О кристаллогенезе биосубстратов животных

А. К. Мартусевич, доцент О. Б. Жданова*,

Т. А. Зверева О КРИСТАЛЛОГЕНЕЗЕ БИОСУБСТРАТОВ ЖИВОТНЫХ

Кировская государственная медицинская академия *Вятская государственная сельскохозяйственная академия

Преобразования биологического субстрата в зависимости от условий среды ("поведение" биоматериала in vitro) являются отображением ее компонентного химического состава и физических свойств, в свою очередь обусловленный функциональным состоянием (метаболизмом) живого организма. Следовательно, следующим этапом изучения информационной значимости феномена биокристаллизации должно выступать исследование морфологии высушенных образцов биожидкостей животных. Распространение кристаллографических методов исследования в настоящее время относится преимущественно к области медицины, тогда как исследованию особенностей кристаллизации биологических жидкостей животных посвящены лишь единичные работы, причем их биосреды рассматриваются только в сравнительном с человеком аспекте (Рапис Е. Г., 1973, 1976, 1978, 2003; Громова И. П., 2005). Описание кристаллоскопических картин в данном случае касается исключительно выщеления характеристик фации, свойственной высушенным образцам жидких сред организма человека.

Целенаправленное изучение особенностей свободного (кристаллоскопия) и инициированного (те-зиграфия) кристаллогенеза биосубстратов животных практически не проводилось. Это обусловливает актуальность и значимость исследований, направленных на вышснение диагностической роли тезиграфических и кристаллоскопических "паттернов" функциональных и патологических состояний у них.

К настоящему времени получены данные относительно морфологии биологических субстратов глаза человека и некоторых животных, но важно отметить, что эти сведения касаются исключительно собственного кристаллообразования хрусталика и стекловидного тела (Рапис Е. Г., 1976, 1978). Принципиальным моментом в рассматриваемых работах является качественная оценка образцов биосред. Исследования других авторов также практически не включают количественного анализа результатов дегидратации (Шабалин В. В., 2004; Чухман Т. П. с соавт., 2004). Единственным способом количественного описания микропрепаратов жидкостей глаза является компьютерная морфометрия (Чухман Т. П., 1999). В связи с этим целью исследования стало изучение особенностей свободного и инициированного кристаллообразования сред мышей и крыс.

Материал и методы исследования

Изучены многочисленные микропрепараты высушенных биологических жидкостей (сыворотка крови, смешанная слюна, моча) человека и животных

(мышь, крыса, хорь, собака, песец) в норме. Основной акцент ставился на исследовании биосубстратов крыс и мышей. Производилось изучение дегидратированных образцов мочи 30 крыс, экспериментально зараженных альвеококком, и фаций слюны и мочи 8 пациентов, страдающих данным заболеванием.

Приготовление образцов осуществлялось с помощью комплекса кристаллографических методов исследования: классическая кристаллоскопия, сравнительная и дифференциальная тезиграфия, хромокристаллоскопия (Камакин Н. Ф., Мартусевич А. К., 2005; Жданова О. Б., Мартусевич А. К., 2006). В спектр примененных базисных веществ для тезиграфии вошли:

0,9% и 10% растворы хлорида натрия; 0,1% раствор адреналина; 2% раствор новокаина; 0,1% раствор нитрата натрия; 40% раствор этанола. Оценка полученных микропрепаратов производилась с использованием идентификационной таблицы кристаллических и аморфных структур, дополнительных параметров (свободный кристаллогенез); а также системы основных и дополнительных критериев (инициированное кристаллообразование).

Статистическая обработка полученных данных производилась в среде электронных таблиц Microsoft Excel 2003, программ Primer of Biostatistics 4.03 и SPSS 11.0. Достоверность выявлялась по t-критерию Стъюдента и U-критерию Манна-Уитни.

Полученные результаты

Проведенный нами анализ микропрепаратов высушенных образцов мочи позволил установить четкие "паттерны" для рассматриваемых состояний.

В соответствии с данными, приведенными в таблицах 1 и 2, а также на рисунке 1, очевидно, что наблюдаются четкие вариации кристаллоскопической картины между видами животных.

По результатам оценки кристаллообразующей способности мочи мышей был сформирован "паттерн", характерный для здоровых грызунов (таблица 1). Так, кристаллоскопической картине мышей в норме

свойственен преимущественно кристаллогенез в форме одиночно-кристаллического компонента (фигуры типа "призма" и "пирамида", являющиеся по своему химическому составу ортофосфатами магния и кальция соответственно), в то время как дендритная составляющая представлена исключительно линейчатыми поликристаллическими структурами в незначительном количестве. Аморфная картина мочи здоровых мышей представлена мелкими образованиями (карбонат кальция), четко отграниченными от крупных кристаллов.

В качестве особых структур в кристаллограмме рассматриваемой биологической жидкости были обнаружены цепочки, также непостоянно регистрируемые при свободной кристаллизации мочи практически здоровых и больных людей (Каликштейн Д. Б., Мороз Л. А., Квитко Н. Н. с соавт., 1990; Шабалин В. Н., Шатохина С. Н., 2001).

В целом, "паттерн" классической кристаллоскопии мочи мышей сходен с характерным комплексом значений изучаемых критериев данной биосреды человека (Шабалин В. Н., Шатохина С. Н., 2001). Итак, кристаллограмма мочи здоровых мышей существенно отличается от морфологии образцов данной биологической жидкости человека по всем изучаемым параметрам.

Как очевидно из данных, представленных в таблице, собственная кристаллизация биосубстрата крыс значительно отличается от характерной для человека и мыши, что наиболее четко проявляется в отношении одиночных и дендритных кристаллов (таблица 1) (Шабалин В. Н., Шатохина С. Н., 2001, 2004). Так, основной составляющей фации мочи крыс являются одиночно-кристаллические, образованные холестерином и его производными "прямоугольники", которые суммарно покрывают около трети поля зрения. Кроме данных фигур, изучаемый компонент картины включает единичные "пирамиды".

Таблица 1

Кристаллоскопическая характеристика мочи здоровых мышей и крыс

Структуры Мышь * + Крыса*

Одиночные кристаллы

Прямоугольники 0 сю

Призмы 1 0

Пирамиды 1 1

Октаэдры 0 0

Дендритные структуры

Линейчатые 2 2

Прямоугольники 0 3

«Мох», «лук», «комета» 0 0

«Кресты» 0 2

«Хвощ» 0 0

«Розетки» 0 0

Аморфные тела

размер мелкий мелкий

количество среднее среднее

Примечание: тип взаимодействия крупных кристаллов и аморфных образований - "*" - оттеснение; "+" - наличие цепочек

Дендритный состав микропрепаратов мочи крыс существенно более разнообразен, чем аналогичный у мышей, однако сходен с характерным для человека. В частности, для них свойственно наличие среди по-ликристаллических фигур образований типа "пластинчатые прямоугольники" и "линейчатые дендриты", несмотря на то, что количественные соотношения и их "концентрация" (среднее количество в поле зрения) являются дифференцирующим показателем. Это, в свою очередь, дополнительно подтверждает значимость математического описания результатов кристаллизации, но, с другой стороны, может свидетельствовать о большем сходстве состава мочи у крыс и у человека, чем у мышей. По нашему мнению, достаточно специфичной структурой для кристаллограмм рассматриваемой биологической жидкости является дендритная фигура типа "крест", химический состав которой в настоящее время не установлен.

Аморфный компонент в фациях мочи, полученных по методике классической кристаллоскопии, практически аналогичен характерному для мышей, тогда как значительно варьирует относительно микропрепаратов исследуемой биосреды практически здоровых людей.

В целом, сформированный "паттерн" высушенных образцов мочи здоровой крысы оказался достаточно своеобразным, качественно и количественно отличающимся как от морфологии дегидратированной биожидкости человека, так и от фаций, полученных от мышей.

На основании проведенного традиционного морфометрического анализа результатов свободного кри-сталлогенеза мочи мелких грызунов нами зарегистрированы четкие "паттерны", позволяющие говорить как об особой их кристаллоскопической структуре (индикаторные элементы, их сочетания и количественные соотношения в фации).

моча

4

1 1,2 X

0_  0_ 0_

мышь

крыса

К

СДФ

Кз

5

1

0

Рис. 1. Дополнительные критерии оценки результата свободного кристаллогенеза у здоровых крыс и мышей

Кроме использования морфологического подхода к интерпретации кристаллограмм рассматриваемой биосреды, нами применялась система дополнительных критериев оценки, позволившая уточнить полученные при визуальной морфометрии данные (рисунок 1).

В качестве изучаемых параметров были выбраны равномерность плотности распределения кристаллических и аморфных элементов фации (К), выраженность ячеистости (I) и четкость формирования краевой зоны (Кз), определяемые по шестибалльной шкале (от 0 до 5 баллов), а также степень деструкции фации (СДФ), вычисляемая в соответствии со шкалой по четырем степеням (от 0 до III). Все вышеперечисленные критерии служат для мультипараметричес-кой оценки интегрального показателя качественной стороны свободного кристаллогенеза - его правильности.

При исследовании рассматриваемых параметров у здоровых мышей установлено, что для микропрепаратов высушенной мочи животных характерна низкая равномерность распределения структур, что свидетельствует о значительной хаотичности процесса кристаллообразования данной биосреды в норме.

Наиболее существенные по абсолютной величине и достоверные различия (р<0,05) обнаружены в отношении выраженности ячеистости картины и степени ее деструкции. Нами было выявлено снижение первого из указанных показателей в 2,35 раза (р<0,05), что косвенно демонстрирует уменьшение количества очагов (участков) стяжения кристаллогидратов и, возможно, изменение концентрации в исходной моче кристаллоскопически невизуализируемых соединений. Однако предположение о трансформациях белкового состава биологической жидкости, формирующееся первично, опровергается отсутствием как в

Таблица 2

Кристаллоскопическая характеристика разведенного копрофильтрата здоровых мышей и крыс

Структуры Мышь + Крыса*

Одиночные кристаллы

Прямоугольники 1 1

Призмы 0 0

Пирамиды 0 2

Октаэдры 0 0

Дендритные структуры

Линейчатые 0 0

Прямоугольники 5 2

«Мох», «лук», «комета» 0 0

«Кресты» 12 0

«Хвощ» 0 0

«Розетки» 0 0

Аморфные тела

размер мелкий мелкий

количество много среднее

Примечание: тип взаимодействия крупных кристаллов и аморфных образований - - оттеснение; "+" -

налипание

контрольных, так и в опытных образцах краевой зоны (по ее четкости - критерий Кз).

Возникающее в связи с этим мнимое противоречие между данными изучения параметров Я и I о ха-отизации (повышении энтропии системы) и ее стабилизации (снижении энтропии) не является обоснованным, т. к. полученные данные могут быть трактованы как генерализация локализованных в норме деструктивных тенденций ("стремление биосистемы к повышению собственной энтропии"), что полностью находит свое подтверждение при анализе показателя СДФ (от полного отсутствия признаков разрушения кристаллических и аморфных образований до начальных проявлений данного процесса).

Выявленные в отношении фаций мочи мышей в норме тенденции аналогично проявляются и при исследовании дегидратированных образцов изучаемой биожидкости крыс.

В частности, к общим чертам, по нашему мнению, относятся достоверное снижение равномерности распределения структурных элементов по текстуре фации у крыс (р<0,05), сопровождаемое выраженным ростом степени деструкции фации (р<0,05) (рисунок 1), что указывает на четкую тенденцию к хао-тизации кристаллограммы мочи крыс.

Однако важным представляется заметить потенциальное различие механизмов реализации этого эффекта. Если у мышей можно предположить деструкцию собственно минерального генеза, то у крыс, напротив, возможно участие белкового компонента биологической среды в изучаемой особенности кристаллообразования. Это подтверждается некоторым повы-

шением выраженности краевой зоны в фациях мочи последних, косвенно свидетельствующей о наличии протеинового компонента в биосубстрате (Шатохина С. Н., 1995), при недостоверно более высоком уровне параметра I (р>0,05), отождествляемого с количеством центров инициации кристаллообразования в дегидратирующемся образце.

Кроме исследования кристаллообразующей способности мочи лабораторных животных, нами была рассмотрена кристаллоскопическая картина высушенных образцов разведенного копрофильтрата здоровых мышей и крыс (таблица 2). Обнаружено, что относительно данного биоматериала фации биосубстратов животных сравнительно мало различаются. Так, кри-сталлограмма кала мыши представлена преимущественно поликристаллическими структурами, прежде всего фигурами типа "пластинчатый прямоугольник" и "крест" и единичными одиночными "прямоугольниками". В то же время в кристаллоскопической картине копрофильтрата крысы преобладают одиночно-кристаллические образования типа "прямоугольник" и "пирамида". Дендритный компонент значительно более беден и образован исключительно структурами типа "пластинчатый прямоугольник". Аморфная составляющая в обоих случаях включает мелкие элементы, встречающиеся в фациях кала мыши в большем количестве, чем у крысы.

Заключение

В целом установлено, что метод классической кристаллоскопии является чутким индикатором состава и физико-химических свойств жидкой биологической среды (мочи и потенциально других жидких и при-

водимых в жидкую фазу биосубстратов), способным отображать метаболический статус организма животного и обладающим большим объемом информации о его функциональном состоянии.

Список литературы

1. Белоглазов В. Г., Атьков Е. Л., Федоров А. А. с соавт. Возможности применения метода кристаллографии слезы при патологии слезоотводящей системы // Вестник офтальмологии. - 2003. - Т. 119, №4. -С. 49-52.

2. Волчецкий А. Л., Рувинова Л. Г., Спасенников Б. А. с соавт. Кристаллизация и кристаллография: медико-биологические аспекты. Архангельск, 1999. -374с.

3. Громова И. П. Кристаллоскопический способ изучения сыворотки крови в токсиколого-гигиеничес-ком эксперименте методом "открытая капля" // Гигиена и санитария. - 2005. - №2. - С. 66-69.

4. Жданова О. Б., Мартусевич А. К. Кристаллографические методы исследования биожидкостей в подборе гомеопатических препаратов при лечении гельминтозов мелких животных: Методические указания. Киров: Вятская ГСХА, 2006. - 43 с.

5. Залесский М. Г. Распределение минеральных и белковых компонентов в фации капли смеси мочи и диагностикума "ЛИТОС-система" // Вестник новых медицинских технологий. - 2005. - Т. XII, №2. - С. 9394.

6. Залеский М. Г., Гетлинг А. В. Конвентивные потоки в каплях воды и биологической жидкости ("ЛИТОС-система") на твердой подложке // Вестник новых медицинских технологий. - 2005. - Т. XII, №34. - С. 43-45.

7. Залеский М. Г., Эммануэль В. Л., Краснова М.

В. Физико-химические закономерности структуризации капли биологической жидкости на примере диагностикума "Литос-система" // Клиническая лабораторная диагностика. - 2004. - №8. - С. 20-24.

8. Каликштейн Д. Б., Мороз Л. А., Квитко Н. Н. с соавт. Кристаллографическое исследование биологических субстратов // Клиническая медицина. - 1990. -№4. - С. 28-31.

9. Камакин Н. Ф., Мартусевич А. К. Современные подходы к кристаллоскопической идентификации состава биологических жидкостей // Экология человека. - 2003. - №5. - С. 23-25.

10. Камакин Н. Ф., Мартусевич А. К. Тезиокрис-таллоскопическое исследование биологических субстратов: Методические рекомендации. Киров: Типография КГМА, 2005. - 34 с.

11. Каркищенко Н. Н. Основы биомоделирования. М.: Изд-во ВПК, 2004. - 608 с.

12. Колединцев М. Н., Нечаев Д. Ф., Майчук Н.

В. Физические основы кристаллографического анализа в офтальмологии // Сб. тез. докл. межрегион. научно-практ. конф. молодых ученых и студентов с междунар. участием "Санкт-Петербургские научные чтения-2002". - СПб. - 2002. - С. 42-43.

13. Мартусевич А. К. Информационная физикобиохимическая теория кристаллизации как отражение морфологии биологических жидкостей // Бюллетень сибирской медицины. - 2005. - Т. 4. - Приложение 1. -С. 185.

14. Обухов А. А. Использование новых методов диагностики и прогнозирования в ветеринарной медицине // Сб. научных трудов 2-й Всероссийской научно-практической конференции "Морфология биологических жидкостей в диагностике и контроле эффективности лечения". - Москва. - 2001. - С. 79-80.

15. Орлов Б. Н., Белова Л. М., Обухов А. А. с соавт. Особенности дегидратационной самоорганизации водных растворов биологически активных продуктов пчелиной семьи // Сб. научных трудов 2-й Всероссийской научно-практической конференции "Морфология биологических жидкостей в диагностике и контроле эффективности лечения". - Москва. - 2001. - С. 107-109.

16. Рапис Е. Г. Белок и жизнь. Самоорганизация, самосборка и симметрия наноструктурных супрамо-лекулярных пленок белка. М.: МИЛТА - ПКП ГИТ,

2003. - 368с.

17. Рапис Е. Г. Микрокристаллооптический способ использования стекловидного тела человека и животных в норме и при гемофтальме // Вестник офтальмологии. - 1976. - №4. - С. 62-67.

18. Рапис Е. Г. Использование метода поляризационной микроскопии для исследования хрусталика // Офтальмологический журнал. - 1976. - Т. 31, №2. -

С. 128-130.

19. Рапис Е. Г. Микрокристаллооптический способ исследования стекловидного тела человека и животных // Здравоохранение Туркменистана. - 1978. -№9. - С. 17-20.

20. Чухман Т. П. Кристаллографическое исследование слезной жидкости при воспалительных заболеваниях глаз: Автореф. ... дисс. канд. мед. наук. -Самара, 2000. - 18с.

21. Чухман Т. П., Свердлин С. М., Ильясова Н. Ю. с соавт. Компьютерный анализ и классификация изображений кристаллограмм слезной жидкости // Мат. III Всеросс. научно-практ. конф. "Функциональная морфология биологических жидкостей". - М. -

2004. - С. 43-44.

22. Шабалин В. В. Принципы обработки изображений структур биологических жидкостей // Мат. III Всеросс. конф. "Функциональная морфология биологических жидкостей". - М. - 2004. - С. 45-46.

23. Шабалин В. Н., Шатохина С. Н. Морфология биологических жидкостей человека. М.: Хризопраз, 2001. - 304 с.

24. Шабалин В. Н., Шатохина С. Н., Девяткин А. А. с соавт. Морфология жидких сред глаза (новая теория инволютивного катарактогенеза). М.: Медицина, 2004. - 244с.

25. Щербатюк Т. Г., Потехина Ю. П., Иванова Н. Л. с соавт. Исследование действия биологически ак-

тивных добавок на печень крыс-опухоленосителей методами светооптической микроскопии гистологических препаратов и клиновидной дегидратации фаций гомогенатов // Мат. III Всероссийской научнопрактической конференции "Функциональная морфология биологических жидкостей". - Москва. - 2004. -

С. 92-93.

26. Юшкин Н. П., Гаврилюк М. В., Голубев Е. А. Сингенез, взаимодействие и коэволюция живого и минерального миров: абиогенные и углеводородные кристаллы как модели протобиологических систем. Концепция кристаллизации жизни // Информационный бюллетень РФФИ. - 1996. - Т. 4. - С. 393.

27. Azoury R., Garside J., Robertson W. G. Calcium oxalate precipitation in a flow system: An attempt to stimulate in the early stages of stone formation in the renal tubules // J. Urol. - 1986. - Vol. 136, N 1. - P. 150-153.

28. Blundel T. L., Jonson L. N. Protien crystallography. New York, 1976. - 341p.

29. Chernov A. A. Cry stall growth and crystallography // Acta Crystallography. - 1998. - Vol. 54, N 1. - P. 859-872.

30. Gennes P. G., Prost J. The physics of liquids crystals. Oxford: Oxford University Press, 1995. - 360 p.

31. Jones W. T., Resnick M. The characterization of soluble matrix proteins in selected human renal calculi using two-dimensional poliacrylamide gel electrophoresis // J. Urology. - 1990. - Vol. 144, N 4. - P. 1010-1014.

32. Scurr D. S., Robertson W. G. Modifiers of calcium oxalate crystallization found in urine studies on the role of Tamm-Horstfall mucoprotein and ionic strength // J. Urol. - 1986. - Vol. 136. - N 2. - P. 505-507.

33. Shabalin V N., Shatokhina S. N., Yakovlev S. A. Character of blood crystallization as an integral index of organism homeostasis // Phys. Chem. Biol. Med. - 1995. - Vol. 2, № 1. - P. 6-9.

healthy and sick animals and came to conclusion that these methods are highly informative in diagnostic aspect and study of pathogenesis, prognosis and therapy.

So, animals' biological substrates have their own characteristic properties of the free and induced crystallization in comparison with people, that allowed to get information about functional condition of the animal organism.

Summary

A.K. Martusevich, O.B. Zhdanova, T.A. Zvereva ABOUT ANIMAL S BIOSUBSTRATES CRYSTALLOGENESIS

Kirov state medical academy Vyatka state agricultural academy

The aim of this investigation was clarification of peculiarities of the animals' biofluids specimens during dehydration.

The objects of our research were some biological substrates of the mice and rats, such as blood serum, urine, diluted excrements and others. Free and induced crystallogenesis of these biomaterials were studied with classical crystalloscopy and differential teziography correspondingly. Evaluation of results of crystallization was carried out by original algorithm, which included the use of the identification table and complex of semiquantitative criteria.

We studied crystalloscopic patterns of biofluids in