地質學家揭秘腎結石結構

　　1799年，德國著名地質學家洪堡（Alexander von Humboldt）寫道：“只有把地球上所有的現象結合起來，科學才能進步。比起發現新的孤立事實，我更喜歡把已知的事實聯系在一起。”

　　多年來，在為預防和治療腎結石開發新療法的征途中，科學家們也是如此實踐的。研究人員嘗試結合地質學、生物學、醫學與尖端顯微鏡技術，探索腎結石形成的秘密。

　　▲人體腎結石的橫切面

　　腎結石是一種泌尿系統沉積物，影響著全世界超過12%的人，引起的癥狀從輕微不適到劇烈疼痛，其并發癥可導致死亡。

　　盡管令人痛苦，這種結石的美麗程度超出了很多人的想象。科學家觀察腎結石橫切面時，就發現其中一些非常漂亮，有的像水晶洞，有的像樹木的年輪。而且，它們擁有與珊瑚礁或石灰巖類似的構造，擁有富含有機質和礦物質的分層結構，只不過尺度要比巖石小得多。

　　▲人體腎結石薄片的熒光顯微鏡圖像，顯示出晶體生長分層，破裂，溶解和重結晶的復雜歷史

　　Bruce Fouke教授是伊利諾伊大學香檳分校（University of Illinois Urbana-Champaign）的一名地質學家，他帶領團隊正在把研究地球沉積的經驗和方法應用于腎結石的研究。

　　近日，這支研究團隊和妙佑醫療國際（Mayo Clinic）的研究人員合作，在《自然》旗下的Nature Reviews Urology雜志上發表了一篇論文，詳細描述了腎結石沉積過程中的多個階段，并通過高分辨率成像技術進行了記錄。基于結石處于哪個形成階段，以及它正在經歷哪些化學過程，建立了一種新的分類方案，并提出了可能的臨床干預措施。

　　▲綜合地質學、生物學、醫學和組學領域的新技術

　　腎結石的形成方式與自然界中的地質結石相同。之前醫生們曾認為，腎結石是一下子形成的，然而Fouke教授從地質學得到的分析結果正相反，腎結石并不是一次性全部結晶沉積，而是經過多次部分溶解再重構的過程。控制地球上其他自然和工程環境中磷酸鹽、碳酸鹽和硅酸鹽沉積的基本過程，與控制人類腎結石形成的過程其實是一樣的，這些過程被稱為普遍生物礦化（universal biomineralization）和成巖相變（phase transitions）。

　　“當我們識別出這些晶體相變過程（phase transformations），是什么使它從一個步驟進入下一個步驟以及它是如何進展的，那么也許我們就可以通過打破腎臟組織內部發生的化學反應鏈，從而在結石出現問題之前干預這種進展。”該研究的第一作者Mayandi Sivaguru博士說。

　　▲人類腎結石內形成的連續結晶層與天然火山巖沉積物中的瑪瑙十分相似

　　一個特別具有啟發性的發現是在腎結石形成的最初階段：一開始時結石只是小小的圓形礦物微球（microspherules），類似于天然火山巖沉積物中瑪瑙形成的小球體。這些礦物微球繼而在腎臟組織中融合并形成更大，完美的幾何晶體。正常情況下這種微小的礦物質沉積會被排出人體外，但當它們生長過快并繼續形成更大的結石時，它們就無法離開腎臟，導致人體病痛，甚至在某些情況下致命。

　　研究人員發現，至少50%體積的結石都自然地經歷了部分溶解和重結晶的多次循環過程，從而形成了一種標志性的層狀晶體模式，與瑪瑙、珊瑚骨架和溫泉沉積物非常相似。

　　“看腎結石的橫截面，你永遠不會猜到，每一層原本都是一堆小球排列融合形成的。這是我們了解這些礦物質如何在腎臟內生長的革命性新途徑，并為預防結石生長提供了特定的藥物靶點。” 該論文通訊作者Bruce Fouke教授說。

　　▲通訊作者Bruce Fouke教授

　　了解腎結石的形成過程后，研究作者概述了幾種可能的臨床干預措施和治療目標，從藥物靶點到改變飲食或補劑，這些都可能破壞驅動腎結石形成的化學和生物級聯反應。他們希望生物學研究人員和臨床醫生能夠探索和測試這些選項。

　　為了進行測試，研究小組還開發了一種叫“GeoBioCell”的微流體檢測盒，旨在模擬腎臟錯綜復雜的內部結構。該小組希望該設備不僅能加速研究，還能加速臨床診斷檢測和潛在療法的評估，尤其是針對70%以上的腎結石復發患者。

　　“腎結石形成的過程是在自然界中看到的結石自然形成的一部分。我們將地質學、生物學和醫學結合起來，一步步繪制腎結石形成的整個過程。有了這張路線圖在手，我們現在可以開發出更有效、更有針對性的臨床干預和療法。”Fouke教授解釋道，“最終我們的愿景是，每個手術室都會附設一個小的地質實驗室。在那個實驗室里，你可以在幾分鐘內對結石或結石碎片做一個非常快速的診斷，從而得知個體化的治療目標。”