结石分析的重要性

  结石形态学检查，并结合FTIR或X射线衍射进行结石成分分析，有利于提供更多的关于结石的信息，从而为确定结石形成的原因提供更多的帮助。

  在过去的几十年中，尿石症已被慢慢的变多地诊断，目前，它影响大约10％的西方国家人口。饮食上的习惯的变化，包括高蛋白质和盐摄入，以及最近富含果糖的碳酸饮料的高消耗代表草酸钙肾结石的发生率增加的根本原因之一，现在最常诊断的结石是草酸钙结石。[6-8]。然而，其他几个因素可能暗示结石头的存在。事实上，已经在尿结石中已发现了超过100种的化学成分[9]，并且超过100种不同的病因可能涉及结石的形成。在识别结石成分的分析方法中，能够正常的使用化学和物理方法。然而，尽管它们的成本低，但是化学方法通常不足以准确地分析尿结石。它们不能鉴定由遗传疾病例如2,8-二羟基腺嘌呤[10-12]或药物诱导的结石引起的罕见的嘌呤结石[13-15]。此外，它们不能定量混合性结石中各元素的量，并且其不能精确区分在不同的生化和病理生理条件下，草酸钙或磷酸钙的各结晶相间的差异。[16-18]。

  在物理方法中，目前X射线衍射（XRD）和傅立叶变换红外光谱（FTIR）大多数都用在结石成分分析。他们可识别多种成分，并能提供结石成分比的半定量评估。

  这些方法能够鉴定非钙结石例如胱氨酸，2,8-二羟基腺嘌呤，黄嘌呤，尿酸，尿酸盐，1－甲基尿酸，鸟粪石，蛋白质，脂质或药物，以及草酸钙/或磷酸钙（CaPh）结石。因为结石可能在泌尿道中保留几个月或几年，它们通常含有几种组分（在我们机构中混合性结石占94%）[19]。准确鉴定结石的次要成分及其这种成分在结石中的分布位置，这有利于在临床上评估所涉及的环境因素或解释成石的过程（例如CaOx成晶于Randall的斑块上的CaPh）。此外，它还可以评估原发性甲状旁腺功能亢进，2型糖尿病及解脲酶细菌引起结石的成（岩）石过程的显着变化（图1,2,3,4）。

  物理方法提供关于相同化学物种的结晶相的信息，其可能意味着不同的成石条件：例如，草酸钙的结石中的一水草酸钙石（草酸钙的一水合物，COM）和二水草酸钙石（草酸钙的二水合物，COD），以及磷酸钙结石中的碳磷灰石，透钙磷石及白磷钙石。草酸钙结石可能是各种成（岩）作用的结果，其包括饮食失调，低利尿，遗传或获得性疾病等[9]。对于结晶相也是一样的：COM结石可以对应于与不同的致病性病症相关的高草酸尿状态，例如原发性高草酸尿，肠高草酸血症或特发性草酸钙结石[16,20]。相反，COD结石在高比例的病例中与高钙尿显著相关[16,20,21]。在表面和截面上很容易识别结石的不同形态（图5）。另外，初始成核过程可能与另一种机制（例如，Randall斑块）有关，而不是与其后的成石过程的因素相关。

  图2，9岁儿童的肾结石。结石部分显示由结晶引发的混合性结石。该儿童以吃蔬菜饮食为主，蛋白质和磷的摄入不足，并同时患有与肠道感染有关的慢性腹泻，从而导致尿酸铵结石的形成。

  。饮食和水的摄入不足，致结石的核心是尿酸铵，其表面覆盖有一水草酸钙（白色箭头）。在此外又进一步覆盖由二水草酸钙石与碳酸磷灰石相混合的混合物（黑色箭头），这个结果是由于此后该儿童生活方式改变，较易获得乳制品。后来孩子患有饮食起源的高钙尿症。

  图3，58岁，男性，尿酸结石。患者具有高于30kg / m2的BMI并且患有2型糖尿病和高血压。尿酸是代谢综合征和糖尿病的结果。然而，结石分析提供了证据，尿酸二次沉积于在一水草酸钙结石上（白色箭头）并且结石形成的第一步是在Randalls斑上碳酸磷灰石（黑色箭头），表明结石启动了很长时间

  图4，与尿路感染有关的结石。事实上，作为慢性UTI的结果，虽然周边层是由碳酸磷灰石与鸟粪石相混合的混合物构成，但结石的核心是由纯一水草酸钙结石构成，提示代谢因素首先参与了石头的形成。值得注意的是，最初的一水草酸钙结石显示印记（箭头），这高度建议结石是从Randall斑处的异质成核

  图5，常见的草酸钙结石。根据结晶相，结石的形态差别较大：一水草酸钙结石为Ia亚型（a为结石外观，b为结石截面）。二水草酸结石为IIa亚型（c为结石外观，d为结石截面）

  以上这些考虑说明了结石分析的重要性，因为结石分析能够给大家提供关于结石的形态，化学成分和结晶相以及它们在结石里的分布位置。

  只有物理方法才能识别这种混合性结石内多种成分。为此，在常规实践[22]中提出了几种技术，包括X射线]或热分析[28] ]和立体显微镜分析结石的形态[9,20]。如今，红外光谱被广泛用于世界上每年超过30万次结石的分析。限制一些中心使用结石分析技术的因素，可能是与设备相关的成本有关，X射线衍射和扫描电子显微镜是最昂贵，红外光谱法较便宜。

  许多病理和代谢紊乱的第一表现可能就是结石。结石分析的目的是从结石中收集所有相关信息，帮助医生确定结石形成和生长的原因。为此目的，医生可以调查与结石形成的相关的血液和尿的生物化学特征，以便鉴定能够提供关于涉及结石形成的可能风险因素的代谢疾病或代谢紊乱的准确信息。如果结石的成分与病因学诊断不相符，这种代谢调查不能确保对结石病原性疾病的实际诊断。此外，在随后的结石的分析中，可以在高达21％病例会有不同的结果，这意味着必须对每个不同结石的形态结构进行分析[29]。

  因此，除了代谢评估，结石分析是病因诊断的必要步骤。在某些情况下，成石过程中隐含的一些代谢疾病有可能未被标准代谢评估所识别，而结石可能提示明确诊断的特定成分的信息[12-15]。如由2,8-二羟基腺嘌呤构成的结石提示的是腺嘌呤磷酸核糖转移酶缺陷。为了获得这个结果，需要使用结石分析的物理方法。

  结石分析必须报告关于结晶相，它们在结石中的位置和结构特征（形态结构分析）的定性和定量信息[9,20]。这种程序在于检查表面和横截面形态以将结石特征概括为可以与代谢紊乱和疾病相关的形态类型。此外，准确地确定结石的所有部分（芯，内层，外围层和表面）的组成是必要的。最后，对整个结石（或结石的碎片）的全面定性分析及其相应成分在结石中的比例分析是值得推荐的。

  形态特征和相应的形态类型已经被描述[9,20]。在表1中，总结了各种类型的结石，其相应的主要晶相和与每种结石类型相关的常见原因。98％的尿结石可以根据该分类进行分类。如果结石不能分类，应考虑两个解释：化学成分（例如二羟基腺嘌呤，黄嘌呤，阿扎那韦，磺胺嘧啶...）或原因非常罕见[30]。因为结石通常由几个结晶相组成，所以发现与不同结晶相相关的不同亚型的混合物并不奇怪。在我们的经验中，发现二元混合物（如COM和COD）或三元混合物（包括COM，COD和碳磷灰石）可达总数的四分之一（图6）。

  图6, IIa + Iva亚型混合性结石，由二水草酸钙及碳酸磷灰石交替构成。这种形态与构成，高度提示为高钙尿。有必要注意一下的是，超过50％的与原发性甲状旁腺功能亢进有关的含钙结石表现出这样的结构

  尽管随着输尿管软镜的进展，使准确的结石分析受到一定的限制，这是因为激光将大部分结石粉碎，因此仅能提供用于分析的小片。然而，记住60-80％的尿结石可自排，应重点对这些结石进行收集并做相应的成分与形态的分析。

  嘌呤：尿酸可以是尿中过量尿酸排泄的标志物（高尿酸尿），但是其更常与胰岛素抵抗相关，伴随肾氨生成缺陷和恒定的酸性尿。在较少的情况下，其与尿液的高尿浓度相关，因为使用长期尿酸排泄药物或患有需要部分或全部结肠切除术（消化性碱性损失）的炎性肠病的患者中常有尿量不足的情况。

  尿酸可以被鉴定为三种不同的结晶形式：无水，一水合物或二水合物。关于结石的原因，这三个晶相之间没有明显的差别。然而，尿酸二水合物是在结晶尿研究中鉴定的最常见的尿酸结晶相，并且该相随时间稳定性差，因此在数周或数月后自发地转化为无水尿酸。鉴定结石中的尿酸二水合物，特别是作为尿酸的主要形式，高度提示了具有最近的结石形成的活性成（岩）石过程。

  相比之下，尿酸盐结石，不管与尿酸盐阴离子连接的阳离子，总是与尿液中过多的尿酸盐浓度相关联，这可能与尿量低或尿酸排泄量高有关。在所报道的各种尿酸盐中，尿酸氢铵和一水尿酸钠多见，这主要在于它们不易溶解。它们主要存在于碱性尿液中。在高尿酸盐和高钠浓度的情况下可以见到尿酸钠，而在高浓度铵下可观察到尿酸铵。氨的起源是肾细胞的过度产生，作为代谢性酸中毒的代谢机制或通过解脲酶细菌分解尿素而来。

  二羟基腺嘌呤是腺嘌呤磷酸核糖转移酶缺陷的特异性标志物，一种能够诱导结晶性肾病和终末期肾衰竭的严重和罕见的遗传疾病。

  结石中的黄嘌呤提示黄嘌呤的过量产生和/或氧化途径上的缺陷以将其转化为尿酸。可能涉及两种病理状况：一种情况是患有加速嘌呤代谢途径的黄嘌呤脱氢酶（家族性黄嘌呤尿）的遗传缺陷，另一种情况是Lesh-Nyhan综合征（次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶缺陷），存在着一种抑制别嘌醇治疗的酶。

  甲基-1尿酸是的主要代谢物之一。它在肝脏中由细胞色素P450的酶产生。由于不清楚的原因，甲基-1尿酸仅在具有升高的血液铝水平的患者中鉴定，因为慢性摄取含铝药物。它应该警告医生潜在的铝毒性。

  其它非钙结石也可以在尿中结晶：如胱氨酸，鸟粪石，及磷酸镁，蛋白质和各种药物。

  鸟粪石是尿道感染解脲酶微生物的指示剂。没有铵离子的其它镁盐，即新硼酸盐和五水化合物的磷酸三镁可以被认为是与过去的UTI相关的鸟粪石衍生物。

  蛋白质以微小比例存在于所有结石中，通常5％。如果它们更丰富，他们必须转向特定的尿路结石病的原因，如慢性肾盂肾炎，严重的慢性肾脏疾病，用一些防腐或抗病毒药物的长期治疗。在能够形成尿结石的药物中，triamterene，阿扎那韦，磺胺嘧啶和头孢曲松是最常见的。头孢曲松可以在尿或胆道中被鉴定为钙盐。

  草酸钙和磷酸钙结晶，难溶于尿。通常在草酸钙结石的核心中鉴定少量的碳酸磷灰石。碳酸磷灰石的存在是令人关注的，因为它可以被认为是结石形成的诱发因素。它来自Randall的斑，是一种状钙化，其在工业化国家中，越来越被认为是草酸钙结石的形成的核心[31-34]。

  根据我们的经验，显示（脐）的结石头比例在COM结石中较高（39.6％），在COD结石中较低（8.6％）（p 0.0001）。在所有自发排出的COM和COD结石中，发现Randall斑的比例分别为60％和16％。在其他国家很少有关于从结石分析中确定的Randall斑的存在的数据。例如，在西班牙[35]和巴利阿里群岛[36]，Randall的斑块在约12.5％的病例中从结石检查中被鉴定。有必要注意一下的是，在结石患者中，基于腔镜检查时所发现的的肾Randall斑块比例较高，从法国的57％[34]到美国的75-80％[33,37]。

  大多数关于结石成分的报告都集中在主要成分上。从流行病学角度来看，这是一个简单而有用的方法。然而，重要的是要考虑结石的（包括结石的次要成分）的定性与定量，并知道这些成分结石内的分布（以及相应的形态）。

  CaOx是人类尿结石中最主要的结石化学物种，它可以被鉴定为三种不同的结晶相：最常见COM，;其次是COD，和草酸钙三水合物（COT），命名为caoxite，一种罕见和不稳定的相。在新鲜排尿的尿中发现的尿液生物化学和CaOx的晶相之间的比较提供了COM晶体与高草酸尿相关的证据，而COD晶体主要与高钙尿相关[21,38-40]。因此，在88％的病例中，COM结石主要与过度的草酸盐浓度（低尿量）和/或过度的草酸盐排泄伴随继发性轻度和间歇性高草酸尿症相关[38,39,41]。相比之下，COD结石与超过85％的病例的高钙尿相关[17]。第三阶段（COT）是一种罕见和不稳定形式的CaOx，并且在包括高草酸尿和特定药物摄入在内的罕见情况下观察到[30,42]。

  在CaOx结石中，往往有高比例的COM和COD的混合物，通常与各种比例的碳酸磷灰石（不包括Randall的斑块）相关。在这种情况下，涉及结石形成的生化因子以及每一个结晶相，即高钙尿和高草酸尿。如果碳酸磷灰石含量较高，它应该定向到更特异的代谢功能障碍，例如骨吸收，原发性甲状旁腺功能亢进，管状酸化缺陷或另一种碱化源所致。

  在我们的经验中，约85％的结石成分分析可以确定CaPh结石的存在（比例：0.5至99％）。临床意义取决于其结晶相，位置和在结石内的总含量。此前强调了Randall斑中的碳酸磷灰石作为CaOx结石形成的核心。在这种情况下，CaPh含量低（5％;图1）。如Miller及其同事所建议的，含有无状印迹的以碳磷灰石作为核心的CaOx结石也可能是由于Randall斑的起始，当结石从处脱离后，新的CaOx层再次覆盖于Randall斑[43 ]。然而，应考虑CaPh的其他原因。因为碳磷灰石是高度pH依赖性的，所以必须预期富含碳酸磷石的结石在弱酸性至碱性尿液中形成，这表明是在尿路感染（UTI）或长期尿液pH升高的代谢性疾病与高钙尿相关或不相关的情况下[44,45]。与透钙磷石和/或磷酸八钙五水合物（OCPP）相关的碳酸磷灰石通常是高钙尿症的标志物。OCPP的存在表明一个活跃的成石的过程或最近的成（岩）过程[18]。

  UTI是导致磷酸盐结石的最常见的机制之一[17,44]。在这种情况下，结石的几个特点应该考虑：

  （1）除了碳磷灰石，其它CaPh存在于结石中，特别是非晶态碳酸钙和/或白磷钙石。

  （3）在不存在鸟粪石的情况下，另一种指示可能是有用的，即通过红外光谱法测定的碳酸磷灰石的碳酸化速率[46]。当其高于15％时，UTI是形成石头的驱动力的概率非常高。

  碳酸磷灰石很少是纯的，并且作为次要组分存在的其他晶相可以帮助建立诊断。与COD相关的碳酸磷灰石高度提示高钙尿症，应该引起对原发性甲状旁腺功能亢进的怀疑[47]。相比之下，与COM相关的碳磷灰石与髓质海绵肾和其他原因的尿潴留更相关。

  在富含碳酸磷灰石的结石的代谢因素分析中，高钙尿症是一个重要因素，其机制常常是吸收和/或重吸收的[44,48,49]。原发性甲状旁腺功能亢进是吸收性高钙尿症的主要原因之一。与这种病理状况相关的肾结石，具有一定的结石成分和形态的特殊特征（图6，图7）[47]。

  CaPh结石的罕见原因是肾细胞损伤后，排出特定质子成分所致，在遗传性远端酸化缺陷性疾病或获得性自身免疫疾病如Sjogren综合征中可以观察到。在这些代谢疾病中，尿结石主要成分是碳酸磷灰石，并且其成分中具有较高比例的CaPh，而且通常结石重量的80％以上是碳酸磷灰石。尽管大多数碳酸磷灰石见于IVa1或IVb亚型远端肾小管酸中毒，但是90％的远端肾小管酸中毒与IVa2亚型相关（图8）[9]。这些发现说明结石形态结构的分析有助于临床诊断。

  图8，磷酸钙结石，主要成分为碳酸磷灰石：IVa1亚型（A结石外观，B为结石截面）;亚型IVa2（C结石外观，D为结石截面）注意釉面存在非常小的裂缝;亚型IVb（E结石外观，F为结石截面）;

  世界上大多数国家的人群中最常见的结石成分是COM结石[50-53]。有关COM结石的形态学方面研究，可以导向不同的疾病或不同的成石（岩）状态：

  •与遗传性疾病（1型原发性高草酸尿）或肠源性高草酸血症（回肠切除，肥胖手术或慢性胰腺炎）相关的重度高草酸尿。

  亚型Ia（图1），通常颜色为深褐色，说明其与缓慢和间歇性的高草酸尿达到峰值有关（常见于低尿量或食用富含草酸盐的食物）。它是世界上大多数国家的人群中最常见的含钙结石的亚型（数据未发表）。当在Ia结石表面上看到灰色薄层时，它提示有新近的COM晶体沉积物，其次是最近的尿液草酸盐浓度曾达到峰值（图9）。

  图9，COM石为1a亚型。注意结石表面很薄的灰色层，且近期沉积的晶体覆盖于结石头的棕色表面。这种灰色覆盖是由近期发生的高草酸尿症引起的，通常与经常与短暂摄取富含草酸盐食物有关

  亚型1b（图10）可以是陈旧性结石的标记，可能首先因为短暂性的高钙尿而作为二水草酸钙结石（weddellite）存在，其后在一定时间内完成二水草酸钙向一水草酸钙的转变。亚型1a和1b通常颜色为深棕色。

  图10，Ib型COM结石。上图示结石外观，下图示截面。注意在结石的大部分表面及截面颜色深暗

  相比之下，亚型Ic质地较轻，棕黄色，在儿童多为白色（图11）。它与重度草酸尿相关，主要是原发性高草酸尿症1型（与肝细胞中的丙氨酸乙醛酸转氨酶缺乏有关），这是常导致终末期肾衰竭的最严重的结石性疾病，特别是当医生未分析结石的形态，而致诊断延误时[54,55]。在我们的实验室中分析的I型PH患者的所有92枚结石中，均具有这种Ic形态，这对于该疾病似乎就是病理性的提示。因此，医生遇到具有特定Ic形态，且是纯的COM结石时，应立即想到这种严重的疾病，从而使患者能获得早期主动性治疗策略。

  图11，Ic亚型的COM结石。上图示结石外观，。在左上的结石发白，来自一位小于2岁的婴儿。下图示截面，注意在结石面大部分颜色非常浅

  原发性高草酸尿症的其他遗传形式如2型高草酸尿症（乙醛酸还原酶/羟基丙酮酸还原酶缺乏）[56]或3型高草酸尿症（与羟脯氨酸途径中的4-羟基2-酮戊二酸醛缩酶的功能障碍有关）[57]并不都是Ic亚型，是因为至今人们并未明白为什么高草酸尿症常常与高钙尿具有相关性[58]。

  出现形态1d亚型通常提示是在特定的病理情况下，高草酸尿症患者同时伴有例如肾盏憩室、肾盂输尿管连接部梗阻或伴有不完全膀胱排空的前列腺肥大（膀胱结石）情况下所特有的标记。

  最后，Ie亚型与严重的肠源性高草酸尿症相关，这些患者患有具有广泛回肠切除术，肥胖手术或慢性胰腺炎的炎性肠病的病史（图12）[9]。在具有肠源性高草酸尿症的患者中，82.5％的病例中存在Ie亚型。

  尽管Ic和Ie亚型结石较为罕见，但重要的是要识别这些亚型，因为它们可以提醒临床医生，患者可能患有严重的高草酸尿症的原因，这些严重的高草酸尿症常常导致进展性肾衰竭，它们并不总是可能事前通过实验室检查而确定。

  二水草酸钙（weddellite）对应的分类为II型。亚型IIa至IIc通常与高钙尿相关，高钙尿与或不与有利于结石生长的其他条件相关。例如，我们发现由较大的COD晶体形式的IIa或IIb亚型经常与高草酸尿症及低枸橼酸尿症相关的高钙尿相关（图13）。

  图13, IIa亚型COD结石，结石顶部头由二水草酸钙的小八面体晶体制成，通常在由于高钙尿症形成结石的患者中观察到。结石底部常发现由小和非常大的晶体（箭头）的二水草酸钙构成。...

  尿酸和尿酸盐结石在形态－构成分类中为III型并且包括四个亚型。其中，亚型IIIa和IIIb由尿酸结晶构成；亚型IIIc和IIId由尿酸盐构成，尿酸盐结石通常由尿酸氢铵组成，尿酸氢铵在尿中的可溶性较低。

  关于IIIa亚型尿酸结石，其主要见于在尿中生长缓慢的尿酸结石，并且主要发现于患有前列腺肥大的男性的膀胱结石中（图14）。相比之下，IIIb亚型提示实质性参与代谢过程与以下一个或多个因素相关：

  •代谢综合征或2型糖尿病情况下的长期低pH，或者伴有水电解紊乱的慢性腹泻患者（回肠造口术，结肠切除术，出血性直肠结肠炎，...）

  •在糖尿病，骨髓或淋巴组织增生综合征或Vaquez疾病或引起尿酸盐重吸收缺陷的管状功能障碍的罕见病例中观察到的高尿酸排泄。有必要注意一下的是，在患有2型糖尿病的患者中，尤其女性最可能发展为IIIb亚型的尿酸结石（仅13％无糖尿病），p 0.00001）。

  •与饮食相关的高尿酸的产生和排泄增多（高果糖摄入，丰富的蛋白食物，罕见的关于核苷酸通道的遗传疾病如Lesh-Nyhan综合征或磷酸核糖焦磷酸合成酶缺陷）。

  在所有情况下，IIIb结石中若具有高含量的二水合物的尿酸，则提示是活性成石过程及是结石近期生长的标志（图15）。

  IIIc亚型和IIId亚型的尿酸盐结石，其具有不同于尿酸结石所观察到的病因。与IIIa和IIIb结石相比，尿酸盐结石不在酸性尿液中形成，需要在碱性尿液中具有高浓度的尿酸盐才能形成。尿酸盐结石的根本原因是与治疗措施相关的碱化条件或解脲酶微生物引起的尿路感染或在慢性腹泻病人尿中发现其它电解质含量较低，而尿酸盐浓度较高。在尿酸盐中，尿酸铵是IIIc亚型的最常见成分，并且是IIId亚型中唯一的一种。

  在西方国家中，IIIc亚型结石最常见的形态是具有局部多孔及均匀的粗糙表面。颜色通常是灰色的。内部结构通常是松散的，无机体组织结构，并且局部多孔，颜色与表面相同。这种类型的尿酸铵主要存在于两种病理状况中：

  IIId亚型尿酸盐结石主要见于儿童（大多是男童），其中特有的膀胱结石病存在于发展中国家，在工业化国家中也可见于部分厌食患者。结石的内部结构很典型，并且呈现为交替的同心厚层和薄层，厚层紧凑并呈棕色，而薄层松散且局部多孔，呈米色。这种结石亚型被认为是由于伴有低磷摄入的慢性腹泻患者所引起的基础损失的情况下，导致补偿性尿氨排泄的增加。腹泻的原因可能是感染或厌食患者滥用泻药所致[ 59，60 ]。。观察到滥用泻药者的结石的颜色非常暗，带有紫调。患有慢性腹泻的尿酸铵结石的患者中，超过90％的病例中为IIId亚型[9]。

  结石形态学检查，并结合FTIR或X射线衍射进行结石成分分析，有利于提供更多的关于结石的信息，从而为确定结石形成的原因提供更多的帮助。建议所有能提供结石分析的实验室，帮助医生共同确定尿结石形成的原因。有必要注意一下的是，具有相同化学成分的结石，由于形成的原因不同，往往具有不一样的形态特征，这与代谢异常程度及结石形成的动力学过程具有相关性。