消化和吸收
胃腸道（腸道）是一個有組織的，專門的和分段的過濾器，旨在吸收營養物質和其他有益的食物衍生化合物，並允許其餘部分在糞便中不受吸收。然而，在消除之前，這種未吸收的膳食材料滋養和維持了豐富的微生物環境。消化和吸收的過程，以及腸道中的細菌過程，會影響腎結石和健康的其他方面。
本章簡要回顧了正常的胃腸道消化和吸收，還重點介紹了導致腎結石的特定機制，包括常見的腸道疾病。 胃腸道（腸道）是一個有組織的，專門的和分段的過濾器，旨在吸收營養物質和其他有益的食物衍生化合物，並允許其餘部分在糞便中不受吸收。然而，在消除之前，這種未吸收的膳食材料滋養和維持了豐富的微生物環境。消化和吸收的過程，以及腸道中的細菌過程，會影響腎結石和健康的其他方面。本章簡要回顧了正常的胃腸道消化和吸收，還重點介紹了導致腎結石的特定機制，包括常見的腸道疾病。
消化
消化是一個複雜的過程，實際上始於食物準備。烹飪過程導致食物中的蛋白質振動，導致將單個氨基酸保持在一起的弱氫鍵的斷裂。這有助於蛋白質變性。在蔬菜中，烹飪過程誘導纖維素和果膠等多糖降解為更容易消化的單糖成分。食用後，消化繼續對口腔中的食物起作用。
口腔和咽部
食物的香氣以及其他感覺因素刺激口腔中的唾液，並通過化學感覺途徑在胃中分泌酸。口腔中的唾液腺產生降解碳水化合物的酶。食物由牙齒咀嚼，這不僅有助於吞嚥，而且還增加了食物的表面積，因此口服酶和腸道以下的酶可以產生最大的效果。舌頭有助於在口腔內移動和混合食物材料，並協助吞嚥過程。 牙齒、舌頭和唾液的聯合作用產生柔軟、濕潤、圓潤的食物團塊（推注），通過咽部被推動。咽部的功能是將食物物質從口腔轉移到食道，並在空氣進入氣管之前過濾，加熱和潤濕空氣。吞嚥（咽部）反射可防止食物進入氣管，當會厭（一種覆蓋喉部的皮瓣狀結構）關閉以防止誤吸時進入氣管。
食管
食道中的肌肉收縮和放鬆，將食物材料引導到胃部。食道中不發生消化。食道下端的食物壓力發出信號，表明肌肉瓣膜（食管下括約肌）放鬆並讓食物進入胃部。
胃
在胃中，機械力和酸性分泌物繼續營養物質和其他食物衍生顆粒的分解過程。脂質的乳化始於酸性胃環境中的機械剪切。蛋白質變性，使它們更容易水解和蛋白水解。胃的低pH值允許激活胃蛋白酶，這有助於進一步消化。內在因子是由胃壁細胞產生的糖蛋白，與胃中的食物衍生維生素B12結合。
從口腔開始的碳水化合物消化直到食物推注（最終被分解成更液化的狀態稱為食糜）被釋放到小腸中才恢復。在正常生理條件下，連接胃和近端小腸（十二指腸）的幽門括約肌調節食糜的運動，因此一次只有少量進入。液體通常在固體之前離開胃;變性的蛋白質和碳水化合物在脂質之前退出。膽囊收縮素等胃腸道激素有助於減緩胃排空並刺激胰腺中的酶和碳酸氫鹽分泌物。胃迷走神經對拉伸和張力（體積）有反應，向大腦發出減少食物攝入的信號，這進一步減慢了胃排空的速度。
小腸
十二指腸的收縮有助於調節胃排空率。離開胃的酸性食糜進入十二指腸，在那裏它與來自胰腺，肝臟和膽囊的各種消化液混合。釋放到十二指腸中的體液和神經介質（分泌素、葡萄糖依賴性促胰島素多肽和血管活性腸肽）也有助於調節物質從胃到小腸的動力、消化液的分泌以及胰腺的胰島素釋放。胰碳酸氫鹽中和清空的胃內容物;胰酶（例如胰蛋白酶、糜蛋白酶）有助於消化蛋白質、碳水化合物和脂肪。
膽汁在肝臟中產生並儲存在膽囊中，被釋放到十二指腸中，以幫助整體脂肪乳化和消化。甘油三酯被胰脂肪酶消化成脂肪酸和甘油單酯。 消化的最後一步發生在小腸的刷子邊界（吸收的“門户”）。早期部分降解的澱粉現在被刷子邊緣的酶降解為最簡單的形式（寡糖和雙糖），靠近吸收的活性位點。從刷子邊緣釋放的酶完成了蛋白質和碳水化合物消化的最後階段。
吸收
在整個小腸中，食物消化的最終產物通過擴散或主動運輸通過腸壁進入血液。小腸的壁（粘膜）含有絨毛，特化的吸收細胞，其增加可用於吸收的表面積。由於膽汁和胰腺分泌物的存在，大多數常量營養素的吸收發生在上小腸。較小的化合物，如二肽和三肽，被特定的轉運蛋白吸收，單個氨基酸也是如此。
膽固醇與膽汁鹽結合形成膠束，膠束在淋巴系統中循環。大多數水溶性維生素（例如葉酸和大多數其他 B 族維生素）通過被動擴散進入血液。礦物質（例如鐵、鈣）需要特定載體的存在，並使用能量進行主動運輸。空腸是小腸的第二節，是大多數營養吸收的部位。事實上，大多數營養素在到達空腸中部時就會被吸收。
迴腸延伸到大腸，是小腸的最後一部分。以前未消化的食物顆粒（例如，微小的碳水化合物分子，小蛋白質和脂肪）的消化在這裏繼續進行。然而，迴腸主要是膽鹽吸收的部位，脂溶性維生素以及一些液體和電解質的部位。迴腸也是維生素B12內因子複合物最終溶解的地方，允許維生素與轉鈷胺結合並最終通過體內吸收和分佈。迴盲瓣連接回腸和結腸（大腸），在降低腸動力和防止結腸菌羣反流進入小腸方面發揮作用。
大腸和結腸
營養物質被吸收後，未消化的物質和水通過大腸移動，大部分水被吸收。結腸中的肌肉將這種未消化的物質分成小段。一些碳水化合物形式，特別是纖維，完整地到達結腸，在那裏它們被腸道微生物發酵成幾種產物，包括短鏈脂肪酸，有助於營養吸收，並有助於維持結腸健康和功能。
這些過程後留下的材料是糞便物質（糞便）。當這種物質通過蠕動進一步向下移動時，直腸壁被拉伸，表明需要排便。肛門中不自主和自願括約肌的組合可以放鬆和收縮直腸壁，以增加排出糞便所需的壓力。圖 4.1 説明了食物從口腔到肛門的運輸和命運。
圖 4.1
食物如何通過胃腸道的插圖（來自OpenStax CNX™的圖表 ) 全尺寸圖像
腸道菌羣
消化道是人類中定植最重的器官，僅結腸估計就含有超過70%的人類微生物。腸道微生物組（微生物羣、微生物羣落或菌羣）與宿主共存，影響宿主自身的新陳代謝、營養狀況和免疫功能（圖 4.2 ）。在人類中常見四種細菌門：厚壁菌（例如鏈球菌、乳酸桿菌、梭狀芽胞桿菌）、擬桿菌（例如，Prevotella、擬桿菌）、變形桿菌（例如嗜血桿菌、大腸桿菌、沙門氏菌、草桿菌）和放線菌（例如丙酸桿菌、雙歧桿菌）多年來，人們已經知道胃腸道微生物的存在及其對健康的有益作用。保加利亞地區人民使用開菲爾的原因是，在二十世紀之交，他們的預期壽命明顯長於其他歐洲人。
事實上，一種乳酸菌 - 保加利亞乳桿菌 - 得名於這一觀察結果。胃腸道通常含有超過1，000種已知不同種類的細菌，其中許多如果允許過度生長，則具有致病性，但其中許多是有益的，因此被稱為益生菌。益生菌的定義已經改變，並隨着時間的推移而繼續變化，但最常見和最基本地被定義為一種活的微生物，賦予宿主健康益處（表 4.1 ）。
圖 4.2
營養因子和腸道微生物組對腸道相關代謝活動、屏障功能和免疫系統的相互作用（發表於：Thomas和Ockhuizen) 全尺寸圖像
表4.1 益生菌和益生元的定義
隨着細菌發酵未消化的食物物質進入結腸，產生代謝物，其中許多越來越被認為是對宿主有益的。腸道中細菌發酵有兩種主要類型，糖酵解和蛋白水解。糖酵解發酵是基於碳水化合物的，併產生有益的代謝物，如短鏈脂肪酸丙酸鹽和乙酸鹽。短鏈脂肪酸是結腸上皮健康不可或缺的一部分，並具有無數其他益處，包括抗炎特性。蛋白水解細菌發酵是基於蛋白質的，是許多有毒代謝物的來源，特別是尿毒症毒素（例如，硫酸吲哚氧基和對甲苯酚硫酸鹽）。 細菌種羣因消化道中的位置而異。
口腔中的細菌以鏈球菌為主，鏈球菌存在於牙齒表面的生物膜中。胃，儘管pH值低，但在正常生理條件下也具有豐富的微生物羣。但腸道微生物密度最高，出現在下腸道中，以兩種細菌門為主，擬桿菌屬和厚壁菌。一旦建立，主要的腸道微生物譜被認為在一個人的整個生命中相當穩定，但外部因素會極大地影響它，包括細菌底物的攝入。許多研究已經記錄了抗生素對腸道細菌的影響及其誘導生態失調的能力。
在一項研究中，抗生素暴露與耐藥擬桿菌菌株的富集和穩定有關。其他研究已經證實了抗生素在艱難梭菌等致病性腸道細菌過度生長中的作用。衰老也可能影響腸道微生物羣。>65歲人羣腸道微生物組的組成與年輕人不同。 飲食模式和飲食變化似乎也會影響微生物組中細菌的類型。在一項研究中，獨立居住在社區的老年人在轉為輔助生活後腸道菌羣的多樣性降低，這些差異與輔助生活期間發生的飲食變化有關。
在瘦肉與肥胖個體中觀察到腸道微生物組譜的差異。小鼠研究表明，肥胖與兩種顯性細菌分支（擬桿菌類和厚壁菌）相對丰度的變化有關。超重和肥胖的人類已被證明比瘦個體具有更高的相對厚壁丰度。高脂肪與低脂飲食已被證明與腸道微生物譜的明顯差異相關。高蛋白飲食與尿毒症毒素水平升高有關，尿毒症毒素是由蛋白水解細菌產生的代謝物，如三甲胺-N-氧化物（TMO），一種微生物生成的膽鹼和磷脂酰膽鹼的代謝物。高TMO血液水平與心血管風險增加有關。
在一項研究中，將完全以動物為基礎的飲食（高蛋白）的人的腸道微生物組與完全以植物為基礎的飲食（蛋白質含量較低，纖維含量較高）的人的腸道微生物組進行比較，與吃植物性飲食的人相比，吃動物性飲食的人具有更高水平的變形桿菌和更少的厚壁菌。
有趣的是，研究人員發現，任何一種飲食1天都足以改變腸道微生物組譜。一般來説，高纖維飲食與低纖維飲食與腸道微生物羣的變化有關。研究傾向於顯示，除了乳酸桿菌數量較少外，高纖維飲食的厚壁菌比例較高。 除了常量營養素外，膳食微量營養素和其他植物衍生化合物已被發現影響微生物組，這些影響目前是生物醫學研究人員高度關注的領域，如果不是爭論的話。例如，一項研究中，乳糜瀉患者的無麩質飲食可促進雙歧桿菌羣體的生長，但在另一項研究中，無麩質飲食與較低水平相關。
雙歧桿菌被認為可以減少腸道炎症，因此瞭解它們通過麩質和/或其他植物來源的成分調節對於許多不僅限於乳糜瀉的腸道疾病患者很重要。在有廣泛性腸易激和/或炎症性腸問題的患者中，臨牀患病率增加的飲食策略是可發酵低聚糖、雙糖、單糖和多元醇（FODMAP）含量低的飲食，因其據稱能夠減輕與這些腸道疾病相關的症狀（例如腹脹、腹痛、腹瀉、便秘）而被吹捧。默認情況下，這種飲食通常纖維含量低。
但它對健康腸道細菌（如雙歧桿菌和其他物種）的影響是有爭議的。菊粉和低聚果糖在低FODMAP飲食中通常受到限制，已被證明會增加雙歧桿菌種羣;他們的限制可能會減少它。但其他證據表明，長期限制性飲食，特別是那些碳水化合物含量較低的飲食，如低FODMAP，會有害地改變腸道微生物羣並導致生態失調，這實際上可能會使與刺激性腸道症狀相關的症狀惡化。
某些腸道微生物羣正在研究作為各種疾病狀態（包括慢性腎臟疾病）全身炎症的來源。腎病患者通常以具有脲酶、尿酸酶、吲哚和對甲酚形成酶的細菌為主。這些細菌的存在可導致細菌將脲酶代謝增加為氨，從而侵蝕上皮屏障。在腎結石患者中，人們非常關注毛黴桿菌（O. formigenes），這是一種居住在結腸中的專性草酸鹽使用者。
研究表明，許多形成腎結石的人在消化道中沒有高水平的這種細菌。這是否與飲食有關尚未明確，但抗生素似乎對毛孔管有重大影響。事實上，抗生素治療後的再定植率降低。其他一些腸道細菌，包括乳酸桿菌和雙歧桿菌菌株，也能夠消耗草酸鹽，並且最近被證明攜帶與O. formigenes相同的草酸鹽降解基因。因此，增強這些細菌種類的飲食模式可能對形成草酸鈣結石的患者有益;需要研究來證實這一點。
與腎結石相關的消化和吸收障礙
腸易激綜合徵和炎症性腸病
腸易激綜合徵（IBS）和炎症性腸病（IBD）是常見的胃腸道疾病，其症狀包括腹部不適、腹脹、腹脹、腹瀉和/或便秘。根據定義，IBS是一種排除性診斷。它的特徵是在沒有任何器質性或生理性原因的情況下疼痛和腸功能改變。雖然IBS的確切病因尚不清楚，但被認為是多因素的，並且可能至少部分地與腦腸軸失調導致痙攣或不適當的肌肉活動有關。
生態失調也被認為起作用，並描述了促進生態失調的飲食觸發因素。IBD在很大程度上是一種特發性疾病，其特徵在於消化道的慢性T細胞介導的炎症，儘管已經提出了遺傳基礎。其他理論認為，一個促成因素可能是消化道微生物羣落的改變或不適當的免疫反應。兩種常見的IBD類型是潰瘍性結腸炎，主要影響結腸和直腸，以及克羅恩病，可能發生在消化道的任何地方。
IBS與細菌過度生長、膽鹽吸收不良、脂肪吸收不良、鈣吸收不良和乳糖吸收不良有關。腸道手術可誘發IBS症狀。IBS的飲食治療通常是排除或限制脂肪、糖（單純碳水化合物）和個體“觸發”食物的飲食。新證據涉及某些類型的碳水化合物，特別是可發酵的寡糖，二糖和單糖和多元醇（FODMAP）。
FODMAP將水吸入消化道，這可能會促進易患IBS的人腹脹。但是，對限制飲食FODMAP的患者的研究在顯示療效方面尚無定論。個體差異和對治療的反應似乎很常見。 IBS患者發生尿結石疾病的風險較高。經常伴隨IBS的脂肪吸收不良和引起IBS樣症狀的疾病（例如，乳糜瀉口炎，囊性纖維化）與草酸鈣結石的風險增加有關，因為鈣與脂肪結合，使得鈣與草酸鹽結合並降低其吸收。
此外，IBS患者的雙歧桿菌水平較低。由於已知某些種類的雙歧桿菌可降解草酸鹽，因此正在考慮採取治療干預措施以增強其在腸道中的存在。 IBD與腸道通透性增加有關，從而引發炎症反應。通過這種慢性炎症，正常的腸道組織可能會被疤痕組織取代，並最終停止功能。
腸切除術在IBD患者中並不罕見。IBD患者尿石症的患病率較高，隨着患者接受多次腸道切除，尿石症的患病率會增強。腎結石發展的危險因素包括吸收不良和生態失調，這兩者都可能導致草酸鹽吸收過度和尿液排泄。此外，以頻繁或慢性腹瀉為特徵的IBD患者經常出現碳酸氫鹽消耗，這可能導致尿枸櫞酸鹽排泄減少和鈣結石形成風險增加，如果尿液pH值低，還會導致尿酸結石。
短腸綜合徵
涉及損失超過100cm的小腸切除術可導致常量營養素吸收不良（脂肪，碳水化合物和蛋白質）和微量營養素吸收不良（維生素和微量元素）導致營養狀況受損。由於胃動力增強、膽鹽未被吸收以及糞便中水分過多流失，腹瀉問題在SBS患者中很常見。SBS的治療旨在控制腹瀉和液體流失以及礦物質和維生素的補充。
SBS的晚期併發症包括膽石症，因為膽汁流失超過肝臟合成膽汁的能力。小腸細菌過度生長（SBBO）和d-乳酸性酸中毒也是SBS的併發症。
SBBO 導致腸粘膜炎症性改變，導致液體流失、脂肪吸收不良和隨後的脂溶性維生素缺乏。對於d-乳酸性酸中毒，碳水化合物（尤其是精製糖）吸收不良。 SBS患者由於結腸對草酸鹽的吸收增加，發生草酸鈣腎結石的風險增加。在脂肪吸收不良（脂肪痢）的情況下，腔內遊離脂肪酸的增加會螯合併與鈣結合，導致草酸鹽吸收增加。導致結石風險增加的其他因素包括較高的糞便液丟失量和尿量減少、尿鎂降低（由於鎂吸收降低）導致保持草酸鹽在尿液中溶解的能力降低，以及腹瀉導致碳酸氫鹽因腹瀉而消瘦，導致腎臟枸櫞酸鹽重吸收和尿枸櫞酸鹽減少。
在 SBS 患者中也觀察到酸性尿液，這可能會促進尿液中尿酸的沉澱。
胃旁路手術
肥胖的減肥手術正在增加。常量營養素、必需維生素和礦物質吸收不良，同時體重顯著減輕。已觀察到與SBS相關的腎結石發生率增加與上述風險相似 。還觀察到草酸鹽腎病的發病率增加。在減肥手術和腎結石患者中，發現草酸尿與脂肪吸收不良直接相關，隨之而來的遊離鈣在腸道中結合草酸鹽的可用性降低。當患者在搭橋術後接受低脂飲食時，尿草酸鹽水平較低。
吸收不良引起的維生素缺乏可能包括吡哆醇（維生素B6），這是乙醛酸鹽肝臟代謝的輔助因子。參與該反應的酶的功能受損導致草酸鹽生物合成和尿液排泄增加。減肥手術是否以及如何影響腸道微生物組尚未完全表徵。
然而，已有胃旁路術後患者腸道定植減少草酸鹽降解菌的報道。
腹瀉
胃腸道疾病以腹瀉為特徵的患者，可能是特發性的、抗生素誘發的，或與上述任何消化系統疾病相關，必須補償腎外液體丟失，以促進適當充足的尿液並保持較低的過飽和度。尿量低會增加尿液濃度，從而增加所有類型結石形成的風險。腹瀉還可促進吸收不良，從而增加碳酸氫鹽消耗的風險。與腹瀉相關的腸道物質的快速傳遞減少了細菌草酸鹽發酵所需的時間，並可能減少對改變的微生物種羣，這些微生物種羣在降解草酸鹽方面總體上效果較差。因此，控制腹瀉的策略有助於減輕尿量低、吸收不良、生態失調和碳酸氫鹽消耗的影響。
草酸鹽吸收和運輸
患有任何類型的消化道疾病的患者都有潛在的生態失調風險，這可能導致更高的草酸鹽吸收。胃腸道疾病患者可以避免某些食物，如纖維或低聚果糖。由於這些食物衍生的化合物為許多細菌提供底物，消除或減少這些物質的飲食改變可能會影響腸道微生物組的健康。
例如，限制膳食草酸鹽可能會減少毛孔蟲的存在，因為其唯一的食物來源有限。在其他消化道疾病中，無功能或壞死的腸道組織可能會改變草酸鹽的吸收和/或運輸。例如，一些IBD和/或其他腸道疾病患者由於炎症和自身免疫活動而導致結腸黏膜通透性增加。
這被認為會導致過量的遊離草酸鹽吸收，因為一些草酸鹽在與鈣或鎂結合之前以及在細菌降解之前被吸收。胃排空延遲的患者（例如胃輕癱患者）也可能有發生腸道高草酸尿的風險。胃是草酸鹽攝取的部位;據推測，轉運是通過跨細胞機制進行的。當通過胃的運輸時間緩慢時，觀察到草酸鹽吸收增加。 腸道中草酸鹽轉運蛋白的遺傳變異已被提出作為腸內高草酸尿症的一種機制。
草酸鹽轉運既是旁細胞的，也是跨細胞的。旁細胞轉運是被動的，而跨細胞轉運與獨立於電化學梯度的其他過程耦合。
在腎臟，肝臟和胃腸道中鑑定出稱為溶質連接載體26（SLC26）的上皮草酸鹽轉運蛋白。有11個這樣的載體;它們的位置不同，對底物（例如硫酸鹽、氯化物、碳酸氫鹽、甲酸鹽和草酸鹽）的要求也不同。其他陰離子交換劑，例如運輸氯化物的陰離子交換劑，可能參與草酸鹽運輸。雖然沒有完全的特徵或完全理解，但這些運輸系統中的遺傳變異可能是腸道高草酸尿症的一些病例的原因。需要研究來確定如何影響這些過程，從而減少草酸鹽從腸道的運輸。
總結
消化，從口腔開始，在消化道中繼續向下，是食物的機械和化學降解成其最小的成分。吸收是這些小分子通過腸膜進入循環的傳遞。每種常量營養素 - 脂肪，蛋白質和碳水化合物 - 在胃腸道中的處理方式與降解和吸收方式不同。
微量營養素，維生素和礦物質的處理方式也不同，這取決於它們在吸收之前是否需要加工，或者它們是脂肪還是水溶性的。腸道微生物通過降解（發酵）未消化的碳水化合物物質（主要在結腸中）而使宿主受益。這種降解導致短鏈脂肪酸的產生，這對於維持結腸健康，合成有益於宿主的新化合物以及去除其他化合物非常重要。腸道微生物羣特徵的不平衡可能導致或可能是消化和吸收紊亂的結果。
胃腸道疾病與腎結石之間存在關聯，尤其是那些誘發腹瀉、吸收不良、脂肪痢或手術操作或切除的腎結石。這些情況可導致腎外液體流失;碳酸氫鹽，鈣和鎂的損失;和更高的草酸鹽吸收。雖然隨着尿量減少，所有類型的結石的風險都更高，但由於尿枸櫞酸鹽排泄減少，碳酸氫鹽的丟失會增加草酸鈣和磷酸鈣結石的風險。
由碳酸氫鹽丟失引起的代謝性酸中毒也可能導致酸性尿，從而增加尿酸結石形成的風險。吸收不良導致草酸鈣結石的風險增加，特別是因為草酸鹽吸收和排泄增加以及尿鎂排泄減少。 最後，腸道微生物組的改變可導致生態失調。草酸鹽降解細菌減少形式的生態失調可能導致更高的草酸鹽吸收和尿液排泄。生態失調對腎結石形成和生長的其他影響可能尚未確定。