导读
结石自然形成的动物模型是人类结石疾病研究中未被充分利用的资源，研究这种动物模型有助于更好地认识结石发病机理。今天与大家分享发表于NatureReviewsUrology上的一篇文章，节选了其中关于含钙结石的部分，重点介绍了动物和人类自发形成的含钙结石的异同点，以及将不同动物作为人类结石的研究模型时的优点。
自然发生结石疾病的动物模型
过去，通常使用诱导动物模型来研究结石形成的病理过程。但是，利用这种模型来研究结石的许多方法都依赖于人工机制，其无法与人类自然形成的结石的病理生理学相比。例如，通过使啮齿动物摄入乙二醇和维生素D3来诱导高草酸尿状态，导致肾小管内草酸钙（CaOx）结晶——在肾损伤的情况下——可导致离散的晶体形成。但是，在人类自然形成的结石中，没有证据表明结石形成是草酸盐*性引起肾损伤的结果。
出于科学和伦理方面的考虑，最好使用结石自然形成的动物模型。本篇文章描述了多种动物自发形成的含钙结石的特征和治疗方法，并讨论了每种动物作为人类结石类型的模型的潜力。
含钙结石
含钙尿石症是人类和伴侣动物中一种常见而且复杂的疾病（图1，2）。遗传和环境因素是含钙尿石症的风险因素，但病因还尚不完全清楚。
图1四个不同物种中自然形成的草酸钙尿结石具有相似的外观形态。人类（a部分）、犬（b部分）、猫（c部分）和水獭（d部分）。
图2四个不同物种中自然发生的草酸钙肾结石的X线影像。人类（a部分）、猫（b部分）、犬（c部分）和亚洲小爪水獭（d部分）。
人类人类患有的绝大多数结石是含钙结石。对90,项普通结石分析的回顾发现，在所有结石中，草酸钙（CaOx）结石为61%，磷酸钙结石（例如，羟基磷灰石）为15%，透钙磷石为3%。首次患有结石的患者中草酸钙结石的比例甚至更高，约为76%-83%。
强有力的证据表明，遗传因素对含钙肾结石的风险具有影响。具有阳性家族史的个体发生肾结石的可能性会高2-3倍，结石病的遗传度约为46%-63%。在25岁之前诊断患有含钙肾结石或肾钙质沉着症的患者中，发现17%-29%的患者患有单基因疾病。但是，大多数成人结石病例都是多基因疾病造成的，全基因组关联研究发现20个以上的基因对结石风险具有低至中等效应，这些基因包括ALPL、CLDN14、CYP24A1、SLC34A1、TRPV5、UMOD以及预测通过细胞外钙受体CaSR影响信号传导的若干个基因。可能还存在其他未发现的效应相似或效应更大的易感基因。人类钙结石的其他风险因素包括年龄较大、男性、肥胖、低液体摄入量和高钠饮食。
高钙尿症是含钙结石患者最常见的代谢异常，发生率为35-65%。高钙尿症可能与CaOx结石以及磷酸钙结石有关，通常发生在血钙浓度正常的情况下，此时一般将其称为“特发性高钙尿症”。特发性高钙尿症可能是由肠道钙吸收增加、骨转换增加、肾钙重吸收减少或这些因素的共同作用所致。特发性高钙尿症也有很强的遗传性，其遗传度约为40-50%。许多与单基因肾结石病和复杂性肾结石有关的基因在调节肠道对钙的吸收或肾脏对钙的吸收方面发挥作用，因此，这些基因的变异可能会导致高钙尿症。在非甲状旁腺激素依赖性高钙血症儿童患者人群中，有35%的患者存在CYP24A1基因突变；在该研究中，20例双等位基因突变的患者中有19例患者患有肾钙质沉着症或肾结石。CYP24A1基因缺陷会导致高钙血症和/或高钙尿症。有研究报告显示，在首次患有含钙肾结石的患者中，全基因组关联研究表明CYP24A1与肾结石风险以及血清钙浓度和25-羟基维生素D浓度的调节有关。与特发性高钙尿症相比，同时引起高钙血症和高钙尿症的疾病更为少见，包括原发性甲状旁腺功能亢进症、恶性高钙血症、结节病和甲状腺功能亢进症。
低枸橼酸尿症是含钙结石患者中第二常见的代谢异常，发生率为30-50%。尿枸橼酸盐通过与钙结合形成可溶性复合物，从而减少CaOx结晶的形成。许多因素都可导致低枸橼酸尿症的发生，包括饮食、酸碱平衡、胃肠道吸收不良、遗传因素和药物。在复发性含钙结石患者中，低尿钾是低枸橼酸尿症的强有力预测因子。
高草酸尿症是草酸钙结石形成特有的另一个重要风险因素。原发性高草酸尿症是由AGXT、GRHPR或HOGA1失活性突变引起的遗传性酶缺陷所致。有研究报告显示，草酸转运体基因SLC26A1的突变也是儿童CaOx肾结石的病因。继发性高草酸尿症是由饮食中草酸盐及其前体物质的摄入增加，以及肠道菌群的改变所引起的。当钙摄入量较低时，胃肠道中CaOx复合物的形成减少了，所以尿草酸排泄量会有所增加。因此，任何减少钙在肠道内与草酸盐结合的身体状况都是形成结石的风险因素，这些状况包括既往接受过小肠切除术、胃旁路手术和炎症性肠病。降低饮食中的草酸盐可降低尿液中的草酸盐水平，因此，可以防止草酸钙结石的形成。
产甲酸草酸杆菌是一种革兰氏阴性厌氧菌，可在肠道内代谢草酸盐。据估计，虽然有30%-40%的美国人体内都有产甲酸草酸杆菌定植，但结石患者中产甲酸草酸杆菌发生率有所降低（15%-20%）。体内无产甲酸草酸杆菌定植的人患肾结石的可能性要高70%。一般认为产甲酸草酸杆菌定植通过两种机制降低草酸钙结石的风险：以钙依赖性的方式代谢肠道草酸盐，以及促进肠道内草酸盐的分泌。越来越多的证据还表明，其他菌群在草酸盐代谢中也发挥着一定的作用，相对于健康个体，肾结石患者肠道和尿液中的菌群具有不同的丰度和代谢物谱。此外，抗生素治疗可能会推动其中的一些改变。
在草酸钙结石形成的病理生理学中，尿液中钙盐过饱和且出现晶核至关重要。兰德尔斑块最早是在20世纪30年代发现的，是上皮下沉积的磷酸钙晶体，是CaOx结晶和结石形成过程中的晶核。兰德尔斑块优先在髓袢升支细段的基底膜上形成，然而，目前对其确切的形成机制仍然知之甚少。一种理论认为，特发性钙结石患者的尿液中磷酸钙相对过于饱和是兰德尔斑块形成的主要机制；另一种理论是，来自近端肾小管的强化钙输送增加了髓袢升支粗段中钙的重吸收，钙从升支粗段进入间质，并通过直小血管降支转运至髓质深部。与CaOx结石的形成相比，磷酸钙结石的病因与晶核之间的关系没那么明确，但有人推测磷酸钙结石的形成与Bellini管和内髓部集合管因结晶沉积物而堵塞有关。在肾结石和全身性疾病（如原发性甲状旁腺功能亢进症和肾小管酸中*）患者的肾活检中经常发现这种病理状态。
人类钙结石的预防和治疗是多方面的，包括饮食干预和药物干预以及微创手术。钙结石不能通过药物溶解来进行治疗，因此，对于出现症状且不适合药物排石治疗的患者，则需要进行手术治疗。钙结石的治疗通常是冲击波碎石术加后续的排石治疗，或通过逆行或经皮顺行方法经尿路进行内镜碎石术。预防性措施旨在增加每日尿量至2.5L，并限制富含草酸盐的食物（如菠菜、坚果和巧克力）的摄入，以及限制膳食钙和钠的摄入。建议摄入正常量的钙（1-mg/天），因为减少钙的摄入量会增加尿液中草酸盐的浓度。枸橼酸钾和噻嗪类利尿剂是治疗高钙尿症最常用的药物，并且推荐用于高尿钙和复发性钙结石患者。枸橼酸钾可增加尿液中枸橼酸盐的水平，并与尿液中的钙结合，从而阻止CaOx复合物的形成。噻嗪类利尿剂可减少肾脏中钙的排泄，且据推测，噻嗪类利尿剂除了可以改善骨矿物质平衡外，还有助于减少兰德尔斑块的形成。
犬CaOx是犬中最常报告的结石成分之一。对35万多项犬结石分析进行的回顾发现，总体上38%的犬结石都是由CaOx组成，而且在过去30年中，犬中CaOx结石的发生率一直在不断地增加：年，仅有5%的犬尿结石是由CaOx组成，而年则上升到了41%（表1）。发生率的增加可能部分是由于为了降低犬中鸟粪石的发生率而进行的饮食调整，但这种饮食调整无意中促进了高钙尿症、低枸橼酸尿症和酸尿症的发生。与人类一样，犬中CaOx结石的风险也有很强的遗传性（表1）。这一点可从不同品种的犬钙结石患病倾向不同上看出，例如，卷毛比雄犬（BichonFrise）、迷你雪纳瑞犬（MiniatureSchnauzer）和西施犬（Shih-tzu）的钙结石患病风险比混种犬高10-24倍。这一观察结果意味着钙结石存在家族聚集性，并支持存在主要的遗传风险因素，但是目前还未报告相关的因果变异。犬中CaOx结石形成的其他风险因素与人类CaOx结石形成的风险因素相同，包括年龄较大、雄性和肥胖（表1）。犬中结石的饮食风险因素尚不明确。回顾性研究发现，蛋白质、钠和钙含量较低的干型狗粮和罐装狗粮与结石风险增加相关。但是，一项前瞻性研究发现，蛋白质、钠和钙含量较少的饮食可减少CaOx结石犬尿液中的钙和草酸盐的排泄。在犬患有的结石中，其他含钙结石的发生率不足1%。虽然在犬患有的结石中，主要由磷酸钙组成的结石很少见，但羟基磷灰石通常是混合结石的次要成分，总体上能在38%的结石中检测的到。
表1.不同物种自然形成的草酸钙尿路结石特征
与人类疾病相似的是，特发性高钙尿症是容易发生CaOx结石的犬中最常见的尿液异常（表1）。目前尚不清楚血钙正常的犬中高钙尿症的确切机制，但是有可能与在人类中观察到的吸收和排泄失调机制相似。目前尚未在犬中发现骨吸收的表型；事实上，在患高钙尿症和CaOx尿石症的犬中骨转换可能会降低。一部分患有高钙尿症和CaOx结石的犬中存在维生素D代谢异常，并有证据表明24-羟基-维生素D代谢物有所减少，这一点在人类研究中也有所报告（表1）。在犬中，高草酸尿症的作用似乎不如高钙尿症，患有结石的犬组中尿草酸盐排泄量与对照组相当或更低。原发性高草酸尿症在特定犬品种中很少见（表1）。健康犬和患有CaOx尿石症的犬之间在尿枸橼酸盐排泄量方面无差异。5%的CaOx结石犬存在原发性甲状旁腺功能亢进症，原发性甲状旁腺功能亢进症与羟基磷灰石结石的形成也有关联。
在人类体内发现的肠道产甲酸草酸杆菌定植在犬中也有所发现，健康无结石犬中肠道产甲酸草酸杆菌定植比在结石犬中更常见，并且可能有助于防止结石病（表1）。
目前关于犬CaOx肾结石的组织病理学描述非常有限，已发表的数据仅包括小型病例报告。有报告显示，患有原发性高草酸尿症的犬具有肾小管坏死伴草酸盐结晶广泛沉积，但通常无证据显示有结石形成。目前没有进一步的组织病理学证据详细描述特发性CaOx肾结石的形成，这仍然是一个活跃的研究领域。
犬CaOx尿石症的治疗和预防建议与人类的非常相似（表1）。指南重点强调通过饮食措施来预防CaOx结石的形成。在没有同时限制草酸盐摄入的情况下限制膳食钙的摄入，会导致CaOx结晶的增加，这与在人类中观察到的结果相似。在犬中预防CaOx结石的建议包括高水分饮食和尿液碱化，并且与人类一样，对于饮食调整后结石持续复发的犬，可考虑使用枸橼酸钾和噻嗪类利尿剂进行治疗。只有当肾结石较大，引起反复感染、疼痛或压迫肾实质时，才应考虑进行手术取石。对于与临床疾病相关的梗阻性输尿管结石和膀胱结石，建议置入输尿管支架以及通过体外冲击波碎石术或激光碎石术进行碎石。一般采用膀胱切开术治疗膀胱结石；然而，在条件允许的情况下，还是建议尽可能地采用微创技术治疗膀胱结石。
猫与家犬中观察到的现象相似，CaOx是家猫中观察到的最常见的结石成分之一（近,项猫结石分析中，CaOx占46%）；年CaOx结石发生率为2%，20世纪90年代达到峰值（60%），年为41%（表1）。CaOx结石发生率的增加也是由于为了尽量减少鸟粪石结晶尿的形成而在猫粮中降低了镁含量、增加了酸性成分；过去二十年发生率下降可能是由其他旨在减少CaOx尿石风险的饮食调整所致。有几个猫品种特别容易患CaOx结石，包括波斯猫（Persian）、喜马拉雅猫（Himalayan）、布偶猫（Ragdoll）和缅甸猫（Burmese）（表1）。猫的其他风险因素包括年龄10岁、雄性（绝育状态下更是如此）、缺水伴相关的低尿量以及酸尿。在死前诊断患有输尿管结石的猫中，80%的猫出现了氮质血症，在25-40%的病例中，出现氮质血症的原因是双侧输尿管梗阻。在单侧输尿管梗阻的猫中，对侧肾脏往往较小，提示存在慢性肾病。慢性肾病在猫中很常见，老年猫群中慢性肾病患病率约为35%-81%，在患有尿结石的猫中为56%。已有报告显示，猫中的肾结石和慢性肾病之间存在正相关的关系；然而，这种相关性的方向性还无定论。与犬中的结石类型相似，猫中其他种类的含钙结石很少见，不到0.5％。与犬相比，患有混合结石的猫中羟基磷灰石的比例更少，仅为6%。
有关CaOx结石猫的潜在代谢紊乱的数据有限，但已报告的代谢紊乱中包括高钙尿症（表1）。一项小型研究发现三分之一患有CaOx尿石症的猫出现了特发性高钙血症，但引发高钙血症的病因不明确。总体而言，特发性高钙血症在一般猫群中并不常见，患病率估计为0.4%。高草酸尿症可见于维生素B6缺乏的情况，有研究报告了猫中患有原发性高草酸尿症的病例，但是这种病例非常罕见（表1）。对于钙和草酸盐之间的平衡在猫CaOx结石发展中的作用，还需要进行大量的进一步研究。
目前，只有一些病例报告或小型病例系列研究描述了猫中上尿路CaOx结石形成的组织病理学。多项小型研究显示患有上尿路CaOx结石的猫中存在间质纤维化、肾小球硬化和肾小管内草酸盐结晶以及全身性炎症，但是这些动物中有很多还同时并发慢性肾病。肾实质矿化与人类中的兰德尔斑块非常相似，一般将肾实质矿化认为是猫结石形成的机制（表1；图3）。迄今为止，还没有针对通过兰德尔斑块机制形成结石的广泛使用的实验室模型；因此，对猫中肾实质矿化这一机制的研究，可能会为导致人体内最初形成磷酸钙斑块的分子事件提供新的见解。
图3自然形成的草酸钙肾结石的显微CT扫描图像。人类（a部分）和猫（b部分）的显微CT扫描图像都显示，结石的核心由磷酸钙（浅灰色）组成，而核心周围则由草酸钙组成（深灰色），表明这是一种常见的结石形成模式。
与犬类似，猫尿石症的推荐治疗主要是通过饮食管理来进
行，仅在结石阻塞的情况下才提供手术治疗（表1）。蛋白质、磷和镁水平较高且酸化尿液潜力较低的饮食可以降低CaOx结石复发的风险。
亚洲小爪水獭亚洲小爪（ASC）水獭（Aonyxcinereus）是原生长于南亚和东南亚的半水栖哺乳动物，在全世界的动物园和水族馆中都很常见。多项尸检研究显示，大约三分之二的驯养ASC水獭发生肾结石，通常为双侧肾结石。这些结石中有超过一半的结石是由CaOx组成（表1）。ASC水獭中结石形成的风险因素主要是营养方面的因素，因为只有在北美驯养的ASC水獭具有很高的结石发生率。野生ASC水獭的饮食很多变，主要根据每个季节猎物的可获得性和所处位置所定，野生饮食主要由螃蟹、软体动物、蛇、鱼和昆虫组成。驯养的ASC水獭的目标营养范围依据的是家猫的目标营养范围，因此与野生饮食几乎完全不同，驯养的ASC水獭的饮食主要是由鱼类、肉类和浓缩物组成，且全年都不会发生变化。在对驯养的ASC水獭饮食进行的调查中，研究人员发现摄入粗蛋白是结石发生的预防因素，而钙含量较高是结石发生的风险因素。
一项研究分析了控制饮食和禁食期间6只驯养的ASC水獭，进一步了解了患有结石的水獭的泌尿系统异常和饮食后果。这6只水獭均患有肾结石，且随后证实为CaOx结石。在摄食期间，尿钙和磷的水平会有所升高，但进食和禁食两种状态下的草酸盐水平则是相当的。这些结果最终无法确定高钙尿症在CaOx结石形成中的作用，因为这个研究中的所有水獭都患有结石。然而，与正常的犬和人类相比，这些水獭患有高草酸尿症（表1）。在摄食期间，尿草酸盐与钙的比例接近1:1，这个比例下结晶最容易形成。在进食和禁食的状态下观察到的高草酸尿症的情况是相同的，说明对于高草酸尿症的形成，存在内源性机制。目前还尚不十分清楚水獭钙结石病的病理生理学。
已有研究报告了对ASC水獭中结石的手术治疗；但是，目前还没有关于手术治疗的指南。
总结
草酸钙尿路结石常见于狗、猫和水獭，这些动物模型分别适合用于研究遗传风险因素、兰德尔斑块和高草酸尿症。
研究伴侣动物的结石病对于模拟人类疾病特别有益。例如，与人类生活在一起的动物可以作为前哨动物来检测环境危害，并帮助确定影响结石风险的生活方式因素；伴侣动物的体型较普通的实验室动物更大；伴侣动物的遗传学具有异质性，可以模仿表现多样的人类结石疾病。
了解动物和人类结石病的相似性，并与兽医学同事合作研究，对人类医学和兽医学都有益，有助于改善所有患者的管理。
Reference:
Alford,A.,Furrow,E.,Borofsky,M.etal.Animalmodelsofnaturallyoccurringstonedisease.NatRevUrol().