尿路结石构成成分的分析方法进展

吴宗强 王国民

(1.福建医科大学附属三明第一医院泌尿外科，福建三明 365000； 2.复旦大学附属中山医院泌尿外科，上海 200032)

尿路结石又称尿石症，是肾、输尿管、膀胱、尿道部位结石的统称，是泌尿外科的常见病和多发病。了解尿路结石的构成成分不仅有利于治疗方案的制定，也有利于尿路结石的预防。目前，用于分析尿路结石成分的方法多种多样，各有优缺点，现对尿路结石的构成成分及分析方法的研究进展作一综述。

1 尿路结石的构成成分

尿路结石由晶体和基质两部分构成，晶体约占结石干质量的97%，基质约占3%, 临床上通常以晶体成分来命名结石。比较常见的尿路结石有草酸钙结石、磷酸钙结石、尿酸结石、磷酸铵镁结石和胱氨酸结石等[1]。若结石中某一成分的晶体占95%以上，则可称为纯结石，最常见的纯结石是纯尿酸结石[2]。临床上纯结石较少见，以一种晶体成分为主的混合性结石多见，其中草酸盐和磷酸盐的混合性结石最常见[3]。临床工作中根据治疗和预防的需要，按病理类型将尿路结石分为含钙结石、感染性结石、尿酸结石及胱氨酸结石等，每一种又有多种不同成分。其中，含钙结石占所有尿路结石的70%～80%。含钙结石质硬、粗糙、不规则，在碱性尿内形成，常呈桑椹样，棕褐色；感染性结石占10%左右，这类结石易碎，表面粗糙，不规则，呈灰白色、黄色或棕色，切面常见核心(为细菌或脱落上皮等)，同心性层状结构，在碱性尿中形成， X线片中可见分层现象，常形成鹿角形结石；尿酸结石占5%～10%，结石质硬、光滑或不规则，常为多发，呈黄或红棕色，常形成多数小结石，在酸性尿内形成，纯尿酸结石在X线片上不显示；胱氨酸结石占1%，结石光滑，淡黄至黄棕色，蜡样外观，不易显影，形成于酸性尿中；其余种类的结石所占比例很小。

含钙结石包括一水草酸钙、二水草酸钙、羟磷灰石、碳酸磷灰石、磷酸三钙、磷酸八钙、磷酸氢钙、磷酸二铵钙、碳酸钙、二水碳酸钙及二水硫酸钙结石等，比较常见的是草酸钙结石及含钙的磷酸盐结石。感染结石包括六水磷酸镁铵、一水磷酸镁铵、八水磷酸三镁铵、八水磷酸镁、二十二水磷酸镁、五水磷酸三镁铵、三水磷酸氢镁及尿酸铵结石等，常见的是各种磷酸镁铵结石。尿酸结石包括无水尿酸、二水尿酸、一水尿酸钠结石等。胱氨酸结石的主要成分是左旋胱氨酸。根据尿路结石的构成成分、尿石症的发病机制制定饮食建议，有助于预防尿路结石或降低结石复发率[4]。

2 尿路结石构成成分的分析方法

尿路结石的构成成分复杂多样, 其分析方法各有优缺点，目前尚无单一的方法可提供相应的信息[5]。尿路结石的分析方法根据分析的目的可分为针对具体成分的分析、针对所含元素的分析、针对微观结构的分析，现仅从结石具体成分的分析角度讨论。

2.1 化学分析法 该方法是从估测含量最高的成分开始逐步分析，先观察结石的外形和颜色或对结石标本进行预处理和预试验；再将结石与某试剂反应,根据反应产生的特定颜色、沉淀、气体等,初步判断结石由何种成分组成。化学定性分析法有点滴法、加热法、纸片法等，对于复杂组成的结石则需要采用系统分析法。化学定量分析法以化学定性分析法为基础，常用的分析方法有电位滴定分析法、比色法、重量法、分光光度计法、离子交换法等。

化学分析法的缺点有：必须破坏结石标本；需要较多的标本量；方法繁琐费时；有时对盐类离子的分辨力较差；只能对已知组分进行鉴定,无法发现新组分；化学定量检测某些微量元素的灵敏度不够；需注意试剂的有效性,以免某些组分不能被检出或出现假阳性。因此，化学分析法需与多种方法联合应用[6]。化学分析方法因具有快速、简便、费用低廉等优点,适合在基层医院推广。

2.2 物理分析法 物理分析法已广泛应用于尿路结石的成分分析。与化学分析法相比，物理分析法更为准确；将多种物理分析方法相结合可以弥补单一方法的不足，进一步提高分析精确度[7]。

2.2.1 拉曼光谱 拉曼位移是拉曼光谱用于物质定性、结构鉴定的依据。拉曼光谱不仅可以区分尿结石中的不同晶体组分，而且能检测各物相间的相互转换，还可以用激光束直接在尿结石表面进行检测。例如，对于草酸钙尿结石，如果一水草酸钙或者二水草酸钙含量太低时，一般的检测方法很难鉴定并区分它们，但拉曼光谱很容易区分二者。因此，拉曼光谱在生物医学诊断领域有很高的价值,是目前国外研究中最常用于检测尿路结石化学成分的方法之一[8]。

2.2.2 差热—热重(DTA/TG) 差热分析(DTA)是在用程序控制温度的条件下，测量待测物和参照物的温度差和温度关系的一种技术；当待测样品发生物理化学变化时，所释放或吸收的热量使得其温度高于或低于参照物。热重分析(TG)是一种较早开展的定量分析方法，在用于尿路结石的分析时，利用结石失重和样品中成分脱水、气体挥发、变相等物理过程或化学过程之间的联系，绘制出TG图谱，再根据图谱中曲线坡度变化的位置和形状，对结石进行定性和定量测定。由于TG灵敏度较高，能准确检测出含量为1%～5%的成分，既能定性又能定量地测定结石成分，且具有设备简单、经济、所需样品量少的优点，因此在多方法分析时，常常是必备的分析方法之一，许多个案报告均采用此法[9]。

2.2.3 高效液相色谱(HPLC) HPLC是以液体作为流动相，并采用颗粒极细的高效固定相的柱色谱分离技术。HPLC对样品的适用性广，不受分析对象挥发性和热稳定性的限制。在2008年三聚氰胺污染的奶制品导致儿童尿路结石的研究中，HPLC法被广泛应用[10]。

2.2.4 红外光谱分析(IR) IR是应用红外分光技术检测和研究分子的红外吸收光谱的方法，1955年红外分光光度计首次被用于研究结石。lvarez等[11]发现，在用于尿路结石的定量分析时，红外光谱能记录每个选定的混合物和吸收强度的波数，使比较重量分数的刻度线和实际重量重获得的分数呈现相关参数之间良好的线性相关性，IR的信号和分析反应使用校准线(质量分数)证明了该定量分析方法的有效性。IR可反映结石的结构特征和各组分的含量, 操作简便,分析快速,能对结石内的晶体或非晶体物质、有机或无机成分进行分析,所需样品量较少；最重要的是，IR作为一种非破坏性分析方法,能直接测定样品组成。IR是鉴定结石成分的比较理想的方法[12]。但是，IR也有其不足之处：(1)如测试样品中含有杂质，样品光谱和杂质光谱可能会重叠;(2)吸光率易受外界因素影响;(3)设备较贵。学者多将IR和其他结石分析方法联合应用，以期更加全面和准确地分析结石成分[13]。

2.2.5 X射线衍射分析(XRD) XRD包括劳厄(Laue)法、转晶法(旋晶法)、粉末法和衍射仪法,粉末法和衍射仪法较常用。XRD可根据尿结石中各组分的衍射数据来鉴定不同组分。XRD定性分析时，通过测量和计算结晶衍射花样各个线条的晶面间距值及相对强度,并与美国材料试验学会(ASTM)卡片对照,从而查到某物质的名称和化学结构式；定量分析时，由于晶体的衍射线条强度随该晶体含量的增加而提高，故可对混合物定量。XRD的灵敏度、精确度较高,操作简便迅速,能够完成结石成分和物相分析。目前，X射线衍射仪已成为研究尿结石结构的常用设备。尽管XRD是分析尿路结石最可靠的方法,但也有局限性，例如，不能检测无定形的阶段,不能区分化学衍射阶段相同的晶格几何形状，由于峰重叠可能会错过一些阶段，且仪器较贵,维护保养条件也较高[14]。如果将XRD与X射线光电子能谱(XPS)或IR联合应用,则能够更好地发挥各自的优势,使分析结果更加准确。

2.2.6 双源CT双能量分析技术 2005年，全球推出首台双源CT( DSCT) ，使得CT成像技术有了进一步发展。DSCT双能扫描速度快，分辨率高，辐射小，成像质量高；该设备独有的双套球管探测器系统配以高速机架旋转系统以及应用特有的能量减影，进一步增加了鉴定结石成分的准确性，对于寻找结石病因、选择合理的治疗方式、预防复发均有不可低估的作用[15]；DSCT不仅适用于体外分析，其用于体内分析结石成分的准确性也较高[16]。Thomas[17]等在分析肥胖患者体内的结石时发现，钙化和混合性的尿酸结石常被错误地判断为胱氨酸结石，而双源CT双能量分析技术可以正确识别此类结石；因此，DSCT可以用于区分肥胖患者的尿路钙化、尿酸和胱氨酸结石。研究[18]发现，双源CT双能量分析技术能较XRD更准确地反映体内肾结石成分的特征。虽然应用CT判断尿路结石成分仍有诸多问题，但发展潜力很大，有望在未来成为一种可靠准确地判断体内结石成分的方法。

除了以上方法外，尿路结石成分的物理分析方法还有磁共振、热发光法、Zeta 势能测定、阴极发光技术等。在分析尿路结石的构成成分时，往往需采用几种化学、物理方法，或应用多种仪器同时检测，以互相验证结果，提高精确度。

3 结语及展望

综上所述，尿路结石构成成分的化学分析方法操作简便、不需要特殊仪器和设备、费用低廉、能够提供结石主要成分的基本信息；但是，所需标本量较多，对标本本身破坏大，检测结果容易出现误差，难以鉴别复杂性混合结石。在国外，化学分析方法已逐渐被弃用，而转为以物理分析为主；不少发达国家已建立结石分析中心，以IR为主、XRD为辅，对结石标本进行成批分析[19]。我国一些大型医院也逐步开始采用物理方法，特别是采用IR来分析尿路结石。寻找一种简单易行、易于推广的检测尿结石成分的方法，将具有重要的临床意义。

[1]孙西钊.尿石病[M].//陈孝平.外科学.第2版.北京：人民卫生出版社, 2010:830-843.

[2]Marchini GS, Sarkissian C, Tian D, et al. Gout, Stone Composition and Urinary Stone Risk: A Matched Case Comparative Study[J]. J Urol,2013,189(4):1334-1339.

[3]Wu W, Yang B, Ou L, et al. Urinary stone analysis on 12,846 patients: a report from a single center in China[J]. Urolithiasis, 2014,42(1):39-43.

[4]López M, Hoppe B. History, epidemiology and regional diversities of urolithiasis[J]. Pediatric Nephrology,2010,25(1):49-59.

[5]Basiri A, Taheri M, Taheri F. What is the state of the stone analysis techniques in urolithiasis?[J]. Urol J,2012,9(2):445-454.

[6]Esteban M, Cózar JM, Brenes F, et al. Letter to Editor (Actas Urológicas Espaolas)[J]. Actas Urológicas Espaolas (English Edition),2013,37(4):256.

[7]Deng SP, Chen DZ, Ouyang JM. Application and research progress of composition analysis of urinary calculi[J]. Guang pu xue yu guang pu fen xi,2006,26(4):761-767.

[8]Selvaraju R, Raja A, Thiruppathi G. FT-Raman spectral analysis of human urinary stones[J]. Spectrochim Acta A Mol Biomol Spectrosc.,2012,99:205-210.

[9]Davies PM, Fairbanks LD, Safranow K, et al. An unusual patient with kidney stones composed of 1-methyluric acid[J]. Urol Res.,2006,34(1):58-60.

[10]Duan H, Guan N, Wu Y, et al. Identification of biomarkers for melamine-induced nephrolithiasis in young children based on ultra high performance liquid chromatography coupled to time-of-flight mass spectrometry (U-HPLC-Q-TOF/MS)[J]. J Chromatogr B Analyt Technol Biomed Life Sci.,2011,879(30):3544- 3550.

[11]álvarez JLG, Martínez MJT, Fernández MA. Development of a method for the quantitative analysis of urinary stones, formed by a mixture of two components, using infrared spectroscopy[J]. Clin Biochem2012,45(7-8):582-587.

[12]马凤宁，何家扬. 化学定性与红外光谱分析尿路结石成分[J]. 现代泌尿外科杂志,2007,12(4):266-267.

[13]李伟. 红外光谱技术在尿路结石分析中的应用及研究现状[J]. 现代泌尿外科杂志,2012,17(5):531-532.

[14]Nalbandyan VB. X-ray diffraction analysis of urinary calculi: need for heat treatment[J]. Urol Res,2008,36(5):247-249.

[15]彭吉明. DSCT双能技术诊断泌尿系统体内结石成分研究进展[J]. 吉林医学,2014(2):344-346.

[16]Duan X, Qu M, Wang J, et al. Differentiation of Calcium Oxalate Monohydrate and Calcium Oxalate Dihydrate Stones Using Quantitative Morphological Information from Micro-Computerized and Clinical Computerized Tomography[J]. J Urol,2013,189(6):2350-2356.

[17]Thomas C, Heuschmid M, Schilling D, et al. Urinary calculi composed of uric acid, cystine, and mineral salts: differentiation with dual-energy CT at a radiation dose comparable to that of intravenous pyelography[J]. Radiology,2010, 257(2):402-409.

[18]Assimos D. Re: Determination of Renal Stone Composition With Dual-Energy CT: In Vivo Analysis and Comparison With X-Ray Diffraction[J]. J Urol, 2011, 185(2):550.

[19]Krambeck AE, Khan NF, Jackson ME, et al. Inaccurate Reporting of Mineral Composition by Commercial Stone Analysis Laboratories: Implications for Infection and Metabolic Stones[J]. The J Urol, 2010,184(4):1543-1549.