Содержание к диссертации
Введение
1. Мочевые камни 7
Литературные данные 7
1.1. Виды и составы мочевых камней 7
1.2. Методы изучения состава мочевых камней 15
1.3. Экспериментальнаячасть 26
1.3.1. Методы определения общего состава мочевых камней,полученные Результаты и их обсуждение 26
1.3.1.1. Дифракционные методы (качественный и количественный анализ) 26
1.3.1.2. Термогравиметрия (определение кристаллизационной воды в составе оксалатов) 48
1.3.1.3. Ик-спектроскопия (качественный и количественный анализ) 49
1.3.1.4. Спектрофотометрия (определение содержания белка) 53
1.3.1.5. Газовая хроматография с пламенно-ионизационным детектором (определенеие органических небелковых компонентов) 55
1.3.1.6. Электронная микроскопия с рентгеноспектральным микроанализом (изучение микроструктуры и количественный элементный анализ) 58
1.3.2. Оценка твердостимочевыхкамней 66
1.3.2.1. Связь между твердостью и характеристиками мочевых камней 68
1.3.2.2. Связь между твердостью мочевых камней in vitro и плотностью in vivo 73
2. Моча 87
2.1. Литературныеданные 87
2.1.1. Методы изучения состава мочи 88
2.1.1.1. Клинические методы 89
2.1.1.2. Химические методы 89
2.1.1.3. Физико-химический метод (безреагентная ионная хроматография) 89
2.2. Экспериментальная часть 90
2.2.1. Клиническое и химическое исследование 90
2.2.2. Физико-химическое исследование 90
3. Корреляции между составом мочевых камней и составом мочи 96
3.1. Влияние ионного состава мочи на камнеобразование 96
3.2. Роль полученных корреляций в метафилактике МКБ 99
4. Теории камнеобразования и процесс роста мочевых камней 108
4.1. Теории роста мочевых камней (по литературным и нашим данным) 109
4.2.модели роста мочевых камней (по нашим данным) 121
5. Применение информационных технологий 125
5.1. Методология изучения мочевых камней 127
5.2. Математические методы распознавания образов 129
5.2. Программа lithosest 131
Список цитированный литературы 141
- Дифракционные методы (качественный и количественный анализ)
- Методы изучения состава мочи
- Роль полученных корреляций в метафилактике МКБ
- Методология изучения мочевых камней
Введение к работе
Актуальность темы. Наблюдаемая в настоящее время тенденция к междисциплинарности в решении имеющихся проблем в каждой области знания не обошла и медицину, в частности, урологию. Выбор метода лечения мочекаменной болезни (МКБ) и метафилактических мероприятий напрямую зависит от состава и строения мочевых камней, состава мочи, в которой произошло их образования и рост, и связи между ними, что требует усилий не только медиков, а также специалистов в других областях науки (химия, математика, информационные технологии).
На сегодняшний день известны работы по определению качественного и количественного фазового состава мочевых камней, в основном, рентгенографическим методом (Лонсдейл К.И. и Сьютор Д. 1971; Каткова В.И. 1996; Голованова О.А. 2009 и др.) и частично методом ИК-спектроскопии (Голованов С.А. 2002), элементного состава рентгенофлуоресцентным методом (Борат В.Ф. 2002 и др.) и изучение микроструктуры методом сканирующей электронной микроскопии (Каткова В.И. 1996 и др.). Однако в литературе не представлено описание качественного и количественного анализа многофазных (более 2-х) мочевых камней всех композиций, в частности, фосфатных (разделение апатитов и фосфатов магния). Результаты систематического изучения камней большого размера, включая коралловидные, отсутствуют, а имеющиеся данные ограничиваются лишь определением качественного фазового состава. За исключением небольшого числа работ (Голованов С.А. 2002; Dionex Corporation, 2003) в литературе нет сведений о методах определения в моче таких важных для процесса камнеобразования ионов как оксалат-, цитрат-ионы, мочевая кислота. Все это делает невозможным установление корреляций между составами мочевых камней и мочи - среды их образования.
С другой стороны, развитие и постоянное усовершенствование инструментальной базы, методического и программного обеспечения позволяют применить методы, которые ранее не были доступны, или оптимизировать известные. Эти возможности создают благоприятные условия не только для подтверждения и уточнения имеющихся на сегодняшний день результатов и устранения противоречий, но и для получения новых знаний о мочевых камнях и моче, теории камнеобразовании, что впоследствие позволит научно обоснованно подойти к проблеме предотвращения рецидивов, а также к выбору мер метафилактики МКБ.
Цель данной работы: обоснование, усовершенствование и применение комплекса информативных физико-химических методов для характеризации общего состава мочевых камней, определения состава мочи и нахождения корреляций между ними.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
1. Адаптировать известные и применить новые методы для определения
качественного и количественного общего состава многокомпонентных мочевых
камней in vitro, включающего фазовый и элементный состав, содержание
белковых и небелковых органических компонентов, а также кристаллизационной
воды в ряде конкрементов;
2. Определить содержание ионов-ингибиторов и ионов-катализаторов
камнеобразования в составе мочи с использованием клинических, химических и
физико-химических методов исследования;
-
Установить корреляции между составом и свойствами (твердость in vitro, структурная плотность in vivo) мочевых камней и составом мочи; выявить специфику мочевых камней большого размера, в том числе, коралловидных;
-
Уточнить и расширить теории роста и предложить процесс роста мочевых камней на основе результатов комплексного исследования мочевых камней и мочи;
5. Разработать методологию изучения камнеобразования с использованием
результатов обследования больных МКБ, включающего, в том числе, анализы
мочи и мочевых камней in vivo и in vitro с конечной обработкой полученных
данных с использованием интеллектуальных систем принятия решения.
Научная новизна работы
1. На основании результатов изучения мочевых камней всех композиций комплексом физико-химических методов (дифрактометрия с использованием рентгеновского и синхротронного излучения, ИК-спектроскопия, термогравиметрия, спектрофотометрия, газовая хроматография с пламенно-ионизационным детектором, сканирующая электронная микроскопия с рентгеноспектральным микроанализом; оценка твердости in vitro и определение структурной плотности методом мультиспиральной рентгеновской томографии in vivo) и их анализа впервые:
Разработан рентгенографический экспресс-метод количественного определения содержания отдельных компонентов, входящих в состав многофазных (двух, трех и более) мочевых камней, в том числе, и смесей апатитов (карбонатапатит, гидроксилапатит и карбонатгидроксилапатит) и фосфатов магния (струвит и гексагидрат смешанного фосфата магния и калия), которые успешно разделены качественно и количественно; предложен рентгенографический и термогравиметрический методы определения количества кристаллизационной воды в составе оксалатов;
Оптимизирован метод Лоури для количественного определения белковых компонентов, и впервые применен метод газовой хроматографии с пламенно-ионизационным детектором для качественного и количественного определения ряда небелковых компонентов (ацетальдегид, ацетон, пропан-2-ол, бутан-1-ол, пропионовая кислота, уксусная кислота, этанол). Установлен разный характер распределения белка, коррелирующий с элементным составом, и небелковых компонентов по объему уратов, оксалатов и фосфатов;
Предложена оценка фазового состава мочевых камней (ведделлит, мочевая кислота, дигидрат мочевой кислоты, урат аммония, карбонатапатит, гидроксилапатит, карбонатгидроксилапатит, струвит, брушит) на основе особенностей их морфологии с использованием метода сканирующей электронной микроскопии;
Выявлена связь между твердостью мочевых камней, с одной стороны, и характером микроструктуры, наличием текстуры, количеством
кристаллизационной воды и количеством белка в составе мочевых камней, с другой стороны. Найдена связь между твердостью мочевого камня in vitro и структурной плотностью in vivo;
Показано, что мочевые камни большого размера представлены преимущественно оксалатами и оксалатно-уратными смесями, а коралловидные - фосфатами и фосфатно-оксалатными смесями, редко уратами и оксалатами. Для больших камней найдено изменение от центра к периферии как фазового состава камня (центральная часть камня представлена оксалатом или фосфатом, а периферия, соответственно уратом или оксалатом), так и элементного (во внутренней части камней элементный состав менее разнообразен, чем на внешней);
С использованием предложенного и примененного комплекса методов исследования мочевых камней изучены камни предстательной железы, в результате чего найдено, что в их составе преобладают фосфаты (апатит), центр камня более разнообразен по элементному составу, в состав камней предстательной железы в большинстве случаев входит белок в количестве —50 масс. %, подтверждена связь твердости камней предстательной железы с содержанием белка, найденная для мочевых камней.
2. Анализ результатов определения состава мочи комплексом методов
(клинический: общий анализ, суточная экскреция, бактериологическое
исследование; химический: ферментативный анализ, титриметрия; физико-
химический: безреагентная ионная хроматография) позволил впервые:
Предложить диапазоны нормальных показателей в моче ионов, участвующих в камнеобразовании (NO2, NO3, и изоцитрат [(СН2)2С(ОН)2(СОО]з] ионов) и подтвердить известные для NH4 , Na , К , Mg , Са , СГ, S(V", PCV ", цитрат- [(СН2)2С(ОН)(СОО)з] " и мочевой кислоты.
Объяснить расхождение результатов определения ионов РО4 и мочевой кислоты методами клинического исследования мочи (суточная экскреция) и безреагентной ионной хроматографии.
3. Сопоставление результатов изучения состава мочевых камней и мочи
позволило впервые установить связь между составом камня (оксалат, урат,
фосфат), с одной стороны, а с другой стороны, с концентрацией иона -
камнеобразователя (соответственно, оксалат - ион, мочевая кислота, фосфат-ион)
в моче больных МКБ для оценки состава мочевого камня in vitro и с
содержанием цитрат-ионов в моче для оценки риска камнеобразования.
4. На основании литературных и полученных экспериментально результатов
совместного изучения мочевых камней и мочи уточнена и дополнена теория
роста мочевых камней (органическая, коллоидная, инфекционная и
нанобактериальная) и предложен процесс роста камней по двум моделям: при
значительных отклонениях камнеобразующих компонентов от нормы (оксалаты
и ураты) и при колебаниях концентрации этих компонентов в пределах нормы
(фосфаты).
Практическая значимость
1. Создан банк данных, включающий в себя информацию комплексного обследования больных МКБ. Применены математические методы распознавания
образов для оценки составов камней in vivo, прогноза возможного рецидива и определения типа камнеобразования с использованием различных алгоритмов распознавания.
2. Разработано исполняемое приложение с графическим интерфейсом для наблюдения динамики изменения показателей мочи (программа «Lithos-Test 1»), мочи и крови (программа «Lithos-Test 2») и оценки риска рецидивного камнеобразования. Применение данных программ позволяет выделить отдельные показатели мочи и крови, выходящие за пределы стандартных (т.е. за пределы «нормы»), контролировать динамику содержания в моче камнеобразующих ионов и ингибиторов роста камней, выбрать оптимальные метафилактические мероприятия, индивидуальные для конкретного больного МКБ. Для эффективного распространения и использования программ Lithos-Test 1 и Lithos-Test 2 создан интернет-сайт .
Разработанная методология изучения процесса камнеобразования применяется на кафедре урологии (заведующий кафедрой - член-корреспондент РАМН, профессор Ю.Г. Аляев) Первого МГМУ им. И.М. Сеченова. Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты применения комплекса новых, усовершенствованных и
адаптированных к мочевым камням физико-химических методов для
определения их общего состава (качественный и количественный фазовый состав
и элементный состав, содержание белка и небелковых компонентов) и строения:
дифрактометрия с использованием рентгеновского и синхротронного излучения,
ИК-спектроскопия, спектрофотометрия, термогравиметрия, газовая
хроматография с пламенно-ионизационным детектором, сканирующая
электронная микроскопия с рентгеноспектральным микроанализом; оценка
твердости.
-
Корреляции между составом и свойствами (твердость камня in vitro и структурная плотность камня in vivo) мочевых камней, видами камней различного фазового состава (оксалаты, фосфаты, ураты) и составом мочи (содержание ионов-ингибиторов камнеобразования: цитрат-ионы и ионов-катализаторов: оксалат-ионы, фосфат-ионы, мочевая кислота), определенных химическими и физико-химическими методами, и основанная на них уточненная теория камнеобразования и предложенный процесс роста камней.
-
Методология по результатам изучения процессов камнеобразования, включающая в себя 4 этапа обследования больных МКБ до лечения, после соответствующего лечения, после метафилактических мероприятий с последующей математической обработкой результатов, полученных в рамках предыдущих этапов (нахождение корреляций между составом мочевых камней и мочи - математические методы распознавания образов, оценка динамики изменения показателей мочи и крови - интеллектуальные системы принятия решения).
Личный вклад
Планирование эксперимента, проведение рентгенографических работ, спектрофотометрических исследований, подготовка банков данных для применения математических методов распознавания образов и создания
компьютерных программ, обработка, анализ и обобщение всех экспериментальных результатов выполнено непосредственно соискателем.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Российских и Международных конференциях: II Всероссийская конференция с международным участием «Аналитика России» (Краснодар, 2007), XVIII Менделеевская конференция молодых ученых (Белгород, 2008), Научно-практическая конференция «Научно - техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» (Москва, 2008), Всероссийская конференция по рентгеноспектральному анализу с международным участием (Краснодар, 2008), III Всероссийская конференция с международным участием «Аналитика России» к 175-летию со дня рождения Д.И. Менделеева (Краснодар, 2009), Конкурс проектов молодых ученых в рамках 15-й международной выставки химической промышленности и науки «Химия - 2009» (Москва, 2009), I Международная конференция Российского химического общества имени Д.И. Менделеева «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической и нефтехимической промышленности» (Москва, 2009), Российская научная конференция с международным участием «Фундаментальные исследования в уронефрологии» (Саратов 2009), XVII международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2010), Российская научная конференция с международным участием «Мочекаменная болезнь: фундаментальные исследования, инновации в диагностике и лечении» (Саратов 2011), XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Волгоград 2011), IV молодежная научно-техническая конференция «Наукоемкие химические технологии - 2011» (Москва, 2011), П-Конгресс урологов Сибири с международным участием (Томск, 2013), Первая российская конференция по медицинской химии «MedChem Russia 2013» (Москва, 2013).
Получено 6 дипломов лауреата Российских и Международных выставок, конференций и конкурсов.
Публикации
По результатам диссертационной работы опубликовано 12 оригинальных статей, из них 8, входящих в список изданий, рекомендованных ВАК, а также 19 тезисов докладов на Российских и международных конференциях и семинарах, получены 2 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, списка цитируемой литературы (127 наименований) и 13 приложений. Объем диссертации составляет 218 страниц машинописного текста (154 страницы основного текста), содержит 21 таблицу и 64 рисунка.
Дифракционные методы (качественный и количественный анализ)
Состав мочевых камней условно можно классифицировать на фазовый, элементный и общий. Элементный состав камней определяется химическими и различными спектральными методами (табл. 2). Фазовый состав включает в себя компоненты как кристаллические, так и аморфные (табл. 1), которые идентифицируются, в основном, дифракционными (кристаллические) и спектральными (кристаллические и аморфные) методами. Общий состав наряду с фазовым и элементным предполагает и водорастворимые органические соединения, которые представлены белками [2, 49, 52], гликопротеидами и полисахаридами [49]. Все перечисленные выше вещества активно участвуют в камнеобразовании (ингибиторы или катализаторы роста мочевых камней) [2, 49, 52], формировании макро- и микроструктуры камней [49, 52], а отсюда и их свойств.
Методы изучения мочевых камней [1 – 75] можно разделить на три группы, которые позволяют определить: - общий и фазовый состав: рентгенография с использованием рентгеновского и рентгеновского синхротронного излучения (СИ) - качественный [2-19, 21] и количественный анализ [2, 5, 13], структурный анализ [24, 25]; ИК-спектроскопия качественная [4, 5, 14, 15, 19-21] и количественная [30]; ЯМР-спектроскопия [21], КРС-спектроскопия [19], термогравиметрия [21]; спектрофотометрическое определение по методу Бенедикта органических компонентов таких как белок [2, 5, 19], компоненты с пептидной связью [2, 21], аминокислоты (с использование ВЭЖХ) [19, 28]; - элементный состав: рентгеноспектральный анализ [1, 5, 18, 21, 22, 27, 28], поляризационная микроскопия [20], атомно-абсорбционная [2] и эмиссионная [2, 18, 30] спектроскопия, рентгенофлуоресцентный анализ с использованием СИ [1, 18, 19, 28], количественный микрозондовый анализ [2, 18], газообменный метод [2], ионометрическое титрование [2], цветная катодно-люминесцентная сканирующая спектроскопия [20]; и изучить микроструктуру: сканирующая электронная [2-4, 6-19, 28, 38, 43, 44 57], просвечивающая электронная [19] микроскопия, микротомографическое исследование [2].
Применение Качественный Определение Определение Качественный рентгеновского излучения качественного фазового состава двухкомпонентных мочевых камней: смеси оксалатов, уратов, фосфатов, оксалатно-фосфатные и оксалатно-уратные [1-57]; вевеллит + ведделлит; вевеллит + мочевая кислота; струвит + гидроксилапатит; струвит + витлокит и трехкомпонентных мочевых камней: гидроксилапатит + вевеллит+ ведделлит [2, 11, 15, 19, 29, 30, 32, 37, 38, 39, 46, 65, 67, 68] качественного фазового состава многокомпонентных (2 и более) мочевых камней всех композиций, в том числе: оксалаты (вевеллит, ведделлит); фосфаты(гидроксилапатит, карбонатапатит, карбонатгидрокси лапатит, струвит, брушит); ураты (безводная мочевая кислота, дигидрат мочевой кислоты, урат аммония) анализ смесей фосфатов (карбонатапатит+ карбонатгидроксил-апатит+гидроксилапатит и струвит + гексагидрат смешанного фосфата калия и магния) Количественный Определение фазового состава (полуколичественное с использованием метода эталона): апатит + вевеллит, вевеллит + ведделлит, вевеллит + мочевая кислота [15, 65] Определение количественного фазового состава двухкомпонент-ных мочевых камней: вевеллит + ведделлит; вевеллит + мочевая кислота, вевеллит + струвит, ведделлит + Применение метода коэффициентов для определения количественного составамногокомпонентных (более 2х) мочевых камней: трехкомпонентных – вевеллит + ведделлит + мочевая кислота; мочевая кислота, вевеллит + гидроксилапатит, вевеллит + карбонатапатит; ведделлит + карбонатапатит; мочевая кислота + дигидрат мочевой кислоты, мочевая кислота + кислый урат аммония; карбоантапатит + срувит;карбонатапатит + гидроксилапатит;в евеллит + брушит, ведделлит + брушит вевеллит + ведделлит + гидроксилапатит (иликарбонатапатит), мочевая кислота + дигидрат мочевой кислоты + вевеллит (или ведделлит); карбонатапатит + гидроксилапати + струвит (или карбонатгидроксил-апатит или ватерит); четырехкомпонент-ных: вевеллит + ведделлит+мочевая кислота+ дигидрат мочевой кислоты; карбонатапатит+ гидроксилапатит + карбонатгидроксил-апатит + вевеллит Применениесинхротронногоизлучения Качественный анализ Модельный эксперимент по определению фазового состава камней in vivo: оксалаты, ураты, фосфаты, вевеллит + мочевая кислота, вевеллит + ведделлит [21] Определение фазового состава многокомпонентных камней: вевеллит + ведделлит; мочевая кислота + дигидрат мочевой кислоты; вевеллит + карбонатапатит +гидроксилапатит; ведделлит + брушит Определение наличия примеси в составеоднокомпонентного камня (в пределах 1%): 99% вевеллит + 1% ведделлит Спектральные методы:
ИК-спектроскопия Качественный анализ Определение фазового состава камня: оксалаты, фосфаты, ураты [2, Определение фазового состава камня оксалаты (вевеллит, Медод широко распространен в зарубежной клинической 11, 15, 16, 17, 29, 30, 32, 37, 38, 39, 46, 66, 68];Установление наличия или отсутствия колебаний СО32-, Н2О, ОН, НРО42- вгидроксилаппатитах [2, 11, 15, 29, 46] ведделлит); фосфаты (апатит, струвит, брушит); ураты (безводная мочевая кислота, дигидрат мочевой кислоты); другие (ватерит); Определение состава аморфного фосфатного камня: брушит практике [69-71]
Количественный анализ Определение фазового состава двух- итрехкомпонентных мочевых камней: вевеллит + ведделлит; вевеллит + мочевая кислота; струвит + гидроксилапатит; струвит + витлокит, гидроксилапатит + вевеллит+ ведделлит [17, 65, 68, 72] Определение фазового состава двухкомпонент-ных мочевых камней: вевеллит + ведделлит; вевеллит + мочевая кислота Известна библиотека ИК-спектров модельных смесей всех возможных сочетаний двух- итрехкомпонент ных мочевых камней и программный пакет для определения их количественно го состава с использованием Nicolet FT-IR Spectrometer фирмы Thermo Fisher Scientific [72]
КРС-спектроскопия Качественный анализ Определениефазового составакамней: оксалаты,фосфаты, ураты [2,17];Качественный анализприсутствияорганическихкомпонентов в целом (без деления на белковые и небелковые) [2, 16, 17] ЯМР-спектроскопия Качественный анализ Определение фазового состава камня: оксалаты, ураты [17] Определение элементного состава
Атомно-абсорбционная спектроскопия Количественный анализ Количественный элементный анализ Fe, Mg, Ca, Si, Al, Cu [2, 11, 15, 29, 46, [2, 11, 15, 29, 46] Атомно-эмиссионная спектроскопия Количественный анализ Количественное определение Fe, Mg, Pb, Si, Mn, Ca, Ti, Zn, Al, Cu [2, 11, 15, 29, 46, 78] Цветная катодно-люминесцентная сканирующая спектроскопия Качественный анализ Особенности локализации органических (белки) и неорганических (Са, Mg, Na, K) компонентов [15, 17] Рентгеноспе-ктральный микроанализ (РСМА) Количественный анализ Количественное определение элементов Mg-U [2, 11, 15, 29, 46, 67] Определение количественного элементного состава: элементов с атомным номером 4: С, О, Са, Р, N, Na, K, Mg, I, Si, Cu, Cl, S Поляризационная спекроскопия Качественный анализ Качественный элементный состав: Ca, Mg, Na, K, Al, Si; локализация этих элементов в объеме камня [17] Бинокулярнаяполяризационнаяспектроскопия Микроструктура Определение способа камнеобразования (зональный или зернистый) и распределения элементов Ca, Mg, Na, K по объему камня [2, 11, 15, 29, 46] Микроскопия:
СЭМ Микроструктура Определение вида и формы кристаллов: вевеллит: плоские, ведделлит бипирамидальные, мочевая кислота: объемные призматические, струвит: призматические многогранные [2-4, 15]; определение типа камня по способу роста (зональный или зернистый) [2-4, 8-15, 23, 29, 34, 39, 49] Оценка внешнеговида и формыкристаллитовВевеллит:плоские;ведделлит:призматические;мочевая кислота:объемныепризматические;дигидрат мочевойкислоты: призма;урат аммония:полосчатые;струвит:ромбовидные;карбонатапатит:округлые формы,пластинчатыекристаллы;карбонатгидроксилапатит: оруглыеформы;гидроксилапатит:игольчтые Оценка качественного состава камня по виду микроструктуры. ПЭМ Микроструктура Определение типа камня по способу роста (зональный или зернистый) [15]; определение остаточных бактериальных клеток в удаленных кальциевых камнях [56] Спектрофотометрия
Метод Кельдаля Количественный анализ Определение общего количества белковых компонентов в составе камня [2, 11, 15, 29, 46, 67] Метод Лоури Количественный анализ Количественное определение белка в составе камней всех композиций Усовершенствование метода выделения белковых компонентов из мочевого камня: подбор условий и времени выщелачивания Метод Бенедикта Количественный анализ Определение общего количества компонентов с пептидной связью в составе камня: белков и аминокисилот [2, 11, 15, 29, 46, 67] Хроматографические методы
Методы изучения состава мочи
Как видно из предыдущих разделов, предложенный комплекс методов весьма продуктивно применен для изучения мочевых камней. Возникает вопрос: Могут ли выбранный комплекс методов и полученные корреляции быть использованы для других биоминералов, в частности, для камней предстательной железы?
Простатолитиаз, как самостоятельное заболевание, до сих пор мало изучен. У практически здоровых мужчин с неизменной предстательной железой камни встречаются в 5%, при хроническом простатите - 25-100%, раке предстательной железы - 2-43%, гиперплазии простаты - 50-70%. При этом возраст пациентов в пределах от 21 до 69 лет, т.е. болезнь затрагивает трудоспособное население. Для улучшения методов ранней диагностики также необходимо прежде всего знать составы камней.
Методы изучения камней предстательной железы (КПЖ), применяемые до настоящего времени, можно разделить условно на три группы, которые позволяют определить: - элементный состав (количественный рентгеноспектральный микрозондовый анализ) [79], - фазовый состав (рентгенографический анализ [79, 80] и ИК-спектроскопия [79] – только качественный анализ), - и изучить морфологию (сканирующая электронная микроскопия) [79]. Все камни предстательной железы (КПЖ), описанные в литературе, по фазовому составу можно разделить на 4 вида как и мочевые камни: фосфаты (карбонатгидроксилапатит, гидроксилапатит, струвит, витлокит и др.), оксалаты (вевеллит, ведделлит), ураты (безводная мочевая кислота, дигидрат мочевой кислоты, урат аммония) и другие (органические и неорганические) соединения. Если к настоящему времени экспериментально идентифицировано 57 индивидуальных соединений, входящих в состав мочевых камней, то соединений, составляющих основу КПЖ, экспериментально обнаружено только 11 [79-81] (табл. 17).
КПЖ по способу образования делятся на два вида: эндогенные камни (первичные, образуются из секрета простаты) и экзогенные камни (вторичные, образуются из компонентов мочи). Первичные камни имеют овальную или круглую форму, диаметр их составляет, как правило, от 0.6 до 4 мм (максимальный размер 16 мм). Эти камни твердые с гладкой поверхностью желто-зеленого или ярко-коричневого цвета с компактным ядром из фосфата кальция, преимущественно представленного гидроксилапатитом или витлокитом [139] в сочетании с органическими веществами (протеин, холестерин), окруженными апатитом. Вторичные камни представляют собой множественные образования, отдельные представители которых могут достигать размеров до 10 мм, по составу похожие на мочевые камни, что отличает их от первичных камней, ввиду особенностей их формирования [79, 81].
Элементный состав КПЖ представлен, в основном, углеродом, кислородом, азотом, фосфором, кальцием (т.е. элементами, входящими в состав камней). Но они могут содержать и ионы магния, калия, натрия, цинка, серы, причем ионы цинка часто присутствуют в составе КПЖ (в основном, на его внешней оболочке), так как он содержится в составе секрета простаты. Согласно [79], ионы цинка являются ингибитором камнеобразования в предстательной железе (заметим, что ионы цинка в составе КПЖ нами не были обнаружены).
Для исследования общего состава КПЖ мы использовали рентгенографический метод (количественный и качественный фазовый анализ), ИК-спектроскопию (качественный фазовый анализ), спектрофотометрический метод Лоури (количественное определение белка), сканирующую электронную микроскопию и рентгеноспектральный микроанализ (количественный и качественный).
Из сравнения между собой дифрактограмм безводной мочевой кислоты, входящей в состав двух камней (рис. 37 а, б), видно, что один из них текстурированный (рис. 37 б), т.е. в нем наблюдается преимущественная ориентация кристаллитов вдоль одного направления (в данном случае, текстура с осью зоны 100 ), который был более твердым по сравнению с нетекстурированным камнем (рис. 37 а). (Заметим, что предполагалось образование текстуры у мочевой кислоты, которая нами подтверждена; раздел 1.4.1). Ранее текстурированные образцы были известны лишь для мочевых камней, что сопровождалось повышенной твердостью данных образцов.
В составе смешанных камней с апатитом найден ведделлит (рис. 37 в), вевеллит (рис. 37 г) и смесь (рис. 37 д) с разным соотношением ведделита и вевеллита (табл. 19). Причем апатит представлен карбонатгидроксил- и гидроксилапатитом с разным их содержанием (табл. 19). На сегодняшний день карбонатапатита нами в КПЖ не обнаружено, что согласуется с литературными данными.
Необходимо отметить, что кристаллическое строение выявлено только у уратов и у гидроксилапатита (рис. 37 а, б, ж), причем для мочевых камней, содержащих апатиты, кристаллических фосфатов (рис. 37 ж), получено не было. Вероятно, это связано с тем, что образование КПЖ происходит в меньшем объеме, чем мочевых камней: размер предстательной железы здорового человека по медицинским показаниям составляет 41 мм, а почки – 120 мм. Изученные нами оксалаты и смешанные камни (оксалатно-фосфатные) характеризуются значительной долей аморфной составляющей (рис. 37 в, г, д, е), о чем свидетельствует большой фон на дифрактограммах и расширенные рефлексы. Дифрактограммы центра и периферии КПЖ, состоящего из гидроксилапатита (рис. 37), отличаются: центральная часть состоит из аморфной и кристаллической составляющих, а периферия – только из аморфной (рис. 36, рис. 37 е, ж). Не исключено, что в процессе роста фосфаты из некристаллического (аморфного) вида переходят в кристаллический, что подтверждается и фотографиями микроструктуры: в центре преобладают гладкие, плоские кристаллические образования с большими размерами микрокристаллов ( 1 мкм) (рис. 38 а).
Роль полученных корреляций в метафилактике МКБ
На периферии образца № 8 (гидроксилапатит) (рис. 38 б, в) хорошо видны сферические друзы (диаметр 1 мкм) из сросшихся острых микрокристаллов длиной 0.7 мкм и поперечным сечением 0.3 мкм (рис. 38 б). Такой игольчатый вид кристаллов характерен для гидроксилапатита и карбонатапатита (табл. 10) [87]. Элементный состав внешней и внутренней частей образца № 8 (гидроксилапатит) (табл. 20) значительно отличается: на периферии отсутствует сера, хлор и калий, а в центре не обнаружены азот и магний. Во внешней части количество углерода меньше чем в центральной части, а количество кислорода, кальция и фосфора, наоборот, больше, что сравнимо с элементным составом фосфатного мочевого камня (табл. 13).
Данная работа 20 Рентгенофазовый анализ(качественный и количественный)ИК-спектроскопия(качественныйанализ) 33%: 16,5%-гидроксилапатит 16,5% -карбонатгидроксил-апатит 21%:7%-ведделит,7%-вевеллит,7%-вевеллит+ведделит 13%:13%-безводнаямочевая кислота 33%:13%- вевеллит+гидроксилапатит+карбонатгидроксилапатит, 13%- ведделлит+ гидроксилапатит, 7%- вевеллит+ гидроксилапатит По данным РСМА в состав уратного камня (рис. 37 а) входят только основные компоненты мочевой кислоты (С, H, O), что сравнимо с составом периферии уратного мочевого камня (табл. 13), а на фотографии его микроструктуры (рис. 38 а) наблюдаются хорошо сформированные кристаллические образования, что характерно и для мочевых камней (рис. 23 в).
При сравнении между собой ИК-спектров КПЖ (рис. 39), оказалось, что спектры образцов №1 и №2 (табл. 21) аналогичны, однако их фазовый состав по данным РФА отличается (образец № 1 – карбонатгидроксилапатит, образец № 2 – карбонатгидроксилапатит + гидроксилапатит + вевеллит). ИК-спектр образца №8 (табл. 19) значительно отличается от двух предыдущих: на рис. 39 в можно наблюдать менее интенсивные пики при 1653 см-1, чем на рис. 39 а и 39 б, хотя частоты колебаний (табл. 19) практически не отличаются (т.к. во всех трех образцах преобладают апатиты).
Нами впервые количественно определено содержание белка в камнях предстательной железы методом спектрофотометрии (раздел 1.3.4.). Из рис. 40, на котором представлена вариация содержания белка в составах КПЖ восьми выбранных больных простатолитиазом, видно, что его количество практически во всех КПЖ довольно высокое ( 50 масс. %), за исключением образца № 8 (рис 36).
Рис. 40. Содержание белка в КПЖ (образцы №1-№8) В нем обнаружено всего 2 масс. % белковых компонентов, причем его твердость оказалась самой высокой из всех изученных КПЖ. Это не исключает связь между твердостью камней предстательной железы и содержанием белка, установленная для мочевых камней: содержание белка больше в менее твердом камне.
Из рис. 41 видно, что по сравнению с мочевыми камнями, в КПЖ белковых компонентов явно больше, что обусловлено составом среды их образования. Это подтверждают и данные рентгеноскопии: несмотря на то, что все изученные нами камни имели разный состав, по данным исследований они оказались рентгеннегативными, что обусловлено большим содержанием белка. Рис. 41. Содержание белка в КПЖ и коралловидных мочевых камнях, близких по составу
При сопоставлении данных клинического анализа крови до и после лечения больных с КПЖ найдено, что после лечения концентрация белка в крови понижается (рис. 42). Рис. 42. Сравнение содержания белка в крови пациентов с КПЖ до и после лечения. Точками черного цвета показана концентрация общего белка в крови больных до лечения, красными – после лечения; стрелками указано изменение содержания белка для каждого пациента. Полученные результаты позволяют выявить сходства и отличия камней предстательной железы по сравнению с мочевыми: - преобладающее большинство КПЖ представлено фосфатами ( 33%) и фосфатно-оксалатными смесями ( 30%), остальные 37 % - оксалаты, ураты и оксалатно-уратные смеси. (рис. 43 б), тогда как среди мочевых камней преобладают оксалаты (рис. 43 а); Мочевые камни
Процесс формирования и роста камней происходит в определенной среде, а именно, в моче (табл. 22), т.е. почка и мочевой пузырь являются естественными кристаллизаторами, в которых образуются, растут и растворяются мочевые камни. Поэтому изучение мочи, ее химического и биологического состава, процессов, протекающих в ней, является неотъемлемой частью изучения проблемы патогенного камнеобразования.
Моча – биологическая жидкость (фильтрат крови), вырабатываемая почками и выводимая из организма по системе мочевых путей. Она служит для удаления конечных продуктов обмена веществ, избытка воды и солей, а также посторонних веществ, в том числе и токсических. Образование и отделение мочи является составной частью механизма поддержания постоянства внутренней среды организма.
В частности, цитрат-ион препятствует процессам кристаллизации, повышает растворимость оксалатов и ряда других камней и способствует растворению уже сформировавшихся конкрементов [65]. Низкие концентрации ионов NH4+, Na+ и K+ (с их содержанием связано и содержание ионов Cl- и NO3-) приводят к недостатку цитрата-иона - ингибитора роста камней (ингибирующей способностью также обладают ионы SO42-), а повышенное содержание ионов Ca2+ и С2О42- способствует образованию, прежде всего, оксалатов. Кроме того, увеличение концентрации мочевой кислоты и ионов магния в моче ведет к снижению растворимости оксалатов [78]. Однако эти же ионы могут выступать и катализаторами образования уратных или фосфатных камней в зависимости от различных метаболических нарушений [78].
К наиболее важным для процесса камнеобразования [65, 66] относятся ионы SO42-, цитрат-ион - [(CH2)2C(OH)(COO)3]3- (ионы-ингибиторы) и ионы Са2+, PO43-, мочевая кислота - C5H4N4O3, оксалат-ион- С2О42- (ионы-катализаторы), что обусловливает необходимость их количественного определения. Все методы определения состава мочи можно разделить на три группы: биохимические, или клинические (общий анализ и суточная экскреция), химические и физико-химические.
Методология изучения мочевых камней
Причем, при сопоставлении состава мочевых камней и мочи для одного и того же больного МКБ, найдено, что в подавляющем большинстве случаев наблюдается корреляционная связь между содержанием мочевой кислоты (рис. 46 б) и оксалат-ионов в моче (рис. 46 в), определенных соответственно методами БИХ и ТИТР, с видом мочевых камней: концентрация вышеперечисленных ионов в моче больных МКБ меньше в случае соответственно уратного и оксалатного камня. Для исследованных фосфатных камней всех размеров (в том числе, коралловидных камней) подобную зависимость установить не удалось, хотя аналогичная нами была зафиксирована на нескольких примерах (рис. 46 а).
Как показали результаты анализа мочи, концентрация мочевой кислоты в ней значительно понижена у больных МКБ с камнями из C5H4N4O3 (рис. 46 а), а у больных с камнем, содержащим MgNH4PO46H2O, понижена концентрация ионов PO43- относительно больных с оксалатными и уратными камнями. В клиническом анализе мочи наблюдалась та же тенденция.
При анализе результатов определения цитрат-ионов в моче больных МКБ (ПРИЛОЖЕНИЕ 13) оказалось, что после лечения их концентрация стремится к норме для пациентов с различными видами камней. При сравнении концентрации цитрат-ионов в моче пациентов с нормальными показателями до лечения (ПРИЛОЖЕНИЕ 13) можно выделить две тенденции: 1) содержание цитрат-ионов выше нормы, 2) содержание цитрат-ионов ниже нормы. Аналогичная картина наблюдается и в процессе метафилактических мероприятий (ПРИЛОЖЕНИЕ 13): в процессе исследования состава мочи пациентов после метафилактики МКБ разными рекомендованными препаратами (ПРИЛОЖЕНИЕ 13) было обнаружено, что один из использованных препаратов для конкретного лечения не эффективен.
Цитратный рацион питания резко повысил концентрацию цитрат-ионов в моче (ПРИЛОЖЕНИЕ 13), что впоследствие могло привести к образованию щавелевой кислоты (а далее, оксалатов) из лимонной кислоты (соответственно, цитратов) через щавелево-уксусную кислоту согласно схеме:
Как видно из полученных данных, пониженное содержание цитрат-ионов (ионов-ингибиторов) в моче может свидетельствовать о риске камнеобразования, а повышенное – о возможности оксалатного уролитиаза.
Изоцитрат – промежуточный продукт цикла Кребса (цикл расщепления пишевых белков, жиров и углеводов в живых организмах), и его повышенное содержание приводит к нарушениям обменных процессов в организме. Его поведение в моче оказалось аналогичным цитрат-иону (ПРИЛОЖЕНИЕ 13).
Содержание катионов Na+, К+, Са2+, согласно анализу суточной экскреции мочи, до лечения во многих случаях значительно отклоняется от нормы, тогда как после лечения эти показатели стремятся к нормальным значениям (ПРИЛОЖЕНИЕ 13).
Таким образом, содержание в моче сульфат-, цитрат-, изоцитрат-, хлорид-, нитрат-ионов, мочевой кислоты, а также ионов кальция и калия до лечения понижено, а после соответствующего лечения, как правило, стремится к норме. Установленная корреляционная связь (или в ряде случаев тенденция) между составом камня (оксалаты и ураты – в большей степени, фосфат – в меньшей степени), с одной стороны, и с концентрацией иона – камнеобразователя (оксалат-ион, мочевая кислота – в большей степени, фосфат-ион в меньшей степени) в моче больных МКБ, с другой стороны, позволяет оценить состав мочевого камня непосредственно до лечения in vivo, а по пониженному содержанию цитрат-ионов (ингибиторов камнеобразования) – не исключить риск камнеобразования. состава мочи может оказать влияние на процесс камнеобразования. В комплексы лечебных метафилактических мероприятий, направленных на коррекцию нарушений обмена камнеобразующих веществ в организме, кроме диетотерапии, лекарственных препаратов входят и минеральные воды. При назначении минеральной воды больным МКБ необходимо учитывать параметры воды (кислотность, степень минерализации, ионный и газовый составы, присутствие органических веществ и др) и условия применения (например, холодная минеральная вода обладает хорошим диуретическим эффектом, а теплая – способствует ликвидации воспалительных процессов, снимает спазмы и стимулирует отток желчи) [89]. Наиболее известными минеральными водами являются «Фьюджи» (Италия, г.Фьюджи), «Краинская» и «Демидовская» (Россия, г.Тула), «Нафтуся» (Украина, г. Трускавец). Среди перечисленных вод «Нафтуся» относится к нейтральным водам, а остальные - к щелочным (табл. 26). Таблица 26. Характеристики минеральных вод (по этикеткам). Лечебная вода рН Т, С Степеньминерализации,г/дм3 Ионный состав, мг/дм3 Са2+ Mg2+ Na+, К+ S042" Cl- НСОз" «Фьюджи» 7.5 12.4 0.15-0.20 15 - 25 5 - 10 10 5 7-10 90-110 «Краинская» 7.75 12 2.2-2.8 500 -600 100 100 1400-1600 25 200-300 «Демидовская» 7.55 11 1.4-3.2 300 -550 100-250 100 800-1800 100 300-400 «Нафтуся» 7.0-7.2 10 0.8 104-110 35-45 3-6 57-58 15-20 440-450
Показатель кислотности важен, так как выбор воды в комплексной метафилактике и лечении больных МКБ зависит от кислотности мочи пациента. В работе [93] показано, что низкоминерализованная вода (в частности, «Фьюджи» и «Нафтуся») значительно эффективнее, чем высокоминерализованная (в частности, «Краинская» и «Демидовская»), поскольку лучше форсирует мочеобразование, снижая тем самым концентрацию литогенных факторов в моче, уменьшает количество всасываемого кальция, что понижает вероятность образования кальциевых камней. По данным работы [93] использование минеральной воды «Фьюджи» уменьшает возникновение рецидива кальциевых камней после применения ДТЛ в 1.5 раза в течение одного года.
Существенной характеристикой минеральной воды является ее ионный состав, так как часто в воде содержатся компоненты, входящие в состав мочевых камней. Так, «Краинская» и «Демидовская» богаты такими неорганическими компонентами, как ионы кальция, магния, сульфаты и карбонаты, а в водах «Фьюджи» и «Нафтуся» этих компонентов содержится значительно меньше. Зато довольно большое содержание кремния в воде «Фьюджи» (15 мг/дм3 – в бутилированной воде и 18.3 – в источнике; для грунтовых вод характерно 10 мг/дм3), что благоприятно влияет на иммунную систему организма.
В работе [93] изучена активность камнеобразования ионов кальция, употребляемого с пищей, минеральной водой, пищевыми добавками, водопроводной (жесткой) водой. Установлено [93], что кальций, поступающий с пищей, снижает риск камнеобразования оксалатных мочевых камней, а кальций, поступающий с пищевыми добавками, повышает риск их образования при условии увеличения содержания оксалата в моче. Если же концентрация оксалата не изменяется, то увеличение поступления кальция с пищей способствует камнеобразованию. Оказалось, [93] что употребление водопроводной воды вне приемов пищи способствует повышению концентрации кальция в организме по сравнению с концентрацией оксалата, что способствует увеличению риска образования оксалатных камней. В то же время минеральная вода «Фьюджи» [93] снижает риск камнеобразования, не увеличивая содержание кальция в моче.
