Evaluation of Pelvic Contractility in Ureteropelvic Junction Obstruction: An Experimental Study

Abstract

Background/Purpose: Ureteropelvic junction (UPJ) obstruction causes adaptive and/or compensatory alterations in renal pelvic contractility. As these alterations directly affect the outcome after renal damage, definition of these alterations is of the utmost importance from a clinical point of view. Thus, an experimental study was designed to determine the alterations of renal pelvic contractility in response to partial and complete UPJ obstruction.

Methods: Fifteen adult female New Zealand white rabbits were randomly assigned into three groups (each containing 5 rabbits) according to the degree of unilateral UPJ obstruction. Group I: sham operation was performed and served as the control group; group II: partial UPJ obstruction was made; group III: complete UPJ obstruction was made. The animals in groups I and II were sacrificed after three weeks and the rabbits in group III were sacrificed after two weeks. Muscle strips from the renal pelvis were prepared. Spontaneous mechanical activity and contractile responses to phenylephrine (PE), serotonin (5-HT), and KCl were recorded isometrically and compared in all groups.

Results: Both the frequency and amplitude of spontaneous mechanical contractions were significantly (p < 0.05) increased in partial (group II) and complete UPJ obstruction (group III) groups. PE and 5-HT-induced tonic contractions, which were more prominent in the complete and partial obstruction groups when compared with the control group (p < 0.05). PE and 5-HT also increased the frequency of spontaneous contractions in both partial and complete obstruction groups. KCl induced long lasting tonic contractions in the control muscles. The duration of contraction to reach the maximum amplitude was shortened in the obstruction groups and the amplitudes of the contractions were significantly augmented when compared to control preparations.

Conclusion: UPJ obstruction alters the contractile properties of renal pelvis smooth muscle. Increased frequency of spontaneous mechanical activity suggests that pacemaker cells of the renal pelvis change their activities in response to UPJ obstruction. Increase in tonic contraction amplitudes in response to PE and 5-HT suggests an increased sensitivity of smooth muscle cells to these agents. Potentiation of the contractile response to KCl suggests that adaptive changes take place at the level of excitation-contraction coupling in the smooth muscle of the renal pelvis following UPJ obstruction.

Résumé

Objectif: L'obstruction de la jonction pyélo-urétérale provoque des modifications d'adaptation et/ou de compensation de la fonction contractile du bassinet. Ces modifications ayant un effet direct sur le drainage rénal, une définition précise est d'une grande importance clinique. L'objectif de cette étude expérimentale était de décrire les altérations de la fonction contractile du bassinet résultant d'une obstruction complète ou partielle de la jonction pyélo-urétérale.

Méthodes: Quinze lapines adultes New Zealand White étaient étudiées, divisées au hasard en trois groupes de cinq animaux chacun. La même intervention chirurgicale était réalisée chez les trois groupes pour créer une obstruction pyélo-urétérale partielle (groupe II), une obstruction pyélo-urétérale totale (groupe III) ou aucune obstruction (groupe I, témoin). Les animaux des groupes I et II étaient sacrifiés à trois semaines et les animaux de groupe III à deux semaines avec préparation de bandes musculaires prélevées au niveau du bassinet. Un enregistrement isométrique de l'activité mécanique spontanée des bandes ainsi que leurs réponses à la phényléphrine (PE), à la sérotonine (5-HT) et au KCl était réalisé pour comparaison entre les trois groupes.

Résultats: La fréquence et l'amplitude des contractions spontanées étaient augmentées de façon significative dans le groupe II (obstruction partielle) et dans le groupe III (obstruction totale) (p < 0,05). La stimulation par la PE et la 5-HT provoquait des contractions toniques plus prononcées dans les deux groupes d'obstruction partielle et totale comparés au groupe témoin (p < 0,05). La stimulation par le KCl induisait des contractions toniques à longue durée dans le groupe témoin. La durée de contraction nécessaire pour atteindre l'amplitude maximale était plus courte dans les groupes d'obstruction et les amplitudes de contraction étaient plus élevées comparées au groupe témoin.

Conclusion: L'obstruction pyélo-urétérale modifie la fonction contractile du muscle lisse du bassinet. Une fréquence accrue de l'activité mécanique spontanée suggère une modification des cellules pacemaker du bassinet en réponse à l'obstruction pyélo-urétérale. L'augmentation de l'amplitude de contraction tonique en réponse à la PE et à la 5-HT suggère une plus grande sensibilité des muscles lisses. L'augmentation de la réponse contractile à la stimulation par KCl suggère une adaptation au niveau du couple excitation-contraction des cellules des muscles lisses du bassinet en réponse à l'obstruction de la jonction pyélo-urétérale.

Resumen

Antecedentes/Objetivos: La obstrucción de la unión pielo-ureteral (UPJ) causa alteraciones adaptativas y/o compensatorias de la contractilidad de la pelvis renal. Al afectar estas alteraciones directamente al parénquima renal, la definición de las mismas es de la mayor importancia desde el punto de vista clínico. Por ello hemos diseñado un estudio experimental para determinar las alteraciones de la contractilidad pélvica en respuesta a la obstrucción parcial y completa de la UPJ.

Métodos: 15 conejos adultos hembra blancos de Nueva Zelanda fueron separados en tres grupos de 5 según el grado de obstrucción unilateral de la UPG: grupo I, operación simulada, que sirvió como control. Grupo II, obstrucción parcial de la UPJ. Grupo III, obstrucción completa de la UPJ. Los animales de los grupos I y II se sacrificaron a las 3 semanas y los del grupo III a las 2 semanas. Se obtuvieron tiras musculares de la pelvis renal y se registró isométricamente la actividad mecánica espontánea y las respuestas contráctiles a fenilefrina (PE), serotonina (5-HT) y KCl para compararlas entre grupos.

Resultados: Tanto la frecuencia como la amplitud de las contracciones mecánicas espontáneas estaban significativamente aumentadas en la obstrucción parcial y completa de la UPJ. PE y 5-HT indujeron contracciones tónicas que eran más evidentes en los grupos con obstrucción parcial y completa que en los controles. PE y 5 HT también aumentaron la frecuencia de las contracciones espontáneas en los grupos con obstrucción parcial y completa. El KCl indujo contracciones tónicas duraderas en los músculos del grupo control. La duración de la contracción hasta alcanzar la amplitud máxima estaba acortada en los grupos obstruídos y la amplitud de las contracciones estaba significativamente aumentada en comparación con los controles.

Conclusión: La obstrucción de la UPJ altera las propiedades contráctiles del músculo liso de la pelvis renal. La mayor frecuencia de la actividad mecánica espontánea sugiere que las células marcapaso de la pelvis renal cambien su actividad en respuesta a la obstrucción de la UPJ. El aumento de la amplitud de las contracciones tónicas en respuesta a PE y 5-HT sugiere que hay una sensibilidad aumentada del músculo liso a estos agentes. La potenciación de la respuesta contráctil al KCl sugiere que hay cambios adaptativos a nivel de la excitación-contracción en el músculo liso de la pelvis renal tras la obstrucción de la UPJ.

Zusammenfassung

Zielsetzung: Eine Ureterabgangsstenose verursacht kompensatorische Veränderungen im Nierenbecken und Veränderungen der Nierenbeckenkontraktilität. Da diese Veränderungen in direktem Zusammenhang mit Nierenschäden stehen, sollten diese Veränderungen möglichst genau erkannt und definiert werden. Aus diesem Grunde wurde eine experimentelle Studie eingeleitet, um die Veränderungen der Nierenbeckenkontraktion nach teilweiser und kompletter Nierenbeckenabgangsstenose zu untersuchen.

Material und Methodik: 15 erwachsene weibliche Neuseeland-Kaninchen wurden in 3 Gruppen à 5 Kaninchen eingeteilt. Die Einteilung erfolgte entsprechend dem Grad der Nierenbeckenabgangsstenose. Gruppe 1: Kontrollgruppe, Gruppe 2: partielle Ureterabgangsstenose, Gruppe 3: vollständige Ureterabgangsobstruktion. Die Gruppen 1 und 2 wurden nach 3 Wochen, die Gruppe 3 nach 2 Wochen untersucht. Muskelstreifen des Nierenbeckens wurden entnommen und die mechanische Aktivität und Kontraktilität auf Phenylephrin (PE), Serotonin (5-HAT) und Kaliumchlorid (KCl) isometrisch in allen Gruppen untersucht.

Ergebnisse: Sowohl die Frequenz als auch die Amplitude spontaner Muskelkontraktionen waren signifikant bei der partiellen und kompletten Ureterabgangsstenose (Gruppen 2 und 3) erhöht (p < 0,05). Die Anwort auf Phenylephrin und Serotonin war ebenfalls kräftiger bei den partiellen und kompletten Abgangsstenosen im Vergleich zur Kontrollgruppe (p < 0,05). Phenylephrin und Serotonin erhöhten auch die Frequenz spontaner Kontraktionen bei der partiellen und kompletten Obstruktion. Kaliumchlorid führte zu andauernden tonischen Kontraktionen in der Kontrollgruppe. Die Dauer bis zum Erreichen einer maximalen Kontraktionsamplitude war in der Obstruktionsgruppe kürzer und die Amplitude der Kontraktion war signifikant kleiner als in der Kontrollgruppe.

Schlussfolgerungen: Ureterabgangsstenosen verändern die kontraktilen Eigenschaften der glatten Muskulatur des Nierenbeckens. Die erhöhte Frequenz spontaner mechanischer Aktivität legt nahe, dass die Schrittmacherzellen des Nierenbeckens auf die Ureterabgangsstenose reagieren. Erhöhte tonische Kontraktionsamplituden als Antwort auf Phenylephrin und Serotonin lassen die Vermutung zu, dass eine erhöhte Sensitivität der glatten Muskelzellen auf diese Agenzien eintritt. Die Potenzierung der mechanischen Antwort auf KCl-Zusatz lässt zusätzlich vermuten, dass adaptive Vorgänge in Hinblick auf Erregung und Kontraktion in den glatten Muskelzellen des Nierenbeckens nach Ureterabgangsstenose eintreten.

Key words

Ureteropelvic junction obstruction - pelvic contractility - phenylephrine - serotonin

Mots-clés

Obstruction de la jonction pyélo-urétérale - contraction du basinet - phényléphrine - sérotonine

Palabras clave

Obstrucción de la unión pielo-ureteral - contractilidad pélvica - fenilefrina - serotonina

Schlüsselwörter

Nierenbeckenabgangsstenose - Kontraktilität der glatten Nierenbeckenmuskulatur - Phenylephrin - Serotonin - Veränderungen der Schrittmacherzellen

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