Neue Technologien in der Therapie der Urolithiasis

Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der Therapie der Urolithiasis geben einen Einblick in die vielversprechende Zukunft der Steintherapie. Neue Technologien führen zu neuen Therapiemöglichkeiten und versprechen verkürzte Eingriffszeiten und mehr Sicherheit bei der Anwendung von Operationstechniken.

Maschinelles Lernen in der Steintherapie

Künstliche Intelligenz spielt eine zunehmend große Rolle in unserem Alltag sowie auch in der Medizin. Vor allem das maschinelle Lernen wird vermehrt herangezogen, wenn es um die Entwicklung neuer Technologien geht. Das maschinelle Lernen basiert auf Algorithmen, die aus Datensätzen lernen können. Die erlernten Muster und Gesetzmäßigkeiten werden anschließend generalisiert und angewendet, ohne dass eine gezielte Programmierung notwendig ist. In den bildgebenden Verfahren wird das maschinelle Lernen als neues Verfahren angewandt. So auch in der Studie von Mannil et al., in der der prädiktive Wert dreidimensionaler Texturanalysen durch maschinelles Lernen bei der Analyse von CT-Scans für das Abschätzen der Erfolgsraten nach extrakorporaler Stoßwellenlithotripsie (ESWL) untersucht wurde. In der Studie wurden drei klinische Variablen für die Vorhersage einer erfolgreichen Stoßwellentherapie identifiziert: BMI, Haut-Stein-Abstand und Steingröße (AUC: 0,68; 0,63; 0,58). Zudem konnte ein AUC von 0,79 für die 3D-Texturanalyse (3DTA) beobachtet werden. Kombiniert mit den drei auf maschinellem Lernen basierten Texturanalyseverfahren Histogramm Kurtosis 3D, GLCM2(2,-20) Sum. Entr. und GLCMS (0, 3, 0) Dif. Entr. ergaben sich AUC-Werte von 0,8 für BMI und 3D-Texturanalyse, 0,85 für Haut- Stein-Abstand und 3D TA und 0,81 für Steingröße und 3D TA. Es konnte kein prädikativer Wert für Houndsfield- Units für eine erfolgreiche ESWL gezeigt werden. 3D-Texturanalysen könnten dazu beitragen, eine verbesserte Abschätzung des Erfolgs der Stoßwellentherapie bei Patienten zu treffen, und ermöglichen so eine gezieltere Entscheidung für die optimale Therapie der Patienten.¹

Weiterentwicklungen in der Lithotripsie

Derzeit sind die Präzision und Sicherheit bei der endourologischen Laserlithotripsie ausschließlich vom Operateur abhängig. Intelligente Lasersysteme könnten dies ändern und so die Präzision und Sicherheit bei der Laserlithotripsie verbessern. Schlager et al. untersuchten in einer Studie die medizinischen, physikalischen und technischen Bedingungen für die Echtzeitanalysevon Zielgeweben durch ein intelligentes Lasersystem. Mithilfe von Fluoriszenzspektroskopie konnte aufgrund der unterschiedlichen Fluoriszenzamplituden in Echtzeit zwischen Gewebe, Stein und Instrumenten differenziert werden. Diese Technologie könnte in Zukunft nicht nur eine intraoperative Steinanalyse ermöglichen, sondern zusätzlich auch sichereres Arbeiten unter schlechten Sichtbedingungen. ²
Erhöhter Druck im Nierenbecken stellt ein Problem bei der flexiblen URS dar. In einer experimentellen Tierstudie testeten Zhu et al. ein „access sheath“, das mit einem Druckmessgerät und einer Pumpe verbunden ist und somit eine intraoperative Druckmessung sowie Druckregulierung im Nierenbecken ermöglicht. Bei insgesamt 18 Nieren von 9 Schweinen wurde der intrarenale Druck sowohl mittels einer retrograd in die Niere eingebrachten invasiven Blutdrucksonde als auch mittels des Access-Sheaths gemessen. Die Messungen der intrarenalen Drücke wurde bei einer Spülung von 50 ml/ min (Gruppe A), 100 ml/min (Gruppe B) und 150 ml/min (Gruppe C) verglichen. Hier konnte gezeigt werden, dass in allen drei Gruppen zwischen beiden Messverfahren kein signifikanter Unterschied bestand (Gruppe A: p = 0,92, Gruppe B: p = 1,00, Gruppe C: p = 0,80). Das Access- Sheath stellt folglich eine zuverlässige Methode der intraoperativen Druckmessung in der Niere dar. Unter der Anwendung dieses Access-Sheaths könnten postoperative Komplikationen wie Fieber und Sepsis reduziert werden.³
Im Bereich der Lasertechnologie gibt es verschiedene Studien, die den derzeitigen Goldstandard in der Lithotripsie, den Holmium- YAG-Laser, mit dem neuesten Superpulse- Thulium-Laser (Tm) vergleichen. Der Superpulse-Tm arbeitet im Vergleich zum Holmium-YAG-Laser mit weniger Energie (50 W vs. 120 W) und bei deutlich höherer Frequenz (2000 Hz vs. 80 Hz) In einer Studie von Andreeva et al. wurden in vitro sowohl die Ablationsrate beider Laser bei Dusting und Fragmentierung als auch die Retropulsion beobachtet. Hier konnte gezeigt werden, dass mit dem Superpulse- Thulium-Laser eine zweieinhalb- bis dreifach höhere Ablationsrate beim Dusting und eine zweifach höhere Ablationsrate bei der Defragmentierung erreicht werden konnte. Auch war die Schwelle bis zum Einsetzen einer Retropulsion beim Thulium- Laser im Vergleich zwei- bis vierfach höher. Zudem wurden beim Holmium-YAG-Laser signifikant stärkere Retropulsionseffekte gemessen.⁴ In einer zweiten laufenden russischen Studie wurden beide Lasersysteme in vivo in Bezug auf Operationsdauer, „ Laser on“-Zeit, Dauer der Steinextraktion und Retropulsion verglichen. 68 Steine von insgesamt 56 Patienten wurden mit zumindest einem Lasersystem behandelt. Bei Steinen größer als 1 cm wurde eine Hälfte mit dem Superpulse-Tm-Laser, die andere Hälfte mit dem Holmium-YAG-Laser therapiert, kleinere Steine wurden in Paaren verglichen. Bei der Eingriffsdauer konnte kein signifikanter Unterschied zwischen beiden Gruppen beobachtet werden, jedoch war die „Laser on“-Zeit mit dem Tm-Superpulse- System bei der Fragmentierung um den Faktor 1,5 kürzer beziehungsweise um den Faktor 3 beim Dusting. Auch kam es zu deutlich weniger Retropulsion. Verglichen mit dem Goldstandard ermöglicht der Tm- Superpulse bei gleicher Effektivität schnelleres Arbeiten durch verkürzte „Laser on“- Zeiten und weniger Retropulsionseffekte. So könnte der Superpulse-Tm-Laser in Zukunft ein deutlich schnelleres und effektiveres Arbeiten ermöglichen.⁵
Als ein anderer Aspekt, mit dessen Hilfe die Effektivität der Laserlithotripsie optimiert werden könnte, wurde der „Moses- Effekt“ untersucht. Diese neue Technologie ermöglicht die Emission eines kontrollierten Energieanteils, um eine Dampfblase zu erzeugen („Moses effect“), sodass der verbleibende Energieanteil über das Medium (Harn/Spülflüssigkeit) mit weniger Verlust übertragen werden kann. Das ermöglicht eine optimierte Energiezufuhr zur Zielstruktur (Harnstein). In einer Studie von Elhilali et al. konnte anhand eines Holmium- Lasersystems (Lumenis® Pulse™ P120H) bei In-vitro- und In-vivo-Versuchen gezeigt werden, dass es mit der Moses- Technologie zu signifikant weniger Retropulsionseffekten kommt (p < 0,05). Auch wurden deutlich höhere Ablationsraten (p < 0,02; Abb. 1) und weniger Gewebeschäden beobachtet (p < 0,05). Auch wurden deutlich höhere Ablationsraten (p < 0,02; Abb. 1) und weniger Gewebeschäden beobachtet (p < 0,05).
Diese Methode erhöht die Effektivität bei der Laserlithotripsie und könnte so zu einer Verkürzung der Operationsdauer sowie zu mehr Sicherheit bei endourologischen Eingriffen führen.⁶
Eine ähnliche Technologie wurde beim diesjährigen EAU-Kongress in Barcelona in einer italienischen Studie präsentiert. Mit einem Holmium-Lasersystem wird über eine geteilte Energieabgabe zunächst eine Luftblase vor der Laserfaserpitze gebildet, die Restenergie gelangt durch den so präformierten „Vaportunnel“ zum Stein.
Es wurden Uretersteine bei insgesamt 80 Patienten behandelt. 40 davon mit der Standard-Holmium-Lasereinstellung, die übrigen 40 mit der Vaportunneltechnologie. Hier konnten für die Vaportunneltechnologie signifikant kürzere Fragmentierungszeiten (20,4 vs. 16,1 min; p < 0,05), eine kürzere Eingriffsdauer (49 vs. 35,7 min; p < 0,05) sowie geringere Retropulsion beobachtet werden. Es gab keinen signifikanten Unterschied bei den angewendeten Energien (9,9 vs. 10,7 KJ und p > 0,05), intraoperativen Komplikationen und dem Behandlungserfolg nach einem Monat (92,3 vs. 88,3 %; p > 0,05).⁷

Perkutane Nephrolithotomie (PNL)

Bei der PNL gab es in den letzten Jahren unterschiedliche Entwicklungen, die die sichere Punktion der Niere erleichtern sollen. Eine davon ist die Implementierung von „augmented reality“ (AR) bei der Nierenpunktion. Aus prä- und intraoperativer Bildgebung wird ein virtuelles Modell der anatomischen Ziel- und Risikostrukturen erstellt. Mithilfe der durch ein Trackingsystem ermittelten Positionsdaten ist das Navigationssystem in der Lage, das virtuelle Modell in exakter Projektion in eine reelle (Kamera-)Ansicht einzublenden. Diese Verschmelzung virtueller und reeller Bilder ist ein Anwendungsprinzip der Augmented Reality.⁸ So wird die Punktion der Niere, vor allem für Anfänger, erleichtert. In einer Studie von Müller et al. wurde die ARgezielte Punktionstechnik mit der fluoroskopie- und ultraschallgezielten Punktion an einem Tiermodell verglichen. Hier konnte gezeigt werden, dass die Erfolgsraten für Anfänger bei der ARgezielten Punktion (81 %) im Vergleich zur ultaschallgezielten (70 %) und fluoroskopiegezielten Punktion (64 %) am höchsten waren.⁹ Zusätzlich ermöglicht diese Technologie eine bessere Planung des Punktionskanals. Eine weitere Methode zur gezielten Punktion ist der ureterorenoskopisch unterstützte Zugang ins Nierenbecken mithilfe elektromagnetischer Signale. In der Studie von Lima et al. wurde bei 10 Patienten zunächst durch die flexible URS der optimale Kelch für die Punktion identifiziert, bevor eine elektromagnetische Sonde über den Arbeitskanal eingebracht wurde. So konnte der ausgewählte Kelch gezielt, mit einer Nadel mit Sensorkopf und unter Echtzeit-3D-Visualisierung, punktiert werden. Bei allen Patienten (n = 10) war die Punktion erfolgreich. Diese Technik ermöglicht eine gezielte und sichere Punktion der Nierenkelche ohne Strahlenbelastung. Besonders bei komplexen Fällen könnte so die Punktion der Niere deutlich erleichtert werden.¹⁰
Auch das Uro-Dyna-CT soll eine gezielte Punktion bei der PNL unterstützten. Es handelt es sich um ein Bildgebungssystem mit einem deckenmontierten C-Bogen, der in 5 Freiheitsgraden beweglich ist und über einen großen digitalen Flachbilddetektor verfügt. Dreidimensionale Bildsequenzen lassen sich mithilfe gepulster Durchleuchtung und der erwähnten Freiheitsgrade, die Durchleuchtungsrotationssequenzen bis 240° erlauben, erzeugen. Ein großer Vorteil des Uro-Dyna-CTs ist die Möglichkeit der intraoperativen Anwendung, die ein 3D- Management der Punktionsplanung und der Umsetzung des Zugangs zur Niere auch bei Patienten mit anspruchsvollen anatomischen Verhältnissen ermöglicht. Bei diesem radiologischen Verfahren ist es der Arbeitsgruppe aus Mannheim um Manuel Ritter gelungen, ein Low-Dose-Protokoll zu entwickeln, womit für eine dreidimensionale Bildrekonstruktionssequenz lediglich eine effektive Dosis von 0,33 mSv benötigt wird. In dieser Studie wurden 12 perkutane Nierenpunktionen durchgeführt. 9 dieser Punktionen waren erfolgreich. Die mediane benötigte Zeit betrug 6,5 min (4–15 min) für die Planung und 60 s (30– 90 s) für die Punktion, bei einer medianen Fluoroskopiezeit von 1,75 min (0,1– 4,4 min).¹¹

Stoßwellentherapie reinvented!

Eine weitere Entwicklung in der Steindesintegration ist die Burst-Wave-Lithotripsie (BWL). Diese Methode wendet statt Schockwellen sinusförmige Ultraschallimpulse mit verhältnismäßig niedrigen Druckamplituden an, um die Ansammlung von Kavitationsblasen zu vermeiden, die die Schallwellen an der Ausbreitung in den Stein und somit an der Steinfragmentierung hindern. Hohe Frequenzen (170 kHz, 285 kHz und 800 kHz) und niedrige Energie ermöglichen eine schnelle Steindesintegration mit kleinen Steinpartikeln. Die komplette Desintegrationszeit für die 12 künstlichen Steine in dieser Studie betrug 9,7 ± 2,8 Minuten bei einer Energie von 6,5 MPa.
Sollten sich die Ergebnisse aus der Invitro- Studie von Maxwell et al. bestätigen, könnte diese Methode in Zukunft eine Alternative zur ESWL darstellen, die eine minimal invasive Steintherapie in der Ordination ermöglicht.¹² In einer weiteren Studie wurde das Ausmaß der Gewebsverletzungen durch die BWL in einem porzinen Modell untersucht. 6–7 mm große menschliche Nierensteine wurden in alle Nieren dreier Schweine implantiert. Die Steine wurden bei 6,5– 7 MPa Fokusdruck für 30 Minuten mit BWL therapiert. Durchschnittlich 87 % der Steinmasse wurden zu Fragmenten < 2mm desintegriert. Bei 3 von 5 Behandlungen waren die Steine vollständig in Fragmente < 2mm zerkleinert. Es konnten weder histologisch noch mittels MRT Gewebsverletzungen festgestellt werden. Die BWL könnte also eine sichere minimal invasive Therapieoption in der Steintherapie sein.¹³
Eine weitere Entwicklung in der minimal invasiven Steintherapie ist die „focused ultrasonic propulsion“. Es handelt sich um eine Methode, mit der Nierensteine transkutan repositioniert werden können. Eine diagnostische Ultraschallplattform mit einer Energiezufuhr ermöglicht es, längere, etwas höhere Amplituden fokussierter Impulse für eine kurze Dauer abzugeben. Jeder dieser Impulse besteht aus 450 μs „on time“ gefolgt von 165 μs „off time“ (73 % Tastgrad). Dies wird für eine Gesamtstoßdauer von 50 ms 81-mal wiederholt, bei einem negativen Spitzendruck von etwa 6 MPa. In Tiermodellen lassen sich zum einen Reststeinfragmente, die sich nach vorangegangener Lithoripsie in den Kelchgruppen befinden, durch diese Technologie in den Harnleiter verschieben. Dadurch würde man bei den Patienten einen schnelleren Reststeinabgang unterstützen. Zusätzlich bewegten die Autoren de novo proximale Harnleitersteine in die Nierenkelche. Dies könnte in der Zukunft für die rasche Behebung von Nierenkoliken angewandt werden. Zum anderen könnten Steine, die sich an einer für die Therapie ungünstigen Position, wie der unteren Kelchgruppe, befinden, an eine günstigere Stelle bewegt werden.^{14, 15}

Literatur