尿路结石的相位和微观结构研究

尿路结石的相位和微观结构研究

Phase and microstructural study of urinary stones

Microchemical Journal15 November 2019...

Highlights

•对尿路结石进行相位和形态学分析

•XRPD结果显示所有样品的相组成

•SEM结果显示所选样品的晶体生长和形成

•使用分析技术检查可能有助于医学研究的材料的重要性

     在本文中，我们介绍了塞尔维亚患者尿路结石的相位和形态学特征。该研究首次包括确定塞尔维亚男性和女性中相组成的和不同类型尿路结石存在的统计分析。研究的主要目标是首次表示收集的数据。过去三年来，从塞尔维亚病人身上采集了600多个样本。使用XRD分析研究了所有尿路结石样品的相组成。通过SEM-EDS分析确定一些特征样品中相的形态和化学组成。结果表明，有几种不同类型的尿路结石在矿物质成分，化学和形态上有所不同。结果表明，600块结石中有312片（52%）由草酸钙矿物（CaOx）组成：17.3%为纯草酸钙一水合物COM，4%为纯草酸钙二水合物COD;200例（33.3%）为CaOx和羟基磷灰石HA的混合物，19例（3.1%）为尿酸（尿酸盐）UA和尿酸二水合物UAD，17例（2.8%）为UA和CaOx的混合物，41例（6.8%）为CaP矿物质和CaOx的组合，11例（1.9%）为胱氨酸（Cy）结石。获得的数据显示了尿路结石类型的多样性。形态学，化学和XRPD分析为我们提供了统计数据，表明塞尔维亚患者最常见的尿路结石来自CaOx组，并且在大多数情况下与CaP有关。  尿路结石在人体内的发生非常普遍，尿路结石的形成是由某些尚未完全了解的过程引起的。本文包含的分析与尿路结石的形态和相组成有关，代表了了解塞尔维亚患者尿路结石发生和形态的可能性。由于材料量的限制，最适合测定尿路结石成分的方法是XRD。为了确认分析样品和结石形态，我们使用SEM和EDS分析。这些方法在晶体材料的分析中具有非常广泛的应用，并且在这种情况下可用于尿路结石的测定。

尿路结石病是工业化国家非常常见的医学问题，并且影响越来越多的人[1，2]。危险因素可以是：饮食，非饮食和可能导致尿路结石形成的尿路[3]。形成尿路结石的几个原因是：代谢紊乱、尿蛋白分泌增加、环境影响、文明因素和饮食习惯[4，5]。尿石症是西方世界的一种常见疾病，影响1-5%的人口，导致尿路疾病[2，[6]，[7]，[8]。高钙尿症、低枸橼尿症和尿路感染等疾病影响了活动性结石形成[9]。草酸钙（CaOx）结石在西欧国家人群中最为常见，与其他类型的结石相比约占70%[10]。CaOx有三种类型的结晶形式：草酸钙一水合物 - Whewellite（COM）是最常见的形式，草酸钙二水合物 - Weddelite（COD）的频率低两倍，草酸钙三水合物 - Caoxite相当罕见。请注意，对于辉绿岩宝石，存在与成岩因子相对应的各种形态学方面，并且已经提出了将辉绿岩宝石分为五种主要类型，即Ia，Ib，Ic，Id和Ie[11]，[12]，[13]，[14]，[15]。一些文献数据表明，尿蛋白在COM聚集中起主要作用[10，15，16]。这些研究解释了 COM 在尿路结石中的优势。COM和COD病理活性的差异与其晶面的粘附性有关[12，16]。由惠氏石（COM）制成的肾结石是由高草酸尿诱导的，而另一种结晶形式，即威德利石（COD）是由高钙尿症诱导的[17]。COD晶体的形成主要取决于高钙的存在2+草酸盐比值、离子强度、抗坏血酸（柠檬酸盐）和胶体CaP以及pH值≥6[6，12]。除了这些类型，还有其他类型的结石，如磷酸钙组（CaP）：羟基磷灰石 - HA（Ca5（采购订单4)3（OH））， 鸟粪石 – St （MgNH4采购订单4•6小时2O）， Brushite – Br （Ca （HPO4)2•2小时2O）和Whitlockite – Whl （Ca3（采购订单4)2).很少发生的结石是胱氨酸 - Cy（C6H12N2O4S2），尿酸（尿酸盐） - UA（C5H4N4O3）和尿酸二水合物 - UAD（C5H4N4O3•2小时2O） [7，[18]， [19]， [20]， [21]， [22]， [23]， [24]， [25]， [26]， [27]， [28]]]。研究的尿路结石类型的形成与文献资料吻合良好[6，16，29]。了解结石成分非常重要，例如，鸟粪石的存在表明感染[30]。更准确地说，不同的出版物清楚地表明，由尿素分裂细菌引起的尿路感染引起的结石由磷酸钙与鸟粪石混合而成，并表现出高CO32−内容，因为UA、COM和Cy结石很硬，因此对体外冲击波碎石术（ESWL）治疗的反应较差[31，32]。这种方法是用于结石碎裂的最常见方法[33]。该方法的有效性取决于结石的物理化学成分[11，[34]，[35]，[36]] 。尿路结石这些特征的分析通常采用以下方法：XRD、红外光谱、偏振显微镜和SEM[5，11，28，37，38]。本文的主要思想是论证材料科学和地质学各领域常用的方法和途径在具有生物起源的物质上的应用，属于生物结晶和医学领域。本研究首次报告了塞尔维亚人群中尿路结石的组成和形态的发现。XRD和SEM分析对于尿路结石的相位和形态组成的详细结果非常有用。这些数据与XRD结果相关，有助于患者进行全面和充分的药物治疗。

实验

在这项研究中，我们介绍了从年龄在15至65岁之间的两性收集的尿路结石样本的结果。分析样本是从塞尔维亚各地的医院收集的，收集了过去三年，在此期间收集了600个样本。尿路结石的直径从1毫米到几毫米不等。样品在酒精和蒸馏水中洗涤，以除去有机物并风干。X射线粉末衍射数据是在飞利浦PW 1710上收集的，使用CuKα。辐射。所有样品均在相同的实验条件下进行测试：40 KV/30 mA，10–50° 2θ，步长0.02°，计数时间为0.5 s。对于相位识别，我们使用JCPDS数据库和卡标准。以下带有晶体系统信息的JCPDS文件编号用于相鉴定：COD（Wheddelite）：17-0541，四方;COM （Whewellite）：77-1160， 单斜面;UA（尿酸盐）：28-2016， 单斜;HA（羟基磷灰石）：89-6440， 六方;Cy （胱氨酸）：37-1802， 六角形;Br （Brushite）：72-0713， 单斜;St （鸟粪石）：15-0762， 正交菱形;Whl （Whitlockite）：9-0169， 菱形面体.

对于SEM-EDS分析，选择了具有相组成不同的特征XRD模式的样品。使用连接到X-Max能量色散光谱仪的JEOL JSM-6610LV扫描电子显微镜进行SEM-EDS分析，以确定现相的形态和化学成分。使用BALTEC-SCD-005溅射镀膜装置用金覆盖样品，并在高真空条件下记录结果。

结果和讨论

所有收集的样本均在表（S1）中列出，该表显示了塞尔维亚人所有样本中矿物质成分和尿路结石的百分比。女性样本数量为274（45%），略低于男性326（54%）样本。肾结石和尿路结石是含有矿物质和有机相以及一些微量元素的生物材料[39，40]。化学成分的这种复杂性导致使用各种表征技术[41，42]。如前所述，尿路结石的相组成由XRD确定。在所有样品中，COM和COD的一半同时发生，因为单相和混合物中几乎有90%发生。

XRD分析表明，最常见的相来自CaOx和CaP矿物组。这些阶段通常与其他感染性结石（如UA、UAD和Cy）一起发生 [43，44]。上述相在所有样品中都表现出高度的结晶度。最常见相的XRD结果如图1所示。定义明确的窄峰意味着结晶良好且结构良好，这在图1a所示的COM和COD样品中观察到。COM和COD的结晶度约为68%。病理性UA还显示出尖锐而狭窄的峰，根据图1b所示的粉末衍射图，结晶度约为65%。在所有其他研究的样品中，基于XRD结果，磷酸盐相如Br，Whl和St具有良好的结构顺序，这与文献数据相关[30]。根据文献数据，CaP结石在女性中更常见，并反映了广泛的多样性和病因[45]。如果不发生向羟基磷灰石的转化，就会形成刷石，其中它被认为是羟基磷灰石形成的前体[46]。其他磷酸盐如HA更常被代表。HA的XRD显示低强度宽峰，结晶度约16%，表明结构排列低（图1c）。XRD分析显示，女性患者的HA结石表现出明显低于男性样品的结晶度。

图 1.所选样品的粉末图案;a） COD 和 COM，b） UA 和 c） HA。

SEM结果证实了病理性COM的高度结晶度，其由发达的板状晶体形式定义，尺寸在10μm和60μm之间（图2a）。晶体具有板状单斜棱柱形貌。矿物颗粒上的生长线显示晶体生长和石头形成的方向。COM晶体表面的条纹层表明它是由柱状并置片形成的 - 就像层在一起一样（图2b）。

图 2.COM的SEM图像;a） COM b） 片状晶体的 EDS 光谱 – 类似于粘合在一起的 COM 晶体层。

根据SEM显微照片，它确定了COD的经典晶体形状，即八面双锥体（图3a）。病理性COD四方双锥体晶体具有沿Z轴扁平和伸长的晶体形式，尺寸在10至50μm之间变化（图3b）。Tiselius等人解释了开发CaOx和CaP结石的过程[10]。患者体内普遍存在的不同条件导致更大或更小尺寸和阶数的晶体和聚集体的形成[45]。所分析的结石的晶体形态学显示了COM和COD的病理行为的差异（图2和3），这与其晶面的粘附特性有关。病理性COD形式是CaOx的热力学不稳定相，其转化为与水接触的稳定一水合物。

图 3.COD的SEM图像; a）八 - 面部双锥体和指示COD晶体的EDS分析b）沿 Z 轴扁平和细长的四方晶体形式 。

根据SEM结果，HA显然具有低结晶度，即它是无定形的（图4a和b）。HA病理石的球体的特征是无定形材料的胶合层。分析样品的形状和形态取决于这些矿物质在人体内形成的物理化学条件。高水平的病理性COM和COD晶型发育表明人体内有利的晶体生长条件。另一方面，病理性HA具有球形发生。HA的球体由无定形羟基磷灰石层组成（图4b）。从微观上看，这些层似乎是无定形的。它们由小球体组成，由粘合在一起的无定形材料组成。这种HA层最有可能在尿液中形成，作为CaOx沉积和形成的基础。HA结石的孔隙率表明它们比CaOx结石更容易通过ESWL方法破碎（图2和图3）。在样品中，HA很少单独发生，通常伴随其他相，如CaOx和St。

图 4.CaP的扫描电镜图像;a） CaP （HA） 球体与指示样品的 EDS 分析 b） HA 的无定形层。

根据SEM分析，观察到UA作为病理性矿物形成具有非常好的结构排列和发育良好且适当的棱柱形晶体尺寸30μm（图5a和b）。单斜晶平面上的线表示晶体生长的方向。UA晶体已经发展出不同晶型的克林诺匹纳克样体（0 l 0），正棱镜（h k 0）和负正血球（h¯ k l）（图 5b）。高度的晶体规律性表明人体内有利的结晶条件。这些类型的结石主要由尿酸（UAD）组成，尿酸（UAD）从水溶液中结晶并转化为无水盐。导致这种结石形成的因素是一线：尿量低，酸性尿和高尿酸[47]。除了这个阶段，我们确定了始终与UA混合的UAD阶段。我们没有找到纯UAD单颗宝石。

图 5.UA的SEM图像; a）UA和EDS分析的适当棱柱形晶体b）单斜晶平面上的线和 UA的晶型。

SEM结果证实了样品的结构排列。EDS结果是确定选定和研究样品中相的化学成分。所有样品中的EDS分析并不表明存在痕量或有毒元素。对有毒元素含量的检查不是本研究的主题。

塞尔维亚女性和男性患者检查的所有类型的尿路结石均以直方图S1的形式呈现，其表现为所有样本中结石成分的分布和结石表示的函数。最常见的尿路感染结石类型是COD和COM，男性患者发生频率更高，为28.5%，女性患者为23.3%。男性样本中CaP和CaOx结石的混合发生率高于女性样本（男性患者112例（18.7%）和女性患者88例（14.7%））。纯UA结石主要在男性样本中鉴定，占2.6%，而在女性样本中，发生率为0.5%。UA，UAD和CaOx尿路结石的混合物发生在2.3%的男性样本和1%的女性样本中。CaP矿物质组作为各种类型的混合物（S1），在女性中发生的频率是男性2.2%尿路结石的两倍，其丰度为4.8%。鸟粪石类结石与HA组合在女性样本中更常见，2%，在男性样本中仅发生率为0.8%。胱氨酸尿路结石的代表性最低。同样重要的是要注意，这类肾结石的形成与遗传性疾病有关[43，44]。在所有样本中，胱氨酸结石中女性1.3%的胱氨酸结石几乎是男性0.5%尿路结石的三倍。

这是第一项显示塞尔维亚男性和女性患者尿路结石的分布和类型及其形态特征的研究。

结论

从塞尔维亚地区收集的被检查尿石样本的形态学和晶体学数据、相组成和分布与欧洲和美国等世界发达地区的数据分布相似。这项研究表明，该地区有几种不同类型的尿路结石在结构和组成上有所不同。XRD分析证实了宏观和微观观察结果，即分析样品中会出现COD，COM，St，Br，Cy和UA以及结晶尿路结石。只有HA型病理矿物形式的CaP矿物基团以不规则的形状和作为具有低结晶度的相出现。CaOx组中最常见的矿物是COD和COM，其中COM比COD更常见。磷酸盐矿物也形成，但程度低于CaOx。最常见的矿物质来自CaOx组，几乎发生在每个尿路结石样本中。透明质酸最常见于CaP矿物质。存在有机化合物组的其他相，如UA，UAD和Cy很少存在。胱氨酸型结石很少发生。这项研究报告了与Serba结石发生有关的第一个数据，这些数据在医学领域可能会有所帮助。该方法可用于其他病理性钙化，即前列腺或乳房[50，51]。在肾结石的情况下，这些技术可以为临床医生带来有关肾组织中存在的异位钙化的宝贵信息。这项工作为更详细的尿路疾病研究奠定了良好的基础。然而，为了完整规范塞尔维亚的尿路结石特征，应进行样本人群较大的医学研究。尿液样本的显微镜检查，患者的年龄，生活习惯以及药物治疗和病史将大大有助于了解该地区的尿路结石形成。

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