Рост кристаллов и агломерация

По мере того, как внутри почек происходит организация кристаллического ядра, воздействие мочи дает камню возможность расти путем коркообразования. Существует два основных пути (механизмы свободной и фиксированной частиц) создания ядра камня, оба из которых могут быть активны в любом из случаев камнеобразования, хотя камни, формирующиеся идиопатически, обычно прикреплены к бляшкам (Рисунок 1).

Согласно механизму свободных частиц, кристаллы зарождаются, растут и соединяются в моче почечных канальцев. Как только кристаллы собираются в крупные частицы, они удерживаются внутри почек либо становятся слишком большими, чтобы пройти через канальцевые просветы, или прикрепляются к канальцевому эпителию. При наличии значительного перенасыщения, кристаллические депозиты закупоривают собирательные каналы, формируя повреждения Рэндалла 2 типа или пробки, которые выступают в почечную лоханку и подвергаются воздействию содержащейся в ней мочи. Когда отверстия канальцев блокируются, стаз может способствовать образованию за пробками небольших камней. Аналогичным образом, посредством механизма свободных частиц в почечных чашечках также могут формироваться неприкрепленные камни.

В поддержку механизма свободных частиц выступают животные модели и исследования тканевых культур. Индуцированная в эксперименте гипероксалурия или гиперкальциурия приводит к нарастающему перенасыщению мочи и формированию кристаллов СаОх или СаР в просветах почечных канальцев. Кристаллы сохраняются на участках, где затруднен отток мочи, в местах сужения канальцев (например, когда проксимальный каналец встречается с петлей Генле) или в основании сосочков, где почечные канальцы изгибаются. Интересно, что собирательные канальцы щелевидные и более узкие, чем диаметр просвета протока, который препятствует пассажу мочи и может играть роль в закупорке протока. Ретенция кристалла также осуществляется путем прикрепления к почечному эпителию, а также к базальной мембране, которая обнажается при разрушении эпителия.

Вероятно, этот механизм причастен к формированию апатитовых, брушитовых и цистиновых камней, а также СаОх камней, ассоциированных с гипероксалурией, как первичной, так и возникшей после бариатрических хирургических вмешательств. Повреждение и отторжение эпителия широко распространено у пациентов с брушитовыми камнями и в случаях гипероксалурического образования СаОх камней. Пробки действуют как субстраты для депозитов будущих кристаллов и роста камней, а также могут иметь разнообразный кристаллический состав.

Альтернативным механизмом камнеобразования является механизм фиксированных частиц, при котором камни формируются прикрепленными к кальцифицированным бляшкам на папиллярной поверхности. Бляшки, называемые бляшками Рэндалла, начинаются с образования кристаллов СаР и их отложения в почечном интерстиции. Значительное количество идиопатических СаОх камней формируется прикрепленным к бляшкам Рэндалла. По-видимому, образующие бляшку депозиты СаР начинают формироваться в глубине почечного интерстиция, базальной мембране петли Генле или ассоциированными с собирательными канальцами и прямыми сосудами (кровеносные сосуды, которые пролегают параллельно петле Генле). Хаггит и Питкок исследовали почки в случайной выборке, состоящей из ста трупов, с помощью световой микроскопии и трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ). Они обнаружили в интерстиции положительные к ализариновому красителю (окрашивает кальций) слоистые сферулитные кристаллы, которые, при более внимательном рассмотрении при помощи ТЭМ были ассоциированы с коллагеновыми волокнами в интерстиции, а также с базальной мембраной собирательных канальцев. Кроме того, Кук и коллеги исследовали 62 нормальные почки и обнаружили в четырех кальцификаты, которые встречались в петле Генле и распространялись на медуллярный интерстиций. Также были вовлечены некоторые собирательные трубочки и кровеносные сосуды.

Рентгенография почек трупа с высоким разрешением была выполнена Столлером и др. Они отметили, что в 57% почек имелись субэпителиальные бляшки Рэндалла, которые уходили в глубь сосочков и были тесно связаны с собирательными канальцами и прямыми сосудами. Кроме того, были идентифицированы фон Косса-положительные (окрашивался СаР) сферические депозиты СаР, рассеянные в интерстиции, а также вокруг собирательных трубочек и кровеносных сосудов. Evan и др. изучали почечные сосочки пациентов с различными причинами камнеобразования. Они сделали заключение, что все идиопатические кальциевые камни развивались прикрепленными к субэпителиальным бляшкам Рэндалла и подтвердили ранние выводы Cooke и др. об участии базальной мембраны петли Генле в развитии бляшек Рэндалла. В таких интерстициальных бляшках были определены остеопонтин, тяжелая цепь интер-α-ингибитора, коллаген и цинк. Интересно, что бляшки Рэндалла никогда не превращаются в камни. Бляшки также были определены в почках, где не происходило формирование камней.

Далее, Эван и др. предположили, что депозиты мигрируют из базальной мембраны петли Генле в окружающий интерстиций, где связываются с коллагеном 1 типа, сливаясь в синцитий, в котором островки минералов “плавают” в органическом “море”. Микроскопические и аналитические исследования бляшек показали, что осаждение в интерстиции СаР происходит в тесной связи с продуктами клеточного распада, связанными с мембраной везикулами, некоторым неидентифицированным волокнистым материалом и коллагеновыми волокнами (Рисунок 4). Некоторые везикулы содержали иглообразные кристаллы, предположительно образованные СаР. Соответственно, возникло предположение, что связанные с мембраной везикулы, размножающиеся посредством минерализации коллагена, приводят к смещению “фронта” минерализации к субэпителиальной зоне почечных сосочков и образованию бляшек Рэндалла. Таким образом, мнения относительно истоков возникновения бляшек Рэндалла расходятся. Начинается ли этот процесс с базальной мембраны петли Генле, прямых сосудов или собирательных трубочек, или же в интерстиции, откуда распространяется кнаружи, вовлекая в процесс все компоненты почечного сосочка? Неизвестно, что приводит к образованию бляшек Рэндалла. Было высказано предположение, что формирование бляшек Рэндалла сходно с кальцификацией сосудов (см. ниже).

Одним из ключевых различий между механизмами свободных и фиксированных частиц, является расположение инициирующего очага (Рисунок 1). Бляшки Рэндалла (свободные частицы) — тубулярные депозиты, обычно состоящие из СаР, которые постоянно взаимодействуют с мочой и, соответственно, растут. Бляшки Рэндалла (фиксированные частицы), напротив, представляют собой субэпителиальные депозиты, которые должны иметь шероховатые поверхности для того, чтобы при взаимодействии с мочой произошел рост кристаллических масс (Рисунок 5). Такое нарушение может происходить при участии металлопротеиназ матрикса и/или из-за воздействия грубой силы растущей бляшки. Биологический апатит — это основной компонент бляшек, в то время как пробки могут быть образованы любым твердым веществом, которое может осаждаться в перенасыщенной моче. Однако как пробки, так и бляшки покрыты органическим матриксом, который (как уже упоминалось ранее) состоит из макромолекул, продуцируемых эпителиальными клетками почек в ответ на их контакт с кристаллическими тубулярными депозитами. Моча в лоханке в норме метастабильна в отношении к СаОх и оказывает поддержку гетерогенной нуклеации и росту СаОх. Исследования на животных моделях и клеточных культурах показали, что непрерывное воздействие кристаллов на эпителиальные клетки приводит к продукции макромолекул в больших количествах. Эти молекулы с мочой перемещаются вниз и, покрывая кристаллические агрегаты, способствуют дальнейшей кристаллизации и росту камней. Образование и рост кристаллов СаОх над бляшками или пробками в конечном итоге приводит к развитию кальциевых камней, которые прикрепляются к окончаниям почечных сосочков. Сам СаР также является хорошим инициатором для СаОх и, как было показано, трансформируется в СаОх посредством диссолюции и рекристаллизации. Таким образом, камнеобразование — конечный продукт каскада реакций (Рисунок 6).

Рисунок 4 | Почечный интерстиций и сформировавшийся на бляшке Рэндалла камень из оксалата кальция

а | Канальцевый эпителий отделен от интерстиция базальной мембраной. Интерстиций содержит коллагеновые волокна, сферулитный фосфат кальция (SCaP), напоминающий мембрано-связанные везикулы с кристаллами, а также плотные и компактные кристаллы из фосфата кальция (СаР). Существует тесная связь между коллагеном и плотным СаР.

b | Изображение из раздела “а”, но с большим увеличением. Коллагеновые волокна тесно связаны с плотными депозитами СаР.

Скорость роста кристаллов

Скорость роста кристаллов отдельных минералов в основном зависит от их уровней ОП в моче, но на нее также могут воздействовать некоторые модификаторы кристаллизации. Было продемонстрировано, что некоторые модификаторы замедляют скорость роста и/или агломерации кристаллов кальциевых солей in vitro. К этим модификаторам относятся магний, цитрат, пирофосфат, АДФ, АТФ, фосфопептиды, различные гликозаминогликаны, неполимеризированный белок Тамма-Хорсфалла (также известный как уромодулин), нефрокальцин, остеопонтин, кальгранулин, α1‑микроглобулин, β2-микроглобулин, МПТФ1 и интер-α-ингибитор (легкая цепь бикунина). Однако было обнаружено, что только цитрат и магний выделяются в меньших количествах при формировании некоторых кальциевых камней, чем при их отсутствии.

Постулируется, что вторая группа модификаторов стимулирует кристаллизацию кальциевых солей. Известные как кристаллизационные промоторы, они включают матриксную субстанцию А, различные неохарактеризованные белки и гликопротеины мочи, а также полимеризованную форму белка Тамма-Хорсфалла (уромукоид). Пока не доказано, что к камнеобразованию приводит какая-либо из этих макромолекул, но некоторые исследователи все еще верят, что они могут играть роль в фазе роста многих камней. Продолжаются исследования их возможной роли в содействии развитию камней.

Рисунок 5 | Поверхность почечного сосочка пациента, имеющего камень, образовавшийся из моногидрата оксалата кальция, изученная с помощью сканирующей электронной микроскопии.

а | Кристаллическая организация проступает через папиллярную поверхность, приводя к отторжению эпителиальных клеток (стрелка). Выступ покрыт фиброзным материалом и окружен кристаллической оболочкой.

b | Фиброзный материал, покрывающий выступ.

с | Неповрежденный участок эпителия поверхности сосочка.

Камнеобразование и кальцификация сосудов

Некоторые анализы позволяют предположить наличие связи между кальцификацией сосудов и формированием идиопатических камней почек. Отложение СаР в сочетании с коллагеном аналогично тому, что наблюдается на участках кальцификации сосудов, которая в настоящее время считается активным процессом, когда гладкомышечные клетки сосудов приобретают остеогенный фенотип. Воздействие таких триггеров, как высокие уровни кальция и фосфата на гладкомышечные клетки сосудов приводит к трансформации, которая активирует белок морфогенеза кости (ВМР) и сигнальный путь WNT посредством активации таких трансфекционных факторов, как Runt-опосредованный транскрипционный фактор 2 (RUNX2) и msh гомеобокс 2 (MSX2). Трансформацию также опосредуют активные формы кислорода; трансформированные клетки продуцируют белки матрикса. Существуют данные подтверждающие теорию, согласно которой эпителиальные клетки почек могут становиться остеогенными. Базальные уровни BMP2, RUNX2 и остерикса (также известный как Sp7; другой транскрипционный фактор) выше у генетически модифицированных, имеющих гиперкальциурию крыс, у которых возникают внутриренальные СаР депозиты. И правда, почечные клетки собак Мартин-Дарби при выращивании в монослое продуцируют СаР микролиты на базальной стороне, а взаимодействие этих клеток с высокими уровнями таких оксалатов, как кристаллы СаОх и СаР, приводит к активации НАДФН оксидазы и продукции реактивных форм кислорода, приводя к формированию остеогенного фенотипа. Существуют доказательства, что гены, которые, как считается, вовлечены в процессы эпителиальной трансформации и морфогенеза кости (к ним относятся те, что кодируют RUNX2, остерикс, BMP2, BMP7, BMP рецептор типа 2, коллаген, остеокальцин, остеонектин, остеопонтин, матриксный-gla-белок, остеопротегрин, кадгерин, фибронектин и виментин) активируются у гипероксалурических крыс. Все эти гены являются маркерами остеогенного фенотипа. В целом, некоторые данные подтверждают, что такие аномальные мочевые состояния, как гипероксалурия, гиперкальциурия, гипоцитратурия и оксидативный стресс в почках вызывают трансформацию эпителиальных клеток почек в клетки, имеющие остеобластический фенотип. Утрата способности к дифференцировке способствует отложению СаР кристаллов и образованию бляшек Рэндалла.

Рисунок 6 | Бляшка Рэндалла и формирование камня из оксалата кальция

На основании экспериментальных и доступных клинических данных можно предположить, что образование камня — это многоступенчатый процесс, который, возможно, связан с образованием пробок и бляшек Рэндалла. Для простоты мы разделили его на шаги, но сочетание факторов, вероятно, способствует формированию и росту камней.

а | При образовании бляшки Рэндалла перенасыщение канальцевой жидкости фосфатом кальция (СаР) и/или оксалатом кальция (СаОх) происходит в почечных канальцах в конце петли Генле и в начале системы собирательных канальцев (Шаг 1). Исходя из этого, было предложено два альтернативных пути. Перенасыщение СаР приводит к его отложению в базальной мембране петли Генле (шаг 2), инициируя процесс образования бляшки (Рис. 1). В почечных канальцах образование кристаллов происходит иначе (Шаг 3). Кристаллы СаР перемещаются в интерстиций (Шаг 4) или поглощаются клетками, где растворяются и повторно осаждаются в базальной мембране канальца. Иная возможность заключается в том, что эпителиальные клетки почки, взаимодействуя с СаР и/или СаОх, продуцируют активные формы кислорода и, возможно, ряд таких ассоциированных с остеогенезом факторов, как Runt-опосредованный транскрипционный фактор 2 (RUNX2), остерикс (также известный, как Sp7), BMP7, рецептор BMP типа 2 (BMPR2), коллаген и остеопонтин. Эпителиальные клетки на базальной стороне (Шаг 5) продуцируют матриксные везикулы с последующей их кальцификацией (Шаг 6).

b | После того, как СаР кристаллы откладываются в базальной мембране петли Генле и/или собирательных канальцах, продолжается процесс минерализации. Коллагеновые волокна и мембранные везикулы кальцинируются (Шаг 1). Фронт минерализации достигает поверхности почечного сосочка и формируется субэпителиальная бляшка (Шаг 2). Эпителий сосочковой поверхности разрушается (Шаг 3) и бляшка разрывается, при этом кристаллы СаР взаимодействуют с метастабильной мочой лоханки, которая содержит СаОх (Шаг 4). Макромолекулы мочи накладываются на обнаженные кристаллы СаР, способствуя отложению на них кристаллов СаОх (Шаг 5).