消化和吸收
胃肠道（肠道）是一个有组织的，专门的和分段的过滤器，旨在吸收营养物质和其他有益的食物衍生化合物，并允许其余部分在粪便中不受吸收。然而，在消除之前，这种未吸收的膳食材料滋养和维持了丰富的微生物环境。消化和吸收的过程，以及肠道中的细菌过程，会影响肾结石和健康的其他方面。
本章简要回顾了正常的胃肠道消化和吸收，还重点介绍了导致肾结石的特定机制，包括常见的肠道疾病。 胃肠道（肠道）是一个有组织的，专门的和分段的过滤器，旨在吸收营养物质和其他有益的食物衍生化合物，并允许其余部分在粪便中不受吸收。然而，在消除之前，这种未吸收的膳食材料滋养和维持了丰富的微生物环境。消化和吸收的过程，以及肠道中的细菌过程，会影响肾结石和健康的其他方面。本章简要回顾了正常的胃肠道消化和吸收，还重点介绍了导致肾结石的特定机制，包括常见的肠道疾病。
消化
消化是一个复杂的过程，实际上始于食物准备。烹饪过程导致食物中的蛋白质振动，导致将单个氨基酸保持在一起的弱氢键的断裂。这有助于蛋白质变性。在蔬菜中，烹饪过程诱导纤维素和果胶等多糖降解为更容易消化的单糖成分。食用后，消化继续对口腔中的食物起作用。
口腔和咽部
食物的香气以及其他感觉因素刺激口腔中的唾液，并通过化学感觉途径在胃中分泌酸。口腔中的唾液腺产生降解碳水化合物的酶。食物由牙齿咀嚼，这不仅有助于吞咽，而且还增加了食物的表面积，因此口服酶和肠道以下的酶可以产生最大的效果。舌头有助于在口腔内移动和混合食物材料，并协助吞咽过程。 牙齿、舌头和唾液的联合作用产生柔软、湿润、圆润的食物团块（推注），通过咽部被推动。咽部的功能是将食物物质从口腔转移到食道，并在空气进入气管之前过滤，加热和润湿空气。吞咽（咽部）反射可防止食物进入气管，当会厌（一种覆盖喉部的皮瓣状结构）关闭以防止误吸时进入气管。
食管
食道中的肌肉收缩和放松，将食物材料引导到胃部。食道中不发生消化。食道下端的食物压力发出信号，表明肌肉瓣膜（食管下括约肌）放松并让食物进入胃部。
胃
在胃中，机械力和酸性分泌物继续营养物质和其他食物衍生颗粒的分解过程。脂质的乳化始于酸性胃环境中的机械剪切。蛋白质变性，使它们更容易水解和蛋白水解。胃的低pH值允许激活胃蛋白酶，这有助于进一步消化。内在因子是由胃壁细胞产生的糖蛋白，与胃中的食物衍生维生素B12结合。
从口腔开始的碳水化合物消化直到食物推注（最终被分解成更液化的状态称为食糜）被释放到小肠中才恢复。在正常生理条件下，连接胃和近端小肠（十二指肠）的幽门括约肌调节食糜的运动，因此一次只有少量进入。液体通常在固体之前离开胃;变性的蛋白质和碳水化合物在脂质之前退出。胆囊收缩素等胃肠道激素有助于减缓胃排空并刺激胰腺中的酶和碳酸氢盐分泌物。胃迷走神经对拉伸和张力（体积）有反应，向大脑发出减少食物摄入的信号，这进一步减慢了胃排空的速度。
小肠
十二指肠的收缩有助于调节胃排空率。离开胃的酸性食糜进入十二指肠，在那里它与来自胰腺，肝脏和胆囊的各种消化液混合。释放到十二指肠中的体液和神经介质（分泌素、葡萄糖依赖性促胰岛素多肽和血管活性肠肽）也有助于调节物质从胃到小肠的动力、消化液的分泌以及胰腺的胰岛素释放。胰碳酸氢盐中和清空的胃内容物;胰酶（例如胰蛋白酶、糜蛋白酶）有助于消化蛋白质、碳水化合物和脂肪。
胆汁在肝脏中产生并储存在胆囊中，被释放到十二指肠中，以帮助整体脂肪乳化和消化。甘油三酯被胰脂肪酶消化成脂肪酸和甘油单酯。 消化的最后一步发生在小肠的刷子边界（吸收的“门户”）。早期部分降解的淀粉现在被刷子边缘的酶降解为最简单的形式（寡糖和双糖），靠近吸收的活性位点。从刷子边缘释放的酶完成了蛋白质和碳水化合物消化的最后阶段。
吸收
在整个小肠中，食物消化的最终产物通过扩散或主动运输通过肠壁进入血液。小肠的壁（粘膜）含有绒毛，特化的吸收细胞，其增加可用于吸收的表面积。由于胆汁和胰腺分泌物的存在，大多数常量营养素的吸收发生在上小肠。较小的化合物，如二肽和三肽，被特定的转运蛋白吸收，单个氨基酸也是如此。
胆固醇与胆汁盐结合形成胶束，胶束在淋巴系统中循环。大多数水溶性维生素（例如叶酸和大多数其他 B 族维生素）通过被动扩散进入血液。矿物质（例如铁、钙）需要特定载体的存在，并使用能量进行主动运输。空肠是小肠的第二节，是大多数营养吸收的部位。事实上，大多数营养素在到达空肠中部时就会被吸收。
回肠延伸到大肠，是小肠的最后一部分。以前未消化的食物颗粒（例如，微小的碳水化合物分子，小蛋白质和脂肪）的消化在这里继续进行。然而，回肠主要是胆盐吸收的部位，脂溶性维生素以及一些液体和电解质的部位。回肠也是维生素B12内因子复合物最终溶解的地方，允许维生素与转钴胺结合并最终通过体内吸收和分布。回盲瓣连接回肠和结肠（大肠），在降低肠动力和防止结肠菌群反流进入小肠方面发挥作用。
大肠和结肠
营养物质被吸收后，未消化的物质和水通过大肠移动，大部分水被吸收。结肠中的肌肉将这种未消化的物质分成小段。一些碳水化合物形式，特别是纤维，完整地到达结肠，在那里它们被肠道微生物发酵成几种产物，包括短链脂肪酸，有助于营养吸收，并有助于维持结肠健康和功能。
这些过程后留下的材料是粪便物质（粪便）。当这种物质通过蠕动进一步向下移动时，直肠壁被拉伸，表明需要排便。肛门中不自主和自愿括约肌的组合可以放松和收缩直肠壁，以增加排出粪便所需的压力。图 4.1 说明了食物从口腔到肛门的运输和命运。
图 4.1
食物如何通过胃肠道的插图（来自OpenStax CNX™的图表 ) 全尺寸图像
肠道菌群
消化道是人类中定植最重的器官，仅结肠估计就含有超过70%的人类微生物。肠道微生物组（微生物群、微生物群落或菌群）与宿主共存，影响宿主自身的新陈代谢、营养状况和免疫功能（图 4.2 ）。在人类中常见四种细菌门：厚壁菌（例如链球菌、乳酸杆菌、梭状芽胞杆菌）、拟杆菌（例如，Prevotella、拟杆菌）、变形杆菌（例如嗜血杆菌、大肠杆菌、沙门氏菌、草杆菌）和放线菌（例如丙酸杆菌、双歧杆菌）多年来，人们已经知道胃肠道微生物的存在及其对健康的有益作用。保加利亚地区人民使用开菲尔的原因是，在二十世纪之交，他们的预期寿命明显长于其他欧洲人。
事实上，一种乳酸菌 - 保加利亚乳杆菌 - 得名于这一观察结果。胃肠道通常含有超过1，000种已知不同种类的细菌，其中许多如果允许过度生长，则具有致病性，但其中许多是有益的，因此被称为益生菌。益生菌的定义已经改变，并随着时间的推移而继续变化，但最常见和最基本地被定义为一种活的微生物，赋予宿主健康益处（表 4.1 ）。
图 4.2
营养因子和肠道微生物组对肠道相关代谢活动、屏障功能和免疫系统的相互作用（发表于：Thomas和Ockhuizen) 全尺寸图像
表4.1 益生菌和益生元的定义
随着细菌发酵未消化的食物物质进入结肠，产生代谢物，其中许多越来越被认为是对宿主有益的。肠道中细菌发酵有两种主要类型，糖酵解和蛋白水解。糖酵解发酵是基于碳水化合物的，并产生有益的代谢物，如短链脂肪酸丙酸盐和乙酸盐。短链脂肪酸是结肠上皮健康不可或缺的一部分，并具有无数其他益处，包括抗炎特性。蛋白水解细菌发酵是基于蛋白质的，是许多有毒代谢物的来源，特别是尿毒症毒素（例如，硫酸吲哚氧基和对甲苯酚硫酸盐）。 细菌种群因消化道中的位置而异。
口腔中的细菌以链球菌为主，链球菌存在于牙齿表面的生物膜中。胃，尽管pH值低，但在正常生理条件下也具有丰富的微生物群。但肠道微生物密度最高，出现在下肠道中，以两种细菌门为主，拟杆菌属和厚壁菌。一旦建立，主要的肠道微生物谱被认为在一个人的整个生命中相当稳定，但外部因素会极大地影响它，包括细菌底物的摄入。许多研究已经记录了抗生素对肠道细菌的影响及其诱导生态失调的能力。
在一项研究中，抗生素暴露与耐药拟杆菌菌株的富集和稳定有关。其他研究已经证实了抗生素在艰难梭菌等致病性肠道细菌过度生长中的作用。衰老也可能影响肠道微生物群。>65岁人群肠道微生物组的组成与年轻人不同。 饮食模式和饮食变化似乎也会影响微生物组中细菌的类型。在一项研究中，独立居住在社区的老年人在转为辅助生活后肠道菌群的多样性降低，这些差异与辅助生活期间发生的饮食变化有关。
在瘦肉与肥胖个体中观察到肠道微生物组谱的差异。小鼠研究表明，肥胖与两种显性细菌分支（拟杆菌类和厚壁菌）相对丰度的变化有关。超重和肥胖的人类已被证明比瘦个体具有更高的相对厚壁丰度。高脂肪与低脂饮食已被证明与肠道微生物谱的明显差异相关。高蛋白饮食与尿毒症毒素水平升高有关，尿毒症毒素是由蛋白水解细菌产生的代谢物，如三甲胺-N-氧化物（TMO），一种微生物生成的胆碱和磷脂酰胆碱的代谢物。高TMO血液水平与心血管风险增加有关。
在一项研究中，将完全以动物为基础的饮食（高蛋白）的人的肠道微生物组与完全以植物为基础的饮食（蛋白质含量较低，纤维含量较高）的人的肠道微生物组进行比较，与吃植物性饮食的人相比，吃动物性饮食的人具有更高水平的变形杆菌和更少的厚壁菌。
有趣的是，研究人员发现，任何一种饮食1天都足以改变肠道微生物组谱。一般来说，高纤维饮食与低纤维饮食与肠道微生物群的变化有关。研究倾向于显示，除了乳酸杆菌数量较少外，高纤维饮食的厚壁菌比例较高。 除了常量营养素外，膳食微量营养素和其他植物衍生化合物已被发现影响微生物组，这些影响目前是生物医学研究人员高度关注的领域，如果不是争论的话。例如，一项研究中，乳糜泻患者的无麸质饮食可促进双歧杆菌群体的生长，但在另一项研究中，无麸质饮食与较低水平相关。
双歧杆菌被认为可以减少肠道炎症，因此了解它们通过麸质和/或其他植物来源的成分调节对于许多不仅限于乳糜泻的肠道疾病患者很重要。在有广泛性肠易激和/或炎症性肠问题的患者中，临床患病率增加的饮食策略是可发酵低聚糖、双糖、单糖和多元醇（FODMAP）含量低的饮食，因其据称能够减轻与这些肠道疾病相关的症状（例如腹胀、腹痛、腹泻、便秘）而被吹捧。默认情况下，这种饮食通常纤维含量低。
但它对健康肠道细菌（如双歧杆菌和其他物种）的影响是有争议的。菊粉和低聚果糖在低FODMAP饮食中通常受到限制，已被证明会增加双歧杆菌种群;他们的限制可能会减少它。但其他证据表明，长期限制性饮食，特别是那些碳水化合物含量较低的饮食，如低FODMAP，会有害地改变肠道微生物群并导致生态失调，这实际上可能会使与刺激性肠道症状相关的症状恶化。
某些肠道微生物群正在研究作为各种疾病状态（包括慢性肾脏疾病）全身炎症的来源。肾病患者通常以具有脲酶、尿酸酶、吲哚和对甲酚形成酶的细菌为主。这些细菌的存在可导致细菌将脲酶代谢增加为氨，从而侵蚀上皮屏障。在肾结石患者中，人们非常关注毛霉杆菌（O. formigenes），这是一种居住在结肠中的专性草酸盐使用者。
研究表明，许多形成肾结石的人在消化道中没有高水平的这种细菌。这是否与饮食有关尚未明确，但抗生素似乎对毛孔管有重大影响。事实上，抗生素治疗后的再定植率降低。其他一些肠道细菌，包括乳酸杆菌和双歧杆菌菌株，也能够消耗草酸盐，并且最近被证明携带与O. formigenes相同的草酸盐降解基因。因此，增强这些细菌种类的饮食模式可能对形成草酸钙结石的患者有益;需要研究来证实这一点。
与肾结石相关的消化和吸收障碍
肠易激综合征和炎症性肠病
肠易激综合征（IBS）和炎症性肠病（IBD）是常见的胃肠道疾病，其症状包括腹部不适、腹胀、腹胀、腹泻和/或便秘。根据定义，IBS是一种排除性诊断。它的特征是在没有任何器质性或生理性原因的情况下疼痛和肠功能改变。虽然IBS的确切病因尚不清楚，但被认为是多因素的，并且可能至少部分地与脑肠轴失调导致痉挛或不适当的肌肉活动有关。
生态失调也被认为起作用，并描述了促进生态失调的饮食触发因素。IBD在很大程度上是一种特发性疾病，其特征在于消化道的慢性T细胞介导的炎症，尽管已经提出了遗传基础。其他理论认为，一个促成因素可能是消化道微生物群落的改变或不适当的免疫反应。两种常见的IBD类型是溃疡性结肠炎，主要影响结肠和直肠，以及克罗恩病，可能发生在消化道的任何地方。
IBS与细菌过度生长、胆盐吸收不良、脂肪吸收不良、钙吸收不良和乳糖吸收不良有关。肠道手术可诱发IBS症状。IBS的饮食治疗通常是排除或限制脂肪、糖（单纯碳水化合物）和个体“触发”食物的饮食。新证据涉及某些类型的碳水化合物，特别是可发酵的寡糖，二糖和单糖和多元醇（FODMAP）。
FODMAP将水吸入消化道，这可能会促进易患IBS的人腹胀。但是，对限制饮食FODMAP的患者的研究在显示疗效方面尚无定论。个体差异和对治疗的反应似乎很常见。 IBS患者发生尿结石疾病的风险较高。经常伴随IBS的脂肪吸收不良和引起IBS样症状的疾病（例如，乳糜泻口炎，囊性纤维化）与草酸钙结石的风险增加有关，因为钙与脂肪结合，使得钙与草酸盐结合并降低其吸收。
此外，IBS患者的双歧杆菌水平较低。由于已知某些种类的双歧杆菌可降解草酸盐，因此正在考虑采取治疗干预措施以增强其在肠道中的存在。 IBD与肠道通透性增加有关，从而引发炎症反应。通过这种慢性炎症，正常的肠道组织可能会被疤痕组织取代，并最终停止功能。
肠切除术在IBD患者中并不罕见。IBD患者尿石症的患病率较高，随着患者接受多次肠道切除，尿石症的患病率会增强。肾结石发展的危险因素包括吸收不良和生态失调，这两者都可能导致草酸盐吸收过度和尿液排泄。此外，以频繁或慢性腹泻为特征的IBD患者经常出现碳酸氢盐消耗，这可能导致尿枸橼酸盐排泄减少和钙结石形成风险增加，如果尿液pH值低，还会导致尿酸结石。
短肠综合征
涉及损失超过100cm的小肠切除术可导致常量营养素吸收不良（脂肪，碳水化合物和蛋白质）和微量营养素吸收不良（维生素和微量元素）导致营养状况受损。由于胃动力增强、胆盐未被吸收以及粪便中水分过多流失，腹泻问题在SBS患者中很常见。SBS的治疗旨在控制腹泻和液体流失以及矿物质和维生素的补充。
SBS的晚期并发症包括胆石症，因为胆汁流失超过肝脏合成胆汁的能力。小肠细菌过度生长（SBBO）和d-乳酸性酸中毒也是SBS的并发症。
SBBO 导致肠粘膜炎症性改变，导致液体流失、脂肪吸收不良和随后的脂溶性维生素缺乏。对于d-乳酸性酸中毒，碳水化合物（尤其是精制糖）吸收不良。 SBS患者由于结肠对草酸盐的吸收增加，发生草酸钙肾结石的风险增加。在脂肪吸收不良（脂肪痢）的情况下，腔内游离脂肪酸的增加会螯合并与钙结合，导致草酸盐吸收增加。导致结石风险增加的其他因素包括较高的粪便液丢失量和尿量减少、尿镁降低（由于镁吸收降低）导致保持草酸盐在尿液中溶解的能力降低，以及腹泻导致碳酸氢盐因腹泻而消瘦，导致肾脏枸橼酸盐重吸收和尿枸橼酸盐减少。
在 SBS 患者中也观察到酸性尿液，这可能会促进尿液中尿酸的沉淀。
胃旁路手术
肥胖的减肥手术正在增加。常量营养素、必需维生素和矿物质吸收不良，同时体重显著减轻。已观察到与SBS相关的肾结石发生率增加与上述风险相似 。还观察到草酸盐肾病的发病率增加。在减肥手术和肾结石患者中，发现草酸尿与脂肪吸收不良直接相关，随之而来的游离钙在肠道中结合草酸盐的可用性降低。当患者在搭桥术后接受低脂饮食时，尿草酸盐水平较低。
吸收不良引起的维生素缺乏可能包括吡哆醇（维生素B6），这是乙醛酸盐肝脏代谢的辅助因子。参与该反应的酶的功能受损导致草酸盐生物合成和尿液排泄增加。减肥手术是否以及如何影响肠道微生物组尚未完全表征。
然而，已有胃旁路术后患者肠道定植减少草酸盐降解菌的报道。
腹泻
胃肠道疾病以腹泻为特征的患者，可能是特发性的、抗生素诱发的，或与上述任何消化系统疾病相关，必须补偿肾外液体丢失，以促进适当充足的尿液并保持较低的过饱和度。尿量低会增加尿液浓度，从而增加所有类型结石形成的风险。腹泻还可促进吸收不良，从而增加碳酸氢盐消耗的风险。与腹泻相关的肠道物质的快速传递减少了细菌草酸盐发酵所需的时间，并可能减少对改变的微生物种群，这些微生物种群在降解草酸盐方面总体上效果较差。因此，控制腹泻的策略有助于减轻尿量低、吸收不良、生态失调和碳酸氢盐消耗的影响。
草酸盐吸收和运输
患有任何类型的消化道疾病的患者都有潜在的生态失调风险，这可能导致更高的草酸盐吸收。胃肠道疾病患者可以避免某些食物，如纤维或低聚果糖。由于这些食物衍生的化合物为许多细菌提供底物，消除或减少这些物质的饮食改变可能会影响肠道微生物组的健康。
例如，限制膳食草酸盐可能会减少毛孔虫的存在，因为其唯一的食物来源有限。在其他消化道疾病中，无功能或坏死的肠道组织可能会改变草酸盐的吸收和/或运输。例如，一些IBD和/或其他肠道疾病患者由于炎症和自身免疫活动而导致结肠黏膜通透性增加。
这被认为会导致过量的游离草酸盐吸收，因为一些草酸盐在与钙或镁结合之前以及在细菌降解之前被吸收。胃排空延迟的患者（例如胃轻瘫患者）也可能有发生肠道高草酸尿的风险。胃是草酸盐摄取的部位;据推测，转运是通过跨细胞机制进行的。当通过胃的运输时间缓慢时，观察到草酸盐吸收增加。 肠道中草酸盐转运蛋白的遗传变异已被提出作为肠内高草酸尿症的一种机制。
草酸盐转运既是旁细胞的，也是跨细胞的。旁细胞转运是被动的，而跨细胞转运与独立于电化学梯度的其他过程耦合。
在肾脏，肝脏和胃肠道中鉴定出称为溶质连接载体26（SLC26）的上皮草酸盐转运蛋白。有11个这样的载体;它们的位置不同，对底物（例如硫酸盐、氯化物、碳酸氢盐、甲酸盐和草酸盐）的要求也不同。其他阴离子交换剂，例如运输氯化物的阴离子交换剂，可能参与草酸盐运输。虽然没有完全的特征或完全理解，但这些运输系统中的遗传变异可能是肠道高草酸尿症的一些病例的原因。需要研究来确定如何影响这些过程，从而减少草酸盐从肠道的运输。
总结
消化，从口腔开始，在消化道中继续向下，是食物的机械和化学降解成其最小的成分。吸收是这些小分子通过肠膜进入循环的传递。每种常量营养素 - 脂肪，蛋白质和碳水化合物 - 在胃肠道中的处理方式与降解和吸收方式不同。
微量营养素，维生素和矿物质的处理方式也不同，这取决于它们在吸收之前是否需要加工，或者它们是脂肪还是水溶性的。肠道微生物通过降解（发酵）未消化的碳水化合物物质（主要在结肠中）而使宿主受益。这种降解导致短链脂肪酸的产生，这对于维持结肠健康，合成有益于宿主的新化合物以及去除其他化合物非常重要。肠道微生物群特征的不平衡可能导致或可能是消化和吸收紊乱的结果。
胃肠道疾病与肾结石之间存在关联，尤其是那些诱发腹泻、吸收不良、脂肪痢或手术操作或切除的肾结石。这些情况可导致肾外液体流失;碳酸氢盐，钙和镁的损失;和更高的草酸盐吸收。虽然随着尿量减少，所有类型的结石的风险都更高，但由于尿枸橼酸盐排泄减少，碳酸氢盐的丢失会增加草酸钙和磷酸钙结石的风险。
由碳酸氢盐丢失引起的代谢性酸中毒也可能导致酸性尿，从而增加尿酸结石形成的风险。吸收不良导致草酸钙结石的风险增加，特别是因为草酸盐吸收和排泄增加以及尿镁排泄减少。 最后，肠道微生物组的改变可导致生态失调。草酸盐降解细菌减少形式的生态失调可能导致更高的草酸盐吸收和尿液排泄。生态失调对肾结石形成和生长的其他影响可能尚未确定。