泌尿系结石分析及其进展

作者：张亮作者单位：200237 上海，上海交通大学附属新华医院 【摘要】  泌尿系结石（尿石症）是泌尿外科的常见疾病，尿石症大部分的评估和治疗都是建立在结石分析的基础上的，文章综述了结石成分的化学、物理分析的方法及其相关进展。 【关键词】  尿石症；结石成分分析；进展尿石症是泌尿外科的常见疾病，其人群患病率为1%～ 5% ，治疗后易复发，10年复发率高达50 % 。对于结石的预防和治疗来说，结石成分分析是关键，据此通过详细的病史询问、遗传背景和环境因素分析，结合代谢异常分析，大致可确定其结石类别及病因，并确定结石形成的危险因素，为结石防治奠定基础。因此结石分析对于尿石症的防治具有重要意义［1］。现代结石分析主要包括了化学分析和物理分析，其中化学分析主要有定性和定量分析，而物理分析主要包括原子光谱、X射线衍射、红外光谱、热分析、显微镜技术及其他方法等。但不论采用哪种分析方法都有其优点或缺点，都有局限的一面。因此，要对结石的形态、结构

    1  化学分析方法

    1．1  化学定性分析  化学定性分析是通过观察结石外形、颜色或对结石标本预处理和预试验，考察结石与某试剂的化学反应，产生特定的颜色、沉淀、气体等，来初步判断为何种组成。主要有点滴法、加热法、纸片法等方法［2］。最常用的是点滴法。

    1.2  化学定量分析  在定性分析基础上进行定量测定，一般采用滴定法、比色法［3］和重量法。例如容量滴定法测定Ca2+、Mg2+等，目视比色和分光光度法测定尿酸(铵)、胱氨酸和磷酸等。

    方法评述：化学定性、定量法操作简便快速，无需特殊复杂的仪器设备，检测结果较为可靠，能够初步了解结石的成分，对临床的治疗和预防具有重要意义，而且费用低廉，适合我国国情，是我国医院结石分析运用最普遍的方法。曹履诚［4］对化学分析、X线衍射、红外吸收光谱、热分析等进行结石分析比较认为这些方法所得结果都较准确，以化学分析最适合医院实验室。但化学法所需标本量相对较多，本身需要破坏结石标本不能确定晶体的真实结构，且化学法在定性上只适合已知组分的鉴定，无法发现罕见的或新的或含量很少的组分［5］，在定量上对有些微量元素的灵敏度不够［6］，对一些复杂性结石成分或含量极少的结石成分鉴定上容易出现误差，同时在检测时要注意试剂的有效性，以免某些组分未检出或假阳性的发生。

    2  物理分析方法

    物理分析方法不但能够测定结石的晶体成分，了解结石晶体形态和结构。还能定量或半定量的测定各种成分的具体含量。

    2.1  原子光谱分析  原子发射和吸收光谱分析结石微量元素是较好的方法［7］，把结石粉末与光谱缓冲剂混合装入电极摄谱进行发射光谱分析。将其制成溶液(溶解或制成悬浮液) 采用ICP光谱法，可完成多元素的定性、半定量和定量分析。检测系统主要有摄谱法和光电法两种，以摄谱法常见，其中摄谱法主要是用于定性分析和半定量分析。而光电法主要用于定量分析。

    方法评述：需要的结石标本量小，灵敏度高，一次进样可完成几十个元素的同时测定，对结石样品少的尤其有利。能够进行定性、半定量和定量分析。

    2.2  X射线衍射分析  X射线与晶体相遇时会被晶体中各个原子中的电子向各个方向散射，在一定条件下发生与原射线相同波长的相干散射波，并互相干涉加强形成衍射现象。再利用一定的仪器来测量这些衍射数据来确定结石的成分和含量。有劳厄(Laue) 法、转晶法(旋晶法)、粉末法和衍射仪法， 目前最常用的是粉末法和衍射仪法。

  方法评述： X衍射分析方法(XRD)灵敏度高，精确度较高，操作简便迅速，所需样品量少，能够完成结石成分和物相分析［8］， 检测时多组分和多晶态可一次性检测， 用作定性分析时具有可靠性， 用作定量分析时具有准确性，成为研究尿石结构的最重要方法之一［9，10］，将X衍射分析方法(XRD)与X射线光电子能谱（XPS）结合应用，可以精确地得到结石的物相［11］。缺点是要求仪器较多，仪器较贵，维护保养条件也较高。

    2.3  红外光谱法  红外光谱法又称红外分光光度计法，是利用红外分光技术来检测和研究结石分子的红外吸收光谱来确定结石成分和含量的方法。目前研究较多的是傅里叶变换红外光谱(FTIR) ，Pollak 、Schneider和Hesse将红外光谱与X 射线衍射法、热分析法进行比较，认为红外光谱对尿路结石中多种成分混合物的定性和定量分析是一种较理想的方法［4］。自1955年Beischer［12］ 首次用红外分光光度计研究尿结石以来，已用红外光谱确定了尿路结石中125 种成分的存在。

    方法评述：红外光谱分析能够对结晶或无定型的矿物进行分析，可以反映结石的结构特征和组分含量，操作简单，分析快速，需要的标本量很少，且样品不被破坏，可以回收，灵敏度高，能够进行定性、定量分析，鉴定结果准确可靠，因而，红外光谱法在越来越多的结石研究中得到应用［13，14］，特别是对于混合型草酸钙结石，红外光谱可以鉴定尿石中草酸钙的三种形式（一水草酸钙COM、二水草酸钙COD、三水草酸钙COT）［15］。并将零交叉点一次导数光谱法应用到草酸钙的红外光谱研究中，可对草酸钙中的COM、COD进行精确的定量分析［16］。此外，FTIR可以轻易把鸟粪石从其他类型的尿石组分中区分出来并可区分尿酸和尿酸铵［17］。

    2.4  热分析法  热分析是通过研究分析结石在加热过程中发生的化学变化及吸热和放热的热效应来判断结石中的成分并精确定量。主要有热重分析（TG）和差热分析（DTA）等几种方法。热重法( TG) 是在程序控制温度下, 采用热天平测量物质质量变化与温度关系的一种技术。差热(DTA) 是在程序控制温度下, 测量物质和参照物的温度差和温度关系的一种技术。

    方法评述：热分析简便、经济，灵敏度高，所需样品量少，设备简单，而且对于复杂性结石，热分析不但能够进行定性分析，而且能够比较准确的进行定量分析［18］，通过DTA 和TG可定性和定量鉴定晶体组分，尤其是对草酸钙结石中的COM、COD的定量测定［19］，适用于一般的实验室分析尿石使用。

    2.5  偏光显微镜  主要是通过偏光显微镜利用晶体光学的原理和方法来研究和鉴定泌尿系结石晶体成分和泌尿系结石的结构和形貌。尿石的主要成分是晶体，不同的晶体成分具有不同的结晶习性和光学特征。因此通过偏光显微镜的单偏光、正交偏光和锥光三个系统进行观测，初步鉴定尿石的基本成分，并在镜下直接观察尿石剖面的细微结构，发现其他晶体成分［20］。

    方法评述：偏光显微镜分析方法虽然只能进行结石标本的定性分析，但是却能够从形态学和结构学角度了解结石，可在镜下直接观察结石剖面的细微结构，对于研究结石成石的原因、方式和过程有一定意义。常连胜等［21］用偏光显微镜研究了不同性激素对大鼠肾内结石形成的影响，表明雄激素和雌激素可抑制结石形成。张保等［22］用偏光显微镜研究了不同剂量维生素E 和维生素C对大鼠肾结石模型体内活性氧及成石的影响，表明大剂量VitC有利于肾结晶的沉积。但是偏光显微镜的放大倍数有限，难以看清结石的细微结构，因此有时尚需配合扫描电镜进一步观察，才能得到更确切结果。

    2.6  其他显微镜技术  借助各种显微镜技术分析尿石的形貌、结构及其成分，然后追溯尿石的成因，可为寻找科学的预防措施、选择合理的治疗方案提供重要的依据［23］。目前研究得较多的是扫描电子显微镜(SEM) 、透射电子显微镜(TEM) 、原子力显微镜(AFM)和普通光学显微镜（双目体式显微镜（BSM）），Escolar等［24］用SEM和能量分散X射线分析法(EDX)联合分析了胱氨酸结石的内部结构和混合在其中的其他组分。Khan［25］等采用TEM研究了尿石形成过程中磷酸钙晶体对草酸钙晶体成核和生长的影响。Khullar［26］等借助TEM观察了尿石中的纳米细菌。AFM技术测定结石达到纳米级的分辨率，在几百纳米内扫描范围内可观察晶体和非晶体表面的超微三维结构，其观测能力远大于扫描电镜，达到了原子、分子、细胞水平［27］，适用于不同的检测环境，所需样品量极少。BSM图像可以保留结石原有的颜色和形貌，还可给出其他诸如病灶(发源地) 、晶体结构和沉淀组分的次序等信息［28，29］。

2.7  其他  除了以上几种方法外，尚有其他几种分析方法如阴极发光技术和离子色谱法、生物化学和分子生物学技术、螺旋CT等在结石分析中也发挥了重要作用。采用地质矿物学的阴极发光技术，能够解决尿酸、尿酸盐晶体或微晶混于其他成分的结石观测［30］，该法可以看到结石成分的取向附生现象，可了解结石成分的相互转化机制；采用蛋白质分析技术(如色谱分析、凝胶电泳分析、蛋白质印迹分析、氨基酸组成和序列测定) ［31，32］和核酸分子检测技术等生物化学和分子生物学方法，开辟了尿结石研究的新途径，使我们有可能在分子水平上了解和掌握尿结石的致病原因，为临床防治结石的产生和减少复发采取有针对性的措施。陈志强等［33］研究表明，用非增强螺旋CT根据结石的CT值可以在体外判断尿酸结石、“感染石”、胱氨酸结石、磷酸钙结石和草酸钙结石等5种泌尿结石成分。预示着CT 对于尿结石的诊断、治疗及预防复发均有较大的实用价值，但非增强螺旋CT是否可以判断体内各种尿结石成分，仍有待进一步研究［34，35］。

    3  结论

    结石分析已经有较长的历史，从最早的化学分析到现在的各种各样的物理分析，对结石病的病因、病理生理和诊断及预防及治疗都提供了具有价值的信息。但是精确的结石分析仍然具有一定的难度，因为往往从患者得到的结石样本有限，并且结石的成分不是单一的而是复杂的混合物。不论是化学分析方法抑或物理分析方法，都有其自身的优缺点，化学分析方法的优点是操作简便，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，适合我国的国情但是却需要标本量较多，对本身标本破坏大，检测结果容易出现误差，不能鉴别难度大的复杂性混合结石，正因为如此在国外己经逐渐放弃使用，而转为采用物理分析为主。物理分析方法比较复杂，所需的仪器和设备较多，但可以对结石做更为准确的定性或定量分析，得到结果较准确。其中红外光谱分析法是目前国外应用最广泛的分析方法之一，能够对结石的核心、各个层面和外表进行观察，并对结石的成分和结构得出准确和可靠的结果。但是从目前来看还没有一种方法能够完全满足我们对结石结构和组成及含量等资料了解的需要。要想准确和有效了解结石各方面信息，应根据结石性质和研究内容，结合仪器设备条件和技术水平选择适宜的一种或几种方法的联合应用，只有这样才能够更好地满足临床研究的要求。

【参考文献】  1 叶章群．泌尿系结石研究现况与展望．中华实验外科杂志，2005，22（3）：261-262．

2 詹皇南，张卉，陈炜，等．尿路结石化学成分定性分析．中国现代医学杂志，2003，13（19）：44-46．

3 邝荔，谭燕华，欧阳建明，等．广东省东江流域泌尿系结石化学成分分析．广东医学，2002，23 (10) ：1029-1031．

4 曹履诚，章绍舜．尿石症基础与临床研究.济南：山东科学技术出版社，1993，69.

5 Bernardo NO，Smith AD．Chemolysis of urinary calculi．Urol Clin North Am，2000，27(2)：355-365．

6 李志明，满瑞林，陈岚，等．泌尿系结石分析方法的进展．华夏医学，2005，18(6)：1072-1074．

7 王志宏，徐学明，杜娟，等．尿路结石成分与发样和土壤中有关元素相关性分析．吉林大学学报(医学版)，2002, 28 (5)：489-491．

8 Davidson MT，Batchelar DL，Chew BH，et al.Establishing　composition and structure of intact urinary calculi by X-ray coherent scatter for clinical　laboratory investigations．J Urol，2006，175(6)：2336-2340．

9 欧阳健明．X射线衍射法在泌尿系结石研究中的应用．光谱学与光谱分析，2006，26(1)：170-174．

10 Batchelar DL，Chun SS，Wollin TA，et al.Predicting urinary stone composition using X-ray coherent scatter: a novel technique with potential clinical applications．J Urol，2002，168(1)：260-265．

11 欧阳健明，李祥平．泌尿系结石的X射线光电子能谱和X射线衍射联合分析．中国医学科学院学报，2003，25(6)：710-713．

12 Beischer DE．Analysis of renal calculi by infrared spectroscopy．J Urol，1955，73(4)：653-659．

13 Pickens CL，Milliron AR， Fussner AL, et al．Abuse of guaifenesin-containing medications generates an excess of a carboxylate salt of beta-(2-methoxyphenoxy)-lactic acid, a guaifenesin metabolite, and results in urolithiasis．Urology，1999，54(1)：23-27．

14 Daudon M．Component analysis of urinary calculi in the etiologic diagnosis of urolithiasis in the child．Arch Pediatr，2000，7(8)：855-865．

15 谭燕华，欧阳健明，马洁，等．红外光谱法在草酸钙结石研究中的应用．光谱学与光谱分析，2003，23(4)：700-704．

16 Laurence ME，Pierre L，Bernard L，et al．Advantage of zero crossing-point first-derivative spectrophotometry for the quantification of calcium oxalate crystalline phases by infrared spectrophotometry．Clin Chim Acta，2000，298(1-2)：1-11．

17 邓穗平，陈德志，欧阳健明．泌尿系结石组分分析方法及其研究进展．光谱学与光谱分析，2006，26 (4)：761-767．

18 Sharma RN．Thermogravimetric analysis of urinary stones．BR J Urol，1989，64(6)：564-566．

19 Kaloustian J，El-Moselhy TF，Portugal H．Determination of calcium oxalate (mono- and dihydrate) in mixtures with magnesium ammonium phosphate or uric acid: the use of simultaneous thermal analysis in urinary calculi．Clin Chim Acta，2003，334(1-2)：117-129．

20 Edwins R．The use of polarized light crystals in analysis of calculi and in the study of crystals in tissue A preliminary report on the method emplosed．J Urol，2002，167(2 Pt 2)：831-832．

21 常连胜，冯陶，姜学军，等．睾酮和雌二醇对大鼠草酸钙结石模型的影响．中华泌尿外科杂志，1999，11：4-5．

22 张保，陈一戎，叶章群，等．维生素C对大鼠肾结石模型体内活性氧及成石的影响．中华泌尿外科杂志，2002，23 (11)：683-685．

23 欧阳健明，邓穗平．显微镜技术在泌尿系结石分析中的应用及其研究进展．中国医师杂志，2006，8(6)：863-864．

24 Escolar E，Bellanato J．Spectroscopic and ultrastructural comparative study of cystine calculi in humans and dogs．Biospectroscopy，1999，5(4)：237-242．

25 Khan SR．Calcium phosphate /calcium oxalate crystal association in urinary stones: implications for heterogeneous nucleation of calcium oxalate．J Urol，1997，157(1)：376-383．

26 Khullar M，Sharma SK，Singh SK，et al．Morphological and immunological characteristics of nanobacteria from human renal stones of a north Indian population．Urol Res，2004，32(3)：190-195．

27 陈斌， 白进良， 陈一戎，等．原子力显微镜对泌尿系结石超微结构的研究．现代泌尿外科杂志，2002，7(4) ：205-208．

28 Sabot JF， Bornet CE，Favre S，et al．The analysis of peculiar urinary(and other) calculi: an endless source of challenge．Clin Chim Acta，1999，283(1-2)：151-158．

29 Nayir A．Determination of urinary calculi by binocular stereoscopic microscopy．Pediatric Nephrol，2002，17(6)：425-432．

30 沈绍基，宋天锐．阴极发光技术在尿石分析上的应用．中华泌尿外科杂志，1995，16(5) ：265- 267．

31 Krzysztof S，Zygmunt M，Ciechanowski，et al．Analysis of purines in urinary calculi by high-performance liquid chromatography．Anal Biochem，2000，286(2)：224-230．

32 朱绍兴．生物化学和分子生物学技术在尿石症研究中的应用．国外医学·泌尿系统分册，1998，18(1)：38-40．

33 陈志强，周哲，叶章群，等．螺旋CT判定尿结石成分的体外研究．临床泌尿外科杂志，2005，20 (10)：614-616．

34 Sheir KZ，Mansour O，Madbouly K，et al.Determination of the chemical composition of urinary calculi by noncontrast spiral computerized tomography．Urol Res，2005，33(2)：99-104．

35 Kim SC，Hatt EK，Lingerman JE，et al.Cystine: helical computerized tomography characterization of rough and smooth calculi in vitro．J Urol，2005，174(4 Pt 1)：1468-1470；Discussion 1470-1471．