AVIS D EXPERT. Un calcul n est pas seulement un. Pourquoi et Comment Analyser un Calcul Urinaire? I. POURQUOI? II. COMMENT?

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1 Dr Michel Daudon Service de Biochimie A - Hôpital Necker, Paris I. POURQUOI? Un calcul n est pas seulement un obstacle, parfois douloureux, sur les voies urinaires justifiant un geste urologique d urgence pour rétablir leur perméabilité. C est avant tout le symptôme de pathologies cristallogènes ou de déséquilibres urinaires d origine nutritionnelle dont la récidive est la règle si la cause n en a pas été correctement identifiée. Il est donc recommandé, dans l intérêt du patient, d analyser le calcul ou ses fragments pour déterminer sa composition et sa structure, l une et/ou l autre orientant vers la pathologie en cause. La majorité des calculs relève de mauvaises habitudes alimentaires, mais certains sont la conséquence de maladies métaboliques génétiques ou acquises dont l identification précoce est indispensable, pour éviter la récidive de calculs bien sûr, mais surtout pour proposer rapidement des solutions thérapeutiques adaptées afin de ralentir ou d éviter la survenue des complications rénales, osseuses, ou cardiovasculaires qui font toute la gravité de ces maladies. Contrairement à une idée reçue encore trop fréquemment répandue aujourd hui, les maladies génétiques ou acquises lithogènes d évolution potentiellement très sévère ne se révèlent pas nécessairement dans l enfance ou l adolescence ou par un tableau clinique caricatural, mais au contraire, souvent par un simple épisode lithiasique, qui récidivera dans les mois ou années suivantes ou, dont l évolution, de manière plus insidieuse, ne s émaillera pas de nouveaux épisodes lithiasiques, mais seulement d une cristallisation silencieuse détruisant progressivement les néphrons du patient et aboutissant à l insuffisance rénale terminale. Il faut également se souvenir que l aspect radiologique ne renseigne pas de manière fiable sur la composition du calcul : un calcul radio-opaque peut être fait de whewellite, de weddellite, de carbapatite ou de brushite dont les étiologies sont très différentes. Un calcul radio-transparent n est pas nécessairement composé d acide urique potentiellement soluble par une simple cure de diurèse alcaline, mais peut être constitué d urate de sodium ou d ammonium, insolubles en urine alcaline; de dihydroxyadénine ou de xanthine, de médicaments, de protéines, et même parfois de weddellite ou de cystine (petits calculs). Enfin, l exploration métabolique à visée étiologique peut être lourde, complexe, voire coûteuse et parfois infructueuse en cas de pathologie génétique rare alors que l analyse du calcul est une approche simple et rapide, y compris pour détecter, suspecter ou au contraire réfuter ces pathologies. De plus, par la nature des espèces cristallines qui le composent, le calcul oriente le clinicien vers les principales anomalies biochimiques urinaires qui ont conduit à sa formation, y compris lorsque la cause de la lithiase est simplement un déséquilibre nutritionnel et/ou un défaut de diurèse. Le calcul apparaît donc comme un élément essentiel du diagnostic étiologique des maladies lithiasiques. II. COMMENT? L analyse chimique des calculs a été heureusement supprimée de la Nomenclature des Actes de Biologie Médicale et remplacée par une analyse morpho-constitutionnelle fondée sur des méthodes physiques beaucoup plus fiables et informatives. Pour préserver les espèces cristallines constitutives, les méthodes 2 d analyse utilisées en pratique courante sont des méthodes d observation, c est-àdire des méthodes optiques (stéréomicroscopie, microscopie optique à polarisation, ) complétées par des méthodes d identification des espèces moléculaires et cristallines. Parmi ces dernières, la spectrophotométrie infrarouge est devenue la méthode de référence en raison de sa polyvalence, de sa rapidité, de sa mise en œuvre aisée et de sa capacité à identifier simultanément les espèces cristallines et non cristallisées, les composants minéraux et organiques, les espèces métaboliques et médicamenteuses. En revanche, la spectrophotométrie infrarouge n est pas une technique d analyse structurale très précise, ce qui veut dire que, lorsqu elle met en évidence un nouveau corps, non encore décrit dans les calculs, comme un nouveau médicament par exemple, d autres techniques d analyse sont nécessaires, comme la diffraction X, la spectrométrie de masse et/ou la résonance magnétique nucléaire pour identifier plus précisément la nouvelle substance détectée par l analyse infrarouge. Conditions préanalytiques Les espèces cristallines qui composent le calcul sont sensibles à leur environnement. A cause de cela, il est recommandé, une fois le calcul extrait de l arbre urinaire, de le conserver sec pour éviter qu une contamination bactérienne ou fongique secondaire ne modifie sa composition en milieu humide, gênant de ce fait l interprétation des résultats de l analyse ultérieure. D autre part, la morphologie du calcul étant, aujourd hui, une composante importante de l interprétation étiologique, celle-ci doit pouvoir être appréciée correctement lors de l examen microscopique. De ce fait, il est fortement conseillé, pour le petit nombre de calculs extraits par

2 chirurgie, qui sont parfois très ensanglantés, de les laver rapidement après leur extraction pour éliminer l essentiel du sang susceptible de masquer les structures. Les étapes de l analyse morpho-constitutionnelle EXAMEN OPTIQUE ET TYPAGE MORPHOLOGIQUE La première phase de l analyse est la détermination du type morphologique du calcul. Pour cela, on utilise une loupe binoculaire éclairée par fibres optiques et permettant un grossissement variable compris entre 10 et 40 fois. L examen optique a pour objet de définir la structure du calcul en fonction des caractéristiques de sa surface (texture, aspect des cristaux, couleur, particularités morphologiques comme une ombilication papillaire avec une plaque de Randall). L ensemble de ces éléments morphologiques peut être synthétisé sous la forme d un (ou de plusieurs) type(s) morphologique(s). Le calcul est ensuite coupé à l aide d un bistouri ou, lorsqu il est très dur, d un ciseau à bois (pour orienter le plan de coupe) et d un marteau. L examen de la section à la loupe binoculaire permet à la fois de déterminer la structure interne et de rechercher le point de départ de la cristallisation (noyau du calcul) qui fera l objet d un prélèvement spécifique pour une analyse infrarouge. Comme pour la surface du calcul, les caractéristiques de la section (structure concentrique et/ou radiale, organisation en couches alternées, structure compacte ou lâche, etc) peuvent être synthétisées sous la forme d un type morphologique. Un type est attribué séparément au noyau, aux couches profondes, aux couches médianes et aux couches périphériques du calcul, ce qui permet d avoir une idée de son évolution temporelle. L examen morphologique sert également à choisir les prélèvements qui seront analysés par spectrophotométrie infrarouge. Ils doivent être choisis judicieusement pour être représentatifs des différentes étapes de la formation du calcul. DÉTERMINATION DE LA COMPOSITION MOLÉCULAIRE ET CRISTALLINE La seconde étape de l analyse consiste à identifier la composition moléculaire et cristalline des différentes zones du calcul sélectionnées ci-dessus. En pratique, on réalise systématiquement un prélèvement du noyau ou de la partie centrale du calcul (en absence de noyau repérable), un autre qui regroupe périphérie et surface (correspondant à la cristallisation la plus récente) et, si la structure interne est hétérogène, un troisième, voire un quatrième prélèvement de la partie médiane ou de toute zone interne révélatrice d un processus cristallogène particulier. Enfin, une poudre globale du calcul, obtenue par pulvérisation des fragments restants ou d une partie représentative de l ensemble du calcul est analysée pour évaluer les proportions des différentes substances identifiées lors des étapes précédentes. Cette phase de quantification ne requiert pas une grande précision, car celle-ci n aurait pas de sens, ni scientifique ni clinique, du fait que les calculs sont souvent incomplets car fragmentés par les différentes procédures urologiques modernes et en raison des processus de conversion cristalline in situ (trans-formation d une espèce hydratée instable en une espèce moins hydratée thermo-dynamiquement plus stable : par exemple conversion de weddellite en whewellite, d acide urique en acide urique anhydre, de struvite en newbéryite, de brushite en carbapatite, etc). Cependant, la hiérarchisation quantitative des espèces cristallines constitutives, comparée au type morphologique du calcul, est très utile pour orienter vers certains processus lithogènes préférentiellement à d autres. En pratique, l analyse infrarouge repose sur la technique du pastillage, qui comporte 7 étapes : 1 prélèvement de la zone à analyser sous la loupe binoculaire à l aide d un scalpel ou d une aiguille de couturière, voire d une aiguille d acuponcture pour les prélèvements les plus petits, et transfert de ce prélèvement dans un mortier en agate 2 addition de poudre cristalline de bromure de potassium (KBr) pur (de qualité pour spectrophotométrie infrarouge) en quantité suffisante pour réaliser une dilution de l échantillon comprise entre 0,5 et 3% dans le KBr 3 mélange homogène et finement pulvérisé de l échantillon dans le KBr avec un pilon en agate 4 transfert du mélange pulvérisé dans un moule en acier spécial pouvant supporter une pression de 10 tonnes et permettant de confectionner des pastilles de 13 mm de diamètre. A noter que, pour les échantillons très petits comme une plaque de Randall, on peut utiliser moins de KBr et réaliser une micro-pastille de 2 ou 3 mm de diamètre 5 formation d une pastille transparente de 0,3 à 0,7 mm d épaisseur à l aide d une presse hydraulique permettant d appliquer une pression de 10 tonnes/cm2. Pour les micro-pastilles, la pression requise est beaucoup moindre, environ 500 kg/cm2 6 transfert de la pastille dans un support spécial que l on insère dans le compartiment de mesure d un spectrophotomètre infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) 7 enregistrement du spectre contre l air utilisé comme référence. Un spectre peut être obtenu en moins d une seconde. De ce fait, pour améliorer le rapport signal/bruit, on accumule une trentaine d enregistrements du spectre, ce qui demande environ 1 minute Le spectre est ensuite interprété par comparaison à des spectres de référence. Cette phase de l analyse, essentielle mais délicate, nécessite une formation spécialisée car les logiciels et les banques de données actuellement disponibles sur les spectrophotomètres IRTF n ont pas une fiabilité suffisante. Le compte-rendu d analyse et l interprétation des résultats Le clinicien étant souvent peu familiarisé avec les résultats de l analyse morphoconstitutionnelle des calculs, il est de la responsabilité du biologiste de dégager dans son compte-rendu les informations qui ont une pertinence clinique, c est-àdire celles qui vont orienter vers des processus lithogènes, des étiologies ou des pathologies particulières. Certaines informations doivent donc figurer sur le compterendu en raison de l interprétation étiologique qui en découle. Ce sont essentiellement : - le type morphologique du noyau, de la section et de la surface du calcul. En effet, à composition identique, certaines morphologies sont spécifiques de processus pathologiques parfois très différents dans leur étiologie. Le type 3

3 morphologique est une donnée essentielle pour identifier ces étiologies particulières. A titre d exemple, parmi les calculs de whewellite, le type Ia correspond souvent à des hyperoxaluries de concentration par diurèse faible (Figure 1) alors que le type Ic (Figure 2) est pratiquement pathognomonique d une hyperoxalurie primaire. Compte tenu de l extrême gravité de cette maladie, la détection du type Ic dans un calcul doit imposer au clinicien les explorations métaboliques spécifiques permettant de confirmer l existence de la maladie et sa forme génétique. Le type I actif est très souvent révélateur d hyperoxaluries d origine digestive, liées à des maladies inflammatoires digestives comme la maladie de Crohn, particulièrement lorsque celle-ci a nécessité une résection de l intestin grêle. Parmi les calculs d urate d ammonium, le type IIId Figure 6) doit faire rechercher des états morbides complexes associant des diarrhées chroniques avec carence phosphorée et dys- ou malnutrition (états anorexiques, malnutrition infantile de certaines populations des pays en développement). Dans le cas des calculs de carbapatite, le type IVa2 (Figure 8) est un marqueur quasi spécifique des situations d acidose métabolique distale et s observe dans les acidoses congénitales, les maladies systémiques acquises avec acidose comme le syndrome de Sjögren ou le lupus et les troubles distaux de l acidification rénale consécutifs à la maladie de Cacchi-Ricci ou à certaines formes des pyélonéphrites chroniques. - des caractéristiques structurales qui orientent vers des contextes lithogènes particuliers, par exemple : la présence d une ombilication papillaire avec une plaque de Randall (figure 1), prouvant que le calcul s est formé sur une papille à partir d une calcification papillaire préexistante. l existence de faciès cristallins particuliers comme les cristaux dodécaédriques de weddellite qui attestent de l existence d une hypercalciurie majeure, ou la présence de cristaux de weddellite de grande taille (> 2,5 mm, Figure 4) qui sont dus à une hyperoxalurie souvent associée à une hypercalciurie et à une hypocitraturie la présence de faces d accolement en surface du calcul, témoignant que celui-ci était, encore récemment, au contact d autres calculs qui sont peutêtre toujours en place (ex : grappes papillaires sur plusieurs plaques de Randall, Cacchi-Ricci, etc). - la composition du noyau, point de départ du processus lithiasique, en mettant en avant le ou les composants qui ont une signification pathologique particulière (struvite, acide urique, urate d ammonium, weddellite ). - la composition hiérarchisée de la surface et de la périphérie du calcul, qui correspond aux couches récentes, traduisant les désordres métaboliques actuels. - en cas de calcul riche en carbapatite ou en phosphate amorphe de calcium carbonaté, le taux de carbonatation du phosphate, qui renseigne sur le degré de pco2 du milieu et permet, pour les calculs phosphatiques des voies urinaires dont le taux de carbonatation est 15%, d évoquer un processus lithogène d origine infectieuse mettant en cause des germes porteurs d uréase, même en absence de struvite dans le calcul. - la composition (semi-)quantitative globale du calcul, exprimée en pourcentage des différents constituants présents. Enfin, le compte-rendu doit fournir les principales orientations étiologiques suggérées par l analyse morphoconstitutionnelle. Même si, en absence d informations précises concernant le patient, ces orientations ne sont que des hypothèses, l expérience montre que, dans la plupart des cas, au moins une, et souvent plusieurs de ces hypothèses se vérifient lorsque l on examine les antécédents et/ou les résultats des explorations biologiques réalisées sur le sang et les urines du patient. Il peut aussi arriver que les causes du calcul aient disparu (modification des habitudes alimentaires), le calcul témoignant par une morphologie et une composition banales, souvent avec des signes de conversion des espèces cristallines, de l existence temporaire d anomalies biochimiques urinaires dues soit à l alimentation, soit à un défaut de diurèse, ce dernier point étant toujours un facteur aggravant des processus lithiasiques. Le tableau ci-après résume les grandes orientations étiologiques suggérées par l analyse morphoconstitutionnelle du calcul. Glossaire : Whewellite = oxalate de calcium monohydraté Weddellite = oxalate de calcium Carbapatite = orthophosphate de calcium carbonaté cristallisé PACC = Phosphate amorphe de calcium carbonaté Brushite = phosphate acide de calcium Struvite = phosphate ammoniacomagnésien hexahydraté Opale = silice opaline (amorphe) RÉFÉRENCES 1 Daudon M. Comment analyser un calcul et comment interpréter le résultat. Eurobiol 1993; 27: Daudon M, Bader CA, Jungers P. Urinary Calculi: Review of classification methods and correlations with etiology. Scanning Microsc 1993; 7: Estépa L, Daudon M. Contribution of Fourier transform infrared spectroscopy to the identification of urinary stones and kidney crystal deposits. Biospectroscopy 1997, 3, Daudon M, Estépa L, Lacour B, Jungers P. Unusual morphology of calcium oxalate calculi in primary hyperoxaluria. J Nephrol 1998; 11 (S-1) : Daudon M. Les différents types de calculs: apport de l analyse morphoconstitutionnelle au diagnostic étiologique de la lithiase. In: Doré B (ed) Les Lithiases Rénales. Paris, Springer, 2004, pp Daudon M, Cohen-Solal F, Lacour B. Apport de la morphologie des calculs au diagnostic étiologique des lithiases urinaires. Feuillets de Biologie 2004;35: Daudon M. Rôle des facteurs nutritionnels dans la formation des lithiases urinaires. Rev Nutrition Prat 2005; 19: Daudon M. Épidémiologie actuelle de la lithiase rénale en France. Ann Urol 2005: 39: Daudon M, Lacour B, Jungers P. Influence of body size on urinary stone composition in men and women. Urol Res 2006; 34: Daudon M, Traxer O, Conort P, Lacour B, Jungers P. Type 2 diabetes increases the risk for uric acid stones. J Am Soc Nephrol 2006; 17:

4 Principales relations entre composition cristalline, type morphologique et cause du calcul Constituant principal Cause spécifique ou fréquente Cas particuliers Whewellite (figure 1) Hyperoxalurie (HOx) de débit ou de concentration + weddellite > 20% ± Hypercalciurie (souvent diététique) Cacchi-Ricci infection urinaire + carbapatite > 20% Diurèse insuffisante Hypercalciurie, parfois ancienne + plaque de Randall Weddellite (figure 3) + whewellite > 20% + carbapatite > 20% Carbapatite + weddellite > 10% + struvite (présence) ou % de CO 3 > 15% + PACC ou whitlockite (sans struvite) Hypercalciurie ou rapport Ca/Cit anormalement élevé Diurèse insuffisante (HOx de concentration) Hypercalciurie absorptive ou résorptive, hyperparathyroïdie I Hypercalciurie Infection de l arbre urinaire à germes uréasiques (figure 7) -Type Ic = hyperoxaluries primaires (figure 2) -Type I actif = hyperoxalurie entérique -Type Id = stase (malformation urologique) et diurèse faible -Cristaux dodécaédriques = hypercalciurie majeure -Cristaux > 2,5 mm = + hyperoxalurie + hypocitraturie (figure 4) -Type IVa2 = acidose tubulaire distale (figure 8) Infection de l arbre urinaire à germes non uréasiques Brushite Hypercalciurie, hyperparathyroïdie primaire Acide urique anhydre ou Résistance à l insuline, syndrome métabolique, diabète Urate d ammonium Hyperuricurie métabolique + -Type IIId = diarrhées + carence hyperammoniogenèse urinaire phosphorée (figure 6) (infection urinaire à germes uréasiques) (figure 5) Cystine Cystinurie lysinurie -Type Vb = alcalinisation thérapeutique avec diurèse insuffisante et sans régime normalisé en méthionine Dihydroxyadénine Déficit en adénine phosphoribosyltransférase Xanthine Déficit en xanthine déshydrogénase -Syndrome de Lesch-Nyhan traité par l allopurinol => présence d oxypurinol dans le calcul Opale Médicaments Consommation de médicaments riches en silice colloïdale ou en trisilicate de magnésium La présence de certains médicaments peut orienter vers des pathologies associées comme l infection urinaire, un dysfonctionnement hépatique ou une consommation excessive de certaines substances (ex:sulfate) 5

5 1 2 Type Ia ombiliqué avec plaque de Randall 3 Type Ia ombiliqué avec plaque de Randall Type Ic, bourgeonnant, de couleur claire 3 4 Figure 1 : Calcul de whewellite de type Ia Figure 2 : Calcul de whewellite de type Ic, à dont l origine est nutritionnelle par hyperoxalurie intermittente, souvent liée à une Ce type de calcul doit faire rechercher sys- surface bourgeonnante de couleur claire. faible diurèse. Noter la présence de la tématiquement une hyperoxalurie primaire. plaque de Randall blanche, faite de carbapatite, qui correspond à une calcification papillaire préexistante et responsable de la nucléation du calcul. Noter également la couleur foncée de la whewellite qui traduit un processus de cristallisation lent. Type Ic, bourgeonnant, de couleur claire 4 Type IIa : calcul de weddellite 5 6 Type IIa : calcul de weddellite Figure 5 3 : Calcul de weddellite de type IIa, dont la cause est une hypercalciurie. Type IIa avec gros cristaux de weddellite Type IIa avec gros cristaux de weddellite 6 Figure 4 : Calcul de weddellite de type IIa dont les cristaux sont volumineux (l arête du cristal le plus gros mesure 3 mm). La présence de ces gros cristaux est généralement liée à des anomalies biochimiques urinaires multiples : hypercalciurie + hyperoxalurie + hypocitraturie. Type IIIc (section) : urate d ammonium 7 Type IIIc (section) : urate d ammonium Type IIId (section) : urate d ammonium Figure 7 5 : Calcul d urate d ammonium de Figure 8 6 : Calcul d urate d ammonium de type type IIIc. Noter l aspect poreux et inorganisé IIId. Noter l organisation en couches alternées de la section. Ce type de structure plus ou moins irrégulières de couleurs et de s observe dans des contextes d hyperuricurie textures différentes. Ces calculs s observent associée à un ph urinaire élevé dans des contextes d hyperuricurie associée à (alcalinisation thérapeutique ou infection des pertes digestives de bases et d électrolytes de l arbre urinaire par germes uréasiques). par diarrhées d origine médicamenteuse (abus de laxatifs) ou infectieuse chez des sujets présentant une malnutrition avec carence relative en phosphore (anorexie mentale, enfants appartenant à des milieux sociaux défavorisés dans les pays en développement). Type IIId (section) : urate d ammonium 8 Type IVa : carbapatite Figure 7 : Calcul de carbapatite de type IVa Illustration observé de dans morphologies des contextes particulières d infection de l arbre urinaire. Dans ce type de calcul, la carbapatite est généralement associée à d autres phosphates (PACC, whitlockite, voire struvite) en proportion souvent importante. Type IVa2 : carbapatite orientant vers des étiologies spécifiques 6 Figure 8 : Calcul de carbapatite de type IVa2. La morphologie très particulière de ces calculs (surface bosselée et brillante, d aspect vernis, avec, localement de fines craquelures dans le corps du calcul) est caractéristique des contextes d acidose tubulaire distale innée ou acquise (syndrome de Gougerot-Sjögren, maladie de Cacchi- Ricci, ).