一种用于在输尿管镜检查过程中有效取出肾结石碎片的磁性水凝胶

Part1一种用于在输尿管镜检查过程中有效取出肾结石碎片的磁性水凝胶

通讯作者

1介绍

肾结石影响约九分之一的人，可导致严重的并发症，从剧烈疼痛到危及生命的感染和肾脏损害。

尿路镜激光碎石术是一种内窥镜外科手术，是最常见的治疗方法，它使用激光光纤将结石破碎成更小的碎片。

目前，结石碎片的主动取回主要使用钢丝篮进行，钢丝篮通过输尿管镜引入并仔细操作以包围结石并将其从体内取出。但复杂的蜂窝状解剖结构中的小碎片可能很难或不可能用篮子抓住。（负压抽吸术是在手术过程中吸出结石碎片的一种有吸引力的工具，但受到标准输尿管镜的小工作通道的限制）

在这里，我们提出MagSToNE (Magnetic System for Total Nephrolith Extraction)（该系统旨在与临床使用中的标准输尿管镜兼容），以提高结石碎片清除的效率。（以前磁化肾结石并用磁性工具取回它们的尝试受到低磁强度的限制）

a SPIONs(蓝圈)和形成水凝胶的生物聚合物(红线)通过输尿管镜的工作通道被引入，将石头碎片包裹在超顺磁水凝胶中。

b 引入磁性线来捕获磁性标记的石头碎片。

c 将输尿管镜和输尿管丝连同采集到的碎片一起从体内取出。插图将单个片段的捕获与标准篮子(左)进行比较，以磁性线捕获多个片段。

原理：MagSToNE利用与含羧酸分子官能化的超顺磁性氧化铁纳米颗粒(SPION)结合并涂覆肾结石碎片，从而使结石碎片可磁化（离子相互作用）。

虽然SPION上的羧酸官能团旨在与石材表面暴露的钙离子结合，但即使是钙含量低至20%的结石也能被可靠地捕获。羧酸基团也可能与鸟粪石上暴露的镁离子结合。

高度非均相和多孔结构是离子凝胶的特征，其中水溶性聚合物快速交联，形成不溶性聚合物纳米复合材料。

超顺磁性颗粒是一种具有非常高的磁响应度的颗粒。它们在外加磁场下表现出极强的磁化能力，但在没有外加磁场时，不会保留磁性。这种特性使得超顺磁性颗粒在许多应用中具有重要的作用。

大多数人类肾结石都含有钙。大约 70-80% 的结石主要由草酸钙一水合物 （COM） 或二水合物 （COD） 组成，另外 10-20% 的主要是磷酸钙 （CaP），少数是纯尿酸或鸟粪石（磷酸镁铵）和胱氨酸。

2结果

MagSToNE 设计

c 通过具有相应护套厚度的磁线捕获石头。较厚的护套与较低的表面梯度和较低的捕获效率有关。

*护套厚度= 0.05 mm，表面梯度= 10758 T/m，捕获效率= 91%;

**护套厚度= 0.09 mm，表面梯度= 6374 T/m，捕获效率= 84%;

***护套厚度= 0.29 mm，表面梯度= 1151 T/m，捕获效率= 18%

(白色的箭头指向磁铁的北极。)

与轴向磁化线相比，直径磁化线在其整个长度上捕获石头，而不仅仅是在其尖端，单次捕获的石头重量要大得多(图2a)。

圆柱形磁铁被护套在生物相容性塑料管内，但护套的存在限制了石块与磁铁的距离，因此限制了它可能遇到的最大磁梯度（图2b）。较薄的护套可实现卓越的结石捕获（图2c）。

体外肾结石碎片的磁性捕获

我们开发了一种氧化铁水凝胶，一种直径为7 nm的SPION，带有带负电荷的羧右旋糖酐涂层，以及壳聚糖，一种阳离子生物聚合物(CF水凝胶)。(表面积与体积比较大，有利于聚合物交联，因此选择7nm的超顺磁性颗粒)

a 单独使用氧化铁与壳聚糖-氧化铁(CF)水凝胶对不同成分和大小的宝石的捕获效率。N = 每组 3-8 个独立实验。数据表示平均值± 1.5 标准误差。源数据作为源数据文件提供。

b-e 80% COM 20% COD 石的 SEM(扫描透镜) 图像。

b 无涂层石材。

c 石材仅涂有氧化铁。插图显示了与石头表面的氧化铁（黄色）相对应的能量色散 X 射线 （EDX） 信号。

d 涂有CF水凝胶的石头。微米厚的水凝胶层破裂，露出下面的正常石头结构。

e 涂有CF水凝胶的石头。插图显示了铁（黄色）和钙（粉红色）的EDX信号，分别对应于CF水凝胶涂层石材和未涂层石材的区域。

单独使用氧化铁与结石结合，并在体外捕获了约 60% 的小（直径 <1 mm）磷酸钙碎片，但对于其他成分的结石，它的表现不一致，无法捕获较大的碎片。相比之下，CF 水凝胶可捕获所有测试成分的 100% 结石，包括直径达 4 mm 的较大碎片和钙含量低至 20% 的结石。

磁性水凝胶组分的细胞毒性

A人尿路上皮癌细胞暴露于CF水凝胶组分长达4小时。用LDH释放法测定细胞毒性。经双尾t检验，p > 0.05，差异无统计学意义。每组N = 5-9个生物独立样本。

B-K H&E染色的人尿路上皮的组织学切片与水凝胶组分离体孵育，取自n = 3个生物学独立的样品。

(F: 0.5% w/v 壳聚糖 30min; K: 1× CF水凝胶30min)

L-P 对照膀胱(L)未暴露于任何化合物。将膀胱暴露于0.5% w/v壳聚糖中15 min，暴露后(M) 30 min, (N) 12 h进行检测。暴露后立即出现膀胱尿路上皮弥漫性脱落，但在12小时时，基底再生开始。暴露于1× CF水凝胶的膀胱在暴露30 min后出现轻度脱落(O)，但暴露12 h后尿路上皮完全恢复(P)。

DAPI（4′,6-二氨基-2-苯基吡啶）是一种荧光染料，可以选择性地与DNA结合并发出蓝色荧光。在细胞学和分子生物学研究中，DAPI通常用于染色细胞核，以便观察和分析细胞核的形态和DNA含量。

角蛋白 5（Keratin 5）和角蛋白 20（Keratin 20）是两种细胞骨架蛋白，它们在不同类型的细胞中具有不同的分布和功能。角蛋白 5主要在表皮细胞和一些上皮细胞中表达，而角蛋白 20主要在肠道和泌尿系统等细胞中表达。

单个组分和所得的CF水凝胶在细胞培养中没有表现出显着的细胞毒性（图4A）。在临床实践中，尿路上皮细胞将仅暴露于高浓度的成分中几秒钟到几分钟，因为在手术过程中不断使用冲洗，并且自然尿液的产生也会冲走这些成分。

当一个小（7 nm）粒子的磁泳运动被布朗运动和阻力超过时，ferumoxytol单独不是磁分离的，CF水凝胶形成更大的ferumoxytol粒子聚集体，并被磁铁迅速捕获。

氧化铁和CF水凝胶的抗菌性能

不同环境下大肠杆菌和奇异变形杆菌（常见泌尿病原体）的时间依赖性细菌生长曲线。对照是在没有任何化学物质的情况下进行的，并且对应于细菌的自然生长。使用环丙沙星、壳聚糖和氧化铁，终浓度分别为4 μg/mL、0.05% （w/v）和3 mg/mL。根据OD600的线性关系将其重新计算为CFU/mL（参见补充方法）。n = 每组 3 个独立实验。

3总结

优点

我们报告了我们对MagSToNE的初步体外经验。

粒子追踪模拟表明，可以从几毫米外捕获小石头，这将允许简单地去除位于凹槽中的结石碎片，外科医生不容易接近甚至看不到的地方。

与传统钢丝篮的直接比较也将证明MagSToNE在减少手术时间和提高无结石率方面的临床实用性。

不足

我们打算进一步研究MagSToNE在台式输尿管镜模型中的性能，以模拟在肾脏有限而复杂的空间内导航以及冲洗和输尿管通路鞘的物理挑战。

猪研究正在进行中，以评估系统的安全性和生物相容性。

在的问题是磁性水凝胶和磁性水凝胶包被的结石碎片可能会留下。我们假设水凝胶如果不完全用磁铁去除，将被正常的尿蠕动排出体外，并且磁性水凝胶将在尿液中降解，因为壳聚糖离子水凝胶已知是可生物降解的。

解决这些重要问题对于这项有前途的技术的最终临床转化至关重要。

原文：Ge, T.J., Roquero, D.M., Holton, G.H. et al. A magnetic hydrogel for the efficient retrieval of kidney stone fragments during ureteroscopy. Nat Commun 14, 3711 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-38936-1

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1. 上海市医学会泌尿外科分会结石学组会议:https://mp.weixin.qq.com/s/tswbD5aV8jeSx3zjXBgomw
2. CUA第19次全国泌尿外科尿路结石专题会议:https://cuajieshihuli.tiemeeting.com/live/OnlineLive/VideoList