泌尿系结石的形成机制

尿路结石的形成有多种因素,包括内因和外因,但具有这些因素还不一定会发病,其发生还需要一定的条件并且有一个过程。换言之,具有结石的病因虽然具有了结石生长的必然性,但还需要一定的偶然性。有病因只表明容易罹患尿路结石,还要在偶然的条件下,有一个过程,即有一定的发病机制,才导致结石的形成。尿石的成分非常复杂,不同成分的结石其形成原因不相同,即使同一成分的结石其形成过程也不尽相同。目前关于结石的发病机制有着一系列的学说,每一个学说都从一个角度说明结石的发病机制。这些学说包括:过饱和结晶学说、抑制剂学说、促进剂学说、基质学说、肾钙化斑病损学说。

一、过饱和结晶学说

人们最早认为结石的发生是由于尿液过度浓缩,尿液中的结石成分沉淀下来而形成。以后逐渐认识到结石患者的尿石成分比正常人要高一些,最先发现尿酸结石患者尿中的尿酸含量较高,后来逐渐注意到含钙结石患者的尿中钙、草酸等的含量也较正常人高,认识到结石成分含量高和尿量少共同促进了尿路结石的形成。尿石有关的成分很多,它们之间的关系很复杂,直到最近学者们把物理化学的方法和理论应用于结石的研究,测定尿量、尿pH、钙、磷、草酸、镁、尿酸、肌酐等,借助计算机手段对复杂的公式进行计算,对结石的发病机制有了较为深入的了解。尿量和结石中的各种成分对尿饱和度的影响是不一致的:尿量影响最大,尿量的增多和减少会使尿液的相对饱和度急剧升高或降低;其次是尿酸,尿液中尿酸的含量增加也迅速增加尿液的相对饱和度;再其次是钙,钙的含量增加虽然也引起尿液相对饱和度的急剧增高,但是达到一定程度后尿液相对溶解度的变化相对变缓,再增加时反而有下降趋势,这是由于钙过多时产生了螯合物,增加了溶解度的关系。相反,磷、镁、枸橼酸的含量越高,尿液的相对饱和度反而下降,这反映出抑制物的作用。

(一)尿液过饱和是尿石形成的能量来源

从物理化学的角度来看,结石的形成与三个因素密切相关:①尿中可形成结石的尿盐过饱和,以致形成大量结晶;②对这些结晶形成的促进物增多或抑制结晶形成的物质减少;③尿路通畅性改变或尿路黏膜性质异常。其中尿液过饱和虽然不是形成结石的充分条件,但却是一个主要的前提。

当尿液中结石成分的浓度达到溶度积时,即达到饱和,此时如果尿液继续浓缩,就进入过饱和的亚稳定区。此时,尿液虽然已经过饱和,但并不形成结晶,然而已经形成的结晶可以生长。当尿液中的结石成分浓度继续增大,达到形成积时,进入超饱和的不稳定区,此时可以自发形成晶体,已经形成的晶体可以快速生长。以草酸钙结石的形成说明其机制:在一个确定的pH和温度下,增加某种物质在溶液中的含量直至使其析出结晶,这时该物质在溶液中即达到饱和,当两种物质析出结晶的时候(如草酸钙和磷酸钙),溶液的饱和程度由这两种物质的浓度决定。尿液不同于一般溶液,尿液中含有许多种带有电荷的活性粒子,活性离子间的相互作用,相互吸引和排斥,可以改变元素本身的溶解性,从而影响结晶化过程,一般将这种生物电活性称为Z电势,尿液中过饱和程度可以用这些离子的活度积与尿石盐的溶度积来表示,当活度积低于溶度积时,尿液处于过饱和状态。若在溶液中加入草酸和钙,使其达到饱和但不能形成有形产物,此时在原有pH和温度下,继续增加草酸和钙的浓度,仍未能形成物质,这个溶液对于草酸钙来讲就是过饱和溶液。尿液过饱和在形成或未形成结晶这个区间,一般称为准安定区,如能自发形成结晶则成为超饱和状态。假如在同一时间里,溶液的所有部分均发生了结晶的核心形成,如同在纯净的溶液中发生的一样,这个过程就被称为同质成核作用,实际上,极纯的溶液是极少的,所以灰光颗粒、玻璃碎片等在此溶液中可以起到一个结晶核心的作用,同质成核作用在尿液中一般不会发生。尿液中的结石核心,多数是结晶体,大分子或细胞碎片,这些物质在过饱和状态下,引起真正的结晶和形成,因其本身已是结晶核心,所以在此基础上形成的结晶核心被称为是二次成核,这个二次成核又称异质成核。

(二)结石形成的化学动力学过程

Robertson将结石的形成从化学动力学上分作四个阶段:成核、生长、聚集、固相转化。

1.成核　成石物质从液相变成固相首先要经过成核阶段。成核可以看作是成石物质的离子先缔结成团而后排列成有序结构的簇,当簇的分子达到一定数目的临界阈时才能稳定的发展成核,低于这个临界阈时分子还会分散。临界阈与过饱和度及成核反应的活化能有关,后者又与表面能成正比。过饱和度越低,成核反应的活化能就越高,临界阈就越大,越是不容易成核。反之,过饱和度越低,成核反应的活化能越低,或表面能越低,越容易成核。过饱和度越高成核速度也就越快。这里的核指的是晶核,存在于每一个晶体的中心,只有0.5～2nm,不可与一般结石中心的核心概念相混淆。核的成分与晶体成分完全一致的,称作同质成核。它们的形成需要很高的饱和度,即高于形成积的超饱和状态,而且需要纯净的溶液。这在尿液中是很难达到的,因为尿液不是纯的溶液,相反尿液是含有无数微粒的胶体,这些微粒即可提供晶核形成的表面,只需要较低的饱和度,在亚稳区即可形成。这是尿石成核最常见的方式,是异质成核。

2.生长　晶体的生长包括两种基本过程,即溶质向晶体的运送和与晶格的结合,两者都可以影响生长的速度。一般在生长时尿液的浓度要大于晶体表面浓度,当然更大于溶解度。当溶质的运送充分时,晶体的表面状态起主导作用,一般在有缺损、坎坷、阶台或棱角等的位置,由于受更多的吸引力,晶体易于在这些部位吸附析出,于是又形成新的不平表面,如此反复,使结晶逐渐增大。当结晶附近溶液浓度较低时,则结晶生长要依靠从周围扩散或流来的溶液的速度决定。晶体的生长方式有多种类型,常见的有螺旋生长和多核心生长方式。根据公式计算,草酸钙和磷酸钙可能是螺旋生长,磷酸八钙和磷灰石可能是多核心生长。多种因素如温度、搅拌、抑制物等都影响生长。

3.聚集　指多个晶体聚集在一起形成较大的结晶颗粒或结晶团。尿液可以看作是一种胶体,其中大大小小的颗粒,包括晶体。与其质量相比有很大的表面积,而自由度很高,极不稳定,有自发絮凝在一起的倾向。一旦发生絮凝,体系的自由能随着表面积的减少而降低,趋向于热力学的稳定。临床上尿石症患者尿中大晶体(12μm以上)比例系数较正常人高,表明它们的晶体更趋向于聚集。粒子间有多种作用机制,包括静电引力、范氏力、液体桥、毛细作用等。其中对晶体聚集最起作用的是静电斥力和范氏引力。粘结力在结石来源于蛋白基质。严格地讲,聚集只是絮凝的一种,指颗粒面对面有序的聚集,表面积明显减少,另外一种颗粒散乱无序的聚集,表面积无显著减少的应称为团聚,这种差别在结石可能因为基质和晶体相互比例和作用不同所致。在尿石的形成过程中,结晶凝聚比结晶生长所起的作用更大,因为尿中晶体依靠结晶凝聚可以快速增大,而其不一定依赖尿液的过饱和,单纯结晶生长无论如何也不能形成像结晶凝聚所形成的那样大的结晶团块。现已证实,尿石症患者尿中大晶体数量比正常人为多,有报道尿中大晶体数量与结石的发病率呈正相关。

4.固相转化　从尿中最初析出的晶体往往是根据动力学上比较有利的条件,但并不是热力学上最稳定的,因此还要转变为热力学上稳定的晶体。例如草酸钙,一水化合物是最稳定的,但形成时需要很高的活化能,因此先形成需要活化能少的二水或三水化合物,然后再消耗更少的活化能变成一水化合物。同样,磷酸盐系统也有类似的转化过程,从尿中先析出磷酸八钙,再转变成磷酸氢钙,当尿液碱性时转变为最稳定的羟磷灰石。这种固相转化不止在尿中发生,而且可以在结石形成以后继续进行。不仅如此,由于结石存在缝隙,尿液还可以渗进去,尿中的成分还可以取代结石中已有的成分,这种现象在矿务界叫作交代现象。有人发现结石中的胶状磷灰石由于具有很大的表面积,是一种活跃的离子交换体,可以逐渐被尿中的草酸钙所取代。结石中还可以存在重结晶,基质老化等进程,如一水草酸钙可重结晶形成从中心到外围的大晶柱,基质可被挤压、脱水等。

二、抑制剂学说

尿中的结石盐分有的经常呈过饱和状态但不沉淀出来,认为是由于健康人尿中有多种抑制物防止结晶形成,而尿石症患者患者的抑制物不足,才容易发生结石。1958年Howard和Thomas发现健康人的尿可以防止维生素D缺乏症大鼠的软骨钙化而尿石症患者的尿则不能防止的现象,人们做了大量的工作,去探索尿中具有抑制作用的物质,尤其时理化方法应用以来建立了许多测定的方法。由于生物化学和分子生物学的进展,增加了对蛋白成分的认识。但也应也产生了许多不清楚的概念。应用时要加以分析。如:①“抑制物”的名称常不够具体或不恰当,最好说对某种系统(草酸盐或磷酸盐系统)和某个环节(成核、生长、聚集)有抑制作用。但文献上常把某一两个环节或笼统地“结晶”或“沉淀”起抑制作用的物质称为抑制物。这样容易发生误解,例如对生长有抑制作用的物质往往对成核有促进作用,因成核而降低了饱和度。又如一些蛋白质如TH蛋白在一般情况下可以抑制草酸钙的生长,但发生聚合或其他变化后又是很强的成核促进剂;②绝大多数的测定是在人工尿-无机盐溶液中完成的,少数是在稀释尿液或超滤过尿液中测定的,很少用全尿,即使用全尿也往往用离心或过滤的方法去除掉其中某些物质,因此不能推断在全尿中的作用(全尿因为蛋白质的干扰,除后来应用的快速蒸发法外很难在测定中应用)。

尿液中的草酸钙若为过饱和状态,则析出结晶,出现结晶尿,此为析出草酸钙结石的基础,但约有9%的健康人的尿液,往往也呈现过饱和状态,但并不形成结石,所以说尿液过饱和状态并不是结石形成的充分条件,大量结晶尿出现,也未必就一定形成结石。也说明了健康成年人的尿中结晶,与结石患者的尿在质和量上有所不同。Robertson报道:复发结石患者与健康对照组比较,尿中出现的结晶较大,凝集较多,经治疗后,结晶变小,凝集减少;有学者报道10例复发结石患者尿中结晶的直径为9～25μm,而5例健康人尿液中结晶的直径为5～9μm。Hallson和Rosel总结结石患者与健康人尿中结晶的不同之处:①已出现结晶尿;②结晶量多;③大体积的结晶多;④凝集的结晶多,总之,结石患者的尿饱和程度高,比健康人已出现结晶尿,尿液结晶以凝集者居多,应该强调的是,结晶有无凝集和凝集的多少,是结石患者尿液结晶与健康人最重要的区别,这可能是结石患者尿中缺乏草酸钙结晶凝集的抑制物,因此很少出现健康人的散在结晶。既然健康人尿液也可呈过饱和状态,出现结晶尿,但不形成结石,尿液过饱和学说不能解释这个问题了。在泌尿系结石患者的尿中,草酸钙的浓度比健康人要高,但在24h尿中,结石患者与健康对照组之间的差异都无统计学意义,表明健康人尿中的某些物质可以抑制草酸钙结石的形成,也就是说草酸钙结石患者尿中缺乏草酸钙结石形成的抑制因子。

另外,尿液的抑制活性究竟源于小分子抑制物还是大分子抑制物目前尚有争论。Edyvone在全尿中去除大分子后发现,超滤尿对草酸钙晶体的成核并无影响,却促进了晶体沉积,并显著增加了晶体凝集,认为尿中大分子物质在抑制因子中起主要作用,但也有相反的报道。

从物理化学角度看,抑制作用大致有3种方式:形成螯合物、增加溶解度、降低饱和度,如镁、枸橼酸;吸附于颗粒上,尤其是生长点上,增加斥力,如枸橼酸、葡胺聚糖;空间障碍,链状分子的一端吸附在颗粒上,当2个颗粒达到2个分子距离的时候受到阻力,如TH蛋白。

(一)分子有抑制作用的成分

1.焦磷酸　吸附于颗粒表面,在无机溶液中对草酸钙、磷酸钙成核、生长都有抑制作用,对草酸钙聚集有抑制作用,对磷酸钙系统的抑制作用更强,仅需抑制草酸钙系统浓度的1/10。尿中排出0.36～2.39mmol/24h。抑制作用占全尿抑制性的10%～　15%。焦磷酸在细胞内生成,通过细胞内焦磷酸的再水解生成正磷酸盐。焦磷酸盐口服不吸收,而且迅速分解。因此不能作为药物应用,但是可以通过口服正磷酸盐提高焦磷酸盐的水平。合成的药物如二磷酸盐有焦磷酸的作用,而且更为稳定。

2.镁　生成螯合物,在无机盐中对草酸钙、磷酸钙的成核、生长都有抑制作用。氢氧化镁目前仍是常用的药物。

3.枸橼酸　同时具有螯合和吸附的作用,在无机盐溶液中对草酸钙、磷酸钙的成核、生长、聚集都有抑制作用,在全尿中也有一定作用,尿石症患者不少有低枸橼酸尿。体外试验表明:枸橼酸也可抑制草酸钙结石的形成,不仅可以抑制草酸钙结石形成,更重要的是能抑制草酸钙结晶的凝集,枸橼酸抑制草酸钙结晶化的作用比焦磷酸更大。枸橼酸目前是防治结石最常用的药物。

4.磷酸枸橼酸　Chow和Howard从尿中提出此种化合物,作用机制为颗粒吸收,对草酸钙和磷酸钙都有较强的抑制作用。

5.微量元素　有人发现铜、锌、铝和锰离子对草酸钙的生长有抑制作用,铜、锌、铝、锰、铁离子对草酸钙和磷酸钙的成核及生长具有抑制作用。

(二)大分子物质

利用透析除掉尿中的低分子物质,比较其前后的抑制活性,发现透析后的尿液,其抑制活性为透析前的50%以上。Koid等将尿中的抑制物质分为分子量在10000以上的大分子物质和分子量在10000以下的小分子物质,发现大分子物质占总抑制活性的70%～80%,最近Wolf和Stoller报道了区别由于形成复合体而起作用的抑制因子和在结石表面起作用的抑制因子的研究方法。将枸橼酸和镁离子与钙和草酸制成复合体后,可以起到抑制作用。由于低枸橼酸尿是结石形成的重要因素,应用枸橼酸制剂可以预防结石的再发,另外,应用枸橼酸制剂后还可以引起尿中的TH蛋白的增加。高分子物质因为附着于结晶的生长点,抑制结晶生长,从而在非常低的浓度也能显示抑制作用,目前已经报道的抑制物较多,现将主要者分述如下:

1.胺聚糖(GAGs)　是一组含有糖醛酸并除透明质酸外含硫酸集团的多糖,是细胞表面、结缔组织的重要构成成分。常与蛋白结合存在,有较强的酸性,旧称酸性黏多糖。具有调节细胞外液容量、电解质的移动、钙在组织中的平衡和沉积(骨化或钙化等)、组织纤维化等重要作用。构成GAGs的单糖主要有葡萄糖和半乳糖胺,根据组成二糖单位的单糖不同,分为以下七种:透明质酸,硫酸软骨素A,硫酸软骨素B,硫酸软骨素C,硫酸乙酰肝素,肝素,硫酸角质(KS)。

2.核糖核酸类似物　很早发现此类似物或其片段存在于尿中,对草酸钙晶体的生长和积聚有抑制作用,经核糖核酸酶作用后失活。

3.氨基酸、肽和多肽　很早即发现有些氨基酸对结石有抑制作用,其中丙氨酸最有效,认为其作用可能是络合钙或影响基质。1976年在尿中发现游离的γ-羧基谷氨酸,1977年有学者发现尿中的聚酸性多肽,1978年从尿中分离出含Gla的酸性多肽都对草酸钙晶体的生长有抑制作用。

4.黏蛋白　TH蛋白是尿中最早发现的不能透析的蛋白,来自亨利襻升支及远曲小管表面的致密部分,其成分约66%为蛋白,12%为己糖,11%为N-乙酰己糖胺,其余为岩藻糖、唾液酸和少量脂质。分子量80kDa,但很容易聚合成二倍或多倍体,在尿中甚至肉眼即可以看出絮状物。每天尿中排出20～200mg,其单体可以抑制草酸钙结晶的生长和集聚,但其聚合物或自联物对草酸钙生成有强促进作用。Hess1988年认为结石患者的TH蛋白物理性质和健康人不同。1988年Azoury测定结石患者的磁共振的弛豫时间与健康人不同。1989年有学者证明结石患者的TH蛋白促进作用比健康人强而且磁共振与傅立叶变换红外光谱都和健康人不同。

5.肾钙素　为1978年发现,1987年命名的尿中与骨钙素相同的物质,来源于肾近端曲管和髓质升支厚段,由于它非常容易聚合,故分子量由14～15、23～30、45～48以至60～68kDa等种种倍体的不同构成。其氨基酸组成的特点是高含天门冬氨酸和谷氨酸,赖氨酸、精氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、色氨酸的含量极少。尿中浓度5～16mg/L,其抑制作用主要基于所富含的Gla对草酸钙结晶有强抑制作用,而结石患者的Gla有量和质的异常,我国有学者(1994、1995)分离并研究了肾钙素,并证明动物用双香豆素抑制维生素K的生成时,其肾钙素即缺少Gla。以前认为此蛋白抑制能力很强,可占全尿抑制能力的90%,但Worcester等(1993)测定不过16%左右。在结石中也发现肾钙素的存在,近年分子生物学方法研究其氨基酸序列推测可能为hikunin的一个片段。

6.尿桥蛋白　1992年Shiraga等从尿中提出并加以命名。Worcester等1992年也如同年Kohn等从鼠的肾皮质细胞中分离出此蛋白,并克隆出其cDNA,发现其序列于骨桥蛋白相同。我国有学者用双向电泳分理处尿中的尿桥蛋白并在正常大鼠肾中证明其mRNA的表达。此蛋白富含门冬氨酸,对草酸钙的生长和集聚有抑制作用。

7.尿凝血酶原片段1-晶体基质蛋白　20世纪50年代Finlayson发现草酸钙从尿中析出晶体时,包有一层蛋白,Doyle等1991年又重复了这一过程,该组人员经过分析其N-端氨基酸序列,发现它是人类凝血酶原的活性F1片段,色谱性质与血中的不同,称为尿凝血酶原片段1(UPTF1),分子量约31kDa,存在于人肾小管的髓襻厚支及远曲小管。还存在于结石中,N-端含有10条Gla残基。我国亦有学者对此蛋白做了详细研究,认为包在晶体上的蛋白可能是一组蛋白,由于量少只能分离出尿凝血酶原片段1。有学者观察了其对草酸钙晶体生长的抑制作用。

8.间-α-胰蛋白酶抑制因子(ITI)　1990年从尿中分离出1种糖蛋白,对草酸钙晶体的生长有抑制作用。Atamani等1993年也分离出1种35kDa的糖蛋白,称其为富糖醛酸蛋白。ITI在血浆中的浓度约500mg/L,包括3个由3个不同基因编码的链,　N-端为轻链bikunin,与2个重链H1、H2以二硫键相连。

三、促进因素和基质形成

(一)促进因素

促进物是近几年才被逐渐公认的概念,有些物质对成石有促进作用,可以称作促进物,但有些物质对成石某个过程如成核有促进作用,但对晶体生长却又有抑制作用。有些物质有抑制作用但在某种情况下,如聚合或自联时又变为促进因素,因此有些物质不宜截然分开称之为抑制物或促进物。

Boyce发现,尿蛋白可以和钙结合,并在一定条件下诱导钙化,这类物质可能是TH蛋白。Khan通过透射电镜分析,在大鼠肾草酸钙结石模型中,其肾小管的晶体沉淀物有细胞膜物质,在肾内可促进草酸钙矿化。这些蛋白和磷脂可能在草酸钙结晶化过程中起到异质成核作用。在草酸钙结石患者尿中,可出现较多的硫酸乙酰肝素和透明质酸,尤其是硫酸乙酰肝素,因其多存在于肾血管内皮和周围基质中,肾脏出现某些疾病或病损时,才能大量释放于尿中,同时草酸钙结石基质中也有较多的硫酸乙酰肝素和透明质酸,因此可以推测这些物质是草酸钙结石形成的促进因子,体外试验中,也可以发现硫酸乙酰肝素和透明质酸可以促进草酸钙的结晶化。

1.微量元素　氟、硅等认为可以促进成核。

2.细胞成分　已知磷脂为成核的促进物,细胞膜含磷酯约占40%,因此血细胞、细菌等都能促进尿石成核。细胞崩溃后产生的碎片如线粒体外膜磷脂占50%,内膜磷脂占20%,微粒体磷脂高达70%,都是成核的促进物。

3.异种晶体　晶格类似的晶体可以互相黏附生长,称为取向附生,也可视为一个晶体促进另一个晶体生长。如磷灰石上可以附生草酸钙。用阴极发光技术还可以发现草酸钙晶体可以尿酸盐晶体为核心。

4.TH蛋白　是尿中含量最多的黏蛋白,是尿中管型的主要成分,又曾被认为是尿石基质的主要前体,因此很早就引起人们的注意。近年来由于其在结石形成中的特殊作用又备受关注。正常人的单体TH蛋白,如前所述,对草酸钙的生长和集聚有弱至中等的抑制作用,但在较低的pH时,TH蛋白的浓度增高和尿中的离子强度增高时就会聚合或自联变成强的促进物,使晶体的成分增加并团集成大颗粒。

5.结石基质　提取结石的基质,在人工尿草酸钙过饱和溶液中可促进草酸钙的成核和沉淀。

(二)基质的形成

每个结石都有基质,含钙结石约有2.5%的基质,尿酸和磷酸盐者相对少一些(2%和1.1%),胱氨酸结石最多达9%。但对基质作用的看法,历来很不一致,从随无机物一起沉淀,不起主要作用到起决定作用,近30年又返回到认为成石主要是过饱和结晶和抑制物欠缺的作用,而忽视基质形成所起的作用。

尿石基质中的成分绝大多数同时存在于尿中,因此这些物质是如何参与结石形成的,其发生机制是十分令人感兴趣的。单纯认为这些物质构成网架,然后晶体沉附于其上形成结石,显然缺乏足够的证据,这些物质在结石形成的过程中所起的作用也许恰恰相反。但无论如何,基质物质与结石的形成有着密切的关系。基质可以把矿物质聚集在一起形成一个坚固的整体,在结石表面形成一个保护屏障,防止结石在尿饱和度下降时溶解,也妨碍溶石药物作用的发挥,胶体物质还可以发生老化脱水,再结晶等,促进固相转化。

1.基质的成分　基质的成分到现在也还未完全确认,例如主要两种含糖蛋白的成分之一的基质物质A,开始认为是肾产生的一种构成基质的特殊物质,以后认为是3～4种物质,后来又有人认为可能是钙结合蛋白类物质。另外1种含糖蛋白——尿类黏蛋白,认为是基质的主要前体,受唾液酸作用后脱去唾液酸即成基质,也有人认为尿类黏蛋白是由4个TH蛋白加一个未知的大分子物质所组成,也有人认为尿类黏蛋白即TH蛋白。基质主要是由尿中蛋白质凝结形成,其中一些已经变性不能逆转,有些在溶解时根本不能溶出,有些变性后失去原有的抗原性而不能用免疫方法检出。基质主要由蛋白质组成,约占64%,除上述两种含糖蛋白以外,还有从血液来的白蛋白、α和γ球蛋白和釉质蛋白等,与结石的形成有密切关系。近年来发现的肾钙素、骨桥蛋白、尿凝血酶原片断1,间α-胰蛋白酶抑制因子等也几乎都可以在尿中发现。基质中还含有约15%的糖,GAGs中以透明质酸和硫酸乙酰肝素为主,其他糖类主要为己糖如半乳糖、葡萄糖、甘露糖、岩藻糖等。还检出脱氧戊糖及己糖醛酸等。己糖胺主要存在于氨基葡萄糖和半乳糖胺中。糖常结合于蛋白上,增加其静电斥力,保持蛋白的稳定性。基质中还经常存在一些钙、磷等无机盐以及细菌、细胞和细胞碎片等有形物质。

2.基质的形成过程　目前对这个过程了解得很不够。除前述保持蛋白稳定性的结合糖的欠缺以外,尿凝血酶原片断1的发现确定了从晶体开始形成时基质即被吸附到上面。尿中有20种左右的蛋白构成了大分子颗粒的胶体体系,它们的行为最可能受胶体化学规律的控制。蛋白的亲水氨基酸常常暴露在颗粒表面,所形成的亲水胶体颗粒通常具有两个稳定因素,即颗粒表面的水化层和电荷,若无外加条件不致发生凝集,但如除去这两个稳定因素便容易凝集析出,还可以受外界影响发生空间结构的变化而变性以致结絮和凝固,在形成结石的过程中可能受几种重要因素的影响。①尿浓缩:尿中的一些蛋白本来就容易聚合,如TH蛋白和肾钙素,尿浓缩更使之形成大分子量的聚合体,容易析出。尿浓缩不只增加尿石盐的饱和度,而且增加蛋白的浓度和相互碰撞、自联和相互结合的机会。如果进一步夺去起稳定作用的水化层则很容易凝集析出。②结石盐过饱和:尿中结石盐和无机物的离子强度增加,甚至达到过饱和程度可以起到类似盐析的作用,使蛋白沉淀出来。过强时还可能引起蛋白空间结构的变化和发生共价键、氢键、二硫键等异常的键联。③pH的变化:在蛋白等电点附近的pH使蛋白更容易析出。如TH蛋白的等电点为4.5,pH在这附近最容易析出。尿pH在24h内上下波动有利于各个蛋白的析出。一般等电点偏于酸性。如果过分酸性(如高度浓缩)或过分碱性(如感染)可以导致空间结构的破坏,发生变性。

3.基质在结石形成上的作用　基质可以促进成核,可以作为异质成核的诱发物。尿中蛋白常能强力结合钙和(或)磷,形成基质过程即可导致它们的过饱和,促进基质的形成。基质可以作为黏结物加固聚集,或构成模板提供有序的矿化,或形成纤维网将晶体缠结成团,也可以填充在晶体周围构成团块。将团块黏结在尿路上皮表面,变成固定颗粒,继续生长。包围在晶体或颗粒表面的基质形成保护膜,防止在不饱和时溶解。

结石基质与基质相互作用的强弱在不同的结石成分甚至不同的形成阶段都可不一致,当晶质作用强时其构型往往表现为晶质的特性,如二水草酸钙的棘状排列和一水草酸钙重结晶后的放射状排列。当基质起重要作用时,晶质往往镶嵌于基质之中。防止基质形成的方法主要是防止尿浓缩,再就是减少尿中结石盐的含量,药物目前只有用乙酰半胱氨酸可能阻断基质的形成。

四、局部的病损

结石形成是一种生物的病理矿化作用,与细胞的参与有密切的关系,不只是活细胞代谢要提供结石的组分,成石的过程中还经常伴随细胞的损害,提供晶体的异质成核、巩固集聚、基质形成和上皮黏附等条件。细胞的损害在乳头部位最为常见。

Randall推测肾乳头炎症、坏死、代谢障碍等引起的上皮下钙化是结石发生的基础。一旦上皮细胞脱落,与尿液接触即可继续长大成石。发现这种钙化灶有两种类型:一种为常见的长在肾乳头坡壁上皮下间质的斑块;一种为集合管口及腔内的钙化团块,常见于甲状旁腺功能亢进并常合并肾钙化。钙化斑的多少与年龄呈正相关,高峰在50-60岁,与结石多发生于青壮年不太一致。与此有关的是所谓乳头结石。结石生在乳头上的现象并不少见,其形态上的特点是上面凸下面凹,恰如扣在肾乳头上。

肾钙化也被认为与结石的发生有关,有些疾病如甲状旁腺功能亢进,肾小管性酸中毒,尤其是高血钙的尿石症患者,不少合并肾钙化。但从总体上看,尿石症患者临床能检出肾钙化的只是少数,而临床上肾钙化的患者中,多数并无结石。如果从尸检的病理结果看,肾从皮质到髓质存在或多或少的小钙化灶,是相当普遍的现象。尿石症患者的钙化灶多位于乳头,除局部损害外还有人认为来自吞噬细胞或淋巴通路,但未被确认。最近有报道:每种结石的组织标本矿物质沉积以及乳头区的病理改变各不相同。草酸钙结石在亨利襻的间质区有磷灰石结晶;肠道分流术的患者表现在髓质内集合管区出现腔内的磷灰石沉积伴细胞损伤;钙磷石形成者在Randal斑位置表现最严重的皮质和髓质改变,在髓质内集合管区腔内有泛黄色的磷灰石沉积。胱氨酸结石形成者在集合管的终端部有胱氨酸结晶堵塞,在髓质内集合管区和亨利襻有磷灰石沉积。管内结晶沉积的部位常在周围区域出现间质性纤维化。

动物实验(多用大白鼠)采用多种方法都可以使之发生结石,如给予草酸或其前体、维生素B6缺乏等。在成石过程中都可用电镜看到超微结构的损害现象,首先是小管上皮细胞微绒毛的囊性变、脱落于尿中,以后线粒体缺损、崩溃,溶酶体活跃,细胞膜破裂,内容物脱出,还可以看到囊性颗粒及致密颗粒。在此基础上微结石或晶体簇形成分充盈于管腔内。如果用庆大霉素使肾小管受损后则更容易产生尿路结石。

肾上皮发生损害和成石的原因:Hautmann测定人肾皮质、髓质和乳头部钙、草酸的含量与尿中浓度作比较,发现乳头部含大量的钙和草酸,如钙(mmol/kg):皮质2×10-3,髓质2×10-3,乳头2×10-2,尿3×10-3;草酸(mmol/kg):皮质3×10-4,髓质4　×10-4,乳头5×10-3,尿5×10-4;这样一旦组织损伤,可以释出大量的钙和草酸。人们从很多疾病认识到晶体对细胞有破坏作用,如硅沉着病、痛风和假性痛风,以假性痛风为例,二水焦磷酸钙的晶体落入关节腔内,被覆上IgG球蛋白,促进周围炎性细胞的吞噬作用,当晶体吞入细胞后分泌小分子的趋化因子,溶酶体崩溃释出内部的酶造成细胞破坏,再将晶体吐入关节腔,称为膜溶作用,如此反复造成关节损伤。尿石症患者以及成石动物的肾小管上皮内部都发现有晶体存在,很自然联想到肾脏的损害是由于细胞摄入晶体所造成。近年来有学者用培养的肾小管细胞或细胞系观察细胞与晶体的关系,发现晶体可附着于细胞,也可被细胞摄入。吞入的晶体有的可以再吐出,有的过一段时间消失,晶体还可以由一个细胞传给另一个细胞,对细胞本身似乎未发生什么影响,因此有人认为通过结晶降低草酸的离子浓度,是细胞自身的一种保护作用。自发现草酸钙结石患者红细胞草酸传输亢进以来,人们把红细胞膜上的条带3蛋白,这个阴离子交换子与肾小管的阴离子交换子联系起来,把结石的形成看作是草酸传输异常所致。近年来对于草酸对细胞的作用有了进一步的认识,虽然低浓度的草酸(0.32mmol/L)可通过c-myc基因表达促进DNA合成和肾上皮细胞有丝分裂,但浓度高时(0.4～1mmol/L)可导致细胞死亡。草酸对细胞的这种损害作用被认为是活性氧自由基所造成。我国学者在筛选维生素对动物成石的作用时即发现维生素E对成石有抑制作用。Ravichandran等(1990)发现维生素B6缺乏大鼠的肝、肾亚细胞单位内脂过氧化物明显增加并有草酸和钙的蓄积,表明受氧自由基的损害,其中以线粒体受损最重,而且草酸和钙的蓄积最多在膜的部分,提示这些膜成分可能是最易诱发结石的部位,草酸可使细胞产生活性氧自由基并抑制过氧化氢酶。Thamilselvan等(1997)用乙二醇做大鼠的致石实验也证明高草酸尿同时有肾组织的脂质过氧化的增高,表明自由基性损害是成石的基础。Scheid等(1996)用LLC-PK1细胞经草酸处理后大大增加了dihydrorhodamine(DHR)向荧光物的转变,表明产生了氧自由基,而且转变的速度与草酸的浓度成正比,用过氧化氢酶可以阻滞这种变化。还发现用联氨氧化细胞的谷胱甘肽后可发生类似的荧光物变化,因此设想用巯基保护剂,如乙酰半胱氨酸有可能减少草酸对细胞的损害。近来还有人报道认为草酸对细胞的损害是通过磷脂酶A2的作用水解破坏了膜质成分造成细胞的坏死。还认为阿的平和狄步卡因可能对磷脂酶A2起抑制作用。防止自由基的损害可用维生素E等药物,不少活血化瘀的中药也有这个作用。

尿中存在有各种分子和离子,包括结构很复杂的水,有的相互吸引,有的相互排斥,因此,尿液中的理化环境极为复杂,企图用一种学说、一种简单的现象来说明结石的形成原理是不切实际的。目前,从研究工作到临床工作,都趋向于进行综合性观察。20世纪70年代以来,由于物理化学研究的突飞猛进,使应用科学方法进行综合研究有了可能,对结石形成机制的研究有了深入的进展,包括分子生物学的研究也有新的开拓。有学者提出尿石形成的6种危险因素:①尿的pH升高或降低具有可能导致结石的形成;②尿液中草酸钙含量增高;③尿钙增高;④尿尿酸含量增多;⑤尿中促进结石形成的物质增多,包括尿结晶、TH蛋白、细胞分离产物、磷脂、细菌的增多等;⑥尿中抑制结石形成的物质减少,包括磷酸盐、枸橼酸、镁离子、二磷酸盐、ChsA、ChsC、RNA、非聚合性TH蛋白等。此外,关于巨噬细胞、多种细胞因子在尿石形成中的作用,也日益引人注目。