Randall's 斑块（1）：草酸钙肾结石的发病机制和作用

REVIEW| VOLUME 69, ISSUE 8, P1313-1318, APRIL 02, 2006

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Randall's plaque: Pathogenesis and role in calcium oxalate nephrolithiasis

   此研究的目的是检验兰德尔斑块在肾脏独特的解剖部位发育并且它们的形成受特定结石形成病理生理学条件的假设。我们在经皮肾镜取石术中对特发性草酸钙 (CaOx)、肥胖肠旁路、透钙磷石 (BR) 和结石形成物 (SF) 的肾脏进行了术中乳头状活检。通过红外分析和光学和电子显微镜检查组织。分析揭示了每种 SF 类型的矿物质沉积和e 乳头状病理学的独特模式。CaOx SF 具有羟基磷灰石晶体，起始于 Henle 的细环。这些称为兰德尔斑块的沉积物，被认为是结石附着的场所。未发现肾小管损伤。肠旁路患者在内髓集合管 (IMCD) 中存在腔内磷灰石沉积物，并伴有相关的细胞损伤。BR SF 显示出严重的皮质和髓质变化，Randall 斑块部位，以及 IMCD 中的腔内黄色磷灰石沉积物。Cystine SF 在 IMCD 和 Henle 环中用胱氨酸晶体和磷灰石沉积物堵塞 Bellini 导管。晶体沉积的管内部位总是与间质纤维化的相邻区域有关。四个不同组的 SF 的代谢、解剖和外科病理学发现清楚地表明，“结石患者的肾乳头组织学，有其特殊性”。

一、特发性草酸钙结石与斑块

       除了家族性（所谓的特发性）高钙尿症 (IH) 之外，形成草酸钙 (CaOx) 的肾结石患者，并无任何全身性疾病，代表最常见的肾结石患者类型，通常被称为“特发性草酸钙 SF”（ICSF）。正是在这些患者中，对 Randall 斑块的研究导致了新的发现和合理的发病机制的开始，该机制将生理异常和特征性肾脏组织病理学与结石形成的临床表现联系起来。在排除全身性疾病中，包括原发性甲状旁腺功能亢进症、结节病、甲状腺功能亢进症、糖皮质激素过量、肾小管酸中毒 (RTA)、各种高草酸血症、结石中磷酸钙含量超过 50% 的患者、当然还有患有任何类型的非钙结石的患者。这些标准定义了该部分评价有效的表型。在此描述的致病因素是否与其他类型的结石形成剂 (SF) 密切相关，尚待检验。

(一) CaOx 结石在间质斑块上生长

       在 ICSF 中，发现许多结石附着 在肾乳头上（图 1a 和 b ）。附着点位于称为 Randall 斑块的白色沉积物上（图 1）。取出结石后，很容易看到下表面的斑块（图 1c 和 d）。在对 23 个 ICSF 中的 24 个肾脏进行的调查中，发现 100% 的病例中有斑块，48%（11 名患者）发现结石附着在斑块区域。这11人中，有49个乳头附有结石。在 24 个肾脏中，共检查了 172 个乳头，在 156 个 (91%) 上发现了斑块。

图 1 PNL 时用内窥镜获得的数码照片显示，一水草酸钙结石附着在两种不同的特发性 CaOx SF 的肾乳头上。( a ) 和 ( b )中的复合乳突显示了       称为 Randall 斑块（单箭头）的不规则白色尿路上皮下物质的位点，与两个小结石（星号）相关。许多结石附着在乳头尖端 ( c ) 和这些结石被移除后 ( d )，它们似乎已附着在 Randall 斑块部位（单箭头）。

       在经皮肾镜取石术 (PNL) 期间进行了观察。通过肾乳头进入肾脏内部，并且该乳头上附着的结石，可能很容易被手术本身移除，并且无法可靠地检查进入的乳头。需要 PNL 的患者是那些具有最大目标结石（通常在 2 厘米以上）的患者，这些大结石通常未附着。对于 ICSF 中附着的那些结石，迄今为止，附着在斑块上一直是不变的规则，无一例外。对于那些被发现没有附着的结石，并不能说明来源。来自结石形态的证据表明未附着结石的乳头状起源。这仍然是一个开放的调查领域。

       如果确实 CaOx 结石需要斑块来锚定它们并允许发展成临床相关的结石，我们应该预期患有更多结石的患者将有更高比例的乳突被斑块覆盖。情况确实如此（图 2a ）。即使在调整结石形成的年数之后，这种关系仍然成立（图 2b）。这种相关性并不能告诉我们斑块是否会促进结石，或者相反，但考虑到我们的组织病理学和总体发现，前者绝对是更合理的选择。

图 2 (a) 结石数量与对数转换后的平均斑块表面积。包含的非参数椭圆包括两个标准偏差。( b ) 结石数量与一般线性模型的多元回归方程，包括结石病持续时间和斑块表面。斑块时间得分=1.788+1.386×log 10 平均斑块表面积+0.082×时间。

（二） 间质斑块的特征

       最早和最少量的斑块沉积在 Henle 环的细支基底膜中（图 3a ）。此位置总是与斑块有关，并且是唯一可以单独发现斑块的位置。在许多区域，斑块在细环周围变得非常密集，并且似乎从环扩散到周围的间质空间（图 3b）。通常，如图所示，人们会发现斑块沿着乳头尖端向尿路上皮迁移。在小管或血管的内腔或上皮细胞内从未发现斑块；它独特地位于基底膜和间质中。因此，正如预期的那样，肾上皮细胞总是看起来正常，细胞间质也是如此。

图 3显示 Randall 斑块部位及其进展的组织学图像。

       ( a ) 光学显微镜观察到的 CaOx 患者乳头状组织中钙沉积的初始部位和大小，而 ( c ) 和 ( d ) 通过透射电子显微镜显示这些相同的结构。晶体材料的位点（箭头）首先出现在 Henle 薄环的基底膜中。单个沉积物小到 ( c ) 50 nm，并且 ( d ) 长成多层交替的密集环的球体。大量的结晶沉积物发生在 Henle 环周围并扩散到附近的间隙空间（b) 延伸到肾盂空间的尿路上皮内层。( e )单个沉积物在间质中积累，形成包裹在基质材料中的矿物岛 。( f )这些岛可以完全包围单个小管 。原始放大倍率，×900；( b )×500；( c ) × 25 000；( d ) × 70 000；( e ) × 13 000；( f ) × 10 000. 

       在基底膜内，斑块由单独的层压颗粒组成，其中晶体和有机基质区域以树环图案相互重叠（图 3c 和 d）。在间质中，颗粒融合形成有机海中晶体岛的合胞体（图 3e 和 f）。但没有发现没有有机层覆盖的晶体。这意味着 CaOx 结石不可能在斑块晶体本身上生长。相反，CaOx 必须生长在总是覆盖斑块晶体的有机材料上。

(三 ) 斑块与尿路上皮的关系

       不仅有机层介入 CaOx 和斑块晶体之间，还存在尿路上皮。手术中出现的无石斑块几乎总是被有光泽、完整的尿路上皮层覆盖。此外，尿路上皮层被包含多种糖胺聚糖的复杂糖蛋白混合物包被。

       这意味着 CaOx 必须以某种方式将自身定位到斑块区域，尽管至少有两个中间屏障，即尿路上皮及其有机涂层。这意味着一些复杂的生物学，可能由斑块诱导并影响尿路上皮，目前对此一无所知。从本质上讲，目前尚不清楚从斑块到结石斑块过渡的事件。

（四） 斑块晶体的性质

       使用高分辨率傅里叶变换红外显微光谱 (FTIR) 和电子衍射，斑块颗粒的晶体成分是磷灰石形式的磷酸钙 (CaP)。磷灰石似乎与骨骼中的磷灰石相同。鉴于磷灰石微粒在基底膜的 IV 型胶原和 I 型间质空间中形成，该过程最类似于骨形成的过程。这种类比是否会在新研究方面取得成果仍有待检验。可能是类似过程的一个例子是冠状动脉钙化，其中记录了细胞转化为成骨细胞特征。尽管可以在通过草酸盐负载诱导形成结石的动物组织中发现 CaOx 晶体，但该晶体从不存在于间质斑块中。事实上，到目前为止，在我们对一系列人类 SF 的研究中，我们从未在肾间质中发现 CaOx。

（五） 斑块基质的性质

       迄今为止，我们仅在基质成分中鉴定出骨桥蛋白（图 4a-c ）。骨桥蛋白似乎优先定位于基质-磷灰石晶体界面。鉴于众所周知的骨桥蛋白对钙晶体表面的亲和力，这并不奇怪。

       骨桥蛋白在斑块形成中的作用尚不清楚。骨桥蛋白可以抑制磷酸钙晶体的成核、生长和聚集，如果锚定在胶原蛋白或晶体表面，也可以作为新晶体的成核位点。显然，除了骨桥蛋白之外，有机基质中还有许多其他分子有待发现。这是潜在的新研究的一个重要领域。

图 4骨桥蛋白在 Henle 袢基底膜和髓质间质的免疫电镜下定位。

       ( a ) 高放大倍数 TEM 显示免疫金标记，表明在晶体材料和有机层的界面处发现的单晶内的骨桥蛋白定位。该粒子位于 Henle 环的基底膜中。（b和c）免疫金标记（箭头）骨桥蛋白在结晶沉积物中的定位，这些结晶沉积物合并形成间质斑块区域。原始放大倍率，（a）×50 000；( b ) × 35 000；( c ) × 14 000. 

（六）斑块形成机制

    使用来自 ICSF 和正常受试者的 24 小时尿液收集，斑块覆盖的乳头状表面分数随 24 小时尿钙排泄而变化，与尿量和 pH 值成反比（图 5 ）。广泛的尿钙排泄反映了大多数 ICSF 患有 IH 的事实。斑块与高钙尿症的相关性表明了一些常见的并且可能存在因果关系。IH 通常被认为是由组织维生素 D 反应增加引起的。血清 1,25-二羟基维生素 D 水平高于正常水平，肠道钙吸收也高于正常水平。因此，IH 和斑块之间的联系可能是通过增加从血液到尿液的钙运动或通过髓质和乳头状肾细胞的维生素 D 反应。由于迄今为止还没有人类斑块的动物模型，这方面的研究非常不完整。

图 5在 SF（实心圆圈）和非结石形成对照受试者（空心圆圈）中，每个乳突的斑块覆盖率与尿量（左上图）成反比。斑块覆盖率随尿钙排泄（中上图）而变化，与尿 pH 值成反比（右上图）。使用尿量和钙排泄（左下图）和包括尿液 pH 值（右下图）的复合多变量评分与斑块覆盖率密切相关。

       鉴于斑块形成于 Henle 的细环中，人们对它的丰度随着水吸收的变化（减少），而增加并不感到惊讶。水保存和斑块之间联系的明显候选者是间隙钙浓度，甚至是渗透压本身。这是一个尚未探索的研究领域。在产生酸性尿液时，内髓上皮细胞可同时增加间质液的 pH 值。由于磷灰石晶体优先在碱性介质中形成，这可能解释了尿液 pH 值和斑块丰度之间的联系。在获得斑块的动物模型之前，这件事不能被充分探索。

（七）CaOx SF 与肥胖旁路手术缺乏斑块

       CaOx SF发病机制的一个线索是肥胖旁路手术这种类型患者的 SF 中没有斑块。他们的尿液是酸性的。但他们的尿量很高，尿钙排泄率在正常范围内。尿草酸升高是他们结石的推定原因，并且在任何乳头上都没有观察到附着的结石。这种模式支持这样一种观点，即高钙尿或 IH 本身，或者可能是尿渗透浓度，比酸性尿 pH 值对斑块形成更重要。有趣的是，这些患者在其内部髓质集合管 (IMCD) 中形成管内晶体肿块（图 6a 和 b ）。IMCD 细胞在沉积区受损，周围间质发炎和纤维化。在 ICSF 中从未发现此类细胞损伤和间质反应。尽管结石是 CaOx，很少或没有 CaP，而且虽然尿液 pH 值很低，但这些 IMCD 沉积物是磷灰石。在这些患者中发现的平均尿液 pH 值为 5.57 时，磷灰石不稳定，这意味着局部肾小管的 pH 值必须与体相尿液的 pH 值不同。这些患者是一个有启发性的自然实验，并说明了在 CaOx SF 中可能遇到的病理范围。

图 6三种不同类型 SF， 在人类肾乳头组织中晶体沉积的内窥镜和组织学图像。

       ( a ) PNL 时视频记录的肠道旁路手术结石患者的肾乳头的例子。在这个乳头上没有发现明显的 Randall 斑块；相反，在贝里尼导管开口附近发现了几个结节状结构（箭头）。（b) 乳头状活检标本的低放大光学显微图像，也来自肠旁路结石形成者。晶体沉积仅在几个集合管的管腔中被发现，主要在贝里尼管（星号）。注意扩张的集合管（箭头），有铸造材料和充满晶体沉积物的集合管周围的纤维化区域。( c) 一个 BR 患者的j肾乳头的例子，在 PNL 时被录像。这个肾乳头显示了尿路上皮下方不规则的白色结晶沉积区域（箭头），这是为 CaOx 患者描述的。此外，BR 患者的乳头在 Bellini 导管开口处有黄色结晶沉积物（星号）。请注意，Bellini 导管的开口扩大，其中充满结晶物质（星号），被视为乳头上的凹陷或“凹坑”。沿着该乳头的一侧可以看到一个大凹坑（箭头），并且似乎与贝里尼导管无关。( d) 来自 BR 患者的乳头状活检标本的低倍光学显微图像，显示 IMCD 内有大量 Yasue 阳性物质（箭头）。可以看到这种结晶材料从贝里尼导管（星号）的开口处突出。此外，正如我们之前对 CaOx SF 所描述的那样，在围绕 Henle 细环（双箭头）的肾乳头间质中可以看到 Yasue 阳性物质。( e) PNL 时通过内窥镜检查胱氨酸结石形成者的乳头状形态。来自胱氨酸 SF 的乳头从正常变为扁平，Bellini 导管开口大大扩大，结晶材料突出（双箭头）。注意到小部位的尿路上皮下白色斑块（未显示），称为兰德尔斑块。( e ) 中的插图显示了 Bellini 导管末端的胱氨酸栓。胱氨酸患者的乳头状组织病理学变化从正常到 IMCD 堵塞、扩张和损伤区域（箭头，f）。在 Henle 的细环（f）中注意到带有晶体的管腔内堵塞。原始放大倍率，（b）×90；( d )×100；(f ) × 150. 面板 ( a和b)

(八)Brushite SF斑块

       与 ICSF 一样，Brushite (BR) SF 有 IH，并且也有斑块。结石附着在肾乳头上，但作为长在 IMCD 和贝里尼导管 (BD) 磷灰石栓的管腔的延伸，而不是间质斑块上的过度生长。Randall 描述了这些 IMCD 和 BD 栓塞。作为他的 2 型斑块形式，呈现为黄色细长、明显的尿路上皮下沉积物，很容易与白色间质斑块及其模糊的蛇纹状边界区分开来（图 6c 和 d）。与旁路 SF 一样，BR SF 在 IMCD 沉积区域有细胞损伤和间质反应（图 6c 和 d），但过程要严重得多。大体乳头形态异常，伴有回缩和凹陷畸形（图 6c）。受累的 IMCD 大量扩张，伴有广泛的细胞坏死和基底膜剥落。虽然结石是 BR（磷酸氢钙），但沉积物是磷灰石，一种完全不同的晶体。我们没有观察到附着在间质斑块区域的结石。在某种程度上，这可能反映出大量 BR 结石会干扰对微小附着结石的检测。同样，肾乳突的畸形会影响观察这些结石的能力。 BR SF 通常以 CaOx SF 开始，因为许多患者最初会形成此类结石，而 BR SF 的 IH 与 CaOx SF 一样频繁。结石中 CaP 患者与仅 CaOx 患者的区别主要在于较高的尿液 pH 值。由于 IH 和可能有效的节水作用，BR SF 在产生 CaOx 结石时可能会形成斑块。随着他们尿液 pH 值的升高，由于我们尚不知道的原因，CaP 成为主要的结石矿物质，而附着在间质斑块上的结石变得非常罕见，以至于我们尚未能够记录它们。另一种说法是 IH 会导致 BR SF 中的斑块形成，但 BR 结石根本不会像 CaOx 结石那样在斑f块上形成。很明显，BR SF 与肥胖旁路手术 SF 一样，提供了独特的研究机会。

(九 )胱氨酸 SF 和非结石形成对象中的斑块

胱氨酸尿症患者形成胱氨酸结石。他们的乳头活检显示 BD 被大量胱氨酸晶体堵塞（图 6e）。这是预期的，因为 BD 含有相同的最终尿液，可以清楚地产生胱氨酸晶体和结石。出乎意料的是，它们在它们的 IMCD 甚至它们的亨利细环中形成了磷灰石沉积物（图 6f）。造成磷灰石沉积的机制可能包括处理胱氨酸结石时的碱负荷，或胱氨酸的 BD 塞阻塞 IMCD，从而导致允许磷灰石结晶的酸化缺陷。间质斑块存在于非结石形成人群中的丰富度。胱氨酸结石附着在 BD 胱氨酸沉积物上，并且在肾盂中也经常游离。它们不附着在少量的斑块上。

（十）目前的综合尝试

      不知何故，也许是因为 IH，斑块在尿路上皮下形成并迁移。IH 肯定会增加尿液结晶潜力并促进 CaOx 过度生长以产生常规 ICSF 患者。在其中一些患者中，IMCD 管腔 pH 值增加，并允许来自 IH 和水提取的高钙浓度在磷灰石晶体的形成中表现出来，从而损害细胞。这种增加的机制可能包括：结石反复梗阻，甚至是轻度慢性尿路梗阻，长期使用碱如钾盐或钙盐，体外冲击波碎石术造成的肾损伤，以及即使是最微小的 CaOx 晶体也无法产生的初始形成任何临床表现，但可能攻击顶端细胞膜和 pH 调节紊乱。这种机制可能会在旁路手术患者的 IMCD 中产生磷灰石沉积物。同样，胱氨酸晶体对顶膜的攻击，或必要的广泛使用钾碱来控制胱氨酸溶解度，可能导致在此类患者中发现 IMCD 磷灰石沉积物。在胱氨酸尿症和正常受试者中形成斑块的事实表明，即使通过肾单位的正常钙运动量也足以产生斑块。也许当尿量习惯性地减少时，它会在更大程度上得到培养。Randall 在未经选择的尸检病例中发现了肾脏内的斑块，其中大多数不是 SF。胱氨酸尿症和正常人的例子远离了 IH 的特殊影响，而将斑块作为正常肾脏矿物质处理的一部分，由于钙通过肾单位的高速率运动，而在 SF 中被夸大了。事实上，一些 ICSF 有相对正常的尿钙（图 5）和相应的低斑块丰度。由于缺乏动物模型，必须满足于从患者身上学到的东西。在我们所知道的公认的狭窄范围内，至少有一种治疗方法具有减少斑块形成的巨大潜力。随着尿量的增加，斑块表面积下降，这种治疗没有明显的缺点或风险。降低尿钙的噻嗪类药物是否会降低斑块丰度还很难预测。因此，作为临床医生，我们站在我们最新研究的有利位置上认可，我们的前辈早在我们之前就认可它是治疗几乎所有结石患者的稳定基础。

（十一）当代动物模型的局限性

在整个过程中，一直在暗示缺乏用于研究斑块的动物模型。尽管在啮齿动物中至少有八种高钙尿症模型。通过近亲繁殖，已经建立了一种大鼠品系，其尿钙含量比正常水平高出 10 倍。尽管大鼠是人类 IH 的近似模拟物，由高维生素 D 受体表达驱动，并且根据饮食产生 CaP 和 CaOx 结石，并且在这种方式上与人类 SF 非常相似，但它们不会产生斑块，也不会形成附着的肾结石。已知肥胖和糖尿病的 ob/ob 小鼠模型含有 1,25-维生素 D 过量，这被归咎于瘦素缺乏。尽管有高钙尿症，但没有发现斑块和结石。共有三种登特病小鼠模型，其中一个是持续高钙尿症，高钙尿症归因于高 1,25 维生素 D 水平。在这些小鼠中没有描述斑块。对已发表数据的检查显示髓质集合管中的管内沉积物伴有管周间质纤维化。用柠檬酸盐处理可减少这些变化。在近端小管细胞中，微小的钙沉积物似乎跟随基底外侧折叠。已经在 klotho 基因敲除小鼠中描述了由于高 1,25 维生素 D 水平引起的高钙尿症。

    尽管有明显的高钙尿症和高钙血症，但未发现斑块。作者报告了肾脏中钙的沉积。发布的图片不允许我们对本地化进行独立评估。高钙尿症发生在 TRPV5 基因敲除的小鼠身上，但没有提到肾钙化。敲除磷酸钠协同转运蛋白 NaPi IIa 的小鼠会出现肾磷酸盐消耗、高钙尿症、高钙血症、1,25 维生素 D 水平升高和肾钙化。钙化在整个肾单位的管内，但没有发现斑块。Cav1 敲除的小鼠模型出现高钙尿症和尿路结石，但没有肾钙化。敲除醛糖还原酶会导致高钙尿症，但没有关于肾钙化的描述。最近，已经描述了一种小鼠 NHERF-1 敲除模型，其尿钙排泄增加和 1,25 维生素 D 水平升高。这些小鼠的肾乳头中存在钙化，但需要进一步研究以确定这些钙化是否类似于人类 SF 中看到的斑块。由完善的实验室研究的这一大型高钙尿动物小组表明，斑块形成可能是一个非常特殊的事件，不一定是人类独有的，但不仅仅依赖于高钙尿症。可能是这些动物的水吸收保护不完善；高钙尿大鼠被描述为多尿症，醛糖还原酶敲除小鼠、CLC5敲除小鼠和TRPV5敲除小鼠也是如此。或者，斑块形成可能需要比迄今为止描述的啮齿动物实验中可用的更多时间。