肾结石形成机制/病理生理学

肾结石形成机制/病理生理学

来自结石病患者的数据提供了肾脏的视觉和组织学观察、尿液的显微镜和生化分析以及结石结晶性质的测定。这样的观测数据只会在石头形成的漫长过程结束时产生“快照”。为了理解理论的机械细节，已经开发了动物和细胞培养模型。事实上，从这些研究中获得的结果有助于更好地了解结石形成的发病机制，并在此进行了描述。

肾结石的显微结构

肾结石是固体块，大小从一粒沙子到一颗珍珠（或更大）不等——石头不一定会引起症状。根据它们的成分，石头的颜色不是黄色就是棕色，外观是光滑的或锯齿状的。它们由晶体组成（ 如图。2 ）和无处不在的有机基质（ 如图。3 )，它不仅覆盖晶体，而且还存在于晶体内部和晶体间空间 46-48中 。钙化结石的基质含有许多大分子，包括骨桥蛋白（在骨的生物矿化中也有作用）、α 间抑制剂（一种血浆蛋白）和尿凝血酶原片段 1 (UPTF1)——所有这些都是正常的存在于尿液中49，尽管数量很少49 – 51。该基质还含有各种形式的脂质，已被证明可诱导晶体成核52 – 56. 晶体和基质之间的结合似乎在晶体成核的早期就开始了，并在发育中的石头的整个形成和生长阶段继续存在。虽然一些尿分子，如 UPTF1，被认为是结晶抑制剂，但其他如骨桥蛋白可以作为结晶的抑制剂和促进剂57。这些分子似乎是作为对矿化的保护性反应而产生的。然而， CaOx和 CaP 晶体均已显示可诱导产生抑制和/或调节结晶的大分子。

图 2

使用扫描电子显微镜检查草酸钙肾结石

一个| 显示草酸钙 (CaOx) 一水合物结石的外部结节外观的低放大率图像。乙| 断裂表面显示以同心叠层和径向条纹组织的 CaOx 一水合物晶体。c | 具有外层 CaOx 二水合物晶体的石头表面。显示了在表面突出的双锥体 CaOx 二水合物晶体（箭头），并带有微小的磷酸钙晶体粉末。d | CaOx 一水合物石头的表面。CaOx 一水合物晶体的表格形态清晰可见。

图 3

肾结石的扫描电镜和透射电镜

这些图像展示了有机基质无处不在的性质，以及它与石头的结晶成分的密切联系。石头碎片被脱矿质，然后进行电子显微镜处理。即使在去除晶体成分后，石头和晶体仍保持其结构。一个| CaOx 结石中草酸钙 (CaOx) 二水合物晶体的有机基质的扫描电子显微镜图像。有机基质分层组织，但即使在脱矿质后，CaOx 二水合物晶体的整体双锥结构仍保持不变。乙| CaOx 一水合物晶体“重影”的断裂表面显示出由片状 CaOx 一水合物晶体损失产生的内部空间（箭头）。C| 有机基质的透射电子显微镜图像，显示至少两层径向排列的 CaOx 一水合物晶体幽灵。d | 用抗骨桥蛋白抗体（黑点）染色的c部分 CaOx 一水合物晶体幽灵的更高放大倍数，表明它在基质中大量存在。

结石类型

四种主要类型的石头以其主要成分命名。钙结石是最常见的，以 CaOx 和 CaP 晶体的形式单独或组合出现。大多数肾结石部分或完全由 CaOx 组成，CaOx 以一水合物或二水合物的形式存在。CaOx 一水合物 (COM) 的单个晶体很薄且呈板状，通常通过孪晶获得“哑铃”形状，如尿沉渣中所见。在宝石内部，COM晶体呈放射状排列成扇形剖面，具有明显的同心叠片，显示出晶体和宝石向外生长。CaOx 二水合物 (COD) 晶体在尿沉渣和肾结石中均具有特征性的四方双锥体形状。CaOx 结石很小，外表有光泽，通常含有 COM 和 COD 晶体。61 . 在混合石材中，COD 晶体主要存在于石材表面，呈锯齿状。相比之下，纯 COM 宝石具有光滑的表面。CaOx 结石的形成是一个多步骤的过程（见下文）。高钙尿、高草酸尿和低柠檬酸尿是主要的危险因素。

CaP主要以碱性CaP（磷灰石）、磷酸氢钙二水合物（刷石）或磷酸三钙（白磷灰石）的形式存在。纯 CapP 结石很少见62。磷灰石是肾结石中最常见的晶体，通常是粉状物质，填充其他类型晶体（主要是 CaOx 晶体）之间的空隙。Whitlokite 在肾结石和尿沉渣中都非常罕见。透钙石经常出现在肾结石中，并以放射状排列的薄刀片状晶体的玫瑰花结形式存在。高钙尿、低柠檬酸尿和尿液 pH 值升高是 CaP 结石形成的主要危险因素63。

尿酸结石占全球所有肾结石的 8% 至 10%，其中肥胖和胰岛素抵抗（代谢综合征的两个主要组成部分）的结石形成者的患病率不成比例。与钙结石类型不同，过度酸性尿液（pH <5.5）被认为是导致尿酸肾结石的主要异常64。除了在低尿 pH 值和脱水时尿酸不溶解外，导致尿酸排泄过多的情况（称为高尿酸尿症）也与尿酸结石形成有关。这些高水平可能是由于饮食中过量摄入富含嘌呤的食物65或内源性尿酸过量产生，如痛风（痛风体质）等疾病中发生的情况。嘌呤分解代谢增加（可能发生在骨髓增生性疾病患者或接受化疗的患者中）和使用阻止肾脏对尿酸重吸收的药物也是促成因素。大多数尿酸结石是致密的，看起来像鹅卵石，具有松散聚集的无水尿酸晶体的中心核心，周围是放射状的柱状无水尿酸晶体，排列成同心叠层66、67。一些石头显示出致密的外层，其内部是由无水尿酸、尿酸二水合物和与有机材料混合的 COM 晶体组成的多孔易碎内部。

鸟粪石，也称为“感染性结石”，占全世界所有结石的 7-8%，通常是由产脲酶微生物（如变形杆菌或克雷伯氏菌）感染继发的氨生成增加引起的。随后的碱性尿液导致形成六水合磷酸铵镁晶体68. 鸟粪石和相关的碳酸盐磷灰石晶体可以迅速长成被称为鹿角结石的大结石，因其占据肾盂和肾盏的角状突起而得名。虽然历史上担心它们与高死亡率的关联，但鸟粪石及其与尿毒症和感染的关联现在可以通过手术干预和抗生素治疗。在现代，这些结石类型因其复发率高而闻名，特别是在结石去除不完全的免疫功能低下的个体中。鸟粪石是正交“棺盖”形鸟粪石晶体的大聚集体，上面覆盖着球状碳酸盐磷灰石晶体，并与细胞碎片混合，其中通常包括细菌67。

最后，胱氨酸结石的形成是由于氨基酸胱氨酸69的肾脏转运蛋白存在常染色体隐性遗传缺陷。胱氨酸重吸收的缺乏导致尿胱氨酸排泄增加。在正常的尿液 pH 值下，胱氨酸是不溶性的并形成胱氨酸晶体，可聚集形成复发性肾结石和膀胱结石。胱氨酸结石致密，呈琥珀色，略带不透明，内部均质。结石和尿沉积物的更高放大倍数揭示了胱氨酸晶体62的独特且特征性的六边形结构。

结石形成的化学

已经提出了几种肾结石形成模型；结石形成的两种主要机制通常用术语“自由粒子”（其中晶体在小管中形成“兰德尔塞”）和“固定粒子”（其中结石生长在所谓的兰德尔斑块上）来描述； 如图。1 ）。尽管这些模型包含了所有可能的关于结石如何开始的假设模型，但没有一个模型可以使从所有结石患者中观察到的证据合理化——可能有许多因素起作用。无论采用何种模型，成核和晶体生长的化学过程对于所有宝石类型的起始和发展都是必不可少的70。成石是由影响各种成石矿物结晶过程中的热力学驱动力（过饱和）和动力学（速率控制）过程的因素的异常组合引起的。两个阶段的主要热力学驱动力是引发引发的流体的过饱和度70、71. 无论这发生在细胞内还是细胞外，结晶化学定律都必须适用。

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，可以均匀或不均匀地发生。均匀成核要求相关矿物具有高度的过饱和度；在体外，这通常发生在不含颗粒物质的纯溶液和化学惰性的容器中。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71. 该过程可以在由蛋白质、其他有机聚合物或另一种矿物晶体组成的颗粒存在的情况下发生，并且包含在衬有化学活性细胞表面的容器内。异质成核需要比均质成核更低的过饱和度来引发晶体。

过饱和

估计尿液中每种形成结石的矿物质的过饱和程度需要测量 15 种尿液成分，包括在排尿（排尿）之前或之后可能沉淀的任何晶体2 , 70 – 75。使用迭代离子形态分析程序2 , 72 – 75，这些数据可用于计算这些尿液成分之间形成的各种可溶性复合物的浓度、尿液的离子强度和所有相关离子的活度系数。根据这些信息，可以计算出尿液相对于相关矿物质的相对过饱和度 (RSS) 73; 如果尿液中所有潜在的结晶物质都保留在溶液中，这是理论上的 RSS。

发生成核的 RSS 水平称为相关矿物的形成产物；它不是一个固定的热力学常数，而是涵盖了一系列过饱和值，在该范围内可以发生从头晶体成核。它的价值取决于几个因素。首先，孵化时间的长短会影响 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76。低初始水平的 RSS 通常在成核发生之前需要较长的孵育时间，考虑到在肾脏中形成尿液的短时间内发生晶体成核的可能性时，这一点很重要77，78 . 影响 RSS 值的第二个因素是尿液中可能存在成核抑制剂，这可能会通过“毒化”新生晶体上的活性生长位点来延缓该过程。大多数关于钙盐成核抑制剂作用的研究都是使用相对较长的潜伏期（24-72 小时）和较低的 RSS 水平79、80进行的，这与肾脏的情况并不相符。然而，许多这些假定的抑制剂已被证明在模拟尿液结晶的条件下（即高 RSS 水平和短孵育时间（3-4 分钟））对钙盐的成核几乎没有影响。此外，管状流体相对于钙盐的 RSS 通常超过其 3-4 分钟地层产物值78 , 81 . 因此，成核抑制剂在预防含钙结石中起作用的概念是有问题的，因为它们的效果可能会被高环境水平的过饱和度所压倒。

晶体生长和聚集

一旦在肾脏71内建立了晶核，暴露于尿液使结石通过结痂82、83生长。结石核的形成有两种基本途径（自由粒子机制和固定粒子机制），这两种途径都可以在任何结石形成者中发挥作用，尽管来自特发性结石形成者的结石通常形成附着于斑块84、85（ 如图。1 ）。

在自由粒子机制71、77中，晶体在肾小管的尿液中成核、生长和聚集。一旦晶体聚集形成大颗粒，它们要么变得太大而无法通过管状内腔，要么通过将它们自身附着到管状上皮86而被保留在肾脏内。在存在高过饱和度的情况下，晶体沉积物堵塞集合管87 ，形成 Randall 2 型病变或栓塞88，突出到肾盂并暴露于盆腔尿液。一旦管状开口被阻塞，瘀滞会促进栓塞后面小石头的形成。同样，肾盏中未附着的结石也可以通过游离颗粒机制形成。

对自由粒子机制的支持来自动物模型和组织培养研究。实验性诱导的高草酸尿症或高钙尿症导致尿过饱和增加和肾小管腔中 CaOx 或 CaP 晶体的形成1 , 89 , 90。晶体保留在尿流受阻的部位，或者通过近端小管与 Henle 环相遇处发生的小管变窄，或在肾小管弯曲的乳头基底部91。有趣的是，集合管的开口是狭缝状的，并且比管道的管腔直径更窄，这会阻碍尿液通过，并可能导致管道堵塞77、86. 晶体保留也通过附着在肾上皮以及基底膜上来实现，基底膜已因上皮脱落1、92而暴露。

这种机制可能涉及磷灰石、透钙石和胱氨酸结石的形成，以及与原发性高草酸尿症和减肥手术后高草酸尿症相关的 CaOx 结石93 - 98。上皮损伤和脱落在钙磷石结石患者和高草酸 CaOx 结石形成者中很常见96 , 99。塞子充当用于未来晶体沉积和石头生长的基底，并且可以具有相同或不同的晶体成分96、97。

结石形成的另一种机制是固定颗粒机制，其中结石形成附着在乳头表面的钙化斑块上。这些斑块，称为 Randall 斑块，始于 CaP 晶体在肾间质中的形成和 沉积88、100。大量特发性 CaOx 结石附着在Randall斑87、101、102上。包含斑块的 CaP 沉积物似乎开始于肾间质深处、Henle袢的基底膜103、104，或与集合管和直肠血管（平行于 Henle 袢的血管）有关) 105 ,106 . Haggitt 和 Pitcock 107检查了 100 具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)。他们在间质中发现了茜素红阳性（钙染色）层状球晶，通过 TEM 仔细检查显示，这些晶体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[ 103 , 108 ] 研究了 62 个正常肾脏，发现有 4 个有钙化，均发生在 Henle 袢的基底膜并延伸至髓质间质。一些集合管和血管也受累。

Stoller等人对尸体肾脏进行了高分辨率射线照相。105 . 他们报告说，57% 的肾脏有上皮下兰德尔斑块，延伸到乳头深处，与集合管和直肠血管密切相关。此外，发现分布在间质以及集合管和血管周围的 von Kossa 阳性（CaP 染色）球形 CaP 沉积物。埃文等人。96检查了各种原因形成结石的患者的肾乳头。他们得出结论，所有特发性钙结石都附着在上皮下兰德尔斑块上109 ，并证实了 Cooke等人的早期观察结果。103, 108关于 Henle 环的基底膜参与 Randall 斑块的发展。已在这些间质斑块中鉴定出骨桥蛋白3、110 、 α间抑制剂重链111、112、胶原蛋白103、104、107和锌113 。有趣的是，并非所有 Randall 斑块都发展成结石——在非结石形成者的肾脏中也发现了斑块107。

埃文等人。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 型胶原蛋白结合，融合成一个合胞体，其中矿物岛“漂浮”在有机“海”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100 ( 如图。4 ）。一些囊泡含有针状晶体，推测为 Cap 100。因此，已经提出晶体形成开始于膜结合的囊泡，通过胶原的矿化传播，导致矿化“前沿”移动到肾乳头的上皮下层和兰德尔斑块的发展100. 因此，对于兰德尔牌匾的起源存在不同意见。它是从 Henle 袢、直肠血管或集合管的基底膜开始，还是仅仅从它向外生长的间质开始，并在此过程中涉及肾乳头的所有组成部分？导致兰德尔斑块形成的原因尚不清楚。有人提出，兰德尔斑块的形成可能类似于血管钙化115、116 （见下文）。

图 4

带有 Randall 斑块的草酸钙结石形成剂的肾间质

一个| 管状上皮通过基底膜与间质分离。间质含有胶原纤维、球状磷酸钙 (SCaP)，让人联想到带有晶体的膜结合囊泡，以及致密和致密的磷酸钙 (CaP) 晶体。胶原蛋白和致密的 CaP 之间存在密切的联系。乙| a 部分中的图像的一部分，但放大倍数更高。胶原纤维与密集的 CaP 沉积密切相关。

自由粒子机制和固定粒子机制之间的主要区别之一是初始病灶的位置（ 如图。1 ）。Randall 的塞子（游离颗粒）是管状沉积物——通常由 CaP 组成——持续暴露在尿液中并相应生长。相反，Randall 斑块（固定颗粒）是上皮下沉积物，在结晶块暴露于尿液以进一步生长之前，其表面必须被破坏。 如图。5 ）。这种破坏可能发生在基质金属蛋白酶的参与和/或由于生长斑块的绝对力量88 , 117. 生物磷灰石是斑块的主要成分，而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，栓子和斑块都涂有有机基质，有机基质（如前所述）由肾上皮细胞在暴露于晶体管状沉积时产生的大分子制成。盆腔尿通常相对于 CaOx 是亚稳态的，并且会支持 CaOx 的异质成核和生长。动物模型和组织培养研究表明，上皮细胞持续接触晶体会导致大量大分子的产生。这些分子随着尿液向下移动，当包裹晶体聚集体时，会促进进一步的结晶和结石的生长。CaOx 晶体在斑块或栓子上的形成和生长最终会导致附着在肾乳头尖端的钙化结石的形成。CaP 本身也是 CaOx 的良好成核剂118并已显示通过溶解和重结晶119 – 121将自身转化为 CaOx 。因此，石头的形成是一连串事件的最终产物（ 如图。6 ）。

图 5 使用扫描电子显微镜检查一水草酸钙结石前体的肾乳头表面

一个| 晶体实体从乳头表面突出，导致上皮细胞被推开（箭头）。突起被纤维材料覆盖并被一层结晶壳包围。乙| 覆盖突起的纤维材料。c | 乳头状表面上皮的完整部分。

图 6 兰德尔斑块和草酸钙结石形成

根据实验和可用的临床数据，可以推测结石的形成是一个多步骤的过程，可能涉及 Randall 栓和斑块的形成。为简单起见，我们将这些步骤分开，但多种因素可能会导致结石的形成和生长。一个| 在 Randall 斑块形成中，肾小管中磷酸钙 (CaP) 和/或草酸钙 (CaOx) 的过饱和发生在 Henle 环末端和收集管系统开始处的肾小管中（步骤 1） . 从这里开始，提出了两种替代途径。相对于 CaP 的过饱和导致 CaP 在 Henle 环的基底膜中沉积（步骤 2），从而启动斑块形成过程104（ 如图。1 ）。或者，晶体形成发生在肾小管中（步骤 3）。CaP晶体易位到间质中（步骤4）或被细胞内化，溶解并重新沉淀在管状基底膜121中。另一种可能性是，肾上皮细胞在暴露于 CaP 和/或 CaOx 时，会产生活性氧，并且可能会产生一系列与成骨相关的因子，例如 Runt 相关转录因子 2 (RUNX2)、osterix（也称为Sp7)、骨形态发生蛋白 2 (BMP2)、BMP7、BMP 受体 2 型 (BMPR2)、胶原蛋白和骨桥蛋白。上皮细胞在基底侧产生基质囊泡（步骤 5），然后钙化（步骤 6；REFS 88、168）。b| 一旦 CaP 晶体沉积在 Henle 环和/或集合管的基底膜中，矿化就会继续。胶原纤维和膜囊泡钙化（步骤 1）。矿化前沿到达肾乳头表面并建立上皮下斑块（步骤 2）。乳头状表面上皮细胞被破坏（步骤 3）并且斑块破裂，将 CaP 晶体暴露于相对于 CaOx 亚稳态的盆腔尿液（步骤 4）。尿液大分子沉积在暴露的 CaP 晶体上，促进 CaOx 晶体在 CaP 基体上的沉积（步骤 5）。

晶体生长速率

特定矿物质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调节剂的影响。一些改性剂已被证明可以在体外延缓钙盐晶体的生长和/或凝聚速率。这些改性剂包括镁122、柠檬酸盐123、焦磷酸盐79、80、ADP 124、ATP 124、磷酸肽125、各种糖胺聚糖、非聚合 Tamm-Horsfall 蛋白（也称为尿调节素）、肾钙素130, 131 , 骨桥蛋白 , 钙颗粒蛋白 , α1-微球蛋白 , β2-微球蛋白 , UPFT1 (REFS 137 , 138 ) 和 α 间抑制剂 (bikunin 轻链)。然而，仅发现一些钙结石形成者比非结石形成者排泄的柠檬酸盐和镁量少140。

假定第二组改性剂刺激钙盐的结晶。它们被称为结晶促进剂，包括基质物质 A 、各种未表征的尿蛋白和糖蛋白141 – 143和聚合形式的 Tamm-Horsfall 蛋白（尿粘蛋白）。到目前为止，尚未证明结石形成剂会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，并且继续研究它们在促进结石发育中的可能作用.

结石形成和血管钙化

一些分析表明血管钙化与特发性肾结石的形成之间存在联系。与胶原蛋白相关的 CaP 沉积类似于在血管钙化部位所见，目前认为这是一个活跃的过程，其中血管平滑肌细胞获得成骨表型152 – 154。血管平滑肌细胞暴露于高水平的钙和磷酸盐会触发这种转化，它通过上调Runt相关转录因子 2 (RUNX2) 和 msh 同源框 2 (MSX2) 激活骨形态发生蛋白 (BMP) 和 WNT 信号通路) 转录因子. 转化也由活性氧介导；转化的细胞产生基质蛋白154 , 159。一些证据支持肾上皮细胞具有成骨能力的理论。BMP2、RUNX2 和osterix（也称为Sp7；另一种转录因子）的基础水平在产生肾内CaP 沉积物的遗传性高钙尿大鼠中较高160。事实上，Madin-Darby 犬肾细胞在单层生长时会在基底侧产生 CaP 微石161 , 162，并且这些细胞暴露于高草酸盐水平以及 CaOx 和 CaP 晶体，会导致 NADPH 氧化酶的激活和活性氧的产生，从而导致成骨表型。证据表明，被认为参与上皮转化和骨形态发生的基因——包括编码 RUNX2、osterix、BMP2、BMP7、BMP 受体 2 型、胶原蛋白、骨钙素、骨连接蛋白、骨桥蛋白、基质-gla-蛋白、骨保护素、钙粘蛋白的基因、纤连蛋白和波形蛋白——在高草酸大鼠中上调，所有这些都是成骨表型的标志物。总体而言，一些证据支持高草酸尿、高钙尿、低柠檬酸尿和肾氧化应激的异常泌尿条件触发肾上皮细胞转化为成骨细胞表型。去分化促进了 CaP 晶体的沉积和 Randall 斑块的形成。