Jack石(Jackstone​):闻所未闻的尿结石

2021
07/13

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医学镜界
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Human jackstone arms show a protein-rich, X-ray lucent core, suggesting that proteins drive their rapid and linear growth

     Jack石( jackstone)被确定为从结石的主体中伸出的突起。一个多世纪前首次描述了具有从结石主体伸出的独特的手臂样 jack石,但很少有人研究这种结石的形态。jack石有其特定的病因。有了腔镜技术后,人们发现 jack石并不罕见,其中心体含有细长的突起(刺或突起)。早在 1860 年就在膀胱结石中报道了这些 [1],但在这种情况下,“刺”显然不含草酸钙 (CaOx)。后来 1895 年的一份报告描述了从肾脏或膀胱中提取的 CaOx 结石,这些结石具有不同数量的尖锐刺突或棘刺 [2]。随后发表的关于jack石的出版物主要包括病例报告 [3,4,5,6]。

       据我们所知,还没有报告提供对 jack石的详细分析或试图解释其特殊生长和形态的假设。在这里,我们报告了对来自 50 个人类石头标本的 98 个jack石的观察结果。我们使用非破坏性微型计算机断层扫描 (micro CT) 和红外光谱 (IR) 报告了这些石头中的主要矿物成分,并突出了有关jack石核心的新发现。本文旨在全面了解jack石的性质、它们的矿物和有机成分,并提出一个潜在的分子假说来解释它们的特殊形态。  我们使用微型计算机断层扫描 (micro CT) 和红外 (IR) 光谱检查了来自 50 个不同患者标本的 98 个jackstone。显微 CT 显示,jackstone 臂由每个臂内的 X 射线透明核心组成。这个 X 射线透明核心经常显示零星的薄层磷灰石横向排列在手臂的轴上。jackstones 的壳总是由草酸钙 (CaOx) 组成,并且与一水合物形成主要或唯一的矿物。


        显微CT对区域分层的研究表明,生长线从石头的主体延伸到臂上,并且壳层厚度往往随着与结石体的距离而变薄,表明臂的生长比结石体更快的径向速度。脱钙杰克斯通臂的组织学横截面显示核心比 CaOx 壳具有更高的自发荧光,免疫组织化学显示核心富含 Tamm-Horsfall 蛋白。我们假设富含蛋白质的核心可能会优先结合更多来自尿液的蛋白质并抵抗 CaOx 的沉积,因此臂以线性方式生长,并且比大部分结石生长速度更快。因此,该假设预测了核心中某些尿蛋白的富集,这一理论可以通过适当的分析进行检验。

          图1:Jack石 在其独特的手臂突起中具有射线可透的核心。在毫米 (mm) 纸上有一个手臂突出的代表性Jack石。B 显微 CT 切片显示结石的中心和顶臂的核心。结石的中心有一个 X 射线可透区域(深色),这可能表示富含蛋白质、矿物质贫乏的区域(白色星号)。这个黑暗区域被磷灰石层包围,然后让位于近乎纯的一水草酸钙 (COM),显微 CT 显示为浅灰色。臂的开始显然是用白色箭头标记的 X 射线可透区域(Arm genesis)。臂的核心(白色箭头)具有交替的暗区(富含蛋白质)和 X 射线亮线(磷灰石),并且通过红外光谱(FT-IR)验证了蛋白质的富集和磷灰石的存在结石的分层,在白色箭头指示的磷灰石层中看到,从结石主体移到顶臂上,表明臂的生长速度比结石主体快。这颗结宝是患者标本中 14 颗结石中的 1 颗,其中还包括另外 25 颗结石。请注意与臂相对的结石的平坦表面,这表明这块结石在生长时与其他结石相当紧密地堆积在一起。比例尺 = 1 mm


    图2:Jack石  在结石患者的肾盏中发现。肾盏中输尿管镜下Jack石视图;肾盏约1厘米宽。B 来自 A 的一个结石的臂的显微 CT 图像切片,显示了一个射线可透的核心(白色箭头)和微量的磷灰石痕迹(白色箭头),主要是一水草酸钙 (COM) 矿物。比例尺 = 500 µm  


      图3: 在机器人肾盂取石术中取出的非常大的肾结石。整个结石标本的显微照片。Jack石 大约 3 厘米宽;在肾脏的同一区域收集的较小的结石没有一个显示出Jack石 。B Jack石  的表面渲染,来自微型 CT(与 A 中的方向相比,向上旋转并稍微向左旋转以显示所有 5 个臂)。c 通过显微 CT 图像堆栈切片以显示其中一个顶臂的特征 。

      图4:  使用显微 CT 和荧光显微方法获得的Jack石  臂的横截面。在脱矿和沿着其虚拟横截面进行切片之前,Jack石  臂的微型 CT。比例尺 = 500 µm。B 最大投影图像显示了Jack石 臂横截面的自然荧光;与壳区域相比,核心区域会发出自发荧光。层的分解,特别是在壳中,显然是由于在去除矿物质时缺乏足够的蛋白质进行固定。手臂的核心显示出较少的塌陷,这也表明它具有比 COM 壳中更丰富的蛋白质含量。勾勒横截面轮廓的高度明亮的外部区域可能描绘了这些区域中较高的蛋白质含量,或者更有可能是边缘伪影。比例尺 = 200 µm  

     



  图5:免疫组织化学表明,Jack石 核心区域的 THP 含量比 COM 壳中的更丰富。人肾组织的阴性对照(A 和 C,比例尺 = 50 µm)和脱矿的 jackstone 横截面在没有 Tamm-Horsfall 蛋白 (THP) 抗体的情况下显示与二抗没有阳性反应。图 C 显示了人肾组织中 THP 的成功阳性对照,升肢为 THP 染成棕色(黑色箭头)。图 D 显示了Jack石突起(B、D,比例尺 = 100 µm)核心中的 THP 聚集(黑色箭头)。所有样品都用苏木精复染。请注意,免疫组织化学实验没有显示出内部和外部核心之间的区别,如图 4 所示 。

讨论     

     我们已经证明,Jack石臂突起由 X 射线透明核心组成,周围环绕着从石头主体向外延伸的经典 COM 层。本研究中包含的Jack石至少有一个长于宽的突起。    Jack石 的形状非常引人注目。臂通常与结石表面成直角从结石主体伸出。实现这种形状的一种方法是让整块石头在星形模板上生长。有了这个假设,Jack石形态的奥秘就可以通过带有臂的模板的初始形成来解释,也许来自尿蛋白的聚集。本研究中的观察结果不支持这一假设。虽然顶臂总是包含一个 X 射线可透材料的核心,但这个核心并没有延伸到结石的中心;相反,我们的结果表明,顶臂的 X 射线透明核心通常始于大量 X 射线透明材料沉积在典型形状的结石(新生的顶结石)的早期表面上,从而允许生长从顶开始。顶臂的径向增长由两个观察结果表明。首先,在显微 CT 清晰可见的结石中,结石体上的早期层通常仅在顶的一部分上是连续的。然后,在此之外的层将在顶臂上进一步连续。这种外观强烈表明顶臂的尖端以比结石主体更快的径向速度生长。类似地,顶臂上的区域的厚度(以及总臂直径)随着远离石体的长度而趋于减小,这也与臂的尖端比臂基部年轻是一致的。Jack石的臂总是伸直。这是一个了不起的观察;例如,图 3 中的肾结石肯定不会有无限的体积生长,即使在肾积水的肾脏内,而且与它一起收集的非结石显示出扁平的侧面,表明它们已被挤在一起。图 1 中的Jack石来自包括14 个Jack石 和25 个非Jack石 的样本,所有非Jack石都显示出扁平的侧面。这表明所有这些结石都被相当紧密地堆积在一起,但顶臂非常直,它们的定向生长显然不受四面八方紧密堆积的结石的影响。相反,图 2 中的肾结石被限制在一个正常大小的肾盏内,它的臂从结石体中笔直伸出,显然是单独形成的。这些观察结果提出了一种可能性,即基质的特定成分的沉积可能作为顶生长的起始位点。具有特定大分子吸附能力的蛋白质聚集体有可能优先结合新生Jack石晶体表面的某些区域 [17,18,19,20,21]。然而,在其他明显堆积在一起的结石中生长的结石与单独生长的结石之间的差异仍然未知。值得注意的是,对非Jack石的显微CT 研究通常没有显示射线可透的核心。此外,对发现的装有Jack石的非Jack石的红外研究证实了在所有情况下与Jack石中的主要矿物类型相同。臂比结石身长得快是怎么回事?我们的研究结果与假设一致,即顶的核心被矿物质层包围,允许仅在顶的尖端从尿液中添加新的有机物质(可能是蛋白质),并且添加了顶臂尖端的这种材料将推动其线性增长(图 6)。这种方向性的一个可能驱动因素可能是与其他结石或泌尿空间壁的物理磨损。如果大量蛋白质沉积在结石表面,然后涂上了一层薄薄的草酸钙,从矿物涂层块中去除矿物质的最有可能的地方将是距离最远的点。结石的体(即臂的尖端)。那么,这将是更多蛋白质与现有蛋白质质量结合的地方,将其尺寸从结石体延伸开。随后,添加另一层矿物质会使初始蛋白质块未磨损侧的矿物质变厚,同时使距离结石体最远的尖端最容易受到反复磨损损坏。通过这样的循环,尿液中的蛋白质优先结合现有的蛋白质核心——偶尔会磨损覆盖其尖端的薄矿物质——将使蛋白质核心远离结石体。


 图6:Jack石臂增长的假设。A 特定尿蛋白聚集体(绿色团块)最初沉积在一水草酸钙 (COM) 结石的表面。B 和 C 优先结合额外的尿蛋白聚集体允许在结石和蛋白质聚集体周围放置额外的和新生的 COM 层,允许臂生长和伸展。D 随着更多的尿蛋白沉积在突起上,更多的 COM 层被铺设,使臂以比结石体更快的速度生长

   我们的一些额外观察结果支持了顶臂的 X 射线透明核心的有机性质。IR 分析通常显示核心样品中的蛋白质水平比壳块更丰富(补充图 S3)。与致密 COM 层的外壳相比,臂脱矿组织切片的显微成像显示出强烈的荧光核心。与周围的 COM 层相比,核心的荧光与该区域中有机材料的富集一致。此外,使用 THP 的免疫组织化学研究显示出支持性结果(补充图 S4)。THP 是一种独特的糖蛋白,仅在肾脏中表达,特别是在厚壁升肢的远端肾小管细胞中表达 [22, 23]。对泌尿系结石的蛋白质组学研究还表明,粉状和 LMD 结石样本中含有丰富的 THP [9, 24, 25]。我们进行这部分研究只是为了分析非常丰富的尿液(和结石)蛋白质是否会显示出顶核和壳之间的任何差异分布。我们的结果表明,THP 在顶的射线可透核心中显示出比在富含矿物质的外壳中更大的信号。然而,我们的免疫组织化学实验无法测试 THP 是否相对于其他蛋白质富集,因此是我们研究中的一个不足。我们研究的另一个固有限制是,我们的大部分结石都是后续识别的。因此,我们无法提供关于源自膀胱或肾脏的结石数量的准确报告。然而,根据对已知肾Jack石 进行的分析并将它们与我们收集的其他人进行比较,我们无法检测到内部结构或成分的差异。

结论

   我们研究了大量的人类Jack石的臂,发现它们由 COM 组成,但顶的臂总是包含一个射线可透的核心,富含有机物质,显然是蛋白质。生长层的显微 CT 可视化显示,顶臂的径向生长速度比它们各自的身体更快,顶臂沿直线方向延伸。我们认为,在顶的核心中存在驱动这种特殊生长的蛋白质。发现这些蛋白质可以提供有关尿路结石一般如何增大的线索。




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关键词:
闻所未闻,尿结石,蛋白质,X射线,CT,显示

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