Биоминеральные образования патогенной природы в организме человека

Авторы: Пальчик Н.А., Столповская В.Н., Григорьева Т.Н., Мороз Т.Н.

Методы исследования.

Сложность внутреннего строения большинства патогенных ОМА, многокомпонентный состав и неравномерность распределения минеральных составляющих по объему требуют специальных методов их исследования. Широко и с большим успехом используются традиционные методы, такие как химический, термический, спектральный, рентгенографический и ряд других. Однако они включают процедуру разрушения образца и дают сведения в основном об усредненном составе. Поэтому для изучения патогенных биоминеральных образований с ритмическим строением на первый план выступают методы инфракрасной и рамановской спектроскопии в микроаналитическом варианте [5], позволяющие проводить анализ послойно или в заданной точке при минимальном разрушении образца и даже иногда исключая его вовсе. Появились публикации, где метод рамановской спектроскопии используется для анализа состава желчных камней непосредственно в организме с помощью оптического волновода. Разработан метод низкотемпературного плазменного окисления [6] для удаления органических компонентов из образца и последующего анализа неорганических составляющих при низких их содержаниях, успешно опробованный при исследовании желчных камней. Широко используются методы электронно-зондового анализа для контроля химического состава образца в конкретной области и электронной микроскопии, позволяющей "видеть" самые подробные детали внутреннего строения.

Уролиты.

Мочекаменная болезнь известна с древних времен и мочевые камни обнаружены, например, в египетских мумиях. Систематическое исследование их ведется уже десятки лет. Причины территориального распространения мочекаменной болезни до сих пор неясны и требуют дальнейшего изучения. Лонсдейл и Сьютер [7], которые проанализировали 2000 уролитов из медицинских музеев всего мира, отметили зависимость между частотой заболевания и родом занятий, полом, проживанием в сельской и городской местностях. Вернесс и др. [8], изучая урину здоровых и больных людей, обнаружили в ней помимо солей и органических соединений большое количество кристаллов различных минералов, среди которых преобладал гидроксилапатит, присутствовали вевеллит, ведделлит, иногда брушит, кристаллы мочевой кислоты, цистина. Высокое содержание минеральных выделений в моче не обязательно ведет к образованию камней. Но исследования Вернесса и др. показали, что "камнеобразующие" пациенты имеют большее количество кристаллов в моче, чем здоровые люди.

По упрощенной схеме образования уролиты возникают в силу ряда причин в результате кристаллизации вещества из водной системы (мочи) вокруг зародышей разной природы, чаще кристаллических, или сгустков органического вещества, и последующего послойного отложения минеральных и органических составляющих, подобно росту годовых слоев у ствола дерева. Мочевые камни весьма разнообразны по форме, характеру поверхности, окраске и размерам. Размеры пробегают интервал от самых маленьких до очень крупных, достигающих величины более, чем 10 х 20 см в поперечнике и весом до 1 кг. Описаны камни размерами 23 х 16 см и даже 40 х 35 см в наибольшем сечении, причем последний весил > 1,2 кг. Но особенно впечатляет случай извлечения из почечной лоханки 80-летней женщины камня весом 5,5 кг, который рос в течение 61 года. Одновременно у пациента наблюдается 1-2 камня, иногда же почки буквально напичканы огромным числом камней, насчитывающим тысячи штук величиной от чечевицы до лесного ореха. В их сложении принимают участие порядка 70 различных соединений органического и неорганического состава, кристаллических и аморфных и самый широкий спектр минералов. Характерной особенностью мочевых камней является определенная ритмичность в росте, являющая следствием цикличности протекания физиологических процессов в организме человека, и определяющая широко распространенное зонально-слоистое строение. Такие камни характеризуются чередованием слоев разного состава, ибо разные вещества кристаллизуются при определенных значениях рН, также подверженных периодическим изменениям в организме. Так, соли фосфорной кислоты выпадают только при щелочной реакции мочи, а щавелевой - только при кислой [9]. Вся история формирования камня видна на его разрезе через центр, где прослеживаются, наряду с отдельными слоями, следы перекристаллизации в центральной части, внутренние трещины, перерывы в процессе роста с признаками растворения ранее образовавшихся слоев и прочие детали, являющиеся свидетельствами динамичности условий их образования и несущие богатую информацию о генезисе этих ОМА.

Нами изучена коллекция образцов биоминеральных образований мочевой системы человека с разной патологией (из них 2 камня одного и того же пациента, извлеченные с интервалом в несколько лет), любезно предоставленная хирургами и пациентами урологических отделений ряда больниц г. Новосибирска. Эти образцы существенно различаются по форме и поверхности (правильная шаровидная или эллипсоидальная, или неправильная, иногда очень сложная с ровной , гладкой, или бугорчатой поверхностью, друзовидной, пористой, или усеянной многочисленными мелкими кристаллами), по размерам (от 3мм до 67мм) и окраске (от почти белого и светло-серого до буро-желтого и темно-коричневого). Исследовался валовый состав проб. Для некоторых образцов проведен анализ по зонам от центра до поверхности. Рентгенограммы получены на дифрактометре ДРОН-УМ, CuKa - излучение. ИК-спектры записаны на спектрометре Specord 75 IR. Образцы готовились методом прессования таблеток с KBr. Идентификация спектров проводилась сопоставлением со спектрами чистых компонентов и их смесей, приведенных в атласе мочевых камней [9].

По результатам рентгенографического анализа биоминеральные образования мочевой системы можно объединить в три основные группы: оксалаты, фосфаты и ураты (мочевая кислота и ее соли). Оксалаты представлены, как правило, вевеллитом с незначительной примесью апатита и реже ведделлитом. Фосфаты сложены струвитом разной степени кристалличности, реже слабо окристаллизованным апатитом, а также смесями апатита с витлокитом, апатита со струвитом и органической фазой, апатита и вевеллита. В апатитсодержащих образцах отмечается большое количество рентгеноаморфной фазы. Наиболее интересны образцы, состоящие в основном из апатита, поскольку апатит, являясь физиогенным биоминералом в живом организме, присутствует почти во всех патогенных образованиях, а в кальцификатах на сердечных клапанах -это единственная фаза и, как правило, основная в минеральной составляющей камней слюнных желез и зубных камней. По данным ИК-спектроскопии апатит в мочевых камнях высококарбонатный (3.7-4% СО₃^2-) с большим количеством воды, в том числе структурносвязанной. В образцах, где апатит присутствует в смеси с витлокитом, на ИК-спектрах полосы поглощения СО₃^2- ионов менее интенсивны, в соответствии с долей апатита в образце. После нагревания преимущественно апатитсодержащих уролитов до 1000^оС полностью исчезает рентгеноаморфная фаза, а апатит приобретает высокую степень кристалличности, и рентгенограмма его идентична таковой природного островного даллита. Термический анализ показал, что эти образцы содержат органическое вещество в количестве 6-7%. Необходимо отметить, что апатит во всех патогенных минеральных образованиях имеет низкую степень кристалличности, а в мочевых камнях он наиболее слабо окристаллизован. В то же время, окристаллизованность струвитов меняется в большом диапазоне. Вевеллит, ведделлит и ураты на рентгенограммах имеют всегда ярко выраженные картины с полным набором дифракционных рефлексов. Рентгенограммы некоторых образцов представлены на рисунке 1.

Рис.1. Рентгенограммы уролитов пациентов разного возраста: 1) ведделлит- СаС2О42Н2О, примесь вевеллита-СаС2О4Н2О, апатита-Са5(РО4)3ОН; 2) вевеллит, небольшая примесь апатита; 3) струвит- МgNН4РО46Н2О с примесью апатита.

Метод ИК-спектроскопии имеет ряд преимуществ по сравнению с рентгендифракционным анализом в исследовании патогенных биоминералов. По характеристическим полосам в ИК-спектре можно распознать плохо окристаллизованные и даже аморфные вещества и провести количественную оценку содержания фаз. Так, в образце, состоящим в основном из ведделлита, рентгенограмма которого приведена на рисунке 1, соотношение фаз ведделлит, вевеллит, апатит по ИК-спектрам оценено как 70:20:10 соответственно (рис. 2).

Фосфат не всегда представлен апатитом. Иногда при малом его содержании или отсутствии, в области 1000-1150см^-1 четко проявляются три равновеликие компоненты с иной конфигурацией полосы, чем у апатита. Вероятно, это трикальциевый фосфат, что не противоречит данным рентгенографии [11]. Количество фосфата в образцах с основной фазой вевеллитом составляет от 1 до 10 %. Образцы, сложенные

Рис.2. ИК-спектры почечных камней: 1) ведделлит, вевеллит, апатит; 2) вевеллит, фосфат.

струвитом, иногда содержат до 20% апатита. Анализ уролитов, удаленных у одного и того же пациента с интервалом 5 лет, показал, что состав их остался без изменения. Это свидетельствует о том, что причина их образования осталась прежней.

На электронномикроскопических снимках образцов мочевых камней при увеличении в 1000 раз и более мы наблюдаем разные микроструктуры - от хорошо выраженных кристаллов до гелеобразных бесформенных масс (фото 1), согласно условиям их кристаллизации и дальнейшей истории развития.

Результаты спектрального анализа показали, что во всех проанализированных образцах, помимо кальция, фосфора и магния присутствуют Na, Si, Fe, Mo, Zr, часто отмечается Pb, Cu, Ti, Zn и Sr, и очень редко K, Mn, Ga, Be, Ag, причем они обнаружены только в центральных и средних частях уролитов. Наличие и количественное соотношение некоторых элементов меняется от центра образца к его поверхности.

далее>>