草酸钙结石: 尿草酸盐和草酸盐前体
Precursors toUrinary Oxalate Excretion
肾结石病的患病率越来越高，最常见的结石成分是草酸钙。膳食草酸盐的摄入和内源性草酸盐的产生在草酸钙结石病的病理生理学中很重要。膳食草酸盐摄入量对尿草酸盐排泄和肾结石疾病风险的影响已通过大型队列研究以及饮食控制的小型研究进行评估。净胃肠草酸盐吸收影响尿草酸盐排泄。肠道微生物群中的草酸盐降解细菌，尤其是 Oxalobacter formigenes，可以通过减少草酸盐的净吸收来降低结石风险。抗坏血酸（维生素 C）是内源性产生草酸盐的主要膳食前体，其他几种化合物的作用较小。草酸盐的肾脏处理和草酸盐的肾脏合成可能有助于结石的形成。在这篇综述中，我们讨论了膳食草酸盐和草酸盐的前体、它们在人类中的相关生理学，以及它们在肾结石疾病中的作用。
1、前言
肾结石疾病影响大约 10% 的人口 [1]，草酸钙 (CaOx) 是最常见的结石成分 [2]。CaOx 使尿液过饱和显着增加结石形成的风险 [3]，而过饱和是 CaOx 晶体沉淀的驱动力 [4]。尿草酸盐对 CaOx 过饱和的贡献是显着的。例如，在一项研究中，与尿钙的变化相比，CaOx 的过饱和度对尿草酸盐变化的敏感性高达 23 倍 [5]。在随后的一项研究中，发现尿钙和尿草酸盐对 CaOx 过饱和的影响相同 [6]。尿草酸盐来源于膳食草酸盐摄入和内源性草酸盐合成[7]。饮食来源的部分主要取决于三个因素：消耗的草酸盐量、消耗的钙和其他二价阳离子的量以及肠道对草酸盐的处理。由于肠道细菌会降解一些摄入的草酸盐 [8] 以及肠道不同区域对草酸盐的吸收存在差异 [9]，这使情况变得更加复杂。内源性草酸盐的产生主要发生在肝脏中，并受到前体（特别是抗坏血酸 (AA)）的膳食摄入量的影响 [10]。随后的肾脏处理 [11] 以及肾脏的内源性合成可能是尿草酸盐池的最终决定因素。在本文中，我们回顾了膳食草酸盐和草酸盐前体的来源、它们对尿草酸盐池的影响以及它们对肾结石风险的影响。
2、 膳食草酸盐摄入量和尿草酸盐排泄量
几种方法已被用于评估膳食草酸盐及其对尿草酸盐和肾结石疾病的影响。其中包括来自大型流行病学研究的食物频率问卷 (FFQ)。虽然其中一些研究是本次审查的核心（表 1A），但 FFQ 对膳食草酸盐有特别的限制。虽然规模较小，但涉及控制饮食受试者的研究对影响尿草酸排泄的因素提供了严格的规定（表 1B）。
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7823532/table/nutrients-13-00062-t001/?report=objectonly
2.1.量化草酸盐消耗量
主要通过使用 FFQ 来估计大量人群中消耗的草酸盐量。该工具对于确定膳食钙在 CaOx 结石形成中的关键作用至关重要 [32]。这种效应的主要机制被认为是钙与草酸盐的结合限制了肠道草酸盐的吸收 [33]。然而，通过类似的方法，膳食草酸盐与肾结石疾病之间的关系不太明显 [12]。此外，基于 FFQ 的草酸盐消耗量最高四分位数和最低四分位数之间的尿草酸盐差异很小，为 1.7 毫克/天 [13]。这些不一致有几个原因：
(1)按摩尔计算，每日草酸盐的摄入量远低于钙，约为十分之一（2.5 mmol vs. 25 mmol）；
(2)摄入的结合草酸盐的量高于结合钙；
(3)由于植物和植物性食物中草酸盐的可变性，可能难以确定摄入的草酸盐量。这些差异可能是由于草酸盐分析中的生长条件、遗传差异和分析变异性所致 [34]；
(4)FFQ 容易出错，当针对单一营养素时，应通过与另一种技术（例如称重 3-4 天食物记录）进行比较来验证它们 [35]。
由于这些影响因素的多样性，验证 FFQ 在确定草酸盐消耗量方面的准确性似乎是一项徒劳的任务，即使不是不可能的任务。利用受控饮食条件的研究克服了 FFQ 在草酸盐摄入量方面的许多限制。
2.2.膳食草酸盐与尿草酸盐的关系
已经在健康人类受试者中进行了几项研究，这些研究使用严格控制其营养成分的饮食来解决膳食草酸盐与其尿液排泄之间的关系。在一项研究中，膳食草酸盐对尿草酸盐的平均贡献范围从 25%（每天 10 毫克膳食草酸盐）到 42%（每天 250 毫克膳食草酸盐）；当 250 毫克草酸盐/天饮食的钙含量从 1002 毫克降低到 391 毫克时，平均贡献增加到 53% [7]。进一步的分析表明，在规定的饮食条件下，包括每天摄入 1000 毫克的钙，超过 50-750 毫克的每日摄入量范围内，尿草酸排泄量与膳食草酸盐摄入量呈线性增加 [36]。重要的是要注意，自选饮食的膳食草酸盐摄入量可能会变化超过 200 毫克/天 [37]，在没有饮食控制的情况下，草酸盐排泄量会发生显着变化。我们以前曾主张在适当的时候减少或消除饮食中富含草酸盐的食物，应该有利于减少饮食对尿草酸盐排泄的贡献 [38]。
3. 膳食草酸盐和肠道
胃肠道草酸盐吸收受这种二羧酸的吸收和分泌通量的影响。包括 Oxalobacter forigenes 在内的粪便微生物群中草酸盐降解生物对这些过程的影响是一个活跃的研究领域。
3.1.膳食草酸盐的肠道吸收
草酸盐通过跨细胞阴离子转运蛋白（特别是溶质连接载体 (SLC)-26 家族）以及通过紧密连接的细胞旁通量沿肠道吸收 [9,39]。被肠道吸收的摄入草酸盐量似乎在 5% 到 15% 之间，具体取决于钙、镁和纤维的摄入量 [15]。草酸盐的过度吸收与肠段的手术切除有关，包括用于减肥的搭桥手术和吸收不良的肠道疾病。这种继发性高草酸尿症，称为肠道高草酸尿症（[40] 中的综述），归因于游离脂肪吸收不良导致钙的螯合和皂化，以及可吸收的可溶性草酸盐的数量增加，以及胆汁酸量增加，同样是由于吸收不良，这被认为会增加胃肠道草酸盐的吸收。
3.2.肠道微生物草酸盐降解
哺乳动物体内不具有能够代谢草酸盐的酶。然而，胃肠道中的多种细菌物种具有降解草酸盐的能力，因此假设这些肠道微生物在降低 CaOx 结石病的风险方面发挥着重要作用。胃肠道中有两大类草酸盐降解细菌。存在不完全依赖草酸盐作为能源的“通用草酸营养生物”和使用草酸盐作为其唯一或主要碳和能源的“专业草酸营养生物”[41]。迄今为止，仅在哺乳动物肠道中发现了一种专门的草酸营养菌，即专性厌氧菌 O. formigenes [42,43]。大多数研究都集中在这种细菌上 [44,45,46,47,48,49]，只有少数研究涉及一般草酸营养菌对结石病的作用 [50,51]。
一些研究检查了旨在降解胃肠道草酸盐以减少尿草酸盐排泄的益生菌制剂的影响，包括含有 O.formigenes、乳杆菌和/或双歧杆菌属的益生菌制剂。[23,52,53,54]。虽然这些试验没有显示对尿草酸盐排泄有显着影响，但尚不清楚这些试验中摄入的细菌是否保持活力。使用草酸脱羧酶的口服制剂在整个胃肠道中酶促降解草酸是最近的一种潜在治疗策略 [55]。一项 2 期开放标签试验发现，在患有特发性（-10.2 毫克）和肠道高草酸尿症（-22.0 毫克）的参与者中，使用草酸脱羧酶可显着降低 24 小时尿草酸排泄量 [56]。仅在一项针对健康非结石形成者的研究中检查了多能草酸营养菌和 O. formigenes 对肠道草酸盐降解的相对作用 [25]。该研究利用了营养物质（包括草酸盐）控制的饮食，并证明未定植 O. formigenes 的个体微生物组的草酸盐降解能力在低膳食草酸盐摄入量时可以忽略不计，并且随着摄入较高水平的膳食草酸盐而增加。这与反刍动物的早期日粮草酸盐喂养研究一致 [57]。该研究还发现，与未定植 O. formigenes 的个体相比，定植了 O. formigenes 的个体排泄的粪便草酸盐水平显着降低，突出了专业草酸营养对整体肠道草酸盐降解的重要性。例如，在适度高摄入膳食草酸盐（每天 250 毫克）时，80% 的膳食草酸盐在未定植 O. formigenes 的个体的粪便中被回收，而在被 O. formigenes 定植的个体的粪便中仅回收 30%。O.formigenes。
需要对结石形成者进行类似的受控饮食研究，以确定通用草酸营养菌和 O.formigenes 对肠道草酸盐降解的相对作用，以及这些微生物在肠道中的定植如何影响尿草酸盐排泄和结石形成的风险。未来的研究利用最先进的测序技术 [58] 可以确定微生物网络，这些网络在增强人类胃肠道中的草酸盐降解方面起着重要作用。此外，由于年轻时口服抗生素使用和抗生素暴露与结石形成风险增加有关 [59]，未来的研究还应侧重于确定抗生素暴露增加结石病风险的机制，包括影响抗生素处理对微生物草酸盐降解的影响。
4. 内源性草酸盐生产的前体
60 多年前，通过研究罕见的遗传性肾结石/肾钙质沉着症，原发性高草酸尿症 (PH)，对内源性草酸盐合成有了初步了解。在大鼠、健康志愿者和 PH 患者中使用 14C 和 13C 标记化合物进行的研究有助于确定肝脏在草酸盐生产中的重要性，并有助于确定草酸盐合成的前体（图 1）。在离体大鼠肝脏和肝切除大鼠中进行的研究证明了肝脏在草酸盐合成中的核心作用 [60,61]。其他组织（如肾脏）的贡献尚未完全阐明。在肝脏中，乙醛酸已被确定为草酸的直接前体，乳酸脱氢酶是将乙醛酸氧化为草酸的关键酶 [62,63,64,65]。进一步支持肝脏在乙醛酸到草酸代谢中的核心作用，PH 酶缺乏参与乙醛酸代谢，并且在肝脏中高度甚至完全表达 [66,67,68,69,70]。因此，对草酸合成前体的探索是由涉及乙醛酸代谢的途径驱动的 [71,72]。一个值得注意的例外是 AA，它长期以来一直被认为是草酸合成的非酶源 [73,74]。
图1
内源性草酸盐合成途径。草酸盐的合成通过酶促（斜体名称）和非酶促反应发生在不同的亚细胞区室（胞质溶胶、线粒体和过氧化物酶体）中。分子式在每个化合物下面的括号中给出。乙醇醛是果糖和木糖醇代谢的产物。1P5C：1-吡咯啉-3-羟基-5-羧酸，LDH：乳酸脱氢酶，GO：乙醇酸氧化酶，GR：乙醛酸还原酶，AGT：丙氨酸：乙醛酸氨基转移酶，DAO：D-氨基氧化酶，ALDH：醛脱氢酶，GLO ：乙二醛酶，HOGA：4-羟基-2-酮戊二酸醛缩酶，AspAT：天冬氨酸氨基转移酶，1P5CDH：1P5C 脱氢酶，HYPDH：4-羟脯氨酸脱氢酶。
4.1.氨基酸和蛋白质
在已研究的草酸盐前体中，已经提出了许多氨基酸（甘氨酸、丝氨酸、酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸和羟脯氨酸），但只有少数在人类中得到了评估和验证，通过饮食控制的则更少【60,75,76,77,78]。甘氨酸在草酸盐合成中的作用最初被认为是主要作用，在较早的研究中估计对草酸盐合成的贡献高达 40% [79,80,81]。然而，一项对 6 名健康志愿者使用改进的分析方法（包括饮食控制和 13C-甘氨酸的灌注、恒定输注）进行的研究表明，甘氨酸代谢对尿草酸盐的贡献 <5% [26]。羟脯氨酸是胶原蛋白分解的产物，当以明胶的形式口服摄入时，健康志愿者会转化为草酸盐 [19]。这项研究促使在健康志愿者和 PH 受试者中，使用控制饮食的 15N、13C5-羟脯氨酸引发的、持续输注对羟脯氨酸分解代谢为草酸盐进行更定量的检查 [30]。本研究表明，羟脯氨酸的代谢至少有助于健康受试者内源性草酸盐合成的 15%，并在 PH 患者中发挥更大的作用，尤其是 2 型和 3 型 PH。
4.2.乙醛酸盐的其他来源
乙醇酸是乙醛酸的前体，是 1 型 PH 中草酸合成的主要来源。60 多年来，对人类和啮齿动物的大量研究已经确定了其对乙醛酸的代谢 [60,61,63,71,82]。通过 RNA 干扰或 CRISPR/Cas9 靶向乙醇酸氧化酶 (GO) 抑制乙醇酸氧化为乙醛酸已显示出在减少缺乏丙氨酸：乙醛酸转氨酶 (AGT)（一种 PH 1 型模型）的小鼠尿草酸排泄方面的有效性 [83,84 ,85]。GO 在 1 型 PH 中增强草酸合成的核心作用源于 AGT 的缺乏；然而，在具有正常 AGT 活性的健康志愿者中，乙醇酸盐作为草酸盐前体的作用尚不清楚。乙二醛是一种 2 碳反应性二醛，通过许多氧化和代谢反应产生 [86]，可以通过酶促转化为乙醛酸 [87] 和乙醇酸 [88]。在一项利用人类红细胞的研究中，乙二醛被证明优先转化为乙醇酸，其中 1% 最终通过乙醛酸转化为草酸 [89]。当细胞内谷胱甘肽耗尽时，草酸盐的形成增加，突出了氧化应激通过该途径在内源性草酸盐合成中的潜在作用。乙二醛存在于大量食品和饮料中，例如面包、饼干、酸奶、沙丁鱼油、咖啡、茶、啤酒和葡萄酒，是一种食品加工污染物 [90,91,92,93,94,95 ];然而，关于这些膳食来源的乙二醛的肠道吸收情况一无所知。乙二醛在体内的反应性也使其成为一个难以研究的目标，其在内源性草酸合成中的作用仍不清楚。
4.3.果糖、葡萄糖和戊糖
果糖摄入与肾结石形成之间关联的流行病学证据 [96,97] 支持以下假设，即果糖摄入可直接或间接通过丝氨酸代谢导致草酸合成 [77]。然而，在健康志愿者中进行的一项对照饮食研究未能证明尿草酸排泄量发生变化 [22]。此外，肝细胞的体外实验未显示 13C 标记的糖（果糖和葡萄糖）转化为草酸盐 [22]。所报告的果糖摄入与肾结石疾病之间的关联可能是由肥胖和胰岛素抵抗等混杂因素解释的 [98,99]。戊糖途径和木酮糖已被提议作为草酸合成的来源，通过乙醇醛和乙醇酸合成 [77]。尽管已有摄入木糖醇后草酸中毒的病例报告，但体外实验[100]不支持木糖醇作为草酸盐的重要来源，因此目前尚不清楚摄入木糖醇是否是尿草酸盐排泄增加的危险因素。
4.4.抗坏血酸
抗坏血酸AA 与草酸盐合成之间的关系自 20 世纪中叶就已为人所知 [73]。草酸盐的形成是 AA 非酶促分解为 2,3-二酮古洛糖酸 (DKG) 的结果（图 1）。DKG 可分为苏糖酮或赤藓酮糖，在这两种情况下均伴有草酸盐 [10,74]。转换对 pH 值和温度敏感，这一因素可能会影响某些富含 AA 的生物样品中的草酸盐测量。Atkins 等人的研究。和贝克等人。表明 AA 可能是内源性草酸合成的最大贡献者 [81,101]，约占尿草酸排泄的 40%。当时使用的方法有局限性，因此需要重新研究 AA 在内源性草酸盐合成中的作用。
AA 摄入量与 t 之间的关系
几项大型队列研究显示了 AA 摄入量与肾结石风险之间的关联，尽管缺乏饮食控制、研究持续时间短以及潜在的样本处理问题可能会影响结果 [13,102]。据报道，AA 摄入量还可以在更大程度上促进肾结石形成者的草酸盐排泄 [13]。尽管在饮食控制条件下进行的一项研究发现，肾结石形成者和健康对照者的尿草酸盐均增加，这归因于口服 AA 补充剂 [17]。一些病例报告还表明，肾功能受损的个体在大剂量口服或静脉输注 AA 后可发生草酸盐肾病 [103,104,105]。尽管 AA 对健康受试者和肾结石患者的草酸盐合成都很重要，但我们对相关机制的了解仍然存在差距。线粒体被认为是细胞内 AA 循环的主要位点，并且是内源性抗氧化防御的主要组成部分 [106]。AA 可能在产生草酸盐的线粒体中充当抗氧化剂。研究该途径在草酸盐合成中的重要性是有必要的，并且可能会发现减少草酸盐合成的新方法。
5. 草酸盐和肾脏
草酸盐是人体新陈代谢的最终产物。在健康受试者中，大约 95% 被肠道吸收并内源性产生草酸盐通过尿液排出体外 [107]。草酸盐通过肾小球滤过和分泌输送到肾单位 [108,109]。虽然草酸盐重吸收已在大鼠近端小管中得到证实 [110]，但在人类中尚未发现。在控制饮食的健康志愿者中，口服单剂草酸钠显示出快速吸收和净肾分泌，尿液和血浆草酸盐均出现短暂升高 [11]。一项评估口服草酸盐负荷后草酸盐排泄的研究表明，正常受试者和肾结石形成者之间的尿草酸盐排泄或草酸盐与肌酐清除率的比率没有差异 [20]。然而，伯格斯兰等人发现与正常对照组相比，接受减肥手术的特发性高钙尿症或结石患者的尿草酸盐增加明显更快，并且草酸盐的肾小管分泌是关键介质，可能维持对血浆草酸盐的严格调节[24]。除了在排泄草酸盐方面的作用外，还有一些证据表明肾脏可能在草酸盐合成中发挥作用。乙醛酸还原酶 (GR) 和 4-羟脯氨酸脱氢酶 (HYPDH) 在肾脏中均高度表达。在大鼠中，近端小管已被证明是这些酶高度表达的肾单位段 [111,112,113,114]。Farinelli 和 Richardson 在肝切除大鼠中的实验表明，乙醇酸到草酸的某些代谢可能通过未知机制在肾脏中发生 [61]。在 GR 缺陷小鼠（PH2 模型）中进行的一项研究表明，由于肾草酸合成增加，膳食羟脯氨酸喂养会迅速诱导 CaOx 肾钙质沉着症 [115]。根据这些发现，未来的研究应该检查肾草酸合成和肾草酸处理在尿草酸排泄中的作用。
6。结论
膳食中草酸盐和膳食草酸盐前体的摄入是尿草酸盐排泄和 CaOx 结石病的关键决定因素。通过 FFQ 对大量人群的膳食草酸盐摄入量进行量化具有显着的局限性，可以通过严格的膳食控制研究来克服这些局限性。通过此类研究，已确定膳食草酸盐摄入量平均占正常健康受试者尿草酸盐排泄量的约 50%。草酸盐降解肠道微生物在 CaOx 肾结石疾病中的作用尚不清楚，需要使用受控饮食进行进一步研究。AA 已被确定为主要的膳食草酸盐前体，而其他推定的前体似乎作用较小。然而，大多数这些研究的局限性在于它们仅在健康志愿者中进行。需要对结石病患者进行受控饮食研究，以检查饮食草酸盐、草酸盐前体以及肾脏和胃肠道处理的作用。