Диссертация: Кристаллогенезис и кристаллохимия оксалатов кальция почечных камней человека

Актуальность исследования.
Практически все встречающиеся в природе соли щавелевой
кислоты (оксалаты) имеют биогенное происхождение. Часто они
образуются в результате взаимодействия продуктов метаболизма живых
организмов (птиц, животных, микроскопических грибов, лишайников) с
горными породами и минералами. Оксалаты кальция (двуводный
уэдделлит и одноводный уэвеллит), которым посвящена настоящая
работа, являются одними из самых распространенных патогенных
минералов, образующихся в организме человека и животных (в мочевой
системе, легких, слюнных железах и др.). Кроме того, они встречаются
и в растениях.
Изучение кристаллогенезиса и кристаллохимии оксалатов
кальция в организме человека позволяет понять механизмы патогенной
биоминерализации и открывает новые возможности для решения
широкого круга прикладных задач, направленных на разработку новых
методов профилактики и лечения социально значимых заболеваний,
связанных с литиазом, среди которых наиболее распространённой
является мочекаменная болезнь (уролитиаз). В Санкт-Петербурге и
Ленинградской области оксалатные почечные камни составляют 74.5%
(относительно всех случаев уролитиаза).
Кристаллическая структура уэдделлита и уэвеллита почечных
камней известна (Tazzoli and Domeneghetti 1980), однако влияние на неё
воды исследовано недостаточно полно, что не позволяет
проанализировать, как содержание воды влияет на устойчивость
структуры.
Базовые представления о механизмах формирования мочевых
камней были получены на основании изучения их онтогении (Кораго
1992; Зузук 2001; Полиенко и др. 1997 и др.). Современные
представления о механизмах образования уролитов, представляющих
собой минерал-белковые агрегаты, базируются, в первую очередь, на
результатах модельных экспериментов, свидетельствующих о сложных
многофакторных процессах, проходящих при активном участии
органической компоненты физиологического раствора (Xie et al. 2014;
Sun et al. 2016). Единого мнения по поводу механизмов образования
мочевых камней и особенностям кристаллизации оксалатов кальция
уролитов не существует. Закономерности влияния вещества белковой
природы на их образование и состав требуют уточнения. Роль бактерий
и вирусов в процессе камнеобразования практически не исследована.
Многочисленные экспериментальные данные по кристаллизации
оксалатов кальция, часто плохо согласуются между собой, что
указывает на существенное влияние условий кристаллизации
(температуры, пересыщения, химизма среды и т.д.) на их образование и
устойчивость, а также кинетику кристаллизации.
Цель исследования.
Получение новых знаний по кристаллогенезису и
кристаллохимии оксалатов кальция почечных камней человека.
Основные задачи.
1. Исследование механизма возникновения тонкой
осцилляционной зональности оксалатных почечных камней.
2. Изучение влияния воды на кристаллическую структуру
оксалатов кальция почечных камней; разработка экспрессного
рентгеновского метода определения количества воды в структуре
уэдделлита.
3. Выявление влияния условий кристаллизации (температура,
пересыщение, время, pH, органические и неорганические добавки,
бактерии и вирусы) на фазовый состав оксалатов кальция почечных
камней.
4. Изучение влияния органических и неорганических добавок,
а также бактерий на нуклеацию и рост оксалатов кальция. Выявление
механизма формирования агрегационной структуры оксалатных
почечных камней.
Объекты и методы исследования.
Фактическую основу диссертации составляют результаты
изучения почечных камней, удаленных по медицинским показаниям у
жителей Санкт-Петербурга и Ленинградской области, а также
модельные эксперименты. Образцы камней были паспортизованы
(сопровождены анкетными и медицинскими данными). Синтез
оксалатов кальция осуществляли методом осаждения из растворов при
различных рН (от 4.5 до 7.5) и температурах (от комнатной до 58ºС).
Было проведено две серии синтезов: из растворов, содержащих ионы
кальция и оксалат-ионы (оксалатная система) и из растворов,
моделирующих физиологический раствор по неорганическим
компонентам (биомиметический синтез). В обеих системах изучали
влияние на фазообразование органических и неорганических добавок,
которые входят в состав раствора в норме и патологии (аминокислоты,
белки, питательные среды, ионы магния, натрия, карбонат ионы,
мочевина), а также бактерий и вирусов (кишечная палочка (Escherichia
coli K-12), синегнойная палочка (pseudomonas aeruginosa ATCC 27853),
клебсиелла (Klebsiella pneumoniae 4140), золотистый стафилококк
(staphylococcus aureus 474-ВПХ), гепатит, ротавирус, коксаки В).
Периоды индукции кристаллизации оксалатов кальция определяли
визуально.
Собранная автором коллекция почечных камней (1351 образец)
и продукты синтезов были исследованы широким комплексом методов:
монокристальная и порошковая рентгенография (в том числе при
высоких температурах), ИК-спектроскопия, поляризационная и
электронная микроскопия, биологические методы, гранулометрический
анализ, спектрофотометрический метод. Метод монокристального
рентгеноструктурного анализа применяли для уточнения
кристаллических структур уэдделлитов и уэвеллитов почечных камней
с различным содержанием воды; порошковую рентгенографию – для
определения фазового состава мочевых камней и продуктов синтеза,
определения параметров элементарной ячейки биологических и
синтетических оксалатов кальция, изучения перехода двуводного
оксалата кальция в одноводный при нагревании, а также при
количественном анализе методом Ритвельда соотношения
синтезированных фаз оксалатов кальция с различным содержанием
воды; ИК-спектроскопию – для фазового анализа почечных камней;
поляризационную и электронную микроскопию – для изучения
структуры камней и выявления включений других фаз; биологические
методы (рассев фрагментов камней на питательных средах) – для
выявления и определения с помощью специализированных атласов
видового состава микроскопических грибов, а также бактерий в
почечных камнях разного фазового состава; гранулометрический анализ
– для получения кривых распределения кристаллов оксалатов кальция,
полученных в различных условиях, по размерам;
спектрофотометрический метод – для изучения адсорбции глутаминой
кислоты на одноводном оксалате кальция. Для изучения тонкой
осцилляционной зональности уэвеллитовых почечных камней был
применен фрактальный анализ профилей зональности в оттенках серого
цвета, построенных по фотографиям шлифов.
Научная новизна.
Впервые получены статистические характеристики
осцилляционной зональности уэвеллитовых почечных камней по
органическому веществу, что позволило с учетом данных модельных
экспериментов предложить генетический механизм ее возникновения.
Оценены пределы вариаций содержания воды в оксалатах кальция
почечных камней, их влияние на кристаллическую структуру
уэдделлита и ее стабильность. В условиях модельных экспериментов
получены новые данные по влиянию на оксалатное камнеобразование в
организме человека условий кристаллизации (температура, pH, время,
химизм среды), а также бактерий и вирусов. Предложен механизм
формирования почечных камней агрегационной структуры. Результаты
работы расширили знания о кристаллогенезисе и кристаллохимии
патогенных минералов живых организмов и внесли свой вклад в
развитие теории оксалатного камнеобразования в организме человека.