特发性高钙尿症和钙肾结石的形成

　　Coe FL, Worcester EM, Evan AP. Idiopathic hypercalciuria and formation of calcium renal stones. Nat Rev Nephrol. 2016 Sep;12(9):519-33. doi: 10.1038/nrneph.2016.101. Epub 2016 Jul 25. PMID: 27452364; PMCID: PMC5837277.
　　特发性高钙尿症和钙肾结石的形成
　　肾结石最常见的表现是无全身性疾病患者的特发性钙结石。大多数结石主要由草酸钙组成，并在间隙磷灰石沉积物（称为兰德尔斑块）的基础上形成。相比之下，一些结石主要由磷酸钙组成，如羟基磷灰石或透钙石（磷酸一氢钙），并且通常伴随着贝里尼导管中的磷酸钙沉积物。这些沉积物会导致局部组织损伤，并可能成为矿物质过度生长的部位。结石的形成是由草酸钙和透钙石使尿液过饱和引起的。过饱和水平与液体摄入量以及尿中柠檬酸盐和钙的水平有关。当尿中柠檬酸盐排泄量< 每天 400 毫克，柠檬酸钾已用于预防结石。每天超过 200 毫克的尿钙水平也会增加结石风险，并经常导致钙负平衡。肾钙重吸收减少在特发性高钙尿症中起作用。低钠饮食和噻嗪类利尿剂可降低尿钙水平，并可能降低结石复发和骨病的风险。
　　过去 50 年来，大多数国家的肾结石患病率都有所增加，截至 2010 年，美国的患病率为 8.8%，而 1994 年为 5.5% 1。男性的患病率较高（在美国最近的数据中，男性为 10.6%，女性为 7.1%），白种人的患病率高于非洲人1，并且至少 35% 的第一次结石形成者会出现一次或多次复发。由于结石病通常会影响成年人的工作年限，因此结石病的成本包括医疗干预以及因工作、学校或家庭护理而损失的时间，在美国每年超过 100 亿美元2. 大多数结石 (85%) 主要含有草酸钙 (CaOx) 和一些磷灰石或磷灰石形式的磷酸钙 (CaP)，有时还含有尿酸；不太常见的是，它们可能主要由 CaP 3组成。非钙结石可能由尿酸或胱氨酸制成。尽管许多全身性疾病，如原发性甲状旁腺功能亢进、肠道疾病和肾小管酸中毒，都会导致钙结石形成，但大多数钙结石存在于没有全身性疾病的人身上。许多形成钙结石的特发性患者具有可通过 24 小时尿液分析检测到的代谢异常，但不被认为是全身性疾病。这些异常中最常见的是特发性高钙尿症4. 这种疾病已被证明是可遗传的，但也受饮食等环境因素的影响。
　　由于临床实践中发现的大多数肾结石是特发性钙结石，而这些患者最常见的诱发因素是高钙尿症，因此本综述的其余部分将集中在这些患者身上，并讨论特发性钙结石形成的机制以及潜在的治疗方法。纠正高钙尿症和降低结石形成风险的策略.
　　对钙结石患者进行表型分析的传统方法包括分析结石晶体成分以及考虑是否存在可能导致结石的既定疾病。在特发性患者中，结石主要由 CaOx (>50%) 组成的患者被认为与结石主要由磷酸钙 (CaP) 晶体如磷灰石或磷灰石5组成的患者不同。
　　现代内窥镜技术可以在结石手术期间直接观察肾乳头，这为我们的表型增加了乳头形态。乳突的直接活检可以进一步细化结石表型，但不太可能用于患者护理，因为它目前是一种研究工具。
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　　特发性钙结石的形成
　　关于钙结石形成的一个关键问题是这些结石是与肾组织接触还是在大量尿液中形成而没有直接的组织相互作用。现有证据表明，钙结石确实会在与组织接触时形成，但缺乏证据表明尿液中也可能发生钙结石。如果结石形成的主要方式是在肾乳头的锚定部位，那么这些部位的性质以及它们发生的方式是结石发病机制的重要组成部分。
　　间隙磷灰石矿床的增长
　　临床上重要的 CaOx 结石可在称为 Randall 斑块的间质磷灰石沉积物上形成过度生长。在经皮或输尿管镜取石手术中，可以看到 CaOx 结石——包括临床上显着大小的结石——在人肾乳头上生长。图1）。这些石头只能通过一些努力才能分离，因此可以在石头上看到附着点。在某些情况下，外科医生也可以看到肾乳头上的相应附着区域。
　　在一项纳入 9 名特发性 CaOx 结石患者（排除全身性疾病患者）的研究中，我们发现手术中可见的 115 颗结石中有 78% 附着在乳突上，其中 90% 附着在斑块上，斑块本身占 ≤5乳头状表面积的百分比。6在对同一患者的未附着结石进行的另一项研究中，所有这些结石上都存在附着部位（磷灰石沉积物）的证据，表明其起源于斑块。7
　　没有高钙尿症的患者在斑块上形成 CaOx 结石的百分比是未知的。在未经选择的 78 名接受经皮肾镜取石术 (PNL) 的患者中，Linnes等人。确定了 37 名患有特发性 CaOx 结石的患者（其中 26 名女性）。8这些患者没有明显的高钙尿症（平均 24 小时尿钙水平为 210 毫克）。尽管研究人员报告平均斑块表面积覆盖率为 3.6%，但他们并未说明是否在斑块上发现了 CaOx 结石。在随后的一项研究中，包括 42 名接受 PNL 的 CaOx 结石特发性患者，在 10 名患者（其中 6 名男性）中发现了丰富的斑块（>5% 的表面积覆盖率）。9这些患者的尿钙排泄量（每天 291 毫克）高于斑块丰度较低的患者（其中 8 名男性；每天 187 毫克）。在第三项研究中，这些研究人员发现 95 名形成特发性 CaOx 结石的患者（其中 42 名男性）与 19 名健康个体或 23 名形成尿酸结石的患者相比，没有发现斑块或尿钙增加的证据。10
　　尽管这些来自一组研究人员的研究没有报告结石形成的位置，但通过显微 CT 对结石的分析表明，那些来自斑块表面积覆盖率 > 5% 的患者更有可能显示出生长的证据斑块表面覆盖率低于斑块表面积覆盖率 <5% 的患者。未来的手术系列将阐明使用内窥镜检查可以记录斑块上结石生长的频率。
　　也可以通过仔细分析结石本身来研究牙菌斑上结石的形成。在法国实验室使用红外光谱和形态结构分析对大量结石进行分析后，在 1989 年至 2013 年间收集的 30,149 块完整结石中，至少 85% 的 CaOx 显示出在 Randall 斑块上形成的证据11. 此外，在 1990 年至 2010 年间，男性和女性，尤其是年轻人中，斑块上结石成核的频率显着增加。对 2009 年至 2011 年间通过的 CaOx 结石的分析表明，在 20-29 岁的患者中，大约 60% 的女性和 50% 的男性通过的结石在斑块上形成核，而女性和 20% 的患者通过25% 的男性通过年龄≥70 岁。无法确定这些患者中有多少是特发性结石形成者，但很可能大多数患者没有全身性疾病。
　　组成的特发性患者，也观察到了 CaOx 结石在间质斑块上生长的现象。. 然而，形成特发性高钙尿 CaOx 结石的患者是独特的，因为斑块上的生长似乎是结石形成的唯一机制，而斑块通常是唯一的肾组织矿化。在患有全身性疾病的患者和形成羟基磷灰石或磷灰石结石的患者中，发现斑块上的生长与不同类型的组织矿化相结合：羟基磷灰石、磷灰石或 CaOx 晶体堵塞内髓和乳头集合管，这取决于临床状况17（下文讨论）。
　　斑块形成
　　斑块形成的初始部位是 Henle 环的细肢的基底膜，其中斑块表现为交替的有机和磷灰石晶体叠层的微球。图 2) 18 . 随后，通过扩展或额外形成，斑块出现在乳头间质中。在该位置形成的斑块是有机基质中磷灰石晶体的汞合金，该有机基质含有骨桥蛋白19、α-胰蛋白酶间抑制剂重链 3 20和其他尚未确定的分子。
　　来自特发性 CaOx 结石患者的术中组织活检样本中斑块的高分辨率 CT 成像支持斑块从 Henle 环的细肢延伸到间质的想法。在一些图像中，可以看到矿物质沿着细肢的长轴形成，并与板状间质斑块21平滑地融合。对 12 名接受 PNL 的特发性 CaOx 结石患者的乳头状活检样本进行分析，发现所有患者均存在斑块22. 斑块沉积物位于间质和管状上皮的基底膜中；未报告所涉及的具体小管段。X 射线色散显微分析表明，沉积物由钙和磷酸盐组成。在间质中，斑块沉积物与长而细的胶原纤维混合在一起。正如在骨形成中所见，胶原纤维充当了 CaP 晶体异质成核的支架。这些发现证实了我们的工作。
　　导致间质斑块形成的机制尚不清楚。可以排除成骨的作用，因为关键的骨基因RUNX2和SP7（也称为Osterix）在来自 9 名特发性 CaOx 结石患者的活检样本中的斑块部位没有表达23。相比之下，这些基因在 12 名髓质海绵肾病患者中的 10 名样本中表达23。髓质海绵肾患者相当原始的乳头状间质细胞确实表达RUNX2和SP7，但表达的地方从来都不是矿物沉积的地方。在髓质海绵肾患者中，可在扩张的囊性末端集合管内发现微小结石，但在这些部位不表达骨基因。
　　我们观察到，斑块覆盖率是尿钙排泄的直接函数，是尿液 pH 值和尿量的反函数24。尿钙影响斑块形成的机制可能与肾小管钙重吸收有关，在患有高钙尿症的结石形成者中钙重吸收减少。特别是，高钙尿结石形成者的近端肾小管重吸收的钙较少，而输送到远端肾单位的钙较多。在外肾髓质中，血管束被一圈厚的升支 (TAL) 环所包围，它独立于水25重新吸收钙。TAL 中的钙重吸收主要通过细胞旁途径发生26并且由小管腔和血液之间的跨上皮电压差驱动。随着向 TAL 输送钙的增加，钙的重吸收将趋于以相同的速度增加，并且由于水未被重吸收，维管束内的钙浓度将增加。下降的直肠血管为围绕亨利环的细四肢的毛细血管网络提供血液，斑块颗粒起源于其中18。因此，原则上增加近端小管钙的输送可以通过我们称之为＂血管冲洗＂的机制促进乳头状斑块形成27. 这个想法与已知的斑块形成和肾脏生理学相一致，但尚未得到实验证明。可能影响斑块形成的乳头状间质过饱和在很大程度上与尿液过饱和无关，这两种过饱和有不同的生理原因。
　　Stoller 及其同事发表了支持直肠血管斑块发生的论点，该研究基于对 50 次连续尸检（包括两个结石形成者的尸体肾脏）的研究，其中 57% 的肾脏在放射学上检测到乳头状钙化。在肾小管周围的间质中发现了钙化，而高血压是与这种钙化最密切相关的因素。将结石形成与心血管疾病联系起来的流行病学数据28被引用为支持与血管疾病之间的联系，无论是组织学的。在大多数关于结石形成的数据中，血管起源部位的证据并不明显。
　　已经产生了两种斑块形成的动物模型：NHERF-1 敲除小鼠和 Tamm-Horsfall 蛋白敲除小鼠29。这些模型可能被证明是进一步研究肾结石发病机制的有前途的工具。
　　斑块上的石头形成
　　CaOx 结石在斑块上形成的过程无法进行，除非尿路上皮受到损害，以至于尿液过饱和可以驱动新的晶体形成。斑块的暴露表面被多层交替晶体和有机基质带覆盖，面向泌尿空间（图 2）。鉴于斑块暴露在尿液中，内部有机层的形成似乎是第一个事件。由于这一层含有尿调节素（也称为 Tamm-Horsfall 蛋白），因此它必须来自尿液30。
　　连续的羟基磷灰石成核层和有机覆盖层在暴露的斑块上形成多层覆盖带。带状磷灰石的形式是无定形的30；它不具有成熟磷灰石的确切结构，而是呈微小的高度水合晶体的形式。这种形式在泌尿表面转变为成熟的磷灰石，形成更大、更有棱角的尖晶石，形成新结石的磷灰石基质基体。当去除结石或仔细检查牙菌斑上形成的未附着结石时，可以看到该基底31. 将条带的有序叠片转化为不规则且体积更大的石材基底，并将磷灰石成核转化为 CaOx 成核以构成最终石材主体的过程尚不清楚，但可能涉及将无定形磷灰石转化为成熟磷灰石。
　　小管塞上的生长
　　贝里尼导管和内髓集合管的堵塞发生在一些特发性 CaOx 结石8、10，几乎所有特发性钙磷灰石或羟基磷灰石结石患者15以及所有患有全身性疾病（如原发性甲状旁腺功能亢进12 ）的结石患者中，肠道疾病包括回肠造口术13 , 小肠切除术14 , 肥胖搭桥手术32 , 肾小管酸中毒33 , 胱氨酸尿症34 , 原发性高草酸尿症35. 贝里尼导管塞的位置意味着它们在其近端表面上暴露于小管液，在其远端表面上暴露于尿液。它们可以向上生长到肾单位并向外生长到大量尿液中（图 3）
　　我们从对人体肾脏的观察中得知，斑块上的生长会在形成钙结石的患者中广泛存在，无论是特发性的还是继发于全身性疾病的患者。肾小管栓会导致其组成类似于肾结石的过度生长，但迄今为止观察到的过度生长太小而不会产生临床疾病。自然的假设是这些过度生长的大小增加并成为临床相关的结石，但这种机制仍有待证实。我们还没有发现附着在栓子上的具有临床意义的大小的结石，这表明过度生长不会增加大小以在该位置形成结石。这种生长可能发生在花萼的裂缝中，但尚无方法来检验这一假设。
　　随着将来研究更大的人群，斑块和堵塞发生的频率将逐渐确定。重要的是，这些研究清楚地记录了结石形成的位置，以便阐明结石形成的机制。
　　游离溶液中的形成通常被认为是肾结石形成的一种机制37，但缺乏这种机制发生的证据。从栓塞过度生长或在大量尿液中形成的结石可能看起来相同。理论上，有机结石、胱氨酸和尿酸可能在游离溶液中形成，但目前尚无实验测试可以在人类身上证明这一假设。髓质海绵肾患者的微石可能是在游离溶液中形成的最明显的候选者23。这些圆形的、未附着的、羟基磷灰石和 CaOx 在扩张的内髓质集合管的管腔中形成，但没有证据表明它们会长成具有临床意义的结石。
　　最后，形成透钙石或羟基磷灰石结石的患者的皮质变化与临床上重要的肾脏疾病之间的关系尚不清楚。一些证据支持形成结石的患者患慢性肾病的风险增加38，这可能反映了我们对内髓管栓患者的皮质瘢痕形成的发现，但还需要进一步的研究。
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　　晶体的形成过饱和的作用
　　在物理化学的基础上，过饱和被认为是驱动晶体成核和生长的自由能的主要来源39、40。可以使用一套完善的测量值41、42和计算机程序来估计尿液相对于结石中相关晶相的过饱和度，这些计算机程序计算这些结石盐溶液中的同时离子平衡，并将它们与已知的热力学溶解度进行比较常数来推导过饱和度的估计。[参考：Finlayson B.＂钙结石：一些物理和临床方面＂，在肾衰竭和肾结石中的钙代谢，David DS，编辑。John Wiley and Sons，纽约，1977 年。第 337-382 页]。在形成钙结石的患者中，至少有两个过饱和度总是值得关注的：CaOx 和 CaP。即使是在斑块上形成最纯的特发性 CaOx 结石并且没有肾小管堵塞的患者，也需要羟基磷灰石形成作为这些结石的基础30。在几乎所有同时伴有肾小管堵塞的特发性钙结石患者中，在栓子和结石中都可以发现羟基磷灰石和透钙石以及CaOx 14、31. 调节 CaP 和 CaOx 过饱和的具体尝试是否会导致改善结石预防可能会在未来的试验中进行评估。鉴于目前缺乏试验证据，并且几乎没有明显的风险，监测和控制两个过饱和值似乎是一种谨慎的临床方法。
　　可能除了在一些形成特发性钙结石的患者中少量草酸盐分泌43外，主要的结石晶体成分——钙、磷酸盐和草酸盐——被过滤和重新吸收，因此尿液的过饱和度不能超过血液的过饱和度，除非通过沿肾单位的水提取. 尿液过饱和本质上是由水提取产生的储存能量，可以通过驱动相变40消散。这种完善的范式强调了简单水合作用的非凡力量。通过减少水的重吸收，流体逆转了结晶的主要引擎。
　　尿蛋白的抑制作用
　　现代技术已鉴定出超过 1000 种尿蛋白44 , 45，其中许多早已为人所知，因为它们具有在动力学上延缓钙晶体成核、生长和聚集的能力46 , 47。结石含有许多这样的蛋白质，大概是因为它们的晶体在它们形成时已经从尿液中吸附了它们48。
　　尽管过饱和，尿液蛋白是尿液可以保持稳定数天的主要原因；具有相似过饱和度的简单盐溶液是不稳定的40。从本质上讲，蛋白质组改变了过饱和和结晶之间的联系。在简单溶液中，过饱和和结晶密切相关，而在尿液中，过饱和是必要的实现晶体形成并防止晶体溶解，但由于存在未知数量的抑制剂，无法预测特定水平的过饱和会导致新晶体形成。因此，比较健康人和形成结石的患者的尿液过饱和度并确定能够可靠地区分两组的过饱和度的想法是有缺陷的。
　　晶体相互作用
　　磷灰石
　　在尿液中，当通过添加钙在体外诱导成核时，形成的初始相通常是透钙磷石49。草酸盐可以与透钙磷石表面的钙原子结合，开始形成CaOx晶体。由于 CaOx 晶体的溶解性低于透钙磷石，因此只要溶液相对于 CaOx 40、50 过饱和，它们就能够蚕食透钙磷石。在骨钙素40的存在下，羟基磷灰石可以开始在透钙磷石的表面上形成并释放质子，因为透钙磷石的磷酸一氢盐作为三价负磷酸根离子被吸收到羟基磷灰石晶格中。
　　因此，透钙石通常是尿液中的一种过渡相，人们通常不会期望在肾结石中发现透钙石。事实上，大量的结石报告说只有大约 1% 含有透钙磷石51、52 .. 透钙石持续存在的机制可能涉及尿液蛋白质组的特定模式，但这一假设尚未得到研究。
　　柠檬酸盐
　　柠檬酸盐离子结合钙53，因此减少了可用于与草酸盐或磷酸盐结合的钙的量，从而降低所有钙结石晶体54的过饱和度。柠檬酸盐与透钙磷石晶体的结合拓宽了它们的生长板，从而减缓了它们的生长并抑制了新透磷石的形成，因为草酸盐和磷灰石将其用作离子源40。柠檬酸盐还与 CaOx 晶体上的生长脊结合并减缓其生长40、55。
　　重要的是要注意，透钙石晶体自相残杀已被证明发生在体外，而不是在整个尿液中。同样，柠檬酸盐对晶体的影响也只在简单的溶液中得到证实。所有晶体都遵循相同的物理定律，但考虑到巨大的尿液蛋白质组及其晶体活性分子，体外研究可能无法完全预测尿液中晶体和柠檬酸盐的相互作用。
　　图1
　　CaOx 结石上的间质斑块和相应的附着位点
　　一个 | 经皮肾镜取石术前附着在乳头上的 3 mm CaOx 结石的数字内窥镜图像。可以看到多个间质斑块（箭头）以及用于图像定位的血管（箭头）。乙 | 取石后，乳头被重新成像 - 显示取石后间质斑块和血管部位的覆盖图已放置在原始内窥镜图像上c | 脱落结石的＂幻影＂CT 图像显示结石乳头表面的磷酸钙部位（箭头）。插图显示了分离结石的乳头状表面的光学显微镜图像，其中包含磷酸钙（箭头）。d | 结石乳头表面的磷酸钙部位（箭头）与间质斑块区域对齐，乳头上有中央血斑（箭头），这可能是结石附着部位。插图显示了脱落结石的泌尿表面。
　　图 2
　　特发性 CaOx 结石形成者间质斑块的部位
　　一个 | 内窥镜图像显示覆盖乳头尖端的间质斑块的不规则白色区域。乙 | 该区域的活检显示在内髓质的间质空间内有黑色 Yasue 染色材料（箭头）。c | 光学显微镜和d | 透射电子显微镜图像仅显示 Henle 薄环基底膜中的斑块区域，表明斑块起源于该部位。电子| 斑块由具有多达九个交替的光（羟基磷灰石）和暗（基质）层的层压球体组成。f | 斑块的显微 CT 图像填充了间质并产生了包围附近小管的岛，没有管腔内沉积物的证据。克 | 透射电子显微镜图像显示多层带状结构将间质斑块区域（右下）与发育中的结石（左上）分开。在带状白色层的最厚区域（插入），细小的针状体垂直于表面，与包含紧密堆积的晶体的空隙相邻（小箭头）。许多小晶体生长到带状（星号）的外缘，并在发育过度生长时与泌尿空间内的大晶体融合。双箭头表示一个大的向内生长的晶体。许多小晶体生长到带状（星号）的外缘，并在发育过度生长时与泌尿空间内的大晶体融合。双箭头表示一个大的向内生长的晶体。许多小晶体生长到带状（星号）的外缘，并在发育过度生长时与泌尿空间内的大晶体融合。双箭头表示一个大的向内生长的晶体。
　　图 3
　　Bellini 导管堵塞形成钙结石的患者过度生长
　　一个 | 形成堵塞的贝里尼导管 (BD) 的结晶沉积部位，其过度生长区域突出到泌尿空间。乙| 从扩张的 BD（箭头）突出的塞子（箭头）的内窥镜图像。BD 塞子通过光学显微镜和显微CT 可见过度生长c| 患有特发性羟基磷灰石结石的患者，d| 特发性透钙石结石患者e | 一名回肠造口术患者，f|原发性甲状旁腺功能亢进症患者 髓质海绵肾。弯曲的虚线将 BD 塞与过度生长区域分开。