Микроэлементы почечных камней и их влияние на процесс патогенного минералообразования

2005

ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

Сер. 7

Вып. 4

КРАТКИЕ НАУЧНЫЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 549.02

О. А. Голованова, £. Ю. Ачкасова\ П. А. Пятаиова МИКРОЭЛЕМЕНТЫ ПОЧЕЧНЫХ КАМНЕЙ

И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ПРОЦЕСС ПАТОГЕННОГО МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ

Живой организм представляет собой сложную биохимическую лабораторию, в которой непрерывно происходят различные процессы, связанные с обменом веществ и перераспределением химических элементов. Одним из продуктов этих биохимических реакций являются патогенные минералы, в том числе слагающие почечные камни.

Минеральный состав почечных камней жителей различных регионов изучен достаточно полно [1 6]. Он представлен оксалатами (уэвеллит, уэдделлит), фосфатами (апатит, струвит), а также уратами (кристаллическая мочевая кислота и ее соли). Вариации химического состава камней, отражающие условия их образования, во многом обусловлены наличием в них многочисленных микроэлементов, содержание которых менее 10 2 масс.% [1,7 10]. Большинство исследователей пытаются объяснить разнообразие химического состава почечных камней особенностями загрязнения окружающей среды [2, 5, 8, 10 13]. А. А. Кораго (1992) и Ф. В. Зузук (2002) предполагают, что некоторые микроэлементы в составе мочи могут влиять на процесс патогенного минералообразования.

Задачи настоящей работы - проанализировать количественное содержание элементов (в том числе микроэлементов) в почечных камнях различного минерального состава и с помощью термодинамических расчетов проверить гипотезу о возможности образования микроэлементами почечных камней за счет реакций с находящимися в моче анионами малорастворимых соединений в теле человека, что могло бы препятствовать осаждению оксалатов и фосфатов кальция.

Объекты и методы исследования. Для выявления связи между минеральным составом и концентрацией микроэлементов из коллекции, содержащей 170 почечных камней жителей Омского региона [6], были выбраны 70 образцов, принадлежащие оксалатной, фосфатной и уратной группам (табл. 1), а также мочевой рамень фосфат-но-оксалатного типа (рис. 1).

Количественное определение содержания Fe, Mg, Pb, Si, Мл, Ca, Ti, Zn, Al, Си в выбранных образцах было выполнено методом эмиссионного спектрального анализа по методике, разработанной авторами [14]. Дополнительно все исследуемые образцы подвергались анализу методом рентгеновской флуоресценции с использованием синхротронного излучения (накопитель ВЭПП-3, аналитик Н.- В. Максимова), который позволил установить в почечных камнях дополнительно 24 элемента. Эмиссионные спектры возбуждали пучком поляризованного моно-хроматизированного излучения энергией 25 кэВ. Образцы готовили прессованием порошка в таблетки весом 30 мг и диаметром 6 мм. При количественном расчете применяли метод «внешнего стандарта».

Для изучения распределения содержания К, Na, Ca, Р, S, Mg, CI, Si, F в элементной форме от центра к периферии (12 образцов) использовали метод количественного рентгеноспектрального микрозондового анализа («Camebax-Micro», аналитик Е. Н. Нигматулина), для определения изменения элементного состава от центра к периферии почечного камня фосфатно-оксалатного эмиссионный спектральный анализ.

Результаты всех определений химического состава почечных камней были обработаны с применением кластерного математи чес ко го. анализа.

Малорастворимое соединение может образовываться в том случае, когда произведение концентраций составляющих его ионов в растворе превышает условное произведение растворимости. Следовательно, первым будет осаждаться то соединение, произведение растворимости которого будет достигнуто при минимальной концентрации осадителя. При термодинамических расчетах исходные значения реальных произведений растворимости (ПР5) малорастворимых соединений микроэлементов Zn, Fe, Sr, Си с находящимися в моче оксалат- и фосфат-ионами определяли с использованием справочных данных [15, 16] и уравнения [17]

1 Кафедра неорганической химии Омского гос>дарственного университета.

О О. А. Голованова, Е. Ю. Ачкасова, П. А. Пятанова. 2005

Таблица 1. Минеральный состав исследованных почечных камней

Образцы Минеральные фазы

преобладающая примесные

Оксалатная группа

1 6 Уэвеллит, СаС204Н20 Мочевая кислота, С5Н4Ы40з

7 12 Уэдделлит, СаС204-2Н20

13 24 Гидроксилфторатапатит, Саэ

25 26 Гидроксилфторатапатит, Са5(Р04)з(0Н,Р), Струвит, ШМёРОгб^О

27 Нет

28 31 Уэдделлит. СаС204-2Н20 Мочевая кислота, С5Н4Ы40з

32 36 Уэвеллит, СаС204-Н20

Фосфатная группа

37 40 Гидроксилфторатапатит, Са5(Р04)з(0Н,Р) Нет

41 45 Уэдделлит, СаС204-2Н20

46 54 Уэвеллит, СаС204 Н20

55 61 Струвит, ЫН^Р04-6Н20

Уратная группа

62 64 Мочевая кислота, С5Н4М40з Нет

65 69 Уэвеллит, СаС204 Н20

70 Дигидрат мочевой кислоты, С5Щч140з-2Н20

ПР, -, 1

Ур Уд

гле ПР,° термодинамическое произведение растворимости соединения М^Х^, ; Ух~ - коэффициенты активности катионов и анионов при данном значении ионной силы раствора; р, ц- стехиометрические множители.

Затем были найдены условные произведения растворимости (ПР4 ) в диапазоне рН от 4,5 до 8,0 с учетом протекания побочных реакций гидролиза катионов и анионов, образующих вышеприведенные соединения, в соответствии с уравнением [17]

ПР ПР0 ПР,' =-^-=-—-5-,

в котором а и а „_ коэффициент (молярная доля) катионов и анионов соответственно.

М X

Далее были рассчитаны концентрации оксалат- и фосфат-ионов (С™ ), при которых будут образовываться малорастворимые соединения кальция, магния и микроэлементов при заданном значении рН [17]

где Смт- концентрация катионов металла в растворе (моль/л). При этом использовали среднестатистические

значения концентраций кальция, магния и микроэлементов в моче здорового взрослого человека [18], а также условные произведения их растворимости [19].

Элементный состав почечных камней. Результаты эмиссионного спектрального анализа (табл. 2) показали, что максимальная концентрация анализируемых элементов и их наибольшее разнообразие соответствуют фосфатной группе почечных камней. Данные по образцу фосфагно-оксалатного типа (табл. 3) подтверждают эту закономерность. Увеличение количества фосфатной компоненты от центра к периферии (от зоны I к зоне 3) сопровождается возрастанием концентрации и числа элементов.

Рис. /. Поперечный разрез почечного камня.

Таблица 2. Элементный состав (масс.%) камней различного минерального состава по данным эмиссионного спектрального анализа

Элемент Состав

У ратный Оксалатный Фосфатный

Са Не опр. 19-41 3,8-5,6

Щ . 1 3-5 С !

Не опр. 0,009-0,08 0,01-10

¥е  0,01—0,02 0.01-0,07 0,01-1

РЬ Не опр. 0,008-0,04 0,01-0,1

Мп 0,001-0,04 Не опр. 0-0,02

Л 0,002-0,006 0,02-0,05 0,002-0,09

¿п 0,002-Ю,01 0,001-0,01 0,006-0,059

А1 0.003-0,01 0,1-0,6 0,01-0.8

Си 0,001-0,004 0,002-0,005 0,004-0,009

Бп Не опр. Не опр. Следы

Результаты рентгенофлюоресцентного и рентгеноспектрального микрозондового анализов почечных камней выявили наличие в исследуемых почечных камнях 29 дополнительных элементов: К. V, N1. Р, Оа, Аб, Бе. Вг, СЛ. Р, ЯЪ, Бг, У, гг, МЬ, Мо, W, Ag, Сй. 1п, БЬ, Те, I, С5, Ва, Ьа, Се.

Кластерный анализ показал, что три группы (кластера) почечных камней оксалатные. фосфатные и урат-ные отличаются содержанием Са, Р, Ка, К, Б, Р (от 0,4 до 31 масс.%) и Бг, 2п, Ва, Си, Вг, РЬ;$Ь, Ът> ЯЬ (от 0.0005 до 0,05 масс.% ). В качестве примера на рис. 2 приведены результаты кластеризации 8, Р, ]\'а, К в окса-латных, фосфатных и уратных камнях. Ятя камней оксалатной группы характерна более высокая концентрация

Таблица 3. Содержание элементов (масс.%) в различных зонах почечного камня смешанного типа

Зоны Ре Мо РЬ 81 Мп Са Т1 А1 Си

1 0,006 3 0,006 0,004 0,004 22 0,002 0,002

2 0,014 4,2 "о,005 0,001 0,005 26 0,001 0,034 0,002

3 0,026 6,6 0,011 0,029 0,049 38 0,001 0,003 0,002

Примечание. Минеральный состав (по данным РФА и ИК-спектроскопии): зона 1 - СаС204 Н20

70%, Са5(Р04)з0Н 30%; зона 2 Са5(Р04)30Н - 70%.

СаС204-Н20 50%, Са5(Р04)30Н 50%; зона 3 СаС204 Н20 30%,

Содержание, % 1

0.8

0,6

0,4 0,2

Ыа

К

17 12 ШЗ \

Элемент

Рис. 2 Пример избирательного распределения ряда элементов по почечным камням различного минерального состава.

1 - оксалаты; 2 - ураты; 3 - фосфаты.

серы (от 0,4 до 0,7 масс.%), чем в остальных менее 0,07 масс.%. Данный факт можно объяснить значительным количеством в камнях этой группы серосодержащих соединений белковой природы [20-22]. Содержание Р, К, Р, Ъъ, Ва, Ът, 5Ь, ЯЬ максимально в фосфатной группе и минимально в уратной. Оказалось, что для уратных камней по сравнению с оксалатными и фосфатными свойственно большее содержание Ыа и Вг. Самое большое число микроэлементов (Бг. Сё, Ъх, 5ЬЛ, Ва, Бк Р, Шэ) обнаруживается в камнях фосфатного типа. Такое распределение элементов по разным минеральным группам, вероятно, связано с особенностями изоморфных замещений в минералах почечных камней, которые к настоящему времени практически не изучены.

При сравнении среднего содержания микроэлементов в среднестатистической по составу моче здорового взрослого человека (№ >К>8>81>Вг>Ре>2п>№> Мп > I > Си, Бе > РЬ >Аб [18]) и почечных камнях жителей Омского региона (№ > К > 5 > > Ре > Ъх\ > I > РЬ > Вг > N1, Си > Мп > Аз > 8е, данные авторов), установлено, что таких микроэлементов как Ре, 2п. Си, Аь и особенно I и РЬ в почечных камнях больше, чем в моче, а это указывает на избирательное их накопление в процессе генезиса патогенных минералов. В пользу таког о предположения говорят также данные работ [12, 13], согласно которым наличие повышенных концентраций микроэлементов в почечных камнях жителей биогеохимических провинций и техногенных регионов связано с постоянно действующим этиологическим фактором образования.

О влиянии микроэлементов на процесс формирования почечных камней. Результаты термодинамического расчета минимальной концентрации оксалат-ионов, необходимой для осаждения двухвалентных ионов ¿п Ре и Си в диапазоне рН 4,5-8,0, приведены в табл. 4. При сравнении расчетных концентраций оксалат-ионов (от 6,4 Ю-2 до 2 моль/л) с их значениями ((2,8-3,1) 10"^ моль/л) в среднестатистической по составу моче здорового взрослого человека в анализируемом диапазоне рН видно, что в присутствии ионов кальция осаждение оксалатов Ре, 8г и Си маловероятно, здесь возможно осаждение только оксалата кальция.

В табл. 4 даны также результаты расчета минимальной концентрации фосфат-ионов, необходимой для осаждения двухвалентных ионов Zn,Sт в том же диапазоне рН. Как видно, концентрация фосфат-иона в моче человека при рН = 4,5-8,0 составляет 6,0 Ю~г' - 2,5 10~5 моль/л, при рН = 7,0-8,0 7,2 Ю^-2,5 10"5 моль/л. Следовательно, сравнив эти значения с расчетными (от 1,9 10~2 до 2,8 105 моль/л), определили, что возможно образование только фосфата кальция при рН = 7-8,0.

Таблица 4. Минимальная концентрация (моль/л) оксалат- и фосфат-ионов, необходимая для осаждения ряда малорастворимых соединений в диапазоне рН 4,5-8,0

Соединение pH

4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0

Оксалат-ионы

СаС204 1,4-10"5 i,i-io-5 9,6-10"6 9,2-Ю-6 9,2 ТО"6 9,2-10"6 9,210-6 9*2Т0_6

ZnC204 9,6-10~2 7,2 TO-2 6,5-10"2 6,4-10"2 6,4-Ю-2 6,4-10"2 6,4-10"2 6,4-10"2

SrC204 1,2 0,90 0,82 0,79 0,79 0,79 0,79 0,79

FeC204 2,0 1,5 1,4 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3

CuC204 1,4 U 0,98 0,94 0,92 0,92 0,92 0,92

Фосфат-ион ь :

Са3(Р04)2(а) 1,0 0,2 1,0-Ю-2 1,1 ТО-3 1,7 ТО"4 3,2-10"5 6,2-10"6 2,4-10"6

Zn3(P04)2 2,7-104 2,7-103 2,8-Ю2 28 зд 0,43 7,9 10~2 1,9 Ю-2

Sr3(P04)2 2,8-l05 2,8-104 2,9-103 3,0 Ю2 35 4,6 0,83 ОД

В целом полученные результаты указывают на то, что в моче здорового взрослого человека при малых концентрациях таких катионов как Fe, А1, Zn, Sr,Ti, Си (в присутствии преобладающего содержания катионов кальция), образование соответствующих малорастворимых соединений с анионами мочи термодинамически невозможно. Кроме того, микроэлементы Fe, Al, Zn, Sr, Ti и Си, в отличие от кальция и магния, склонны к созданию прочных хелатных комплексов с органическими компонентами мочи, что еще больше снижает вероятность осаждения соответствующих малорастворимых соединений [20, 21]. Таким образом, гипотеза об ингибировании микроэлементами мочи осаждения оксалатов и фосфатов кальция не подтвердилась.

Авторы благодарят проф. О. В. Франк-Каменецкую (СПбГУ) за полезные замечания к проделанной работе. Summary

Golovanovc О. АAchkasova Е. Yu.. Pyatanova P. A. Kidney stone trace elements and their influence on the pathogenic mineral formation.

The results of quantitative analyses demonstrate, that urolits of Omsk region residents contain following 40 elements: Ca, P, Mg, Na, K, S, F (from 31 to 0,4 mass.%) и Sr, Zn, Ba, Cu, Br, Pb, Sb, Zr, Rb (from 0,05 to 0,0005 mass.%). Trace element distribution depends on the mineral composition of the stones. Phosphate minerals differ from the others as the higher concentration of trace elements, as the amplitude of their spectrum. The thermodynamic calculation has shown that hypothesis of formation of small dissoluble compounds of trace cations of kidney stones (Fe, Zn, Sr, and Cu) with urine anions (oxalates, phoshate) in a range pH 4,5 8,0 is unreal.

Литература

1. Кораго А. А. Введение в биоминералогию. СПб., 1992. 2. Каткова В. И. Мочевые камни: минералогия и генезис. Сыктывкар, 1996. 3. Пальчик Н. А.. Столповская В. К, Леонова И. В. и др. Особенности минерального состава и структуры мочевых камней и их распространенность у пациентов из разных районов Новосибирской области // Минералогия техногенеза / Под ред. С. С. Потапова. Миасс, 2001. 4. Потапов С. С., Пальчик И. А., Мороз Т. И. Сравнительный анализ минерального состава уролитов жителей Челябинской и Новосибирской областей // Минералогия и жизнь: биоминеральные гомологи / Под ред. Н. П. Юшкина. Сыктывкар, 2000. 5. Кадурии С. В. Парагенетические ассоциации минералов и онтогения ОМА в почках людей: Автореф. канд. дис. Львов, 2001. 6. Голованова О. А. Минералы почечных камней жителей Омского региона и некоторые химические условия их образования // Зап. Минер, об-ва. 2004. № 5. 7. Киселева Л. Ф. Почечнокаменная болезнь. Киев, 1966. 8. Зузук Ф. В. Тяжелые металлы в уролитах // Химия в интересах устойчивого развития. 2002. № 10. 9. Кадурин С. ВЧепиж-ко А. В. Морфологические типы и микроэлементный состав оксалатов в почечных камнях у жителей Одесской области // Зап. Всерос. минер, об-ва. 2001 № 4. 10. Максимова И. В., Дарьин А. ВСокол Э. В. и др. Микроэле-

ментный состав почечных камней жителей Челябинской области // Материалы I Междунар. симпозиума «Биокосные взаимодействия: жизнь и камень». СПб., 2002. 11. Wandt М А. £., Underbill L G. Covariance biplot analysis of trace element concentrations in urinary stones H British journal of urology. 1988. N 61. 12. Чиглинцев A. A9.. Уда-чин В. Я. Потапов С. С. Микроэлементы в этиологии мочекаменной болезни // Минералогия техногенеза / Под ред. С. С. Потапова. Миасс, 2001. 13. Нигматулина Е. Я. Сокол Э. В., Чиглинцев А. Ю. и др. Химический состав минералов почечных камней по данным рентгеноспектрального микрозондового анализа // Материалы I Междунар. симпозиума «Биокосные взаимодейсгвия: жизнь и камень». СПб., 2002. 14. Голованова О. А., Пятанова П. А.. Струнима И. Я. Байсова Б. Т. Спектральный анализ .микроэлементного состава почечных камней // Журн. прикл. спектроскопии. 2003. Т. 70, вып. 3. 15. Stability Constants. Database, 1999. 16. Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии. М., 1989. 17. Золотое A3. А. Основы аналитической химии. М.. 1996. 18. Бородин Е. А. Биохимический диагноз. Благовещенск, 1989. 19. Голованова О. АПятанова Я А., Красногорова Е. В. Определение условий формирования малорастворимых соединений уролитов // Изв. вузов. Сер. Химия и хим. технология. 2003. Т. 46, вып. 2. 20. Миронов О. Л.. Билооров В. М Роль белковых макромолекул в процессах образования почечных камней различного химического состава // Биоминералогия-92: Тез. первой межгос. конференции. Сыктывкар, 1992. 21 .Каткова В. И.. Симаков А. Ф. Роль аминокислот в генезисе биоминеральных образований // Сыктывкарск. минер, сб. 1998. № 27. 22. Голованова О. А., Пятанова П. А.. Россеева Е. В. Методика определения белковой составляющей уролитов // Материалы 1 Рос. совещания по органической минералогии. СПб., 2002.

Статья поступила в редакцию 22 февраля 2005 г.