Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Экспериментальные подходы и использованные методы 16
1.1. Методы исследования вещества органо-минеральных агрегатов 16
1.1.1. Объекты исследования 16
1.1.2. Методы разделения минеральной и органической компонент 17
1.1.2.1. Мочевые камни 18
1.1.2.2. Желчные камни 19
1.1.3. Методы исследования морфологии и структуры камней, их фазового и элементного состава 25
1.2. Методики изучения камнеобразующих сред 31
1.2.1. Смешанная слюна (ротовая жидкость) 31
1.2.2. Желчь 34
1.3. Моделирование фазообразования в прототипах биологических жидкостей 35
1.3.1. Эксперимент по образованию фаз почечных камней 36
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 39
1.4.1. Методика синтеза уэвеллита в условиях, приближенных к параметрам мочи человека 39
1.4.2. Методика синтеза гидроксилапатитов в условиях, приближенных к параметрам мочи человека 41
1.4.3. Методика исследования параметров кристаллизации основных фаз почечных камней 43
Глава 2. Вещество почечных, слюнных и зубных камней. Модели образования 51
2.1. Почечные камни (уролиты) 51
2.1.1. Морфология и текстурно-структурные особенности 51
2.1.2. Неорганическая компонента 56
2.1.2.2. Элементный состав. Связь с минеральной компонентой 66
2.1.2.3. Морфология и состав минеральных индивидов 72
2.1.3. Органическая компонента. Связь с минеральной составляющей 82-
2.1.3.1. Состав белковой компоненты и ее распределение 83
2.1.3.1. Аминокислотный состав белковой составляющей почечных камней 86
2.1.4. Модели образования уролитов 91
2.1.4.1. Параметры физиологического раствора 91
2.1.4.2. Существующие гипотезы формирования почечных камней 94
2.2. Зубные и слюнные камни 109
2.2.1. Морфология и текстурно-структурные особенности 109
2.2.2. Неорганическая компонента 115
2.2.2.1. Минеральный состав 115
2.2.2.2. Элементный состав 119
2.2.3. Органическая компонента 121
2.2.4. Модели образования зубных и слюнных камней 124
2.2.4.1. Параметры камнеобразующей среды 124
2.2.4.2. Существующие гипотезы формирования зубных и слюнных камней 132
Глава 3. Фазообразование в биологических жидкостях организма человека 136
3.1. Термодинамический расчет возможности образования малорастворимых соединений 136
3.1.1. Введение 136
3.1.2. Расчет констант равновесий в системе осадок-раствор 138
3.1.3. Описание методики 144
3.2. Фазообразование в растворе, моделирующем состав мочи здорового взрослого среднестатистического человека 150
3.2.1. Результаты термодинамического расчета 150
3.2.1.1. Условия образования основных фаз почечных камней 1501
3.2.1.2. Диаграммы устойчивости 160
3.2.1.3. Влияние микроэлементов на возможность образования основных фаз 164
3.2.2. Образование фаз почечных камней в условиях эксперимента 167
3.3. Фазообразование в растворе, моделирующем состав ротовой жидкости
среднестатистического человека 171
3.3.1. Результаты термодинамического расчета 171
3.3.1.1. Условия образования основных фаз зубных и слюнных камней 171
3.3.1.2. Диаграммы устойчивости 175
3.3.2. Образование фаз зубных и слюнных камней в условиях эксперимента 176
3.4. Обсуждение результатов моделирования. Сравнение с минеральным составом... 179
Глава 4. Кинетика кристаллизации аналогов минералов, образующихся в живых организмах 183
4.1. Особенности кристаллизации малорастворимых соединений 183
4.2. Математическая модель кристаллизации малорастворимых соединений 190г
4.3. Кристаллизация одноводного оксалата кальция (аналога минерала уэвеллита) 196
4.3.1. Синтез в условиях, приближенных к параметрам физиологического раствора 196
4.3.2. Особенности кристаллизации в условиях эксперимента 197
4.3.2.1. Современное состояние изученности вопроса 197
4.3.2.2. Кинетические характеристики. Влияние примесей 203
4.3.3. Сравнение результатов экспериментальной и математической моделей
кристаллизации оксалата кальция 222
4.4. Кристаллизация основного фосфата кальция (аналога минерала гидроксилапатита) 224
4.4.1. Современное состояние изученности вопроса 225
4.4.2. Кристаллизация в условиях, приближенных к параметрам мочи человека.. 227 4.4.2.1 Синтез в присутствии неорганических и органических добавок 228
4.4.3. Влияние аминокислот и нестехиометричности составов на свойства гидроксилапатита 232
4.4.3.1. Введение 232"
4.4.3.2. Электрокинетические свойства частиц золей 234
4.4.3.3. Вариации среднего размера частиц золей 238
Глава 5. Вещество желчных камней и модели их образования 247
5.1. Введение 247
5.2. Характеристика вещества органо-минеральных агрегатов 250
5.2.1. Морфология, текстурно-структурные особенности и фазовый состав камней 250
5.2.2. Элементный состав 263
5.2.3. Белковая компонента 267
5.3. Желчь как камнеобразующая среда 268
5.3.1. Основные компоненты 268
5.3.2. Индексы литогенности 275
5.3.3. Элементный состав 280
5.3.4. Белковая компонента 282
5.3.5. Структурное состояние желчи 283
5.4. Модели образования желчных камней 287
Заключение. 291
Основные результаты и выводы 294
Список используемой литературы
- Методы разделения минеральной и органической компонент
- Морфология и текстурно-структурные особенности
- Расчет констант равновесий в системе осадок-раствор
- Кристаллизация одноводного оксалата кальция (аналога минерала уэвеллита)
Введение к работе
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 органоминеральных 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, А.А. 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.
Органическая минералогия Прикладная минералогия Палеонтология Поиски месторождений полезных ископаемых Биоминералогия Ботаника Эволюционная физиология Петрография Материаловедение Медицина Биохимия Крисаллография 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 происхо-* дит 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: ортобиогенные, 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 (Fe, Al, Zn, Sr, Ti, 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-, 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 ИППУ 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 фазообразования 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 научноисследовательских 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 сферолитовая структура и прямой рост фаз из пересыщенных растворов. Для фосфатных камней (фосфатные уролиты, дентолиты и саливолиты) характерно зернистое скрытокристаллическое 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 Работа представляет итог 9-летних исследований, выполненных автором в постоянном творческом содружестве с сотрудниками, аспирантами и студентами кафедры кристаллографии Санкт-Петербургского университета, кафедры неорганической химии Омского университета, а также кафедры химии и клинической стоматологии Омской Медицинской академии, кафедры биохимии и микробиологии Омской Аграрной академии, Центром коллективного пользования ИППУ СО РАН г. Омска, институтом минералогии г. Новосибирска и др.
Исследования были частично поддержаны грантами РФФИ (проекты: № 03-05-65278 и № 06-05-65165) и программой Университеты России (проект ур.09.01.351), а также грантами «Молодых ученых» ОмГУ (проекты: № 01.2.006 06.422, № 01.0.40 001544 и №
01.20.0301084). Часть работ проводилась по договору с Областной администрацией г. Омска (2000 г).
Благодарности Я благодарна счастливому стечению обстоятельств, которое дало мне возможность проводить исследования (обучаясь в докторантуре) на кафедре кристаллографии геологического факультета Санкт-Петербургского университета в тесном творческом и просто человеческом общении с сотрудниками университета и других учебных и научноисследовательских учреждений Санкт-Петербурга - интереснейшими людьми, являющимися квалифицированными специалистами в различных областях знаний. Благодарю аспирантов и студентов кафедры кристаллографии СПбГУ и кафедры неорганической химии ОмГУ принимавших участие в исследованиях и являющихся соавторами многих публикаций: П.А. Пятанову, Е.В. Россееву, Е. Ю. Ачкасову, В.Ю. Ельникова, Л.В. Вельскую, Н.Ю. Березину, А. Р. Изатулину и др.
От всей души благодарю за содействие и полезное критическое обсуждение материалов диссертации Ю.О. Лунина, Е.Б. Трейвуса, Т.Г. Петрова, А.К. Гуца, В.И. Вершинину, а также всех сотрудников кафедры кристаллографии СПбГУ и неорганической химии ОмГУ за поддержку.
Считаю своим долгом с благодарностью отметить роль проф. В.Ф. Борбата в выполнении данной диссертационной работы — именно он обратил внимание диссертанта на проблему патогенного образования в организме человека и поставил перед ним задачу проведения исследований в данном направлении.
Особая благодарность моему научному консультанту проф. О. В. ФранкКаменецкой, которая является непосредственным участником работы и инициатором ряда направлений проведенного исследования.
Крайняя признательность также моей семье и особенно мужу, Ю.В. Голованову, за неоценимую помощь и поддержку.
Методы разделения минеральной и органической компонент
Коллекция патогенных органоминеральных агрегатов была сформирована из камней, удаленных по медицинским показаниям в процессе лечения жителей Омска и Санкт-Петербурга. В ее состав входили:
Почечные камни: 181 образец из Омского региона (МСЧ № 6, ОмОКБ, БСМП и Западно-Сибирский Федеральный медицинский центр); 60 из Санкт-Петербурга (Центр ос-теопороза, МЧС № 122 и Военно-медицинская академия им. СИ. Кирова). Образцы были получены как в результате оперативного вмешательства, так и дистанционной литотрип-сии (методика дистанционной литотрипсии заключается в воздействии сфокусированной ультразвуковой волны на почечный камень, что приводит к его фрагментации, с последующим отхождением отдельных его частей через естественные мочевыводящие пути). Около 15 % образцов были из мочеточников, остальные — из почек. Возраст пациентов (мужчин и женщин) - 38-65 лет.
Зубные и слюнные камни: 79 образцов (69 зубных и 10 слюнных, полученных в результате оперативного вмешательства), предоставленных городской стоматологической поликлиникой № 1 г. Омска, и 30 (21 зубных и 10 слюнных) из Санкт-Петербурга (МАПО, ГМУ им. акад. И.П. Павлова, поликлиника № 20 и стоматологическая клиника «ЛИК»). Возраст пациентов (мужчин и женщин) — 25-60 лет.
Желчные Камни: 185 образцов, удаленных оперативным путем у пациентов ряда клинических больниц г. Омска (ОКБ, БСМП, Западно-Сибирский Федеральный медицинский центр). Возраст пациентов (мужчин и женщин) - 45-65 лет.
Все образцы были паспортизированы (сопровождены анкетными и медицинскими данными). Для хранения этих данных и удобства обработки результатов, полученных в ходе исследования, была создана специализированная база данных.
Как было отмечено ранее, особенностью объектов биоминерализации является участие в их строении как неорганического, так и органического вещества.
Перед проведением исследования органоминеральных агрегатов часто необходимо разделить их минеральную и органическую (белковую) компоненты. Эта процедура позволяет определить химический состав каждой из компонент и необходима как при изучении изоморфизма биоминералов, так и при проведении анализа белковых соединений. Наиболее часто для определения белковой компоненты используют метод Бенедикта [23; 121; 211]. В его основе лежит реакция образования окрашенного в фиолетовый цвет комплекса пептидных связей белков с ионами меди в щелочной среде. Интенсивность окраски пропорциональна концентрации белка в исследуемой пробе и может быть определена фотометрическим методом. К достоинствам данной методики можно отнести высокую чув--ствительность (предел обнаружения белка составляет 30 мкг/мл) и простоту исполнения. Однако применение этой методики для анализа белковых соединений ОМА осложнено необходимостью их перевода в раствор, концентрация которого не должна быть меньше нижнего предела обнаружения данного метода. Эффективным способом извлечения белковых соединений из анализируемых образцов и снижения пределов обнаружения при их фотометрическом определении служит экстракционное концентрирование.
Ниже приведены разработанные нами оригинальные методики, позволяющие отделить и количественно определить белковую компоненту ОМА (патент № 2003104252/15(004438) от 12.03.03) [33].
С целью выбора наиболее эффективной экстракционной системы для концентриро вания белковых составляющих уролитов исследована экстракция этих соединений рядом органических растворителей и их смесей (хлороформ, этиловый спирт, хлороформ этиловый спирт.(1:1)), а также проведено изучение зависимости степени извлечения от кратности и времени однократной экстракции. Материалом для исследования послужила коллекция фосфатных (не содержащих струвит - MgNHUPdi 6Н2О) мочевых камней, по скольку белковые соединения в уролитах этого типа представлены главным образом во дорастворимой формой. Эффективность извлечения оценивалась величиной степени из влечения и рассчитывалась по результатам спектрофотометрического анализа водных рас творов сухих остатков органической фазы после испарения экстрагента, при этом за об щее количество белковых соединений в уролитах принималась величина, определенная методом Кельдаля [23; 121; 211].
Изучение влияния природы растворителя на степень извлечения белковых соединений мочевых камней показало, что наиболее эффективным экстрагентом является смесь хлороформа и этилового спирта в соотношении 1:1. Применение данного экстрагента позволяет повысить степень извлечения по сравнению с чистым этиловым спиртом (С2Н5ОН) в среднем на 18,8±2,9 %, а с хлороформом (СНС13)- на 30,8±4,9 %.
Подбор оптимальных условий извлечения относительно кратности экстракций и времени однократного экстрагирования осуществляли на основании полученных значений степени извлечения при определенных экспериментальных условиях (экстрагент хлороформ-этиловый спирт (1:1)). Исходя из полученных данных (табл. 1.1), можно сделать вывод о том, что оптимальная величина времени однократной экстракции составляет три дня, а для достижения степени извлечения 96,9±2,6 % необходимо провести три последовательные экстракции (табл. 1.2).
Морфология и текстурно-структурные особенности
Мочекаменная болезнь распространена очень широко. При возникновении уролитов имеют значение экзогенные и эндогенные факторы. К экзогенным (внешним) факторам обычно относят географический, климатический, экогеологический, диетологический, а также условия труда [305]. К эндогенным (внутренним) — возрастной, генетический, фактор расовой принадлежности и заболеваний. Исследование мочевых камней ведется уже десятки лет. При почечнокаменной болезни (уролитиазе) камни чаще образуются в почках, откуда они могут переместиться в мочеточники и мочевой пузырь, реже - в мочевом пузыре [77; 139; 159; 256; 306; 346 и др.]. Знания об особенностях их морфологии, структуры и минерального состава используются для выявления механизмов образования уролитов, а также для установления причин, лечения и профилактики заболевания.
Существенное значение для понимания процессов образования ОМА имеет морфология камня [139; 175; 254; 354]. Структура камней зависит от их минерального состава (по преобладающей компоненте различают оксалатные, фосфатные и уратные камни) [64; 139; 141; 175; 177; 234; 254 и др.] и морфологии, слагающих из минеральных индивидов (разд. 2.1.2).
В соответствии с классификационными характеристиками, предложенными М.А. Ивановым [146], в изучаемой нами коллекции были отмечены следующие виды морфологии кристаллолитов: гроздевидный (рис. 2.1а), сфероидальный (рис. 2.1г,е), эллипсоидальный (рис. 2.1 в). Иногда встречается сложная коралловидная форма (рис. 2.16), реже комковид-ная с отростками (рис. 2.1д,ж) и лепешковидная (форма с неровной поверхностью) (рис. 2. Із). Чаще сложная форма наблюдается у камней, образующихся в почках. Именно в почках встречаются коралловидные камни, состоящие из «основного» камня и отходящих от него многочисленных отростков (рис. 2.1б,д).
Окраска мочевых камней достаточно разнообразна. Они могут быть от коричневых до белых (рис. 2.1а,б,г,е,з,ж), что связано с их составом. Камни темных оттенков (рис. 2.1е,з,ж) образуются за счет проникновения пигментов мочи (урохром, уроэритрин, гематин). Обычно по цвету камня нельзя судить о его минеральном составе.
Размеры исследованных камней варьируют от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров (рис. 2.1), вес - не более 10 г. В литературе встречается описание более крупных камней. Например, К. Лонсдейл и Д. Сьютор [197], изучая музейные экспонаты, нашли камень из мочевого пузыря весом около 1 кг. Понятно, что для формирования такого огромного камня необходимо было много лет. При большой опасности проведения операции по удалению камня в начале XX века человеку на это «отпускалось» достаточно времени. Сейчас, когда операции на почках и мочевом пузыре проводятся часто, очень редко удается наблюдать такие огромные камни. Как указывают авторы [197], большие камни возникают у мужчин в 2 раза чаще, чем у женщин.
Обычно образуется 1-2 камня (см. рис. 2.1 а,б), но известны случаи, когда одновременно встречалось большое число камней (см. рис. 2.1г,е). Например, описан случай [197], когда при вскрытии удаленной почки в каждой, даже самой мелкой камере были обнаружены камни (в общей сложности больше 6 000 штук) размером от чечевицы до лесного ореха.
Поверхность исследованных мочевых камней в большинстве случаев гладкая, ровная (сфероидальная) (см. рис. 2.1в,г), встречаются камни (см. рис. 2.1а), поверхность которых представлена формами срастающих сферолитов, в том числе коралловидные (рис. 2.16 - комбинация стержневых и сфероидальных форм). Такое различие рельефов поверхности говорит о разнообразии минерального состава камней, а также о разных ус т. ловиях их формирования. Так как большинство почечных камней имеют многокомпонен-тый состав, то четкой зависимости морфологии от минерального состава обнаружить не удается.
Все исследователи в основном делят почечные камни на зернистые (рис. 2.2а) и сфе-ролитовые (рис. 2.26) [64; 139; 141; 175; 177; 234; 254 и др]. Оксалатные и уратные чаще бывают сферолитовыми, чем зернистыми, а фосфатные наоборот. Встречаются также мочевые камни смешанного строения, в которых есть не только сферолитовые, но и зернистые участки. И сферолитовые, и зернистые камни могут быть как одноцентровые (рис. 2.26), так и многоцентровые (рис. 2.3а). Центрами зародышей сферолитов чаще всего является органическое вещество (рис. 2.36). Уратные, оксалатные и уратно-оксалатные камни чаще бывают одноцентровые, оксалатные камни встречаются как одноцентровые (рис. 2.26), так и многоцентровые.
Большинство почечных камней имеют слоистую, часто зональную структуру с чередованием как минеральных и органических слоев, так и слоев различного минерального состава. Слоистость удается наблюдать на разных уровнях исследования как при визуальном изучении срезов крупных камней (рис. 2.4а), так и на электронно-микроскопических снимках отдельных участков образцов (рис. 2.46). Слоистое строение в камнях сфероли-тового типа фиксируется наиболее четко, несколько хуже - в зернистых камнях. Встречается также кавернозная текстура (рис. 2.5а) и реже - однородная (рис. 2.56).
Расчет констант равновесий в системе осадок-раствор
Термодинамическое моделирование в настоящее время является одним из основных методов теоретической минералогии, основы которого были созданы в 1960-1970-е гг. в работах Р. Гаррелса, Г. Хелгесона, И.К. Карпова, И.Л. Ходаковского, Б.Н. Рыженко и др. [111]. Методы термодинамического моделирования получили широкое распространение в геохимических исследованиях для описания процессов минералообразования с участием главным образом разбавленных растворов. Решение задачи включает использование соответствующего критерия, отвечающего состоянию устойчивого равновесия системы, и термодинамически обоснованный выбор ассоциации минералов, которые потенциально могут находиться в равновесии со средой для данной ограниченной области условий.
Метод термодинамического моделирования при всем многообразии решаемых кон кретных задач, как правило, подразумевает получение ответа на один из следующих трех основных вопросов: 1) находится ли система при заданных значениях термодинамических параметров в состоянии равновесия и если нет, то как далека она от этого состояния; 136 2) если система равновесна, то является ли состояние равновесия стабильным; 3) каков равновесный химический и фазовый состав системы при заданных условиях. Термодинамическое моделирование самопроизвольных процессов, протекающих в рассматриваемых системах, сводится обычно к поэтапным расчетам изменения состояния системы в направлении рассчитанного или заданного заранее состояния равновесия. Методологическую основу подобного описания пространственно-временной изменчивости процессов составляют принципы частичного и локального равновесий [180; 210]. Понятие частичного равновесия предполагает, что в неравновесной в целом системе, характеризующейся множеством химических реакций и фазовых переходов, может реализоваться химическое и фазовое равновесие для отдельной (отдельных) химических реакций или фаз. Это означает, что химическое (фазовое) равновесие устанавливается в данной реакции значительно быстрее, чем в других реакциях (фазах), и быстрее, чем изменяются внешние параметры системы. Согласно принципу локального (мозаичного) равновесия, предложенному для неравновесных природных систем Д.С. Коржинским [179; 180], система, в целом неравновесная, может быть равновесной в каждом отдельном элементарном объеме конечных размеров. При этом равновесие понимается в том смысле, что в пределах этого объема можно пренебречь градиентами интенсивных параметров. Таким образом, вместо предельного непрерывного представления системы (или непрерывного протекания процесса) используется дискретное приближение. Кроме того, Д.С. Коржинский подчеркивает, что под установлением равновесия на каждом локальном участке подразумевается взаимосвязь термодинамических параметров, выражаемая, в частности, фундаментальными уравнениями Гиббса и критериями устойчивости.
Ранее были выполнены работы по экспериментальному определению в различных условиях констант растворимости соединений, входящих в состав почечных камней [430]. На основании термодинамических расчетов для монофазных систем получены зависимости «концентрация иона - рН» и «растворимость - рН» [100; 151]. Изучено влияние рН и начальных концентраций компонентов прототипа физиологического раствора (мочи) на фазовый состав осадка [180; 210]. Несмотря на это, термодинамика процессов, протекающих в физиологических системах человека, слабо разработана, при этом она представляет особый интерес, так как позволяет решать конкретные задачи, связанные с отклонением функционирования организма от нормы из-за образования, например патогенных имнералов.
Упрощенную схему равновесия между осадком MpXq и его насыщенным раствором можно представить в виде [12; 13]: МрХЧ(тв) pMm+ (solv) + qXn (solv) MpXq (solv) Вслед за [12] заметим, что речь идет о химических формах (spesies) в водно-солевом растворе, который также может содержать некоторые количества органического вещества. Ш Необходимо отметить, что для некоторых случаев равновесия - может и не быть. Для большинства систем вкладом в материальный баланс раствора, обусловленным химической формой MpXq(solv), можно пренебречь [12].
Термодинамическая константа равновесия (1) (равновесия между малорастворимым соединением и его ионами в растворе) есть термодинамическое произведение раствори мости Ks (величина, постоянная для данного растворителя, температуры, давления): ар -ад Ks= M"f х" , (3.1) aMpXq где а „ — активность катионов малорастворимого соединения, моль/л; а - активность М" Х" анионов малорастворимого соединения, моль/л; а — активность малорастворимого соединения, моль/л; для чистого твердого вещества MpXq а \.
Произведение растворимости является константой равновесия прямого процесса растворения Имеется и противоположный ему процесс ( —), константа равновесия которого будет величиной, обратной произведению растворимости, т. е. будет равна 1/KS. Изменение стандартной энергии Гиббса при образовании осадка связано с произведением растворимости малорастворимого соединения уравнением [46]: дб =-RT\n-\-=RT\nK , (3-2) Ks где AG? v\r— стандартная энергия Гиббса реакции осаждения при температуре Т, кДж/моль; R - универсальная газовая постоянная (R = 8,314 Дж/моль-К); Т - температура, К. Величину произведения растворимости при температуре 298 К можно определить по уравнению (3.2), рассчитав значение изменения стандартной энергии Гиббса реакции ( —) с использованием справочных данных по уравнениям (3.3), (3.4).
Кристаллизация одноводного оксалата кальция (аналога минерала уэвеллита)
Первая (1) соответствует кристаллизации при больших начальных пересыщениях, а вторая (2) - при умеренных и малых. Возможны и промежуточные типы кривых. Наиболее общим является второй тип. На кривой ясно выражены три участка. Первый из них отвечает периоду индукции, в течение которого концентрация практически не изменяется. Индукционные периоды могут наблюдаться при кристаллизации любого вещества. Легче они проявляются для малорастворимых соединений (МРС), которые могут давать большие пересыщения, чем легкорастворимые. Второй участок кривой соответствует быстрой кристаллизации, когда скорость изменения содержания вещества в растворе во времени сравнительно велика. За время, соответствующее этому участку кривой, и происходит образование почти всего осадка. Третий участок соответствует снятию остаточного пересыщения и перекристаллизации осадка, если она вообще в данном случае может происходить.
Кинетика нуклеации и роста Кинетику образования зародышей можно рассматривать как сумму процессов, обусловливающих рост дозародышей и превращение их в кристаллы [241; 257; 326 и др.]. Интенсивность первичного, гомогенного зародышеобразования определяется по формуле: 185 I = К exp a3M3 Г с (4.5) где К - предэкспоненциальный множитель. Физический смысл этого множителя заключается в том, что он фактически представляет собой общее число частиц в системе. Он почти не влияет на изменение величины I, которая главным образом зависит от степени пересыщения раствора; I - скорость образования зародышей; у - коэффициент формы; М — молекулярная масса; р - плотность; Сн и Ср — соответственно концентрации пересыщенного и насыщенного растворов.
Первичное гетерогенное зародышеобразование протекает, когда в растворе присутствует твёрдая примесь [205]. Чем ближе кристаллическая структура примеси и основного вещества, тем эффективнее её действие. Но центрами кристаллизации могут стать и вещества, совершенно не похожие по своей природе на получаемые фазы. В этом случае механизм действия заключается в следующем. Примеси адсорбируют молекулы или ионы кристаллизующегося вещества на своей поверхности. В результате образуется адсорбционный слой, который, постоянно уплотняясь, превращается в слой кристаллического вещества. Таким образом, появляется кристаллическая поверхность, на которой происходит дальнейший рост кристалла.
Скорость первичного гетерогенного зародышеобразования пропорциональна концентрации zi активных первичных центров, обусловленных присутствием твёрдых примесей: dN к «V -j-- .S Zb (4.6) где Ni — число зародышей, образовавшихся по первичному механизму за время х, на единицу массы растворителя; S - разность концентраций пересыщенного и насыщенного растворов; п -порядок первичной нуклеации, который зависит от числа частиц, составляющих критический зародыш.
Константа скорости Ко первичного зародышеобразования для данной кристаллизирующейся системы является функцией температуры, гидродинамических условий, влияния внешних полей и «истории» пересыщенного раствора [171; 196; 218; 304 и др.]. Влияние большинства этих факторов на константу скорости ещё недостаточно изучено, поэтому для простоты.выражения примем их постоянными.
В общем случае активные первичные центры в процессе образования и роста зародышей могут дезактивироваться благодаря включению в растущие кристаллы. Однако при рассмотрении суммарной кинетики первичного и вторичного зародышеобразования дезактивацию активных центров можно не учитывать, поскольку первичная нуклеация играет существенную роль только в начальный период времени, когда число зародышей, а следовательно, и степень дезактивации малы.
Вторичное гетерогенное зародышеобразование протекает, когда в растворе имеются частицы самого кристаллизующегося вещества. При небольших пересыщениях они вырастают в более крупные кристаллы, и образование новых центров кристаллизации вообще не происходит. Если же пересыщение велико, то и рост, и образование новых зародышей происходит одновременно [218; 241; 345].
