结晶尿的临床价值及尿路结石形态学定量分析

Clinical value of crystalluria and quantitative morphoconstitutional analysis of urinary calculi

 Frochot V , Daudon M . Clinical value of crystalluria and quantitative morphoconstitutional analysis of urinary calculi[J]. International Journal of Surgery (London, England), 2016:S1743919116310329.

结晶尿的临床价值及尿路结石形态学定量分析

•晶体的研究是检测和监测遗传性和获得性疾病的工具。

•结石的形态构成分析通常对于确定尿石症的病因非常有用。

•结石形态学可能对早期发现严重成岩性疾病有重要帮助。

结晶是尿液过饱和的标志物，其物质来自代谢紊乱，遗传性疾病或药物。结晶尿症的研究必须根据协议进行，其中包括将适当的尿液样本运送到实验室，使用配备偏振光的显微镜，尿液pH值的准确知识以及对晶体进行全面检查，这是基于它们的鉴定，定量和尺寸测量。对于不寻常的晶体，可能还需要红外光谱。除了晶体组成外，结石形态学还提供了有关结石活性的宝贵信息，对于某些结晶物种，还提供了有关潜在病理学的主要信息。傅里叶变换红外光谱（FTIR）可靠地鉴定肾结石的特定形式，即由草酸钙（CaOx）和/或磷酸钙与形态学分类相结合的普通型结石;使用这种方法，结石可分为6种类型，细分为22亚型。

晶体尿症的研究是检测和监测与尿路结石形成或肾内晶体沉淀引起的急性或慢性肾功能损害相关的遗传性和获得性疾病的廉价且有价值的工具。对每块结石的核心（或脐带）、中间部分和表面的组成进行选择性 FTIR 鉴定，可以鉴定起始成石过程（在细胞核或兰德尔斑块中）以及随后促成结石生长的因素。综上所述，所提出的尿路结石分析形态-体质方法具有快速性和低成本，为靶向病因学评估提供了临床相关方向。

    尿液是具有一种或多种结晶物种恒定过饱和度的环境;因此，找到晶体并不罕见。因此，一些作者认为这是不必要的检查[1]。结晶是启动子和抑制剂之间的不平衡;前者是晶体形成的引擎，后者（由低分子量或高分子量的物质组成）具有与结晶过程的一个或多个步骤相反的物理化学性质。平衡的破裂可能是由于启动子浓度过高或抑制剂浓度的缺陷或其分子结构的变化[2]。启动子或抑制剂电离状态的变化，特别是在尿液pH的影响下，在产生这种不平衡以及通过药物治疗恢复方面都起着至关重要的作用。与对照组相比，有肾结石风险的受试者的结晶尿症特征可能不同[3]，[4]。尿路结石是长期暴露于过饱和尿液引起的。由于尿液成分根据饮食和饮酒习惯而不断变化，结石可能含有几种成分，其中一些成分通常以非常低的比例被发现。在其他情况下，导致结石形成的病理条件可能诱发尿液过饱和，这些化合物可能同时在尿液中结晶，并且将一起存在于结石中。因此，鉴定结石成分并对其在结石内各自的比例进行半定量评估具有临床相关性。在物理方法中，X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）现在普遍用于结石分析。然而，当对整个宝石的粉末状样品进行XRD或FTIR分析时，即使结石足够大，可以单独分析其不同部分，也不会指示混合宝石中不同成分的相应位置（核心或外围层）。如今，化学方法仍被广泛用于宝石分析。事实上，化学方法无法鉴定由遗传性疾病引起的稀有嘌呤结石，例如2，8-二羟基腺嘌呤[5]，[6]或药物诱导的结石[7]，[8]。此外，它们无法提供有关钙结石中存在的结晶相的可靠信息。只有物理方法才能识别出如此多样化的成分[9]，[10]。

如果结石的形成总是先于结晶性，则相反的情况并非如此，并且可能发生结晶性溶液而不导致结石形成。因此，结晶尿在肾结石形成剂中的临床相关性仍存在很大争议。尽管一些作者在70年代初提出晶体尿症作为结石疾病活动的指标[3]，[11]，但冰晶尿症的常规搜索在临床实践中并未得到广泛普及，目前不推荐用于评估结石形成剂。事实上，由于偶尔在15%-20%的健康受试者中发现晶体，因此单个尿液样本中存在晶体被认为不区分结石形成剂和非结石成样物[1]，[12]。

自1984年以来，我们在每次就诊时对所有转诊到我们结石诊所的患者进行常规晶体尿的搜索，同时进行全血和24小时尿液生化。随后，我们记录了过去二十年中结石成因患者的所有实验室数据以及结石发作。因此，我们能够分析连续测定的晶体和实验室参数之间的关系，以及连续患者队列中结石发作的复发，这些患者在形成一个或多个结石后被转介给我们。

2. 晶体尿

2.1. 分析方面

在临床实践中，有时使用难以接近的设计已经发表了许多技术：电子扫描显微镜[13]，粒子计数器[3]，尿液过滤[14]，蒸发[3]，[11]或离心[15]。作为临床研究的一部分，这些技术为理解晶体形成中涉及的现象和晶体的物理化学特征以及正常受试者和成石器之间的差异提供了有用的信息。然而，这些方法中的大多数不适用于临床实践。用偏振光进行光学显微镜检查是最合适和最翔实的技术。所有对尿液进行显微镜检查的实验室均可用[15]，[16]。

2.2. 实验室程序

基于夜间产生的尿液通常是最集中的，因此具有最高的过饱和度和晶体形成风险的常见观察结果，我们根据其他地方描述的统一方案，在新鲜的首次排尿早晨尿液样本中进行了所有结晶尿症研究[15]。简而言之，在排尿后2小时内带到实验室的尿液样品保存在室温下并迅速处理。测量尿液比重和pH值。然后通过轻轻摇晃和翻转（既不离心也不过滤）将未稀释的尿液匀浆，并立即放入含有10毫米3的Malassez细胞计数器（CML，Nemours，France）中然后使用偏振显微镜（Optiphot-2）通过光学显微镜进行检查（尼康，马恩河畔尚皮尼，法国）。在×200放大镜下检查整个细胞以定位晶体和聚集体，然后在×400放大倍率（高功率场）下进行检测。对所有晶体和聚集体在整个细胞上进行计数，并使用所包含的微米尺度确定其大小。结果以每毫米晶体数量表示3。每个实例中只检查了一个Malassez细胞。晶体液管检查以“盲目”方式进行（即，在不知道患者的临床状态和实验室测定结果的情况下）。基线以上结晶素研究的平均数量为每例患者6.8±5.3例，中位数为5项（范围3-33）。我们将尿液样本数量与结晶尿量与检查尿液样本总数的比值定义为“结晶尿量指数”。该标志物被证明与评估钙结石形成剂中结石复发的风险具有临床相关性[17]。值得注意的是，在这项研究中，我们没有考虑直径小于2μm的小磷酸钙颗粒。随访期间采用所有24 h尿液生化参数的平均值。

在为了识别解释急性肾功能衰竭的遗传疾病或药物结晶而进行的结晶性研究的情况下，我们可以在寻求检测和鉴定特定晶体时旋转尿液，在这种情况下，颗粒计数不太相关。

临床方面

结晶尿症的临床解释必须整合可能适用于某些物种的不同标准。这些标准是：晶体的化学性质、结晶性质、晶体形态、聚集率、晶体尺寸、结晶频率。使用这些标准涉及识别通过其形态特征和在偏振光下的外观观察到的晶体，并考虑尿液的pH值。晶体附着的板可以帮助识别。

化学性质对不寻常的晶体的重要性,对于诊断，一些晶体是重要的，因为它们单独存在：

胱氨酸，显示先天性胱氨酸尿;

由腺嘌呤磷酸核糖基转移酶缺陷引起的二羟基腺嘌呤;

乳清酸盐作为尿苷单磷酸合成酶缺乏症的标志物;-

黄嘌呤，在纯合黄嘌呤脱氢酶缺乏症或通过高剂量别嘌呤醇治疗Lesh-Nyhan综合征中观察到;-

亮氨酸在白质病或哈特努普病中相遇;

-酪氨酸在酪氨酸沉着症或一些严重的肝脏疾病中遇到;

-鸟粪石，由脲酶的作用引起，脲酶存在于某些微生物中，如变形杆菌，普罗维登斯图尔氏菌，解脲支原体，解脲乳杆菌和一些克雷伯菌，葡萄球菌或假单胞菌属-

尿酸铵由高尿酸尿症和高氨尿引起，尿素分裂细菌（高pH值）或感染性腹泻，伴有消化碱基丢失和磷摄入不足（正常pH值）;尿酸铵由尿素分裂细菌（高pH值）引起;-

药物剂量不当或缺乏预防措施。

2.3.2. 结晶性质对普通晶体的重要性

通常的化学物质的结晶性质：草酸钙，磷酸钙，尿酸，必须考虑。

草酸钙

草酸钙一水合物或whewellite（图1A）与正常或低钙浓度存在的高草酸盐浓度密切相关[18]。仅含有whewellite晶体的尿液样本高度提示草酸盐摩尔浓度高，这一事实应该促使寻找原发性高草酸尿症。相反，草酸钙二水合物或weddellite（图1B）通常与高钙尿症有关。超过94%的尿液样品含有草酸钙晶体，其钙与草酸盐的比率 <5 ，表现出草酸钙一水合物或whewellite。相比之下，超过90%含有草酸钙晶体的尿样中，钙与草酸比为>14,表现出草酸钙二水合物或weddellite[19]。具有椭圆形或哑铃形的乳白色晶体（图1A）通常与高水平的尿草酸盐有关，而在草酸盐正常或中度升高的尿液中可能发现类似于红细胞的小晶体（图1B）。在大多数情况下，weddellite石表现为八面体（双锥体）晶体（图1B），而更罕见的十二面体晶体（图1D）与高浓度的尿钙有关（图2）。摄入乙二醇后，尿液中发现了特殊类型的喘石晶体，具有细长和窄六边形和“钻石”的形状（图1C ），这导致全身性酸中毒和严重的高草酸尿[20]，[21]。

图 1.草酸钙晶体。（A）具有典型卵形的Whewellite晶体。（B）典型的八面体（双锥体）楔形晶体和乳白色（箭头）的小红细胞状晶体。（C）摄入乙二醇后在患者尿液中发现的细长的六方乳清石晶体。（D）weddellite石的八面体和十二面体（箭头）晶体。

图 2.weddellite石十二面体晶体（轴）的频率与尿中钙的摩尔浓度（横坐标）之间的相关性。

磷酸钙

正磷酸钙晶体的形成，主要是石蜡石和无定形碳酸磷酸钙（ACCP）（图3A）或刷石（磷酸二钙二水合物）（图3B）取决于不同的生化条件[22]。正磷酸钙主要依赖于尿液pH值，当尿液pH值高于6.5时，它们很容易形成。磷酸氢钙的形成通常需要高浓度的钙和磷酸盐，尽管它也可能受到低柠檬酸盐浓度的青睐。磷酸氢钙也可以在具有weddellite石晶体的聚集体中找到（图3C），通常与高钙尿症有关。

图 3.磷酸钙晶体。（A）碳酸磷酸钙的无定形颗粒。（B）不对称的棒状晶体磷酸氢钙脱水（刷状物）。（C）与楔形weddellite石（箭头）混合的磷酸氢钙晶体聚集体。

2.3.2.3. 酸性尿液中形成尿酸晶体

尿液中可能有四种类型的尿酸沉淀物：无定形尿酸，无水尿酸（尿酸盐）和两种水合形式，即尿酸一水合物和尿酸二水合物（图4A）.无定形尿酸（图4B）是尿液中最常见的物种。如图4C和D所示，它们依赖于不同的代谢条件：尿酸二水合物主要依赖于低尿pH值，而无定形尿酸主要与尿酸盐浓度高有关。

图 4.尿酸晶体。（A）典型的尿酸二水合物晶体锭剂。（B）无定形尿酸造粒。（C）尿酸二水合物晶体与尿pH值的相关性。（D）无定形尿酸颗粒与尿酸排泄的相关性。

尿酸盐，如尿酸氢铵，在碱性尿液中形成，解释了为什么在尿素分裂细菌的UTI情况下，这种结晶物种可能伴随着鸟粪石。

2.3.3. 晶体体积

在成石剂中，结晶体的消失表明成岩活性得到控制[17]。这种结果最常见于钙或尿酸肾结石患者，而结晶尿完全消失在遗传性疾病中更难以实现，例如原发性高草酸尿症1型（PH1），胱氨酸尿症或二羟基腺素尿症，这些疾病具有非常活跃和永久性的结晶。在这些条件下，尿液样品中存在的晶体量的减少，以整体晶体体积（GCV）表示，通常足以有效地减少成石过程[23]，[24]。通过比较连续尿液样本中GCV的临床结果和变异，我们确定了PH1和胱氨酸尿中有害结晶尿的定量阈值，从而定义了实现，的理想目标。在胱氨酸尿患者中，GCVcys <3000 μm3/毫米3与结石复发风险显著降低相关。在PH1中，晶体体积<500 μm3/毫米3在肝肾联合移植后的几天内，尿液与草酸钙晶体肾小管堵塞的风险降低有关[24]，这是骨骼中储存的大量草酸钙通过移植肾排泄的关键时期，具有大量肾小管阻塞和肾移植丢失的风险[25].通过密切监测GCVcaox，可以优化PH1儿童移植后早期护理[24]，从而改善长期结局[26]。

3. 结石成分及形态

3.1. 分析方面

3.1.1. 结石成分

在尿路结石中已经鉴定出100多种化学和结晶形式[27]。其中，15种是常见的（超过1%的结石），其他的被认为是罕见的，但通常与特定的岩石成因条件有关。对于结石分析，在常规实践中提出了几种技术[28]，包括X射线粉末衍射[29]，[30]红外光谱[31]，[32]，拉曼光谱[33]，[34]或热分析[35]，[36]。在过去的三十年中，X射线衍射和热分析逐渐被红外光谱技术所取代，这些技术更容易执行。从流行病学的角度来看，草酸钙现在是全世界尿路结石最常见的化学成分。在大多数情况下，它与其他结晶相相关，作为可能具有临床相关性的次要成分。由CaOx（COD和/或COM）和卡磷灰石（不含鸟粪石）混合物组成的宝石占我们系列宝石总数的19.7%。在卡磷石中，识别次要成分有助于病因学诊断。刷石、楔石或 OCPP 的存在提示高钙尿症，而 ACCP 或白云石则面向 UTI。CA和COM的混合物 在MSK中很常见。乳清石和尿酸的混合物必须促使寻求胰岛素抵抗，并且通常是2型糖尿病。

3.1.2. 结石形态

除了晶体组成外，结石形态学还提供了有关结石活性的宝贵信息，对于某些结晶物种，还提供了有关潜在病理学的主要信息（图 5）。宝石根据其结晶相和结构特征可分为6种主要类型和22种亚型[27]，[37]，[38]。结石形态与乳清石或卡磷灰石特别相关。乳清石结石的 Ic 型形态与原发性 1 型高草酸尿症密切相关 [39]，而 I 型与吸收性高草酸尿症相关。关于卡磷灰石，IVa2型形态必须提示寻找远端肾小管性酸中毒的任何病因[40]。关于尿酸铵结石，IIId 型形态主要与慢性腹泻有关，尿液 pH 值正常，而 IIIc 型结石提示尿 pH 值过高是 UTI 或过度碱化导致的。

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图 5.a I型结石，由草酸钙一水合物（COM）或乳清石组成。b II型结石，主要由草酸钙二水合物（COD）或楔形石组成。c III型结石，主要由尿酸或尿酸盐组成。d IV型结石，主要由钙和/或磷酸镁组成。e V型结石，由胱氨酸组成。f VI型结石，含有纯蛋白质或丰富的蛋白质。

临床方面

当考虑草酸钙结石时，在卡巴磷石Randall斑块上成核的97%COM结石的预期原因（仅占结石质量的3%）与90%COD结石（包括随机分布的10%卡门石）完全不同。在第一种情况下，结石生长是轻度高草酸尿症的结果，这是由于富含草酸盐的食物消耗和/或低利尿引起的，结石的成核是由草酸钙晶体沉积在由卡拉磷石制成的状钙化上诱导的，可能与短暂性（过去）高钙尿有关[41]，[42].在第二种情况下，结核和结石的进一步生长可能与持续性高钙尿症有关，其起源尚待通过适当的代谢检查确定。在钙结石中，卡磷灰石是第二常见的结晶相。由于卡磷灰石高度依赖pH值，因此必须预料到富含碳磷灰石的结石是在酸性差且通常呈碱性尿液中形成的，这提示UTI或导致尿液pH值长期升高的代谢紊乱，与高钙尿症相关或无关[22]，[43].卡磷灰石在人类结石中很少是纯的，其他结晶相作为次要成分存在可能有助于确定诊断方向。例如，与COD相关的卡磷灰石高度提示高钙尿，应提示寻找原发性甲状旁腺功能亢进[44]。相比之下，与COM相关的卡磷灰石更常与髓质海绵肾和尿淤滞的其他原因有关。与其他磷酸钙（如 ACCP 和/或白云母）相关的卡磷灰石必须定位到结石起源处可能存在的慢性 UTI[45]。与刷石和/或磷酸八钙五水合物（OCPP）相关的卡磷灰石通常是高钙尿症的标志物，OCPP的存在提示近期有活跃的成石过程[46]。在卡磷灰石与任何比例的鸟粪石相关的情况下，可以断言尿素分裂细菌引起的UTI[45]，[47]。最后，使用红外光谱作为结石分析的常规方法，可以确定卡磷灰石的碳酸化速率，这可能与在结石中没有鸟粪石的情况下定向感染结石有关[48]。在嘌呤结石的情况下，纯尿酸提示与代谢综合征和肥胖相关的低尿pH值[49]，2型糖尿病[50]，[51]，[52]或水电解性腹泻。相反，尿酸氢铵高度提示高尿酸尿症，伴有高铵排泄或局部产生（由于尿素分裂细菌引起的UTI），尿液pH值正常至高[53]，[54]。如果尿pH值正常，尿酸氢铵的主要原因通常是慢性腹泻，这是由于泻药滥用的结果[55]，要么是在低蛋白和低乳制品消费与富含谷物的食物相关的背景下，后者对应于所谓的地方性尿石症[56]，[57]。在尿液pH值高（高于7）的情况下，应寻找产生脲酶的细菌的UTI。

4. 结论

在所有结石形成者中，结晶尿症比健康受试者更常见，尽管在这些健康受试者中，一些晶体可能在尿液中短暂发现，特别是在饭后数小时内，冰晶尿症的研究是一种廉价而有价值的工具，用于检测和监测与尿路结石形成或肾功能损害相关的遗传和获得性疾病 - 急性或慢性 - 由于肾内晶体沉淀。通过形态学检查结合 FTIR 或 X 射线衍射对结石进行常规形态-体质分析可显著改善从结石分析中获得的信息，从而确定结石病的病因。事实上，具有相同化学成分的结石根据其病因表现出不同的形态特征，这决定了代谢异常的程度和成岩过程的动力学。对每颗结石的核心（或脐带）、中间部分和表面的组成进行选择性 FTIR 鉴定，可以鉴定起始成石过程（在细胞核或兰德尔斑块中）以及随后促成结石生长的因素。综上所述，所提出的尿路结石分析形态-体质方法快速且成本低廉，为指导靶向病因学评估提供了临床相关信息。

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