结石形成的化学过程

  结石形成的化学过程

    现今有多种关于肾结石形成的模型学说;其中两类通常术语是“游离颗粒学说”（晶体在管中形成' Randall’s 栓塞'）和'固定颗粒学说'（结石生长 Randall’s 斑上;图1）。虽然这些模型涵盖了可能的假设模型，即结石形成的开始，但仍然没有一个模型可以合理化解释所有结石患者的成石- 可能是多种因素作用的结果。无论模型如何，成核和晶体生长的化学过程对于所有结石的引发和发展都是必不可少的。结石的形成是由影响热力学驱动力（过饱和）的因素的异常组合和涉及各种成石矿物结晶的动力学（速率控制）过程引起的。两个阶段的主要热力学驱动力是流体的过饱和度。无论这是在细胞内还是在细胞外发生，均适用于结晶化学定律。

1．晶体成核

   成核（其中分散在溶剂中的溶质分子开始聚集）是结晶的第一阶段，并且可以均匀或不均匀地发生。均相成核需要相对于有关矿物的高度过饱和度;在体外，这通常在不含颗粒物质的纯溶液中和化学惰性的容器中进行。相比之下，异质成核是尿液中晶体起始发生的更可能的机制。该过程可以在由蛋白质，其他有机聚合物或另一种矿物的晶体组成的颗粒存在下发生，并且包含在细胞表面具有化学活性的细胞内。与晶体引发的均相成核相比，异相成核需要较低水平的过饱和度。

2．过度饱和

   估计每种结石形成矿物质的尿液过饱和度，可能需要测量15种尿液成分，包括排尿前或排尿后，其中包括可能已经沉淀的任何晶体。使用迭代离子形态程序，这些数据可用于计算在这些尿成分之间形成的各种可溶性复合物的浓度，尿的离子强度和所涉及的所有离子的活度系数。根据这些信息，可以计算尿液相对于有关矿物的相对过饱和度（RSS）;如果尿液中所有潜在的结晶物质都保留在溶液中，这就是理论上的RSS。

    发生成核的RSS水平被称为有关矿物的形成产物;它不是固定的热力学常数，而是涵盖一系列过饱和值，在这些值内可以出现晶体成核的开始。这些值取决于几个因素。首先，孵化时间长短会影响RSS。给定的过饱和溶液放置的时间越长，沉淀晶体的可能性就越大。初始RSS越高，成核时间越短。低初始水平的RSS，通常需要在成核之前需要更长的孵育时间，这在考虑在肾脏形成尿液的短时间内，发生晶体成核的可能性时很重要。影响RSS值的第二个因素是尿液中可能存在成核抑制剂，这可能通过“中毒”新生晶体上的活跃生长位点来延缓该过程。关于钙盐成核抑制剂作用的大多数研究，均是使用相对较长时间（24-72小时）和较低的RSS水平进行，这些不能反映肾脏真实的情况。然而，已经证明许多这些推测的抑制剂在模拟尿液结晶的条件下（即，高RSS水平和短孵育（3-4分钟））对钙盐的成核几乎没有影响。进一步说，抑制剂在管状流体中钙盐的RSS情况下，通常需要超过3-4分钟的时间，才能形成产物。因此，成核抑制剂在防止含钙结石中起作用的概念是值得怀疑的，因为它们的作用可能被高环境水平的过饱和所淹没。

3.晶体生长和结块

  一旦在肾脏内部形成晶核，暴露于尿液,就能使结石通过结壳生长。有两种基本途径（游离颗粒学说和固定颗粒学说机制）用于建立结石成核的假设，这两种途径都可以在任何成石过程中起作用，尽管来自特发性结石形成的结石通常附着在 Randall’s 斑上。在游离颗粒学说机制中，晶体在肾小管的尿液内成核，生长和聚集。一旦晶体聚集形成大颗粒，由于结石体积生长的过大，而不能通过管腔，它们自身附着到管状上皮而保留在肾内。在高过饱和度的情况下，晶体沉积物阻塞集合管，形成Randall的2型病变或栓塞，其突出到肾盂中并暴露于肾盂尿液中。一旦管状开口被阻塞，淤滞可促进结石栓子后面的小结石的形成。类似地，肾盏中的未附着的结石也可以通过自由颗粒机制形成。

对游离颗粒学说机制的支持来自动物模型和组织培养研究。实验诱导的高草酸尿症或高钙尿症导致肾脏管腔内尿液过饱和度增加和CaOx或CaP晶体形成。晶体被保留在尿流受阻的部位，或者变窄的细管，如近端小管与Henle环交界处或者在肾小管弯曲的乳头状基部处。有趣的是，集合管的开口是狭缝状的，比管道的管腔直径窄，这阻碍了尿液通过，并可能堵塞导管。晶体保留也是通过附着于肾上皮以及基底膜来实现的，基底膜已经通过上皮脱落而暴露。

    这种机制可能涉及磷灰石，透钙磷石和胱氨酸结石的形成，以及与减肥手术后原发性高草酸尿和高草酸尿相关的CaOx结石。对于透钙磷石和高草酸尿结石的CaOx石患者，上皮损伤和脱落是常见的。栓塞子充当未来晶体沉积和结石生长的起源，并且可以具有相同或不同的晶体组成。结石形成的另外一方面机制是固定颗粒机制，其中结石形成附着在乳头表面上的钙化斑块上。称为Randall斑，Randall斑块始于CaP晶体形成和其在肾间质中的沉积。大量的特发性CaOx结石形成于Randall的斑块上。包含斑块的CaP沉积物似乎从肾间质深处开始，在Henle环的基底膜中，或者与集合管和直血管相关（直血管平行于Henle环）。Haggitt和Pitcock检查了100个随机选择的尸体的肾脏，并对选定的标本进行了光学显微镜和透射电子显微镜（TEM）。他们在间质中发现茜素红阳性（钙染色）层状球晶晶体，经TEM仔细检查后发现，它们与间质中的胶原纤维以及集合管的基底膜有关。此外，Cooke及其同事研究了62例正常肾脏，发现4例钙化，所有这些都发生在Henle环的基底膜上并延伸到髓质间质中。还涉及一些集合管和血管。

   由Stoller等人对尸体肾脏进行高分辨率X线摄影。他们报告说，57％的肾脏有上皮下Randall's斑块，这些斑块在乳头深处延伸，并与集合管和直血管密切相关。此外，研究者识别出von Kossa阳性（CaP染色）球形CaP沉积物散布在间质以及集合管和血管周围。Evan等检查了患有各种原因的患者的肾乳头形成结石。他们得出结论，所有特发性钙结石均附着于上皮下Randall's斑块，并证实了Cooke等人早期对Henle环基底膜参与Randall斑块发育的观察。已经在这些间质斑中鉴定出了骨桥蛋白，α-α重链抑制剂，和胶原蛋白。有趣的是，所有Randall's斑块都没有发育成结石 ，另外在非结石形成者的肾脏中也发现了斑块。

    Evan等人[96,114]进一步假设沉积物从Henle环的基底膜迁移到周围的间质中并与1型胶原结合，融合成同源物，其中矿物岛“漂浮”在有机“海洋”中。斑块的显微镜和分析研究表明，间质CaP沉积与细胞降解产物，膜结合囊泡，一些未鉴定的原纤维材料和胶原纤维密切相关。一些囊泡含有针状晶体，可能是CaP。因此，已经提出晶体形成开始于膜结合的囊泡中，通过胶原蛋白的矿化传播，导致矿化“前部”向肾乳头的上皮下运动和Randall's斑块的发展。因此，对Randall's斑的起动始存在不同意见。它是从Henle环，直小血管或集合管的基底膜开始，还是仅仅从间质向外生长的膜下开始，并且在此过程中涉及肾乳头的所有成分？引起Randall's斑形成的原因尚不清楚。有人提出，Randall's斑的形成可能类似于血管钙化。

    游离颗粒学说和固定颗粒学说机制之间的关键差异之一是初始病灶的位置。Randall's栓塞子（游离颗粒）是管状沉积物通常由CaP组成， 持续暴露于尿液并相应地生长。相反，Randall的斑块（固定颗粒）是上皮下沉积物，其必须在结晶物质暴露于尿液以进一步生长之前使其表面破裂。这种破坏可能发生在基质金属蛋白酶的参与和/或由于生长斑块的剪切力。磷灰石是斑块的主要成分，而栓塞子可以由任何可以沉淀到过饱和尿液中的固体制成。然而，栓塞子和斑块都覆盖有有机基质，如前所述，肾上皮细胞暴露于晶体沉积，可以产生大分子。肾盂尿通常相对于CaOx是亚稳定的，并且将支持CaOx的异质成核和生长。动物模型和组织培养研究表明，上皮细胞连续暴露于晶体导致产生大量大分子。这些分子随着尿液向下移动，并且当粘附于晶体聚集体时，促进进一步的结晶和结石生长。在斑块或栓塞上形成和生长CaOx晶体，最终将导致附着于肾乳头头端的钙化石的形成。CaP本身也是CaOx的良好成核剂，并且已经显示通过溶解和重结晶将其自身转化为CaOx。因此，结石形成是一系列事件的最终产物。

4．晶体生长速度

特定矿物的晶体生长速率主要取决于其在尿液中的RSS水平，但也可能受某些结晶改性剂的影响。已经显示一些改性剂在体外延迟钙盐晶体的生长和/或附聚速率。这些改性剂包括镁，柠檬酸盐，焦磷酸盐，ADP，ATP，磷酸肽，各种糖胺聚糖，非聚合T-H蛋白（尿调节素），肾钙蛋白，骨桥蛋白，钙粒蛋白，α1-微球蛋白，β2-微球蛋白，UPFT1和α间抑制剂（bikunin轻链）。然而，在一些结石形成患者中发现柠檬酸盐和镁的排泄量低于非结石患者。若促进钙盐的结晶。它们被称为结晶促进剂，它们包括基质物质A，各种未表征的尿蛋白和糖蛋白以及Tamm-Horsfall蛋白（尿粘蛋白）的聚合形式。到目前为止，还没有证明结石患者排出过量的这些大分子，但一些研究人员仍然认为它们可能在许多结石的生长阶段发挥作用，并继续研究它们在促进结宝发育中的可能性作用。