La lithogenèse

06 décembre 2008

Mots clés : Calcul, Cristallisation, Spectrophotométrie, Cristal, Diagnostique, Oxalate, Calcium
Auteurs : M. Daudon, O. Traxer, E. Lechevallier, C. Saussine
Référence : Prog Urol, 2008, 18, 12, 815-827

Le terme de lithogenèse regroupe l’ensemble des processus qui conduisent au développement d’un calcul dans les voies urinaires. Le calcul est une agglomération de cristaux liés par une matrice organique. La lithogenèse comporte plusieurs phases qui s’expriment successivement ou simultanément. Certaines étapes, qui concernent les premières étapes de la lithogenèse et que l’on peut désigner sous le terme de cristallogenèse, correspondent à la formation de cristaux à partir de substances initialement dissoutes dans les urines et ne constituent pas en soi un processus pathologique. La pathologie lithiasique proprement dite se définit généralement par la rétention et la croissance des cristaux et agrégats cristallins. Connaître les grandes étapes de la lithogenèse, c’est mieux comprendre les facteurs qui conduisent à la formation des calculs chez un patient donné afin de leur opposer des mesures préventives, diététiques ou thérapeutiques adaptées et donc plus efficaces. Des progrès considérables ont été réalisés au cours des 30 dernières années dans la compréhension des mécanismes de formation des calculs. Certains processus lithogènes restent encore imparfaitement élucidés, comme la formation des plaques de Randall. Le but de cet article a été de faire le point sur les connaissances actuelles sur la lithogenèse urinaire.

Introduction

Le terme de lithogenèse regroupe l’ensemble des processus qui conduisent au développement d’un calcul dans les voies urinaires. Le calcul est une agglomération de cristaux liés par une matrice organique [1,2]. La lithogenèse comporte plusieurs phases qui s’expriment successivement ou simultanément. Certaines étapes, qui concernent les premières étapes de la lithogenèse et que l’on peut désigner sous le terme de cristallogenèse, correspondent à la formation de cristaux à partir de substances initialement dissoutes dans les urines et ne constituent pas en soi un processus pathologique. Il est en effet bien connu que la cristallisation s’observe dans de nombreuses urines normales , traduisant l’état de sursaturation de celles-ci vis-à-vis de plusieurs solutés urinaires comme l’oxalate de calcium, l’acide urique ou le phosphate de calcium. La pathologie lithiasique proprement dite se définit généralement par la rétention et la croissance des cristaux et agrégats cristallins à un niveau quelconque de l’appareil urinaire pour différentes raisons : adhésion à l’épithélium, piégeage dans une matrice protéique, sténose d’une portion de l’arbre urinaire empêchant l’évacuation des particules cristallines, stase locale, diverticules, obstacles à l’évacuation des urines, etc. Toutefois, il existe des pathologies lithiasiques révélées par la simple nature des cristaux . C’est le cas, par exemple des infections des voies urinaires, par des micro-organismes uréasiques, révélées ou attestées par la présence de la struvite, espèce cristalline absente des urines normales. C’est également le cas de la cystinurie congénitale, attestée par la présence de cristaux de cystine, qui révèlent une fuite rénale, d’origine génétique, des acides aminés dibasiques. De même, les cristaux de 2,8-dihydroxyadénine témoignent d’un déficit en adénine phosphoribosyltransférase, maladie héréditaire à transmission autosomique récessive qui affecte le métabolisme des purines . Dans ces diverses situations pathologiques, la composition permanente très particulière de l’urine entraîne une cristallisation fréquente, voire permanente, exposant à un risque accru d’agrégation, d’agglomération et de rétention des cristaux, qui aboutit finalement à un processus lithiasique. En dehors de ces cas particuliers, qui concernent 5 à 10 % des patients lithiasiques adultes, mais beaucoup plus chez l’enfant (30–40 %), la lithogenèse se traduit par une cascade d’événements parfois très espacés dans le temps, parfois au contraire très rapprochés, et souvent d’expression intermittente, ce qui peut rendre difficile la compréhension des processus lithiasiques observés.
Dans tous les cas cependant, la première étape nécessaire à ces processus lithiasiques est la formation de cristaux urinaires à partir des substances qui sont en concentration excessive dans l’urine à cause d’un défaut de diurèse, d’un excès d’apports (alimentation, médicaments), d’un excès de production par le métabolisme endogène (hyperoxalurie primaire) ou encore d’un excès d’excrétion urinaire (cystinurie). La sursaturation peut aussi résulter d’une anomalie du cycle de pH urinaire qui entraîne une diminution de la solubilité de la substance présente en concentration normale dans l’urine. C’est notamment le cas de l’acide urique, des phosphates calciques et des urates.

Les étapes de la lithogenèse

Le processus de la lithogenèse peut être décomposé en sept étapes qui se succèdent ou s’entremêlent au cours de la formation d’un calcul. Ces étapes sont les suivantes :
  • la sursaturation des urines ;
  • la germination cristalline ;
  • la croissance des cristaux ;
  • l’agrégation des cristaux ;
  • l’agglomération cristalline ;
  • la rétention des particules cristallisées ;
  • la croissance du calcul.

Sursaturation urinaire

La sursaturation traduit un excès de concentration d’une substance dissoute dans l’urine par rapport aux capacités solvantes de celle-ci. Dans des conditions physicochimiques définies (température, pression, pH…), une substance peut être dissoute dans un solvant, en l’occurrence l’eau, jusqu’à une certaine concentration qui représente le produit de solubilité de cette substance dans le solvant. Dans les urines où pression et température peuvent être considérées comme constantes, le pH est le principal modificateur de la solubilité des substances qui y sont sensibles. Le produit de solubilité est une caractéristique physique de la substance considérée. Lorsque la concentration de la substance égale son produit de solubilité, on dit que la solution est saturée vis-à-vis de cette substance. Lorsque la concentration de la substance excède son produit de solubilité, la solution est sursaturée vis-à-vis de cette substance et des cristaux de celle-ci peuvent en principe se former . Cependant, si l’excès de concentration par rapport au produit de solubilité est modéré, la cinétique de cristallisation est très lente, ce qui n’entraîne aucun risque de formation des cristaux dans les voies urinaires. Par ailleurs, l’urine est un milieu complexe de composition très fluctuante qui contient des molécules ou des ions (électrolytes, acides organiques, macromolécules…) susceptibles d’interagir avec les composantes de la substance cristallisable. À cause de cela, le risque de faire des cristaux ne devient réel que pour des niveaux de sursaturation élevés compris entre 2 et 20 selon la substance et son environnement. Cela peut être illustré par la fréquence de cristallisation observée dans les urines humaines en fonction de la sursaturation déterminée à l’aide du programme EQUIL 2 pour l’oxalate de calcium et pour le phosphate de calcium (Fig. 1 et 2). La montre que la proportion des urines qui contiennent des cristaux d’oxalate de calcium est très faible (3,5 %) pour des sursaturations inférieures à 2 et qu’elle augmente graduellement lorsque la sursaturation s’élève pour atteindre plus de 90 % lorsque la sursaturation dépasse 20. Ainsi, au-delà d’un certain niveau de sursaturation, la plupart des urines, sinon toutes, contiennent des cristaux d’oxalate de calcium. Pour des sursaturations moyennes, par exemple entre 7 et 8, environ 85 % des urines sont encore exemptes de cristaux, démontrant leur aptitude, en raison de leur composition en substances minérales et organiques ionisées ou non, et aussi en macromolécules (non prises en compte par EQUIL 2), à retarder très longtemps la cristallisation. Dans le cas des phosphates calciques, l’évolution est globalement comparable à celle observée pour l’oxalate de calcium, mais la proportion des urines contenant des cristaux semble supérieure pour une sursaturation donnée. En effet, plus des deux tiers des urines présentent des cristaux de phosphates calciques lorsque la sursaturation en brushite (utilisée comme référence pour ce type de minéraux) dépasse 10. En revanche, très peu d’urines ont une sursaturation supérieure à 10 (0,2 %) contrairement à ce que l’on observe pour l’oxalate de calcium ().
Figure 1 : Fréquence de la cristallurie d’oxalate de calcium en fonction de la sursaturation oxalocalcique.
Figure 2 : Fréquence de la cristallurie de phosphate de calcium en fonction de la sursaturation phosphocalcique.
Figure 3 : Distribution des urines du réveil en fonction de la sursaturation oxalocalcique.

Germination cristalline

Le niveau de sursaturation à partir duquel les cristaux se forment rapidement, c’est-à-dire pendant le temps de transit de l’urine au travers du rein, définit un seuil de risque désigné sous le terme de produit de formation. À partir de ce seuil peuvent se manifester toutes les conséquences de la cristallisation, y compris la rétention cristalline, donc la lithogenèse. Le produit de formation dépend de la composition de l’urine et varie d’un individu à l’autre et, dans de moindres proportions, chez un même individu, d’un prélèvement à l’autre. Ce seuil est propre à chaque substance cristalline. Il diffère donc pour les oxalates de calcium, les phosphates de calcium, les acides uriques ou les urates. Pour une urine donnée, on peut déterminer le produit de formation in vitro. Cette méthode a été appliquée à l’oxalate de calcium. Elle consiste essentiellement à ajouter à l’urine des cristaux d’oxalate de calcium ou des concentrations croissantes d’une solution d’oxalate. Le concentration product ratio (CPR), proposé par Pak et al. ou Weber et al. [7,8], et le Bonn Risk Index (BRI), élaboré par Laube et al. , répondent à cet objectif. Une autre manière d’approcher le produit de formation pour toutes les espèces cristallines, s’il y a lieu, consiste à pratiquer une étude de cristallurie sur plusieurs urines du réveil, à noter la présence éventuelle de cristaux et à déterminer la sursaturation à partir de la composition de l’urine. Moins rapide que la mesure du CPR ou du BRI, mais sans doute plus pertinente à l’échelle individuelle, cette méthode tient mieux compte de la variabilité de la composition urinaire d’un jour à l’autre chez un sujet donné. Elle permet ensuite d’adapter au patient, de manière individualisée, les mesures prophylactiques destinées à prévenir les récidives de calculs.

Nucléation homogène et nucléation hétérogène

Lorsque le produit de formation d’une espèce est atteint, des germes cristallins de cette espèce se forment à partir des ions de la substance en solution dans l’urine. Dans ce cas, la cristallurie se compose uniquement de l’espèce considérée. On parle alors de germination cristalline par un processus de nucléation homogène. En fait, la réalité biologique est souvent différente parce que les urines humaines sont fréquemment sursaturées simultanément vis-à-vis de plusieurs substances cristallisables, par exemple oxalate de calcium et phosphate de calcium, oxalate de calcium et acide urique ou encore oxalate de calcium et urate de sodium. C’est particulièrement le cas chez les patients lithiasiques. Dans ce cas, si le produit de formation de l’une des substances est atteint, entraînant sa cristallisation dans l’urine, la présence de ces cristaux peut induire la cristallisation d’une seconde espèce pour laquelle le produit de formation n’est pas encore atteint en raison d’une moindre sursaturation. On parle alors de cristallisation par nucléation hétérogène. Ce phénomène, qui entraîne la présence simultanée d’au moins deux espèces cristallines dans l’urine, est très courant puisque près de 40 % des urines contenant des cristaux ont une cristallurie spontanément mixte . Ce mécanisme est responsable de la majorité des pathologies lithiasiques observées aujourd’hui, pour lesquelles des facteurs métaboliques, mais aussi des facteurs diététiques et des prédispositions génétiques sont souvent impliqués. Bien entendu, l’une des conséquences de la nucléation hétérogène est la formation de calculs de composition mixte. Il faut se rappeler qu’environ 90 % des calculs sont mixtes et que les associations entre oxalate de calcium et phosphate de calcium représentent plus de deux tiers des cas.

Promoteurs et inhibiteurs

Les ions qui participent à la formation des espèces insolubles sont appelés promoteurs de la cristallisation. Au nombre d’une dizaine, ils s’associent très souvent par deux ou par trois pour former une substance cristallisable qui, elle-même, peut se présenter sous plusieurs espèces cristallines (). Ces dernières se forment dans des environnements biologiques différents dont elles témoignent, d’où l’intérêt de les prendre en considération pour identifier les facteurs étiologiques d’une maladie lithiasique. Dans le cas de l’oxalate de calcium, la whewellite (oxalate de calcium monohydraté) est avant tout oxalate-dépendante, donc le marqueur d’états hyperoxaluriques, alors que la weddellite (oxalate de calcium dihydraté) est plutôt calcium-dépendante et observée préférentiellement dans des contextes hypercalciuriques [11,12]. En ce qui concerne les phosphates calciques, des distinctions méritent d’être faites selon la nature de l’espèce cristalline identifiée. Ainsi, la brushite est, comme la weddellite, une forme cristalline calcium-dépendante, contrairement à la whitlockite que l’on rencontre plutôt dans des contextes infectieux .
Figure 4 : Promoteurs, substances cristallisables et espèces cristallines.
Pour s’opposer aux effets des promoteurs, différentes substances de l’urine, également ionisées, sont capables de former des espèces chimiques solubles qui vont réduire le risque de cristallisation ou vont se fixer à la surface des germes cristallins pour les empêcher de grossir ou de s’agréger. Certaines molécules possèdent parfois plusieurs de ces propriétés. Les substances à même de réduire le risque de cristallisation, notamment en élevant le produit de formation, sont essentiellement des complexants. À cette catégorie appartient notamment le citrate qui forme des complexes solubles avec le calcium et soustrait ainsi celui-ci aux ions oxalates ou phosphates. Le citrate est aussi capable de perturber la croissance et l’agrégation cristallines, mais ses propriétés sont essentiellement l’apanage des macromolécules, dont plusieurs exercent un effet anti-lithiasique en réduisant la croissance des cristaux et/ou leur agrégation et/ou leur adhésion à l’épithélium. Toutes ces substances, complexantes ou s’opposant à l’évolution des germes cristallins formés, sont désignées sous le terme d’inhibiteurs de la cristallisation. On peut les subdiviser en deux groupes : d’une part, les ions de faible poids moléculaire et, d’autre part, les macromolécules, qu’elles soient de nature protéique ou polysaccharidique [10,14]. Les principaux inhibiteurs urinaires connus à ce jour sont indiqués dans le .
Tableau 1 : Inhibiteurs de la cristallisation.
Inhibiteurs de faible poids moléculaire Cible Inhibiteurs macromoléculaires Cible
Cations   Protéines  
Zn2+ OxCa Protéine de Tamm-Horsfall OxCa
Fe3+ OxCa Néphrocalcine OxCa
Mg2+ OxCa Uropontine OxCa, PCa
Anions   Bikunine OxCa
Citrate OxCa, PCa Fragment 1 de la prothrombine OxCa
Isocitrate OxCa, PCa Fibronectine OxCa
Phosphocitrate OxCa, PCa Calprotectine OxCa
Pyrophosphate OxCa, PCa Lithostathine CaCO3
Aspartate OxCa Glycosaminoglycanes  
Glutamate OxCa Sulfate de chondroïtine OxCa, acide urique, urates
Hippurate OxCa Sulfate d’héparane OxCa
Cofacteurs d’inhibition   Sulfate de kératane OxCa
Variabilité du pH Acide urique, urates, PCa, struvite Sulfate de dermatane OxCa
Force ionique Tous cristaux Acide hyaluronique OxCa, PCa
OxCa : oxalate de calcium ; PCa : phosphate de calcium ; CaCO3 : carbonate de calcium.
Il semble acquis aujourd’hui que l’inhibiteur de faible poids moléculaire le plus important des urines est le citrate. En effet, il possède la propriété d’être le plus abondant des anions inhibiteurs urinaires, d’être un complexant fort du calcium et de réduire efficacement la sursaturation et la cristallisation des sels calciques, aussi bien de l’oxalate que du phosphate de calcium. De plus, le citrate contribue, par fixation à la surface des cristaux, à réduire croissance et agrégation cristallines [5,15]. Cependant, comme nous le verrons ultérieurement, les propriétés inhibitrices du citrate ne s’expriment pleinement que sous certaines conditions.
Les inhibiteurs macromoléculaires sont des polysaccharides ou bien des protéines porteuses, pour beaucoup d’entre elles, de fractions glucidiques. De nombreuses molécules ont été identifiées à ce jour, mais il est probable que les inhibiteurs macromoléculaires de l’urine ne sont pas encore tous connus. Parmi ceux qui ont été caractérisés à ce jour, certains proviennent du catabolisme de molécules actives dans l’organisme et partiellement éliminées ensuite dans les urines par filtration glomérulaire. D’autres sont produites localement par les cellules rénales. La concentration urinaire de ces inhibiteurs est souvent très faible. Ils agissent par adsorption à la surface des cristaux grâce à leurs nombreuses charges anioniques liées à la présence de groupements acides (COO2−, SO42−, PO43−). Leur fixation sur les cristallites entraîne une altération des phénomènes d’attraction électrique entre les atomes situés à la surface du cristal et les ions présents dans la solution et par suite une inhibition de la croissance et de l’agrégation cristalline. Les cristaux peuvent ainsi s’évacuer plus facilement dans l’urine. La capacité inhibitrice d’une macromolécule dépend de son affinité pour les sites de croissance situés sur les différentes faces du cristal. Elle peut être évaluée par la mesure du potentiel zêta, paramètre proposé par différents auteurs pour hiérarchiser l’activité inhibitrice des macromolécules urinaires [16–18]. Contrairement au phénomène de complexation, qui représente l’un des principaux modes d’action des inhibiteurs de faible poids moléculaire tels que le citrate ou le magnésium, le processus d’inhibition consistant à bloquer les sites de croissance du cristal requiert de très faibles concentrations en inhibiteurs, de l’ordre de 10−6 à 10−7M. En effet, le recouvrement d’environ 1 % de la surface cristalline par l’inhibiteur est suffisant. Certains inhibiteurs macromoléculaires contribuent aussi à empêcher l’adhésion des cristaux à la surface des cellules et s’opposent ainsi efficacement à la rétention des particules à l’intérieur des néphrons.
Lorsqu’on considère les concentrations nécessaires à la formation des cristaux en milieu aqueux et dans l’urine, on se rend compte que cette dernière, par sa composition électrolytique complexe, mais aussi par la présence de ses inhibiteurs, est capable de réduire considérablement le risque de cristallisation des espèces peu solubles. À titre d’exemple, le produit de solubilité de l’oxalate de calcium monohydraté dans l’eau est de l’ordre de 3×10−9mol2/L2 alors que dans l’urine, le risque de former des cristaux d’oxalate de calcium ne devient significatif que pour des produits molaires oxalocalciques supérieurs à 10−6mol2/L2. Cet écart de concentration considérable entre le risque de cristalliser dans l’eau et dans l’urine illustre le pouvoir solvant et inhibiteur des urines humaines, y compris chez les patients lithiasiques, même si ces derniers semblent légèrement moins protégés que les autres contre le risque de cristallisation et ses conséquences lithogènes. En fait, les interactions entre inhibiteurs et promoteurs sont largement dépendantes des concentrations relatives des uns et des autres, tout particulièrement en ce qui concerne les cations et les anions de faible poids moléculaire. Lorsqu’on étudie les relations entre cristaux et composition ionique des urines, le rôle prépondérant des promoteurs apparaît clairement, de même que les altérations de l’effet des inhibiteurs résultant d’un déséquilibre urinaire en rapport avec une concentration élevée en promoteurs. Le comportement du citrate est particulièrement démonstratif à cet égard et il est particulièrement intéressant d’examiner les effets du citrate sur la cristallisation spontanée de l’oxalate de calcium en fonction du produit molaire oxalocalcique pCaOx. En effet, comme le montre la , pour des valeurs moyennes du produit pCaOx, par exemple comprises entre 1 et 2mmol2/L2, l’augmentation de la concentration en citrate réduit de façon significative le nombre des cristaux, le nombre d’agrégats et la taille maximale des agrégats. Dans les mêmes domaines de produit molaire oxalocalcique et pour des produits molaires supérieurs, on observe une réduction significative de la fréquence de cristallurie lorsque la citraturie s’élève. Quand le produit pCaOx augmente, l’efficacité du citrate diminue. Cela se traduit d’abord par une réduction de ses capacités inhibitrices vis-à-vis des caractéristiques de la cristallisation oxalocalcique () puis vis-à-vis de la fréquence même de la cristallurie (). Or, comme nous l’avons montré sur une série de patients lithiasiques oxalocalciques suivis pendant plusieurs années, une fréquence de cristallurie élevée (≥ 50 % des échantillons d’urines du réveil examinés chez un patient) s’accompagne d’un risque très élevé de récidive clinique des calculs (KI 2005).
Figure 5 : Cristallurie oxalo-calcique et citraturie.
Figure 6 : Cristallurie de weddelite et citraturie.
Figure 7 : Influence du produit oxalocalcique et de la citraturie sur la fréquence de cristallurie oxalocalcique et le risque potentiel de récidive.

Croissance cristalline

Les cristaux engendrés par une sursaturation élevée des urines sont initialement très petits (< 100nm) et ne constituent donc pas une menace de lithiase. Ils vont ensuite grossir plus ou moins rapidement par captation de nouvelles molécules de la substance sursaturée présentes dans l’urine et former des particules plus grosses, comprises, selon les espèces cristallines et la composition urinaire, entre 1 et 100 μm. Cette croissance nécessite du temps et celui-ci est souvent supérieur à celui du transit de l’urine au travers du néphron, ce qui fait que le risque de rétention cristalline intrarénale par la taille des cristaux est très faible. En revanche, les urines peuvent rester de nombreuses heures dans la vessie. Pendant cette période, de temps, la croissance des cristaux peut y générer la formation de particules parfois assez grosses comme les cristaux d’acide urique dihydraté qui pourront s’agréger et engendrer un processus lithiasique. Un exemple assez représentatif de ce phénomène est la lithiase urique de l’homme âgé qui présente une hypertrophie de la prostate. À cause de celle-ci et de la stase vésicale des urines qu’elle entraîne (vidange vésicale incomplète), des cristaux d’acide urique, formés dans une urine souvent acide en raison d’une résistance à l’insuline, vont croître et s’agréger localement, conduisant au développement de calculs intravésicaux.

Agrégation des cristaux

Contrairement à la croissance, l’agrégation cristalline, qui met en jeu des phénomènes d’attraction électrostatique en fonction de la charge superficielle des cristaux, est un processus rapide. Elle peut, de ce fait, engendrer des particules volumineuses (plusieurs dizaines ou, plus rarement, plusieurs centaines de microns) dans un délai très court, inférieur au temps de transit de l’urine à travers le rein. À cause de leur taille, mais aussi de leur forme très irrégulière et de la présence de nombreuses aspérités (cristaux anguleux), les agrégats ainsi formés sont susceptibles d’être retenus dans les segments terminaux des néphrons, sur l’épithélium papillaire ou dans les cavités excrétrices du rein. L’agrégation cristalline est considérée aujourd’hui comme une étape importante de la lithogenèse et plusieurs travaux ont montré que les urines de sujets lithiasiques avaient une moindre aptitude à réduire l’agrégation des cristaux que les urines de sujets normaux . Parfois, l’accumulation de cristaux plus petits en amont d’un agrégat retenu dans le tube collecteur en raison de sa grande taille peut entraîner une obstruction du tube et la formation d’un véritable « bouchon cristallin » qui peut, lui aussi, être le point de départ d’un processus lithiasique. Un exemple de ce type de lithogenèse est illustré par la où l’on voit un calcul de whewellite formé à partir d’un moule tubulaire composé d’un mélange de gros cristaux agrégés d’urate de sodium monohydraté et de très petits mais nombreux cristaux de carbapatite piégés par l’agrégat d’urate de sodium. L’urate de sodium, qui cristallise souvent en longues aiguilles facilement agrégées, a été retenu dans le tube collecteur et a déclenché le processus lithiasique en facilitant l’accumulation secondaire des petits cristaux sphériques de carbapatite qui, agglomérés autour de l’agrégat, ont constitué l’essentiel du moule tubulaire.
Figure 8 : Calcul papillaire de whewellite formé à partir d’un moule tubulaire de carbapatite et d’urate de sodium.

Agglomération cristalline

L’agglomération des cristaux implique des macromolécules urinaires qui, par leurs nombreuses charges négatives, peuvent se fixer à la surface des cristaux et favoriser secondairement la fixation de nouveaux cristaux sur les premiers en les organisant les uns par rapport aux autres, contribuant ainsi à l’architecture du calcul. Il s’agit d’un aspect fondamental des processus lithiasiques s’exprimant aussi bien au niveau des étapes initiales de la lithogenèse, qui aboutissent à la rétention de particules dans les voies urinaires, que dans les phases ultérieures de croissance du calcul initié. Les macromolécules impliquées dans ces processus sont essentiellement des protéines. Certaines sont souvent impliquées dans des processus d’inhibition cristalline et semblent donc avoir un rôle ambigu qui s’explique par la variabilité du milieu urinaire. Les interactions entre macromolécules et cristaux sont complexes et dépendent de plusieurs facteurs : pH, force ionique, concentration en inhibiteurs de faible masse molaire comme le citrate, concentration en promoteurs comme le calcium ou en électrolytes, en particulier le sodium, tous facteurs susceptibles de modifier la conformation de ces macromolécules, leur affinité pour les cristaux et leur efficacité à exercer leur action inhibitrice.
On peut illustrer cette complexité par quelques exemples. Le premier concerne la principale protéine urinaire, c’est-à-dire la protéine de Tamm-Horsfall (THP). Cette molécule est synthétisée par les cellules de la branche ascendante de l’anse de Henle et excrétée exclusivement dans l’urine. Particulièrement riche en sucres, qui représentent environ 30 % de sa masse molaire, elle peut se polymériser et former un gel lorsque les conditions urinaires le permettent, telles qu’un pH acide, une concentration élevée en calcium ou une force ionique augmentée. Sous forme de monomère, la THP est un inhibiteur efficace de la croissance et de l’agrégation cristalline de l’oxalate de calcium . En revanche, lorsqu’elle se polymérise, elle perd ses propriétés inhibitrices et semble même capable de promouvoir la cristallisation, du moins dans les expérimentations réalisées in vitro [16,22]. En réalité, sa gélification, lorsqu’elle est polymérisée, lui permet d’exercer des effets mécaniques qui peuvent être assimilés à une autre forme d’inhibition en ralentissant les flux ioniques et donc en réduisant la croissance des cristaux qui, piégés dans le gel, ont plus de difficultés à s’agréger ou à se fixer à l’épithélium. Plus complexes et pas toujours bien étudiées à ce jour sont les interactions entre inhibiteurs, certaines potentialisant leurs effets, d’autres tendant à les réduire. Ainsi, des liaisons entre THP et néphrocalcine, premier inhibiteur macromoléculaire de la cristallisation oxalocalcique historiquement décrit dans les urines humaines [23,24], réduisent l’activité inhibitrice de la THP . À l’inverse, une concentration élevée en citrate, sans doute par une complexation accrue des ions calcium, contribue à limiter la polymérisation de la THP et donc à préserver ses effets inhibiteurs directs .
L’albumine, deuxième protéine des urines, a des effets inhibiteurs moins importants que ceux exercés par la THP, mais elle contribue, avec beaucoup d’autres macromolécules urinaires, à l’activité inhibitrice globale de l’urine. Elle possède une activité inhibitrice vis-à-vis de la croissance cristalline et tend par ailleurs à augmenter la germination cristalline . Les cristaux sont donc plus petits, mais plus nombreux. Ces effets semblent bénéfiques à la fois pour réduire rapidement la sursaturation urinaire en augmentant la germination cristalline et pour évacuer les cristaux facilement en raison de leur taille réduite. Cependant, la présence d’un nombre accru de cristaux expose à d’autres conséquences, défavorables pour les patients, comme l’agrégation, l’agglomération et la rétention cristallines. De ce point de vue, il faut se rappeler que la fréquence de récidive clinique de calculs chez les patients lithiasiques est très significativement augmentée lorsque la fréquence de cristallurie est elle-même élevée . Par ailleurs, la présence constante de petites quantités d’albumine dans les urines et la capacité de celle-ci à se fixer sur les cristaux sont vraisemblablement deux facteurs qui expliquent la présence de cette protéine dans la matrice organique de tous les calculs dont elle compose très souvent une fraction quantitativement importante.
La troisième protéine qui nous paraît essentielle dans le cadre des processus d’agglomération cristalline est l’uropontine. En raison de son affinité pour le calcium, cette protéine se fixe facilement à la surface des cristaux d’oxalate de calcium, mais préférentiellement sur certaines faces, la liaison étant favorisée par la présence de groupements carboxyliques et phosphosérine. L’uropontine peut aussi se lier aux cristaux d’apatite, non seulement dans les urines, mais aussi dans le parenchyme rénal, comme le fait l’ostéopontine au niveau de l’os. De ce fait, l’uropontine exerce des effets contradictoires, protecteurs d’une part, par inhibition de la croissance, de l’agrégation et même de l’adhésion des cristaux à l’épithélium, et des effets aggravateurs, d’autre part, en s’incorporant à la trame des calculs et en contribuant ainsi à leur architecture. Son affinité particulière pour certaines espèces cristallines, notamment la whewellite et la brushite, participe à l’organisation des cristaux au sein des calculs et les rend plus résistants aux techniques de fragmentation extra- ou endocorporelle.

Rétention des particules cristallines

Cette étape peut être considérée comme la première étape du processus lithogène proprement dit, à partir de laquelle des particules cristallines formées au cours des différentes phases de la cristallogenèse vont être retenues dans le rein ou les voies urinaires et vont croître pour former un calcul. Quatre situations différentes peuvent être envisagées :
  • l’adhésion d’un cristal ou d’un agrégat cristallin à la surface de l’épithélium tubulaire, avant son évacuation avec les urines hors du néphron ;
  • la rétention d’un agrégat cristallin du fait de sa taille ou/et de sa forme, à l’intérieur du néphron, notamment dans le tube collecteur ;
  • l’accrochage direct à l’épithélium papillaire ou par l’intermédiaire d’un support minéral préexistant, de cristaux ou d’agrégats formés dans le néphron puis éliminés au niveau des cavités excrétrices par le tube collecteur ou générés dans l’environnement de la papille ;
  • le blocage ou la sédimentation dans un repli muqueux, une cavité déclive (diverticule) ou un calice rénal, des cristaux excrétés par le néphron.

Adhésion des cristaux à l’épithélium tubulaire

Lorsque des cristaux s’accrochent à la membrane apicale des cellules, ils sont internalisés par des vésicules d’endocytose puis soumis à une lyse intracellulaire par les équipements biochimiques et enzymatiques des lysosomes, les composants des cristaux étant alors recyclés dans le métabolisme. Si le processus d’endocytose est un phénomène relativement rapide, nécessitant quelques heures, celui de la dissolution lysosomiale des cristaux est beaucoup plus long . De ce fait, le tube rénal peut corriger les effets potentiellement délétères d’une cristallisation occasionnelle et peu abondante, mais pas ceux d’une cristallisation massive ou fréquente qui peut conduire à une accumulation de particules cristallines dans l’espace intracellulaire et aboutir à un processus d’apoptose.

Rétention cristalline obstructive dans le néphron

Plusieurs pathologies lithiasiques s’expriment de cette façon. La plus fréquente est la maladie de Cacchi-Ricci. On y observe des calculs représentant de véritables moules tubulaires développés au niveau des ectasies puis parfois expulsés, beaucoup de ces calculs pouvant rester coincés dans les segments distaux des néphrons et réaliser l’aspect de pseudo-néphrocalcinose médullaire qui est souvent associé à cette maladie. Une autre pathologie conduisant à la formation de calculs intranéphroniques est l’acidose tubulaire distale d’origine génétique ou acquise (par exemple, syndrome de Gougerot-Sjögren). Elle conduit à une précipitation intratubulaire de phosphate de calcium suffisamment abondante pour entraîner une néphrocalcinose et la formation de calculs de faible diamètre qui, lorsqu’ils s’expulsent spontanément, se présentent typiquement sous une forme plus ou moins cylindrique très évocatrice de leur origine intratubulaire (). Un troisième exemple est celui des insuffisances rénales aiguës d’origine médicamenteuse par cristallisation massive intratubulaire du médicament. De telles cristallisations s’observent de temps en temps avec les aminopénicillines ou la N-acétylsulfadiazine prescrites à forte dose et conduisent à des insuffisances rénales aiguës pouvant s’accompagner de la formation de calculs.
Figure 9 : Calcul phospho-calique d’origine intratubuliare.

Lithogenèse papillaire

En 1936, pour la première fois, l’urologue américain Randall a attiré l’attention sur un mode particulier de lithogenèse à partir de calcifications papillaires initialement développées dans l’interstitium et servant, après effraction à la surface de l’épithélium papillaire, de support à la formation de calculs oxalocalciques . Pendant plusieurs décennies, ces travaux n’ont pas eu beaucoup d’échos et n’ont pas généré de recherches pour comprendre les mécanismes de cette lithogenèse. Récemment, une équipe américaine, animée par Evan et al. et Mattaga et al., a entrepris des études histologiques, physicochimiques et biochimiques pour essayer de comprendre comment se formaient ces calcifications, aujourd’hui désignées sous le nom de plaques de Randall [30–32]. Ils ont montré que les dépôts de carbapatite qui les composent apparaissaient primitivement dans la membrane basale de la partie profonde des anses longues de Henle et qu’elles s’étendaient ensuite à travers l’interstitium de la médullaire profonde jusqu’à l’épithélium papillaire. Pour ces auteurs, qui ont en fait confirmé les hypothèses avancées par Randall 70 ans auparavant, la destruction locale de l’épithélium papillaire aboutit à la mise en contact de la surface de la plaque avec l’urine sursaturée issue des tubes collecteurs voisins, ce qui entraînerait un processus de cristallisation sur la plaque par nucléation hétérogène . Les calculs issus de ce processus ont une morphologie très particulière qui permet de les reconnaître par un simple examen optique sous un faible grossissement () . Les rares études endoscopiques réalisées aux États-Unis sur des séries de plusieurs dizaines de patients tendent à démontrer que les plaques de Randall sont aujourd’hui extrêmement fréquentes et qu’elles seraient observables chez 75 à 100 % des lithiasiques calciques américains [31,35]. Les données épidémiologiques, obtenues en France, montrent que la proportion des calculs d’oxalate de calcium initiés à partir d’une plaque de Randall a considérablement augmenté au cours des dernières décennies, mais que leur fréquence est probablement inférieure à celle rapportée aux États-Unis. Cela semble confirmé par une étude endoscopique systématique réalisée à l’hôpital Tenon sur une grande série de patients. En effet, dans ce travail, il a été montré que les plaques étaient présentes chez 57 % des sujets lithiasiques explorés et chez 27 % des patients ayant subi un examen endoscopique pour d’autres causes qu’une lithiase . Comme l’attestent nos données épidémiologiques, fondées sur l’analyse de plus de 50 000 calculs collectés sur une trentaine d’années, la population lithiasique concernée est de plus en plus jeune : en effet, 26,2 % des patients lithiasiques adultes de moins de 30 ans ayant fait un calcul au début des années 2000 ont formé leur calcul à partir d’une plaque de Randall contre seulement 5,7 % des patients de même âge au début des années 1980 . Les raisons de cette évolution ne sont pas encore claires, mais plusieurs arguments suggèrent l’implication de l’hypercalciurie dans le développement des plaques de Randall , bien que l’hypercalciurie ne soit pas nécessairement impliquée dans la formation du calcul oxalocalcique qui se développera secondairement sur la plaque de carbapatite. Ce point est extrêmement important, puisqu’il soulève l’hypothèse que l’hypercalciurie pourrait être de nature transitoire, au moins chez une partie des patients, et donc liée à des facteurs exogènes générateurs d’hypercalciurie eux-mêmes temporaires ou intermittents.
Figure 10 : Calcul de whewellite formé sur la papille rénale à partir d’une plaque de Randall.

Rétention cristalline sans adhésion à l’épithélium

Un autre mode de cristallisation et de rétention cristalline est la stagnation de l’urine, même modérément sursaturée, dans une cavité rénale déclive ou un diverticule caliciel ou dans la vessie en amont d’un obstacle prostatique. La rétention locale d’urine peut entraîner une cristallisation et les cristaux ainsi formés peuvent avoir des difficultés, pour des raisons anatomiques, à s’évacuer, ce qui entraîne une lithogenèse régulière et répétée aboutissant progressivement à la formation de multiples calculs sur le même site anatomique.

Croissance du calcul

La vitesse de croissance du calcul initié par la rétention cristalline est ensuite très variable, dépendant du niveau de sursaturation des urines et donc de la nature des anomalies métaboliques présentes. Lorsque la lithogenèse résulte de fautes diététiques, son expression est intermittente et la croissance du calcul se fait par poussées au gré des sursaturations urinaires. Lorsque la cause est une maladie génétique, le calcul se développe de manière plus régulière et de nouvelles particules retenues dans le rein sont le point de départ de nouveaux calculs qui grossissent généralement au même rythme que les premiers, ce qui explique la différence de taille observée entre les calculs les plus anciens, généralement les plus volumineux, et les calculs plus récents. Parfois, pour des raisons anatomiques ou de flux urinaire, certains calculs ont la possibilité de capter de nouvelles molécules plus facilement que d’autres et vont alors croître plus rapidement. Lorsque la sursaturation est liée à une anomalie métabolique de forte amplitude, le calcul qui en résulte est généralement pur (par exemple, cystine dans la cystinurie-lysinurie, whewellite dans l’hyperoxalurie primaire). Dans le cas contraire, il peut fixer des composants divers au gré des sursaturations urinaires, ce qui explique le fait que la plupart des calculs urinaires renferment plusieurs espèces cristallines.
La croissance n’est pas le seul mode d’évolution spontanée que peut subir un calcul retenu dans les voies urinaires. En effet, d’autres phénomènes peuvent s’exprimer qui vont conduire à des modifications de phases cristallines. Ils résultent de l’instabilité de certaines formes hydratées qui ont tendance à évoluer progressivement dans le temps vers des formes thermodynamiquement plus stables et moins hydratées. Ainsi, l’acide urique dihydraté, qui se forme facilement lorsque l’urine est très acide, se convertit peu à peu au sein du calcul en acide urique anhydre avec quelques remaniements morphologiques qui attestent ce processus de conversion. De même, la weddellite, sous certaines conditions, peut se transformer en whewellite comme l’illustre la . D’autres espèces cristallines sont concernées comme la struvite, qui peut perdre son ammonium et une partie de ses molécules d’eau pour se transformer en newbéryite. Ce processus permet de comprendre pourquoi beaucoup de calculs d’infection anciens, conservés dans des musées et analysés aujourd’hui par des techniques physiques modernes comme la spectrométrie infrarouge ou la diffraction des rayons X, révèlent de fortes proportions de newbéryite alors qu’ils étaient initialement composés de struvite.
Figure 11 : Calcul d’oxalate de calcium montrant la transformation des cristaux anguleux de weddellite initialement formés en structure mamelonnée de whewellite par conversion crystalline.

Cas particuliers

La lithogenèse infectieuse

Les calculs d’infection sont un cas particulier de la lithogenèse par la nature de leurs composants dont la struvite est l’élément le plus représentatif. Sa formation requiert un produit molaire phosphoammoniacomagnésien et un pH urinaire élevés, ces deux conditions étant exceptionnellement observées dans des conditions physiologiques ou pathologiques d’origine métabolique. En pratique, ces calculs résultent d’une infection chronique des voies urinaires par des micro-organismes possesseurs d’une uréase active . Celle-ci produit, par hydrolyse de l’urée, les quantités d’ions ammonium nécessaires pour élever le pH et générer une sursaturation suffisante pour entraîner la cristallisation de la struvite. L’élévation du pH est aussi responsable d’une sursaturation en phosphates de calcium. L’hydrolyse de l’urée, qui libère du gaz carbonique en même temps que de l’ammoniac, augmente la pCO2 urinaire et favorise l’incorporation d’ions carbonates au sein des phosphates calciques qui précipitent en raison du pH élevé. Ces différentes modifications urinaires sont responsables d’une lithogenèse active du fait que plusieurs espèces cristallines se trouvent simultanément en forte sursaturation. En cas d’uricurie élevée, l’urate d’ammonium peut cristalliser également. La lithogenèse infectieuse par des germes uréasiques est schématisée par la . D’autres contextes infectieux peuvent favoriser la formation de calculs. En particulier certaines infections par des germes non uréasiques, notamment certains colibacilles, peuvent engendrer des calculs sans struvite, mais riches en phosphates calciques particuliers comme la whitlockite (phosphate mixte de calcium et magnésium) et/ou le phosphate amorphe de calcium carbonaté [13,40]. En urine acide, les candidoses urinaires, par la baisse de pH qu’elles entraînent, favorisent la cristallisation de l’acide urique [40,41]. Ainsi, pour juger de l’implication d’une infection des voies urinaires dans le développement d’une lithiase, il ne faut pas se limiter à la recherche de la struvite. D’autres critères, tirés de l’analyse du calcul et résumés dans le , permettent de conclure au rôle lithogène d’une infection, celle-ci pouvant d’ailleurs être ancienne et avoir disparu au moment de la révélation du calcul.
Figure 12 : Schéma de la lithogenèse infectieuse.
Tableau 2 : Critères tirés de l’analyse du calcul orientant vers une infection urinaire lithogène.
Informations tirées du calcul Critères Signification clinique
Struvite Présence Infection à micro-organismes uréasiques
Taux de carbonate des phosphates calciques carbonatés (carbapatite et phosphate amorphe de calcium carbonaté [PACC]) ≥ 15 % Infection à micro-organismes uréasiques
Association de carbapatite et/ou de PACC et d’urate acide d’ammonium Présence Infection à micro-organismes uréasiques + hyperuricurie
Urate acide d’ammonium Type IIIc Infection à micro-organismes uréasiques + hyperuricurie
Phosphate amorphe de calcium carbonaté (PACC) ≥ 10 % Infection à micro-organismes uréasiques ou non (selon le taux de carbonate)
Whitlockite ≥ 20 % Infection urinaire à micro-organismes non uréasiques ou uréasiques selon les autres critères présents)
Protéines (distribution diffuse dans le calcul) > 5 % Infection urinaire
Acide urique + filaments mycéliens Candidose urinaire

La lithiase cystinique

Les calculs de cystine résultent d’une anomalie du transport des acides aminés dibasiques dans le tube proximal. Cette affection héréditaire à transmission autosomique récessive ou incomplètement récessive, selon la forme génétique, se traduit par une fuite urinaire de ces aminoacides, dont la cystine est le moins soluble. Cela conduit à une cristallisation de cystine intratubulaire et dans les voies excrétrices. Il s’ensuit un double risque de lithiase multirécidivante et de détérioration de la fonction rénale. La solubilité de la cystine est d’environ 1mmol/L au pH normal de l’urine et augmente significativement avec le pH. C’est pourquoi le traitement de base de cette forme de lithiase consiste en une cure de diurèse alcaline, l’objectif étant d’obtenir en moyenne 3 L de diurèse par jour et un pH maintenu pendant tout le nycthémère autour de 7,5. En effet, si ces conditions ne sont pas remplies, le risque de récidive lithiasique est élevé [42,43]. Comme le montre la courbe de solubilité de la cystine en fonction du pH (), l’alcalinisation des urines doit être suffisante, c’est-à-dire que le pH doit être maintenu au-dessus de 7. En revanche, il n’est pas souhaitable d’alcaliniser excessivement les urines (au-delà du pH 8), car on crée alors un risque de précipiter des phosphates de calcium. Le respect de ces mesures, dont l’efficacité peut être facilitée par l’adjonction d’un régime restreint en méthionine, nécessite une surveillance régulière des patients, en particulier par étude de leur cristallurie sur les premières urines du réveil qui sont souvent les plus concentrées et les plus acides .
Figure 13 : Solubilité de la cystine en fonction du pH.

Conclusion

Connaître les grandes étapes de la lithogenèse, c’est mieux comprendre les facteurs qui conduisent à la formation des calculs chez un patient donné afin de leur opposer des mesures préventives, diététiques ou thérapeutiques adaptées et donc plus efficaces. Des progrès considérables ont été réalisés au cours des 30 dernières années dans la compréhension des mécanismes de formation des calculs. Ces connaissances nous servent aujourd’hui à proposer des traitements plus sélectifs en fonction de la nature des constituants lithiasiques et des causes de sursaturation identifiées lors des explorations biologiques. Certains processus lithogènes restent encore imparfaitement élucidés, comme la formation des plaques de Randall. Les recherches à la fois fondamentales et cliniques se poursuivent pour mieux comprendre ces processus cristallogènes. Elles permettront, n’en doutons pas, de leur opposer des solutions thérapeutiques plus efficaces dans les années à venir.