CC BY
68
УДК 541.1
П. Á. ПЯТАНОВА В. Ф. БОРБАТ О. А. ГОЛОВАНОВА
Омский государственный университет
КОМПЛЕКСНОЕ ИЗУЧЕНИЕ СОСТАВА И СТРОЕНИЯ ПОЧЕЧНЫХ КАМНЕЙ
Проведено комплексное изучение состава и строения почечных камней. Осуществлен термодинамический расчет возможности образования малорастворимых соединений, входящих в состав почечных камней. Полученные данные расчета согласуются с результатами комплексного исследования минерального состава. Выявлены три основные группы камней, отличающиеся макро- и микроэлементным составом, аминокислотным набором органической неминеральной составляющей — фосфатные, оксалатные и уратные. Показано, что органическая неминеральная составляющая играет важную роль в образовании почешых камней,
Введение
Проблема патогенного биоминералообразования в организме человека является актуальной и до конца не решенной. Данной проблематикой занимается биоминералогия, область знаний, в которой за последние два десятилетия достигнуты значительные успехи. Объектом изучения биоминералогии являются биоминеральные агрегаты, их состав, строение, механизмы образования и изменения в условиях замкнутой системы. Патогенные биоминералы, представленные камнями мочевой системы, являются причиной почечнокаменной болезни (мочекаменной болезни) — одного из наиболее частых урологических заболеваний, встречающихся не менее чем у 1-3 % населения [1].
Анализ многочисленных публикаций показывает, что на данном этапе не существует достаточно разработанной теории, объясняющей механизмы образования почечных камней. Следовательно, появляется необходимость в детальных исследованиях состава и строения почечных камней, что может явиться теоретической основой для понимания механизма их образования.
С целью выяснения механизма формирования почечных камней авторами было проведено комплексное изучение состава и строения камней мочевой системы и осуществлен теоретический расчет возможности образования малорастворимых соединений, слагающих почечные камни, в растворе, моделирующем мочу здорового взрослого среднестатистического человека.
Объекты и методы исследования
Объектами исследования послужили мочевые камни, удаленные у жителей Омской области путем оперативного вмешательства и дистанционной лито-трипсией в количестве 171 образца.
Для определения минерального состава почечных камней использовались методы рентгенофазового анализа (ДРОН-3, СиКа и СоКа-излучение, идентификация фаз проводилась по картотеке АБТМ) и ИК-спектроскопии (Бресогс)-751Я, образцы готовились ме-
тодом прессования таблеток с КВг, расшифровка ИК-спектров проводилась с помощью атласа ИК-спектров, разработанного А. Hesse, G. Sanders для анализа состава почечных камней. [2]).
Для изучения органической неминеральной составляющей применялся метод ионообменной хроматографии (аминокислотный анализатор Т-339).
Элементный состав почечных камней исследовали: методом спектрального анализа (СТЭ-1) [3], методом рентгенофлуоресцентного анализа с синхротронным излучением (накопитель ВЭПП-3 на станции элементного анализа ИЯФ СО РАН, программа «Axil»), методом рентгеноспектрального микрозондового анализа петрографических шлифов (микроанализатор «Сат-ebax-Micro», программа RMA-92).
Для изучения строения почечных камней и морфологии минералов использовались методы растровой-электронной микроскопии (микроскоп «BS-350» фирмы «Tesla») и оптической микроскопии (микроскоп БИ-15).
Результаты и обсуждение
Для определения условий образования малорастворимых соединений, входящих в состав почечных камней, из литературных источников были взяты данные о составе мочи здорового взрослого человека [4,5] и термодинамические данные о свойствах веществ [6,7,8]. На первом этапе рассчитывались термодинамические произведения растворимости (ПРТ"Л) и растворимость (S) тех соединений, которые либо обнаружены в мочевых камнях, либо могут образоваться в гипотетическом растворе исследуемого ионного состава. Расчет ПРТ'А и S был сделан при температуре 310 К. Однако в реальных условиях, в присутствии посторонних веществ, создающих ионную силу, которой нельзя пренебречь, равновесие образования малорастворимого соединения описывается концентрационным произведением растворимости. Расчет ионной силы нами был проведен с учетом влияния pH раствора. Значение водородного показателя мочи здорового человека может варьироваться от 4.5-8.0 в течение дня, в зависимости от питания, образа жизни, условий внешней среды [5]. Ионная сила нашего раствора в
Таблица 1
Растворимость исследуемых малорастворимых соединений в диапазоне рН 4.5 - 8.0
соединение 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7 0 7.5 80
Са5(Р04)30Н 1.5*10"3 6.9*10"4 3.2*10"" 1.5*10"4 7.3*10"5 3.8*10"5 2.2-10"5 1.4*10"5
СаС204 2.7*10"1 2.3*10" 2.2*10"4 2.2*10"" 2.1*10"" 2.1*10"4 2.1*10"" 2.1*10"
МдМ4Р04 0.56 0.26 0.12 5.8*10'2 2.0*10"2 1 5* Ю-2 8.3*10'3 5.2*10'3
СаНРО„ 2.1*10"2 1.2*10"7 6.В*10"3 3.9*10"3 2.3*10'3 1.5Ч0"3 1.1*10"3 1.0*10"3
С5Н4М403 6.6 *10" 6.9*10'" 8.0 *10" 1.0*10"' 1.6Ч0"3 2.8 *10*3 4.9*10"3 8.5*10'3
СаСОз(к) 3.6 1.1 0.37 0.13 5.5*10"2 2.6*10"2 1.4*10"2 7.6*10"3
СаСОэ(ар) 4.5 1.4 0.48 0.17 6.9*10"2 3.5*10'2 1.7*10"2 9.6*10 3
МдСОз 1.9*102 61 20 7.2 2.9 1.4 0.73 0.40
Са3(Р04)2(?) 3.1*10'2 1.2*102 4.9*10"3 2.0*10'3 8.3*10"" 3.7*10"" 1.9*10"" 1.1*10"
Са3(Р04)2(?) 6.7*10"2 2.7*10'2 1.1*10"2 4.4*10'3 1.8*10"э 8.5*10"4 4.3*10" 2.5*10""
Мдэ(Р04)2 11 4 3 2.8 1.1 0.29 0.13 6.8*10"2 4.0*10"2
СаЭО., 4.0*10'2 4.0*10'2 4.0*10"2 4.0*10"2 4.0*10"2 4.0*102 4.0*10"2 4.0*10"2
диапазоне рН 4.5-8.0 изменяется в пределах от 0.289 до 0. 329 М. Сравнение численных значений термодинамических и концентрационных растворимостей исследуемых малорастворимых соединений показало, что ионная сила оказывает относительно небольшое влияние на растворимость. При проведении расчетов в данной сложной системе необходимо учесть, что в исследуемом растворе возможно протекание процессов протолитического взаимодействия ионов малорастворимого соединения с водой. Для расчета равновесий в таких системах используют условное произведение растворимости, рассчитанное с учетом мольной доли ионов в зависимости от рН раствора.
Результаты расчета растворимости солей (исходя из условного произведения растворимости) в исследуемых условиях приведены в табл. 1. Анализ полученных данных (табл. 1) показывает, что наибольшую вероятность образования в исследуемом диапазоне рН имеют апатит (Б = 6.9' 10"4 -И .4*10'5 моль/л) и оксалат кальция (Б = 2.7* 10"4 н- 2.1 * 104 моль/л). Это согласуется с результатами исследования минерального состава мочевых камней пациентов Омского региона (табл.2). Проявление апатита в мочевых камнях несколько ниже, чем оксалатов, но также значительно выше, чем других минералов (табл.2). Необходимо отметить, что на растворимость оксалата кальция, по сравнению с растворимостью апатита, рН оказывает незначительное влияние. Возможно, этим можно объяснить высокий процент оксалатного уролитиаза у больных (табл.2).
Согласно полученным экспериментальным данным частота встречаемости мочевой кислоты также велика. Известно, что растворимость мочевой кислоты сильно зависит от рН среды, с уменьшением рН возрастает мольная доля неионизированной мочевой кислоты, которая малорастворима в водных растворах и, следовательно, может выпасть в осадок. Наиболее вероятный диапазон рН образования осадка мочевой кислоты 4.5-5.5 — где растворимость составляет (Б = = 4.8" 10'"47.1 * 104 моль/л).
Таблица 2
Относительная частота встречаемости минералов в составе почечных камней
Минерал,соединение Относительная частота встречаемости, %
Уэвеллит СаС2О4*Н20 40,7
Уэдделлит СаС20,*2Н20 16,4
Струвит МдМН4Р04*6Н20 5,5
Апатит Са5(Р04, СОэ)э(ОН,Р) 23,8
Мочевая кислота С5Н4М403 9,3
Мочевая кислота дигидрат С5Н4М40з*2Н20 0,9
Диоксид кремния БЮг 0,6
Витлокит (Са,Мд)3(Р04)2 1,8
Аморфный фосфат кальция Са„(Р04)у 0,6
Урат аммония С5Н203М4(МН4)2 0,3
Растворимость кристаллических форм других фосфатов кальция (табл.2) в диапазоне рН 4.5-6.5 велика (Б =0.06710 " +8.3*10 4 моль/л), но при рН 7.0-8.0 растворимость уменьшается от 8.5* 10"4 до 1. Г10'4 моль/л. Эти значения растворимости больше, чем растворимость оксалата кальция и апатита в этом же диапазоне рН. Значит, вероятность образования кристаллических этих форм фосфата кальция в диапазоне рН 4.5-8.0 невелика. По результатам исследования мине-
0,0025
0,002
* 0,0015
0,001
0,0005
—♦ - мочевая кислота —■— апатит —А— оксалат кальцкя —X— фосфат кальция (?)
' фосфат кальция(?) —•— гидрофосфат кальция Рис. 1. Зависимость растворимостей исследуемых малорастворимых соединений от рН раствора.
рального состава (табл.2) частота встречаемости Са1(РО„)2 (витлокита) составляет 1,9% в коллекции камней из Омской области.
Вследствие высокой растворимости гидрофосфата кальция (5 = 2.1 *10"2-И.0*10'3моль/л), карбонатов кальция (5 = 4.5+7.6*10'3 моль/л), сульфата кальция (5 = = 4.0*10"2 моль/л), фосфата магнийаммония (5 = = 0.56+5.2*10'3 моль/л), карбоната магния (Б = 1,9*10М).40 моль/л) и фосфата магния (табл. 1), вероятность осаждения данных малорастворимых соединений мала. Приведенные выше соединения (за исключением фосфата магнийаммония) не были найдены в почечных камнях пациентов Омского региона (табл.2).
По данным, представленным в табл. 1, были построены зависимости растворимостей наименее растворимых в данных условиях соединений (Са5(Р04)30Н, СаС204, С5Н4Ы4Оэ, Са3(Р04)2 (а), Са3(Р04)2 (Р),) от рН раствора (рис.1).
Анализируя полученные зависимости (рис.1), можно выделить две области рН, где преимущественно может образоваться то или иное малорастворимое соединение.
Так, в диапазоне рН 4.5 — 5.5 наибольшую вероятность образования имеют оксалат кальция и мочевая кислота, также в данном диапазоне высокая веро-
ятность их совместного осаждения. Согласно экспериментальным данным по определению минерального состава почечных камней парагенезис уэвеллит+ + мочевая кислота является характерным (рис.2).
В диапазоне рН 6.5-8.0 наибольшую вероятность образования имеют апатит и ортофосфат кальция (витлокит), в диапазоне рН 5.5-6.5 кривые зависимости растворимости апатита и оксалата кальция пересекаются — высока вероятность совместного осаждения этих соединений, что полностью подтверждается результатами изучения минерального состава почечных камней жителей Омского региона (рис.2).
Однако для оценки возможности образования малорастворимого соединения в растворе, минеральный состав которого соответствует минеральному составу мочи здорового человека, необходимо рассчитать произведение общих концентраций ионов и сравнить полученные значения с условным произведением растворимости соответствующих малорастворимых соединений.
В результате проведенных расчетов было получено, что при нормальных средних концентрациях ионов в растворе, минеральный состав которого аналогичен минеральному составу мочи здорового человека, возможно образование малорастворимых соединений, таких как гидроксилапатит, оксалат кальция, мочевая кислота, фосфат и гидрофосфат кальция, фосфат магнийаммония. Образование таких соединений, как карбонат кальция и магния, фосфат магния и сульфат кальция в исследуемом растворе, в данных условиях термодинамически маловероятно. Результаты проведенного расчета полностью подтверждаются экспериментальными данными по определению минерального состава почечных камней пациентов Омского региона.
Известно, что присутствие некоторых микроэлементов в составе мочи человека может явиться одним из факторов, влияющих на образование малорастворимых соединений, образующих почечные камни [9,10], Поэтому следующим этапом исследований явилось изучение элементного состава почечных камней жителей Омского региона. Было установлено, что во всех исследованных образцах присутствуют 42 элемента (Са, Р, Мд, 51, Ыа, К, С1,5, Б, Т1, V, Сг, Мп, Ре, Си, 2п, ва, Аб, Бе, Вг, Шэг Бг, У, Ъх, №>, Мо, РЬ, ТЪ, и, Ад, Сс1,1п, 5п, БЬ, Те, I, Се, Ва, Ьа, Се, А1), также определено их количественное содержание. Полученные результаты были обработаны кластерным анализом. В результате кластеризации были выявлены три основные группы: фосфатные, оскалатные и уратные, отличающиеся по содержанию в них макро- и микроэлементов. Необходимо отметить, что содержание большинства элементов максимально в фосфатной группе и минимально в уратной группе почечных камней.
На основании полученных экспериментальных данных о микроэлементах почечных камней и литера-
оксалатная
Группа почечных камней
Рис.2. Частота встречаемости классификационных групп почечных камней.
□ фосфаты ■ оксалаты ■ ураты
5 +-
1 2 11
1П_
ГИщЦЦЦ-^
Рис. 3. Результат кластеризации почечных камней по содержанию аминокислот.
турных сведений о составе мочи [4] можно выделить основные микроэлементы Ре, 2п, 5г, Т1, А1, Си, присутствие которых может повлиять на образование малорастворимых соединений кальция и магния. Были рассчитаны концентрации оксалат-, фосфат-, карбонат- и сульфат —ионов, необходимых для образования малорастворимых соединений кальция, магния и данных микроэлементов при заданном рН. Анализ полученных данных показал, что образование малорастворимых соединений микроэлементов с анионами раствора маловероятно при таких малых концентрациях катионов металлов, в данном диапазоне рН и в присутствии больших количеств кальция и магния. В дальнейших расчетах микроэлементы Ре, 7м, Зг, ТЪ, А1, Си были рассмотрены при расчете в качестве комплексообразователей. Анализ полученных результатов показал, что свободные катионы металлов могут оказать влияние на процесс образования малорастворимых соединений кальция и магния в исследуемой минералообразующей среде. Однако утверждать однозначно, что микроэлементы препятствуют камнеобразованию, нельзя, поскольку микроэлементы, возможно, находятся в моче в связанной с органическими компонентами форме.
Таким образом, в результате проведенных расчетов было установлено, что при нормальных средних концентрациях ионов в растворе, минеральный состав которого аналогичен минеральному составу мочи здорового человека, возможно образование малорастворимых соединений, таких как гидроксилапатит, оксалат кальция, мочевая кислота, фосфат и гидрофосфат кальция, фосфат магнийаммония. Однако для того, чтобы установить механизм формирования почечных камней, состоящих из данных малорастворимых соединений, необходимо изучить органическую неминеральную составляющую данных патогенных биоминералов, которая, возможно, играет роль в процессе патогенного биоминералообразоваиия. Исследование состава органической неминеральной составляющей почечных камней жителей Омского региона позволило определить наличие 14 аминокислот и их количественное содержание. Результаты количественного определения аминокислот в составе почечных камней были обработаны кластерным анализом. В результате кластеризации получены три основные группы (рис.3) —фосфатные, уратные и оксалатные камни. Таким образом, для каждой из трех основных групп камней (оксалатных, фосфатных и уратных) характерен строго определенный
качественный и количественный набор аминокислот в органической неминеральной составляющей.
По результатам количественного определения содержания аминокислот и микроэлементов был проведен корреляционный анализ (табл.3). Исходя из полученных данных, элементы селен и йод, по-видимому, имеют ярко выраженное сродство к белковой составляющей, поскольку их содержание в камнях зависит от содержания аминокислот с коэффициентами корреляции, являющимися значимыми при данном числе опытов и уровне значимости 0,01. Возможно, что Бе, I присутствуют в мочевой системе в связанной с аминокислотами форме, и поэтому могут стать центрами кристаллизации при образовании почечных камней.
Наличие и ведущая роль органического вещества в почечных камнях подтверждается также результатами изучения морфологии и строения почечных камней. Для фосфатных, уратных и оксалатных камней характерно сферолитовое строение. Уратные и фосфатные камни часто представлены одним сферо-литом, центром которого является сгусток органического вещества, кроме того, многочисленные концентрические зоны органического вещества наблюдаются в разрезе камня, Оксалатные камни образуют как одноцентровые, так и многоцентровые сферо-литы, центры которых располагаются на разных уровнях, наблюдается массовое выпадение сгустков органического вещества на поверхность растущего камня, с формированием вокруг них сферолитов. Также выявлены основные формы локализации органического неминерального вещества: ядерная (в центре агрегата); прослоечная (концентрические и лучевые прослойки); диффузная (в виде вкраплений в кристаллы минералов и органической матрице).
Выводы
На основании проведенного комплексного исследования состава и строения почечных камней можно сделать следующие выводы:
1. Результаты термодинамического расчета возможности образования малорастворимых соединений в гипотетическом растворе, моделирующем минеральный состав и рН мочи здорового среднестатистического взрослого человека показывают, что в данном растворе возможно образование малорастворимых соединений, таких как гидроксилапатит, оксалат кальция, мочевая кислота, фосфат и гидрофосфат кальция, фосфат магнийаммония. Результаты проведенного расчета полностью подтверждаются экспериментальными данными по определению ми-
Таблица 3 Результаты корреляционного анализа
Элемент Коэффициент корреляции
Ti -0,35162
V 0,476848
Cr -0,40501
Mn 0,181887
Fe -0,31140
Ni 0,540307
Cu 0,518222
Zn -0,00676
Ga -0,29054
As -0,1429
Se 0,749426
Br 0,429362
Rb 0,517409
Sr 0,21341
Zr 0,500196
Nb -0,37345
Mo -0,48934
Ag 0,28601
Cd -0,17344
In 0,285969
Sn 0,305515
Sb 0,285942
Те -0,16597
1 0,962378
Cs -0,31993
3a. 0,399476
Ce 0,281599
Th, -0,1784
Pb 0,408845
нерального состава почечных камней пациентов Омского региона.
2. Выявлены три основные группы почечных камней, отличающиеся макро- и микроэлементным составом и аминокислотным набором органической неми-
неральной составляющей — фосфатные, оксалатные и уратные камни,
3. Органическая неминеральная составляющая играет ведущую роль при образовании почечных камней.
4. Установлена корреляционная зависимость между содержанием элементов (селен, йод) и содержанием аминокислот в почечных камнях.
Библиографический список
1. Тикткнский О.Л., Александров В.П. Мочекаменная болезнь. - СПб.. Медицина, 2000. - 384 с.
2. Albrecht Hesse und Georg Sanders. Atlas of Infrared Spectra for the Analysis of Urinary Concrements. — Georg Thieme Verlag. Stuttgart; New York, 1988. - 192 p.
3. Использование метода спектрального анализа для определения микроэлементного состава почечных камней / Голованова O.A., Пятанова П.А., Струнина H.H., Байсова Б.Т. // Журнал прикладной спектроскопии. — 2003. — Т.70. - № 3. - С. 432-434.
4. Бородин Е. А. Биохимический диагноз. 4.1. — Благовещенск, 1989. - 77 с.
5. Серняк П.С. и др. Значение суточных колебаний pH мочи в распознавании химического состава мочевых камней // Урология и нефрология. — 1984, — №3. — С. 21-26.
6. Справочник химика. Т 1,3. Под редакцией Никольского Б. П. - Д.: Химия, 1971. - 612 с.
7. Рябин В.А. Термодинамические свойства веществ. - Л.: Химия, 1977. - 392с.
8. Карапетянц М. X. Основные термодинамические ков станты неорганических и органических веществ. — М.: Химия, 1968. - 460 с.
9. Wandt М.А.Е., Underhill L.G. Covariance biplot analysis of trace element concentrations in urinary stones // British Journal of urology, - 1988. - №61. - P. 474- 48!.
10. Leskovar Р., Härtung R., Schneider H. Die hemmung der kristallkeimbildung und des Wachstums von Ca-oxalat-krisfallen durch wasserlösliche aluminium und eisen (II)-salze // Urologia Treviso. - 1979. - 46. - №4,- P. 447-453.
БОРБАТ Владимир Федорович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой неорганической химии.
ГОЛОВАНОВА Ольга Александровна, кандидат химических наук, доцент кафедры неорганической химии.
ПЯТАНОВА Полина Анатольевна, аспирант кафедры неорганической химии.
Во время работы конференции.
