Структурно-текстурные особенности и онтогенические закономерности формирования мочевых камней

УДК 548.25 549.02

О. А. Голованова, Ю. О. Пунин, А. Р. Изатулина, В. Ю. Ельников, Ю. В. Плоткина

СТРУКТУРНО-ТЕКСТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ОНТОГЕНИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МОЧЕВЫХ КАМНЕЙ

Введение

Проблемой биоминералообразования в организме человека занимается биоминералогия — новое научное направление, тесно связанное по объектам и методам исследования с минералогией, химией и физикой. К объектам биоминералогии относятся образования, состоящие из минеральной и органической составляющей, возникающие в живом организме в процессе метаболизма. Среди биоминералов выделяют две группы: физиогенные — необходимые человеку, и патогенные. Патогенные органоминеральные агрегаты (ОМА) генетически не предопределены и являются «болезнями» организма. К ним относятся камни мочевой системы, желчного пузыря, зубные и слюнные камни.

В последнее время возрастает интерес к исследованиям патогенных биоминеральных образований. Это связано прежде всего с увеличением числа заболеваний и ухудшением экологической обстановки в мире. Данная проблема нашла отражение в ряде работ отечественных исследователей, таких как А. А. Кораго, Н. П. Юшкин, В. И. Каткова, А. К. Поли-енко, Н. А.Пальчик, Ф. В. Зузук, С. В. Кадурин [1-7] и др. Особое значение имеет изучение внутреннего строения ОМА, в деталях которого «записана» информация о генезисе этих образований. Расшифровка этих записей составляет, как известно, суть онтогенического метода минералогии. Но несмотря на то, что строению патогенных биоминеральных образований посвящены многие работы, полученная в этих исследованиях генетическая информация остается чрезвычайно скудной. В результате до сих пор не существует экспериментально обоснованной теории, объясняющей образование ОМА.

Целью данной работы является изучение структурно-текстурных особенностей наиболее распространенных ОМА — камней мочевой системы человека (уролитов), и на этой основе выявление онтогенических закономерностей их формирования.

Объекты и методы исследования

Коллекция патогенных органоминеральных агрегатов мочевой системы была сформирована из образцов, удаленных по медицинским показаниям в процессе лечения жителей Омска и Санкт-Петербурга. В ее состав входили: 181 образец из Омского региона (МСЧ N° 6, ОмОКБ, БСМП и Западно-Сибирский Федеральный медицинский центр) и 132 образца из Санкт-Петербурга (Центр остеопороза, МЧС № 122 и Военно-медицинская академия им. С. И. Кирова, МАПО). Размеры исследованных камней варьировали от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, вес не более 10 г. Заметим, что в литературе встречаются описания гораздо более крупных камней весом до 1 кг [8].

© О. А. Голованова, Ю. О. Пунин, А. Р. Изатулина, В. Ю. Ельников, Ю. В. Плоткина, 2009

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.

Минеральный состав камней изучали с помощью рентгенофазового метода. Для изучения текстуры и структуры органоминеральных агрегатов и морфологии слагающих их минеральных индивидов были использованы стандартные методы оптической микроскопии (исследование петрографических шлифов и срезов камней). Для выявления микрогетерогенности и микрозональности образцов дополнительно привлекали растровую электронную микроскопию и рентгеноспектральный микрозондовый анализ. Эти исследования проводили в Институте геологии и геохронологии Докембрия РАН на электронном микроскопе АТВ-55 (Япония) с микрозондовой приставкой LINK AN 10000/S85 (Англия) (аналитик М. Р. Павлов). Микротомографические исследования распределения плотностей внутри биогенных агрегатов были выполнены на микротомографе Skyscan 1072 (Gent University, Бельгия).

Результаты исследования

Из всех патогенных органоминеральных образований состав почечных камней наиболее разнообразен [1]. По преобладающей минеральной компоненте различают оксалатные, фосфатные и уратные почечные камни. Часты камни смешанного состава (полиминеральные). Внешняя морфология почечных камней также весьма разнообразна. Детальная морфологическая классификация была предложена М. А. Ивановым [9], и все представленные в этой классификации виды были отмечены в изучаемой нами коллекции. Четкой зависимости морфологии почечных камней от их минерального состава обнаружить не удается, и поэтому на морфологических особенностях камней мы здесь не останавливаемся.

Структурно-текстурные особенности исследованных мочевых камней тесно связаны с их минеральным составом. По генетическим признакам выделяют два резко различных крайних типа структур — кристаллизационные и седиментационные (точнее — агломерационные), а также структуры смешанного типа [6].

Оксалатные уролиты сложены минералами уэвеллитом и уэдделлитом (соответственно, одноводный и двуводный оксалаты кальция). Они имеют типичные кристаллизационные структуры. Уэвеллитовые камни представляют собой многоядерные сферо-литы с характерной радиально-лучистой структурой (рис. 1 а, б), возникающей за счет интенсивного расщепления кристаллов при их прямом росте из сильно пересыщенных растворов с большим содержанием примесей [6, 10] — в прямом соответствии с известными составами физиологических жидкостей. Между лучами сферолитов интенсивно захватывается оттесняемое при кристаллизации органическое вещество (рис. 1 в). Ядрами сферолитов, т. е. инициирующими центрами являются скопления органического вещества и скрытокристаллического апатита (рис. 1 г). В случае органических ядер причиной индуцированного зарождения уэвеллита является экспериментально установленное нами адсорбционное сродство аминокислот белкового вещества к оксалату кальция [11, 12]. Для апатита стимулирование им зародышеобразования уэвеллита было доказано нами в модельных экспериментах с помощью дисперсионного анализа [13]. Внесение в пересыщенный маточный раствор оксалата кальция свежеприготовленной суспензии гидроксилапатита повышает средний размер кристаллов уэвеллита с 6,38 до 14,14 мкм, что с определенностью говорит о гетерогенном зарождении уэвеллита на частицах апатита.

Рис. 1. Микрофотографии шлифов оксалатных мочевых камней

а) многоядерный камень уэвеллита сферолитового строения; б) сферолит уэвеллита; в) органическая компонента в структура камня; г) нарастание сферолитового агрегата уэвеллита на глобулу апатита.

Широкие вариации размеров индивидуальных сферолитов в многоядерных камнях указывают на растянутое во времени их зарождение и косвенно свидетельствуют об эпизодическом возрастании пересыщения физиологического раствора. Об этом же говорит и наблюдаемое неоднократное зарождение мелких сферолитов на поверхности растущего камня. При разрастании и соприкосновении сферолитов многоядерного камня между ними происходит интенсивный геометрический отбор, приводящий к подавлению развития мелких сферолитов, образованию индукционных границ сферолитов и формированию сложной системы пустот. Возникающая в результате каверзность уролитов хорошо видна на трехмерном изображении, полученном с помощью рентгеновской компьютерной микротомографии (рис. 2). Такие текстуры являются дополнительным подтверждением кристаллизационного происхождения оксалатных уролитов.

Уэдделлитовые и уэвеллит-уэдделлитовые камни наряду со сферолитовыми демонстрируют сильно разветвленные дендритные структуры, причем дендриты сложены крупными (до 0,5 мм) индивидами уэдделлита (рис. 3). Часто наблюдается ритмическое чередование зон одноводного и двуводного оксалатов кальция, либо бизональ-ные текстуры с уэвеллитовым ядром и уэдделли-товой наружной зоной, иногда занимающей до % диаметра камня (рис. 3б). Уэдделлит является метастабильной фазой в условиях камнеобразо-вания [1, 6], и обычно его кристаллы замещены мелкозернистым уэвеллитом. Периодическая кристаллизация метастабильной фазы, чередующейся со стабильным уэвеллитом, опять-таки свидетельствует о резких изменениях состояния физиологического раствора (пересыщение, pH, концентрация примесей, стабилизирующих уэдделлит, например, С032- или М§2+).

Более мелкие колебания пересыщения мочи отражаются в интенсивной многоуро-венной осцилляционной макро- и микрозональности уэвеллитовых камней. На дендритах уэдделлита осцилляционная зональность также проявлена, но гораздо менее отчетливо, именно вследствии дендритной структуры. Явно выражена она лишь на наиболее крупных кристаллах уэдделлита. В сферолитах уэвеллита зональность хорошо выявляется как оптической микроскопией (см. рис. 1 а, б), так и рентгеновской компьютерной микротомографией по зональным аномалиям плотности камня (см. рис. 2).

Зоны уэвеллита разделены слоями органического вещества разной мощности. При этом наиболее крупные зоны (ритмы), маркированные толстыми прослойками органического вещества, синхронизированы по разным сферолитам одного и того же многоядерного камня (находятся на одинаковых расстояниях от центров сферолитов). Это говорит об очевидной связи зональности с колебаниями внешних условий. На механизм образования осцилляционной зональности указывают полученные нами раннее данные по сильному ингибированию роста кристаллов одноводного оксалата кальция аминокислотами,

Рис. 2. Микротомография объемного распределения плотности оксалатного (уэвеллит с примесями уэдделлита и апатита) камня

содержащимися в физиологической жидкости [11]. Обычная для мочи концентрация аминокислот 10-2 моль/литр оказывается достаточной для полного отравления роста кристаллов уэвеллита при пониженном относительном пересыщении по оксалату кальция

С

у = ------< 7, где С — концентрация ионов в растворе, Снас — концентрация ионов

Снас

в насыщенном растворе. Ингибирование роста камня будет сопровождаться осаждением на его поверхности слоя органики — тем более мощном, чем длительнее период «застоя». Временное повышение пересыщения физиологического раствора (по нашим данным до у > 10 [12, 13]) вызовет возобновление роста с захватом зоны органического вещества. Таким образом, ритмическое изменение пересыщения будет приводить к формированию наблюдаемой осцилляционной зональности по органическому веществу. Отсюда следует, что зональность оксалатных уролитов отражает динамику изменения состава физиологической жидкости (мочи). Конечно, существует возможность образования осцилляционной зональности при постоянных внешних условиях за счет автоколебательного механизма, связанного с адсорбционным отравлением роста уэвеллита. Однако этот вопрос требует специального исследования.

Уратные уролиты сложены преимущественно мочевой кислотой (урикитом) С5Н4К403, а также дигидратом мочевой кислоты и уратом аммония, натрия (моногидрат) и кальция (дигидрат) [6]. Уратные камни нашей коллекции представлены исключительно урикитовыми разновидностями и имеют сферолитовую структуру (рис. 4а), аналогичную таковой уэвеллитовых камней, и точно так же являющуюся результатом расщепления призматических кристаллов урикита при прямой кристаллизации из физиологического раствора. Захват органического вещества между индивидами сферолитов происходит существенно интенсивнее, чем в уэвеллитовых уролитах. С другой стороны, концентрическая зональность по органике здесь более грубая, а осцилляционная микрозональность проявлена менее отчетливо (рис. 4 а, б). В целом же структуры уратных (урикитовых) и уэвеллитовых камней сходны, что подразумевает и сходный способ (механизм) формирования этих уролитов, несмотря на разную их локализацию в организме человека. Оксалатные камни образуются преимущественно в почке и мочеточнике, тогда как уратные — в мочевом пузыре.

Рис. 4. Сферолит урикита (а) — микрофотография шлифа, и концентрически-зональное распределение органического вещества в уратном камне (б) — срез, натуральная величина

Фосфатные уролиты обладают структурой, радикально отличающейся от структуры оксалатных и уратных камней. Исследовавшиеся нами фосфатные камни сложены гидрок-силапатитом Са5(Р04)3(0Н), реже струвитом М§КН4Р04-6Н20, в качестве второстепенных минералов могут присутствовать витлокит Са3(Р04)2, брушит СаНР04-2Н20 [14]. Структура фосфатных уролитов тонкозернистая или, чаще, скрытокристаллическая, что говорит о принципиально ином механизме формирования путем агломерации микрокристаллического или аморфного материала. Основная составляющая фосфатных камней — рентгеноаморфный апатит стекловидной, комковатой или глобулярной текстуры, сложенный, по данным электронной микроскопии, мелкими шаровидными частицами диаметром 1-2 мкм (рис. 5 а). В апатит-струвитовых камнях он переслаивается с тонкозернистым или скрытокристаллическим струвитом (рис. 5 б). Такие структуры свидетельствуют об образовании фосфатных камней за счет коагуляции и агрегации частиц золей фосфатных минералов. Проведенный нами синтез гидроксилапатита из растворов, моделирующих физиологические жидкости, и дисперсионный анализ осадков показал, что с увеличением отношения Са/Р в исходном растворе увеличивается средний размер частиц от 17,3 до 28,3 мкм и возрастает степень бимодальности распределения частиц по размерам [14]. Это указывает на возрастание степени агрегации частиц апатита, что хорошо согласуется с уменьшением заряда частиц золей, установленным по их электрокинетическим характеристикам. По сравнению с агломерацией, собственно кристаллизация имеет подчиненное значение в процессе образования фосфатных камней, участвуя в формировании второстепенных минералов с более высокой растворимостью — струвита, брушита, оксалатов, уратов.

Фосфатные камни, как и оксалатные, могут быть одноядерными и многоядерными. Последнее указывает на наличие множественных инициирующих центров агрегации коллоидных частиц, с последующим слипанием мелких конкрементов в один агрегат. Инициирующими центрами могут быть скопления органического вещества, сферо-литы уэвеллита, для струвитовых камней — скопления мелкоглобулярного апатита. Однако в большинстве случаев центры ядер не выявляются, и природа их не ясна. Более того, и сам механизм действия центров, инициирующих агрегационное формирование камней, непонятен, равно как и механизм роста этих камней. Возможно, имеет место так

Рис. 5. Глобулярная текстура апатита (а) и тонкозональное распределение апатита (белые) и струвита

(темные) (б) в фосфатных уролитах.

Рис. 6. Микрофотографии шлифов зональных фосфатных мочевых камней с чередованием слоев: апатит-органическое вещество

называемая контактная коагуляция или «адагуляция» — стимулирование коагуляции золя при адсорбции коллоидных частиц на твердой поверхности.

Слоистое (зональное) строение фосфатных камней обычно выражено менее отчетливо, чем оксалатных, но зато оно существенно более разнообразно. Прежде всего, наблюдается зональность по текстуре аморфного апатита — переслаивание глобулярного, комковатого и стекловидного материала, что говорит о колебательных вариациях процесса коагуляции золя. Кроме того, имеет место хорошо выраженная зональность по органическому веществу, аналогичная таковой в оксалатных и уратных камнях, и имеющая, по-видимому, то же происхождение (рис. 6 а). По крайней мере, торможение агрегации частиц апатита аминокислотами экспериментально выявлено нами с помощью дисперсионного анализа [15]. Резкое

Рис. 7. Слоистая структура фосфатно-оксалатного почечного камня: а) срез

Рис. 8. Микрофотографии шлифов струвит-апатитовых мочевых камней: распределение кристаллов струвита (белое) в апатитовой матрице (темное).

изменение условий может приводить к частичному растворению камня и последующему осаждению новых слоев на предыдущие слои с несогласием. Стандартной для фосфатных камней является зональность по минеральному составу. Часто, наблюдается тонкая осцил-ляционная зональность «апатит-струвит» с толщиной слоев в десятки мкм., разделенных тонкими прослойками органики (см. рис. 5 б). Типичны также переслаивания апатита и вит-локита (рис. 6 б) или апатита и тонкозернистого уэвеллита (рис. 7). Заметим, что зональное распределение кристаллов или агрегатов более растворимых минералов в камне может иметь двоякую природу. Во-первых, это может быть вторичная кристаллизация в концентрических межслоевых кавернах, образующихся при синерезисе, или в порах апатитовой матрицы, из остаточных растворов, пропитывающих камень (рис. 8 а, б). Во-вторых, возможна первичная стадийная кристаллизация на поверхности растущего камня в перерывах между осаждением апатита — истинная зональность (см. рис. 7 а, б). Наконец, на осцилляцион-ную микро- и мезо-зональность любого типа зачастую накладываются крупномасштабные изменения — смена массивной текстуры на тонкозональную или смена фазового (минерального) состава камня. В последнем случае образуются камни «смешанного» типа, в которых чередуются агломерационные и кристаллизационные структуры — первые в фосфатных, вторые — в оксалатных или уратных слоях. Такие камни образуются в наиболее нестационарных условиях, при резких колебаниях состава физиологической жидкости.

Заключение

В целом, выявленные закономерности строения мочевых камней хорошо согласуются между собой и существенно дополняют полученные ранее по уролитам результаты А. К. Полиенко [4], В. И. Катковой [3], Ф. В. Зузука [6], Э. В. Сокол [10] и других авторов. Полученные нами и литературные данные по текстурно-структурным особенностям патогенных органоминеральных образований мочевой системы человека показывают, что, независимо от минерального состава и способа формирования, все камни обладают интенсивной зональностью. Это свидетельствует о крайней нестабильности процесса камнеобразования, причем степень этой нестабильности усиливается от оксалатных

и уратных камней к фосфатным и далее к полиминеральным камням. Зональность камней многоуровневая, проявляющаяся на линейных масштабах от микрон до миллиметров, то есть охватывает 3-4 порядка межслоевых расстояний. Вариации толщин зон отражают динамику роста камня. К сожалению, сведения об абсолютных скоростях роста камней очень скудны, и сопоставление толщин зон с продолжительностьью их образования затруднительно. В [4] приводятся значения скоростей роста камней мочевой системы в интервале от 3-4 до 30-60 мкм в сутки. Единичные данные из нашей коллекции свидетельствуют скорее в пользу нижней границы этого интервала. Тогда тонкая зональность оксалатных камней по органике (см. рис. 1) отражает недельные и месячные колебания, грубая — годовые. Фазовая зональность «апатит-струвит» (см. рис. 5 б) соответствует месячным колебаниям, а зоны «уэвеллит-апатит» камня (см. рис. 7) отвечают периоду колебаний в первые сутки. Грубая фазовая зональность (например, бизональный камень «уэвеллит-уэдделлит» (см. рис. 3 б) определяется интервалами роста длительностью в годы. Таким образом, динамика камнеобразования весьма сложна. Крупномасштабные колебания минерального состава, структуры и содержания органической компоненты безусловно связаны с вариациями внешних условий роста камня, связанных с жизнедеятельностью организма (состав, рН, пересыщение мочи). Что же касается тонкой зональности, то не исключается и автоколебательный механизм ее образования за счет периодического отравления ростовой поверхности камня, органическими компонентами мочи.

Работа выполнена при поддержке РФФИ

Литература

1. КорагоА. А., МатинаВ. Н. Характерные особенности патогенных органо-минеральных агрегатов // Минералогия и жизнь: Материалы к Межгосударственному минералогическому семинару. Сыктывкар. 1993.

2. Юшкин Н. П. Сингенез, взаимодействие и коэволюция минерального и живого миров // Минералогия и жизнь. Сыктывкар. 1993.

3. Каткова В. И. Мочевые камни: минералогия и генезис. Сыктывкар, 1996.

4. Полиенко А. К., Шубин Г. В., Ермолаев В. А. Онтогения уролитов. Томск, 1997.

5. Пальчик Н. А., Столповская В. Н., Леонова И. В. и др. Особенности минерального состава и структуры мочевых камней и их распространенность у пациентов из разных районов Новосибирской области. //Минералогия техногенеза, Миасс, 2001.

6. Зузук Ф. В. Мінералогія уролітів. Т. 3. Луцьк. 2000.

7. Кадурин С. В., Чепижко А. В. Морфологические типы и микроэлементный состав оксалатов в почечных камнях у жителей Одесской области // ЗВМО. 2001. № 4.

8. Лонсдейл К., Сьютор Д. Кристаллографические исследования почечных и желчных камней // Кристаллография. 1971. Т. 16. № 6.

9. Иванов М. А., Панин А. Г., Стецик О. В. Принципы структурно-вещественной классификации почечных камней // Тез. докл. Федоровской сессии. СПб., 2006.

10. Сокол Э. В., НигматулинаЕ. Н., МаксимоваН. В. Сферолиты оксалата кальция в почечных камнях: морфология и условия образования // Химия в интересах устойчивого развития. 2003. № 11.

11. Голованова О. А., Ачкасова Е. Ю., Пунин Ю. О. и др. Основные закономерности кристаллизации оксалата кальция в присутствии аминокислот // Кристаллография. 2006. Т. 51. № 2.

12. Изатулина А. Р., Голованова О. А., Пунин Ю. О. Изучение закономерностей взаимодействия аминокислот с одноводным оксалатом кальция // Известия вузов. Серия «Химия и химическая технология» (в печати).

13. Изатулина А. Р., Голованова О. А., Пунин Ю. О. Влияние аминокислот, ионов магния и гидроксилапатита на формирование оксалатных почечных камней // Химия в интересах устойчивого развития

14. Голованова О. А. Патогенные минералы в организме человека. Омск, 2007.

15. РоссееваЕ. В., Голованова О. А., Франк-Каменецкая О. В. Влияние аминокислот на образование нанокристал-лического гидроксилапатита // Физика и химия стекла. 2007. Том 33, № 3.