吕建林：肾结石的分子学研究进展

Cells. 2021 Aug; 10(8): 1926.

Published online 2021 Jul 29. doi: 10.3390/cells10081926

PMCID: PMC8393760

PMID: 34440695

The Molecular Aspect of Nephrolithiasis Development

 尿石症是继尿路感染和前列腺疾病之后的第三大常见泌尿系统疾病，其特征是发生率约为15%，并继续上升。近几十年来观察到的肾结石发病率的增加，很可能是由于所有工业化国家饮食习惯（高含量蛋白质，钠和糖饮食）和生活方式（减少身体活动）的改变引起的。此外，男性比女性更容易被诊断出患有肾结石。越来越多的证据表明，炎症、氧化剂-抗氧化剂失衡、血管生成、嘌呤代谢和尿素循环障碍可能在肾结石的发展中起着至关重要的作用。与对照组相比，尿石症患者的特征是活性氧（ROS），脂质过氧化产物，促炎细胞因子以及原血管生成因子水平增加。此外，已经表明，参与嘌呤代谢和尿素循环的酶的缺乏和紊乱可能是沉积物形成的原因。ROS生成表明，肾结石的过程可能因炎症，嘌呤代谢和尿素循环而得到额外的增强。另一方面，ROS过度生产可能诱导血管生成的激活，从而允许沉积物聚集。

关键词： 氧化应激， 炎症， 血管生成， 嘌呤代谢， 尿素循环， 肾结石

1. 引言

      尿石症是仅次于尿路感染和前列腺疾病的第三大常见泌尿系统疾病。最近来自意大利、德国、苏格兰、西班牙、瑞典、日本和美国等7个国家的流行病学总结显示，肾结石的发病率为每10万人114-720人，患病率为1.7-14.8%[1]。据观察，肾结石的发病率在过去30年中急剧增加，可能是由于环境变化，包括饮食不足和体力活动受限[2]。根据国家健康和营养检查调查（NHANES）的数据，从2007年到2010年，美国自我报告的肾结石患病率增加了近三倍。在英国，尿石症的终生患病率在2000年至2010年间增加了63%。以前的流行病学研究表明，形成结石的倾向因性别，种族和地理位置而异。直到最近，男性尿路结石的发病率是女性的2-3倍。然而，最近的研究表明，男女之间的这种差异正在消失，例如，在1970年至2000年期间，明尼苏达州（美国）的肾结石发病率的男女比例从3.1降至1.3[6]。有人提出，女性结石发病率增加的原因可能是生活方式和饮食的改变，导致女性肥胖增加，这是尿路结石形成的已知危险因素[7]。同样，来自东方国家（如中国和日本）的数据显示，已经观察到饮食向"西方饮食"的转变，表明肾结石风险增加[8，9]。"西方饮食"的特点是大量食用动物蛋白，导致尿液中钙、草酸盐和尿酸的排泄增加，因此易患肾结石。另一方面，与一些西方国家的饮食相比，中国传统饮食中含有较少的动物蛋白和更高比例的蔬菜，因此，可能有助于防止结石的形成[8]。一项针对男性人群的流行病学研究证实，在日本，改变饮食习惯与调节患肾结石的风险之间存在密切关系。BMI（体重指数）的增加与肾结石风险的增加呈正相关[9]。因此，肾结石的危险因素包括饮食中蛋白质，钠（盐）和糖含量高，以及体力活动减少等。此外，液体和钙消耗量减少以及草酸盐消耗增加可能会促进肾结石的形成[10，11，12，13，14]。患肾结石的风险不仅与动物蛋白的高供应有关，还与食品生产商添加的某些违禁物质的存在有关。2008年9月，三聚氰胺污染婴儿奶粉曝光。三聚氰胺是一种化学物质，用于增加稀释牛奶的氮含量，使其看起来蛋白质含量较高，以通过质量控制测试。食用牛奶中含有的三聚氰胺的受害者人数估计为240，000，其中六名儿童死于肾结石和其他肾脏损伤，约有54，000名儿童住院治疗。根据世界卫生组织的数据，三聚氰胺消费受害者中有82%的儿童年龄在两岁或以下[15，16，17，18]。如上所述，结石流行率也与种族和民族差异有关。之前的一项分析证实，非西班牙裔白人的结石风险最高（10.3%），其次是西班牙裔（6.4%）和非西班牙裔非裔美国人（4.3%）[3]。此外，肾结石发病率也与环境因素有关。炎热干旱的气候可能导致肾结石的发展[10]。以前在美国进行的流行病学研究表明，平均气温较高的地区发生尿路结石的风险最高。因此，这种相关性可能表明全球变暖可能会影响石头的发育[4，11]。Brikowski及其同事（2006）预测，根据全球变暖的影响，居住在被指定为肾结石形成高风险地区的人口比例将从2000年的40%增加到2050年的56%，到2095年将增加到70%[12]。此外，流行病学数据还表明，结石发病率可能具有季节性特征。在温暖的夏季月份观察到的结石发生率高于较冷的冬季[13]。此外，许多全身性疾病，包括糖尿病，代谢综合征，心血管疾病和肥胖症也是肾结石的危险因素[14，19，20，21]。

遗憾的是，肾结石的特征是复发风险高。首次肾绞痛后自发性5年复发率为35%-50%[22]。此外，如果患者未进行综合预防，继发性结石形成的复发率估计为每年10-23%，5-10年为50%，自首次发生后20年内为75%[23]。遗憾的是，由于肾结石发作的反复性，尿路结石可导致多种并发症，范围从急性到慢性疾病，包括肾盂肾炎，尿路感染，肾功能不全，甚至尿路癌[24，25]。有趣的是，由于尿路结石和膀胱癌的发病率都在上升，尿路结石可能参与膀胱癌的发展。一项荟萃分析证实，与健康对照组相比，尿石症患者的膀胱癌风险总体增加了 1.87 倍。此外，Yu等人（2018）表明，膀胱结石患者患膀胱癌的风险高于肾结石患者（2.17 vs. 1.39）[26]。

除了环境和病因因素外，最近的研究还表明了遗传因素在尿石症发展机制中的作用。据报道，在16%-37%的肾结石患者中，结石家族史呈阳性，而对照组为4%-22%[27]。流行病学研究证实，结石形成发生在有肾结石家族史的患者中，结石形成年龄较小。此外，具有阳性家族史的患者从疾病发作起的结石发作相对较多。与无家族史的患者相比，一组有阳性家族史的患者的平均复发间隔明显缩短[28]。

由于尿石症在世界人口中的高患病率和复发率，它也与高昂的医疗费用有关。2000年，美国治疗尿石症患者（包括住院、门诊和急诊服务）的总费用估计为21亿美元。此外，这一成本在1994年至2000年期间增加了50%[29]。有趣的是，据估计，到2030年，由于肥胖和糖尿病患病率的上升，美国尿石症患者的护理费用将每年增加12.4亿美元[30]。

尽管对肾结石的发病机制进行了广泛的研究，但其分子基础仍不清楚。另一方面，越来越多的证据表明，炎症，氧化剂 - 抗氧化剂失衡，嘌呤代谢，尿素循环以及血管生成障碍可能在泌尿道沉积物的形成中起重要作用。因此，在本文中，我们旨在根据现有文献阐明上述生化途径在肾结石发病机制中的作用。

2. 氧化应激

      活性氧（ROS）是高活性化合物，作为信号分子起着关键作用，但也会对蛋白质，脂质，碳水化合物和核苷酸造成损害，导致各种疾病的发展，包括肾结石[31，32]。在稳态条件下，ROS在调节细胞之间和细胞内的信号传递过程中起着重要作用。例如，由于细胞中的反应活性，选择性和恒定可用性，在ROS中，超氧离子和过氧化氢在腺苷酸环化酶和磷脂酶C途径中起调节剂的作用[31，33]。ROS也参与受体功能的调节，主要是那些含有-SH（硫醇）基团的受体。大多数情况下，硫醇基团位于配体结合位点中。由于ROS的作用，发生硫醇基团的氧化，这导致配体结合位点失活，从而灭活整个受体。另一方面，ROS可以增强运输蛋白的活性，例如5-脂氧合酶，这是受刺激的淋巴细胞产生的自由基的额外来源[34，35]。ROS的另一个重要活性与吞噬细胞（粒细胞，单核细胞，巨噬细胞）对病原体的反应（氧气爆炸现象）有关[36]。ROS也参与免疫过程的调节。先前的研究表明，ROS增强T淋巴细胞的活化并诱导白细胞粘附到内皮细胞，这使得它们从循环系统渗透到炎症反应的部位[31，33，37]。此外，低过氧化氢浓度刺激活化B细胞（NF-κB）的核因子kappa轻链增强子的活性，其激活许多基因的表达，包括细胞因子（白细胞介素-IL-1β或IL-6），硫氧还蛋白，SOD（超氧化物歧化酶）[38]。ROS还影响细胞存活，衰老和死亡。低浓度的ROS调节细胞分化过程，并允许它们适应变化的条件，而暴露于较高浓度的自由基诱导细胞凋亡，这允许消除那些严重受损并可能对身体构成风险的细胞[33，39]。如上所述，高浓度的ROS对细胞是危险的。自由氧自由基的有害作用表现在它们氧化蛋白质，核酸和脂质的能力上[33，40，41]。蛋白质氧化可导致多肽链断裂，残基氨基酸改变以及蛋白质二聚体或聚集体的形成。因此，这些变化导致酶，调节蛋白或膜转运蛋白的功能活性的丧失[42，43，44]。经历过不可逆变化的蛋白质被蛋白酶选择性地去除，但随着细胞老化和蛋白水解活性降低，它们可以积聚在细胞中，导致其永久性损伤。ROS，包括羟基自由基和氧单线态，也会破坏嘌呤和嘧啶碱基，残留物的糖或导致连接核苷酸的磷酸二酯键断裂[40，41，45]。由于ROS活性，核酸链断裂或其氧化修饰的产物，包括8-羟基-2-脱氧鸟嘌呤和8-羟基鸟嘌呤，可能发生在线粒体和细胞核中。由于其靠近线粒体呼吸链，线粒体DNA比核DNA更容易受到氧化损伤[41，46，47]。脂质，特别是多不饱和脂肪酸，也特别暴露于高浓度的ROS。由于脂质过氧化，形成修饰的，受损的脂质分子。在多不饱和脂肪酸的过氧化产物中，丙二醛或4-羟基壬烯醛是最常见的[48]。此外，脂质过氧化产物，如4-羟基壬烯醛，会对蛋白质活性产生不利影响。4-羟基壬烯醛相关蛋白（例如谷胱甘肽转移酶）在构象和功能上发生变化[49]。此外，脂质过氧化产物还会影响细胞膜的物理性质，除其他外，导致膜酶和转运蛋白的活性抑制。此外，它们可以诱导巨噬细胞中环加氧酶2型（COX-2）的表达并激活这些细胞的炎症电位[50]。然而，细胞已经发展出针对ROS过度生产的防御机制。这些系统包括酶，降解ROS和非酶促低分子化合物，抗氧化剂，在活性氧的作用下，构成对细胞重要分子的防御屏障[51]。ROS 的两面性显示在图 1.

图 1 在稳态条件下，活性氧自由基以对细胞安全的量释放，可以诱导细胞分化和凋亡，影响一氧化氮的合成，释放或失活，并刺激葡萄糖转运到细胞。通过增加毛细血管壁的通透性，它们确保了炎症反应的正确过程。ROS执行的最重要任务之一是调节从细胞到细胞及其内部的信号传输过程。这些分子的较高浓度会导致有毒细胞损伤，导致其破坏。自由氧自由基的有害作用表现在它们氧化蛋白质，核酸和脂质的能力上[51]。

       肾脏中ROS的主要来源是NADPH氧化酶，特别是在存在血管紧张素的情况下[52]。晶体聚集和保留是肾结石形成的关键事件，与体内自由基活性密切相关。草酸钙（CaOx）晶体（最常诊断的尿路结石形式）的沉积导致肾素上调和血管紧张素II的产生，从而导致NADPH氧化酶活化，从而加剧ROS的产生。然后，ROS通过P38丝裂原激活蛋白激酶（-MAPK）/ JNK引起转录因子的激活，包括激活的B细胞（NF-κB），活化蛋白-1（AP-1）和生长因子（包括TGFβ Runt相关转录因子-2（RUNX-2）和氧化甾的核因子kappa-轻链增强子。因此，ROS诱导的转录的激活导致异前列素和前列腺素的产生，从而可能调节炎症反应（Khan）。ROS诱导的NF-kB还可以调节编码粘附分子COX-2和促炎细胞因子，肿瘤坏死因子-α（TNF-α），白细胞介素6（IL-6）和C-反应蛋白（CRP）的基因的表达。然后，恶性循环机制中的这些因素可能额外激活NADPH氧化酶并可能刺激ROS生成，这可能会损害内皮功能[53]。

除了 NADPH 氧化酶之外，ROS 的线粒体产生是肾结石病理生理学中与肾沉积物形成相关的肾损伤的下一个罪魁祸首。在心脏之后，肾脏的特征是线粒体含量和氧气消耗量第二高，因此被认为是人类最消耗能量的器官之一。这种高能量需求对于适当的肾功能是必要的，包括从血液中清除废物，重新吸收营养物质，维持酸碱稳态，血压调节以及维持电解质和液体的平衡。然而，并非肾脏结构的每个元素都具有相同的能量需求。能量需求最高的肾脏结构是近端肾小管，它重新吸收80%通过肾小球的滤液。因此，与其他类型的肾细胞相比，它们需要额外的主动运输机制，因此，它们比肾脏中的任何其他结构具有更多的线粒体。因此，近端小管的正常功能取决于线粒体感知和响应营养可用性和能量需求变化的能力[54，55，56，57，58]。如引言中所述，CaOx是最常见的诊断，这主要是由于尿液中草酸盐浓度增加的结果。先前的研究表明，高草酸盐水平会引起肾脏氧化应激，这可能在肾细胞损伤的开始和进展中起关键作用[59，60]。体外和体内研究表明，草酸盐可能会扰乱线粒体中的电子传递链，因此可能导致自由基泄漏[61]。随后的一项研究表明，草酸钙一水合物晶体可能抑制近端肾小管细胞中的线粒体呼吸链[62]。已经表明，由于暴露于草酸盐，线粒体增加了ROS，脂质过氧化物和氧化硫醇蛋白的产生[63]。CaOx晶体的沉积也可能通过增加细胞神经酰胺水平对线粒体造成损害。通过神经酰胺对线粒体损伤的后果可能是过氧化氢产生增加，谷胱甘肽消耗和线粒体膜电位降低，从而导致半胱天冬酶的激活，最后是细胞凋亡诱导[64]。此外，Niimi及其同事（2014）认为，线粒体损伤可能是由线粒体内膜中线粒体膜通透性转换孔（mPTP）的打开引起的[65]。mPTP开口可能是钙超负荷和氧化应激的结果。因此，mPTP开口可能导致氧化磷酸化解耦并损害细胞内ATP水平，最终导致坏死细胞死亡[65]。

      因此，促氧化剂和抗氧化剂失衡可能有助于肾结石的发展。因此，肾结石患者的特征是脂质过氧化物增加，而血清中的亚硝酸盐和α生育酚水平降低[66]。先前的研究证明，肾结石患者的特征在于尿液中促氧化损伤标志物水平升高，包括8-羟基脱氧鸟苷（8-oxoG，DNA氧化损伤的标志物）和硫代巴比妥酸反应物质（TBARS，脂质过氧化的标志物）[67]。此外，一项动物研究表明，肾结石可能与乙二醇（EG）处理的大鼠肾延髓中上皮一氧化氮合成酶（eNOS）表达的降低和诱导性一氧化氮合成酶（iNOS）表达的增加有关，这被称为肾脏中CaOx形成的既定模型。此外，EG处理大鼠肾皮质和髓质中硝基酪氨酸（由活性氮物质介导的酪氨酸硝化产物）的水平均升高[68]。eNOS的mRNA表达降低可能是骨桥蛋白（OPN）活性变化的结果。OPN可能下调人肾近端肾小管上皮细胞中一氧化氮合酶（NOS）的表达[69]。先前的结果表明，OPN将草酸钙结晶引导至草酸钙二水合物相，与草酸钙一水合物相相比，草酸钙对肾小管上皮细胞的粘附性较差[70]。因此，ROS暴露与NOS mRNA水平降低有关，同时与OPN mRNA水平升高有关[69]。此外，Khan等人（2002）发现，肾脏中OPN表达的增加与肾脏中CaOx沉积后尿OPN排泄的增加相关[71]。

      另一方面，肾结石的形成可能与抗氧化水平下降有关，包括α-胡萝卜素，β-胡萝卜素和β-隐黄质[72]。此外，在儿科人群中，一项研究结果证实肾结石与氧化应激有关。儿科患者的尿液总抗氧化状态（TAS）和总氧化状态（TOS）高于对照组[73]。持久的氧化条件可能导致抗氧化剂水平升高，因此高TAS值可能表明持续的氧化应激。此外，在肾结石患者中还观察到抗氧化酶活性降低，包括超氧化物歧化酶（SOD，−7%），谷胱甘肽过氧化物酶（Gpx，−20%）和谷胱甘肽-S-转移酶（GST，-13%）。因此，由于生物体无法对抗ROS的破坏性作用，抗氧化酶活性的降低加剧了上述疾病[74]。另一方面，手术去除肾结石可能有助于丙二醛（MDA，29%）和Gpx活性增加（增加50%），达到接近对照组水平的值[74]。先前的研究表明，过氧化升高和硫醇水平的消耗可能有助于增加草酸盐结合活性和对肾小管细胞的损伤，这反过来又促进结核，晶体粘附和结石聚集[66]。因此，在特发性CaOx结石病例中，观察到尿液中提示肾小管损伤的肾酶水平高，例如γ谷氨酰转肽酶，血管紧张素1转换酶，β-半乳糖苷酶和N-乙酰基-β-D-葡萄糖氨酸酶（NAG），以及脂质过氧化产物，包括MDA。此外，尿NAG排泄与8-OHdG浓度呈正相关[67，75]。因此，肾小管损伤与ROS生成密切相关。

    有趣的是，MnSOD（锰超氧化物歧化酶）多态性可用作识别有尿石症风险的个体的工具。先前的一项研究表明，Ala-9-Val MnSOD多态性的Ala/Ala基因型降低了风险，而Val/Val基因型与肾结石风险增加相关[76]。

与肾结石相关的促氧化剂和抗氧化失衡因素的总结见表 1.

表 1 肾结石诊断中的潜在生物标志物。

化合物（缩写）

生理作用

肾结石病程功能障碍

生物样品

引文

α-生育酚

一种维生素E，具有抗氧化能力，可减少脂质过氧化。

降低级别

血清

[66]

8-羟基脱氧鸟苷

脱氧鸟苷的氧化衍生物，是DNA氧化的主要产物之一。

提高级别

尿

[67]

硝基酪氨酸

由活性氮物质介导的酪氨酸硝化产物，包括过氧亚硝酸盐阴离子和二氧化氮。

提高等级

肾皮质和髓质暗示

[68]

上皮一氧化氮合成酶 （eNOS） 和诱导性一氧化氮合成酶 （iNOS）

NOS是一种酶家族，可催化L-精氨酸产生一氧化氮。iNOS位于细胞质基质中，而eNOS与膜相关。

上皮eNOS表达减少，iNOS表达增加

肾髓质

[68]

α-胡萝卜素，β-胡萝卜素和β-隐黄质

这些是形成视黄醇的常见类胡萝卜素及其减少脂质过氧化的抗氧化能力。

降低级别

血清

[72]

超氧化物歧化酶（SOD）

一种酶，催化超氧自由基分解成普通分子氧和过氧化氢。

减少活性

血清

[74]

谷胱甘肽-S-转移酶 （GST）

一种酶，催化谷胱甘肽（GSH）的还原形式与异种生物底物的偶联，用于解毒目的。

减少活性

血清

[74]

谷胱甘肽过氧化物酶 （Gpx）

一种保护生物体免受氧化损伤的酶。它将脂质氢过氧化物还原为相应的醇，并将游离过氧化氢还原为水。

减少活性

血清

[74]

丙二醇二醛

多不饱和脂肪酸（包括花生四烯酸）脂质过氧化的标志物。

提高级别

尿

[74]

3. 炎症

    如前所述，ROS过度生产可导致炎症的发展。另一方面，炎症也可能与结石形成直接相关。在尿石症的过程中，已经观察到CaOx晶体可以通过与肾小管细胞结合然后聚集成大形式而保留在肾脏中[77]。因此，肾脏沉积物可以刺激肾细胞分泌炎症介质，例如单核细胞化学引诱蛋白-1（MCP-1，也称为CCL2）和TNF-α[78，79]。先前的研究表明，与肾结石发展相关的肾细胞损伤和炎症与尿石症患者尿液中IL-6的增加有关[80，81，82]。此外，含结石的肾脏活检显示，肾组织中IL-6和MCP-1的mRNA表达增加[83]。此外，Hasna及其同事（2015）发现，与无尿石症的糖尿病患者相比，患有尿石症的糖尿病患者的CRP和IL-6水平更高[84]。血清CRP水平升高与年轻个体自我报告的肾结石发病率相关[85]。

Suen等人（2010）发现，肾结石患者的特征在于尿液中炎症生物标志物水平升高，包括IL-6，IL-8 / CXCL8（白细胞介素8 / 趋化因子（C-X-C基序）配体8），RANTES / CCL5（在激活时调节，正常T细胞表达和分泌/ C-C基序趋化因子配体5），MCP-1 / CCL2，Mig / CXCL9（由γ/趋化因子（C-X-C基序）配体9诱导的单因子）和IP-10 / CXCL10（C-X-C基序趋化因子配体10 /干扰素γ诱导蛋白）， 其中最敏感的是IL-8 / CXCL8。此外，复发性结石患者的尿IL-8水平高于首次肾绞痛发作的患者[86]。肾结石可刺激肾小管上皮细胞和免疫细胞通过TLR4（Toll样受体4）和TLR2（Toll样受体2）分泌诱导的趋化因子，包括IL-8/CXCL8、RANTES/CCL5和MCP-1/CCL2[87，88]。作为对TLR2和TLR4激动剂的响应，树突状细胞可以产生RANTES / CCL5，IP-10 / CXCL10，IL-8 / CXCL8，MIP-1α / CCL3和MIP-1β / CCL4 [89]。反过来，NK细胞分泌的IFN-γ可以刺激常驻组织细胞产生IP-10 / CXCL10和Mig / CXCL9。然后，IP-10 / CXCL10和Mig / CXCL9可以引导活化的T细胞回到发炎的组织[90]。从肾小管上皮细胞和树突状细胞中早期产生这些趋化因子对于塑造肾脏中的免疫反应至关重要[91]。IL-8 / CXCL8也可能将中性粒细胞募集到炎症部位，而MCP-1 / CCL2可以募集单核细胞，记忆T细胞和NK细胞[92]。此外，MCP-1 / CCL2可以通过肾小管上皮细胞诱导IL-6的分泌并表达细胞间粘附分子-1 [93]。因此，由沉积物引起的肾损伤可能引发"趋化因子到细胞因子到趋化因子"级联反应（图 2).此外，结石青少年尿液中的巨噬细胞炎蛋白1β（CCL4，MIP-1β）和白细胞介素13（IL-13）水平高于对照组。MIP-1家族参与趋化因子受体激活，包括CCR1（C-C趋化因子受体1型）和CCR5（C-C趋化因子受体5型），调节急性和慢性炎症[94]。反过来，IL-13可能阻断单核细胞（包括IL-6）起始炎性细胞因子的产生，并增加主要组织相容性复合物（MHC）II类表达[95]。

图 2 启动"趋化因子到细胞因子到趋化因子"级联反应。肾结石可能含有相当数量的内毒素，并且可以通过TLR4刺激肾小管上皮分泌趋化因子，包括IL-8 / CXCL8，RANTES / CCL5和MCP-1 / CCL2。IL-8 / CXCL8在中性粒细胞的募集中起关键作用，而RANTES / CCL5以白细胞募集到炎症部位而闻名。反过来，MCP-1 / CCL2招募单核细胞，记忆T细胞，NK细胞，并诱导IL-6并通过管状上皮细胞表达细胞间粘附分子-1分泌。此外，活化的NK细胞释放IFN-γ，其可以刺激常驻组织细胞产生IP-10 / CXCL10和Mig / CXCL9，它们最终负责引导活化的T细胞回到发炎的组织中。因此，结石诱导的肾损伤可以引发"趋化因子到细胞因子到趋化因子"级联反应，这可能在尿石症发病机制中起关键作用[86，87，88，89，90，91，92，93]。

     先前的多态性分析表明，肾结石患者IL-1β启动子区的T/T（−511）基因型和IL-1RA的I/II（410/240）基因型的频率高于对照组[96]。同样，在土耳其人群中，多态性分析表明IL-1RN和IL-1β（−511）SNP与尿石症有关[97]。Chen等人（2001）表明，位于IL-1中的多态性与成人尿石症的发展和严重程度有关[98]。另一方面，肖等人发现中国维吾尔族儿童IL-1RN、IL-1β（−511）和IL-1β（+3954）基因型的发生没有显著差异[99]。下一个多态性位于IL-18基因中。+105A/C IL-18多态性的A/C + C基因型增加了尿石症的风险[100]。同样，相同多态性的C/C基因型与伊拉克人群中的高肾结石风险相关[101]。与肾结石发展相关的炎症介质的摘要见于表 2.

表 2 与肾结石诊断中的炎症相关的潜在生物标志物。

介质

生理作用

肾结石病程功能障碍

生物样品

白细胞介素6 （IL-6）

IL-6是急性期反应的有效诱导剂。IL-6的快速产生有助于在感染和组织损伤期间的宿主防御，但过度的IL-6合成参与疾病病理学。在先天免疫反应中，它是由骨髓细胞（如巨噬细胞和树突状细胞）合成的，通过感染部位的Toll样受体（TLRs）识别病原体（可能）。在适应性免疫应答中，它是将B细胞分化成免疫球蛋白分泌细胞所必需的。它在CD4 + T细胞亚群的分化中起主要作用，是诱导生发中心形成所需的T滤泡辅助（Tfh）细胞发育的重要因素，是驱动幼稚CD4 + T细胞到Th17谱系所必需的。它也是骨髓瘤细胞增殖和浆原始细胞存活所必需的。

提高等级

尿

mRNA 表达升高

肾组织

单核细胞化学吸引蛋白 1/趋化因子（C-C 基序）配体 2 （MCP-1/CCL2）

MCP-1，称为CCL2，是调节单核细胞/巨噬细胞迁移和浸润的关键趋化因子之一。

mRNA 表达升高

肾组织

提高级别

尿

C-反应蛋白

一种肝源性急性期蛋白，在巨噬细胞和 T 细胞分泌白细胞介素-6 后增加。其生理作用是与死细胞或垂死细胞表面表达的溶血磷脂酰胆碱结合。

提高级别

血清

白细胞介素8/趋化因子（C-X-C基序）配体8（IL-8/CXCL8）

IL-8，也称为CXCL8，是由巨噬细胞，上皮细胞，气道平滑肌细胞和内皮细胞产生的趋化因子。它在嗜中性粒细胞和其他粒细胞中诱导趋化性，使它们向感染部位迁移。IL-8一旦到达，也会刺激吞噬作用。IL-8也是血管生成的有效促进剂。

提高级别

尿

在活化时调节，正常T细胞表达和分泌/ C-C基序趋化因子配体5（RANTES / CCL5）

CCL5，也称为RANTES，对T细胞，嗜酸性粒细胞和嗜碱性粒细胞具有趋化作用，并且在将白细胞招募到炎症部位中起积极作用。在T细胞释放的特定细胞因子（即IL-2和IFN-γ）的帮助下，CCL5还诱导某些自然杀伤（NK）细胞的增殖和活化为其活化形式。

提高级别

尿

由γ/趋化因子（C-X-C基序）配体9（Mig/CXCL9）诱导的单因子

Mig，也称为CXCL9，在趋化性诱导中起作用，促进白细胞的分化和增殖，并引起组织外渗。

提高级别

尿

C-X-C基序趋化因子配体10/干扰素γ诱导蛋白（IP-10 / CXCL10）

CXCL10，也称为IP-10，由单核细胞，内皮细胞和成纤维细胞响应IFN-γ分泌。CXCL10参与单核细胞/巨噬细胞，T细胞，NK细胞和树突状细胞的化学牵引，促进T细胞粘附到内皮细胞，抗肿瘤活性以及抑制骨髓集落形成和血管生成。

提高级别

尿

趋化因子（C-C基序）配体4/巨噬细胞炎性蛋白-1β（CCL4/MIP-1β）

CCL4，也称为MIP-1β，由中性粒细胞，单核细胞，B细胞，T细胞，成纤维细胞，内皮细胞和上皮细胞产生。它是自然杀伤细胞，单核细胞和各种其他免疫细胞的化学引诱剂。

提高级别

尿

白细胞介素13 （IL-13）

IL-13是由T辅助2型细胞，CD4细胞，自然杀伤性T细胞，肥大细胞，嗜碱性粒细胞，嗜酸性粒细胞分泌的细胞因子。它是IgE合成，杯状细胞增生，粘液分泌过多，气道高反应，纤维化和几丁质酶上调的中枢调节剂，也是过敏性炎症和不同疾病（包括哮喘）的介质。

提高级别

尿

4. 嘌呤代谢

      与结石形成相关的另一种代谢途径是嘌呤代谢（图 3).以前的研究已经证实，参与嘌呤代谢的酶的缺乏可能是肾结石发展的原因。其中之一是腺嘌呤磷酸核糖基转移酶（APRT）缺乏症，导致腺嘌呤（通常转化为AMP）转化为2，8-二羟基腺嘌呤（2，8-DHA）增加，其溶解度比尿酸低50倍，并导致肾结石形成[102]。同样，次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶 （HPRT） 缺乏症（称为 Lesch-Nyhan 综合征）是一种 X 连锁疾病，可导致尿路沉积物形成。该综合征与鸟嘌呤和次黄嘌呤降解尿酸增加有关[103]。尿液中大量的尿酸导致尿酸晶体的形成。另一方面，黄嘌呤氧化酶（XO）缺乏也会导致肾结石的形成，因为黄嘌呤和次黄嘌呤不能代谢成尿酸，因此已被证明可以增加尿黄嘌呤和次黄嘌呤浓度[104]。黄嘌呤是尿液中排泄的所有嘌呤中最不溶性的，尿黄嘌呤水平升高可导致沉淀和结石形成。因此，尿酸和氧嘌呤的血浆水平反映了嘌呤代谢紊乱。低尿酸患者的特征是尿酸水平低于80 μmol/L（正常水平为300–360 μmol/L），黄嘌呤和次黄嘌呤血浆浓度升高，分别是正常值的7-20倍和1.5-3.5倍[103]。先前的结果还表明，磷酸核糖基焦磷酸合成酶（PRPS）超强活性可能导致肾结石或膀胱结石的发展，从而导致急性肾功能衰竭发作[105]。

图 3 嘌呤代谢包括三个步骤：从头合成，挽救和分解途径。从头合成是一个多步骤过程，需要PRPS，四个氨基酸，一个PRPP，两个叶酸和三个ATP的贡献来合成肌苷单磷酸（IMP）。IMP可以通过5'-核苷酸酶（5'NT）直接催化成肌苷，然后嘌呤核苷磷酸化酶（PNP）将肌苷转化为次黄嘌呤。HPRT利用PRPP作为共底物，分别催化嘌呤碱次黄嘌呤和鸟嘌呤中肌苷单磷酸（IMP）和鸟苷单磷酸（GMP）的残留合成。HPRT作用引起次黄嘌呤和鸟嘌呤的积累，它们在分解途径中被XO和黄嘌呤脱氢酶（XDH）转化为尿酸。此外，APRT利用PRPP作为共底物催化单磷酸腺苷（AMP）和IMP腺嘌呤的残留合成[106]。与肾结石发育相关的嘌呤代谢酶的摘要载于表 3.

表 3 与肾结石诊断中的嘌呤代谢途径相关的潜在生物标志物。

因子（缩写）

生理作用

肾结石病程功能障碍

生物样品

引文

腺嘌呤磷酸核糖基转移酶 （APRT）

这种酶参与核苷酸挽救途径，为人类从头的核苷酸生物合成提供了一种替代方案。

缺乏

-

[102]

次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶 （HPRT）

一种催化次黄嘌呤转化为肌苷单磷酸以及鸟嘌呤转化为鸟苷单磷酸的酶。这种酶在嘌呤挽救途径产生嘌呤核苷酸中起着至关重要的作用。

缺乏

-

[103]

黄嘌呤氧化酶

这种酶参与ROS的产生。它催化次黄嘌呤氧化成黄嘌呤，并能进一步催化黄嘌呤氧化成尿酸。

缺乏

-

[104]

磷酸核糖基焦磷酸合成酶 （PRPS）

一种催化焦磷酸磷酸核糖基（PRPP）合成的酶，PRPP是核苷酸代谢的中间体，也是组氨酸和色氨酸的生物合成。

增加活动

-

[105]

尿酸

嘌呤核苷酸代谢分解的产物，是尿液的正常成分。

低水平

血浆

[103]

氧嘌呤

嘌呤的含氧形式。

提高级别

血浆

[103]

黄嘌呤和次黄嘌呤

黄嘌呤是嘌呤碱，在嘌呤降解的途径上产生。它是由黄嘌呤氧化还原酶氧化次黄嘌呤形成的。次黄嘌呤是腺嘌呤的自发脱氨产物。

浓度增加

血浆 、尿液

[103]

5. 尿素循环和多胺生物合成

尿素循环（图 4）包括参与尿石症进展的关键途径。肾脏中克雷布斯循环的调节可能通过改变微环境pH值和诱导ROS产生来促进结石的形成[107]。肾结石患者血浆氨基酸水平高于对照组，包括牛磺酸、天冬氨酸、羟脯氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸、胱硫氨酸、鸟氨酸和赖氨酸[108]。另一方面，在CaOx患者的尿液中观察到尿鸟氨酸和酪氨酸水平降低。L-鸟氨酸是参与尿素循环和多胺生物合成的关键氨基酸[109，110]。鸟氨酸转化由鸟氨酸脱羧酶（ODC）调节[111]。先前的研究表明，ODC表达可能受到位于ODC基因内含子1的多态性的影响。在位置 +316 [112]处。该SNP位于两个c-myc转录因子结合位点之间，以及一个罕见的等位基因（等位基因A）导致ODC基因表达降低[113]。然而，ODC的+316 G / A多态性不能作为结石病的遗传生物标志物。尿石症组和对照组的SNP基因型发生率相似[114]。此外，在尿石症过程中，已经观察到NOS表达的变化，这在上文关于氧化应激的中讨论过。

图 4 尿素循环包括位于肝细胞和细胞质线粒体的五种反应。第一步涉及通过氨甲酰磷酸合成酶I（CPS I）将CO和氨转化为氨基甲酰磷酸盐。氨甲酰磷酸盐和鸟氨酸（在肾结石患者中观察到血浆水平升高和尿水平降低）通过鸟氨酸转氨甲酰酶（OTC）联合使用瓜氨酸。然后鸟氨酸转座酶将瓜氨酸从肝细胞线粒体输送到细胞质中。瓜氨酸与天冬氨酸和精氨酸琥珀酸盐形式反应。该反应由精氨酸琥珀酸合成酶（ASS）催化。精氨酸琥珀酸酯通过精氨酸琥珀酸裂解酶（ASL）转化为精氨酸。最后，精氨酸酶（ARG1）将精氨酸水解成尿素和鸟氨酸。另一方面， l-精氨酸可能被 NOS 氧化降解成 l-瓜氨酸和一氧化氮 （NO）.在肾结石过程中，观察到eNOS表达降低。此外，来自尿素循环的鸟氨酸可以通过鸟氨酸脱羧酶（ODC）在多胺生物合成途径中转化。ODC多态性可能与肾结石风险增加有关[115]。

6. 血管生成基因

     有趣的是，血管生成障碍可能对肾结石的发展至关重要。晶体粘附是肾脏沉积物形成的关键步骤之一。细胞基质位于最靠近结石的位置，主要由透明质酸（HA）组成，通过细胞表面受体（包括CD44和CD168）与各种细胞内和细胞外分子相互作用。反过来，CD44对许多其他配体具有亲和力，例如骨桥蛋白，胶原蛋白和基质金属蛋白酶（MMP）。细胞外基质（ECM）的这些成分是有效的晶体结合分子，参与肾结石晶体的粘附和内化，引起聚集，生长，最后形成结石[116，117]。此外，MMPs激活的增加可能由ROS诱导[118，119]。高ROS水平导致转录因子1（AP-1）水平升高和NF-kB核易位增加，导致MMPs表达增加，包括MMP-9 [120]。反过来，MMP水平的提高强化了ECM重塑的过程。此外，MMP降解的胶原蛋白和骨桥蛋白的裂解产物（特别是MMP-9）刺激趋化反应并有助于炎症细胞募集，这也与肾结石的发展有关[121]。MMP-9刺激树突状细胞的迁移并诱导树突状细胞上E-钙粘蛋白表面受体CD103的裂解，促进上皮 - 间充质过渡，从而允许沉积粘附和聚集[122]。

以前关于血管生成在肾结石发展中的作用的研究主要集中在MMP-9多态性的分析上。MMP-9启动子区（rs3918242）的C1562T多态性纯合子T / T在肾结石患者中比对照组更常见。此外，与C/C基因型肾结石患者相比，C/T 和 T/T 基因型肾结石患者血清 MMP-9 水平、TOS、MDA 和尿酸 AS 升高。因此，MMP-9中C1562T多态性的T/T基因型与结石风险增加和氧化应激过程加剧有关[123]。此外，位于MMP-9（rs1056628）的3′-未翻译区域的多态性与中国人群特发性钙肾结石的易感性有关。SNP的C / C基因型增加了肾结石的风险。此外，该SNP在MMP9的miR-491-5p识别位点中的A→C转变增强了基因表达，可能通过抑制miR-491-5p结合。因此，C/C基因型肾结石患者的mRNA和蛋白MMP9水平高于A/A基因型患者[124]。与调节肾结石风险相关的下一个多态性是Bst U I C / T。VEGF基因的这种多态性位于-460核苷酸的上游。这种VEGF多态性的T等位基因在结石疾病患者组中比对照组更常见[125]。因此，研究的SNP可用作预测肾结石发展的潜在生物标志物。

7. 结论

      综上所述，肾结石的发展是相关生化途径过程中紊乱的结果，例如氧化应激，炎症，嘌呤代谢，尿素循环和血管生成。综述使我们能够确定所分析途径的肾结石病理机制所涉及的共同因素。一方面，促炎细胞因子，尿素循环紊乱和嘌呤代谢有助于ROS生成的强化。另一方面，ROS过度生产可能诱导促炎活性，包括IL-6和TNF-α，以及促血管生成因子。因此，氧化应激可能允许维持炎症微环境，ECM重塑并最终导致沉积物的聚集。然而，需要进一步的研究来澄清所分析的途径中的哪些因素直接参与尿石症的发展。