肾结石形成机制的进展

2022-12-10 09:56

肾结石疾病的病理生理学不能仅通过结晶过程来完全解释。然而，由于目前研究的局限性，肾结石形成的一些研究领域仍然知之甚少，在此不予讨论。

Wang Z, Zhang Y, Zhang J, Deng Q, Liang H. Recent advances on the mechanisms of kidney stone formation (Review). Int J Mol Med. 2021 Aug;48(2):149. doi: 10.3892/ijmm.2021.4982. Epub 2021 Jun 16. PMID: 34132361; PMCID: PMC8208620.

肾结石病是医学上已知的最古老的疾病之一；据估计，有 1-15% 的人在其一生中的某个时候会形成肾结石，据报道，全世界肾结石的患病率和发病率都在增加 ( 1 , 2 )。最近的一项研究得出结论，中国成年人肾结石的患病率为 5.8%（男性为 6.5%，女性为 5.1%），目前大约每 17 个成年人中就有 1 个患病 ( 3 )。如果不进行适当的治疗，肾结石会导致输尿管阻塞、尿液中带血、频繁的尿路感染、呕吐或排尿疼痛，最终导致肾脏的永久性功能损伤 ( 4). 在过去几十年中，尿石症的全球患病率有所增加。尿石症通常是一种反复发作的终生疾病，5-10 年内的复发率为 50%，20 年内的复发率为 75% ( 5 )。一些研究表明，由于多种环境因素，包括生活方式和饮食习惯的改变以及全球变暖，预计肾结石的发生率会增加 ( 1 , 4 , 6). 然而，尚未确定导致尿路结石患病率上升和复发的确切因素。由于在工作年龄的成年人中患病率很高，肾结石病对个人和社会都有重大影响，并已成为一个公共卫生问题，特别是在居住在气候炎热和干燥地区的人群中。

然而，结石形成和发展的机制在很大程度上仍不清楚。在过去的几十年中，由于最近的技术进步，已经在肾结石的手术治疗中开发和应用了多种理论和策略。肾结石形成有五种完全不同的主要机制。尿液过饱和和结晶是肾内结晶沉淀的驱动力。Randall 斑块被认为是草酸钙结石形成的起源。性激素可能是肾结石发展的关键因素，因此可能成为抑制肾结石形成的新药的潜在靶标。微生物组，包括产生尿素酶的细菌、纳米细菌和肠道微生物群，由于其代谢输出和其他贡献，可能对泌尿系统健康产生深远的影响，无论是积极的还是消极的。最后，免疫反应，尤其是巨噬细胞分化，在肾草酸钙晶体形成中起着至关重要的作用。

肾结石按矿物组成主要有草酸钙（CaOx；65.9%）、碳磷灰石（15.6%）、尿酸盐（12.4%）、鸟粪石[（磷酸铵镁）2.7%]、透钙石（ 1.7%) 。肾结石可大致分为钙质（含钙）结石和非钙质结石。最常见的人类肾结石类型是 CaOx 和磷酸钙 (CaP)，单独或结合使用，它们是钙质和不透射线的结石。肾结石在称为兰德尔斑块 (RP) 的 CaP 基础上形成，它始于肾乳头表面亨勒环细肢的基底膜 ). CaOx 和尿酸盐结石在男性中的发生率较高，而在女性中观察到的碳磷灰石和鸟粪石结石的百分比高于男性 ( 10 , 13 )。然而，性别差异在尿路结石病的病理生理机制中的作用尚未完全明了。无论哪种类型，肾结石的形成都是一个复杂的多步骤过程，包括尿液过饱和、晶体成核、生长和聚集)。肾结石形成与全身性疾病有关，包括糖尿病、肥胖、心血管疾病、高血压和代谢综合征。相反，肾结石患者 [也称为肾结石形成者 (KSF)] 有患高血压、慢性肾病 (CKD) 和进展为终末期肾病 (ESRD)的风险). 据报道，多种促进因子和抑制剂在肾结石形成中起着关键作用。例如，高草酸尿症、高尿酸尿症和磷酸尿症是与肾结石形成相关的常见促进因素；inter-α-抑制剂 (IαI) 是蛋白酶抑制剂家族的一员，已被证明可在体外抑制 CaOx 结晶。虽然人类结石形成的细节已经积累，但肾结石的形成和生长机制远未阐明。本综述提供了肾结石形成机制的最新进展，以提高泌尿科医生、肾脏科医生和初级保健人员对肾结石的认识。

肾结石形成的理化机制

尿液过饱和和结晶是肾内结晶沉淀的驱动力，主要由与肾功能损害相关的遗传或获得性疾病引起。此外，尿液过饱和和结晶受尿液 pH 值和过量物质的特定浓度影响，包括 CaOx、CaP、尿酸和尿酸盐、鸟粪石、氨基酸（半胱氨酸）、嘌呤（2,8-二羟基腺嘌呤和黄嘌呤）和药物（例如，阿扎那韦，磺胺甲恶唑，阿莫西林，头孢曲松）（25，26）。此外，晶体的形成和发育受多种调节分子的影响，这些调节分子被称为受体、启动子和抑制剂。

结石形成促进剂

据报道，许多受体或受体样特征在晶体-细胞相互作用中起关键作用，这被认为是肾脏中晶体滞留的最重要过程 ( 8 , 27 )。最近，作者筛选了 CaOx 一水合物 (COM) 晶体-细胞相互作用模型中的蛋白质变化，并在 COM 处理的 HK-2 细胞中鉴定出 1,141 种差异表达蛋白质 (DEP) ( 28 )。蛋白质和糖胺聚糖，如 CD44、核仁素、透明质酸 (HA)、热休克蛋白 90 (HSP90) ( 29 )、膜联蛋白 II ( 30 ) 和骨桥蛋白 (OPN) ( 28 , 31), 据报道可作为结石形成调节剂，之前已对其进行了彻底审查 ( 32 )。一些结构和分子成分也在晶体附着中发挥受体的作用，包括脂质双层的磷脂酰丝氨酸成分和蛋白质的酸性侧链 ( 33 )。钙离子、草酸根、尿酸根和磷酸根离子是晶体形成的主要促进剂，可通过激活多种机制促进结石成分的结晶或聚集。Ketha等人（34) 表明，首次肾结石患者的血清钙和 1,25(OH)2D 水平高于相应的健康个体血清钙水平，这表明结石形成是钙和维生素 D 调节改变的表现。较高的血清钙浓度作为岩石生成的促进剂，由钙敏感受体 (CaSR) 通过不同途径直接调节 ( 35 )。同样，据报道，尿酸盐和磷酸盐离子也可促进异质成核并增强晶体与上皮细胞的附着 ( 36 , 37 )。结石形成的另一个重要促进因素是尿液 pH ( 38 )。低 pH 尿液可能导致 CaOx 结晶和晶体沉淀（39 ). 高碱性尿液还可能促进 CaOx 晶体的沉淀和成核 ( 40 , 41 )。溶菌酶和乳铁蛋白是最近发现的两种蛋白质，它们通过加速晶体表面层推进速率来促进 COM 生长。

结石形成抑制剂

正常尿液中含有大量的抑制剂，它们既竞争又合作，因此减少结晶并抑制晶体聚集和/或粘附到肾小管上皮细胞 ( 43 , 44 )。这些抑制剂可分为三类：阴离子、金属阳离子和大分子。柠檬酸等阴离子在浓度高于 0.1 mM ( 45 , 46 ) 时可以非常有效地抑制晶体生长。大多数肾结石患者表现出柠檬酸盐排泄减少。碱补充剂广泛用于低柠檬酸尿性复发性肾结石患者，以恢复柠檬酸排泄 ( 47 , 48). 羟基柠檬酸盐是柠檬酸盐的结构类似物，据报道它在与钙形成复合物方面表现出同等的能力，以抑制结晶 ( 49 , 50 )。据报道，金属阳离子（例如镁）会抑制晶体生长和聚集，这在酸性环境中与柠檬酸盐具有协同作用 ( 51 - 53 )。大分子是最有效的晶体生长抑制剂。更具体地说，OPN、Tamm-Horsfall 蛋白 (THP)、尿液凝血酶原片段 1 (UPTF-1)、肾钙素 (NC) 和血清 IαI 的一些亚基能够抑制晶体生长、聚集和/或粘附到肾小管细胞。然而，如上所述，过饱和和结晶抑制剂之间存在竞争，最终决定了肾结石患者和健康个体的结晶尿模式。由于促进剂增加和抑制剂减少，晶体形成和肾结石的发生已被观察到（图1).

兰德尔氏斑和草酸钙结石的形成

RP 由 Alexander Randall 于 1937 年首次提出，是乳头状尖端的上皮下矿化组织区域，围绕含有 CaP 的 Bellini 导管开口 ( 56 )。扫描电子显微镜 (SEM) 检查显示 RP 由具有钙化壁的小管和被 CaP 塞阻塞的小管混合而成 ( 57 )。RP 由 CaP 晶体与富含各种蛋白质和脂质的有机基质混合而成，包括膜结合囊泡或外泌体、胶原纤维以及细胞外基质的其他成分 ( 58 )。越来越多的研究表明 RP 是肾结石的起源 ( 57 - 60). Winfree等人( 61 ) 阐明，肾结石发展为 RP 上的过度生长，其中包含独特的有机成分（纤维状胶原），可以通过特定的自发荧光特征与结石过度生长区分开来。值得注意的是，先前使用鼠类 RP 模式的研究表明，维生素 D 补充剂和钙摄入量可以显着加速 RP 形成 ( 60 )。然而，RP 形成的确切机制仍不清楚。

最近，研究表明长链非编码 RNA (lcnRNA) H19 和 MALAT1 介导人肾间质成纤维细胞 (hRIF) 的成骨分化并参与 RP 形成( 62-64 ) 。lcnRNA H19 已显示在 RP 中显着上调，可通过激活 Wnt/β-catenin 信号转导促进 hRIF 的成骨分化 ( 63 )。lcnRNA H19 还可以通过与 miR-216b 的相互作用，在 CaOx 肾钙质沉着症诱导的氧化应激和肾小管上皮细胞损伤过程中发挥促进作用，并通过 HMGB1/TLR4/NF-κB 信号通路发挥作用（64). lcnRNA MALAT1 可以作为竞争性内源性 RNA (ceRNA) 发挥作用，吸收 miR-320a-5p，上调 Runx2 表达，从而促进 hRIF 的成骨表型 ( 62 )。这些研究为 RP 介导的肾结石疾病的发病机制提供了新的见解，同时迫切需要进一步的研究来探索 RP 形成的机制，以及 RP 在结石形成的背景下的其他作用。

4.性激素在草酸钙肾结石中的作用

统计分析显示，男性患 CaOx 肾结石的发病率高于女性，比例为 2-3:1 ( 4 , 65 )；然而，确切的机制仍不清楚。以前的研究表明，雄激素增加，雌激素减少尿液草酸盐排泄、血浆草酸盐浓度和肾脏 CaOx 晶体沉积。此外，增强的雄激素信号可能是性别与肾结石形成之间关联的原因 ( 65 - 68 )。雄激素受体 (AR) 信号可以直接上调肝乙醇酸氧化酶 ( 69) 和肾上皮烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶 (NAPDH)，转录水平的 p22-PHOX 亚基，从而增加草酸盐的生物合成，最终导致肾结石形成 ( 70 )。Peng等人( 71 ) 报道，睾酮通过 HIF-1α/BNIP3 通路诱导肾小管上皮细胞凋亡和坏死，从而促进肾结石的发展。Changtong等人( 72 ) 揭示，睾酮可通过增加的表面 α-烯醇化酶增强 COM 晶体细胞粘附，从而促进肾结石疾病。朱等人（73) 证明 AR 可以通过上调 miR-185-5p 减少集落刺激因子 1 (CSF-1) 信号来抑制巨噬细胞的募集并抑制巨噬细胞的 COM 晶体吞噬能力。这些发现表明，雄激素受体信号可能是肾结石发展的关键因素（图 2).

图 2

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性激素在草酸钙肾结石中的作用。AR信号可诱导TECs凋亡坏死和肾小管损伤，促进COM结晶和草酸盐生物合成；然而，巨噬细胞募集和晶体吞噬作用受到抑制。相反，ER 信号可以减少 ROS 介导的肾小管损伤和 COM 结晶。COM，草酸钙一水合物；AR，雄激素受体；ER，雌激素受体；ROS，活性氧。

从理论上讲，AR 可能是一个新的潜在目标，并且可以评估用于抑制肾结石形成的新疗法。据报道，5α-还原酶抑制剂非那雄胺可消除睾酮对 COM 结晶的促进作用 ( 74 )。据报道，另一种新开发的 AR 降解增强剂二甲基姜黄素 (ASC-J9) 通过调节大鼠模型中的草酸盐生物合成和活性氧 (ROS) 诱导的肾小管上皮细胞损伤来抑制草酸盐晶体形成 ( 73 )。相反，雌激素可以作为防止肾结石形成的保护因素。体外_研究表明，雌激素导致 [Madin darby canine kidney (MDCK)] 肾小管细胞的细胞蛋白质组发生变化，导致 CaOx 晶体受体表面表达（膜联蛋白 A1 和 α-烯醇化酶）减少，细胞内 ATP 减少，细胞内细胞增强增殖和肾小管细胞组织愈合 ( 75 )。有证据表明，雌激素受体 β (ERβ) 可以通过直接结合 NOX2 5' 启动子上的雌激素反应元件 (ERE) 来抑制 NADPH 氧化酶亚基 2 (NOX2) 的转录，从而抑制草酸盐诱导的氧化应激。76 ), 对肾脏 CaOx 晶体沉积发挥保护作用。

所有这些发现可能部分解释了为什么男性肾结石的发病率高于女性。靶向 AR 可能被开发为 CaOx 晶体相关肾结石疾病的潜在疗法。然而，这些研究是在体外和体内进行的，仅使用细胞系或动物模型。需要进一步的验证和临床研究。非那雄胺和 ASC-J9 已被证明可以抑制多种 AR 介导的疾病，包括前列腺癌（77、78 ）、肝癌以及脊髓和延髓肌肉萎缩神经元疾病（79 ）). 然而，考虑到包括性功能障碍在内的副作用，在将非那雄胺和 ASC-J9 临床应用于肾结石预防之前，还需要进行更多的未来研究 ( 80 )。

5. 微生物组在结石形成中的作用

新出现的证据表明，属于人类微生物组的微生物，包括肾脏和泌尿道的微生物，由于它们的代谢输出和其他贡献，可能对泌尿系统健康产生深远的影响，无论是积极的还是消极的 ( 81 )。

产脲酶菌

产生脲酶的细菌，如奇异变形杆菌、肺炎克雷伯菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、斯氏普罗维登斯氏菌、沙雷氏菌和摩根氏菌，总是与鸟粪石的形成和复发有关 ( 82 , 83 )。细菌脲酶降解尿素并促进氨和二氧化碳的形成，导致尿液碱化和磷酸盐形成（图 3).

图 3

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产脲酶细菌在结石形成中的作用。产生脲酶的细菌分解尿素并促进氨和二氧化碳的形成，导致肾小管损伤和尿液碱化，随后形成磷酸盐。

尿液酸化和尿素酶抑制剂已被提议并实施用于预防和/或溶解尿素降解菌感染患者的鸟粪石和结垢；然而，由于它们的无效性和毒性，它们的长期使用受到限制 ( 84 )。还描述了由不产生尿素酶的细菌（包括大肠杆菌和肠球菌属）引起的二次感染结石( 85 , 86 )。然而，肾结石是形成并继发感染，还是由传播结石形成的感染灶引起，在很大程度上仍不清楚。

纳米细菌 (NB)

NB 已从肾结石中分离出来超过 30 年；然而，所涉及的性质和机制仍然不明确。Ansari等人( 90 ) 证明，培养的 NB 大小在 60 到 160 nm 之间，并且它们可以感染磷灰石肾结石患者。Kajander等人( 91 ) 表明 NB 可以通过自我增殖适应在普通 DMEM 或 RPMI-1640 中生长。在 Ciftçioglu等人的研究中（92)，证明 72 颗肾结石中有 70 颗 (97.2%) 含有 NB。NB 的存在与结石类型无关，尽管基于磷灰石的肾结石表现出最高的免疫阳性 ( 91 )。NB 被认为在钙成核中发挥作用，因为它们可以在其细胞壁中产生足够的磷灰石钙以引发病理性钙化和结石形成 ( 93 - 95 )。这一证据强烈支持 NB 是活的有机体的建议。

然而，越来越多的研究表明，NB，也称为“钙化纳米颗粒 (CNPs)”、“纳米细菌样颗粒”或“纳米颗粒”，仅仅是具有仿生功能的矿物蛋白质纳米颗粒 ( 88 , 89 )。尽管这些纳米颗粒的定义和性质仍有争议 ( 96 )，但它们在肾结石疾病中的作用已被广泛报道。已在 RP 中鉴定出 CNP，并已证明在体外对 3T6 成纤维细胞和 HK-2 细胞具有细胞毒性( 89 )，这有助于与肾结石形成相关的肾小管上皮细胞损伤。洪等人（97) 表明，CNP 处理的 HK-2 细胞中的过氧化氢酶 (CAT) 和丙二醛 (MDA) 水平显着高于 HK-2 对照组，表明 CNP 可能诱导脂质过氧化并导致 HK-2 细胞受损。Wu等人( 89 ) 证明了 CNP 可能：通过 JNK 激活诱导 ROS 的产生；通过下调Bcl-2表达和上调Bax表达降低线粒体膜电位，促进细胞凋亡；通过上调微管相关蛋白 1A/1B 轻链 3B (LC3-II) 和 Beclin-1 表达导致自噬 (图 4).

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图 4纳米细菌在结石形成中的作用。

纳米细菌可通过JNK/p-JNK信号诱导诱导ROS产生，可通过下调Bcl-2表达和上调Bax表达降低线粒体膜电位并促进细胞凋亡。此外，纳米细菌可能通过上调 LC3-II 和 Beclin-1 表达导致自噬。ROS，活性氧；LC3-II，微管相关蛋白 1A/1B 轻链 3B。

根据目前文献中的发现，NB 在肾脏中以高浓度存在，从尿液中排出，与 RP 和大多数肾结石分离，并通过促进成核和晶体形成发挥引发剂的作用。需要继续研究，以解决 NB 是活体还是非活体的争议，以及 NB 诱导钙化和结石形成的机制。

肠道菌群

肠道微生物群是最近引起广泛关注的领域，据报道它在肾结石病的发病机制和预防中发挥作用( 87 , 98-100 ) 。Oxalobacter formigenes是研究最充分的革兰氏阴性厌氧菌，可降解肠道中的草酸盐，并具有预防 CaOx 肾结石形成的潜在益生菌特性。

在一项试点研究中，Stern等人( 101 ) 调查了肾结石患者与未形成肾结石的患者肠道微生物组的明显差异。他们的结果表明，拟杆菌属在肾结石组中的丰度增加了 3.4 倍，而普氏菌属在非结石对照组中的丰度增加了 2.8 倍。24 小时尿液分析显示，真杆菌属与草酸盐水平呈负相关，而大肠杆菌属与柠檬酸盐水平呈负相关 ( 101). 然而，预先存在的肠道微生物群失调在肾结石病中的潜在致病作用仍不清楚，尿草酸盐排泄与草酸盐降解细菌丰度的关联仍然有限。

已经在结肠的近端和远端部分确定了草酸盐的吸收和分泌途径，由指导净草酸盐水平的神经激素调节。因此，有人提出肠道显着参与草酸盐平衡和随后的草酸盐稳态 ( 104 - 106 )。肠道也是草酸盐降解细菌往往存在的地方，尤其是产甲酸草酸杆菌，它需要严格的厌氧环境才能生存。微生物组在预防肾结石中的作用的一个假设是特定的功能性细菌，例如草酸盐降解细菌（例如Oxalobacter formigenes、Bifidobacterium sp.人类肠道和肠道中的牙龈卟啉单胞菌和芽孢杆菌属 sp.)，它们使用草酸盐作为碳能源，并在草酸盐阴离子存在的情况下茁壮成长，在肾脏中表现出对 CaOx 结晶的生长抑制 ( 102 , 107 , 108 ) (图 5).

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图 5草酸盐降解细菌在结石形成中的作用。

草酸盐降解菌利用草酸盐作为碳能源，在草酸盐阴离子存在的情况下茁壮成长，降低尿液中的草酸盐水平，并抑制肾脏中草酸钙结晶的生长。草酸盐降解细菌的活性介导肠道中草酸盐的肾外消除，并对血浆和尿液中草酸盐的稳态水平产生显着影响 ( 109 )。这种活性表现出与 CaOx 结石形成的发生密切相关。

6. 对尿结晶的免疫反应

巨噬细胞聚集和巨噬细胞相关的炎症或抗炎作用是在肾结石疾病中观察到的主要免疫反应改变，据广泛报道其在肾脏 CaOx 晶体形成中起着至关重要的作用。首先，募集的巨噬细胞可通过 CD44 与 OPN 和纤连蛋白 (FN) ( 111 )的相互作用促进 COM 晶体的形成，后者在晶体诱导的肾小管细胞中上调。其次，已证明巨噬细胞通过经典分泌途径分泌各种介质，导致肾间质炎症 ( 112 , 113 )，特别是巨噬细胞抑制蛋白-1、单核细胞趋化蛋白-1 和白细胞介素-8 (IL-8) ( 112 )。这些趋化因子因此增强了各种免疫细胞的募集，包括单核细胞、巨噬细胞、嗜中性粒细胞、树突状细胞和 T 细胞进入炎症区域（114、115). 几项研究表明，COM 暴露后巨噬细胞衍生的外泌体参与肾结石发病机制 ( 112 , 113 , 116 )。COM 处理的巨噬细胞外泌体中的一组蛋白质先前被鉴定为主要参与免疫过程的蛋白质，包括 T 细胞活化和稳态、Fcγ 受体介导的吞噬作用、干扰素-γ (IFN-γ) 调节和细胞迁移 ( 112 ) . 此外，浸润的单核细胞可以分化成具有广泛临床表现、表现和组织学表型的不同巨噬细胞亚型 ( 110 , 117 )，在肾结石发展中显示保护或致病活性 (110）。越来越多的证据表明，M1/M2 巨噬细胞分化在肾脏CaOx晶体形成中起着重要作用 ( 111 , 115 , 118-120 )。然而，有助于结石形成的 M1 巨噬细胞介导的炎症是否会启动结石促进剂并减少结石抑制剂仍存在争议。Khan等人( 58 ) 证明 M1 巨噬细胞可引起急性组织损伤，这与晶体沉积和 RP 形成有关。相反，田口等人（121) 得出的结论是，肾功能障碍与晶体沉积增加之间没有关联，这是基于他们的观察结果，即脂多糖 (LPS) 诱导的 M1 巨噬细胞介导的急性肾损伤中尿液变量没有观察到变化。M2 抗炎巨噬细胞可以通过网格蛋白依赖性机制吞噬和降解 CaOx 肾结石碎片 ) (图 6).

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