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，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。
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。
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。
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。
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。
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。
注：原文有删减
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（学术经纬）
