29钙拮抗剂硝苯地平也被发现可显着降低与患者肾功能受损相关的蛋白质标志物。28钙拮抗剂对肾功能的潜在机制包括抑制病理性增加的钙离子流入，通过血管舒张恢复受损的有效肾血浆流量，以及预防肾实质缺血。

2.1.3慢性影响

在过去的十年中，已经进行了许多研究来确定 SWL 与肾衰竭、高血压和糖尿病之间的联系。尽管担心潜在的长期不良反应，但 SWL 引起的损伤与长期并发症之间的相关性尚未明确确定。已观察到由冲击波治疗产生的急性血管损伤进展为瘢痕形成，并可能随后导致肾单位和功能性肾肿块的慢性丧失。在用 Dornier HM3 碎石机治疗 1 个月后，实验犬发现肾纤维化，疤痕的严重程度取决于冲击波的剂量。33 , 34据信，肾脏的内髓质可能特别容易受到冲击波的损害，但肾小管和肾小球也可能受到影响。据报道，SWL 后 3 个月肾乳头坏死萎缩，35瘢痕形成遍及整个肾脏。35单光子发射计算机断层扫描 (SPECT) 显示治疗后 1 个月肾功能有所丧失和疤痕持续存在。

自 1980 年代后期首次报道以来，急性发作性高血压与 SWL 的关联一直是一个有争议的话题。37一项前瞻性研究显示，60 岁及以上患者的肾内阻力指数增加。38这一发现表明，老年患者的 SW 治疗可能与严重的长期不良反应有关，并且年龄是一个危险因素。39然而，尽管有这些迹象表明 SWL 与高血压之间存在联系，但直接关联尚不清楚，并且是相当大的争论的主题。5 , 38 – 44梅奥诊所最近的一项研究强调了对 SWL 和糖尿病 (DM) 之间潜在联系的担忧。在一项 19 年的回顾性随访中发现，与未接受冲击波治疗的对照组相比，1986 年接受 SWL 治疗肾结石的患者发生 DM 的风险更高。40 SWL 组中糖尿病的发展与治疗期间实施的电击次数和传递的总声能有关。40然而，已经注意到研究设计中的几个缺陷。45 , 46例如，对照组包括接受尿路结石保守治疗的患者。此外，SWL 组的结石病通常比对照组更严重。此外，多变量分析未控制结石大小的差异，因此，SWL 组和对照组之间尿石症的严重程度可能不同。这些差异可能会影响糖尿病的新发病，糖尿病被认为与泌尿系结石的发展独立相关。47家族史是糖尿病发展的一个已知风险因素，没有报告任何一个队列。此外，SWL 组的数据是通过自我报告问卷收集的，而对照组的数据是通过图表审查确定的，可能会引入收集偏差。

与梅奥诊所研究的结果相反，佐藤等人。比较了肾结石组和输尿管结石组 SWL 后新发 DM 的情况，发现 BMI、术前高血压患病率或 DM 作为代谢参数没有显着差异。44他们的数据显示，肾脏（和输尿管盆腔交界处 [UPJ]）和输尿管结石组之间新发的 DM 没有显着差异。44然而，这项研究的一些局限性也已被确定。48首先，没有进行治疗组之间的匹配比较，所有患者的随访时间也不一致。其次，虽然两组都需要手术干预，但与输尿管组相比，肾脏组的结石大小明显更大。最后，调查回复率很低（30%）。48还应该指出的是，这两项研究中的冲击波剂量和能量水平存在显着差异。与美国患者相比，日本患者使用的冲击波暴露量显着降低。25 , 31因此，可以公平地得出结论，梅奥诊所的报告应被视为对 SWL 可能产生的长期不利后果的警告，应更加明智地应用。显然，需要进一步的临床和基础研究来确定 SWL 和 DM 之间的阈值和潜在的因果关系。多种 SWL 治疗也可能加剧结石病。在过去的 3 年中，磷酸钙 (CaP) 结石的发生率明显上升，并从草酸钙 (CaOx) 结石转变为 CaP 结石。49观察到，CaP 结石的百分比与每位患者的碎石术次数之间存在显着的正相关。50 CaP 结石形成者的 SWL 手术次数高于 CaOx 结石形成者，而钙磷石结石患者的 SWL 手术次数最多。

2.2 SWL 对儿科患者的影响

自 1980 年代中期以来，冲击波碎石术一直用于治疗儿科患者的肾结石。51迄今为止，关于高能冲击波治疗对儿童肾脏发育的潜在有害影响，文献中存在相互矛盾的报道。1998 年，Lifshitz 及其同事报告说，SWL 损害了儿科患者的双侧肾脏生长。52然而，其他儿科系列显示 SWL 治疗后血压、预测的肾脏生长、平均身高、肾小球滤过率或肾功能分裂没有变化。53 – 55最近，Reisiger 等人。比较了 SWL 处理的肾脏与未处理的对侧肾脏的预期和实际肾脏大小和生长速度，但没有发现统计学上的显着差异。尽管大多数临床报告表明儿童的 SWL 与不可避免的不良反应风险无关，但在儿科人群中应始终谨慎使用冲击波治疗，并以最小的剂量和能量水平进行治疗。在高能量水平和大量电击下，碎石术已被证明会在动物模型中引起肾损伤，甚至可能导致儿童肾小管功能的短暂损伤。此外，在猪模型中已经证明，小肾脏比成年肾脏更容易受到 SW 引起的损伤。

2.3 肾外效应

2.3.1心血管系统

与 SWL 相关的心血管系统不良反应的主要关注点是诱发心律失常活动。最初，人们认为冲击波在穿过身体时能够产生心律失常。因此，建议将冲击波释放率与心电图同步，以预防收缩期外心律失常。61在这种操作模式下，SWL 很少诱发心律失常事件9、61 – 65；然而，患者的心率决定了冲击波的释放率，因此也决定了手术的持续时间。

非门控 SWL 程序不包含心脏同步，允许每分钟提供更多的电击。尽管据报道非门控 SWL 偶尔与心律失常有关，但该程序已被证明在成年人群中是安全有效的。通过将肌酐激酶的测量与同工酶、血浆肌钙蛋白 I 和系列心电图相关联，研究了 SWL 产生的心肌损伤及其与心律失常活动的潜在联系。3结果表明，碎石术不太可能对心脏造成损害，并且 SWL 引起的心律失常似乎与心肌损伤无关。

2.3.2肺

多项动物研究表明，肺组织直接暴露于高能冲击波会导致严重损伤，如出血、肺泡破裂、严重肺气肿、充血、水肿、炎症、正常结构丧失和上皮脱屑。74 , 75这可能是由强烈的波反射和肺组织-空气界面处产生的合成应力引起的，因为它们的声阻抗差异很大。75由于肺和肾在解剖学上分离，成人患者临床上很少观察到 SWL 期间的肺损伤。69但是，应非常小心以防止儿童 SWL 引起的肺损伤。

2.3.3肝脏

SWL 后的肝损伤在临床实践中极为罕见，并且在过去十年中只是零星报道。SWL 引起的肝脏损伤的例子包括包膜下血肿、阿米巴脓肿的形成、脾周和结肠旁间隙的腹腔积液以及双侧胸腔积液。78、79迈耶等人。已经建议已知的肝脏病变，例如右肾电击路径中或附近的血管瘤，应该是 SWL 手术的禁忌症。

2.3.4胰腺

几项研究评估了 SWL 后胰腺对上尿路 (UUT) 结石的急性损伤，但结果存在争议。SWL 后观察到血液淀粉酶和脂肪酶略有增加，80例小胰腺血肿81和急性胰腺炎82例。相反，其他评估肾结石 SWL 后血清标志物变化的研究未能检测到血清淀粉酶和脂肪酶的任何增加。83最近，已知作为确定急性胰腺损伤的可靠标志物的 c 肽、胰岛素和胰高血糖素的血清值在 SWL 后并未随时间显着增加。84此外，SWL 治疗的输尿管近端或肾结石组的血清值与对照组之间没有显着差异，84导致作者得出结论，用于 UUT 结石的 SWL 可能不会导致胰腺外伤和随后发展为 DM . 84这些研究之间的差异可能部分是由于使用的碎石机种类繁多，每种碎石机具有不同的焦区特征和冲击波剂量。由于 SWL 引起胰腺损伤的可能性和偶然发生率，应用最小必要冲击波剂量和能量来治疗 UTT 结石患者是合乎逻辑的建议。

2.3.5肠道

在最近的一项审查中，3,423 名患者中有 62 名（1.81%）在 SWL 后经历了记录在案的胃肠道 (GI) 损伤并发症。85冲击波穿过腹腔的案例研究报告的并发症包括：小肠和结肠穿孔、输尿管结肠瘘形成、胃肠道吻合口裂开、盲肠溃疡、结肠红斑、直肠出血、胰腺炎、胰周血肿和脓肿形成、肝脏和脾脏包膜下血肿和肠梗阻。85这些研究的结果表明，SWL 期间较高剂量的冲击波可能会对 GI 系统造成伤害风险。

2.3.6输尿管

迄今为止，很少有研究调查 SWL 诱导的输尿管生物效应。据报道，冲击波暴露不会改变输尿管上皮细胞，尽管组织学证据表明动物模型中肌肉层发生了变化。光学显微镜下发现86个间质和细胞内水肿。在亚细胞水平观察到显着的染色质和线粒体变化，并且外膜层最初明显水肿。然而，这些变化在 SWL 治疗后 5 天内恢复正常。86临床上，在因输尿管下段结石接受 SWL 的患者中，磁共振成像 (MRI) 未检测到输尿管形态异常。

然而，在一些病例报告中，已经报道了输尿管破裂伴腹膜后尿路瘤。88这种性质的输尿管并发症虽然罕见，但进一步强调了充分的术前和术后评估以及准确识别 SWL 后持续性疼痛原因的重要性。87需要进行良好对照的临床研究，以更准确地确定 SWL 对输尿管形态和功能的影响。

2.3.7睾丸和卵巢

实验和临床研究已经相当确凿地证明，SWL 不会对睾丸和卵巢功能造成严重的不利变化。89 – 91因此，男性和女性的生育能力不受 SWL 的影响。

2.3.8怀孕

尽管有报道称在怀孕期间使用体外冲击波碎石术 (ESWL)，无论是有意还是无意，94、95怀孕仍然被认为是 SWL 的禁忌症，因为它可能对胎儿造成破坏性影响。96动物研究结果支持继发于 SWL 的自发性流产的临床观察。

3冲击波的其他治疗应用

3.1骨和组织愈合的临床冲击波治疗

除了广泛用于治疗肾结石和输尿管结石外，高能冲击波还被用于治疗肌肉骨骼疾病和软组织愈合。在这些领域的应用通常被称为冲击波疗法（SWT）或体外冲击波疗法（ESWT）。虽然 SWT 的效果和适应症尚不完全清楚，但在德国通过 SWT 治疗的骨科病例数与 SWL 治疗尿石症的病例数相似。97迄今为止，SWT已被用于促进延迟愈合和不愈合骨折的愈合，以及治疗肩袖钙化性肌腱炎、外上髁炎、足底筋膜炎和下肢慢性溃疡。此外，冲击波已被证明可诱导血管生成和抗菌作用。虽然与这些疗法相关的机制在很大程度上仍然未知，但冲击波疗法在泌尿外科之外的应用范围仍在继续扩大。

3.1.1冲击波治疗慢性溃疡

在过去的十年中，已经研究了 SWT 对软组织愈合的适应性。Haupt 等人观察到冲击波对猪模型中部分厚度伤口愈合的剂量依赖性影响。98有人指出，高能量治疗（18 kV 电击 100 次）诱导上皮再形成抑制，而低能量治疗（14 kV 电击 10 次）刺激愈合。在另一项研究中，以非常低的能量密度 (0.037 mJ/mm 2 ) 进行 100 次电击已成功用于治疗下肢溃疡。治疗 4-6 次后发现溃疡面积减小，同时疼痛减轻。

3.1.2冲击波治疗骨科疾病

SWT 在软组织疾病中的应用，主要用于治疗外上髁炎、足底筋膜炎和其他形式的肌腱炎，已得到广泛研究。与对照组相比，当给予低剂量和高剂量冲击波时，已观察到肩部和肩袖损伤钙化性肌腱炎的疼痛显着缓解，同时放射影像学改善。100 , 101 ESWT 也被用于治疗外上髁炎（网球肘）。在几项随机临床试验中，与对照组相比，治疗组的疼痛明显减轻。102 , 1032000年，SWT在美国获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于治疗足底筋膜炎。研究表明，低能量冲击波的传递与减轻疼痛和增加活动能力相关。

虽然许多研究报告了骨科疾病 SWT 的积极治疗结果，但一些随机双盲研究表明治疗组和假手术组之间没有统计学差异，尽管经常观察到对对照组的改善。106 – 109汤姆森等人。对使用冲击波缓解足底筋膜炎的随机临床试验进行了全面审查，得出的结论是，尽管足跟痛在统计学上显着减少，但 SWT 产生的效应量很小，并且对 SWT 产生最大支持的两项试验也是实验质量较低。

3.1.3冲击波治疗骨折愈合

类似于其对尿路结石的影响，冲击波被认为会导致骨骼中的微骨折，进而可能刺激新血管形成、成骨细胞形成和随后的愈合。观察到剂量依赖性关系，其中更高能量的冲击波与更高数量的脉冲相反，对骨骼结构产生更大的总体变化。114根据这些观察结果，假设受控冲击波传递可产生受控微骨折和骨折血肿，进而可通过成骨反应刺激骨骼生长。115几项研究表明，在动物模型中低能量冲击波治疗后，放射学愈合得到改善，机械稳定性得到改善，骨折愈合增强。

SWT 用于骨折愈合的临床应用在欧洲，特别是在德国，在过去十年中迅速普及。通过非侵入性方式在假关节病例中刺激愈合的能力吸引了寻求非手术干预的临床医生。冲击波治疗后的愈合分为三个阶段：（1）冲击波诱导的软组织交叉处的愈伤组织形成，（2）随后的碎片连接，以及（3）皮质重新定向。118在一系列研究中发现使用冲击波可有效刺激成骨效应。118 – 121特别是，据观察，与萎缩性骨不连相比，SWT 在肥厚性骨不连中最为成功。121

对于假关节和其他形式的骨折愈合的治疗，一些人质疑冲击波治疗的真正有效性。122 , 123在对临床研究的回顾中，Biedermann 承认，虽然数据显示出一些前景，但实验模型的不一致表明缺乏支持使用 SWT 的具体证据。97其他人质疑自然愈合在临床研究中的影响，认为骨折的稳定，这在冲击波诱导的骨折愈合中很常见，可能在治疗中发挥重要作用。97此外，骨折的高度可变性和后续时间表的影响也可能掩盖对实验结果的解释。虽然 SWT 用于骨科适应症和骨愈合在欧洲有所增加，但旨在确定冲击波诱导的骨折愈合和成骨的主要机制的研究相对较少。

3.1.4冲击波诱导愈合机制

与 SWT 对软组织疾病和骨愈合的大量临床研究相比，关于冲击波诱导愈合机制的研究相对较少。早期研究表明，冲击波对骨骼的影响可能会破坏钙沉积，同时刺激新血管形成，因此也可能诱发神经效应。大鸟等人。观察到在冲击波暴露的大鼠皮肤中神经纤维几乎完全退化，然后在治疗后 2 周重新神经支配表皮。124对神经纤维的直接损伤可能是镇痛冲击波疗法的主要作用。124SWT 增强骨和肌腱再生的事实表明，冲击波可能诱导细胞信号传导，负责骨髓间充质祖细胞的生长和成熟。125王等人。假设冲击波疗法通过诱导成骨生长因子促进骨髓间充质细胞的生长和分化。126在使用大鼠模型的一系列实验中，他们发现 SWT 与转化生长因子-β (TGF-β1) 和核心结合因子 α1 (CBFA1) 的诱导以及血管生成转录因子 (HIF) 的激活之间存在相关性。-1αα) 和 VEGF-A 表达。125 – 127这些发现表明冲击波疗法可能通过多种机制影响愈合。间充质基质细胞分化为骨祖细胞可以产生骨基质以促进新骨的生长，而冲击波也可以通过活性氧的形成来刺激血管生成活动。

3.1.5佩罗尼氏病的治疗

在过去的十年中，冲击波疗法已应用于佩罗尼病 (PD) 的治疗和管理。在 PD 中，纤维斑块形成导致阴茎异常向上弯曲，产生勃起疼痛和功能障碍。在使用 Storz Minilith SL1 的早期临床研究中，大约一半的患者在 0.11-0.17 mJ/mm 的能量密度下进行 3,000 次电击后，阴茎角度得到改善（拉直），2超过一半的患者疼痛缓解。128 , 129据报道，冲击波治疗后有轻微的瘀伤，并且没有报告其他显着的副作用。129与其他冲击波治疗程序类似，缓解 PD 曲率和疼痛的潜在机制在很大程度上尚不清楚。推测的可能影响包括刺激斑块溶解的炎症反应、改善血管分布和诱导对侧瘢痕形成，这可能提供代偿性矫直效果。130然而，随后对冲击波治疗 PD 疗效的研究表明，该程序可能只能缓解疼痛，而没有显着的矫直或功能改善。在 Hauck 等人的一项前瞻性研究中，证实了冲击波治疗没有严重的副作用。然而，他们还得出结论，ESWT 不会显着影响阴茎曲率或性功能，尽管确实发生了一些治疗后显着改善（约 30%）的病例。然而，76% 的患者报告疼痛减轻。在对 17 项临床试验的荟萃分析中，Hauck 等人。得出结论，ESWT 对 PD 的疗效值得怀疑，患者招募和治疗后比较的标准不一致。131最近对大鼠模型的研究提供了进一步的证据，表明冲击波不会显着影响斑块体积或阴茎结构。132因此，尽管有轶事证据表明冲击波治疗可以缓解 PD 症状，但不建议将 ESWT 作为佩罗尼氏病的标准疗法。

3.2冲击波介导的基因和药物递送

除了伤口愈合之外，冲击波的其他细胞水平生物效应已被研究用于潜在的治疗应用。空化是与冲击波相关的众所周知的机制，通常与细胞裂解相关。134然而，也有人观察到，一些未被空化气泡永久损坏的细胞可以存活并吸收通常无法通过细胞膜的大分子。假设这种现象包括质膜的快速打开和重新密封。135 – 137这种对细胞膜通透性的影响被称为声孔效应，并在 1980 年代中期首次通过使用 20 kHz 超声波将荧光素标记的葡聚糖分子首先引入变形虫霉菌细胞，然后是 HeLa 细胞和成纤维细胞中得到证实。136 , 137在过去的 2 年中，声孔作为一种可能的基因和药物递送方式一直是深入研究的主题。具体来说，它有可能通过非病毒手段被用作靶向基因治疗的手段，或用于增加抗癌药物的局部递送。用于声孔研究的碎石冲击波的实施始于 1990 年代中期。在一项体外研究中，在实验性碎石机中受到 1,000 次冲击后，监测了 L1210 细胞中荧光素标记的葡聚糖的积累。在冲击波处理后，在存活细胞的细胞质中观察到这些通常不能穿过细胞膜的大分子。138此外，通过冲击波处理使红细胞装载有荧光葡聚糖，以说明相对高分子量的分子吸收到红细胞中。139当在冲击波暴露期间施加静态超压以减少空化气泡的大小和数量时，膜渗透效应显着降低。这项研究提供了强有力的证据，表明冲击波诱导的声孔作用是可行的，并且与空化活动密切相关。此外，劳尔等人。展示了在各种体外细胞系中使用冲击波进行质粒 DNA 递送，包括 HepG2、CV-1 猴肾细胞、HeLa 细胞和 L1210 小鼠淋巴细胞白血病细胞。140在这些研究中，虽然促进大分子转运到靶细胞的能力显示出很大的希望，但冲击波暴露也诱导了高水平的细胞裂解。

大多数利用冲击波生物效应进行基因和药物递送的尝试都集中在癌症治疗应用上，特别是肿瘤治疗。由于碎石冲击波的高度集中特性，声波穿孔可用于改进对具有大毒性分子的肿瘤的高选择性治疗。B16鼠黑色素瘤模型证明了组合冲击波疗法和基因或药物递送至肿瘤的概念。暴露于 24.4 MPa 冲击波治疗的黑色素瘤肿瘤的报告基因表达显着改善。141除了报告基因表达之外，在注射含有重组白细胞介素-12 (rIL-12) 蛋白或编码白介素- 12 (pIL-12)。在这些研究中，IL-12 治疗与冲击波相结合都显着减少了肿瘤生长并提高了存活率。142类似地，冲击波被证明显着增加了 L1210 和 HeLa 细胞中核糖体失活蛋白gelonin 和皂草素的转移和随后的作用。143总体而言，冲击波暴露大大增强了肿瘤细胞的杀伤力。此外，在小鼠 SSK2 纤维肉瘤肿瘤模型中，在注射白树皂苷和皂草素后，对皮下肿瘤进行了 500 次电击。在全身注射毒素后进行局部冲击波治疗时，40% 的小鼠观察到肿瘤显着缓解；然而，仅接受冲击波疗法或注射白树灵素和皂草素的小鼠没有观察到退化。虽然其他人已经观察到仅使用碎石机冲击波的自然肿瘤细胞杀伤能力，但冲击波诱导的声穿孔与抗癌治疗剂给药的组合可能在临床环境中具有前景。钟等人。研究了在冲击波暴露期间控制通透性和细胞死亡的方法，以提高声穿孔和递送效率。144使用带有改进反射器的 Dornier XL-1 碎石机，在初级碎石机脉冲（峰值正压 > 60 MPa）之前，先传递拉伸压力为 -0.96 至 -1.91 MPa 的弱冲击波。该前波诱导惯性微泡的形成，惯性微泡在随后的碎石脉冲原位塌陷，导致焦点区域的空化活动增强。在低治疗暴露（少于 100 次电击）下，发现该策略在 T 细胞杂交瘤细胞系中产生更高的膜透化效率。在较高的暴露量（> 100 次电击）下，观察到显着的细胞死亡。这项研究强调了微泡动力学在冲击波介导的基因或药物传递中的重要性，

最近的检查揭示了可能发生的特定气泡-细胞相互作用，以使膜通过冲击波或正弦超声暴露实现透化。Schlicher 等人使用低频 (24 kHz) 超声波。试图确定声穿孔是通过内吞作用的主动转运、通过纳米级孔的被动转运，还是通过细胞膜上可主动修复的伤口的分子流入发生的。145他们在 DU145 前列腺细胞中的工作表明，微米级伤口在质膜中形成，并通过需要 Ca 2 流入的过程用细胞内囊泡修补这些孔，在数秒内重新密封，这一结论是一致的通过膜片钳技术进行观察。146由于在声穿孔过程中通常会发生高水平的细胞裂解，特别是来自冲击波，因此建议促进这种修复机制的策略可以提高整体功效，提高细胞活力。使用牛内皮细胞培养物中振荡微泡的高速成像，其他人提出，气泡振荡产生的剪切应力可能导致孔形成，从而增强分子吸收。147此外，Ohl 等人。证明虽然来自惯性气泡破裂的冲击波可能不是声孔的主要原因，但来自靠近细胞表面的气泡内爆的径向射流会产生足以撕裂细胞膜的剪切应力。148先前已经在超声生物效应的背景下研究了与声微流和射流形成相关的剪切应力的影响，结果与这些观察结果一致。149 – 151

将聚焦碎石冲击波引导至肿瘤部位以进行联合治疗和药物递送以增强肿瘤组织破坏的可行性已在几种小鼠模型中得到证实。然而，正弦超声暴露已被证明可以为治疗应用产生更有效的基因递送。特别是，冲击波暴露导致细胞活力显着降低。152因此，大多数利用冲击波诱导的声穿孔的努力都集中在肿瘤治疗上，其中维持高水平的细胞活力不是主要问题。研究表明，惯性空化和微泡尺寸的控制可以极大地影响声孔效率。与其他超声研究类似，空化成核剂的加入可以显着增加对膜渗透性的影响。153冲击波诱导的声穿孔也被探索用于治疗溶栓154、155和破坏血脑屏障。156

3.2.1冲击波的其他生物效应

除了碎石、软组织和骨愈合以及药物输送外，还观察到了高能冲击波产生的其他生物效应。从前面描述的应用中可以清楚地看出，冲击波与生物组织有许多未被探索的相互作用，通过物理和化学过程引起显着变化。发现高能冲击波对金黄色葡萄球菌的悬浮液具有杀菌作用。157发现这种抗菌效果随着能量和传递的脉冲数量而增加，为灭菌程序提供了潜在的适用性。事实上，Nigri 等人。已经使用激光诱导的冲击波在体外增强感染血管假体移植物的灭菌。重要的是，他们注意到冲击波对自身几乎没有影响。相反，它们可以与标准抗生素疗法协同作用以提高疗效。158与 Wang 等人的结果一致。关于冲击波对促进骨祖细胞产生的影响，其他人研究了 SWT 在心脏病学中的血管生成作用。126西田等人。对缺血心肌采用低能量冲击波，观察左心室射血分数和心肌血流完全恢复。159此外，Nurzynska 等人。在体外观察到，冲击波对心肌细胞、平滑肌和内皮细胞前体的增殖和分化有积极影响。160这些调查提供了令人鼓舞的初步证据，表明冲击波可以促进血管生成，作为缺血性心脏病的潜在疗法。最后，其他人在体外和体内都使用冲击波来操纵干细胞分化。高能冲击波已被用作脐带血 CD34 的预处理细胞以改善祖细胞扩增，将冲击波疗法作为遗传应用的潜在效用。161

4结论

高能冲击波产生的生物效应范围不断扩大，从 SWL 对尿石症的公认治疗扩展到肌肉骨骼疾病、伤口愈合和大分子递送的新应用。在 SWL 中，最常见的副作用是血尿、血肿和暂时的肾脏功能恶化，所有这些通常都会在短时间内消退。这些短期副作用通常与冲击波的能量水平、剂量和脉冲重复率以及患者病史有关。对于糖尿病和高血压等慢性不良反应，与冲击波治疗的因果关系及相关机制仍在研究中。当 SWL 以高脉冲重复率的高能量水平给药时，已证实具有瘢痕形成的显着组织损伤，导致肾功能丧失。因此，应明智地使用高能冲击波（即使用尽可能低的能量水平和脉冲重复率来碎裂肾结石），特别是对于冲击波诱发的慢性病风险增加的老年和儿童患者受伤。关于肾外生物效应，除了一些轶事证据外，SWL 对肾脏附近其他器官的损害很少见。除了 SWL，高能冲击波已在欧洲得到广泛探索和应用，以促进软组织和骨折的愈合，以及缓解其他肌肉骨骼疾病，如上髁炎。然而，尽管其使用越来越多，但关于冲击波治疗对许多这些适应症的有效性和功效的争论仍在继续。同样，对使用冲击波疗法治疗佩罗尼氏病的研究一直存在争议，导致一般建议不应将冲击波视为佩罗尼氏病的标准疗法。此外，已证明低剂量（即几百个脉冲）的冲击波可诱导瞬时细胞膜透化，为靶向药物和基因递送的潜在应用开辟了新途径。特别是，冲击波或超声介导的肿瘤治疗的前景是耐人寻味的，它使不同治疗方式的无创和特定部位组合能够提高整体疗效，同时降低全身毒性。总之，随着不同临床领域的当前和潜在应用，对高能冲击波产生的多种生物效应的研究不断扩大。需要对高能冲击波产生的急性和慢性生物效应的原因进行进一步的机制研究，以改善 SWL 和 ESWT 的技术、治疗策略和整体患者预后，并探索靶向药物和基因的新应用递送、抗菌和血管生成治疗。

Cite this chapter

Xing, Y. et al.(2010). Biological Effects Produced by High-Energy Shock Waves. In: Rao, N., Preminger, G., Kavanagh, J. (eds) Urinary Tract Stone Disease. Springer, London. https://doi.org/10.1007/978-1-84800-362-0_24

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