Effects of Artificial Obstruction on the Function of the Upper Urinary Tract of Guinea Pigs, Rats and Pigs

Abstract

Purpose: Four different experiments in animals were performed to evaluate the influence of pyelo-ureteral surgery on the function of the upper urinary tract.

Methods: Experiment I: In 17 female guinea pigs pyelo-ureteral anastomosis was performed microsurgically. Three months later, the ureteral peristalsis was investigated by measuring the intraureteral pressure and the in vitro activity of the renal pelvic and ureteric wall was analysed. Experiment II: 10 rats were used for microsurgical uretero-ureteral anastomosis. One month after surgery the pyelo-ureteral peristalsis was examined by videomicroscopy while simultaneously measuring the renal pelvic and intravesical pressure. Subsequently the kidneys were removed for histological examination. Experiment III: In 2 pigs unilateral pyeloplasty was performed. Using an implanted transmitter the intravesical and the renal pelvic pressures were recorded continuously over a time interval of 3 months. Five months after surgery the pyelo-ureteral peristalsis was investigated by pyelography. The kidneys were then removed for histological and biomechanical examinations. Experiment IV: A partial artificial obstruction was performed in 16 guinea pigs by implanting the ureter into the psoas muscle. Two to six months following surgery their upper urinary tracts were removed for analysis of in vitro activity as well as histological and immunohistochemical investigations of the ureter and renal pelvis.

Results: Experiment I: Ultrasound investigation showed in all cases a significant dilation of the renal pelvis. The ureteral contraction frequency distally was decreased in vivo as well as in vitro (p < 0.05) compared with the controls. Experiment II: Videomicroscopic imaging showed in eight out of nine cases an interruption of the peristaltic wave below the anastomosis; the ureteral peristalsis was restored distally by ureteral contractions with a decreased frequency. Retroperistalsis was seen in the lower part of the ureter. The frequency of renal pelvic and ureteral contractions were decreased (p < 0.05). Renal pelvic baseline pressure as well as contraction amplitude were irregularly changed. Histological examinations showed increased connective tissue within the renal pelvic wall in all cases. Experiment III: In both pigs an intermittent change in contraction frequency of the renal pelvis was found, associated with a changing contraction amplitude. Five months after surgery an interruption of the peristaltic wave was detected in both pigs. Histological examinations showed increased connective tissue within the renal pelvic wall. The stiffness of caliceal and pelvic tissue was lower following the pyeloplasty compared to the controls. Experiment IV: Following artificial partial ureteral obstruction in all guinea pigs the in vitro investigations showed an increased spontaneous activity of the upper urinary tract except in the proximal part of the ureter. Ureteral obstruction produced a change in contraction pattern of the proximal ureter and a decrease in contraction frequency of the distal ureter. Immunohistochemical investigations revealed rarefication and desorientation of nerve fibres within the proximal ureteric wall.

Conclusions: Surgical interruption of the ureteral continuity and re-anastomosis cause a temporary disruption of the peristaltic wave at the anastomosis site. Ureteral peristalsis is restored by ureteral contractions associated with retroperistalsis as well as a decreased contraction frequency. Uretero-ureteral anastomosis in rats, pyelo-ureteral anastomosis in guinea pigs and pyeloplasty in pigs seem to influence the upper urinary tract similarly to a chronical functional obstruction, causing changes in pyelo-ureteral motility and spontaneous muscular activity of the renal pelvic and ureteral wall as well as biomechanical and histological characteristics.

Résumé

But: Quatre expérimentations différentes ont été réalisées chez l'animal, pour évaluer l'influence de la chirurgie pyélo-urétérale sur le fonctionnement du tractus urinaire supérieur.

Méthodes: Expérimentation n° I: Chez 17 femelles mini-porcs une anastomose pyélo-urétérale a été réalisée avec l'aide de la micro-chirurgie. Trois mois plus tard, le péristaltisme urétéral était apprécié en mesurant la pression intra-urétérale et in-vivo l'activité du bassinet et de la paroi urétérale. Expérimentation n° II: Chez 10 rats une anastomose urétéro-urétérale micro-chirurgicale était réalisée. Un mois après la chirurgie, le péristaltisme pyélo-urétéral était apprécié par vidéo-microscopie alors que simultanément était mesurées les pressions intra-pyéliques et intra-vésicales. Enfin les reins étaient enlevés pour une étude histologique. Expérimentation n° III: Chez 2 porcs, une pyéloplastie unilatérale a été réalisée. En utilisant un transmetteur implanté, les pressions intra-vésicales et du bassinet étaient mesurées de manière continue pendant une période de trois mois. A 5 mois après la chirurgie, le péristaltisme pyélo-urétéral était apprécié par pyélographie. Les reins étaient alors enlevés pour une étude histologique et biomécanique. Expérimentation n° IV: une obstruction partielle artificielle était réalisée chez 16 mini-porcs en passant l'uretère à travers le muscle Psoas. 2 à 6 mois après la chirurgie, le tractus urinaire supérieur était enlevé pour analyse in-vitro de l'activité ainsi que des études histologiques et immuno-histologiques de l'uretère et du bassinet.

Résultats: Expérimentation n° I: Les investigations échographiques montrent dans tous les cas une dilatation significative du bassinet. La contraction urétérale en aval est diminuée, aussi bien in-vivo qu'in-vitro (p < 0.05) en comparaison avec les groupes-contrôle. Expérimentation n° II: La vidéo-microscopie met en évidence sur huit des neuf cas une interruption des ondes péristaltiques en-dessous de l'anastomose. Le péristaltisme urétéral est restauré dans la partie distale de l'uretère avec des contractions d'une fréquence diminuée. Le rétro-péristaltisme est vu dans la partie la plus basse de l'uretère. La fréquence des contractions du pelvis et de l'uretère est diminuée (p < 0.05). La pression de base du bassinet comme l'amplitude de la contraction sont modifiées de manière irrégulière. L'étude histologique a montré une augmentation du tissu conjonctif dans la paroi du bassinet. Expérimentation n° III: Chez les 2 porcs, une modification intermittente de la fréquence des contractions du bassinet a été trouvée associée avec une amplitude des contractions variable. Cinq mois après la chirurgie, une interruption des ondes péristaltiques est détectée chez les deux porcs. L'examen histologique montre une augmentation du tissu conjonctif dans la paroi du bassinet. L'épaisseur de la paroi des calices du bassinet est diminuée après la pyéloplastie comparé au groupe contrôle. Expérimentation n° IV: Secondairement à l'obstruction urétérale artificielle partielle chez tous les mini-porcs, les investigations in-vitro ont montré une augmentation spontanée de l'activité du tractus urinaire excepté dans la partie proximale de l'uretère. L'obstruction urétérale entraîne une modification des contractions sur l'uretère proximal et une diminution de la fréquence des contractions dans la partie distale. Les investigations immuno-histochimiques révèlent une raréfaction et une désorientation des fibres nerveuses de la paroi urétérale.

Conclusion: L'interruption chirurgicale de la continuité urétérale et une ré-anastomose causent un arrêt temporaire des contractions péristaltiques. Le péristaltisme urétéral est retrouvé avec des contractions urétérales associées à un rétro-péristaltisme avec une diminution de la fréquence des contractions. Les anastomoses urétéro-urétérales chez le rat, les anastomose pyélo-urétérales chez les mini-porcs et les pyéloplasties chez les porcs semblent entraîner des modifications du tractus urinaire supérieur semblables à une obstruction chronique fonctionnelle causant des modifications dans la motilité pyélo-urétérale et l'activité musculaire spontanée du bassinet et de l'uretère aussi bien que des caractéristiques biomécaniques et histologiques.

Resumen

Objetivos: Se realizaron 4 experimentos diferentes para evaluar la influencia de la interrupción quirúrgica de la continuidad ureteral sobre la función del tracto urinario superior en cuyes, cerdos y ratas.

Métodos: Experimento I: En 17 cuyes de sexo femenino se realizó una anastomosis pieloureteral microquirúrgica. Después de 3 meses se investigó la peristalsis del ureter distal midiendo la presión intraureteral y se analizó la actividad in vitro de la pelvis renal y de la pared ureteral. Experimento II: En 10 ratas se realizó la actividad in vitro de la pelvis renal y de la pared ureteral. Experimento II: En 10 ratas se realizó una anastomosis uretero-ureteral microquirúrgica. 1 mes después de la cirugía se examinó la peristalsis pieloureteral por medio de videomicroscopía y medición de la presión de la pelvis renal e intraureteral simultáneas. A continuación se extirparon los riñones para examenes histológicos. Experimento III: En 2 cerdos se realizó una pieloplastia. Usando un trasmisor implantado se midieron la presión intravesical y de la pelvis renal en forma continua por un intervalo de tres meses. 5 meses después de la operación se investigó la peristalsis pieloureteral por medio de una pielografia. Los riñones fueron extirpados para exámenes histológicos y biomecánicos. Experimento IV: En 16 cuyes se realizó una obstrucción artificial parcial implantando el uréter en el músculo psoas. 2 a 6 meses después de la operación se les extirparon las vías urinarias superiores para análisis in vitro de la actividad e investigaciones histológicas e inmunhistológicas del ureter y de la pelvis renal.

Resultados: Experimento I: La investigación con ecografia mostró en todos los casos una dilatación significante de la pelvis renal. Estaba disminuída la frecuencia de contracciones ureterales distales in vivo e in vitro (p < 0,05) comparada con los controles. Experimento II: Las imágenes videomicroscópicas mostraron en 8 de 9 casos una interrupción de la onda peristáltica bajo la anastomosis mientras que la peristalsis ureteral mas distal fue restaurada a través de contracciones ureterales con frecuencia disminuída. Se vió una retroperistalsis en la parte inferior del uréter. La frecuencia de las contracciones de la pelvis renal y ureterales estaba disminuída (p < 0,05). La presión basal de la pelvis renal y la amplitud de contracción estaban alteradas en forma irregular. Ei exámen histológico mostró un aumento del tejido conjuntivo en la pared de la pelvis renal en todos los casos. Experimento III: En ambos cerdos se encontró un cambio intermitente en la frecuencia de contracción de la pelvis renal asociado con una amplitud de contracción cambiante. 5 meses después de la operación se detectó una interrupción de la onda peristáltica en ambos cerdos. Los exámenes histológicos demostraron un aumento del tejido conjuntivo en la pared de la pelvis. La rigidez del tejido pélvico y caliciario fue menor después de la pieloplastía comparado con los controles. Experimento IV: Las investigaciones in vitro luego de la obstrucción artificial parcial demostraron en todos los cuyes un aumento de la actividad espontánea en las vías urinarias superiores excepto en la parte proximal del ureter. La obstrucción ureteral produjo un cambio en el modo de contracción del ureter proximal y una disminución de la frecuencia de contracción del uréter distal. Las investigaciones inmunhistoquímicas demostraron una rarificación y desorientación de las fibras nerviosas dentro de la pared ureteral proximal.

Conclusiones: La interrupción quirúrgica de la continuidad ureteral seguida de reanastomosis causa una interrupción temporal de la onda peristáltica en el sitio de la anastomosis. La peristalsis ureteral es restaurada por contracciones ureterales asociadas con retroperistalsis y disminución de la frecuencia de contracción. La anastomosis ureteroureteral en ratas, la anastomosis pieloureteral en cuyes y la pieloplastía en cerdos parecen influenciar el tracto urinario superior como una obstrucción funcional crónica, causando cambios en la motilidad pieloureteral y en la actividad muscular espontánea de la pared de la pelvis renal y del ureter, así como en sus características biomecánicas e histológicas.

Zusammenfassung

Ziel: Anhand von 4 unterschiedlichen Tierexperimenten sollte der Einfluss pyeloureteraler Operationen auf die Funktion des oberen Harntraktes untersucht werden.

Methodik: Experiment I: Bei 17 weiblichen Meerschweinchen wurden mikrochirurgisch pyeloureterale Anastomosen angefertigt. Drei Monate später wurde mittels intraureteraler Druckmessung die Peristaltik untersucht und in vitro die Spontanaktivität von Nierenbecken und Harnleiter analysiert. Experiment II: Bei 10 Ratten erfolgte eine mikrochirurgische ureteroureterale Anastomosierung. Nach einem Monat wurde videomikroskopisch die Peristaltik untersucht, simultan zur Messung des intrarenalen und intravesikalen Druckes. Danach wurden die Nieren für histologische Untersuchungen entfernt. Experiment III: Bei 2 Schweinen erfolgte unilateral eine Pyeloplastik. Mittels implantierter Telemetrie-Sensoren wurden danach über 3 Monate der intrarenale und der intravesikale Druck kontinuierlich registriert. 5 Monate nach der OP wurde eine Pyelographie zur Darstellung der pyeloureteralen Peristaltik durchgeführt. Nach Entfernung der Nieren erfolgten histologische und biomechanische Untersuchungen. Experiment IV: Durch Implantation eines Ureters in den M. psoas wurden bei 16 Meerschweinchen unilaterale chronische partielle Obstruktionen verursacht. 2 bis 6 Monate nach der OP wurden Nieren und Harnleiter der Tiere entnommen zur Untersuchung der in vitro Spontanaktivität sowie für histologische bzw. immunhistochemische Untersuchungen.

Ergebnisse: Experiment I: Sonographische Untersuchungen zeigten bei allen Tieren eine signifikante Nierenbeckendilatation. Die Frequenz der Ureterkontraktionen war im Vergleich mit der Kontrollseite sowohl in vivo als auch in vitro deutlich verringert (p < 0,05). Experiment II: Videomikroskopisch wurde bei 8 von 9 Tieren eine Unterbrechung der Peristaltik an der Anastomose festgestellt. Distal davon wurde die Peristaltik durch ureterale Kontraktionen mit geringerer Frequenz wieder hergestellt. Im distalen Ureter zeigte sich Retroperistaltik. Die Frequenz der Nierenbecken- und Harnleiterkontraktionen war deutlich reduziert (p < 0,05). Der Nierenbeckenbasisdruck und die Kontraktionsamplitude wiesen irreguläre Schwankungen auf. Bei den histologischen Untersuchungen der Nierenbeckenwand wurde in allen Fällen eine Vermehrung von Bindegewebsfasern festgestellt. Experiment III: Bei beiden Schweinen zeigte die kontinuierliche intrarenale Druckmessung irreguläre Schwankungen der Kontraktionsfrequenz und -amplitude. Bei der Pyelographie, 5 Monate nach der OP, wurde bei beiden Schweinen eine Unterbrechung der peristaltischen Welle an der Anastomose beobachtet, und die histologischen Untersuchungen zeigten eine Vermehrung von Bindegewebsfasern in der Nierenbeckenwand. Die Gewebeproben aus Kelchen und Nierenbecken der operierten Seite erwiesen sich als deutlich elastischer als die Kontrollproben der Gegenseiten. Experiment IV: Bei allen Tieren wurde nach artifizieller chronischer partieller Obstruktion des Ureters eine gesteigerte in vitro Spontanaktivität des oberen Harntraktes festgestellt, außer proximal der Obstruktion. Die ureterale Obstruktion verursachte eine Veränderung des Kontraktionsmusters des proximalen Ureters und eine Verringerung der Kontraktionsfrequenz des distalen Harnleiters. Die immunhistochemischen Untersuchungen der Ureterwand zeigten proximal eine Rarifizierung und Desorientierung der Nervenfasern.

Schlussfolgerungen: Durchtrennung und Reanastomosierung des Harnleiters verursachen eine temporäre Unterbrechung der peristaltischen Welle. Die Peristaltik wird distal der Anastomose durch ureterale Kontraktionen mit geringerer Frequenz aufrecht erhalten, beeinträchtigt durch Retroperistaltik. Ureteroureterale Anastomosen bei Ratten sowie pyeloureterale Anastomosen bei Meerschweinchen und Schweinen scheinen den oberen Harntrakt wie chronische funktionelle Obstruktionen zu beeinflussen. Dadurch werden Veränderungen der pyeloureteralen Motilität und der spontanen muskulären Aktivität der Nierenbecken- bzw. Harnleiterwand sowie biomechanische und histologische Veränderungen verursacht.

Key words

Pyeloplasty - uretero-ureteral anastomosis - pyelo-ureteral motility - spontaneous activity of smooth muscles - chronical obstruction - stiffness

Mots-clés

Pyéloplastie - anastomose urétéro-urétérale - motilité pyélo-urétérale - activité spontanée du muscle lisse - obstruction chronique

Palabras clave

Pieloplastía - anastomosis ureteroureteral - motilidad pieloureteral - actividad espontánea de la musculatura lisa - obstrucción crónica - rigidez

Schlüsselwörter

Pyeloplastik - ureterale Anastomose - pyeloureterale Motilität - Spontanaktivität glatter Muskulatur - chronische Obstruktion - Elastizität

References

• 1 Boyarsky S, Labay P, Glenn J F. More evidence for ureteral nerve function and its clinical implication.  J Urol. 1968;  99 533-538
• 2 Blasco Casares F J, Saladie Roig J M. Recuperacion del peristaltismo ureteral en la rata transdenervacion.  Actas Urol Esp. 1991;  15 318-322
• 3 Butcher H R, Sleator W. The effect of ureteral anastomosis upon conduction of peristaltic waves: An electroureterographic study.  J Urol. 1956;  75 650-655
• 4 Constantinou C E, Djurhuus J C. Urodynamics of the multicalyceal upper urinary tract. O'Reilly PH, Gosling JA Idiopathic Hydronephrosis. London; Springer 1982: 16-43
• 5 Constantinou C E, Djurhuus J C, Yamaguchi O. Functional aspects of upper urinary tract transport. Krame RJ, Siroky MB, Fitzpatrick HM Clinical Urology. Philadelphia; JB Lippincott Company 1994: 46-63
• 6 Constantinou C E, Omata S. Analysis of the relative biomechanical effects of alpha1 and alpha2 antagonists in modifying the compliance of the prostate and micturition parameters of the hormonally manipulated male rat.  Neurourol Urodyn. 1996;  15 85-101
• 7 Gruber C M. The autonomic innervation of the genito-urinary system.  Physiol Rev. 1933;  13 497-508
• 8 Hannappel J. Myogenic function of normal and chronically dilated pyeloureters. Lutzeyer W, Hannappel J Urodynamics - Upper and Lower Tract II. Berlin, Heidelberg; Springer 1985: 13-19
• 9 Hannappel J, Rohrmann D, Lutzeyer W. Pharmakologische Beeinflussung der Harnleiteraktivität.  Urologe. 1986;  25 246-251
• 10 Harten H U, Nägerl H, Schulte H D. Statistik für Mediziner. Weinheim; VCH Verlagsgesellschaft mbH 1993: 189
• 11 Jones D A, Lupton E W, George N JR. Effect of bladder filling on upper tract urodynamics in man.  Br J Urol. 1990;  65 492-496
• 12 Karahan S T, Krammer H J, Kühnel W. Immunhistochemical demonstration of nerves and nerve cells in human and porcine ureters.  Anat Anz. 1993;  175 259-262
• 13 Kinn A C. Progress in urodynamic research on the upper urinary tract: implications for practical urology.  Urol Res. 1996;  24 1-7
• 14 Lennon G M, Ryan P C, Fitzpatrick J M. Recovery of ureteric motility following complete and partial ureteric obstruction.  Br J Urol. 1993;  72 702-707
• 15 Melchior H, Rathert P. Die Steuerung der Ureterperistaltik. Lutzeyer W, Melchior H Ureterdynamik. Stuttgart; Thieme 1971: 31-43
• 16 Notley R G, Beaugie J M. The long-term follow-up of Anderson-Hynes pyeloplasty for hydronephrosis.  Br J Urol. 1973;  45 464-467
• 17 Omata S, Constantinou C E. Measurement and calibration system to quantify hormonally-induced stiffness in the rat prostate. Proceedings of the 15th Annual IEEE Conference. San Diego; 1993: 1588-1589
• 18 Omata S, Constantinou C E. Modeling of micturition characteristics based on prostatic stiffness modulation induced using hormones and adrenergic antagonists.  IEEE Trans Biomed Eng. 1995;  42 843-848
• 19 Rohrmann D, Hofstädter F, Hannappel J, Albrecht D, Lutzeyer W. Elektronenmikroskopie des reanastomosierten Ureters - Ist eine restitutio ad integrum möglich? Verhandlungsberichte der Deutschen Gesellschaft für Urologie, 40. Tagung. Berlin; Springer Verlag 1989: 67-68
• 20 Rolle U, Brylla E, Tillig B. Immunohistochemical detection of neuronal plexuses and nerve cells within the upper urinary tract of pigs.  Br J Urol. 1999;  83 1045-1049
• 21 Sasaki S. Studies on action potentials of the upper urinary tract (1). The changes of the action potentials after ureteral operations in the mongrel dogs.  Jpn J Urol. 1973;  64 363-368
• 22 Savion M, Livne P M, Savir A. Long-term follow-up of patients after pyeloplasty for ureteropelvic junction obstruction.  Israel J Med Sc. 1990;  26 144-147
• 23 Schulmann C C. Electron microscopy of the human ureteric innervation.  Brit J Urol. 1974;  46 609-615
• 24 Starr N T, Maizels M, Chou P, Brannigan R, Shapiro E. Microanatomy and morphometry of the hydronephrotic “obstructed” renal pelvis in asymptomatic infants.  J Urol. 1992;  148 519-524
• 25 Tillig B, Constantinou C E. Videomicroscopic imaging of ureteral peristaltic function in rats during cystometry.  J Pharmacol Toxicol Meth. 1996;  35 191-202
• 26 Ulm A H, Miller F. An operation to produce experimental reversible hydronephrosis in dogs.  J Urol. 1962;  88 337-341