Биоминералогия мочевых, желчных, зубных и слюнных камней из организма человека тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.05, доктор геолого-минералогических наук Голованова, Ольга Александровна

• Голованова, Ольга Александровна
• доктор геолого-минералогических наук
• 2008

Оглавление диссертации доктор геолого-минералогических наук Голованова, Ольга Александровна

Введение.

Глава 1. Экспериментальные подходы и использованные методы.

1.1. Методы исследования вещества органо-минеральных агрегатов.

1.1.1. Объекты исследования.

1.1.2. Методы разделения минеральной и органической компонент.

1.1.2.1. Мочевые камни.

1.1.2.2. Желчные камни.

1.1.3. Методы исследования морфологии и структуры камней, их фазового и элементного состава.

1.2. Методики изучения камнеобразующих сред.

1.2.1. Смешанная слюна (ротовая жидкость).

1.2.2. Желчь.

1.3. Моделирование фазообразования в прототипах биологических жидкостей.

1.3.1. Эксперимент по образованию фаз почечных камней.

1.3.2. Эксперимент по образованию фаз зубных и слюнных камней.38*'

1.4. Методы изучения кристаллизации основных фаз патогенных образований в условиях, приближенных к физиологическим.

1.4.1. Методика синтеза уэвеллита в условиях, приближенных к параметрам мочи человека.

1.4.2. Методика синтеза гидроксилапатитов в условиях, приближенных к параметрам мочи человека.

1.4.3. Методика исследования параметров кристаллизации основных фаз почечных камней.

Глава 2. Вещество почечных, слюнных и зубных камней. Модели образования.

2.1. Почечные камни (уролиты).

2.1.1. Морфология и текстурно-структурные особенности.

2.1.2. Неорганическая компонента.

2.1.2.2. Элементный состав. Связь с минеральной компонентой.

2.1.2.3. Морфология и состав минеральных индивидов.

2.1.3. Органическая компонента. Связь с минеральной составляющей.822.1.3.1. Состав белковой компоненты и ее распределение.

2.1.3.1. Аминокислотный состав белковой составляющей почечных камней

2.1.4. Модели образования уролитов.

2.1.4.1. Параметры физиологического раствора.

2.1.4.2. Существующие гипотезы формирования почечных камней.

2.2. Зубные и слюнные камни.

2.2.1. Морфология и текстурно-структурные особенности.

2.2.2. Неорганическая компонента.

2.2.2.1. Минеральный состав.

2.2.2.2. Элементный состав.

2.2.3. Органическая компонента.

2.2.4. Модели образования зубных и слюнных камней.

2.2.4.1. Параметры камнеобразующей среды.

2.2.4.2. Существующие гипотезы формирования зубных и слюнных камней

Глава 3. Фазообразование в биологических жидкостях организма человека. 3.1. Термодинамический расчет возможности образования малорастворимых соединений.

3.1.1. Введение.

3.1.2. Расчет констант равновесий в системе осадок-раствор.

3.1.3. Описание методики.

3.2. Фазообразование в растворе, моделирующем состав мочи здорового взрослого среднестатистического .человека.

3.2.1. Результаты термодинамического расчета.

3.2.1.1. Условия образования основных фаз почечных камней.

3.2.1.2. Диаграммы устойчивости.

3.2.1.3. Влияние микроэлементов на возможность образования основных фаз

3.2.2. Образование фаз почечных камней в условиях эксперимента.

3.3. Фазообразование в растворе, моделирующем состав ротовой жидкости среднестатистического человека.

3.3.1. Результаты термодинамического расчета.

3.3.1.1. Условия образования основных фаз зубных и слюнных камней.

3.3.1.2. Диаграммы устойчивости.

3.3.2. Образование фаз зубных и слюнных камней в условиях эксперимента.

3.4. Обсуждение результатов моделирования. Сравнение с минеральным составом.

Глава 4. Кинетика кристаллизации аналогов минералов, образующихся в живых организмах.

4.1. Особенности кристаллизации малорастворимых соединений.

4.2. Математическая модель кристаллизации малорастворимых соединений.190:

4.3. Кристаллизация одноводного оксалата кальция (аналога минерала уэвеллита).

4.3.1. Синтез в условиях, приближенных к параметрам физиологического раствора

4.3.2. Особенности кристаллизации в условиях эксперимента.

4.3.2.1. Современное состояние изученности вопроса.

4.3.2.2. Кинетические характеристики. Влияние примесей.

4.3.3. Сравнение результатов экспериментальной и математической моделей кристаллизации оксалата кальция.

4.4. Кристаллизация основного фосфата кальция (аналога минерала гидроксилапатита)

4.4.1. Современное состояние изученности вопроса.

4.4.2. Кристаллизация в условиях, приближенных к параметрам мочи человека. 227 4.4.2.1 Синтез в присутствии неорганических и органических добавок.

4.4.3. Влияние аминокислот и нестехиометричности составов на свойства гидроксилапатита.

4.4.3.1. Введение.232"

4.4.3.2. Электрокинетические свойства частиц золей.

4.4.3.3. Вариации среднего размера частиц золей.

Глава 5. Вещество желчных камней и модели их образования.

5.1. Введение.

5.2. Характеристика вещества органо-минеральных агрегатов.

5.2.1. Морфология, текстурно-структурные особенности и фазовый состав камней

5.2.2. Элементный состав.

5.2.3. Белковая компонента.

5.3. Желчь как камнеобразующая среда.

5.3.1. Основные компоненты.

5.3.2. Индексы литогенности.

5.3.3. Элементный состав.

5.3.4. Белковая компонента.

5.3.5. Структурное состояние желчи.

5.4. Модели образования желчных камней.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Биоминералогия мочевых, желчных, зубных и слюнных камней из организма человека»

Ухудшение экологической обстановки в крупных промышленных мегаполисах приводит к постоянному росту заболеваний, связанных с патогенным камнеобразованием в организме человека, что обусловливает необходимость разработки новых методов лечения и профилактики этих болезней. В связи с этим за последние 10-15 лет интерес к изучению патогенных биоминералов и условий их образования существенно возрос.

Обычно исследователи патогенных минералов ограничиваются описанием их морфологии, минерального и элементного состава. Механизмы образования и роста кристаллических фаз в организме человека, связанные со сложным взаимодействием живого и косного вещества, на данный момент изучены недостаточно, и представления о них являются дискуссионными.

Еще в 1973 г. Д. Масс Коннел (1977) отметил, что хотя биоминералогия наука и не новая, ее развитие идет достаточно медленно. Это обусловлено как сложностью самого объекта изучения, так и тем, что долгое время изучением данных образований занимались исследователи (биологи, медики и др.), не обладающие специализированными знаниями в области минералогии, химии и кристаллографии.

Трудности изучения патогенного минералообразования обусловлены в первую очередь сложным вещественным и элементным составом камней, которые содержат как минеральную (часто очень плохо окристаллизованную), так и органическую компоненты, которые очень трудно разделить. Большую роль, несомненно, играет и отсутствие необходимых контактов между специалистами разных областей знаний (минералогами, кристаллографами, медиками и химиками). Неполная изученность патогенных органо-минеральных агрегатов (ОМА) [175] в организме человека и механизмов их образования объясняется также молодостью биоминералогии, которая только за последние десятилетия сформировалась как самостоятельная интенсивно развивающаяся наука.

В истории развития биоминералогии можно выделить два основных этапа: период (до середины XX века) становления этого научного направления как науки, когда происходила аккумуляция данных о биоминеральных взаимодействиях, строении, составе и образовании биоминералов, и период ее существования как обособленной отрасли знания.

Основой для развития биоминералогии в России послужили работы В.И. Вернадского и Я.В. Самойлова. В.И. Вернадский [48] придавал самое серьезное значение участию живого в образовании минералов биосферы. Его последователь Я.В. Самойлов [291] обращал особое внимание на изучение состава скелетов организмов и в этой связи указывал на целесообразность выделения специальной главы минералогии — «минералогии скелетов организмов».

Термин «биоминералогия» в отечественной литературе появился в 1976 г. в работе, A.A. Кораго [175], в которой были сформулированы основные особенности объектов исследования этой науки. В 1988 г. Н.П. Юшкин [355] предложил проблемы «изучения как конструктивных, так и патологических минералов и минералообразующих процессов в организме человека, выявление с точки зрения медицины свойств минералов и минералогическую экологию» объединить в область исследований медицинской минералогии.

В настоящее время биоминералогия является самостоятельным направлением в цикле прикладной минералогии [10; 255; 357] и находится на стыке целого ряда наук (рис. 1), прежде всего минералогии, медицины, биохимии и др.

Рис. 1. Междисциплинарные связи биоминералогии

На начальном этапе становления биоминералогии одной из проблем, способствовавшей выделению данной науки из общей минералогии, стала смена представлений о минерале [175].

В настоящее время доминирующим является утверждение, согласно которому все возникшие в организмах либо при их участии неорганические и органические фазы кристаллического строения следует относить к биоминералам. В рамках этой парадигмы к объектам биоминералогии относят органо-минеральные агрегаты, возникшие в биосфере и созданные в живом организме при его участии или в результате замещения отмершего органического вещества минеральным [175]. Формирование таких образований происходит в процессах метаболизма (обмена веществ) в организмах, путем свободного отложения вещества из водных систем, при реакциях различных выбросов организма с окружающей средой, а также при син- и диагенетических преобразованиях отмершего органического вещества. При этом существует мнение, что фазы, образованные в организме человека, следует относить не к минералам, а к минералоподобным агрегатам [43].

К настоящему времени, по данным Н.П. Юшкина [357], известно около 300 биоминералов различного происхождения, и их число продолжает расти. В зависимости от условий образования все ОМА и слагающие их минералы подразделяются на три типа: ор-тобиогенные, метабиогенные и тафобиогенные [175]. Ортобиогенные ОМА, образующиеся в животных и человеке, называют зоолитами. Зоолиты делятся на физиогенные и патогенные. Патогенные ОМА, которым посвящена настоящая работа, являются «болезнями» организма. К ним относятся камни мочевой системы, желчного пузыря, зубные и слюнные камни и некоторые другие. Возникновение патогенных биоминералов является следствием нарушения функционирования самых различных органов и систем.

Для того чтобы продвинуться в направлении понимания закономерностей патогенного минералообразования в организме человека, необходимо более детально изучать вещество органо-минеральных агрегатов (почечных, желчных, слюнных, зубных и других камней) с привлечением широкого круга современных инструментальных методов, активно привлекать методы теоретического и экспериментального моделирования. Работы такого рода активно ведутся во многих научно-исследовательских лабораториях всего мира [54; 93; 124; 179; 377; 391; 414; 433 и др.], но до окончательного решения проблемы еще далеко.

Представляемая работа посвящена биоминералогии мочевых, желчных, зубных и слюнных камней - основных патогенных органоминеральных агрегатов, образующихся в организме человека.

Основные задачи представляемой работы:

1. Обобщение и критический анализ накопленных знаний по вещественному составу и гипотезам образования патогенных агрегатов в организме человека;

2. Разработка комплексного подхода к исследованию патогенного минералообразования в организме человека, включающего детальное изучение основных патогенных органоминеральных агрегатов из организма человека, соответствующих камнеобразующих сред, а также широкое применение методов теоретического и экспериментального моделирования в прототипах биологических жидкостей.

3. Детальное исследование представительной коллекции почечных, желчных, зубных и слюнных камней (их морфологии, структуры, минерального и химического состава); установление связей между компонентами ОМА.

4. Изучение параметров желчи и ротовой жидкости в норме и патологии; установление связей между характеристиками ОМА и соответствующих камнеобразующих сред.

5. Изучение условий фазообразования в моче и ротовой жидкости.

6. Изучение онтогении камней. Установление особенностей кристаллизации основных патогенных фаз в организме человека.

Научная новизна работы.

Результаты выполненных исследований можно квалифицировать как новое крупное научное достижение в области биоминералогии. На основе обобщения обширного экспериментального и теоретического материала рассмотрен комплекс проблем, связанных с особенностями генезиса почечных, желчных, зубных и слюнных камней - основных патогенных образований в организме человека. Выявлены отличия состава патогенных биологических сред (желчь, ротовая жидкость) от находящихся в норме и установлены связи между характеристиками камнеобразущих сред и фазовым составом патогенных образований.

Впервые на основе термодинамических расчетов и экспериментов детально изучены условия фазообразования в моче и ротовой жидкости. Для описания состояний в таких.-сложных физиологических растворах, как моча и ротовая жидкость, построение полей устойчивости сделано впервые. Показано, что патогенное фазообразование в организме человека крайне неравновесно. Установлена особая роль апатита как наиболее стабильной фазы, встречающейся практически во всех камнях. Доказано, что образование микроэлементами мочи (Ре, А1, 7л\, Бг, 'П, Си) малорастворимых соединений с оксалат и фосфат анионами раствора термодинамически невозможно из-за малого содержания их в растворе на фоне во много раз превышающей концентрации катионов кальция.

Для мочевых камней впервые установлено селективное соответствие между основной минеральной компонентой (оксалатной, фосфатной, уратной) и набором аминокислот; выявлены основные типы распределения органической компоненты; показано наличие связей между содержанием микроэлементов и аминокислот. Выявлено избирательное влияние неорганических (фосфат-, оксалат-, карбонат-анионы и катионы магния) и органических (аминокислоты) компонентов физиологического раствора на образование основных фаз уролитов.

Установлено сильное воздействие компонентов камнеобразующей среды на кинетику кристаллизации уевеллита и гидроксилапатита: аминокислоты оказывают ингибирующее действие на рост кристаллов этих соединений, обусловленное их адсорбционным* взаимодействием с поверхностью растущего кристалла и зависящее от их природы и концентрации; кристаллизацию уевеллита замедляет также наличие в растворе катионов магния и повышение концентрации фонового электролита (эффект ионов магния максимален по сравнению с действием других добавок). Обнаружено, что присутствие в растворе кристаллов гидроксилапатита оказывает каталитическое действие на кристаллизацию уевеллита.

Практическая значимость.

Материалы данной работы переданы в медицинские учреждения Омска (МСЧ № 6, ОмОКБ, БСМП и Западно-Сибирский Федеральный медицинский центр, диагностический центр г. Омска, городская стоматологическая поликлиника № 1 г. Омска) и Санкт-, т*

Петербурга (Центр остеопороза, МЧС № 122, Военно-медицинская академия им. Кирова, МАПО, ГМУ им. акад. И.П. Павлова, поликлиника № 20, стоматологическая клиника «ЛИК» Санкт-Петербурга др.) и используются при проведении лечения и профилактики моче-, желче- и слюнно-каменных болезней. На основании фазового и химического состава биоагрегатов и свойств камнеобразующих сред пациентам даются практические рекомендации по диете, образу жизни; страдающим слюнно-каменной болезнью - по уходу за полостью рта. Новый способ (заявка № 2006 110490/15/(011425)) выявления патологий в полости рта у «компьютерщиков» на основе особенностей кристаллизации слюны широко используется в стоматологической поликлинике № 1 и на кафедре клинической стоматологии ОмГМА г. Омска.

Результаты по изучению влияния состава питьевой воды на уровень заболеваемости почечнокаменной болезнью жителей Омского региона нашли применение в разработке и внедрении методов водоподготовки в ОАО «Омскводоканал».

Разработанный способ определения микроколичеств белковых соединений в почечных камнях (патент на изобретение №2239195) широко используется для разделения и изучения органической и минеральной компонент почечных, зубных, слюнных и др. камней, а также зубов и костей в различных учебных и научных центрах Санкт-Петербурга, Омска, Барнаула, Новосибирска (СПбГУ, ОмГУ, ОмГПУ, ОмГМА, ОмГАУ, Аналитический центр ОИГГиМ СО РАН г. Новосибирска, Центр коллективного пользования ИП-ПУ СО РАН г. Омска и др.).

Результаты работы используются также в курсах "Кристаллическое вещество в, живых организмах" для студентов-магистрантов кафедры кристаллографии геологического факультета СПбГУ, «Биологическая минералогия» для студентов IV курса кафедры геологии и геоэкологии географического факультета РГПУ им. Герцена, а также для постановки студенческих и аспирантских исследований, проводящихся на кафедрах «Кристаллографии» СПбГУ и «Неорганической химии» ОмГУ. Под руководством и при участие автора успешно выполнены 22 дипломных и 3 диссертационные работы.

Фактическую основу диссертации составляют результаты изучения вещества мочевых, желчных, зубных и слюнных камней из организма человека и соответствующих камнеобразующих сред, а также теоретического и экспериментального моделирования фа-зообразования и кристаллизации основных патогенных биоминералов.

Коллекция патогенных органоминеральных агрегатов в количестве 535 образцов была сформирована из камней, удаленных по медицинским показаниям в процессе лечения жителей Омска и Санкт-Петербурга. Все образцы были паспортизированы (сопровождены анкетными и медицинскими данными). Для хранения этих данных и удобства обработки, полученных в ходе исследования результатов, была создана специализированная база данных.

Исследование вещества органоминеральных агрегатов было проведено методами,-порошковой рентгенография, ИК-спектроскопии, микротомографии, поляризационной и электронной микроскопии. Кроме того, были использованы различные химические методы (рентгеноспектральный микрозондовый анализ, атомно-абсорбционная спектроскопия, эмиссионный спектральный анализ, рентгено- флуоресценция с синхротронным излучением, атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно связанной плазмой (АЭС-ИСП)и др.) Часть химических анализов проводили после разделения (по оригинальной методике) минеральной и органической компонент исследуемых образцов. При изучении белковой составляющей использовали также методы Кельдаля, Бенедикта и обращенно-фазной высокоэффективной жидкостной хроматографии. Определения состава камнеобразующих сред (желчи и ротовой жидкости) проводили с помощью адаптированных биохимических методик. Синтез аналогов биоминералов (уевеллита, апатита) в прототипах биологических сред выполняли методом осаждения из раствора. Кинетические характеристики кристаллизации уэвеллита и апатита изучали с привлечением кондуктометрического и дисперсионного методов. Термодинамические и математические расчеты закономерностей кристаллизации фаз входящих в состав патогенных агрегатов проводили с использованием разработанных моделей.

Экспериментальные исследования и анализ выявленных закономерностей осуществлены автором самостоятельно и совместно с сотрудниками, аспирантами, и студентами кафедры кристаллографии Санкт-Петербургского университета, кафедры неорганической химии Омского государственного университета, а также других учебных и научно-исследовательских организаций Омска и Санкт-Петербурга, являющимися соавторами-публикаций по теме диссертации. Постановка задач и основные обобщения концептуального характера выполнены автором.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. При переходе в патогенное состояние концентрация основных неорганических компонентов в биологических жидкостях повышается, а содержание белковых и других органических составляющих может как увеличиваться (желчь), так и уменьшаться (смешанная слюна). В процессе камнеобразования состав физиологических растворов претерпевает существенные, часто периодические, изменения, что проявляется в многофазности камней, их микрогетерогенности, зональности и в переменном составе большинства патогенных биоминералов.

2. Патогенное фазообразование в организме человека крайне неравновесно, что доказано термодинамическими расчетами и модельными экспериментами. Широкая распространенность одноводного оксалата кальция (уевеллита) и основного фосфата кальция (апатита) связана с высоким пересыщением биологического раствора относительно этих фаз. Величина рН раствора оказывает более существенное влияние на фазообразование, чем варьирование начальных концентраций компонентов. Наибольшая стабильность апатита, связанная с более широким интервалом условий его образования, объясняет era встречаемость практически во всех мочевых, зубных и слюнных камнях.

3. Для камней, минеральная компонента которых состоит из органических соединений (оксалатные и мочекислые уролиты; холестериновые холелиты), характерна сферо-литовая структура и прямой рост фаз из пересыщенных растворов. Для фосфатных камней (фосфатные уролиты, дентолиты и саливолиты) характерно зернистое скрытокристал-лическое строение и образование путем осаждения вещества (седиментации). Неорганические примеси камнеобразующей среды (компоненты фонового электролита, катионы магния и др.) ингибируют кристаллизацию минералов почечных камней. Присутствие в моче кристаллов гидроксилапатита, напротив, инициирует процесс кристаллизации уевеллита. Кинетика нуклеации малорастворимых соединений почечных, зубных и слюнных камней может быть описана уравнением Фоккера-Планка.

4. Белковая компонента (прежде всего аминокислоты) активно участвует в образовании кристаллических фаз мочевых, зубных и слюнных камней. Существует селективное соответствие между основной минеральной компонентой мочевых камней (оксалатной, фосфатной, уратной) и набором аминокислот. Имеет место адсорбционное ингибирование аминокислотами кристаллизации уевеллита и гидроксилапатита, зависящее от природы кислоты и её концентрации, а в случае гидроксилапатита также от степени нестехиометричности его состава. Ингибирующий эффект аминокислот сопоставим с воздействием компонент фонового электролита, но меньше, чем тормозящее влияние катионов магния.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты работы опубликованы в двух монографиях (1 коллективная), 54 научных статьях и 2-х авторских свидетельств на изобретение, а также представлены более чем в 91 сообщениях (устные доклады, стенды и опубликованные тезисы) на международных и всероссийских конференциях и семинарах: IV Международной конференций «Кинетика и механизм кристаллизации. Нанокристаллизация. Биокристаллизация» (Иваново, 2006, 2008), V Международной конференции «Спектроскопия, рентгенография и кристаллохимия минералов (Казань," 2005), Topical Meeting «Nanoparticles, Nanostructures' and Nanocomposites» (Saint-Petersburg, 2004, 2006, 2007 и 2008), Международном совещание «Происхождение и эволюция биосферы» (Новосибирск, 2005), Международных симпозиумах «Биокосные взаимодействия» (Санкт-Петербург, 2002, 2004 и 2007), Международной конференции геология и рациональное недропользование "Экогеология - 2003" (Санкт-Петербург, 2003), Международном совещание «Проблемы природопользования в районах со сложной экологической ситуацией» (Тюмень, 2003), Международной конференции «Углерод: минералогия, геохимия и космохимия», (Сыктывкар, 2003), Международном совещание академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (Омск, 2002), IV Международных Симпозиумах «Минералогические музеи» (Санкт-Петербург, 2002, 2005 и 2008), Международной конференции «Кристаллогенезис и минералогия», (Санкт-Петербург, 2001 и 2007), Международной конференции «Рентгенография и Кристаллохимия минералов» (Санкт-Петербург, 2003 и Миасс, 2007), Международной конференции «Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий» (Томск, 2006), Международной конференции «Углерод: минералогия, геохимия и космохимия» (Сыктывкар, 2005), Международном семинаре «Кварц • Кремнезем», (Сыктывкар,

2004), 60-той Федоровской сессии (Санкт-Петербург, 2006), Конференции молодых ученых (Ростов-на-Дону, 2006), IV Национальной кристаллохимической конференции (Черноголовка, 2006), семинарах «Минералогия техногенеза» (Миасс, 2000-2006), Пятом семинаре СО РАН — УрО РАН «Термодинамика и материаловедение» (Новосибирск,

2005), I и II Российском совещание по органической минералогии (Санкт-Петербург, 2002, Петрозаводск, 2005), Международном семинаре «Минералогия и жизнь», (Сыктывкар, 2007), XV Российское совещание по экспериментальной минералогии (Сыктывкар, 2005), Всероссийским симпозиуме «Химия: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (Хабаровск, 2002), Молодежных конференциях "Молодые ученые на рубеже третьего тысячелетия" (Омск, 2001- 2008), Всероссийской конференции «Химический анализ веществ и материалов (Москва, 2000) и др.

Объем и структура работы.

Диссертация содержит 333 страницы текста, 122 рисунка, 86 таблиц, список литературы из 462 наименований. Она состоит из введения, 5 глав и заключения. Во введении кратко описывается история развития биоминералогии и дается общая характеристика работы. В первой главе с разной степенью детальности охарактеризованы методы и подходы, использованные в процессе выполнения исследования; детально описаны методики, разработанные и усовершенствованные автором. Вторая глава содержит результаты изучения вещества мочевых, зубных, слюнных камней и соответствующих камнеобразующих сред; пятая глава - желчных камней и желчи. В этих же главах с использованием полученных результатов критически обсуждаются гипотезы формирования органоминеральных агрегатов. В главах три и четыре приводятся результаты теоретического и экспериментального моделирования фазобразования и кристаллизации основных компонентов камней В заключение на основе совокупности полученных результатов дается сравнительный анализ условий образования мочевых, зубных, слюнных и желчных камней; обсуждаются основные особенности патогенного минералообразования в организме человека

Заключение диссертации по теме «Минералогия, кристаллография», Голованова, Ольга Александровна

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложен и отработан комплексный подход к исследованию патогенного ми-нералообразования в организме человека, включающий детальное изучение оргапо-минеральных агрегатов (почечных, желчных, зубных и слюнных камней), соответствующих камнеобразующих сред, а также широкое применение методов теоретического и экспериментального моделирования в прототипах биологических жидкостейГ

Разработаны методики экстракционного разделения минеральной и органической составляющих органоминеральных композитов любой природы. Использованный подход позволил установить: зависимость содержания неводорастворимых и водорастворимых органических веществ с пептидной связью в почечных камнях от минерального состава камня; присутствие во всех образцах желчных камней в незначительных количествах различных модификаций карбоната кальция (кальцит, фагерит, арагонит).

Подобраны взаимодополняющие методы и адаптированы для изучения патогенных агрегатов из организма человека (химические, микроскопические, рентгендифракци-онные, спектроскопические).

Применена термодинамическая расчетная модель фазообразования малораствори-. мых соединений (аналогов минералов почечных, зубных и слюнных камней) в прототипах биологических жидкостей.

Показано, возможность использования математической модели, основанной на уравнение Фоккера-Планка, для прогнозирования кинетики нуклеации малорастворимых соединений (аналогов минералов почечных, зубных и слюнных камней) в прототипах биологических жидкостей.

Усовершенствованы методы синтеза основных минералов почечных камней (уе-веллита, апатита и струвита).

Предложен новый способ выявления патологий в полости рта у «компьютерщиков» на основе особенностей кристаллизации слюны.

2. С использованием широкого комплекса современных физико-химических методов' проведено исследование представительной коллекции органо-минеральных агрегатов из организма человека (почечных, зубных, слюнных и желчных камней). Получены новые данные по морфологии фазовому и химическому составу, а также онтогении камней.

Выявлено, что большинство минералов почечных, зубных и слюнных камней (ок-салаты, фосфаты) характеризуются нестехиометрическим переменным составом. Диапазон изменений химических составов патогенных апатитов больше, чем физиогенных, а апатитов почечных камней больше, чем зубных и слюнных камней.

Для почечных, слюнных и зубных камней установлены различия в аминокислотном составе. В почечных камнях присутствует больше пролина, в зубных - аланина, а в слюнных аргинина. Показано, что в фосфатных органоминеральных агрегатах аминокислот больше, чем в других (оксалатных, уратных); в слюнных камнях аминокислот больше, чем в зубных. Сделано предположение о более активном участии глутаминовой кислоты и лизина, а также белков с их высоким содержанием в процессе образования фосфатных агрегатов по сравнению с другими аминокислотами. Показано, что содержание аминокислот в камнях всегда выше, чем в камнеобразующих биологических жидкостях (моча, слюна).

В почечных камнях в ассоциации с кварцем обнаружен ранее не встречавшийся силикат кальция СазЭЮз - минерал хатрурит. Обнаружено систематическое присутствие примеси апатита в оксалатных и струвитных камнях, что указывает на особую роль этого минерала при образовании почечных агрегатов. Для почечных камней впервые установлены основные типы распределения органической компоненты по объему камня и дана их классификация. Показано, что содержание водорастворимых и водонерастворимых органических веществ с пептидной связью зависит от минерального состава камня, и установлено селективное соответствие минерального состава почечных камней набору присутствующих в них аминокислот. Выявлены связи между микроэлементным и фазовым составом камней, на основании которых сделано предположение об изоморфных или другие формах вхождения примесей. Максимальное число микроэлементов (Р, К, Б г, Тп, Ва, Ъх-, БЬ, Шэ) тяготеет к фосфатной группе вследствие их изоморфного вхождения в кристаллическую структуру апатита. В почечных камнях жителей Омского региона обнаружено завышенное содержание ряда элементов (Бе, Ъа., Си, Аэ и особенно I, РЬ); установлены значимые корреляции между содержанием отдельных элементов и аминокислот; выявлены связи между составом питьевой воды и уровнем заболеваемости мочекаменной болезнью.

В желчных камнях выявлено широкое распространение различных, в том числе ме-тастабильных модификаций карбоната кальция (кальцита, фатерита, арагонита, с преобладанием фатерита) которые в незначительных количествах присутствуют во всех исследованных образцах.

Показано, что кальций является доминирующим элементом желчных камней, а различное содержание и распределение других элементов (Мп, Бе, Си, Н§) зависит от окружающей среды и является особенностью Омского региона.

Закономерности образования патогенных агрегатов, минеральная компонента которых состоит из органических (оксалатные и образованных мочевой кислотой - уролиты; холестериновые - холелиты) и неорганических соединений (фосфатные -уролиты, денто-, литы и саливолиты), различны. Для первой группы камней характерно сферолитовое строение, позволяющее предположить прямую кристаллизацию из пересыщенных растворов. Зернистое и скрытокристаллическое строение, характерное для фосфатных камней и их слоистая структура, указывают на осаждение вещества (седиментацию). Характерные для уролитов камни смешанного типа, имеющие слоистое строение, в котором встречаются и зернистые и сферолитовые агрегаты образуются в наиболее неравновесных условиях путем чередования кристаллизации и седиментации.

3. Проведено исследование параметров (химический состав, рН, вязкость и др.) камнеобразующих сред в организме человека (желчи, ротовой жидкости). Выявлены отличия состава патогенных камнеобразующих сред от находящихся в норме.

Показано, что содержание большинства элементов (Т\Га, Са, Р, К, М§), белковых соединений, триглицеридов, холестерина, желчных кислот, фосфолипидов и билирубина в патогенной желчи в несколько раз превышает их содержание в норме. Рассчитаны индексы литогенности желчи, подтвердившие, отклонение основных параметров камнеобра-зующей среды при желчнокаменной болезни

Выявлено достоверное различие между составами и свойствами слюны (по параметрам - рН, концентрация ионов калия, натрия и белка) здоровых людей и людей, страдающих слюнно-камненной болезнью. Показано достоверное различие состава слюны между людьми контрольной группы с группой людей, принимающих сердечные лекарственные препараты.

Установлены связи меэ/сду параметрами камнеобразующих сред и компонентами зуб% ньгх, слюнных, желчных и почечных камней.

Показано несоответствие ряда средних концентраций химических элементов и аминокислот в нормальной моче человека ряду средних массовых содержаний данных элементов и аминокислот в почечных камнях. Установлено повышеное содержание некоторых элементов (Бе, Zn, Си, Аэ и, особенно, I, РЬ) в почечных камнях, что связано с увеличением их концентрации в моче при образовании мочевых камней.

Получено соответствие ряда средних концентраций элементов в зубных камнях ряду средних концентраций данных элементов в ротовой жидкости.

Показано значительное увеличение общего содержания аминокислот в слюнных, зубных камнях по сравнению с ротовой жидкостью, причиной которого является комплексообразование с ионами тяжелых металлов, способствующее образованию зубных отложений.

Установлено, что содержание кальция в желчных камнях в 18 раз больше, чем в желчи, железа в 3 раза, меди в 5 раз, марганца в 42 раза больше. Увеличение общего содержания белка в желчи по сравнению с желчными камнями, связано с возрастанием содержания в патогенной желчи таких азотсодержащих органических соединений, как би-, лирубин, фосфолипиды и аминокислоты. Сделано предположение о том, что увеличение органической компоненты в составе патогенной желчи может приводить к нарушению равновесия коллоидных структур нормальной желчи, что способствует образованию желчных камней.

4. На основе термодинамического расчета и экспериментального моделирования изучено фазообразование в прототипах биологических жидкостей в организме человека (моча, ротовая жидкость).

Рассчитаны индексы пересыщения и диаграммы устойчивости основных патогенных минералов почечных, зубных и слюнных камней.

Показано, что в моче человека образование патогенных агрегатов может происходить в широком диапазоне рН: мочевой кислоты (рН -4,5 - 5,5), оксалатов кальция (рН =4,5 - 6,4), апатита (рН = 6,4-8,0), брушита (рН =6,0 -7,5), струвита (рН =7,5 -8,0). В ротовой жидкости человека в более узком диапазоне рН (5-7) возможно образование различных фосфатов кальция (монетита; брушита; октакальция фосфата; витлокита; гидро-ксилапатита; фторапатита) и кальцита.

Результаты экспериментального моделирования подтверждают данные по термот динамическому фазообразованию почечных, зубных и слюнных камней. Установлено, что рН раствора являться одним из основных факторов, контролирующих образование кристаллических фаз почечных, зубных и слюнных камней. Варьирование начальных концентраций компонентов раствора при экспериментальном моделировании, в диапазоне значений, характерных для биологических жидкостей, приводит в основном к количественным, изменениям фазового состава осадка.

Сравнение результатов теоретического и экспериментального моделирования показало, что наиболее стабилен из патогенных агрегатов апатит, образование которого возможно в широком диапазоне рН и концентраций камнеобразующих компонентов. Образование остальных фаз и контролируется в большей степени кинетическими факторами. Этот результат объясняет широкое распространение апатита в составе патогенных агрегатов в организме человека.

С помощью термодинамического расчета показана невозможность образования микроэлементами мочи (Ре, А1, Zn, Б г, И, Си) малорастворимых соединений с основными анионами раствора в присутствии много раз большей концентрации ионов кальция.

5. На основе математического и экспериментального моделирования изучена кристаллизация основных патогенных фаз в организме человека

С помощью математической модели, основанной на уравнении Фоккера-Планка, проведена оценка параметров нуклеации (спад пересыщения, плотность распределения кристаллов по размерам малорастворимых соединений и др.). Путем моделирования работы почки (опорожнение и наполнение) установлено, что увеличение среднего размера кристаллита пропорционально квадратному корню от числа итераций эксперимента.

В условиях эксперимента выявлено избирательное влияние неорганических (фосфат-, оксалат-, карбонат-анноны и катионы магния) и органических (аминокислоты) добавок на кристаллизацию основных фаз почечных камней (уевеллита и гидроксилапати-та).

Доказано, что аминокислоты оказывают ингибирующее действие на рост кристаллов оксалатов и фосфатов кальция, обусловленное их адсорбционным взаимодействием с поверхностью растущего кристалла. Кинетические характеристики процесса кристаллизации зависят как от концентрации, так и от природы аминокислоты.

Выявлено, что характер взаимодействия аминокислот (глицина, лизина, глутами-новой и аспарагиновой кислоты) с апатитом зависит от нестехиометричесности его состав ва. Ингибирование аминокислотами роста и агрегации кристаллов гидроксилапатита уменьшается с увеличением ионной силы раствора. Ингибирующее действие аминокислот на уэвеллит сильнее, чем на гидроксилапатит.

Установлено, что ионы магния при концентрации, соответствующей физиологическому раствору (моча), и повышение концентрации фонового электролита оказывают ин-гибирующий эффект на кристаллизацию уевеллита. Ингибирующий эффект ионов-магния больше чем других добавок (аминокислоты, фоновый электролит).

Показана особая роль гидроксилапатита при образовании почечных камней. Установлено, что присутствие в растворе кристаллов гидроксилапатита инициирует процесс кристаллизации оксалата кальция.

6. На основе оригинальных и литературных данных проанализированы основные закономерности патогенного минералообразования в организме человека:

• различия параметров патогенных камнеобразующих сред и находящихся в норме;

• изменение состава биологических жидкостей в процессе камнеобразования; роль биокосных взаимодействий; эндогенные факторы фазообразования (рН, ионная сила, состав раствора биологи» ческих жидкостей), ключевая роль рН; роль кинетических факторов в патогенном минералообразовании; закономерности кристаллизации основных фаз почечных камней, протекающей при активном участии аминокислот, а также ряда неорганических примесей; связь микроэлементного состава почечных, зубных, слюнных и желчных камней с техногенными изменениями окружающей среды Омского региона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные результаты и накопленные по данной проблеме знания позволяют обобщить основные закономерности патогенного минералообразования в организме человека при формировании почечных, слюнных, зубных и желчных камней.

Процессы образования патогенных органоминеральных агрегатов в организме человека протекают в сложных многокомпонентных средах, содержащих органические и неорганические компоненты. Нами выявлены характеристики патогенных камнеобра-зующих сред отличающиеся от находящихся в норме. Содержание большинства элементов (ТчГа, Са, Р, К, М&), белковых соединений, холестерина, желчных кислот и фосфоли-пидов в патогенной желчи в несколько раз превышает их содержание в норме. Для слюны выявлено повышение содержания натрия, калия, железа, меди и цинка, понижение белка и неорганического фосфора, а также расширение диапазона рН. Поэтому увеличение органической компоненты в составе патогенной желчи и уменьшение её в составе смешанной слюны способствует нарушению равновесия коллоидных структур нормальной желчи и слюны, что и приводит к образованию камней.

Состав биологической жидкости в процессе камнеобразования претерпевает существенные изменения. Об этом свидетельствует, в первую очередь, неоднородное распре^ деление минеральных и белковой компонент агрегатов и вариации их фазового и элементного состава в пределах камня. В процессе работы было выявлено, что монофазных почечных и желчных камней практически не существует. Кроме того, нам удалось показать, что большинство минералов почечных, зубных и слюнных камней (оксалаты, фосфаты) характеризуются нестехиометрическим составом, часто меняющемся в пределах камня. Диапазон изменений химического состава патогенного апатита (в почечных камнях больше, чем в слюнных и зубных) шире, чем физиогенного (в зубах и костях), что также характеризует широкие вариации условий патогенного минералообразования. То, что состав мочи изменяется в более широком диапазоне, чем слюны и желчи, также отражается на разнообразии фазового и элементного состава камней: в составе уролитов к настоящему времени обнаружено 29 минералов и 40 элементов, желчных - 17 и 36, зубных и слюнных -11 и 15, соответственно.

Роль биокосных взаимодействий при патогенном минералообразовании в организме человека проявляется в тесных связях между минеральной и органической компонентой камней, а также камней и сред их образования. Нами установлено, что в мочевых камнях содержание неводорастворимых и водорастворимых органических веществ с пептидной связью зависит от их минерального состава; выявлено селективное соответствие минерального состава набору присутствующих аминокислот. В слюнных и зубных камнях обнаружено значительное увеличение общего содержания аминокислот по сравнению с ротовой жидкостью, причиной которого является комплексообразование с ионами тяжелых металлов, способствующее образованию зубных отложений. В холелитах выявлено уменьшение общего содержания белка по сравнению с желчью, связанное с возрастанием в патогенной желчи содержания таких азотсодержащих органических соединений, как билирубин, фосфолипиды и аминокислоты.

Одним из основных факторов патогенного фазообразования в организме человека является рН среды. Влияние ионной силы и концентраций компонентов раствора менее значительно. Результаты термодинамических расчетов показали, что в моче человека образование фаз может происходить в широком диапазоне рН: мочевой кислоты (рН =4,5 -5,5), оксалатов кальция (рН =4,5 - 6,4), апатита (рН = 6,4-8,0), брушита (рН =6,0 -7,5), струвита (рН =7,5 -8,0). В ротовой жидкости человека различные фосфаты кальция (моне-тит; брушит; октакальция фосфат; витлокит; апатит), а также кальцит могут образовываться в более узком диапазоне рН (5-7). Результаты экспериментов в прототипах биологических жидкостей (моча, слюна) показали, что варьирование начальных концентраций компонентов раствора приводит, в основном, к количественным, а не качественным изменениям состава осадка. Присутствие в растворе аминокислот не влияет на образование основных фаз почечных камней (уэвеллита и гидроксилапатита). Наличие органических и неорганических примесей (оксалат-, карбонат-анионы и катионы магния) препятствует; образованию гидроксилапатита.

Фазообразование в моче и ротовой жидкости человека на начальных стадиях характеризуется образованием термодинамически менее стабильных фаз, то есть контролируется кинетическими факторами. Наиболее стабильной патогенной фазой является апатит, образование которого возможно в широком диапазоне рН и концентраций камнеоб-разующих компонентов. На это указывают: термодинамические расчеты, результаты экспериментов в прототипах биологических жидкостей и широчайшее распространение апатита в составе патогенных агрегатов.

Кристаллизация основных фаз почечных камней протекает при активном участии аминокислот, а также ряда неорганических примесей. Экспериментально установлено, что аминокислоты оказывают ингибирующее действие на рост кристаллов оксалатов и фосфатов кальция, обусловленное их адсорбционным взаимодействием с поверхностью растущего кристалла. Кинетические характеристики этого процесса зависят как от концентрации аминокислоты, так и от её природы. Кроме того, выявлено, что характер взаимодействия аминокислоты (глицина, лизина, глутаминовой и аспарагиновой кислоты) с апатитом зависит от нестехиометричности его состава, а ингибирование аминокислотами роста и агрегации кристаллов гидроксилапатита уменьшается с увеличением ионной силы раствора. Ионы магния при концентрации, соответствующей физиологическому раствору (моча), и повышение концентрации фонового электролита оказывают ингибирующий эффект на кристаллизацию уэвеллита. Ингибирующий эффект иопов-магния больше, чем других добавок (аминокислоты, фоновый электролит). Присутствие в растворе кристаллов гидроксилапатита инициирует процесс кристаллизации одноводного оксалата кальция, что позволяет предположить, что кристаллы гидроксилапатита могут выступать в качестве зародышей гетерогенной нуклеации уэвеллита.

Механизмы образования патогенных агрегатов, минеральная компонента которых состоит из органических (оксалатные и образованных мочевой кислотой - уролиты; холестериновые - холелиты) и неорганических соединений (фосфатные уролиты, дентолиты и саливолиты), различны. Для первой группы камней характерно сферолитовое строение, позволяющее предположить прямую кристаллизацию из пересыщенных растворов. Зернистое, скрытокристаллическое строение и слоистая текстура, характерная для фосфатных камней, указывает на осаждение вещества (седиментацию). Характерные для уролитов камни смешанного типа образуются в наиболее неравновесных условиях путем чередования кристаллизации и седиментации.

Распространение патогенных агрегатов как в отдельных регионах, так и внутри одного региона имеет локально-региональные особенности, что обусловлено совместным действием экзогенных факторов, среди которых загрязнение окружающей среды, химические особенности питьевой воды и др. На примере Омского региона показано, что микро-? элементный состав почечных, зубных, слюнных и желчных связан с техногенными изменениями окружающей среды.

Список литературы диссертационного исследования доктор геолого-минералогических наук Голованова, Ольга Александровна, 2008 год

1. Авцын А.П., Жаворонков A.A., Риги А., Строчкова JI.C. Микроэлементозы человека. М.: Медицина, 1991.

2. Айзин С.М., Жеребович A.C., Фомин В.А. Метод исследования и моделирования процессов растворения и роста кристаллов // ТОХТ. 1982. Т. 16. № 5. С. 619-630.

3. Алексеев В.Н. Количественный анализ. М.: Химия, 1974. 503 с.

4. Аляев Ю.Г., Белоусов С.Р., Букин В.И и др. Комплексное изучение мочевых камней // Журнал неорганической химии. 2002. Т. 47. № 3. С. А56-Л6А.

5. Асхабов A.M. Кристаллогенезис и эволюция системы «кристалл-среда». СПб.: Наука, 1993. 154 с.

6. Афанасьев В., Абдусаламова М. Слюннокаменная болезнь // Медицинская газета (Электронная версия). 2003. № 53.

7. Бареева P.C., Яфясов A.M., Черняков Г.М. Использование миллиметрового излучения сверхслабой интенсивности для исследования камнеобразующих свойств мочи человека // Вестник СПбГУ. 2003. Сер 4. Вып. 3. С. 89-92.

8. Барское КС. Биоминерализация и эволюция. Коэволюция минерального и биологического миров // Происхождение и эволюция биосферы: Материалы МеждународноVго рабочего совещания. Новосибирск, 2005. С. 71-72.

9. Барышев А.Б., Иванова Т.Н., Франк-Каменецкая О. В. и др. Изучение апатита бедренных костей детей. Сыкгывкар: Минералогия и жизнь, 2000. С. 65-67.

10. Белеванцев В.И. Постановка и описание исследований сложных равновесий в растворах: Учебное пособие. Новосибирск: НГУ, 1987. 80 с.

11. Белеванцев В.И. Термодинамические характеристики химических форм и детальных компонентов // Физическая химия. 2002. Т. 46. № 4. С. 608-614.

12. Вельская JI.B., Голованова O.A., Ломиашвили Л.М., Борисенко М.А. Влияние ряда факторов на состав и структурные свойства ротовой жидкости // Вестник Омского университета. 2006. № 1. С. 33-35.

13. Вельская Л.В., Голованова O.A., Блинов В.И., Савченко Р.К., Франк-Каменецкая О.В., Ельников В.Ю. Особенности фазового состава и кристаллической структуры зубных и слюнных камней // Вестник Омского университета. 2006. № 2. С. 56-58.

14. Вельская Л.В., Голованова O.A., Пятанова П.А. Роль аминокислот в процессе образования зубных и почечных отложений // Минералогия техногенеза- 2006: Материалы семинара. Миасс, 2006. С. 175-182.

15. Берлинер Л.Б., Мелихов КВ. Метод определения кинетических параметров периодической кристаллизации // ТОХТ. 1985. Т.19. № 1. С. 24-34.

16. Билобров В.М. Нормальная и патологическая минерализация в организме человека // Биоминералогия-92: Тезисы Первой Межгосударственной конференции. Сыктывкар/ 1992. С. 34.

17. Билобров В.М., Богдан Н.М. Особенности нормальных и патологических биоминералов // Минералогия и жизнь: Материалы к межгосударственному минералогическому семинару. Сыктывкар, 1993. С. 52-54.

18. Билобров В.М., Миронов О.Л. Биохимический состав и структура матрицы почечных камней. Донецк, 1987. 43 с.

19. Биохимия / Под ред. Е.С. Северина. М.: ГЭОТАР Мед., 2003. 356 с.

20. Бицадзе A.B. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1976. 184 с.

21. Борбат В.Ф., Голованова O.A., Пятанова П.А и др. Патогенное биоминералообразо-вание в организме человека // Материалы I Российского совещания по органической минералогии. СПб., 2002. С. 61-62.

22. Борбат В.Ф., Голованова O.A., Пятанова П.А. и др. Использование физических методов исследования для диагностики, прогнозирования рецидивов и принципов лечения мочекаменной болезни // Омский научный вестник. Омск, 2001. Вып. 14. С. 152-155.

23. Борбат В.Ф., Голованова O.A., Пятанова П.А. Особенности минералообразования камней мочевой системы жителей Омской области // Минералогия техногенеза — 2001: Материалы семинара. Миасс: ИМин УрО РАН, 2001. С. 99-116.

24. Борбат В. Ф., Голованова O.A., Пятанова П.А. Разработка методики изучения состава мочевых камней инфракрасной спектроскопией // Молодые ученые на рубеже третьего тысячелетия: Материалы научной молодежной конференции. Омск, 2001. С. 156-158.

25. Борбат В.Ф., Голованова O.A., Пятанова П.А. Расчет возможности образования малорастворимых соединений, входящих в состав почечных камней // Минералогия техногенеза-2003: Материалы семинара. Миасс, 2003. С. 125—131.

26. Борбат В.Ф., Голованова O.A., Пятанова П.А. Рентгенофазовый метод изучения патогенных биоминералов в организме человека // Кристаллогенезис и минералогия: Материалы международной конференции. СПб., 2001. С. 54-55.

27. Борбат В.Ф., Голованова O.A., Пятанова П.А. Экзогенные факторы в развитии уро-литиаза//Уральский геологический журнал. 2002. № 4 (28). С. 245-250.

28. Борбат В.Ф., Голованова O.A., Пятанова П.А., Россеева Е.В. Способ определения микроколичеств белковых соединений в почечных камнях. Патент № 2238549. Решение о выдаче патента на изобретение заявка № 2003104252/15(004438) от: 12.02.2003.

29. Борбат В.Ф., Голованова O.A., Пятанова П.А. Состав питьевой воды как причина минералообразования в организме человека // Кристаллогенезис и минералогия: Материалы международной конференции. СПб., 2001. С. 52-53.

30. Боржневский И.К., Козий А.Т. Химический состав и структура мочевых камней у жителей Львовской области // Врачебное дело. 1979. № 1. С. 70-72.

31. Борисова-Хроменко В.М., Березин Ю.В., Малетин А.Г. и др. Значение изменений структуры мукополисахаридов для патогенеза и диагностики нефролитиаза // Урология и нефрология. 1981. № 1. С. 18-20.37.40.43,44,45,46,47