Calcium Oxalate Crystallization in Undiluted Postprandial Urine of Healthy Male Volunteers as Influenced by Citrate

Summary

The crystallization of calcium oxalate (CaOx) in undiluted urine of healthy male volunteers, collected 3 h after intake of a test meal, was evaluated. In two experiments in vitro either the urinary total citrate concentration was increased (urine A) or the urinary pH was elevated (urine B). In one clinical trial the bioequivalence of orally taken potassium citrate (PC) or potassium-sodium citrate (PSC) (n = 9) was studied, in two other trials the dose-response effects of oral PC (n = 8) and oral calcium-sodium citrate (CSC; n = 8). Elevation of urinary citrate (urine A) decreased CaOx crystallization (nucleation, growth, agglomeration time), the crystal content of calcium and oxalate was low and the one of citrate was high. Elevation of urinary pH (urine B) also inhibited CaOx crystallization, the calculated molar ratio free (ionised) citrate/ free (ionised) calcium at pH 7.0 was about twice the value observed at pH 5.5, and the ratio complexed citrate/complexed calcium was low. PC and PSC, leading to high urinary citrate and pH, inhibited CaOx crystallization, the former at the stages nucleation, growth and agglomeration, the latter largely beyond nucleation. CSC increased calciuria and crystal growth, but left crystal agglomeration time unchanged. The urinary molar ratio total calcium/total citrate appeared to indicate the state of crystallization, as influenced by alkali containing citrate.

It was concluded that 1) application of a technically simple test allows to study CaOx crystallization in undiluted urine; 2) changes in urinary pH and citrate manifest as altered CaOx crystallization, presumably inhibiting this process, the stage of nucleation included, via the action of free citrate and the formation of a calcium citrate complex (stoichiometry < 3:2); 3) oral intake of PC, PSC or CSC modulate differently CaOx crystallization. The significance of these findings, especially with CSC, for renal stone risk is uncertain, but awaits clarification by long-term studies using the described techniques and the calcium/citrate ratio in postprandial urine.

Zusammenfassung

Calciumoxalat-Kristallisation in unverdünntem Postprandialurin gesunder männlicher Probanden unter dem Ein-fluß von Citrat / Beobachtungen nach In-vitro-Manipulation von Urin-Citrat und pH, und nach oraler Belastung mit Kalium-, Kalium und Natrium-, sowie Calcium- und Natrium-haltigen Citrat-Verbindungen

Die Kristallisation von Calciumoxalat (CaOx) im unverdünnten Urin von gesunden männlichen Probanden, gesammelt 3 h nach Einnahme einer Testmahlzeit, wurde bewertet. In zwei Experimenten in vitro wurde im Urin entweder die Konzentration von Gesamtcitrat (Urin A) oder der pH (Urin B) angehoben. In einem klinischen Versuch wurde die Bioäquivalenz von oral zugeführtem Kaliumcitrat (PC) oder Kalium-Natriumcitrat (PSC) (n = 9) evaluiert, in zwei anderen Versuchen die Dosis-Wirkungs-Effekte von oralem PC (n = 8) und oralem Calcium-Natriumcitrat (CSC; n = 8). Anhebung von Urin-Citrat (Urin A) verringerte die CaOx-Kristallisation (Nukleierung, Wachstum, Agglomerationszeit), der Gehalt der Kristalle an Calcium und Oxalat war niedrig, jener von Citrat hoch. Anhebung des pH (Urin B) hemmte ebenfalls die CaOx- Kristallisation, der berechnete molare Quotient freies (ionisiertes) Citrat/freies (ionisiertes) Calcium bei pH 7.0 war ca. 2-fach höher als jener bei pH 5.5, und das Verhältnis komplexiertes Citrat/komplexiertes Calcium war niedrig. Beide, PC und PSC, führten zu hohem Urin-Citrat und -pH, und hemmten die CaOx-Kristallisation, PC auf den Stufen Nukleierung, Wachstum und Agglomeration, PSC vorrangig nach der Nukleierung. CSC steigerte Calciurie und Kristall-Wachstum, ließ aber die Kristall-Agglomerationszeit unverändert. Der molare Quotient Gesamt-Calcium/Gesamt-Citrat erschien als Indikator des Zustands der Kristallisation, wenn diese durch Alkali enthaltendes Citrat beeinfluKl wurde. Es wurde gefolgert, daß 1) die Anwendung eines technisch einfachen Tests die Untersuchung der CaOx-Kristallisation in unverdünntem Urin erlaubt; 2) Veränderungen von Urin-Citrat und -pH sich in Veränderungen der CaOx-Kristallisation manifestieren, vermutlich indem dieser Prozeß, einschließlich der Stufe der Nukleierung, durch die Wirkung von freiem Citrat und die Bildung eines Calcium-Citratkomplexes (Stöchiometrie < 3:2) gehemmt wird; 3) orale Zufuhr von PC, PSC oder CSC die CaOx-Kristallisation in unterschiedlicher Weise moduliert. Die Bedeutung dieser Befunde, speziell zu CSC, für das Harnsteinrisiko ist ungewiß; Klärung wird von Langzeitstudien erwartet, bei welchen die beschriebenen Techniken und der Calcium/Citrat-Quotient im postprandialen Urin verwendet werden.

Key words

Calcium oxalate, crystallization - Urine, calcium, calcium/ citrate ratio, citrate and pH