Vielseitige Wirkung und Nutzung von Stoßwellen in der Medizin

Stoßwellen entstehen in der Natur bei jedem Gewitter. Sie entwickeln ihre zertrümmernde Wirkung, wenn ein Überschallflugzeug die Schallmauer durchbricht. Diese zerstörerische Kraft hat den Stoßwellen dazu verholfen, zum ersten Mal in der Medizin nutzbringend eingesetzt zu werden: zum Zertrümmern von Nierensteinen (Abb. 1). Der Durchbruch, die erste humane Anwendung, fand Anfang 1980 statt. Die extrakorporale Stoßwellen-Lithotripsie, ESWL, war geboren.

Abb.1: Zertrümmern eines Kunststeines durch die Stoßwellen

Die Stoßwellen sind, wie der bereits wesentlich länger in der Medizin genutzte Ultraschall, ein akustisches Phänomen. Ein wichtiger Unterschied besteht darin, dass es sich nicht wie beim Ultraschall um einen kontinuierlichen Wellenzug, sondern um zum Teil sehr intensive und kurze Pulse handelt (Abb. 2). Im Gegensatz zum therapeutischen Ultraschall entfalten Stoßwellen keine thermische, sondern eine rein mechanische Wirkung. Seit der ersten Nierensteinzertrümmerung wurde eine Vielfalt von biologischen Wirkungen der Stoßwellen entdeckt, wissenschaftlich untersucht und deren vielseitige Nutzbarkeit erschlossen. Trotzdem sind noch viele Zusammenhänge nicht allumfänglich geklärt. Neben der Lithotripsie haben sich inzwischen zahlreiche neue medizinische Anwendungen entwickelt, einige davon, wie zum Beispiel die Pseudoarthrosen- oder Schmerzbehandlung, gehören inzwischen ebenfalls zum medizinischen Alltag.

Abb. 2: Ultraschall und Stoßwellen

In der Medizin werden Stoßwellen meistens in einer extrakorporalen Quelle erzeugt und verlustarm mittels eines Koppelmediums (Wasser) in den Körper geleitet und in der Regel auf die zu behandelnde Region fokussiert. Wenn sie dabei Grenzflächen zwischen Stoffen mit stark unterschiedlichen akustischen Eigenschaften passieren, wie es bei einem Nierenstein und dem ihn umgebenden Gewebe bzw. Flüssigkeit der Fall ist, wird mechanische Energie freigesetzt, die zu deren Zertrümmerung führt.

Abb.3:Spektrum in der Medizin genutzter Stoßwellen

Ein weiterer Effekt, der zu der zertrümmernden Wirkung der Stoßwellen beiträgt, ist die Kavitation. Dabei wird das in der Flüssigkeit gelöste Gas zum Ausgasen gebracht. Es formen sich feine Bläschen, die innerhalb von Millisekunden expandieren und bei ihrem anschließenden Kollaps ebenfalls zertrümmernde Wirkung entfalten. Zunächst hatte man nach weiteren Indikationen gesucht, bei denen man annahm, dass die zertrümmernde Wirkung der Stoßwellen ebenfalls nutzbringend eingesetzt werden könnte: Zertrümmern von Schmerzen verursachenden Kalkdepots in Sehnenansätzen in der Schulter und an der Ferse, oder das Erzeugen von Mikroläsionen bei nicht heilenden Knochenbrüchen, die den Heilprozess in Gang setzten würden. In beiden Fällen war man erfolgreich, aber wie sich später bei genauerer Beobachtung gezeigt hat, nicht wegen der zertrümmernden, sondern hauptsächlich wegen der stimulierenden Wirkung. Dabei hat man festgestellt, dass für diese stimulierende Wirkung wesentlich niedrigere Stoßwellenenergien ausreichend sind (Abb. 3). Bei diesen niedrigen Intensitäten gibt es praktisch keine nennenswerten Nebenwirkungen. Es konnte beobachtet werden, dass durch die Stoßwellen die lokale Durchblutung, die Mikrozirkulation und der Zellmetabolismus angeregt werden. Dies wird einerseits durch die vergrößerte Permeabilität der Zellmembran und andererseits durch das Freisetzten von Stickstoffmonoxyd, einem wichtigen Botenstoff, der Vasodilatation verursacht, bewirkt. Er löst zusätzlich die Freisetzung von zahlreichen Wachstumsfaktoren aus und hat auch eine entzündungshemmende Wirkung. So ist zum Beispiel der Knochenwachstumsfaktor neben dem erhöhten Metabolismus und der verbesserten Durchblutung für die erfolgreiche Behandlung von Pseudoarthrosen entscheidend. Die Behandlung der kalzifizierten Sehnenansätze führte zu einer ganz neuen und inzwischen etablierten Methode der Stoßwellen-Schmerzbehandlung. Dabei wurden weitere Effekte beobachtet, wie die Freisetzung der Substanz R, einem wichtigen Neurotransmitter, Reduktion der Schmerz auslösenden unmyelinisierten Nervenfasern, oder die Deaktivierung von Muskel-Triggerpunkten, die zum Verständnis der schmerzlindernden Wirkung der Stoßwellen beitragen. Pseudoarthrosen und schlecht heilende Knochenbrüche werden häufig von noch nicht verheilten Wunden begleitet. Interessanter Weise konnte man beobachten, dass diese Wunden, die sich im Feld der Stoßwellen befanden, besser und schneller heilten. Neben den bereits oben aufgeführten Effekten spielt hier die durch die Stoßwellen angeregte Blutgefäßneubildung eine  Rolle. Sie wird im Wesentlichen durch die Freisetzung des Gefäßwachstumsfaktors, VEGF, bewirkt. Die Gefäßneubildung spielt auch bei einer anderen Indikation eine Rolle: Behandlung von ischämischen Regionen des Herzmuskels.

Schließlich, um auch die neuesten Stoßwelleneffekte zu erwähnen, konnte inzwischen in zahlreichen Untersuchungen nachgewiesen werden, dass die Stoßwellen die Expression, Proliferation und Differenzierung von Stammzellen beeinflussen. Dieser Mechanismus spielt wahrscheinlich bei vielen der oben beschriebenen Behandlungen auch eine nicht unwichtige Rolle.