CC BY
78
ХИМИЯ CHEMISTRY
УДК 548.31: 544-971
йй! 10.25513/1812-3996.2019.24(2).66-73
КАРБОНАТ КАЛЬЦИЯ КАК КОМПОНЕНТ ЖЕЛЧНЫХ КАМНЕЙ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
О. А. Голованова, С. С. Леончук
Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского, г. Омск, Россия
Информация о статье
Дата поступления 25.03.2019
Дата принятия в печать 11.04.2019
Дата онлайн-размещения 05.07.2019
Ключевые слова
Термодинамическое моделирование, карбонат кальция, организм человека, желчные камни, желчь
Аннотация. Проведен анализ 75 образцов желчных камней, установлено, что при кристаллизации происходит образование в большей степени метастабильных модификаций СаС03 - фатерита и арагонита. В результате термодинамического моделирования установлено, что при физиологических условиях организма человека в норме образование карбоната кальция не является естественным самопроизвольным процессом, однако при увеличении концентрации осадкообразующих ионов, соответствующем определенным изменениям состояния организма человека в патологии, а именно -возникновении локальных высоких пересыщений в желчи, данные изменения могут приводить к формированию зародышей твердой фазы СаС03 и дальнейшему образованию желчных камней.
CALCIUM CARBONATE AS A COMPONENT OF HUMAN GALLSTONES AND THERMODYNAMIC CONDITIONS FOR ITS FORMATION
O. A. Golovanova, S. S. Leonchuk
Dostoevsky Omsk State University, Omsk, Russia
Article info
Received 25.03.2019
Accepted 11.04.2019
Available online 05.07.2019
Abstract. An analysis of 75 samples of gallstones was carried out; it was established that, during crystallization, the formation of mostly metastable CaCO3 modifications, vaterite and aragonite, occurs. As a result of thermodynamic modelling, it was found that under the normal physiological conditions the formation of calcium carbonate is not the natural spontaneous process, however, with the increasing the concentration of precipitating ions, which corresponds to certain pathological changes in a state of the human body, namely, the occurrence of local high supersaturations in the bile, it can lead to the formation of nucleuses of the solid phase of calcium carbonate and further formation of gallstones.
Keywords
Thermodynamic modelling, calcium carbonate, human body, gallstones, bile
Введение
В настоящее время среди заболеваний пищеварительной системы человека особое место занимает желчнокаменная болезнь (ЖКБ, холелитиаз) ввиду ее высокой распространенности. Желчнока-
менная болезнь представляет собой общемировую проблему, решение которой кроется в детальном изучении физико-химических механизмов образования литогенной желчи и желчных камней. Несмотря на постепенное снижение смертности по причине
заболеваний желчного пузыря, наблюдается уверенный рост заболеваемости холелитиазом. Известно, что в настоящее время желчнокаменной болезнью страдает более 10 % населения планеты, и при сохранении существующих темпов роста заболеваемости данный показатель к 2050 году возрастет до 20 % [1-3]. По распространенности среди всех болезней современного человека ЖКБ занимает лидирующие позиции, уступая лишь сердечно-сосудистой патологии и сахарному диабету, а среди заболеваний пищеварительной системы холелитиаз, по мнению ряда ученых, занимает первое место, хотя некоторые авторы считают ЖКБ второй проблемой в гастроэнтерологии после язвенной болезни [1].
Для желчнокаменной болезни характерна территориальная дифференциация заболеваемости, связанная с различием в приоритетности тех или иных факторов риска для разных стран и народов. Так, холелитиазом страдает менее 10 % населения Китая, Японии и Тайланда, 10-20 % взрослого населения США, стран Европы, России и Индии, почти 30 % мексиканцев и 60-70 % американских и канадских индейцев [1; 3; 5].
К факторам риска, определенным эпидемиологическими исследованиями, относятся возраст, генетическая предрасположенность, лишний вес (ожирение, метаболический синдром), сахарный диабет, неправильное питание («диета западного типа»), гиподинамия, цирроз печени, гепатит С и некоторые другие [1; 4; 5]. Однако несмотря на то, что медициной уже установлены факторы риска развития желчнокаменной болезни, истинные причины, механизмы образования желчных камней до сих пор не установлены [6; 7]. Для понимания этих механизмов необходимо изучение состава желчных камней и условий их кристаллизации набором высокоточных физико-химических методов.
Состав желчных камней (холелитов) отличается в зависимости от условий кристаллизации и причин их формирования [6]. Обычно их классифицируют по содержанию холестерина на три основные группы: пигментные (содержание холестерина до 20 %), смешанные (20-69 %) и холестериновые (более 70 %), но существуют и другие классификации, например, деление камней на холестериновые (более 20 % холестерина и менее 1 % примесей металлов) и фосфа-тидно-белковые или пигментные (менее 20 % холестерина и 20-45 % неорганического вещества). При этом важным является присутствие во всех камнях солей кальция. Особое внимание соли кальция заслуживают потому, что они тесно связаны с процес-
сами нуклеации и кристаллизации холестерина, а по мнению ряда авторов, являются ключевым фактором в определении механизма образования желчных камней [6; 7].
В настоящее время до конца не определены физико-химические причины и механизмы образования желчных камней, однако существует ряд теорий, принятых научным сообществом на основании данных о составе желчных камней. Согласно положениям мицеллярной теории транспорта холестерина желчи и ее физико-химическим обоснованиям, процесс формирования холестериновых камней включает следующие этапы: перенасыщение желчи холестерином, нуклеация и преципитация кристаллов моногидрата холестерина (через стадию образования и агломерации жидких кристаллов), агрегация кристаллов в микролиты и их рост при дальнейшей кристаллизации [6]. При этом от степени перенасыщения и условий кристаллизации зависят дисперсные характеристики образуемых осадков [8].
Однако по мнению ряда ученых, уровня перенасыщения желчи холестерином, который достигается в реальности, недостаточно для формирования «чистых» холестериновых зародышей кристаллизации: спонтанная нуклеация холестерина требует очень перенасыщенных растворов с перенасыщением порядка 300 %. Такая концентрация холестерина в желчи физиологически невозможна для человека. Поэтому образование ядер холестериновых кристаллических камней происходит в результате гетерогенной кристаллизации с участием солей кальция, билирубина и др. [7; 9].
Цель работы - определение состава желчных камней и термодинамическое моделирование процессов осаждения карбоната кальция как основной неорганической фазы желчных камней при варьировании параметров модельного раствора.
Экспериментальная часть
При определении состава желчных камней использована коллекция из 75 камней, удаленных оперативным путем у пациентов хирургических отделений Областной клинической больницы и Больницы скорой медицинской помощи г. Омска. Для получения максимально полной информации о составе исследуемых образцов были экспериментально подобраны экстрагенты, позволяющие достичь растворения холестерина и его удаление. В качестве них использовали хлороформ, этанол, их смесь в соотношении 3:1 и метил-трет-бутиловый эфир, а также ацетон. Усредненную пробу желчного камня в количестве 0,1 г растворяли в 5,0 мл растворителя.
Наибольший процент извлечения (~ 98 %) был достигнут при использовании в качестве растворителя ацетона. После экстракции для дальнейшего исследования брали 1,5 мг нерастворимого осадка.
Для определения фазового состава использовали дополняющие друг друга методы порошковой рентгенографии (ДРОН-3М, СиКа) и ИК-спектроско-пии. Изучение морфологии осуществлялось с помощью методов бинокулярной, поляризационной и электронной микроскопии.
При построении термодинамической модели процессов образования твердой фазы в системе Са2+ - С032- в качестве прототипа желчи был использован гипотетический раствор, минеральный состав (неорганические макрокомпоненты), температура, ионная сила и рН которого соответствуют средним значениям данных показателей желчи здорового взрослого среднестатистического человека (см. табл.). Влияние органической составляющей желчи на первом этапе не учитывалось.
Содержание ионов в желчи [6; 12; 13]
Величина Показатель в норме
От До Среднее
РН 6,5 8,0 7,25
C, ммоль/л
Na+ 130 280 205
K+ 2,7 15,0 8,85
Ca2+ 1,2 12,0 6,6
Mg2+ 1,3 3,0 2,15
Cl- 14,5 126 70,25
HCO3- 8,0 55 31,5
Теоретической характеристикой возможности формирования твердой фазы карбоната кальция, который гипотетически может образовываться в исследуемой модельной системе, является справочное значение произведения растворимости карбоната кальция при температуре 310 К: Кэр°, 310 (СаС03) = = 4,47-10-9 [10; 11].
Ионная сила раствора для исследуемой системы рассчитывается с учетом постоянных концентраций ионов, входящих в состав желчи, и задаваемых (изменяемых) концентраций ионов Са2+ и СО32-по формуле (1):
I=~2ZiCiZ?,
(1)
где С, - концентрация /-го иона в растворе, моль/л; г, - заряд /-го иона.
Значения коэффициентов активности ионов рассчитываются по уравнению Дэвиса (2):
0,3 •/), (2)
где у- коэффициент активности /-го иона в растворе.
Условные произведения растворимости Кэр0(усл) рассчитаны по уравнению (3) с учетом коэффициентов активности ионов и протекания реакций прото-лиза с участием СО32-:
к:
0 усл
к0
sp
Ya'YB'XAXB 2-
(3)
Мольные доли ионов СО^" рассчитывались при различных значениях рН раствора по уравнению материального баланса (4) с использованием справочных значений констант диссоциации угольной кислоты [10]:
хв = [вх~усв = (ка1ка2 ...Кап) /ан3о+]п + +ка1[н3о+у~1 + Ка1Ка2[Н30+Г~2 +
^ ь ка1ка2 ...кап. (4)
Для количественной оценки возможности образования малорастворимого соединения АхВу (СаС03) в изучаемой системе использовались значения индексов пересыщения Б!, вычисленных по формуле (5):
5/ = lgn=lg
1
х+у
= lg
0 усл
х+у
(5)
где О - пересыщение, возникающее в системе для данного соединения.
Движущую силу процесса кристаллизации характеризовали изменением свободной энергии Гиббса ДС в системе при переходе этой системы от пересыщенного состояния к равновесному (уравнение (6)):
я т
AG = -RTlntt = -— ln
х+у
lA aB
Оусл
(6)
При Б! > 0 и ДС < 0 раствор является пересыщенным по отношению к термодинамически равновесному его состоянию, вследствие чего происходит образование кристаллической фазы.
Все рассматриваемые физико-химические процессы в исследуемом модельном растворе считаем равновесными и протекающими при постоянной температуре, равной 310 К.
Результаты и их обсуждение Анализ состава желчных камней. Морфология исследуемых желчных камней достаточно разнообразна (рис. 1). Присутствуют камни овальные (как правило, единичные); имеющие форму «тутовых ягод» с зернистым строением внешнего слоя; граненые (фасеточные) - всегда множественные; агрега-тивные, возникающие при срастании нескольких первичных камней с последующим обрастанием общими слоями.
Чаще они имеют размеры от нескольких миллиметров до 1 см в поперечнике, реже наблюдаются камни до 2-5 см и более и даже достигают размеров 7,5 х 4 см и 11 х 13 см и весом 8 г и 101 г соответственно (рис. 2).
в г
Рис. 1. Морфология желчных камней: а) овальные; б) в форме «тутовых ягод»; в-г) граненые (фасеточные)
Рис. 2. Уникальный желчный камень: размер 3,5 х 3,6 х 6,8 см, вес 36 г
Цвет камней: от светлых оттенков до темно-коричневых и даже черных. Чаще всего масса камней колеблется от 0,5-0,8 до 1,5 г и реже от 3-4 до 8 г. На рис. 2 представлен уникальный по размерам камень (3,5-3,6-6,8 см) и весом 36 г.
Рентгенофазовый анализ коллекции желчных камней, состоящей из образцов разной морфологии и цвета, выявил наличие холестерина в качестве основного компонента в 90 % образцов. После экстракционного удаления холестерина с помощью РФА
I, имп/сек.
1500 -1
удалось обнаружить различные модификации карбоната кальция: в семи случаях фатерит, в пяти - арагонит, фатерит и кальцит. Привлечение ИК-спектро-скопии для анализа желчных камней после экстракции холестерина ацетоном позволило выделить дополнительно билирубин в большинстве образцов (65 %) (рис. 3) и натриевую соль желчной кислоты в единичных случаях (рис. 4). Кроме того, в нерастворимых осадках были выявлены карбонаты кальция (арагонит, кальцит): арагонит вместе с пигментом, кальцит - с холестерином.
х о л е с т е р и н
1000 -
500 -
4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 2©шСи К Рис. 3. Рентгенограмма желчного камня, сложенного фатеритом и холестерином (основные рефлексы холестерина находятся в области 200 от 2 до 24)
0
4000,0 3000 2000 1500 1000 400,0
cm-1
Рис. 4. ИК-спектр билирубина (пигмент конкрементов)
Таким образом, разработанный способ экстракционного отделения холестериновой компоненты позволил определить более пестрый спектр веществ, входящих в состав желчных камней.
С помощью комплексного исследования установлено, что от общего числа образцов коллекции холестерин присутствует в 92 % исследованных камней; холестерин с добавками билирубиновой компоненты - в 6 %; различные модификации карбонатов кальция (арагонит, фатерит, кальцит) в холестериновых камнях - (16 %) с преобладанием фатерита (9 %).
Проведенный анализ показал, что в составе желчных камней преобладают метастабильные модификации карбоната кальция, а именно фатерит и арагонит. Можно предположить, что установленное распределение соединений в составе исследуемых образцов желчных камней связано с физико-химическими свойствами раствора, в котором они образо-
Рис. 5. Диаграммы зависимости SI от рСа2+ и рС032 в модельном растворе при рН = 5 и 9
Для термодинамического описания равновесия «осадок - раствор» в системе, в которой протекает образование малорастворимого карбоната кальция, было построено поле устойчивости (рис. 7). Поле устойчивости СаС03 представляет собой трехмерную диаграмму (поверхность) в координатах рСа2+ - рС0з2- - рН, принцип построения которой заключается в установлении функциональной зависимости показателя минимальной концентрации Са2+, которую необходимо создать для начала осаждения фазы СаСОз при определенном значении рН раствора и концентрации С032-: рСа2+ = ^рС032-; рН).
вались, а именно с процессами кристаллизации карбоната кальция, которые могут выступать зародышами при гетерогенной кристаллизации желчи.
Термодинамическое моделирование. На основании расчетных данных в диапазоне рН от 5,0 до 9,0 единиц (физиологической нормой рН желчи считается диапазон от 6,5 до 8,0 ед. [6; 12; 13]) и при варьировании показателей концентраций рС ионов Са2+ и С032- от 0,5 до 6,0 ед. были построены диаграммы функциональных зависимостей SI = ^рСа2+; рС032-) при различных значениях рН модельного раствора. Для наглядности на рис. 5 представлены две таких диаграммы: при рН = 5 и рН = 9.
Для соответствующих значений индексов пересыщения были вычислены величины ДС при варьировании рН и построены диаграммы зависимостей ДС = ^рСа2+; рС032-), на рис. 6 представлены диаграммы при рН = 5 и 9.
Рис. 6. Диаграммы зависимости AG от pCa2+ и pCO32 в модельном растворе при pH = 5 и 9
При этом область над критической поверхностью характеризует условия, при которых формирование фазы СаС03 невозможно, а область ниже данной поверхности - условия образования твердой фазы [14].
На основании построенной диаграммы можно сделать вывод об устойчивости системы Са2+ - С032-и спрогнозировать характер изменения равновесия при варьировании условий. Используя средние значения рН желчи и концентрации ионов Са2+и НС03-(табл.), по диаграмме на рис. 7 можно определить, будет ли возможным образование твердой фазы СаС03 в реальных условиях.
Рис. 7. Поле устойчивости CaCO3 в модельном растворе при pH от 5 до 9
Исходя из того, что рН = 7,25, рСа2+ = 2,18 и РНСО3- = 1,50, на диаграмме на рис. 7 можем наблюдать, что система находится в состоянии, при котором невозможно образование твердой фазы (выше критической плоскости). Критическое значение рСа2+ = 1,9 для параметров рН = 7,25 и рНС03- = 1,50, тогда как усредненное значение, соответствующее норме, рСа2+ = 2,18. Для рассчитанных значений также наблюдается отрицательное значение индекса пересыщения Б1 = -0,4 и положительное значение изменения свободной энергии Гиббса в системе ДС = 2,6 кДж/моль. Это значит, что при физиологических условиях в норме образование твердой фазы СаС03 не является самопроизвольным процессом. Также при постоянстве всех прочих факторов концентрация ионов Са2+, в соответствии с расчетными значениями, может варьироваться в пределах С(Са2+) = 6,6-12 ммоль/л, не образуя в системе твердой фазы СаС03 (что соответствует пределам концентраций в норме по данным табл.). Однако стоит отметить, что данный интервал невелик и что значения Б1 и ДС для нормального состояния системы близки к нулю. Это позволяет сделать предположе-
ние о возможности образования локальных пересыщений в желчи, достаточных для образования и дальнейшего роста твердой фазы в случае небольшого увеличения концентрации осадкообразующих ионов или снижения рН, что может соответствовать определенным патологическим изменениям в работе печени и желчного пузыря [6; 7; 15].
Заключение
В результате проведенного термодинамического моделирования образования карбоната кальция в модельном растворе желчи (неорганический состав), установлено, что при функционировании организма человека в норме кристаллизации карбоната кальция не происходит. При анализе состава желчных камней выявлено, что при патологии происходит образование в большей степени метаста-бильных модификаций СаС03 - фатерита и арагонита. Таким образом, возникновение локальных высоких пересыщений осадкообразующих ионов в желчи может привести к формированию зародышей твердой фазы СаС03 и дальнейшей кристаллизации желчных камней.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вахрушев Я. М., Хохлачева Н. А. Желчнокаменная болезнь: эпидемиология, факторы риска, особенности клинического течения, профилактика // Архив внутренней медицины. 2016. № 3 (29). С. 30-35.
2. Stinton L. M., Shaffer E. A. Epidemiology of Gallbladder Disease: Cholelithiasis and Cancer // Gut and Liver. 2012. Vol. 6, no. 2. P. 172-187.
3. Stinton. L. M., Myers R. P., Shaffer E. A. Epidemiology of gallstones // Gastroenterology clinics of North America. 2010. Vol. 39, no. 2. P. 157-169.
4. Shaffer E. A. Gallsones disease: Epidemiology of gallbladder stone disease // Best Practice & Research Clinical Gastroenterology. 2006. Vol. 20, no. 6. P. 981-996.
5. Acalovschi M., Lammert F. The Growing Global Burden of Gallstone Disease // World Gastroenterology News. 2012. Vol. 17, no. 4. P. 6-9.
6. Голованова О. А. Желчные камни : монография. Омск : Наука, 2012. 126 с.
7. Тихонов Д. Г. Патогенез желчнокаменной болезни // Якутский медицинский журнал. 2015. № 4. С. 9196.
8. Франке В. Д., Гликин А. Э., Котельникова Е. Н., Плоткина Ю. В., Шугаев А. И., Козлов А. В. Кристалло-генезис желчных камней // СпБГУ, МАПО. СПб., 2008. С. 323-325.
9. Njeze G. E. Gallstones // Nigerian journal of surgey. 2013. Vol. 19, no. 2. P. 49-55.
10. Haynes W. M. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 97th ed. Boca Raton: CRC Press, 2010. 2760 p.
11. Koniqsberqer E., Koniqsberqer L. Thermodinamic modeling of crystal deposition in humans // Pure Appl. Chem. 2001. Vol. 73, no. 5. P. 785-797.
12. Коротько Г. Ф. Физиология системы пищеварения. Краснодар : Изд-во ООО БК «Группа Б», 2009.
608 с.
13. Физиология человека: учебник / под ред. В. М. Покровского, Г. Ф. Коротько. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Медицина, 2003. 656 с.
14. Корольков В. В. Физико-химические закономерности образования дисперсий в системе CaCh -(NH4)2C2O4 - H2O : дис. ... канд. хим. наук. Омск, 2018. 132 с.
15. Сагдатова А. А. Распространенность, клинико-генетические особенности желчнокаменной болезни в Республике Башкортостан : дис. ... канд. мед. наук. Уфа, 2018. 136 с.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Голованова Ольга Александровна - доктор геолого-минералогических наук, профессор, профессор кафедры неорганической химии, Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского, 644077, Россия, г. Омск, пр. Мира, 55а; e-mail: golovanova2000@mail.ru.
Леончук Сергей Сергеевич - студент химического факультета, Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского, 644077, Россия, г. Омск, пр. Мира, 55а; e-mail: ssleonchuk@yandex.ru.
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ
Голованова О. А., Леончук С. С. Карбонат кальция как компонент желчных камней и термодинамические условия его образования // Вестн. Ом. ун-та. 2019. Т. 24, № 2. С. 66-73. DOI: 10.25513/1812-3996.2019.24(2).66-73.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Golovanova Olga Aleksandrovna - Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, Professor, Professor of the Chair of Inorganic Chemistry, Dostoevsky Omsk State University, 55a, pr. Mira, Omsk, 644077, Russia; e-mail: golovanova2000@mail.ru.
Leonchuk Sergey Sergeevich - Student of the Faculty of Chemistry, Dostoevsky Omsk State University, 55a, pr. Mira, Omsk, 644077, Russia; e-mail: ssleonchuk@ yandex.ru.
FOR GTATIONS
Golovanova O.A, Leonchuk S.S. Calcium carbonate as a component of human gallstones and thermodynamic conditions for its formation. Vestnik Omskogo universi-teta = Herald of Omsk University, 2019, vol. 24, no. 2, pp. 66-73. DOI: 10.25513/1812-3996.2019.24(2).66-73. (in Russ.).
