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原来这么漂亮!地质学家“跨界”揭秘肾结石结构,提出预防和治疗新方法
送交者: hgao[♂★★★★声望勋衔18★★★★♂] 于 2021-06-01 2:58 已读 2123 次  

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 1799年,德国著名地质学家洪堡(Alexander von Humboldt)写道:“只有把地球上所有的现象结合起来,科学才能进步。比起发现新的孤立事实,我更喜欢把已知的事实联系在一起。”

  多年来,在为预防和治疗肾结石开发新疗法的征途中,科学家们也是如此实践的。研究人员尝试结合地质学、生物学、医学与尖端显微镜技术,探索肾结石形成的秘密

  


  人体肾结石的横切面(图片来源:参考资料 [1])

  肾结石是一种泌尿系统沉积物,影响着全世界超过12%的人,引起的症状从轻微不适到剧烈疼痛,其并发症可导致死亡。

  尽管令人痛苦,这种结石的美丽程度超出了很多人的想象。 科学家观察肾结石横切面时,就发现其中一些非常漂亮,有的像水晶洞,有的像树木的年轮。 而且,它们拥有与 珊瑚礁或石灰岩类似的构造,拥有富含有机质和矿物质的分层结 构,只不过尺度要比岩石小得多。

  



  人体肾结石薄片的荧光显微镜图像,显示出晶体生长分层,破裂,溶解和重结晶的复杂历史(图片来源:参考资料 [1])

  Bruce Fouke教授是伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois Urbana-Champaign)的一名地质学家,他带领团队正在把研究地球沉积的经验和方法应用于肾结石的研究。

  近日,这支研究团队 和妙佑医疗国际(Mayo Clinic)的研究人员合作, 在《自然》旗下的 Nature Reviews Urology 杂志上发表了一篇论文, 详细描 述了肾结石沉积过程中的多个阶段 ,并通过高分辨率成像技术进行了记录。 基于结石处于哪个形成阶段,以及它正在经历哪些化学过程,建立了一种 新的分类方案,并提出了可能的临床干预措施。

  



  



  综合地质学、生物学、医学和组学领域的新技术(图片来源:参考资料 [1])

  肾结石的形成方式与自然界中的地质结石相同。之前医生们曾认为,肾结石是一下子形成的,然而Fouke教授从地质学得到的分析结果正相反,肾结石并不是一次性全部结晶沉积,而是经过多次部分溶解再重构的过程。控制地球上其他自然和工程环境中磷酸盐、碳酸盐和硅酸盐沉积的基本过程,与控制人类肾结石形成的过程其实是一样的,这些过程被称为普遍生物矿化(universal biomineralization)和成岩相变(phase transitions)。

  “当我们识别出这些晶体相变过程(phase transformations),是什么使它从一个步骤进入下一个步骤以及它是如何进展的,那么也许我们就可以通过打破肾脏组织内部发生的化学反应链,从而在结石出现问题之前干预这种进展。”该研究的第一作者Mayandi Sivaguru博士说。

  



  人类肾结石内形成的连续结晶层与天然火山岩沉积物中的玛瑙十分相似(图片来源:参考资料 [2];Credit:Mayandi Sivaguru)

  一个特别具有启发性的发现是在肾结石形成的最初阶段:一开始时结石只是小小的圆形矿物微球(microspherules),类似于天然火山岩沉积物中玛瑙形成的小球体。这些矿物微球继而在肾脏组织中融合并形成更大,完美的几何晶体。正常情况下这种微小的矿物质沉积会被排出人体外,但当它们生长过快并继续形成更大的结石时,它们就无法离开肾脏,导致人体病痛,甚至在某些情况下致命

  研究人员发现,至少50%体积的结石都自然地经历了部分溶解和重结晶的多次循环过程,从而形成了一种标志性的层状晶体模式,与玛瑙、珊瑚骨架和温泉沉积物非常相似

  “看肾结石的横截面,你永远不会猜到,每一层原本都是一堆小球排列融合形成的。这是我们了解这些矿物质如何在肾脏内生长的革命性新途径,并为预防结石生长提供了特定的药物靶点。” 该论文通讯作者Bruce Fouke教授说。

  



  通讯作者Bruce Fouke教授(图片来源:参考资料 [2])

  了解肾结石的形成过程后,研究作者概述了几种可能的临床干预措施和治疗目标,从药物靶点到改变饮食或补剂,这些都可能破坏驱动肾结石形成的化学和生物级联反应。他们希望生物学研究人员和临床医生能够探索和测试这些选项。

  为了进行测试,研究小组还开发了一种叫“GeoBioCell”的微流体检测盒,旨在模拟肾脏错综复杂的内部结构。该小组希望该设备不仅能加速研究,还能加速临床诊断检测和潜在疗法的评估,尤其是针对70%以上的肾结石复发患者。

  “肾结石形成的过程是在自然界中看到的结石自然形成的一部分。我们将地质学、生物学和医学结合起来,一步步绘制肾结石形成的整个过程。有了这张路线图在手,我们现在可以开发出更有效、更有针对性的临床干预和疗法。”Fouke教授解释道,“最终我们的愿景是,每个手术室都会附设一个小的地质实验室。在那个实验室里,你可以在几分钟内对结石或结石碎片做一个非常快速的诊断,从而得知个体化的治疗目标。”

  参考资料:

  [1] Sivaguru, M., et, al. (2021). Human kidney stones: a natural record of universal biomineralization. Nature Reviews Urology. Published. https://doi.org/10.1038/s41585-021-00469-x

  [2] Geology helps map kidney stone formation from tiny to troublesome. Retrieved May 25, 2021, from https://news.illinois.edu/view/6367/755596851#image-3

  [3] Kidney Stones Are More Beautiful Than You Might Think. Retrieved September 18, 2020, from https://www.nytimes.com/2018/09/19/health/kidney-stones-geology.html

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