Mikrolitogeneza. Przemysław Sikora. Klinika Nefrologii Dziecięcej UM w Lublinie

Transkrypt

1 Mikrolitogeneza Przemysław Sikora Klinika Nefrologii Dziecięcej UM w Lublinie

2 Jak tworzą się kamienie moczowe? Nadal do końca nie wiadomo, więcej hipotez niż dowodów

3

4 Dlaczego? Brak wystarczających technicznych i etycznych możliwości prowadzenia badań in vivo u człowieka Badania na modelach zwierzęcych i hodowlach komórkowych nie w pełni naśladują procesy w organizmie ludzkim Badanie moczu służy jedynie identyfikacji metabolicznych czynników ryzyka kamicy i nie odzwierciedla mechanizmów litogenezy w obrębie tkanki nerkowej np. prawidłowy metabolicznie mocz u pacjentów z nawracającą kamicą nerkową i odwrotnieidentyfikowalny czynnik ryzyka przy braku kamicy Patomechanizm powstawania złogów jest bardzo złożony, różny dla poszczególnych czynników etiologicznych

5 Badania ostatniej dekady pozwoliły na znaczący postęp w zrozumieniu mechanizmów litogenezy Coraz doskonalsze urologiczne techniki endoskopowe Nowe możliwości badań nad ultrastrukturą kamieni nerkowych (mikro CT)

6 Skład chemiczny kamieni nerkowych Jednowodny szczawian wapnia (wewelit) 70-75% Dwuwodny szczawian wapnia (wedelit) Kwas moczowy 10-15% Fosforan-amonowo-magnezowy (struwit) 5-7% Hydroksyapatyt/karboksyapatyt (zasadowy fosforan wapnia) 4-6% Bruszyt (kwaśny fosforan wapnia) 0,5-1% Cystyna 0,5-1% Moczan amonowy 0,5% Ksantyna 2,8- Dihydroksyadenina b. rzadko b. rzadko

7 Ogólny schemat powstawania kamieni Przesycenie moczu (płynu cewkowego) substancjami o potencjale krystalizacyjnym Krystalizacja zarodkowanie (nukleacja), wzrost i agregacja kryształów Retencja kryształów w nerce Kamień

8

9 Krystalizacja Proces powstawania i wzrostu kryształów Odbywa się w przesyconym roztworze związkami o zdolności do krystalizacji W nerkach zjawisko krystalizacji ma miejsce w płynie cewkowym, moczu i płynie śródmiąższowym

10 Mechanizm krystalizacji Roztwór przesycony Temperatura Stężenie substancji

11 Nukleacja (zarodkowanie) Proces powstawania najmniejszych kryształów substancji rozpuszczonej (zarodków) w roztworze przesyconym nukleacja homogeniczna (spontaniczna)- zarodki powstają samoistnie poprzez łączenie się cząstek ze sobą na skutek fluktuacji ich gęstości (przesycenia) czy schłodzenia (energia kinetyczna cząsteczek maleje i mogą się ze sobą łączyć) nukleacja heterogeniczna- odbywa się na czymś, np. na zanieczyszczeniach obecnych w substancji. Zachodzi znacznie łatwiej niż nukleacja homogeniczna

12 Mocz jako roztwór o potencjale krystalizacyjnym Doskonałe środowisko krystalizacyjne (zwykle roztwór nasycony, przejściowo przesycony CaOx/CaP) Procesy krystalizacyjne nie wynikają jednak jedynie z przesycenia moczu w odniesieniu do określonych związków ale również z obecności tzw. substancji inhibitorowych jak cytryniany, magnez, liczne białkowe i lipidowe makromolekuły oraz z określonych wartości ph

13 Promotory i inhibitory krystalizacji w moczu Promotory Kwas szczawiowy Wapń Kwas moczowy Cystyna Ksantyna 2,8- dihydroksyadenina Stale niskie lub wysokie ph moczu Zarodki nukleacji heterogenicznej (fragmenty komórek, bakterie itp.) Inhibitory Cytryniany Magnez Pirofosforany Makromolekuły (glikoproteiny, glikozaminoglikany) m. in. osteopontyna, białko Tamm-Horsfalla, bikunina, α1- mikroglobulina, fragment 1 protrombiny)

14 Makromolekuły cewkowe modelujące krystalizację Khan SE, Canales BK. Urol Res 2009, 37:

15

16 Krystaluria Obecność kryształów w moczu Zazwyczaj zjawisko fizjologiczne (wydalamy miliony kryształów!), nie musi oznaczać zwiększonego zagrożenia kamicą (wyjątek kryształy cystyny, struwitu) Tworzą się w nerce i drogach moczowych U niektórych pacjentów z kamicą obserwuje się nasiloną krystalurię i wydalanie dużych kryształów

17 Epidemiologia krystalurii 8,2% Verdesca S et al. Clin Chem Lab Med. 2011, 49:

18 Krystaluria a tworzenie kamieni Czas transferu płynu cewkowego od cewki proksymalnej do UKM to ok min Średnica cewek nerkowych µm Wzrost kryształów CaOx 1-2 µm/min

19 Krystaluria + retencja = kamień

20 Mechanizmy retencji kryształów/kamieni nerkowych I. Płytka Randalla ( idiopatyczna kamica CaOxnie uwarunkowana metaboliczną chorobą układową, pacjenci z hiperkalciurią, łagodną hiperoksalurią)- 75% kamieni CaOx II. Cewkowa nefrokalcynoza- korki kanalików zbiorczych- (drta, cystynuria, hiperpth, PH) III. Pierwotne tworzenie złogów w obrębie UKM- kielichów, miedniczki (wady)

21 Alexander Randall ( ) W 1937 r. w materiale autopsyjnym obejmującym 104 nerek, u 12 z nich stwierdził obecność mlecznych plamek (płytek) na szczycie brodawek nerkowych Większy materiał- 19,6% nerek poddawanych autopsji Płytki zbudowane były z fosforanów wapnia, były położone podnabłonkowo, część z nich przebijała się do przestrzeni moczowej, a na niektórych osadzały się kamienie zbudowane z CaOx 5,6% autopsji ( uszkodzenie inicjujące ) Randall A. The origin and growth of renal calculi. Ann Surg 1937, 105:

22 I. Patomechanizm tworzenia złogów na płytce Randalla. 1. Nadmierna krystalizacja hydroksyapatytu (HAP) Nukleacja HAP ( najlepsze warunki w cienkim ramieniu pętli Henlego i dalszym odcinku cewki dystalnejwysokie stężenie Ca i wysokie ph) homogeniczna (wynikająca z przesycenia płynu cewkowego) heterogeniczna (promowana przez fosfolipidy, lipidy, szczątki komórkowe, fragmenty błon komórkowych m. in. nabłonka szczoteczkowego komórek cewek proksymalnych- uszkodzenia przez WRT, kwas moczowy) Nadmierny wzrost i agregacja HAP Niedobór lub nieprawidłowo zbudowane inhibitory (np. osteopontyna, białko T-H, bikunina, nefrokalcyna, fragment 1 PT) Wzrost i agregacja kryształów HAP tzw. form sferycznych sferul Amos FF. et al. Urol Res 2009, 37: 11-17

23 Stężenia wybranych substancji i ph w płynie cewkowym poszczególnych odcinków nefronu* *na podstawie modelu teoretycznego Rodgers AL. et al. Urol Res 2011, 39:

24 Warunki krystalizacyjne zależne od przesycenia płynu cewkowego w poszczególnych odcinkach nefronu* Fizjologicznie płyn cewkowy jest przesycony na całym przebiegu nefronu hydroksyapatytem (HAP) Przesycenie (i krystalizacja) CaOx i bruszytu występuje dopiero w środkowej i dalszej części cewek zbiorczych Rodgers AL. et al. Urol Res 2011, 39:

25 I. Patomechanizm tworzenia złogów na płytce Randalla. 2. Translokacja kryształów HAP i wytworzenie płytki A. Internalizacja kryształów HAP do tkanki śródmiąższowej i ich przemieszczenie do okolicy podnabłonkowej brodawek nerkowych z wytworzeniem płytki Randalla B. Internalizacja kryształów HAP do tkanki śródmiąższowej, ich rozpuszczenie i powtórna precypitacja w obrębie błony podstawnej pętli Henlego z następowym wytworzeniem płytki Randalla Tiselius HG. Urol Res 2011, 39:

26 Płytka Randalla Evan AP. Pediatr Nephrol. 2010, 25: Gnessin E et. al. Turkish J Urol 2010, 36:

27 Interakcje kryształów z nabłonkiem cewek nerkowych Aneksyna II (+) Adhezja kryształów CaOx/CaP (-) fibronektyna, cytryniany, nefrokalcyna i inne GP i GAG WRT, peroksydacja lipidów (-) Uszkodzenie/śmierć komórek (martwica/apoptoza) Endocytoza kryształów (-) heparyna, TGFβ2, RGDS, THP Uwalnianie enzymów lizosomalnych (np. NAG), PGE2, szczątków komórkowych Degradacja kryształów w lizosomach Internalizacja kryształów do tkanki śródmiąższowej Depozycja kryształów (płytka Randalla) Degradacja kryształów

28 Udział WRT w litogenezie Khan SR. J Urol 2013, 189:

29

30 I. Patomechanizm tworzenia złogów na płytce Randalla. 3. Wytworzenie kamienia- precypitacja soli CaOx na podłożu HAP Zapalenie (makrofagi, TNF, IL-6) Erozja nabłonka brodawek nerkowych Odsłonięte masy HAP Niskie ph moczu kielichowego <5,8 Ca 2+ PO 4- C 2 O 4 2- (Ox) Przesycenie moczu CaOx Nukleacja CaOx inhibitorów (cytrynianów) Agregacja i wzrost kryształów CaOx Kamień CaOx Tiselius HG. Urol Res 2011, 39:

31 Płytka Randalla Williams JC, McAteer JA. J Nephrol 2013, 26: Miller NL et al. BJUI 2008, 103:

32 Złóg CaOx na podłożu płytki Randalla Szczyt brodawki nerkowej z przytwierdzonym kamieniem Szczyt brodawki nerkowej po usunięciu kamienia Matlaga B. et al. In Renal Stone Disease. 2007: 35-41

33 Liczne złogi CaOx na podłożu płytki Randalla Brodawka nerkowa pokryta licznymi kamieniami Brodawka nerkowa po usunięciu kamieni (widoczny pozostały fragment kamienia) Matlaga B. et al. In Renal Stone Disease. 2007: 35-41

34 Chemiczny skład kamieni wapniowych a płytka Randalla Tiselius HG. Urol Res 2011, 39: Matlaga Br et al. In Renal Stone Disease. 2007: 35-41

35 II. Patomechanizm wewnątrzcewkowej nefrokalcynozy- korki kanalików zbiorczych Duże (zbyt duże na internalizację przez nabłonek cewek nerkowych), wolniej przemieszczające się kryształy tworzące korki w ujściach kanalików zbiorczych (Randall opisał je w 1939 r.) Stany sprzyjające ekstensywnej wewnątrzcewkowej krystalizacji, agregacji i wzrostu dużych kryształów uszkadzających nabłonki cewek nerkowych Tiselius HG. Urol Res 2011, 39:

36 II. Patomechanizm wewnątrzcewkowej wewnątrzcewkowej nefrokalcynozy- etiologia Kwasica cewkowa dystalna (CaP) Pierwotna nadczynność przytarczyc (CaP) Pierwotne hiperoksalurie (CaOx) Wtórne hiperoksalurie (CaOx) Cystynuria Hiperurykozuria Niedobór lub strukturopatie inhibitorów krystalizacji makromolekuł błonowych (osteopontyna, kwas poliaspartowy, kwas hialuronowy) Evan AP. Pediatr Nephrol. 2010, 25:

37 Kamica u pacjenta z kwasicą cewkową dystalną (drta) A. Zdjęcie przeglądowe przed zabiegiem urologicznym (PCNL) B. Zdjęcie przeglądowe po zabiegu urologicznym (PCNL) C. Kamienie w kielichach nerkowych uwidocznione podczas PCNL D. Precypitaty CaP w ujściach kanalików zbiorczych po usunięciu kamieni Gnessin E et. al. Turkish J Urol 2010, 36:

38 Mikrokamień w ujściu kanalika zbiorczego u pacjenta z cystynurią Evan AP. Pediatr Nephrol. 2010, 25:

39 Kamica z kwasu moczowego Mikrolitogeneza nie do końca wyjaśniona Podstawowa rola ph moczu Prawdopodobnie precypitacja kwasu moczowego wewnątrz kanalików zbiorczych Maalouf NM et al. Curr Opin Nephrol Hypertens 2004, 13:

40 III. Patomechanizm pierwotnej krystalizacji w obrębie UKM Ekscesywna krystalizacja i agregacja kryształów w moczu ostatecznym (A) Zwolniony przepływ moczu (B, C) zwolniona perystaltyka kielichowo miedniczkowa (Schulz E et. al. Disturbed urinary transport in the pelvi-calyceal system in calcium-oxalate stone patients. Urol Res 1987,15: ) wrodzone wady układu moczowego z retencją moczu wtórny zastój spowodowany przez duży kamień powstały w łączności z tkanką nerkową (płytka Randalla, korki kanalików zbiorczych) Williams JC, McAteer JA. J Nephrol 2013, 26: 25-31

41 Anatomiczne czynniki ryzyka kamicy nerkowej Gambaro G et al. Urol Res 2006; 34:

42 Kamica infekcyjna Thomas B, Tolley D. Nat Clin Pract Urol 2008, 5:

43 Bakterie tysiąc razy mniejsze od typowych bakterii Wykryte po raz pierwszy we krwi bydlęcej i ludzkiej Hipotetyczna przyczyna kamicy nerkowej (otoczka nanobakterii zbudowana z hydroksyapatytuwytwarzanego przy fizjologicznych stężeniach Ca i P niezależnie od ph moczu) Przyczyna patologicznej kalcyfikacji i wielu chorób Zidentyfikowane nawet we fragmentach meteorytu (kosmiczne pochodzenie chorób) Ostatnio obalono ich żywą naturę- nanocząstki mineralno-białkowe będące prekursorami kalcyfikacji

44 Mikrolitogeneza a nowe strategie leczenia kamicy wapniowej Hamowanie tworzenia płytki Randalla (obniżanie CaP SS) Obfita podaż płynów, redukcja białka i Na w diecie, HT, cytrynian potasu (uwaga kamica CaP!), allopurinol Hamowanie stresu oksydacyjnego witamina E (?) zielona herbata (galusan epigalokatechiny- EGCG) inhibitory ACE (?) Hamowanie apoptozy (badania eksperymentalne) witamina E (?) allopurinol (?) MgO cytrynian potasu Hamowanie interakcji kryształykomórki?

45 Wnioski Istnieją różne modele litogenezy w zależności od czynnika etiologicznego Endourologia zyskuje na znaczeniu w rozpoznawaniu mechanizmów litogenezy W procesie litogenezy kamicy wapniowej podstawową rolę wydają się odgrywać interakcje pomiędzy kryształami a komórkami nabłonka cewek nerkowych Ostateczne poznanie tych mechanizmów pozwoli na rozwój nowych strategii leczenia, a tym samym skuteczniejszą profilaktykę i leczenie kamicy

46 W oczekiwaniu na dalsze odkrycia

47