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【摘要】 目的 通过对尿路结石红外光谱和电镜图像的观察分析，对尿路结石的形成机制进行研究。方法 应用红外光谱仪对陕西地区140例尿路结石进行成分分析，并对其中典型结石进行扫描电镜超微结构观察。结果 尿路结石主要由一水草酸钙、二水草酸钙、碳酸磷灰石、羟基磷灰石、磷酸镁铵、尿酸、胱酸和基质构成，其中混合结石占76.5%；电镜下各种成分晶体具有不同的晶格特性，并按不同的排列方式混合分布。结论 尿路结石是由多种晶体和基质构成的混合性结石；尿路感染、尿液中的酸碱度的改变及各种晶体成分在尿液中的饱和度的升高，均可促使尿路结石的形成及生长。 尿路结石是泌尿外科常见疾病之一，易复发。其形成原因复杂，并有一定的地区性差异。研究尿石的成分和结构，探讨结石成因具有重要意义。通过红外光谱和扫描电镜(scanning election microscope, SEM)分析140例患者尿路结石成分，观察某些典型结石的显微结构，探讨尿路结石的成分、结构与其形成原因的相关关系。
【关键词】 红外光谱
1 材料与方法
1.1 材料 结石系西安交通大学医学院第一附属医院140例患者体内经手术取出或经体外冲击波碎石排出，其中男性96例，女性44例。上尿路结石122例，下尿路结石18例。患者年龄10-70岁，平均31.5岁。结石重量0.2-25g，平均3.56g。
1.2 实验方法
1.2.1 试样制备 蒸馏水冲洗结石，自然干燥后纵行锯开，以结石粉末∶溴化钾=1∶200混合研磨压片。
1.2.2 测试仪器 德制Specord 75型红外分光光度计；日制JSM35型扫描电镜。
1.2.3 方法 可根据结石颜色，做出初步判断[1]。从自动绘制的红外光谱图中鉴定结石成分，对典型结石取其中心断面，处理后扫描电镜观察其超微结构。
2 结 果
2.1 红外光谱分析 本组结石的晶体成分主要为一水草酸钙(calcium oxalate monohydrate, COM)、二水草酸钙(calcium oxalate dihydrate, COD)、碳酸磷灰石(dahllite)、羟基磷灰石(hydroxyapatite, HA)、磷酸镁铵(ammonium magnesium phosphate, AMP)、尿酸(Uric acid, UA)和胱氨酸(cystine)。在红外光谱中，COM在3486-3047cm-1间有5个吸收峰，COD的吸收峰主要位于3480cm-1、1644cm-1、914cm-1及609cm-1处。dahllite的吸收峰位于870cm-1、1417cm-1、1032cm-1及561cm-1处。HA的吸收峰主要位于1100-1000cm-1、605cm-1及560cm-1处。AMP的吸收峰主要位于870cm-1、1417cm-1、1032cm-1、601cm-1及561cm-1处。UA的吸收峰主要位于400-800cm-1之间及3005cm-1和1666cm-1处。cystine的吸收峰主要位于3550-3250cm-1、3300-2500cm-1、1700cm-1、1460-1450cm-1处。
2.2 扫描电镜观察
2.2.1 COM+ dahllite型 此型结石在尿路结石中最为常见，本组中所取2例均为肾结石。外观呈鹿角状，剖面结构较疏松，有不明显的年轮状结构。电镜下可见其剖面年轮状结构层间距较大；外层及核心均分布有柱状多面体型的COM晶体和细小颗粒状dahllite晶体。COM晶体发育较好，晶体完整，晶体表面光滑，多呈柱状多面体形，体积大小不一，排列不规则，晶体间距较大，晶体间隙中除有dahllite颗粒相连外，还有较大的空隙。dahllite呈小颗粒状结晶，晶体发育差，体积相差较大，分布于COM晶体之间，也可见dahllite颗粒聚集为胶团样或云片样自内向外分布(图1)。
2.2.2 UA型 本组中该型结石2例，1例为输尿管结石，1例为膀胱结石。其外观呈卵圆形，剖面有不明显的年轮状结构，无明显核心。电镜下观察均为冰糖块状尿酸晶体，成多面状结构，排列较紧密，不规则。晶体间有一定的间隙，无直接连接，晶体发育完美，表面光滑，边缘整齐(图2)。
2.2.3 AMP+UA型 本组中所取2例AMP + UA型结石均为膀胱结石。其外观呈卵圆形，剖面有明显的年轮状结构，核心偏于一侧。电镜下可见核心部分有少量片块状死组织和血块，并可见冰糖块状UA晶体和片块状不规则的AMP晶体。AMP晶体体积大小不一，形状不规则，成片块状或岩层状镶嵌排列。晶体表面较粗糙，边缘不整齐，晶体和晶体之间无明显间隙。UA晶体存在于AMP晶体周围，并存在一定间隙，无明显直接连接现象存在(图3)。
2.2.4 dahllite型 本组中所取2例结石均为肾结石。外观形态不规则，剖面无明显分层结构。电镜下可见dahllite呈小颗粒状，晶体发育差，体积大小不一，分散排列或由大量基质将其聚集成堆，自结石中心向周围呈凹凸不平和云层状排列，层间无明显界限。
2.2.5 HA+AMP型 本组中所取2例HA+AMP型结石均为膀胱结石。其外观呈椭圆形，剖面有明显的年轮状结构。电镜下可见形状不规则、大小不一的AMP晶体和小球形的HA晶体。HA晶体呈小球形或葡萄样，晶体表面粗糙，形态大小不一，边缘不齐，分散或成片样分布于AMP晶体表面。电镜下还可见少量COM晶体同时存在(图4)。
2.2.6 COD+dahllite型 本组中所取2例结石中，1例为肾结石，另1例为输尿管结石。外观均呈圆柱状，剖面有明显的年轮状结构。电镜下可见有梭形的COD晶体和颗粒状的dahllite晶体。COD为长菱形晶体，体积大小不一，边缘较齐，形态一致，部分晶体表面有平行于晶体纵轴的沟纹，晶体排列紧密，大致平行，多自核心向边缘呈放射状排列生长，列间隙明显，并有嵌晶现象。COD晶体表面附有不规则的碳酸磷灰石颗粒状晶体(图5)。
2.2.7 cystine型 该例cystine结石为一肾结石。外观呈桑椹样，色淡黄，质较软，剖面可见放射样结构自中心向边缘伸展，其核心未见任何异物存在。电镜观察可见岩层样cystine晶体，其晶体呈长方形，发育较好，表面光滑，边缘整齐，体积相差不大，晶体排列规则，且较紧密，晶体间及晶体表面无其他任何成分存在(图6)。
2.2.8 基质 电镜下基质一般为纤维状或凝胶状结构，相互纠缠在一起。成团絮状单独堆积，无特定分布区域，存在于结石核心及周围。
3 讨 论
结石主要由晶体和基质组成，大多数尿结石的主要成分是草酸钙晶体[2]。本组陕西地区140例结石共测出晶体7种，包括COM、COD、dahllite、HA、AMP、UA及cystine，与国内外报道基本一致[34]。不同部位的结石略有不同，草酸钙和磷灰石在上尿路多见，而下尿路中磷酸镁铵和尿酸所占比率高于上尿路。结石的形成原因复杂，各种成分机制不同[56]。
COM晶体结晶程度较好，说明其沉淀形成过程较慢。而dahllite晶体结晶程度较差，说明其结晶在沉淀过程中速度很快。COM晶体往往与dahllite晶体同时存在，尤其以COM为主的尿路结石核心中，很难发现纯草酸钙核心，而其取向附生机制可能是草酸钙结石形成的主要因素[78]，但UA与草酸钙晶簇间一般都存在着明确的界限，说明这两种晶体是先后分别形成的。
UA结石的形成往往与尿液中UA的自身饱和度及尿液的酸碱度有关，在pH值小于5.5时，尿液对UA而言是过饱和的，当pH值小于5.0时可析出UA结晶，说明UA微晶可以自行沉淀结晶，从而导致UA结石的形成。同时，还可因UA吸附尿液性黏多糖，降低了草酸钙的活性，导致草酸钙在尿酸晶体周围沉淀结晶和聚集，促使草酸钙晶体的形成。同样，UA自身也可因其他晶体的存在，促使UA晶体的沉淀和析出，电镜下观察UA晶体结晶程度好，说明其形成过程较为缓慢。在该型结石的核心及其周围的UA晶体之间，均未发现其他晶体存在，说明最先形成结石核心的也可以是UA晶体本身。
AMP晶体形态不规则，发育程度差，说明其沉淀形成速度快。AMP的形成主要与尿液中变形杆菌感染有着密切的关系。变形杆菌在尿液中能分解尿素产生氨，并使尿液碱化，结果促使AMP晶体沉淀析出。因此，AMP往往与UA、草酸钙及磷灰石等物质同时存在。
当患者泌尿系统感染时，变形杆菌感染引起组织坏死、脱落。其脱落的坏死组织、血凝块及死亡的细菌团块等即可成为AMP和UA等结石的核心。AMP及UA等成石物质在核心周围不断沉积析出，形成结石，由于成石物质沉积析出的多少和先后顺序不同，结果有些结石就形成了这种偏心性核心和明显的年轮状结构。同时，AMP还可通过取向生长作用诱发和促使草酸钙结晶的沉淀。因此，积极预防和治疗泌尿系感染是防治尿路结石的关键所在。
dahllite易在碱性尿液中沉淀形成结石，当pH值大于6.6时，碳酸氢钙可析出结晶；当pH值大于7.7时，可迅速转变成dahllite，而且这种反应是不可逆的。当变形杆菌引起尿路感染时，可使尿液碱化，利于dahllite的析出。所以，dahllite与AMP一样同属“感染石”。在以草酸钙结晶为主的混合型结石中，往往有dahllite的存在，说明dahllite在草酸钙结石的形成过程中起着不可忽视的作用。
HA晶体结晶程度差，说明其沉淀形成晶体速度快，HA、dahllite及AMP相同，同属“感染石”。当受变形杆菌感染时，不但能使组织坏死脱落，同时还可产生HA[9]。HA与dahllite一样，易在碱性液体中沉淀。HA与草酸钙均属难容物质，但HA的溶度积远低于草酸钙，所以，HA可首先沉淀，形成草酸钙等成石物质的结石核心。HA还可通过取向附生机制促使草酸钙晶体沉淀析出。因此，HA在草酸钙结石的形成过程中，同样起着重要作用。
cystine结石为纯cystine结石。cystine结石的发病率很低，纯cystine结石也较罕见，国内有关杂志尚未见到有关cystine结石超微结构分析的文章。cystine结石为遗传性代谢性结石，即胱氨代谢紊乱是形成cystine结石的主要原因。cystine晶体发育完美，晶体间无其他任何有形成分存在，说明其在沉淀过程中速度较为缓慢。形成的主要因素是由于尿液中cystine自身饱和度过高引起。因此，积极防治遗传性cystine代谢紊乱，是防治该型结石的根本方法。
尿石的基质是指在尿路结石中除尿石晶体成分之外的，起着连接尿石晶体的一些物质。尿石的基质主要由一种尿粘蛋白构成，在电镜下观察呈纤维状或胶团样结构。Boyce[10]认为，结石中晶体往往与基质相互交替形成同心层，所以推测尿石晶体是在基质同心层构架上沉积而形成。但也有不少尿石没有同心层结构，所以也有人认为启动结石形成的最初阶段，基质不一定起主导作用，可能是后来沉淀的基质作为一种异物或支架来连接草酸钙之类的成石物质，促使结石的增长。本组观察结果与Zaharopoulos[11]的观点一致。
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作者单位：西安交通大学