Study on the mechanism of stone formation in the urinary tract

의학과/박사[한글] 기원전 5,000년 경의 에짚트 미이라에서 방광결석이 발견됨으로써 (Shattock, 1905) 요로결석은 인류의 기원과 함께 긴 역사를 가지고 있음을 알 수 있다. 미국의 통계에 의하면 요로결석증으로 입원하는 빈도는 매년 미국 인구 1,000명당 1명정도이며 (Boyce 등, 1956), 25,000례의 부검례 중 신결석의 빈도는 1.12%이다(Bell, 1950). 한국에서도 종합병원에 입원하는 요로결석환자는 매년 전체 비뇨기과 환자 중 25∼35% 정도로 비뇨생식기질환 중 가장 많은 빈도를 보여주고 있다(서등, 1962; 이등, 1963; 최, 1972). 본증의 원인과 치료법 및 예방책에 대한 계속적인 연구에도 불구하고 그 빈도는 감소하고 있지 않은 실정이다. 이와 같이 요로결석증의 빈도가 감소되지 않은 이유로는 우선 확실한 원인기전이 규명되지 못하고 있다는 점을 들 수 있으며 다음으로 재발이 용이하게 된다는 사실을 지적할 수 있다. 요로결석형성의 원인요소는 현재까지 많이 알려져 있으며 이들중 중요한 것을 열거하면 요정체, 요로감염, 부갑상선이나 통풍 또는 씨스틴뇨등의 대사장애와 그밖에도 기후, 수분섭취량 흑은 음식의 종류 등과 같은 환경조건 등이다. 그러나 이러한 요인들은 요로결석형성을 유도하거나 촉진시키는데 이차적으로 관여할 뿐이지 기본적인 형성기전에 직접적인 작용을 하는 것은 아니다. 최근까지의 문헌을 고찰하여 보면 요로결석형성의 기본적인 기전은 3가지 설, 즉 결정침전설 (Vermeulen 및 Lyon, 1968), 결정형성억압물질결핍설 (Howard 등, 1967) 및 기질형성설 (Boyce, 1968)로 요약할 수 있다. 기질형성설은 대부분의 요로결석은 결석내에 기질(matrix)이 존재하는데 착안하여 이를 화학적으로 분석한 바 그 성분의 60%가 단백질임을 증명하고 요중의 특수한 단백질이 initial nucleus를 형성하여 결석을 유발한다고 설명하는 것이다. 연구자는 과거 4년간 세브란스병원 비뇨기과에 입원하였던 요로결석환자 422명을 대상으로 요로감염상태를 검토한 바 의의있는 결과를 얻었으며 이를 토대로 요로감염과 요중단백질의 성상을 규명코저 요로결석내의 감염여부, 정상 및 결석환자의 요중단백질분리 연구에 착수하였다. 요로결석환자의 감염상태를 검토하기 위하여 1970년 1월부터 1973년 12월까지 4년간 세브란스병원 비뇨기과에 입원하였던 422명의 요로결석환자를 대상으로 하여 단발성 및 재발성결석환자와 다발성결석 및 녹각석환자에서의 감염간의 차이를 분석 검토하였으며,1974년 3월부터 동년 12월까지 본 병원에 입원하였던 요로결석환자 중 수술적으로 제거하였던 54례의 결석을 무균적으로 채취하고 결석의 표면을 멸균생리식염수로 반복세척한 다음 분말로 만들어 세균분리를 하였다. 요중단백질분리 실험은 1973년 10월부터 1974년 12월까지 본 병원에 입원하였던 결석환자 중 양측성 신 흑은 요관결석 또는 다발성 및 재발성 결석환자 10례와 정상성인 5례의 혈청 및 24시간뇨를 채취하고 이를 cellophane투석막에 넣어 48시간 증류수에서 투석한 다음 20% polyethylene glycol 6000 용액내에서 48∼72시간 농축시켰다. 이렇게 하여 요를 100∼150배 정도로 농축시킬 수 있었으며 이중면역확산법을 시행하기 위하여 만든 결석부유액을 영하 20℃에서 냉동보관하였다가 혈청은 0.01㎖, 요와 결석부유액은 0.2㎖를 사용하여 원반전기영동법 (Ornstein, 1964)을 시행하였다. 등전집초법 (Kim및 White,1971)에는 정상인과 환자뇨 각 1.O㎖를 이용하였다. 정상인과 요로결석환자의 요중항원물질과 결석의 항원물질을 비교하기 위하여 Ouchterlony방법 (1958)에 의한 한천이중면역확산법을 시행하였으며 이때 사용한 결석의 항원용액은 결석 1.0gm당 1.0㎖의 멸균생리식염수를 가하여 pestle and mortar내에서 잘 분쇄한 다음 3,000rpm에서 30분간 원심분리하여 얻은 상층액 (결석부유액)으로 하였다. 이상의 실험결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 422명의 요로결석환자 중 요중균검출율은 8.3%(35례)였으며 그중 농뇨가 없었던 248례 중에서 1.2%, 농뇨가 있었던 174례 중 7.1%였다. 35례의 균배양 양성례 중 녹농균이 10례로서 가장 많았으며 다음으로 대장균(9례), Aerobacter(5례) 그리고 Proteus, 포도상구균 및 연쇄상구균(각각 3례)의 순이었다. 농뇨나 균검출율은 단발성보다 재발성결석석환자나 다발성결석 및 녹각석환자에서 훨씬 높았으며 단발성인 경우에는 대장균이, 재발성이나 다발성결석 또는 녹각석환자에서는 녹농균이나 Aerobacter 및 Proteus의 감염이 많았다. 2. 무균적으로 결석을 채취하여 분쇄한 다음 결석내에서 세균분리한 54례 중 7례에서 균배양 양성이었으며 이중 재발성결석에서 4례가 양성이었다. 3. 원반전기영동법에 의한 정상뇨, 결석환자뇨 및 결석부유액의 단백분리실험결과 각각 4∼7개, 7∼10개, 10∼13개의 단백분획대가 나타나며 환자뇨와 결석부유액의 분획대 중 alpha-1 globulin부위의 것이 정상뇨에서 보다 수도 약간 많으며 염색도도 농후하였다. 등전집초법에 의한 정상뇨와 결석환자뇨의 단백분리 결과는 각각 20개 및 28개의 분획대가 관찰되었으며 대개 등전점이 낮은 부위에서 더 많았다. 4. 정상인자 결석환자의 요 및 결석부유액으로 Ouchterlony방법에 의한 이중면역확산법을 시행한 결과 각각 2가지의 항원성이 있음이 발견되었으며 하나는 albumin으로 요중에 있는 것과 동일한 것이며 다른 하나는 gamma globulin임을 나타내었다. 이상의 결과로 미루어 보아 요단백 중 적어도 alpha-1 globulin부위의 특수한 단백질이 결석형성의 초기단계에 요중결정양물질의 침전에 선행되어 관여하는 것으로 생각된다. [영문] Stones occurred in antiquity as reflected in the junction of Hippocrates and the direct testimony of archeologic discoveries in Egypt and North America. In the United States, it has been reported that approximately one in every 1,000 population required hospitalization annually due to kidney stones, and a survey with 25,000 autopsies showed that the prevalence rate of kidney stones was 1.12 percent. In Korea, various clinical reports disclosed that 25∼35 percent of total in-patients in the urology ward of general hospital were admitted by urolithiasis and it was found to be the most common disease of genitourinary tract among hospitalized patients. Even though extensive studies have been carried out on the pathogenesis, treatment and prevention of urinary stones, the incidence is not decreasing. Urinary stones have been known to be associated with many factors such as obstruction and/or stasis, infection, hyperthyroidism, gout and cystinuria. Environmental factors, like soil, climate and amount of water intake, have also proven to be associated with the formation of urinary stones. So far, three possible primary mechanisms of the urolithiasia have been hypothesized, i.e., crystallization-precipitation, inhibitor peptide and matrix theories. The present study was undertaken clinically to observe the relationship between the stone and infection in 422 patients with urinary stones who were admitted to the urologic ward, Yonsei University Medical Center from 1970 to 1973. In addition to the clinical study, 54 urinary stone samples were analysed bacteriologically using the Nemoy and Stamey's method. Another aim of this study was to elucidate the role of protein in the formation of urinary stones. The protein obtained from the urine of normal adults as well as patients with atones, and from stone suspension was fractionated. To separate the protein components, the urine collected from 10 patients with multiple or recurrent atones and from 5 normal healthy adults was concentrated with 20% polyethylene glycol 6,000 after dialyzing against distilled water. The stone suspension was prepared by centrifugation (3,000rpm, 30 minutes) of ground-satire mixture (1.0gm of stone in 1.0㎖ of sterile normal saline). The protein fractionation was done by disc electrophoresis and by isoelectric focusing. For comparision of antigenic substance, double agar gel immunodiffusion was performed. The results are summarized as follows : 1. Of 422 cases with urinary stones, 35(8.3%) showed urine culture positive with Pseudomonas(10 cases), the most common, and E. coli(9 cases), Aerobacter(5 cases), Proteus(3 cases) and Staphylococci(3 cases). The rate of urine culture positive with Pseudomonas was particularly high in patients with multiple, recurrent or staghorn stones. 2. Bacteriological study of 54 urinary stones showed culture positive in 7 cases. Out of these 7 cases, 4 of them were from patients with recurrent attack stones. 3. In disc electrophoresis, urine protein was separated into 4∼7, 7∼10 and 10∼13 bands in normal adults, stone patients and stone suspension, respectively. Compared to normal urine protein, the proteins from stone patient's urine and stone suspension were stained more deeply, particularly in alpha-1 globulin area. Isoelectric focusing revealed 20 fractions of protein from the normal adults and 28 from the stone patient's urine. 4. By double agar gel immunodiffusion, two antigenic substances were seen in all three groups. normal, stone patient's urine and stone suspension. One was albumin, and the other was gamma globulin. In conclusion it is suggested that a certain specific fraction of alpha-1 globulin in urine protein may be associated with the formation of the initial nucleus of the stone in the renal tubule.restrictio