Tamm-Horsfall蛋白在泌尿系結石形成中的作用與機制

劉 鑫，陳 潔，粟宏偉

在人類疾病認識的歷史中，泌尿系結石是最早被了解和發(fā)現的疾病之一。最新研究顯示：泌尿系結石在亞洲人群中的發(fā)病率最高可達到19.1%[1]。在經治療的結石患者人群中，1年后結石復發(fā)率為10%-15%，5年結石復發(fā)率超過35%，10年結石復發(fā)率高達50%[2]。在近幾十年對泌尿系結石形成機制的研究，我們仍未取得重大的認識和突破。目前對泌尿系結石形成機制較為認可的有以下學說：尿液中晶體物質過飽和學說，抑制因子活性降低學說，促進因子活性增高學說等。但目前的相關研究，無論是對尿液中晶體物質過飽和研究，還是抑制因子、促進因子等的研究，也尚未對泌尿系結石真正的形成機制與原因形成做出明確的解釋。針對泌尿系結石的抑制物質及促進物質的研究中主要有對Tamm-Horsfall蛋白的研究，盡管隨著對其研究的深入，Tamm-Horsfall蛋白在泌尿系結石形成中的作用與機制雖尚未明確，但是也取得了一定的進展和達到普遍的共識。筆者通過閱讀近幾年對Tamm-Horsfall蛋白的研究文獻，總結了其在泌尿系結石形成中的可能作用。

1Tamm-Horsfall蛋白的生物學特性

病毒學家Tamm和Horsfall于20世紀中期首次發(fā)現Tamm-Horsfall蛋白(以下簡稱THP)，THP是正常人尿液中含量最多的蛋白質[3]，由616個氨基酸組成,其中有48個半胱氨酸,屬于酸性蛋白質,其單體分子量為80KDa,由亨氏袢和遠曲小管的腎臟上皮細胞分泌，并隨尿液排出體外[4]。人類THP中有8個N一糖昔鍵多糖結合位點,其中的5個可與多糖連接這種特殊的結構使THP易形成膠鏈狀,聚集成分子量幾千萬的大分子聚合物,影響著尿液中鈣離子、草酸、磷酸鹽等晶體的聚集和成長。電鏡結果表明,THP可以聚集成長1mm直徑10um的長纖維狀多聚物。據測定，泌尿系結石患者尿液中THP的日排泄量[(29.6±14.9)mg/d]明顯低于健康正常人[(40.2±14.8)mg/d][5]。THP在正常人的尿液中起著抑制各種飽和晶體聚集的作用，但是它在泌尿系結石患者尿液中對鈣鹽晶體的成核和生長中起的抑制作用卻很弱[6]。THP在尿液中的作用由它自身的濃度決定，尿液的pH和離子強度，對鈣鹽晶體的成核及生長往往發(fā)揮著雙重的作用，既可以抑制鈣鹽晶體的成核與生長，同樣也可促進鈣鹽晶體的成核與生長[7]。雖然目前對THP的各種生理生化作用研究較為透徹，但究其在泌尿系結石形成中具體所發(fā)揮的作用與機制仍尚未明確。我們將從以下的幾方面經行探討：

2THP對鈣鹽晶體形成產生的作用與影響

2.1THP對鈣鹽晶體與腎小管上皮細胞互相的影響 鈣鹽晶體與腎小管上皮細胞的相互黏附是泌尿系結石發(fā)生發(fā)展的重要基本病理生理過程，如果能夠減少甚至抑制鈣鹽晶體與腎小管上皮細胞的相互黏附是預防泌尿系結石形成的重要治療措施。鈣鹽晶體與腎小管上皮細胞相互黏附后會對上皮細胞產生損傷，延緩鈣鹽晶體排泄的時間，有利于鈣鹽晶體的聚集和成核，加快結石的形成。THP分子結構中獨有的苷氨酸-精氨酸-天冬氨酸結構可以使其成為細胞與細胞、晶體與晶體間的一種特殊的信號遞質可以與細胞膜表面的整合素受體結合,參與傳遞信息,影響著鈣鹽晶體聚集以及結石基質形成等過程[8]。但是Khan等研究發(fā)現THP分子經過翻譯后修飾如磷酸化、糖基化后與鈣離子競爭性耦合，從而達到抑制結石形成的作用[9]。不同的作者通過對THP中不同的結構、成分與泌尿系結石的關系進行試驗，得出了不同甚至相反的結論。在鈣鹽晶體形成之初時鈣鹽晶體與腎小管上皮細胞相互黏附時，THP具有抗氧化作用,能抑制細胞內黃嘌呤參與的氧化酶促反應,減少生物體內氧自由基的產生,達到保護腎小管上皮細胞免受氧化應激的損傷的目的。同時，在鈣鹽晶體未形成之前，尿液中的THP處于非聚合狀態(tài)，有弱的抑制鈣鹽晶體成核作用。但在鈣鹽晶體形成之后并大量生成是，THP分泌增加，聚合形成長鏈狀時會發(fā)揮其粘連蛋白的作用，促進鈣鹽晶體聚集和生長。同時，THP聚合產生的粘附力可以明顯減弱尿中其它抑制結晶聚合的能力,從而促進結石的形成[10]。

2.2結石患者與正常人THP的差異 正常人尿液中THP與結石患者存在著差異，結石患者的THP含有較少的糖類,聚合度及粒子尺寸也較正常人的更高、更大。所以正常尿液中THP與結石患者尿液中THP在鈣鹽結晶形成過程中所起的作用也存在不同。Laube用BRI(BRI=[Ca2+/[Oxa2-])反映THP濃度與草酸鈣晶體形成的關系[11]。泌尿系結石患者的BRI>1,且THP濃度與BRI間成正相關,說明此類患者易患和造成泌尿系結石復發(fā)；而正常人的BRI≤1,在草酸鈣晶體形成過程中,THP濃度與BRI間的相關性較差,結石發(fā)生率相對較低,且THP濃度不是影響草酸鈣結晶形成的重要成分。上述研究表明，THP在結石患者尿液中是鈣鹽晶體形成的促進劑,但在正常人尿液中確實正常的組成成分。同時，由于正常人THP和結石患者THP結構的不同,可以引起鈣鹽晶體表面電荷發(fā)生改變,這種不同致使它們抑制草酸鈣晶體聚合能力的差異。尤其是在多發(fā)、復雜泌尿系結石患者排泄的THP,即使存在于正常人可以保持THP單體狀態(tài)的尿液環(huán)境中時也能發(fā)生自身結合,成為鈣鹽晶體聚集的強促進劑,因為當THP分子相互聚合時可以產生較強的粘附力,抵消了鈣鹽晶體之間的靜電排斥作用。Grohe等的研究也得出了相類似的結論[12]。THP的濃度在30～40mg/L范圍內時,可以抑制草酸鈣晶體聚集和成核生長,且抑制作用更強；而結石患者THP減少了草酸鈣晶體形成所需的時間,促進鈣鹽晶體聚集。

2.3THP對草酸鈣晶體的成核及生長的作用腎臟在維持及穩(wěn)定人體內環(huán)境中的最主要的一個功能是對尿液中各種礦物質鹽晶體的代謝與排泄，這一重要過程將保證尿液中不會形成明顯的結石晶體，維持尿液相對不飽和的環(huán)境。相關實驗敲除大鼠THP基因后發(fā)現此類大鼠容產生泌尿系感染和形成泌尿系結石，因此認為作為人尿液中的特異性糖蛋白-THP是防御泌尿系感染及形成泌尿系結石的重要物質[13]。THP在抑制尿液中草酸鈣結晶的主要機制可能是抑制草酸鈣晶體與腎小管上皮細胞的結合與相互作用，研究表明：乙二醇，作為一種廣泛用于誘導大鼠腎結石形成的試劑，它可以導致腎小管細胞損傷[14]，利用乙二醇治療THP基因敲除的大鼠會引起尿液中嚴重的鈣鹽晶體形成，但野生型大鼠尿液中卻沒有明顯的鈣鹽結晶形成，這明確表明THP是鈣晶體形成的有效抑制劑，其主要調節(jié)機制是THP參與調節(jié)腎小管上皮細胞損傷、壞死和凋亡，從而間接地防止鈣鹽晶體的形成。Liu等實驗利用天然存在的突變THP基因與家族性幼年高尿酸血癥腎病和2型腎囊性疾病的基因進行組合[15]。這種突變使得THP被錯誤地折疊與運輸到腎小管上皮細胞的內腔表面，所得的尿液中的THP含量明顯低于正常尿液中的THP水平。Niyaz,M的實驗結果提示在所報道的結石患者及其家族中，腎臟結石疾病中并沒有描述THP相同的特征[16]。這可能是因為患者數量的限制以及其它尚未發(fā)現的形成結石的危險因素導致，也有可能是THP基因消融和基因突變對腎臟生理生化產生不同的生物學后果，從而呈現不同表型。但是這些都需要進一步的調查與證實[17]。目前對THP在草酸鈣晶體成核及聚集實驗中有不同的實驗結果甚至相反的結果，但多數研究均證實THP為草酸鈣晶體成核及聚集的弱抑制劑，但在偏堿性，離子濃度較低的尿液環(huán)境中，THP充當草酸鈣晶體聚集的強力抑制劑，反之，則促進草酸鈣晶體的形成[18]。

2.4THP結構的差異對鈣鹽晶體成核及聚集的影響Huang發(fā)現[19]，正常人尿液中THP在體外實驗中不影響誘導草酸鈣晶體成核的時間，而泌尿系結石患者尿液中的THP卻明顯減少草酸鈣晶體聚集成核的時間。簡而言之，正常人尿液中THP可以抑制草酸鈣晶體，而泌尿系結石患者尿液中的THP可以促進晶體的聚集和成核。這可能是正常人的THP分子中的極性基團和水分子或者其他分子結合后產生較強的結合力，使整個分子的剛性增強，減少尿液中晶體的黏附；而結石患者THP分子的這些基團與水分子或者其他分子結合能力較弱，剛性變差，增強了與尿液中晶體的黏附。這種分子結構的差異可以影響他們與尿液中微晶體的聚合能力，進而影響著結石的形成。李偉等的實驗研究采用傅立葉變換紅外光譜的分析結果表明兩種分子的相同糖基的峰位上的光譜不完全相同[20]。這種糖基構性不同，可以使THP的理化性質發(fā)生改變。這些質上的差異，可能是影響結石形成的關鍵。隨著泌尿系結石患者尿液中THP濃度的升高，其促進鈣鹽金海洋成核和聚集作用能力下降，這表明結石患者尿液中的THP容易自我聚集。以上實驗研究表明正常人尿液中的THP可以抑制草酸鈣晶體的成核及聚集，而泌尿系結石患者尿液中的THP則能促進草酸鈣晶體的成核與聚集。

3結 論

THP分組中的不同基團，甚至其處于不同的尿液環(huán)境中以及不同的聚合轉態(tài)，均會對泌尿系結石中鈣鹽晶體的成核與生長產生抑制或者促進的作用。盡管THP在泌尿系結石形成中的具體作用與機制仍存在分歧，但是增加尿液中草酸、鈣鹽等的排泄是預防泌尿系結石復發(fā)的重要措施。通過不斷的深入研究，終將會研究透徹THP在泌尿系結石形成過程中所起的作用，也會研究清楚泌尿系結石的具體成因與生長過程。這些將對我們泌尿外科治療泌尿系結石產生深遠的影響。