人体肾结石形成的机制

肾结石形成和生长的确切机制尚不完全清楚，尽管人类结石病似乎是医学上已知的最古老的疾病之一。随着新型数字内窥镜的出现以及对表型良好的结石形成者进行的详细肾脏生理学研究，我们对最常见类型结石形成者、特发性草酸钙结石形成者以及九种结石形成者的发病机制的认识取得了实质性进展其他结石形成组。我们小组对人类结石形成者和其他人对模型系统的观察表明，肾结石形成有四种完全不同的途径。草酸钙结石在 Randall 斑块部位的生长似乎是高钙尿症患者结石形成的主要方式。在大多数结石表型中都注意到 Bellini 导管塞末端的过度生长，它们会导致临床结石吗？微结石形成确实发生在膀胱尿结石形成者扩张的内髓集合管的管腔内，并且似乎局限于这个空间。最后，胱氨酸结石形成者也有许多小的、椭圆形、光滑的黄色肾盏结石，提示在游离溶液中形成。回顾了这四种结石形成模式中的每一种模式的科学基础，并将其用于探索新的研究机会。胱氨酸结石形成者也有许多小的、椭圆形、光滑的黄色肾盏结石，提示在游离溶液中形成。回顾了这四种结石形成模式中的每一种模式的科学基础，并将其用于探索新的研究机会。胱氨酸结石形成者也有许多小的、椭圆形、光滑的黄色肾盏结石，提示在游离溶液中形成。回顾了这四种结石形成模式中的每一种模式的科学基础，并将其用于探索新的研究机会。

介绍

随着人类结石形成细节的积累，实验室和临床实验出现了新的机会，我们在这里的目的是回顾对人类结石形成至关重要并且也适用于现代研究技术的细节。到目前为止，我们和其他人 ( 1 – 22 ) 已经确定了结石形成的 4 种不同可能模式：在白色（Randall 的）间质羟基磷灰石 (HA) 斑块上生长（1 , 2 , 4 , 6 – 9 , 12 – 15 , 17 , 22 ); 在 Bellini 导管 (BD) 栓塞 ( 3 , 5 –11、13-16、18-22 ）；在内髓集合管 (IMCD) ( 3 )内形成微结石；并在花萼或肾集合系统内形成游离溶液 ( 3 , 18 – 21)。模型系统是从诊所到实验室的常用工具，从动物模型到结晶动力学和抑制剂的体外研究，都或多或少地有益于肾结石研究。现在人体结石形成的细节越来越清晰，可以使这些模型更接近临床现实。

斑块上的生长

在取石手术过程中的简单观察表明，结石可以附着在牙菌斑上生长（图1，面板 a)。Randall（22 岁）于 1937 年在尸体上或多或少地展示了现代外科医生使用数字光学显微镜很容易看到的东西。当石头被移除时（图1面板 b) 附件站点通常可见，如此处所示，并且由 HA 组成。通过努力，人们可以从术中图像 ( 12 ) 中重建出结石被移除的斑块上的确切位置，并且还可以证明特定患者体内的大部分结石确实生长附着在乳头上，特别是附着在斑块区域乳突（12）。类似地，未附着的结石可以被识别为具有源自其明显的 HA 附着位点残留物的斑块 ( 23 )。

图1 将结石附着在 ICSF 患者的 Randall 斑块部位

图 a 显示附着在乳头尖端的草酸钙结石（箭头）的内窥镜视图。在附着的石头周围可以看到几个间隙（兰德尔）斑块（箭头）的位置。注意乳头的正常外观。图 b 显示结石移除后的同一乳头。同一块石头的乳头状表面在光学显微镜下显示为该面板左下方的插图。一小块白色矿物（用星号标记）清晰可见，被确定为羟基磷灰石，而石头的其余部分是草酸钙。在对该结石进行显微 CT 成像后，将这些图像对齐并叠加到乳头上，以确定羟基磷灰石的小部位是否与乳头上的兰德尔斑块区域对齐。的确，

小心地，从大量的结石形成者中，我们可以定义一种看似合理的纯表型：形成草酸钙 (CaOx) 结石并且没有作为结石病因的全身性疾病的患者，这些患者是通过长期习俗命名的（24 ) '特发性' CaOx 结石形成者 (ICSF) ( 25 )。许多但并非所有这些 ICSF 都具有特发性高钙尿症 (IH)，这是一种家族性且可能是遗传特征。ICSF 的大部分 CaOx 结石都形成在牙菌斑上，正如我们在图1.

RP 的最早形成似乎是在 Henle 细环的基底膜中（图 2面板 a) 由具有和不具有 HA 晶体的基质交替薄层制成的微球晶 (图 2图 b–e) ( 1 )。同样，斑块颗粒在间质中成核，而不是像在基底膜中那样保持分离，它们融合形成连续的基质池，其中 HA 晶体以孤立的团块形式存在（图 2f). 它是第二种形式的斑块，在小管和血管之间延伸，直到它紧靠限制性乳头状上皮细胞（图 2g). 外科医生将这种斑块视为“白色斑块”。

图 2 组织学图像显示 Randall 斑块的初始位置及其进展

光学显微镜显示间质沉积物的初始位置（图 a，箭头）位于乳头尖端 Henle 细环的基底膜中。通过透射电子显微镜，这些间质沉积点由许多微球晶组成，这些微球晶具有和不具有晶体的基质交替薄层（面板 b-e）。单个沉积物小至 50 nm，并长成多层球体，交替出现光和电子致密环，浅色区域代表晶体和电子致密点矩阵材料。Henle 环（图 f，双箭头）周围出现大量结晶沉积物，扩散到附近的间质空间，延伸到尿腔的尿路上皮衬里（图 g）。

考虑到尿路上皮完整性的一些破坏，该斑块会暴露于尿液中 ( 26 )。暴露的不是 HA 晶体，而是它们所在的基质。过度生长的细节可以在用组织基收获的小石头中看到（图 3, 面板 a 和 b) ( 27 )。过度生长的斑块区域和结石本身恢复到相对于彼此的原始方向时（图 3图 c) 展示了上皮细胞的破坏以及一些斑块与粘附在结石底部的组织的分离。通过 TEM 可视化 (图 3面板 d) 面板右下角的斑块显示斑块基质内的白色 HA 岛。暴露的斑块被交替基质和 HA 晶体的带状物覆盖。基质的最内层（面板右上角的插图）包含 THP，这意味着暴露的斑块基质最初被尿液来源的有机基质覆盖 (27)，因为间质基质通常无法接触到 THP ( 28 )。好像是为了重现斑块颗粒，HA 晶体在交替的基质层中成核，一些层没有晶体，一些层有晶体。在尿道末端边缘，晶体扫入曾经是尿道空间的地方，形成结石的底部。

图 3 特发性草酸钙结石形成肾结石附着部位的超微结构特征

图 a 是半毫米结石的内窥镜视图，该结石附着在兰德尔斑块（箭头）部位的乳头尖端，而图 b 显示活检后通过光学显微镜观察到的同一结石及其下层组织（箭头）。图 c 显示了与图 b 中相同的结石组织复合体，但在脱矿之后。注意结石与下面的组织（矩形框）分开。一些组织仍然粘在石头上（星号），而双箭头显示了一个细胞碎片区域。单箭头指向乳头上仍有尿路上皮覆盖的区域，这些细胞在结石组织交界处丢失。图d是组织附着部位的高倍放大透射电子显微照片。兰德尔牌匾区域（右下）被多层带状结构覆盖，具有结晶和基质材料，在插图中突出显示（右上角）。标记为“A”的区域显示嵌在色带外侧（尿）的小（星号）和大晶体（单箭头）。

牙菌斑生长提供的一系列新研究机会反映了我们对这一过程的无知。最早的斑块核出现在薄肢基底膜的3型胶原中（图 4, 左边最卡通）。为什么在那里？驱动力可来自管腔或间质液。我们 ( 29 ) 已经收集到证据表明，在动物中，瘦肢体液中磷酸钙 (CaP) 作为透钙磷石 (BR) 是过饱和的。人体间质的离子组成是未知的。瘦肢的上皮细胞对钙的渗透性非常差 ( 30 )，但一天中的大部分时间可能会出现高液体 CaP SS，因为 IH 会增加钙从近端小管 ( 31 , 32 ) 的输送，尤其是在进餐时表现出来 ( 31 – 35）。

图 4 草酸钙结石生长在间质性斑块（Randall 斑块）上

最早的斑块核出现在 Henle 薄环（最左边的卡通）的基底膜中，作为晶体和基质材料的多层球晶。随后，间质斑块生成（第二幅卡通，上排）似乎发生在间质空间中的 1 型胶原蛋白上，其中单个球晶似乎融合。随着时间的推移，基质岛和球晶扩散到尿路上皮的基底侧，并且斑块在尿路上皮被破坏之前保持不受尿液影响（卡通 3，上排）。在这一点上，尿液似乎产生了核，形成了过度生长的基础（卡通 4 到 8). 形成直接覆盖层的尿蛋白包括 Tamm Horsfall 蛋白 (THP) 和骨桥蛋白 (OP)，然后是无定形羟基磷灰石。随着过度生长区域的扩大，羟基磷灰石转化为草酸钙 (CaOx)，这是 ICSF 结石患者结石的主要矿物质。

使用已知的渗透率和合理的间隙摩尔浓度范围进行生物物理建模可能有助于建立基底膜的 SS 范围。同样，膜的组成可能很重要。为什么颗粒在膜中保持分离？为什么要层压？除了骨桥蛋白和 inter-alpha 胰蛋白酶抑制剂的第三重链外，颗粒基质的性质未知 ( 36 , 37), 也不知道为什么颗粒不能生长超过 10 微米的一般尺寸。颗粒是否直接在基底膜 3 型胶原蛋白上形成，如果是，在分子的何处，也是一个悬而未决的问题。瘦肢细胞是否通过表达新蛋白质对基底膜中颗粒的存在做出反应？如果采用适当的技术，早期斑块的少量样本可以帮助解决这些问题并揭示膜斑块发生的问题。

间质斑块发生（图 4，第二幅漫画，上排）似乎在 1 型胶原蛋白上（1、38 ） ，但胶原蛋白的确切区域仍有待显示（1、38）。结晶的驱动力完全是间隙的，数量未知。至于所有的斑块颗粒，径向分层仍然是一个谜。与膜不同，粒子融合；为什么会发生这种情况是未知的。

HA 在 1 型和 3 型胶原蛋白上的成核，如果经过深思熟虑地进行，可能会澄清人类肾脏中发生的事情。更直接地说，可以根据成核位点和融合机制研究来自肾脏的样本。与膜中一样，基质分子的描述很差。我们仅描述了骨桥蛋白和 inter-alpha 胰蛋白酶抑制剂的第三条重链 ( 36 , 37 )。众所周知，后者可以在受伤后稳定胶原蛋白结构 ( 39 )；它的存在是我们无法识别的斑块损伤的证据，还是重塑？

控制间质钙浓度的因素对于乳头状细胞是未知的。我们 ( 13 ) 提出了输精管冲洗，即在外髓质厚升支中重吸收的钙在直肠中的向下运输，当降支血管穿过维管束中的外髓质时，可用于预加载下行血管。一些 IH 患者会增加近端小管钙的输送 ( 31 , 32 )，并且会增加电压驱动的钙从粗壮的四肢输送，然后进入降直血管，最终进入乳头状毛细血管和间质 ( 13 )。近端分娩与直接测量间质钙的相关性可以检验该模型。

只要乳头状上皮保持完整，斑块就不会受到尿液的影响，但一旦尿液破裂，就会产生成核，形成过度生长的基础（图 4, 卡通片 3 至 8)。哪些因素可能导致尿路上皮屏障的破坏？菌斑倒霉是正常周转吗？斑块是否会以某种方式干扰乳头状上皮细胞？斑块上乳头状上皮的基因和蛋白质表达研究可能会或不会揭示该过程的线索。形成直接覆盖层的尿蛋白包括 THP 和骨桥蛋白 ( 27 )，但整套蛋白质仍有待发现。所有的尿蛋白都是在它们的天然浓度下还是有一些是经过选择的？哪个？这些在一组患者中是相同的还是在患者之间不同？蛋白质组学方法似乎是使用活检材料的理想选择。

我们知道对从肾结石中洗脱的物质进行蛋白质组学研究 ( 40 – 47 )。这些本身就是有价值的。但由于是结石的整体相，它们无法提供有关暴露斑块上初始成核位点的信息，这是附着结石的关键开始。为此，我们必须拥有活检材料和显微技术。

连续的成核和基质波可能代表相同的蛋白质或尿液中不断变化的蛋白质阵列；后者非常重要，因为也许基质的变化允许从 HA 转化为构成大部分结石的 CaOx。HA 成核尚未探索；需要研究暴露于溶液中的适当尿蛋白集合，这些溶液配制成类似于尿液的离子组成。毫无疑问，基质分子控制成核，并且可能因人而异。至于粒子本身，为什么叠加是分层的？它反映了SS的波浪吗？是矩阵组成的一些改变吗？现代蛋白质组学和免疫 TEM 方法应该可以访问交替层的特定组成，尤其是那些有和没有 HA 晶体的层。

最神秘的是成核最终从 HA 转变为 CaOx。当一个人离开组织时，基质内的 pH 值可能会发生变化。可能矩阵发生变化。这应该不仅可以从组织活检中获得，而且可以从其层包括早期 HA 和后来的 CaOx 核的结石中获得。也许最直接地说，为什么 CaOx 必须出现？如果结石的开始都是HA，为什么这个开始通常不能仅仅进展为HA结石？

有人可能会说，HA/CaOx 结石在牙菌斑上的生长尚不完全清楚，以至于我们提到的许多（如果不是全部）研究都是合理的。随着细节的披露，以后的工作可以变得更加完善，并最终在分子和原子水平上理解这个过程。没有什么会推动这一石材研究领域向前发展的。人体组织应该足够了，这样实验的问题就不是创建动物或细胞模型，而是探索人体肾脏中已经产生的东西。

我们的小组在获得人类乳头状活检方面可能相对独特，但我们使用的技术在泌尿外科手术中很常见，许多研究型外科医生可以获得组织。我们所做的真正独特且可能是必要的是在定义研究中的临床表型时要求尽可能严格。我们已经发表了临床表型之间组织差异很大的证据，如果要避免混乱，就必须通过选择患者来控制这些差异。

尽管斑块过度生长发生在产生透钙石或 HA 结石 ( 11 , 48 ) 的人身上，与 ICSF 的表型完全不同，但此类患者的过程可能与 ICSF 不同。原发性甲状旁腺功能亢进症、回肠造口术和小肠切除术患者同样会在斑块上过度生长 CaOx ( 7 – 9 )。患有这些全身性疾病的患者不像 ICSF 和特发性透钙石和 HA 结石形成者那样具有家族性结石。斑块组成、基质和该过程的所有其他细节的差异对于理解这种疾病机制和遗传的作用（如果有的话）可能至关重要。

贝里尼管道堵塞

临床结石来源

尽管在结石制造商中并不少见，但 BD 塞尚未被证明是临床人体结石的来源。人们可能自然而然地认为，这种塞子的开放面，永远被尿液沐浴，因此暴露于相当数量的 CaOx 和 CaP SS ( 49 , 50)，会促进 HA 和 CaOx 的成核，从而产生附着的新生结石，随后分离和长成临床上重要的对象。尽管这个公式可能很有吸引力，但它的证据充其量是微不足道的。

BD 塞呈现给外科医生的是扩张的 BD，其中充满了晶体（图 5面板 a)。有时晶体会在塞子上生长进入尿腔（图 5面板 a 和 b)。来自 HA 和 BR 石材成型机的插头上的圆形过度生长分别约为 1-2 毫米（图 6，图片广告）。可以想象，这样的过度生长可以在花萼内分离和生长，达到 3 毫米或更多，并表现为石头的通道。

图 5 来自透钙石结石形成者的内窥镜和组织学图像

BR 患者的乳头（图 a）经常在乳头尖端附近出现凹陷（箭头）并变平，这种现象在 CaOx 结石形成者中未见。与 CaOx 患者一样，透钙石结石形成者的乳头也有 Randall 斑块（箭头），尽管数量较少。此外，乳头在 Bellini 导管（星号）的开口处有淡黄色结晶沉积点。这些管道通常被扩大，偶尔会充满从管道中突出的结晶物质，可能作为结石附着点。图 b 显示了通过 Yasue 方法染色的乳头状活检中的晶体沉积。注意单个内髓集合管管腔中的晶体沉积（箭头）和附近偶尔出现的 Henle 环。晶体沉积物极大地扩张了这些小管的管腔并诱导细胞损伤，以在所有这些相同的小管中完成细胞坏死。间质性炎症和纤维化的袖带伴随着管腔内处置的部位。图 c 显示透钙石结石形成者乳头状活组织检查中晶体沉积的第三种（类型 3）模式。与 Bellini 导管开口处所描述的一样，在髓质集合管管腔内发现淡黄色矿物沉积物（单箭头），不同之处在于 3 型沉积物位于集合管中尿路上皮正下方。3 型沉积物的部位范围从集合管中的大面积晶体沉积物到围绕乳头周围形成辐条和轮状图案的小区域，集合管管腔局部黄色物质的单个位点。3 型沉积物（图 d）的组织学分析证实，这些晶体沉积部位位于尿路上皮衬里（箭头）正下方的髓质集合管（星号）中。双箭头显示了间隙晶体沉积的位置，就像在特发性 CaOx 结石形成中看到的那样。面板的 e 和 f 是从一名透钙石患者的乳头活检中获得的，如果所有乳头都严重受伤，这里是大体形态。广泛的间质纤维化区域围绕着受损的集合管（双箭头）。在间质纤维化的这些区域中注意到 Henle 和 vasa recta (*) 的受困损伤薄环。可以看到一系列充满结晶的集合管（箭头）嵌在一小圈纤维化组织中。在受损的集合管附近偶尔会观察到巨细胞（箭头）。

图 6 具有过度生长的 BD 栓塞的高分辨率显微 CT 图像

图 a、c、e 和 g 分别显示了来自磷灰石、透钙磷石、回肠造口术和原发性甲状旁腺功能亢进结石患者的 BD 栓的光学显微照片，其中有过度生长区域。面板 b、d、f 和 h 显示了从为表面视图渲染的 3D 图像堆栈生成的相应显微 CT 图像，然后根据每个插头/过度生长结构的内部视图调整大小。虚线将塞子区域与过度生长区分开来，过度生长会发生在 Bellini 导管的开口处。由磷灰石（图 a-b）和原发性甲状旁腺功能亢进（图 g-h）形成栓塞的矿物完全是磷灰石。来自透钙磷石患者的栓塞（c–d 图）是透钙磷石、磷灰石和 CaOx 的混合物，而来自回肠造口术的栓塞（e–f 图）是磷灰石和尿酸盐。

插头的高分辨率显微CT图像（图 6，右手系列）仅显示 HA 用于 HA 结石成形器中的塞子和过度生长（图 6，图像 a 和 b) 和 BR 具有一层薄薄的 CaOx 表面层，用于过度生长，CaOx、BR 和 HA 的混合物用于 BR 结石成型器的塞子底部 (图 6, 图像 c 和 d; 插头和过度生长的成分在这个图的图例中有详细说明，对于所有表型表格1). 因此，HA 和 BR 结石起源于岩栓是十分合理的，但即便如此，目前仍缺乏证据。

表格1

CAOX、CAP 和 UA 的 10 种结石形成表型和尿液过饱和度中结石、BD 栓、栓上过度生长和导管结石的组成

在单独的窗口中打开

一个明显的问题是，人们如何知道结石是否起源于 BD 插头上的过度生长。一种可能性是发现附着在乳头上的结石不是附着在白色斑块上，而是附着在 BD 栓上。这对于外科医生和术中电影来说是显而易见的，因为当结石脱落时，它生长的区域不是斑块而是扩张的 BD。同样，这块石头在一个边界处一定有塞子的残余——它附着的地方。我们还没有观察到去除这样的结石，但公平地说，这并不是一个具体的外科研究目标。

另一种可能性是过度生长已经脱落并在花萼或骨盆中游离，长成临床相关的结石并被移除。在那块石头中，人们可能会预测到塞子或过度生长的幽灵残余，新矿物层从微小的过度生长形成了更大的石头。在研究我们收集的石头时，我们迄今为止发现了一个这样的鬼魂的例子（图 7). PHPT 患者的肾盂结石长 2 厘米，宽 5 毫米。在 CT 扫描中发现了一个圆形内含物（箭头和环），它是 HA 并且相对于结石的其余部分是异质的。这可能是原来的塞子，因为它的 HA 层就像结节状的塞子，而不是大多数宝石的同心环，如图所示。仔细研究石头的异质内含物可能有助于澄清 BD 栓塞或过度生长是否可能是重要的石核的问题。

图 7 骨盆结石可能开始于 BD 插头上的过度生长

该图显示了从患有原发性甲状旁腺功能亢进症的患者身上取出的长（约 2 厘米）细长的肾盂结石，并通过光学显微镜和显微 CT 观察。通过 CT，结石由磷灰石组成，在结石的一侧有一个圆形的包裹体区域（用箭头和环表示）。可能这个内含物区域是最初的栓塞，因为它的 HA 层类似于栓塞，呈结节状，而大多数宝石的同心环如图所示。

插头过度生长的机制

尽管 Randall 认识到了这一过程 ( 22 )，但插头表面的过度生长完全没有被研究过。与斑块上的过度生长一样，似乎可用于控制 BD 栓子过度生长的唯一因素必须是栓子成分、尿液 SS 值和沉积在栓子上以形成过度生长基质的尿液分子。必须覆盖 BD 塞子开口面的尿液分子是未知的 ( 13 , 14)。可以收获带有过度生长的实际栓塞，并可能直接在它们的纵向维度上研究基质分子及其与晶体的关系。已经研究了石头的基质 ( 51 , 52) 但通常不是像这样的定向方式。虽然我们可能是第一批采集附有过度生长物的 BD 插头的小组，但原则上其他外科医生也可以这样做。

SS 本身不足以解释栓塞和过度生长的晶体成分。例如，相对于 BR，BR 和 HA 结石形成者的尿 CaP SS 较高，但前者的结石由 BR、CaOx 和 HA 组成（表格1) 而后者是纯 HA。此外，插头上的过度生长是前者的 BR 和后者的 HA（表格1).

乳头损伤

除了结石成因外，BD 栓塞的另一个重要意义是堵塞引起的乳头状损伤。插头产生的伤害很明显（图 5图 e 和 f)。小管上皮可被完全破坏，使晶体附着在小管基底膜上；BD 的扩张可能接近正常值的 20 倍。在栓子周围，间质显示出纤维化，并且透明质酸表达 - 损伤的标志 - 发生在更适度受累的小管的上皮细胞中，甚至出现在堵塞小管附近的正常出现的小管中 ( 6 , 10 )。在一些患者中，插入延伸到 IMCD；沿着它们的长轴穿过乳头状上皮 IMCD 栓子看到的是黄色圆柱体，我们称之为“黄色斑块”（图 5图 c 和 d)。

皮质损伤

而 ICSF 皮质几乎没有显示出高于随机人群的病理（图 8), 来自 HA 和 BR 结石形成者的皮质通常显示纤维化，这可能反映了程序，例如 SWL 或堵塞。这个问题，皮质损伤的原因，需要更多的研究，与其说是尖端的工作台技术，不如说是临床研究，试图将皮质损伤与治疗效果区分开来。皮质损伤发生在我们迄今为止研究的所有 BD 阻塞状态中 ( 1 – 11 )。但是，当然，所有这些患者都可能接受过 SWL 和 PERC 等治疗，这些治疗本身会损伤肾皮质 ( 53 – 55 )。

图 8 透钙磷石（黑色圆圈）、磷灰石（空心圆圈）和 ICSF（黑色三角形）中的皮质间质纤维化、肾小管萎缩和肾小球硬化

左面板。在对来自 BR、磷灰石和 ICSF 结石形成者的皮质活检组织的间质纤维化、肾小管萎缩和肾小球损伤进行评分后，对于每种表型，间质或肾小管萎缩的最高评分绘制在 x 轴上，肾小球损伤绘制在 y 轴上。在绘制的 30 例病例中，只有 2 例 ICSF 的间质变化高于 1，没有明显的肾小球疾病且肾小球评分高于 1，而 4/11 的磷灰石和 12/25 的 BRSF 有明显的皮质损伤。右图的 a–c 显示了在磷灰石和透钙磷石患者中通过光学显微镜观察到的间质（箭头）、肾小管和肾小球 (G) 变化的范围。图 a 显示了患有轻度间质纤维化和肾小管萎缩（得分 = 1）且没有肾小球硬化的磷灰石患者的皮质，而图 b 显示了患有中度间质纤维化、肾小管萎缩和肾小球硬化（得分 = 2）的磷灰石患者的皮质。图 c 显示了患有严重间质纤维化、肾小管萎缩和肾小球硬化（评分 = 3）的透钙石患者的皮质。

BD 和 IMCD 堵塞的机制 - 动物和体外模型

BD 和 IMCD 堵塞的过程已经在患有草酸盐肾病的动物身上进行了研究；皮质中的晶体沉积已在人类移植肾和磷酸盐肾病 ( 56 ) 中进行了研究。磷酸盐肾病和移植晶体涉及近端和远端肾小管，但没有记录乳头状受累，因为活组织检查不包括肾脏的那部分 ( 57 )。动物草酸盐负荷模型的 IMCD 和 BD 充满 CaOx 晶体（21、56、58 – 60），这仅见于人类 PH1（10 ），而不是ICSF或任何其他人类结石病的模型，在其中小管晶体主要由HA组成。

我们从肾皮质移植晶体、磷酸盐肾病中的皮质晶体以及动物草酸盐负荷模型中了解到细胞对晶体的反应以及涉及的细胞损伤介质（56、61 ）). 但这些知识是否转化为常见的人类结石病中发生的 BD 堵塞尚不清楚。例如，皮质肾细胞对晶体的反应方式可能与 IMCD 和 BD 内壁细胞的反应方式大不相同。同样，CaOx 晶体对 IMCD 和 BD 细胞的影响可能与 HA 晶体不同，而啮齿动物细胞的反应可能与人类细胞不同。此外，动物的磷酸盐肾病、移植晶体沉积和草酸盐负荷模型代表了相对急性的晶体损伤，而人类疾病的长期演变已知会发生数十年，并且很少与急性肾损伤相关，除了PH1。

基因敲除小鼠模型提供了丰富的信息，但同样与人类结石形成者截然不同。SLC26a6 基因敲除小鼠会出现高草酸尿症，其中一只基因敲除小鼠的近端和远端小管发生堵塞，肾盂出现结石 ( 62 )。具有同等高草酸尿症的另一个敲除没有形成晶体沉积物或结石。NHERF 基因敲除导致高钙尿症和一些乳头状斑块的产生，以及乳头中 HA 堵塞的小管 ( 63 )。THP 敲除会导致 IMCD 堵塞，从而导致乳头状斑块形成 ( 64 )。后两种模型有可能允许对尚未开发的斑块进行详细研究。

所有这些模型都具有巨大的潜力来提高对人类结石形成和堵塞的理解，但只有在我们对人类状况有足够详细的了解以在分子和细胞水平上将动物和人类的发现联系在一起之前，这是无法实现的。换句话说，如果我们不确切知道这个水平的人体组织中发生了什么，我们如何自信地解释动物模型？

许多关于晶体附着于源自肾脏的细胞培养物的体外研究也是如此 ( 65 – 68 )。总的来说，这些研究已经确定晶体在特定位置附着在细胞上，细胞对晶体有反应，可以将它们内化，并在溶酶体中分解它们或将它们运输到基底膜 ( 56 , 61). 然而，这些细胞并不总是与 BD 和 IMCD 堵塞相关，它们来源于近端或远端皮质肾单位，这肯定与具有不同胚胎起源的 IMCD 和 BD 细胞不同。晶体通常是 CaOx，而 HA 更为相关。晶体的数量，这是体外工作，通常远远超过人们对人类 BD 或 IMCD 的预期。

BD 和 IMCD 堵塞机制 - 人类堵塞形成

启动人类 BD 堵塞的事件顺序没有明确定义，即使我们在过程建立后有大量关于组织的信息。源自细胞培养工作的一个吸引人的想法是 SS 驱动结晶，并且某种小管细胞损伤使膜上富含透明质酸的区域暴露于小管液中，因此晶体可能会锚定在那里 (69 )。这在人类中的证据来自皮质移植肾晶体的研究（70），但没有人类研究表明它存在于乳头状组织中，除了我们自己的研究，其中在肾病患者的晶体存在和不存在的情况下，在皮质和乳头状组织中发现透明质酸表达PH1 ( 10 )，以及因肥胖旁路术而患有 CaOx 结石的人的乳头 ( 6). 即使在斑块区域，也从未在 ICSF 的乳头中发现透明质酸表达。尚未对其他形成栓塞的结石疾病进行详细研究。

BD 栓的临床结石表型范围非常大。ICSF 可以拥有它们 ( 15 )，但它们的组成尚未确定 (表格1). HA 和 BR 石材成型机总是显示堵塞（表格1,图 6图片 a 到 d)。回肠造口术和原发性甲状旁腺功能亢进（表格1,图 6, 图像 e 到 h) 每个都形成复杂的栓塞和过度生长。远端肾小管酸中毒、小肠切除术、肥胖旁路术、胱氨酸尿症和 PH1 是其他示例（1、3、5、9、10），其中堵塞可能很明显，但我们没有显示堵塞和过度生长的示例.

尿液 SS 很容易测量，并且在将尿塞形成和 CaP 结石病与较高的尿液 pH 值相关联方面取得了一些进展 ( 13 )，但 SS 值不足以解释在塞子和过度生长中发现的各种晶体。在回肠造口术中，堵塞物是尿酸盐和 HA，而尿液 pH 值徘徊在 5 左右，因此不存在尿酸盐和 HA 的驱动力 ( 8 )。尽管高 CaOx SS 和低 CaP SS ( 9 )，但小肠切除术仍导致 HA 栓塞。的确，SS 值倾向于与其预测的临床结石相关联 - 例如，CaP SS 与 HA 或 BR 结石（11) - 但在回肠造口术和小肠切除术中与堵塞的关联是如此之小，以至于其他机制必须主导该过程。在 dRTA 中，碱性尿液 CaP 结石形成 ( 5 )的范例是大量的，主要是 HA，但 CaP SS 不如 BR 结石形成者那么高，后者的堵塞数量要少得多 (表格1). 追求对人体组织中堵塞机制的更基本理解需要远远超出简单的 SS 和结晶。

IMCD 宝石

到目前为止，仅在胱氨酸尿中观察到这些是扩张的 IMCD 内未附着的圆形微小“结石” () (图 9). 直径约 1 至 2 毫米的胱氨酸微石存在于 IMCD 的远端，如果使用激光对 IMCD 进行开顶，则很容易将其移除（图 9，面板 a 和 b）。BD 可以用胱氨酸堵塞，但在它们的小管内没有堵塞物，因此可以不用力去除堵塞物 ( 3 ) 并且上皮细胞保持完整。这与所有其他 BD 插头形成对比。因为它们是圆形且独立的，所以在游离溶液中形成很明显是胱氨酸尿症。

图 9 内窥镜去除胱氨酸结石形成中 IMCD 导管结石

胱氨酸微石存在于 IMCD 的远端，在经皮肾镜取石术时很容易看到位于尿路上皮下方扩张管上的暗影（箭头）标记的部位（图 a）。当 IMCD 用激光打开屋顶时（面板 b），在扩张的 IMCD 内暴露出一个独立的圆形微小“石头”（双箭头），很容易流出 IMCD 腔。

除 IMCD 结石外的自由溶液形成

在手术中，人们通常会发现无数未附着的结石充满了肾盏甚至肾盂，但没有证据表明结石有附着部位。我们在这里指的是 PH1 和肥胖搭桥术中的 CaOx 结石、大多数 BR 和 HA 结石以及所有胱氨酸结石（图 10). 即使在原则上，也可以通过哪些方式来检验和证伪自由解假设？对我们来说，这似乎是对石材研究界的终极挑战。

图 10 胱氨酸结石可能是在“游离溶液”中形成的肾结石的例子

虽然在通过经皮肾镜取石术或输尿管镜取石时可以看到许多未附着的结石，但只有来自胱氨酸尿症患者的结石具有在“游离溶液”中形成的结石的一致特征（图 a）。胱氨酸结石看起来像“复活节彩蛋”，因为它们完全光滑，呈椭圆形，具有均匀的黄色，并自由漂浮在肾盏中。它们很容易抓住和移除（面板 b）。

在 IMCD 微石的情况下，在胱氨酸尿症中，停滞的尿液可作为滋生地。但剩下的，前段所说的那些石头，自由解生成又是什么意思？对我们来说，这意味着尿液中的核化，也许是在花萼内，通过某种方式进行保留，以便可以发生生长。事实上，这个理论非常接近堵塞覆盖假说，因为后者认为微小的覆盖被保留和增长。一个普遍持有的推测是细胞碎片从肾盂脱落并作为锚定和成核位点 ( 68 )。

当然，尿液中可能经常会形成晶体，因为我们所有人都在常规尿液分析中发现了它们。但是我们都没有观察到这些晶体变成石头；我们所拥有的只是这种情况可能会以某种方式发生的想法。问题是缺乏强有力的实验证明这个想法是不科学的，但本质上是形而上学的。出于这个原因，除了斑块上的生长和可能的栓塞上的过度生长之外，一切努力都是合理的，以找出测试临床结石形成机制的新方法。

Evan AP, Worcester EM, Coe FL, Williams J Jr, Lingeman JE. Mechanisms of human kidney stone formation. Urolithiasis. 2015 Jan;43 Suppl 1(0 1):19-32. doi: 10.1007/s00240-014-0701-0. Epub 2014 Aug 10. PMID: 25108546; PMCID: PMC4285570.