Биоминералогия мочевых, желчных, зубных и слюнных камней из организма человека

Голованова, Ольга Александровна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Биоминералогия мочевых, желчных, зубных и слюнных камней из организма человека
ВАК РФ 25.00.05, Минералогия, кристаллография

Автореферат диссертации по теме "Биоминералогия мочевых, желчных, зубных и слюнных камней из организма человека"

На правах рукописи

ГОЛОВАНОВА Ольга Александровна

БИОМИНЕРАЛОГИЯ МОЧЕВЫХ, ЖЕЛЧНЫХ, ЗУБНЫХ И СЛЮННЫХ КАМНЕЙ ИЗ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА

Специальность 25.00.05 - минералогия, кристаллография

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

о Г 0 о

Г '

Томск-2008

003460378

Работа выполнена на кафедре кристаллографии Санкт-Петербургского государственного университета и кафедре неорганической химии Омского государственного университета им. Ф.М. Достоевского

Научный консультант: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Франк-Каменецкая О.В.

Официальные оппоненты: академик РАН,

доктор геолого-минералогических наук профессор Юшкин Н.П.

доктор геолого-минералогических наук профессор Сальников В.Н.

доктор геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник Сокол Э.В.

Ведущая организация: Казанский государственный университет

Защита состоится 4 февраля 2009 г. в 14.00 часов в ауд. 406 корп. 20 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций ДМ.212.269.03 при Томском политехническом университете, адрес: 634050, Томск пр. Ленина, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского политехнического университета

Автореферат разослан 9 декабря 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. г.-м. наук

¿■tc&J^ О.Е. Лепокурова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Ухудшение экологической обстановки в крупных промышленных мегаполисах приводит к постоянному росту заболеваний, связанных с камнеобразованием в организме человека, что обусловливает необходимость разработки новых методов лечения и профилактики этих болезней. В связи с этим за последние 10-15 лет интерес к изучению патогенных агрегатов и условий их образования в организме человека существенно возрос.

Механизмы образования и роста кристаллических фаз, входящих в состав камней, связанные со сложным взаимодействием живого и косного вещества, на данный момент изучены недостаточно и являются дискуссионными. В первую очередь, это обусловлено молодостью биоминералогии, которая только за последние десятилетия сформировалась как самостоятельная интенсивно развивающаяся наука. Трудности изучения патогенных минералов связаны, в первую очередь, со сложным вещественным и элементным составом камней, являющихся органоминеральными агрегатами (ОМА), содержащими как минеральную (часто очень плохо окристаллизованную), так и органическую компоненты, которые очень трудно разделить. Большую роль, несомненно, играет и отсутствие необходимых контактов между специалистами разных областей знаний (минералогами, кристаллографами, медиками и химиками).

Для того чтобы продвинуться в направлении понимания закономерностей генезиса мочевых, желчных и других камней в организме человека, необходимо более детально изучить их вещество, привлекая широкий круг современных инструментальных методов, а для установления особенностей образования и роста кристаллических фаз, входящих в их состав, активно использовать методы теоретического и экспериментального моделирования. Исследования такого рода в настоящее время ведутся во многих научных центрах, но до окончательного решения проблемы еще далеко.

Представляемая работа посвящена биоминералогии мочевых, желчных, зубных и слюнных камней - основных патогенных органоминеральных агрегатов, образующихся в организме человека.

Основные задачи диссертационной работы:

1. Обобщение и критический анализ накопленных знаний по вещественному составу и гипотезам образования патогенных агрегатов в организме человека.

2. Разработка комплексного подхода к исследованию патогенного мине-ралообразования в организме человека, включающего детальное изучение основных патогенных органоминеральных агрегатов из организма человека, соответствующих камнеобразующих сред, а также широкое применение методов теоретического и экспериментального моделирования в прототипах биологических жидкостей.

3. Детальное исследование представительной коллекции почечных, желчных, зубных и слюнных камней (их морфологии, структуры, минерального и химического состава); установление связей между компонентами ОМА.

4. Изучение параметров желчи и ротовой жидкости в норме и патологии; установление связей между характеристиками ОМА и соответствующих камнеобразующих сред.

5. Изучение условий фазообразования в моче и ротовой жидкости.

6. Изучение онтогении камней. Установление особенностей кристаллизации основных патогенных фаз в организме человека.

Научная новизна работы. Результаты выполненных исследований можно квалифицировать как новое крупное научное достижение в области биоминералогии. На основе обобщения обширного экспериментального и теоретического материала рассмотрен комплекс проблем, связанных с особенностями генезиса почечных, желчных, зубных и слюнных камней - основных патогенных образований в организме человека. Выявлены отличия состава патогенных биологических сред (желчь, ротовая жидкость) от находящихся в норме и установлены связи между характеристиками камнеобразущих сред и фазовым составом патогенных образований. Впервые на основе термодинамических расчетов и экспериментов детально изучены условия фазообразования в моче и ротовой жидкости. Показано, что патогенное фазообразование в организме человека крайне неравновесно. Установлена особая роль апатита как наиболее стабильной фазы, встречающейся практически во всех камнях. Доказано, что образование микроэлементами мочи (Fe, Al, Zn, Sr, Ti, Си) малорастворимых соединений с оксалат и фосфат анионами раствора термодинамически невозможно из-за малого содержания их в растворе на фоне во много раз превышающей концентрации катионов кальция. Для мочевых камней впервые установлено селективное соответствие между основной минеральной компонентой (оксалатной, фосфатной, уратной) и набором аминокислот; выявлены основные типы распределения по объему камня органической компоненты (ядерная, прослоенная, диффузная); показано наличие связей между содержанием микроэлементов и аминокислот. Выявлено избирательное влияние неорганических (фосфат-, карбонат-анионы и катионы магния) и органических (оксалат- анионы, аминокислоты) компонентов физиологического раствора на образование основных фаз уролитов. Установлено сильное воздействие компонентов камнеобразующей среды на кинетику кристаллизации уевеллита и гидроксилапатита: аминокислоты оказывают ингибирующее действие на рост кристаллов этих соединений, обусловленное Vix адсорбционным взаимодействием с поверхностью растущего кристалла и зависящее от их природы и концентрации; электростатическое взаимодействие аминокислот с апатитом зависит от нестехиометричесности его состава; кристаллизацию уевеллита замедляет также наличие в растворе катионов магния и повышение концентрации фонового электролита (эффект ионов магния максимален по сравнению с действием других добавок). Обнаружено, что присутствие в растворе кристаллов гидроксилапатита оказывает каталитическое действие на кристаллизацию уевеллита.

Практическая значимость. Материалы данной работы переданы в медицинские учреждения Омска (МСЧ № 6, ОмОКБ, БСМП и Западно-Сибирский Федеральный медицинский центр, диагностический центр г. Омска, городская стоматологическая поликлиника № 1 г. Омска) и Санкт-Петербурга (Центр остеопороза, МЧС № 122, Военно-медицинская академия им. Кирова, МАПО, ГМУ им. акад. И.П. Павлова, поликлиника № 20, стоматологическая клиника «ЛИК» Санкт-Петербурга др.) и используются при проведении лечения и профилактики моче-, желче- и слюнно-каменных болезней. На основа-

нии фазового и химического состава биоагрегатов и свойств камнеобразующих сред пациентам даются практические рекомендации по диете, образу жизни; страдающим слюнно-каменной болезнью - по уходу за полостью рта. Новый способ (заявка № 2006 110490/15/(011425)) выявления патологий в полости рта у «компьютерщиков» на основе особенностей кристаллизации слюны широко используется в стоматологической поликлинике № 1 и на кафедре клинической стоматологии ОмГМА г. Омска. Результаты по изучению влияния состава питьевой воды на уровень заболеваемости почечнокаменной болезнью жителей Омского региона нашли применение в разработке и внедрении методов водоподготовки в ОАО «Омскводоканал». Разработанный способ определения микроколичеств белковых соединений в почечных камнях (патент на изобретение №2239195) широко используется для разделения и изучения органической и минеральной компонент почечных, зубных, слюнных и др. камней, а также зубов и костей в различных учебных и научных центрах Санкт-Петербурга, Омска, Барнаула, Новосибирска (СПбГУ, ОмГУ, ОмГПУ, ОмГМА, ОмГАУ, Аналитический центр ОИГГиМ СО РАН г. Новосибирска, Центр коллективного пользования ИППУ СО РАН г. Омска и др.).

Результаты работы используются также в курсах «Кристаллическое вещество в живых организмах» для студентов-магистрантов кафедры кристаллографии геологического факультета СПбГУ, «Биологическая минералогия» для студентов IV курса кафедры геологии и геоэкологии географического факультета РГПУ им. Герцена, а также для постановки студенческих и аспирантских исследований, проводящихся на кафедрах «Кристаллографии» СПбГУ и «Неорганической химии» ОмГУ. Под руководством и при участие автора успешно выполнены 22 дипломных и 3 диссертационные работы.

Фактическую основу диссертации составляют результаты изучения вещества мочевых, желчных, зубных и слюнных камней из организма человека и соответствующих камнеобразующих сред, а также теоретического и экспериментального моделирования фазообразования и кристаллизации основных патогенных биоминералов.

Коллекция патогенных органоминеральных агрегатов в количестве 535 образцов была сформирована из камней, удаленных по медицинским показаниям в процессе лечения жителей Омска и Санкт-Петербурга. Все образцы были паспортизированы (сопровождены анкетными и медицинскими данными). Для хранения этих данных и удобства обработки, полученных в ходе исследования результатов, была создана специализированная база данных.

Исследование вещества органоминеральных агрегатов было проведено методами порошковой рентгенография, ИК-спектроскопии, микротомографии, поляризационной и электронной микроскопии. Кроме того, были использованы различные химические методы (рентгеноспектральный микрозондовый анализ, атомно-абсорбционная спектроскопия, эмиссионный спектральный анализ, рентгено-флуоресценция с синхротронным излучением, атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно связанной плазмой (АЭС-ИСП)и др.) Часть химических анализов проводили после разделения (по оригинальной методике) минеральной и органической компонент исследуемых образцов. При изучении белковой составляющей использовали также методы Кельдаля, Бенедикта и обращенно-фазной высокоэффективной жидкостной хроматографии.

Определения состава камнеобразующих сред (желчи и ротовой жидкости) проводили с помощью адаптированных биохимических методик. Синтез аналогов биоминералов (уевеллита, апатита) в прототипах биологических сред выполняли методом осаждения из раствора. Кинетические характеристики кристаллизации уевеллита и апатита изучали с привлечением кондуктометрического и дисперсионного методов. Термодинамические и математические расчеты закономерностей кристаллизации фаз, входящих в состав патогенных агрегатов, проводили с использованием разработанных моделей.

Экспериментальные исследования и анализ выявленных закономерностей осуществлены автором самостоятельно и совместно с сотрудниками, аспирантами и студентами кафедры кристаллографии СПбГУ, кафедры неорганической химии ОмГУ, а также других учебных и научно-исследовательских организаций Омска и Санкт-Петербурга, являющимися соавторами публикаций по теме диссертации. Постановка задач и основные обобщения концептуального характера выполнены автором.

На защиту выносятся следующие положения и результаты

1. При переходе в патогенное состояние концентрация основных неорганических компонентов в биологических жидкостях повышается, а содержание белковых и других органических составляющих может как увеличиваться (желчь), так и уменьшаться (смешанная слюна). В процессе камнеобразования состав физиологических растворов претерпевает существенные, часто периодические, изменения, что проявляется в многофазности камней, их микрогетерогенности, зональности и в переменном составе большинства патогенных биоминералов.

2. Патогенное фазообразование в организме человека крайне неравновесно, что доказано термодинамическими расчетами и модельными экспериментами. Широкая распространенность одноводного оксалата кальция (уевеллита) и основного фосфата кальция (апатита) связана с высоким пересыщением биологического раствора относительно этих фаз. Величина рН раствора оказывает более существенное влияние на фазообразование, чем варьирование начальных концентраций компонентов. Наибольшая стабильность апатита, связанная с более широким интервалом условий его образования, объясняет его встречаемость практически во всех мочевых, зубных и слюнных камнях.

3. Для камней, минеральная компонента которых состоит из органических соединений (оксалатные и мочекислые уролиты; холестериновые холели-ты), характерна сферолитовая структура и прямой рост фаз из пересыщенных растворов. Для фосфатных камней (фосфатные уролиты, дентолиты и саливо-литы) характерно зернистое скрытокристаллическое строение и образование путем осаждения вещества (седиментации). Неорганические примеси камнеоб-разующей среды (компоненты фонового электролита, катионы магния и др.) ингибируют кристаллизацию минералов почечных камней. Присутствие в моче кристаллов гидроксилапатита, напротив, инициирует процесс кристаллизации уевеллита. Кинетика нуклеации малорастворимых соединений почечных, зубных и слюнных камней может быть описана уравнением Фоккера-Планка.

чевых камней (оксалатной, фосфатной, уратной) и набором аминокислот. Имеет место адсорбционное ингибирование аминокислотами кристаллизации уевелли-та и гидроксилапатита, зависящее от природы кислоты и её концентрации, а в случае гидроксилапатита также от степени нестехиометричности его состава. Ингибирующий эффект аминокислот сопоставим с воздействием компонент фонового электролита, но меньше, чем тормозящее влияние катионов магния.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы опубликованы в двух монографиях (1 коллективная), 52 научных статьях и 4 авторских свидетельств на изобретение, а также представлены более чем в 104 сообщениях (устные доклады, стенды и опубликованные тезисы) на международных и всероссийских конференциях и семинарах: International Conference «Basic Science for Medicine» (Новосибирск, 2007), Международном семинаре «Минералогия и жизнь» (Сыктывкар, 2007), IV Международной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Нанокристаллизация. Биокристаллизация» (Иваново, 2006, 2008), V Международной конференции «Спектроскопия, рентгенография и кристаллохимия минералов (Казань, 2005), Topical Meeting «Nanoparticles, Nanostructures and Nanocomposites» (Saint-Petersburg, 2004, 2006, 2007), Международном совещание «Происхождение и эволюция биосферы» (Новосибирск, 2005), Международных симпозиумах «Биокосные взаимодействия» (Санкт-Петербург, 2002, 2004, 2007), Международной конференции геология и рациональное недропользование «Экогеология - 2003» (Санкт-Петербург, 2003), Международном совещание «Проблемы природопользования в районах со сложной экологической ситуацией» (Тюмень, 2003), Международной конференции «Углерод: минералогия, геохимия и космохимия», (Сыктывкар, 2003), Международном совещание академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (Омск, 2002), IV Международных Симпозиумах «Минералогические музеи» (Санкт-Петербург, 2002 и 2005), Международной конференции «Кристаллогене-зис и минералогия» (Санкт-Петербург, 2001, 2007), Международной конференции «Рентгенография и Кристаллохимия минералов» (Санкт-Петербург, 2003, Миасс, 2007), Международной конференции «Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий» (Томск, 2006, 2007), Международной конференции «Углерод: минералогия, геохимия и космохимия» (Санкт-Петербург, 2001), Международном семинаре «Кварц • Кремнезем», (Сыктывкар, 2004), 60-той Федоровской сессии (Санкт-Петербург, 2006), Конференции молодых ученых (Ростов-на-Дону, 2006), IV Национальной кристаллохимической конференции (Черноголовка, 2006), семинарах «Минералогия техногенеза» (Миасс, 2000-2006), Пятом семинаре СО РАН - УрО РАН «Термодинамика и материаловедение» (Новосибирск, 2005), I и II Российском совещание по органической минералогии (Санкт-Петербург, 2002, Петрозаводск, 2005), XV Российское совещание по экспериментальной минералогии (Сыктывкар, 2005), Всероссийским симпозиуме «Химия: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (Хабаровск, 2002), Молодежных конференциях «Молодые ученые на рубеже третьего тысячелетия» (Омск, 2001-2008), Всероссийской конференции «Химический анализ веществ и материалов (Москва, 2000).

Объем и структура работы. Диссертация содержит 333 страницы текста, 122 рисунка, 86 таблиц, список литературы из 460 наименований. Она состоит из введения, 5 глав и заключения. Во введении кратко описывается история разви-

тия биоминерапогии и дается общая характеристика работы. В первой главе с разной степенью детальности охарактеризованы методы и подходы, использованные в процессе выполнения исследования; детально описаны методики, разработанные и усовершенствованные автором. Вторая глава содержит результаты изучения вещества мочевых, зубных, слюнных камней и соответствующих кам-необразующих сред; пятая глава - желчных камней и желчи. В этих же главах с использованием полученных результатов критически обсуждаются гипотезы формирования органоминеральных агрегатов. В главах три и четыре приводятся результаты теоретического и экспериментального моделирования фазобразова-ния и кристаллизации основных компонентов камней. В заключение на основе совокупности полученных результатов дается сравнительный анализ условий образования мочевых, зубных, слюнных и желчных камней; обсуждаются основные особенности патогенного минералообразования в организме человека

Работа представляет итог 9-летних исследований, выполненных автором в постоянном творческом содружестве с сотрудниками, аспирантами и студентами кафедры кристаллографии СПбГУ, кафедры неорганической химии ОмГУ, а также кафедры химии и клинической стоматологии ОмГМА, кафедры биохимии и микробиологии ОмГАУ, Центром коллективного пользования ИПГТУ СО РАН г. Омска и др.

Исследования были частично поддержаны грантами РФФИ (проекты: №03-05-65278 и № 06-05-65165) и программой Университеты России (проект ур.09.01.351), а также грантами «Молодых ученых» ОмГУ (проекты: № 01.2.006 06.422, № 01.0.40 001544 и № 01.20.0301084, МК-3113). Часть работ проводилась по договору с Областной администрацией г. Омска.

Благодарности. Я благодарна счастливому стечению обстоятельств, которое дало мне возможность проводить исследования (обучаясь в докторантуре) на кафедре кристаллографии СПбГУ в тесном творческом и просто человеческом общении с сотрудниками университета и других учебных и научно-исследовательских учреждений Санкт-Петербурга - интереснейшими людьми, являющимися квалифицированными специалистами в различных областях знаний. Благодарю аспирантов и студентов кафедры кристаллографии СПбГУ и кафедры неорганической химии ОмГУ принимавших участие в исследованиях и являющихся соавторами многих публикаций

От всей души благодарю за содействие и полезное критическое обсуждение материалов диссертации Ю.О. Пунина, Е.Б. Трейвуса, А.К. Гуца, В.И. Вершинина, а также всех сотрудников кафедры кристаллографии СПбГУ и неорганической химии ОмГУ за поддержку.

Считаю своим долгом с благодарностью отметить роль профессора В.Ф. Борбата в выполнении данной диссертационной работы - именно он обратил внимание диссертанта на проблему патогенного образования в организме человека и поставил перед ним задачу проведения исследований в данном направлении.

Особая благодарность моему научному консультанту профессору О.В. Франк-Каменецкой, которая была непосредственным участником работы и инициатором ряда направлений проведенного исследования.

Крайняя признательность также моей семье и особенно мужу, Ю.В. Голованову, за неоценимую помощь и поддержку.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ (по защищаемым положениям)

Обобщение и критический анализ накопленных знаний по вещественному составу и гипотезам образования патогенных агрегатов в организме человека показали, что накопленный фактический материал, полученный на разных этапах развития биоминералогии, не является полным и требует уточнения, систематизации и переосмысления. Представления о механизмах образования камней находятся на уровне гипотез и являются дискуссионными.

В настоящей работе исследование основных моментов патогенного мине-ралообразования в организме человека проведено на основе комплексного подхода, включающего детальное изучение основных патогенных органомине-ральных агрегатов (мочевых, желчных, зубных и слюнных камней) и соответствующих камнеобразующих сред с использованием широкого круга современных инструментальных методов (табл. 1 и 2), а также привлечение теоретического и экспериментального моделирования. Коллекция камней, удаленных по медицинским показаниям в процессе лечения жителей Омска и Санкт-Петербурга, состояла из уролитов (241), холиолитов (185), дентолитов (69) и сапиволитов (10).

Таблица 1

Методы исследования ОМА

Метод Задачи № образцов

Рентгенография поликристаллов Фазовый анализ. Определение параметров эл. ячейки 535

ИК-спектроскопия Характеристики органической и минеральной составляющих, определение кол-ва и положения СОз2"ионав апатите, наличия ОН-, НРО/ групп и молекул НгО 535

Поляризационная микроскопия Изучение структуры, морфологии и фазового состава агрегатов 150

Растровая электронная микроскопия Изучение микроструктуры и морфологии агрегатов, выявление их микрогетерогенности 150

Компьютерная микротомография Определение Зх-мерного распределения плотности вещества в агрегате 6

Гистологический анализ срезов камней (обработка раствором НеСЬ-БФС) Определение форм локализации белковых веществ в камнях 150

ВЖ и ИО хроматография Анализ аминокислотного состава 150

Метод Бенедикта Определение водорастворимых белковых соединений 180

Метод Къельдаля Определение содержания общего неминерального N 180

Атомный эмиссионный спектральный анализ с ИСП Определение содержания до 45 элементов 350

Рентгенофлуоресцентный анализ с СИ Определение содержания 40 элементов 350

Рентгеноспектральный микрозондовый анализ Локальное определение в агрегате содержания Са, Мй, А1, N3, Р, Э!", 5г, Б, С1, С, ¥, Ре, Ва, Мп, Л 50

Газообменный анализ Определение содержания СОз^" 50

Потенциометр ический анализ Определение содержания Г 50

В процессе работы были разработаны методики экстракционного разделения минеральной и органической составляющих органоминеральных компо-

зитов любой природы и проведена их апробация; подобраны и адаптированы взаимодополняющие методы изучения патогенных агрегатов из организма человека; разработана термодинамическая расчетная модель фазообразования малорастворимых соединений в прототипах биологических жидкостей; показана возможность использования математической модели, основанной на уравнении Фоккера-Планка, для прогнозирования кинетики нуклеации минералов почечных, зубных и слюнных камней; усовершенствованы методы синтеза основных минералов почечных камней (уевеллита и апатита), адаптированы методы изучения особенностей кристаллизации одноводного оксалата кальция и гидроксилапатита.

Таблица 2

Методы исследования биологических жидкостей и их прототипов

Метод Задачи

ВЖ и ИО хроматография Анализ аминокислотного состава

Метод Бенедикта Определение водорастворимых белковых соединений

Метод Къельдаля Определение содержания общего неминерального N

Атомный эмиссионный спектральный анализ с И СП Определение содержания до 45 элементов

Спектрофотометр ический анализ Определение содержания РО4'", желчных кислот, холестерина, фосфолипидов, билирубина

Потенциометрический анализ Определение содержания И", Ыа"\ К/,

Титриметрический анализ Определение содержания Са/+, Mg¿\ ЫН/, С20/"

Вискозиметрия Определение вязкости

Кристаллизация ротовой жидкости методом открытой капли Исследование структуры картин кристаллизации ротовой жидкости

Метод холодово-осадочной пробы Определение отношения желчи к нуклеации

Метод электрофореза Определение электрокинетических свойств частиц золей

Кондуктометрический метод Определение кинетических параметров роста кристаллов

Дисперсионный метод Изучение распределения кристаллов по размерам

Основные особенности патогенного минералообразования в организме человека, выявленные в результате выполнений диссертационной работы.

1. При переходе в патогенное состояние концентрация основных неорганических компонентов в биологических жидкостях повышается, а содержание белковых и других органических составляющих может как увеличиваться (желчь), так и уменьшаться (смешанная слюна). В процессе камнеобразования состав физиологических растворов претерпевает существенные, часто периодические, изменения, что проявляется в мно-гофазности камней, их микрогетерогенности, зональности и в переменном составе большинства патогенных биоминералов.

Особенности камнеобразующих сред выявляли на основе изучения параметров патогенных жидкостей и соответствующих ОМА.

Желчь как камнеобразующая среда. Проведено количественное определение основных органических компонентов операционной желчи жителей Омского региона и установлено, что концентрация главного компонента желчи -желчных кислот (стабилизаторов холестерина) для 25 % проб ниже нормы, для 12,5 % - в норме, для 62,5 % - выше нормы; концентрация холестерина, фосфо-липидов и триглицеридов для всех проб выше нормы (для холестерина в сред-

нем в 11 раз); содержание билирубина для 18,7 % проб ниже нормы, а для 81,3 % - повышено относительно нормы. Таким образом, состав патогенной желчи не соответствует норме. Для подтверждения литогенных свойств проанализированной желчи для всех проб различными способами были рассчитаны индексы ли-тогенности (ИЛ), являющиеся критериями устойчивости желчи к коагуляции. Все значения ИЛ не соответствуют норме, что подтверждает патогенные свойства анализируемой желчи. Патогенность операционной желчи была также подтверждена с использование диаграммы Адмирала-Смолла (рис. 1), которая отражает основной состав желчи. На диаграмме представлена теоретическая кривая максимальной и минимальной насыщенности холестерина, характеризующая метастабильную зону. Полученные значения концентраций основных компонентов исследованной желчи для всех проб лежат выше кривой максимального растворения холестерина, то есть холестерин в такой желчи не может быть полностью стабилизирован. Таким образом, вся проанализированная желчь не устойчива, что способствует образованию камней.

Для оценки содержания белковой компоненты в исследуемых пробах операционной желчи было определено количество общего азота. Оказалось, что его содержание находится в диапазоне от 1,50 до 1,80 мас.%, что ~ в 3 раза превышает содержание азота в желчи здорового человека (0,48 масс.%). Увеличение доли общего азота вероятно, связано с возрастанием содержания в патогенной желчи не только аминокислот, но и таких азотсодержащих органических соединений, как билирубин и фосфолипиды. Содержание большинства неорганических компонент в патогенной желчи также повышено. Массовая доля натрия в 1,2 раза превышает его содержание в норме, фосфора и калия - в 1,5 раза, кальция - в 2,5 раза, магния — в 4,5 раза; содержание железа в 3,5 раза меньше нормы. Известно, что катионы кальция выполняют цементирующую роль в процессе нуклеации холестерина и преципитируют из желчи в виде карбонатов, пальмитатов и фосфатов. Таким образом, установленные отклонения элементного и вещественного состава патогенной желчи, по-видимому, приводят к нарушению её коллоидной структуры, что способствует коагуляции холестерина и образованию камней.

Желчные кислоты [моль%)

• - экспериментальные точки Н- норма (холестерин в растворе)

Рис. 1. Диаграмма устойчивости желчи

1 mm

Рис. 2. Зонально-слоистое строение холестеринового камня

Использование разработанной методики поэтапного экстракционного разделения компонентов желчных камней позволило кроме безводного холестерина С27Н46О обнаружить в исследуемых образцах следующие дополнительные фазы:

карбонаты кальция СаС03 (фатерит, арагонит и кальцит), фосфат кальция витло-кит Са3(Р04)2 и ряд орагнических соединений - билирубин (СззН3606М4), натриевая соль желчной кислоты (С21Нз7=СОМНСН2СООЬта). В двух «черных камнях» холестерин практически отсутствует. Они состоят из билирубина и пальмитата кальция С15Н31СОО)2Са, то есть относятся к пигментным.

Для желчных камней характерно зонально-слоистое строение (рис. 2), которое чаще всего связано с вариациями фазового состава в пределах одного камня (табл. 3), что указывает на изменения физико-химических характеристик камнеобразующей среды.

Таблица 3

Пример послойного распределения фаз в желчном камне

Корка Средняя зона Центр

Холестерин, незнач. фатерит Холестерин, арагонит, фатерит Холестерин, арагонит (следы)

В составе желчных камней идентифицировано более 36 элементов, доля которых колеблется в диапазоне от 10"5 до 2 масс.%. Процентное содержание элементов от общей их массы убывает в следующем порядке: Са, К, Мп, Бе, Си, РЬ, Т1, 2п, V, В], Сг, Содержание кальция составляет 95масс.%, затем следует калий (более 3 масс.%), замыкают ряд хром и ртуть, на долю которых приходится около 0,02 масс.%.

Таким образом, увеличение содержание кальция в патогенной желчи способствует образованию холиолитов, содержащих карбонаты кальция и билиру-бинат кальция, который является основной фазой пигментных камней.

Моча как камнеобразующая среда. В моче здорового человека идентифицировано более двух десятков неорганических и органических соединений. К патологическим компонентам мочи можно отнести глюкозу, белок, кетоновые тела, кровь. Кроме того, при образовании мочевых камней в физиологическом растворе повышается содержание неорганического фосфора (> 75 ммоль\л), общего кальция (> 7 ммоль\л), магния (> 5 ммоль\л), щавелевой кислоты (> 0,25 ммоль\л) и мочевой кислоты (> 4 ммоль\л). При болезнях почек и ряде других заболеваний выделение белков с мочой возрастает. Среднесуточное значение рН мочи здорового человека лежит в области 5,5-6,5. Таким образом, моча - это сложный многокомпонентный раствор. Основными факторами, влияющими на процесс патогенного минералообразования в мочевой системе, являются химический состав и водородный показатель мочи.

В настоящее время в составе мочевых камней идентифицировано 29 минералов, из которых большинство являются солями кальция. В камнях исследуемой коллекции идентифицировано 11 соединений. Наиболее часто встречаются оксалаты: уевеллит СаС204 (1+х) Н20 (х ~ 0,00-0,07) и уедделлит СаС204 (2+х)Н20, (х = 0,13-0,37); фосфаты: струвит 1^ЫН4Р04-6Н20, гидроксилапатит Са5(Р04)3(0Н), брушит СаНР04-2Н20 и витлокит Са3(Р04)2; ураты: урикит С5Н4М40з1 дигидрат мочевой кислоты СзН^ОзШгО, урат аммония С5Н2ОзК,(ЫН4)2. В 5 % образцов обнаружен редкий для почечных камней кварц 8Ю2, в одном камне (вместе с кварцем) впервые встречен силикат кальция хат-рурит Са3ЗЮ5. Частота встречаемости минералов в мочевых камнях различных

регионов варьирует. Всегда преобладают оксалатные камни (45-75 %), далее следуют фосфатная (20-40 %) и уратная (10-20 %) группы.

Большинство исследованных уролитов имеют слоистую, часто тонкозональную, структуру с чередованием как минеральных и органических слоев, так и слоев различного минерального состава. Слоистость удается наблюдать на разных уровнях исследования, как при визуальном изучении срезов крупных камней (рис. 3), так и на электронномикроскопических снимках отдельных участков образцов (рис. 4).

Установлены основные типы локализации органических веществ белковой природы: ядерная (в центре агрегата), прослоенная (концентрические и лучевые прослойки), диффузная (в виде вкраплений в кристаллы минералов). Как правило, в мочевых камнях фиксируются одновременно все типы локализации органического вещества с заметным преобладанием одного их них. Практически во всех исследованных уролитах методом сканирующей электронной микроскопии установлено проявление микрогетерогенности. В окса-латных и струвитных камнях (мономинеральных по данным РФА) выявлены зерна апатита (4-5 мкм); в фосфатных и уратных - обнаружены отдельные кристаллики уевеллита (размером 150-200 мкм). На основе вариаций параметров кристаллической решетки и данных локального микроанализа установлено, что оксалаты и фосфаты почечных камней характеризуются переменным нестехиомегрическим составом, что отражает неравновесность и нестационарность условий их образования. Нестехиометрия составов оксалатов кальция (уевеллита и уедцеллита) связана с переменным количеством воды в их структурах. Вариации составов струвитов и апатитов связаны с изоморфными замещениями во всех кристаллографических позициях. Основные примеси струвитов почечных камней (масс. %): Са (0,36-1,89), Иа (0,00-0,13), К (0,28-0,70), 8 (0,5-0,8). Основные примеси апатитов почечных камней (масс. %): - N3, М^ (0,5-0,8), К (0,3-0,4), Б (0,5-0,8), С1 (0,07-0,3). Нестехиометрия струвита связана с переменной долей вакансий в позиции а апатита - в позиции Са.

Рис. 3. Слоистая структура фосфатно-оксалатного почечного камня срез-(увеличение 1,5 крат)

Рис. 4. Зональное распределение слоев

струвита (темные) и апатита (белые) под электронным микроскопом

Неоднородное (часто зональное/микрозональное) строение мочевых камней проявляется и в распределении элементов. Например, увеличение количества апатита от центра к периферии сопровождается возрастанием как концентрации кальция, так и микроэлементов (Ре, М§, РЬ, 81, Мп, А1, Си), которые могут изоморфно входить в структуру апатита (табл. 4).

Таблица 4

Пример зонального распределения элементов в мочевом камне _фосфатио-оксалатного типа_

Зона Содержание элементов, масс. %

Ре Щ РЬ Мп Са 77 А1 Си

Ядро 0,006 3 0,006 0,004 0,004 22 - 0,0018 0,0016

Средняя 0,014 4,2 0,0047 0,001 0,0053 26 0,001 0,034 0,0021

Корка 0,026 6,6 0,011 0,029 0,049 38 0,0006 0,0028 0,0018

Результаты кластерного анализа показали, что почечные камни различного минерального состава - оксалатные, фосфатные и уратные отличаются по содержанию таких элементов как Са, Р, Мд, Ыа, К, Б, Ё (более 0,1 масс.%), а также Бг, Хп, Ва, Си, Вг, РЬ, БЬ, Ъх, Ш> (менее 0,1 масс.%). Для камней смешанного фосфатно-оксалатного и уратно-оксалатного состава данная дифференциация носит размытый характер. Максимальное число микроэлементов (Р, К, Б г, Хп, Ва, Ъ\, БЬ, Ш>) тяготеет к фосфатной группе, что можно объяснить их изоморфным вхождением в кристаллические структуры фосфатов, в первую очередь, гидроксилапатита.

Ротовая жидкость как камнеобразующая среда. Проведено количественное определение главных компонентов ротовой жидкости (смешанной слюны) 250 жителей Омска, относящихся к четырем группам (табл. 5) В ротовой полости членов трех испытуемых групп (кроме контрольной) присутствовали зубные камни. Достоверное изменение параметров слюны (по сравнению с контрольной группой) зафиксированы у лиц, принимающих лекарственные препараты и подверженных кариесу. В составе органической составляющей ротовой жидкости жителей города Омска определено 15 аминокислот; их среднее суммарное содержание составляет 0,34 масс.%. Кроме того, в ротовой полости всех пациентов, у которых присутствовали зубные камни, обнаружено повышенное содержание ряда элементов (конц. порядка 0,5 мг/л): Ре, Мп, А1, Ъп и Си.

Таблица 5

Сравнительная характеристика электролитного состава ротовой жидкости жителей Омска

Показатель ротовой жидкости Группа па1 иентов

Контрольная Принимающая лекарственные препараты Подверженная компьютерной нагрузке Кариеспод-верженная

РН 6,80±0,11 7,04±0,02 6,75±0,35 6,59±0,09

С (Ыа+), г/л 0,30±0,04 0,38±0,08 0,31±0,12 0,32±0,06

С (К+), г/л 0,72±0,05 1,15±0,03 0,77±0,25 1,08±0,32

Общий Са^+, г/л 0,051±0,004 0,057±0,005 0,049±0,013 0,05±0,01

Фосфор, г/л 0,16±0,01 0,20±0,02 0,15±0,05 0,19±0,05

Белок, мг/мл 1,73±0,24 1,33±0,06 1,69±0,07 1,68±0,75

Примечание. Приведенные доверительные интервалы соответствуют Р = 0,95.

Выявлено различие картин микрокристаллизации слюны здоровых людей (контрольная группа) и лиц, длительное время работающих на компьютере и предложен способ оценки состояния ротовой полости человека после воздействия компьютерной нагрузки (патент № 2311639).

В составе исследованных зубных и слюнных камней обнаружены различные фосфаты кальция: апатит, брушит, октакальций фосфат Са8Н2(Р04)б-5Н20, витлокит. Самым распространенным минералом является апатит. Как известно, минеральная компонента твердых тканей зуба (эмаль, дентин) представлена только апатитом. Таким образом, минеральный состав образующихся в полости рта патогенных образований (зубные и слюнные камни) более разнообразен, чем физиогенных. Вариации параметров кристаллической решетки апатитов слюнных и зубных камней также связаны с широким проявлением изоморфизма во всех кристаллографических позициях. Основные примеси апатитов слюнных и зубных камней (масс. %): - Ыа (0,4-1,0), (0,5-3,7), К (0,02-0,3), Б (0,4-1,0), С1 (0,02-0,2). Диапазон изменений параметров решетки апатитов слюнных и зубных камней более широк по сравнению с апатитами твердых тканей зуба, но существенно меньше, чем у апатитов мочевых камней (рис. 5).

Следовательно, химический состав и рН ротовой жидкости изменяются в более узком диапазоне, по сравнению с мочой. Различные диапазоны изменений параметров кристаллической решетки физиогенных и патогенных биоапатитов отражают тот факт, что механизм образования твердых тканей зуба полностью контролируется организмом, а формирование ОМА вызвано аномальными изменениями параметров камнеобразующей сред.

с, А

9.430

9.45О

9.410

а, А

• Этал фторапатит (PDF № 15-876) Ж Кос™ совр. человека [332] Д Зубные камни

Я Этал. гидроксилапатит (PDF X» <¿-432) А Эмаль зубов совр. человека [330J □ Слюнные камни О Почечные кам ни

Рис. 5, Параметры элементарной ячейки апатитов, образующихся в организме человека. Погрешности определения значений о и с не превышают: 0,001 (эмаль зубов); 0,003 и 0,002 (слюнные и зубные камни);

0,004 и 0,003 (почечные камни); 0,006 и 0,003 (кости) А, соответственно

Для зубных и слюнных камней также характерно концентрически-слоистое строение, проявляющее на разных уровнях (см. рис. 13). Обычно слои неорганического вещества разделяются более тонкими слоями органического вещества. Установлено, что большинство исследованных камней имеют один центр, от которого происходило их разрастание, встречаются также камни с несколькими центрами (ядрами), вокруг которых формируются концентрические слои. Показано, что общее содержание аминокислот в саливолитах и ден-толитах по сравнению с патогенной ротовой жидкостью значительно увеличе-

но. Ряд средних концентраций (масс.%) химических элементов в зубных камнях (2п > Ре > Си > N1 > Мп) практически совпадает с соответствующим рядом для ротовой жидкости. Это указывает на то, что аминокислоты, легко образующие комплексы с данными тяжелыми металлами, извлекаются из общего кругооборота аминокислот. При этом происходит нарушение связи ионов кальция с белковыми коллоидами, находящимися в слюне, в результате чего освободившиеся ионы кальция связываются с фосфат-ионами, что приводит к образованию нерастворимых фосфатов кальция, являющихся основными компонентами зубных и слюнных камней.

Закономерности патогенного фазообразования выявляли путем сопоставления результатов термодинамических расчетов, экспериментов в прототипах биологических жидкостей и изучения фазового состава ОМА.

Термодинамический расчет. Расчет констант равновесий в системе осадок-раствор проводили по упрощенной схеме равновесия между осадком MpAq и его насыщенным раствором:

МрАч (тв) « 1 » рМт+ (бо1у) + чАп"(5о1у)

2\ Из

МрАя (зо!У)

В качестве прототипов биологических жидкостей использовали гипотетические растворы, ионный состав которых (неорганические макрокомпоненты), температура и рН близки к моче (Тиктинский, 2000) и ротовой жидкости (Денисов, 2003) человека.

Термодинамический алгоритм позволяет рассчитать фазовые равновесия в многокомпонентных системах и количественно оценить физико-химические параметры кристаллизации. Для проведения расчета были использованы значения термодинамических произведений растворимости К°8 25-ти малорастворимых соединений, которые могут образоваться в исследуемых гипотетических растворах (моча, ротовая жидкость и жидкость зубного налета), при этом ионную силу раствора в исследуемом диапазоне рН считали постоянной и равной среднему значению диапазона, рассчитанного для каждой изучаемой биологической системы.

Для оценки возможности образования малорастворимого соединения использовали рассчитанные значения индексов пересыщения 81; (количественно) пересыщение (Б), создаваемое в растворе относительно малорасримого соединения (Мр+Ач_), рассчитывали по уравнениям:

= (а )".(а

\ М" 'а> V Л" /«

, 81 = 18(5),

(1)

где 1АР - ионное произведение активностей.

Для определения областей устойчивости малорастворимых фаз мочевых, зубных и слюнных камней был проведен расчет с использованием программы «СЬПо\уЗ» (версия 3.1). Алгоритм расчета равновесий использует принцип минимизации свободной энергии Гиббса системы. Неидеальность водной фазы рассчитывается по уравнению Дебая-Хюккеля в 3-м приближении. Твердые фазы задаются, как фазы постоянного состава. По полученным данным о составе равновесного раствора строятся кривые насыщения для всех компонентов системы в координатах «рН - ^ гщ». На диаграммах полученных в результате расчетов приняты следующие обозначения: 1 - уевеллит; 2 - уевеллит, брушит; 3 - рушит, гидроксилапатит; 4 - гидроксилапатит; 5 - уевеллит, гидроксилапа-тит; 6 - брушит; 7 - октакальций фосфат; 8 - карбонат гидроксилапатит; 9 - кар-бонатгидроксилапатит, брушит, октакальций фосфат; 10 - ньюбериит; 11 - бру-сит; 12- брушит, ньюбериит; 13 - брушит, ньюбериит, магнезит; 14 - брушит, ньюбериит, магнезит, карбонатгидроксилапатит; 15 - ньюбеиит, магнезит, кар-бонатгидроксилапатит; 16- магнезит, карбонатгидроксилапатит.

Методика экспериментов. Для верификации результатов термодинамических расчетов была проведена серия экспериментов по фазообразованию в прототипах биологических жидкостей (моча, ротовая жидкость, жидкость зубного налета). Ионный состав (неорганические макрокомпоненты), температура, ионная сила и рН использованных растворов соответствовали средам в организме человека. Синтез патогенных фаз методом осаждения включал три серии опытов, отличающихся начальными концентрациями исходных компонентов. В каждой серии изучали поведение системы при температуре 37,0 + 0,5 °С и значениях рН, соответствующих средней и близкой к максимально возможной величинам (рН - 6,45 и 7,45). Для установления фазового состава синтезированного материала применяли РФА, ИК-спектроскопию и методы химического анализа.

Мочевые камни. Исходя из полученных индексов пересыщения установлено, что в исследуемых растворах термодинамически вероятно образование следующих фаз: брушит СаНР04-2Н20; витлокит Саз(Р04)2; гидроксилапатит СакХРО^ОН^; уевеллит СаС204Н20; уедделлит СаС204-2Н20; коаксит СаС204-ЗН20; кальцит СаС03; ныоберит Г^НР04-ЗН20, и сгрувит М§Ш4Р04-6Н20.

Из перечисленного выше ряда соединений во всем изучаемом диапазоне рН = 4,5-8,0 возможно образование только оксалатов кальция различной степени гидратированности, при этом СаС204Н20 (уевеллит) является наиболее стабильной модификацией, что подтверждается экспериментальными данными по кристаллизации оксалатов при рН = 4,8-7,0. В растворах с рН 4,5-5,6 осаждение малорастворимых фосфатов кальция и магния термодинамически невозможно. Этот факт подтверждают данные эксперимента, указывающие на то, что образование гидроксилапатита протекает в растворе, значение рН которого сдвинуто в щелочную сторону (рН = 6,5-7,8). Сопоставляя индексы пересыщения, рассчитанные для фосфатов кальция различного стехиометрического состава (при рН 5,2-8,0), можно утверждать, что наибольшая степень пересыще-

ния имеет место для гидроксилапатита. При рН < 6,5 по убыванию значений анализируемые фосфаты кальция можно ранжировать в ряд: СаНР04-2Н20 > Р-Са3 (Р04)2 > Са4Н(Р04)3-2,5Н20. При рН <7,5 последовательность имеет вид: р-Са3(Р04)2 > Са4Н(Р04)з'2,5 Н20> СаНР04-2Н20. Фосфаты магния (например, струвит) могут образовываться в исследуемых растворах только при рН > 6,0.

При определении областей устойчивости малорастворимых фаз мочевых камней по программе «СЬАо\уЗ» получены следующие результаты.

Система «Са2+ - РОЛ - СгР42' - НгО».

Расчет по модели осаждения (рис. 6а) показал, что раствор пересыщен относительно уевеллита в области рН от 4,1 до 5,7. В диапазоне 5,7-5,9 устойчивы парагенезисы «уевеллит - брушит» и «брушит - гидроксилапатит». При больших значениях рН устойчивым является только гидроксилапатит.

При моделировании растворения зквимолярной смеси уевеллита и гидроксилапатита (рис. 66) выявлено, что гидроксилапатит растворяется при рН < 6,0, а уевеллит при рН> 8,5. Таким образом, диапазон их совместного существования совпадает с областью значений рН «нормальной» мочи человека, что объясняет частую встречаемость этого парагенезиса в составе мочевых камней.

,1 -ц *

! .1 ..

.. - ..

... - ........ ....... ...¡Л ....

.... ... - ......... \

.... ... ... ......

- ......... ........

г\

а)

1 4" гН

г- - i-

-У ...

-i. ...

... .Л

-л \ ■: -

-f- ... .... .....

' ' " > 'pH

б)

Рис. 6. ДиаграммаpH-lg m; системы «Ca2* - PO/- - С2042- - Н20»: осаждение (а); растворение (6)

Системы «Са2+ - Р043~ - HzO» и «Са2+ - Р043~ - СО,2' - Н20» Моделирование осаждения в системе «Са2^- Р043" - Н20» (рис. 7а) показало, что брушит устойчив только при pH 5,6 - 5,8. Повышение pH приводит к переходу брушита в гидроксилапатит. В системе «Са2+ - Р043~ - С032" - Н20» (76) область устойчивости брушита расширяется до pH 7,5.

рМ ' * 1 ' ¿н

а)

б)

Рис. 7. Диаграмма рН-^ т/систем: «Со2* - Р0/~ - Н20» (а); «Са - РОГ - СО}2' ~ Н20» (б)

В узком диапазоне 7,5-7,6 устойчив октакальцийфосфат, который в составе почечных камней встречается крайне редко. Дальнейшее повышение рН приводит к образованию карбонатгидроксилапатита.

Результаты модельного эксперимента показали, что гидроксилапатит в следовых количествах был получен практически во всех опытах. Основными же фазами в выделенных осадках были брушит и аморфный фосфат кальция. Исходя из термодинамических расчетов, эти фазы в условиях эксперимента являются метастабильными, т. е. равновесие относительно гидроксилапатита достигнуто не было. В целом, полученные результаты хорошо объясняют широкую распространенность гидроксилапатита, который присутствует практически во всех почечных камнях человека, хотя часто в незначительных количествах. По данным термодинамических расчетов в системе «Са2+ - Р043~ -С2042- - Н20» (рис. 6) при значениях рН = 6,5 и 7,5 устойчив гидроксилапатит, что согласуется с результатами эксперимента.

В целом, результаты теоретического и экспериментального моделирования образования основных минеральных фаз почечных камней хорошо согласуются и дополняют друг с друга. По данным термодинамических расчетов биологический раствор пересыщен относительно основных фаз почечных камней (уевеллита и гидроксилапатита). То, что мочекаменная болезнь проявляется у ограниченного числа людей можно объяснить стабилизацией раствора соединениями белковой природы и аминокислотами.

Зубные и слюнные камни. По результатам термодинамического расчета для смешанной слюны по убыванию значений 81 исследуемые фосфаты кальция

при рН<6,5 можно ранжировать в следующий ряд: Саю(Р04)6 (ОН)2> Р-Са3 (Р04)2 > СаНР04-2Н20 > Са4Н(Р04)3-2,5Н20; при рН > 7 последовательность имеет следующий вид: Са10(РО4)6(ОН)2>Р-Са3(РО4)2>Са4Н(РО4)3-2,5Н2О>СаНРО4-2Н2О. Для жидкости зубного налета были выявлены аналогичные закономерности, однако значения рН, при которых возможно осаждение фаз зубных камней, сдвинуто в более кислую область.

Построение диаграмм устойчивости для системы «Са2+ - Р043~ -

С032~ - Н20» (рис. 8) показало, что в диапазоне рН 4,5-6 устойчивым является брушит, далее при увеличении рН наряду с брушитом появляется ньюберит, который редко встречается в составе слюнных и зубных камней. Дальнейший сдвиг рН в щелочную область > 7,5 способствует появлению магнезита и кар-бонатапатита, с преобладанием последнего.

ГЧ

.. .. ; ч„ * 1] ....... .....

........... 1 Р'

м .....

и ...... ..... .....

....

■■ !..... ........»..... -.....ь --

-■■■) - ■ ■ ;..... ...

......... .. \

У:

' рН

Ем .,0

1 12 1 ■

......;....... -'- Ч1 > :..... И

■ - •..... 1'' ..... \ ......

.......... ..... N

..... ;.....

РН '

..п 13 1 1«

.....: - ...

; ....... ...... - . .....

......!- - N Г ' .... .

рН

Рис. 8. Диаграмма рН-1& от, системы: «Саи - М^- РО/- - С032- - Н20»

Таким образом, в условиях характерных для образования зубных и слюнных камней брушит является термодинамически неравновесной фазой по отношению к гидроксилапатиту. Это свидетельствует о том, что его образование на начальной стадии формирования данных ОМА контролируется, в основном, кинетическими факторами, а последующая трансформация в гидроксилапатит обусловлена стремлением системы к термодинамическому равновесию.

В результате модельных экспериментов были получены аналоги следующих минералов зубных и слюнных камней: брушита, струвита, апатита, а также рентгеноаморфный фосфат кальция. Во всех опытах в осадках преобладал брушит, а содержание плохо окристаллизованного апатита увеличивалось по мере увеличения рН раствора. Сопоставление результатов термодинамического расчета и моделирования между собой и с минеральным составом зубных и

слюнных камней свидетельствует о том, что брушит, октакальций фосфат и витлокит являются метастабильными фазами.

В целом, результаты термодинамических расчетов и моделирования показали, что неравновесные процессы играют решающую роль при образовании кристаллических фаз мочевых, зубных и слюнных камней. При этом гидрокси-лапатит является наиболее термодинамически стабильной фазой этих агрегатов, что подтверждает его особую роль при их образовании.

3. Для камней, минеральная компонента которых состоит из органических соединений (оксалатные и мочекислые уролиты; холестериновые холелиты), характерна сферолитовая структура и прямой рост фаз из пересыщенных растворов. Для фосфатных камней (фосфатные уролиты, дентолиты и саливолиты) характерно зернистое скрытокристаллическое строение и образование путем осаждения вещества (седиментации). Неорганические примеси камнеобразующей среды (компоненты фонового электролита, катионы магния и др.) ингнбируют кристаллизацию минералов почечных камней. Присутствие в моче кристаллов гидроксилапа-тита, напротив, инициирует процесс кристаллизации уевеллита. Кинетика нуклеации малорастворимых соединений почечных, зубных и слюнных камней может быть описана уравнением Фоккера-Планка.

Закономерности кристаллизации основных фаз мочевых, желчных, зубных и слюнных камней изучали путем анализа их онтогении и моделирования в прототипах биологических жидкостей.

Онтогенетические закономерности. Изучение структурно-текстурных особенностей исследуемых патогенных агрегатов показало, что их образование протекает стадийно. Характерной особенностью многих мочевых, зубных и слюнных камней являются перерывы в процессе их роста. Нередко отмечается растворение образовавшихся ранее слоев, в результате чего вновь возникающие слои перекрывают несколько зон «с несогласием». Применение метода рентгеновской компьютерной микротомографии позволило выявить скрытые плотностные аномалии - понижения плотности, которые также указывают на изменения обстановки формирования уролитов, дентолитов и саливолитов. В целом, полученные данные свидетельствует об очень сложных переменных условиях камнеобразования, когда рост камней неоднократно сменялся их растворением. Уролиты исследуемой коллекции, состоящие из уевеллита, уедде-лита (рис. 9) или урикита (рис. 10), имеют, как правило, сферолитовое или дендритное строение. Развитие сферолитов происходит вследствие интенсивного расщепления кристаллов; сферолиты часто сложены одним минералом. Сферолитовая структура агрегатов свидетельствует о прямой кристаллизации компонентов камня с зарождением на инициирующих центрах. При этом возможна кристаллизация метастабильной фазы (уедделлита), с последующим её замещением на уевеллит. При изучении шлифов выявляется изменение интенсивности отложения вещества при росте сферолитовых агрегатов с повторными зарождениями сферолитов. Границы роста в местах соприкосновения сферолитов формируют сложную систему пустот (кавернозность агрегатов). Зернистая структура фосфатных камней (уролитов, дентолитов и саливолитов), указывает на то, что формирование этих ОМА обусловлено в основном седиментацией и агломерацией мелкозернистого или аморфного материала

(рис. 11-13). Собственно кристаллизация в этом случае имеет подчиненное значение, участвуя в формировании второстепенных минералов с более высокой растворимостью (оксалаты, струвит и брушит). Характерные для уролитов камни смешанного типа имеют слоистое строение, в котором чередуются зернистые и сферолитовые агрегаты. Такие камни образуются в наиболее неравновесных условиях в результате чередования процессов кристаллизации и седиментации. Слоистое строение в камнях сферолитового типа фиксируется более четко, чем в зернистых камнях. В целом, выявленные закономерности онтогении мочевых, слюнных и зубных камней хорошо согласуются между собой и дополняют полученные ранее по уролитам результаты А.К. Полиенко, В. И. Катковой, Ф.В. Зузуком и др.

< С'З?*'*' " ¡В 8 * " ;

I I

•ЧГ-' а 1 ™т * *

Рис. 9. Микрофотографии шлифов оксалатных мочевых камней: а) сферолиты уевеллита —100 %; б) дендриты уедделлита- 100 %

Х-. - Л

»шаа»

Рис.10. Микрофотографии шлифов уратных мочевых камней: мелкие кристаллы (а) и сферолиты (б) урикита

Рис.

а ™ Ь

11. Микрофотографии шлифов зональных фосфатных мочевых камней с чередованием слоев: апатит-органическое вещество (а), апатит-витлокит (б)

Рис. 12. Микрофотографии шлифов струвит-апатитовых мочевых камней: а) зернистая структура; б) кристаллы струвита в апатитовой матрице

Большинство желчных камней являются концентрически-зональными

1 сферолитами. Они имеют периферическую тонкослоистую оболочку и более | грубую зональность в центральных и промежуточных областях. Во многих желчных камнях такого строения наблюдаются радиальные трещины (рис. 14), часто расположенные по отношению друг к другу под углом 120°. Эти трещины (обычно они открыты и ничем не заполнены) не выходят за пределы центральной области. В тонкослоистой оболочке трещины не фиксируются. Возникновение трещин, вероятно, связано с уменьшением объема и «усыханием» камня, что можно объяснить переходом одноводного холестерина в безводный. Это явление часто наблюдается при длительном хранении образцов. Обмен веществ и периодическая выработка желчи способствуют формированию концентрических зон различной окраски. Сферолитовое строение холестериновых камней с радиальной, крупнокристаллической, веероподобной структурой указывает на их формирование из истинных растворов. При этом зональное распределение окраски камня дает основание полагать, что один и тот же камень может поочередно формироваться как из истинного раствора желчи, так и из коллоидного, обогащенного билирубинатом. Можно предположить, что желчь в пузыре периодически переходит из состояния истинного раствора в коллоидное.

1 шш

1 мм

Рис. 13. Микрофотография шлифа слюнного камня с чередованием слоев: апатит-органическое вещество (негативное изображение)

Рис. 14. Микрофотография шлифа

концентрически-слоистого холестеринового желчного камня с трещинами усыхания

Добавка Количество, ммоль/л

Карбонат-ион 50, 0

Сульфат-ион 95,0

Гидрофосфат-ион 60, 0

Глутаминовая к-а 10,0

Пролин 10,0

Глицин 10,0

Синтез и кристаллизация одноводного оксалата кальция (уевеллита). Синтез одноводного оксалата кальция из водных растворов в условиях, приближенных к физиологическим (рН = 4,5; 6,0; 7,5; ионная сила - 0,3) показал, что на образование данной фазы не влияют такие факторы, как рН раствора,

Таблица б температура и введение в систему неор-Добавки, использованные ганических и органических добавок,

характерных для физиологического раствора (табл. 6).

Путем определения периодов индукции - времени образования первых кристаллов в растворах без добавок изучено влияние пересыщения на зароды-шеобразование. Время индукции обратно пропорционально скорости зародышеоб-разования, которая в свою очередь выражается экспоненциальной функцией пересыщения, включающей в качестве параметра поверхностную энергию (о) на границе «кристалл-раствор»: 1~(ехр(-16тга3и /Зк3Т3(ш 1п у))), где и - объем молекулы, см3; к - константа Больцмана; Т - температура, К; ш - число ионов диссоциации оксалата кальция. В соответствии с данным уравнением 1п х должен линейно зависеть от 1п у'2. График такой зависимости разбивается на две части с разным наклоном при больших и меньших пересыщениях. Определенные по величине наклона значения поверхностной энергии в интервалах пересыщений 5-15 и 15-25 составляют, соответственно, 36,4 и 20,7 кДж/м2. Такое поведение времени индукции обычно трактуется как переход от гетерогенного зарождения при малых пересыщениях к гомогенному при больших. При этом меньшее значение поверхностной энергии является «эффективным», отражающим адгезию зародыша на активном центре.

Из полученных кондуктометрическим методом кинетических кривых установлено монотонное увеличение степени полноты протекания кристаллизации уевеллита во времени (а = (С0- С,) / (С0- С5), С0 - концентрация вещества в пересыщенном растворе, С5-его растворимость) (рис. 15). При этом процесс постепенно замедляется (кривые выполаживаются) вследствие сброса пересыщения в ходе кристаллизации. Характерно, что уже при небольших значениях

а процесс практически прекращается. Однако, между конечными значениями а для разных пересыщений (5, 7, 10) с вероятностью Р = 0,95 отличий не обнаружено (в трех параллельных опытах каждой серии значение а колеблется от 0,26 до 0,29). Кристаллизация в разных сериях опытов прекращается при разных пересыщених - тем больших, чем выше значение начального пересыщения. Полученные закономерности можно объяснить проявлением вторичных процессов (агрегацией, перекристализа-

0 2000 4000 6000 и«

Рис. 15. Степень полноты кристаллизации одноводного оксалата кальция при пересыщениях:

1 -у = 5; 2~у = 7; 3-у = Ю

цией частиц, примесным отравлением и т. д.), независящих от начального пересыщения. Изучение влияния ионной силы среды на кристаллизацию одно-водного оксалата кальция показало, что при ионной силе, равной 0,3 (соответствующей физиологическому раствору), кристаллизация в растворе с пересыщением у = 7 не происходит и начинается лишь при увеличении пересыщения до у = 10. Полученные результаты можно объяснить тем, что в растворах с большой ионной силой велико влияние электростатических сил отталкивания, действующих между одноименными ионами, что сказывается на снижении способности катионов кальция и оксалат-анионов к химическим взаимодействиям, а, следовательно, и к образованию зародышей.

Эксперименты по изучению роли катионов магния при кристаллизации моногидрата оксалата кальция также выявили их сильное ингибирующее действие. Дисперсионный анализ показал, что при добавлении в раствор, имеющий пересыщение у =7, катионов магния в концентрации С = Ю-3 моль/л средний размер кристаллов уменьшается в 2,5 раза, т. е. происходит очень сильное торможение их роста. Увеличение концентрации катионов магния до CMg = 10~2 моль/л (физиологическая концентрация) приводит к усилению ингибирующего эффекта, кристаллизация уевеллита при данном пересыщении (у = 7) вообще не происходит. Образование кристаллов данной фазы при физиологической концентрации катионов магния в растворе начинается лишь при увеличении пересыщения до у = 20. Таким образом, присутствие ионов магния оказывает существенно больший ингибирую-щий эффект на кристаллизацию уевеллита, чем ионная сила. При внесении кристаллов гидроксилапатита (размером 4,29 ± 0,06 мкм) в раствор оксалата кальция (у = 7, pH = 6,5) средний размер кристаллов моногидрата оксалата кальция существенно возрастает: от6,38 ± 0,19 мкм в растворе без добавок до 14,14 ± 0,29 мкм.

Таким образом, присутствие в растворе кристаллов гидроксилапатита инициирует процесс кристаллизации моногидрата оксалата кальция. По-видимому, кристаллы апатита могут выступать в качестве зародышей гетерогенной нуклеации уевеллита.

Синтез и кристаллизация основного фосфата кальция (гидроксилапатита). Синтез гидроксилапатита из растворов, моделирующих биологическую жидкость (рН = 4,5; 6,0; 7,5; ионная сила - 0,3) в присутствии оксалат-ионов (0,23 ммоль/л) и других добавок, являющихся компонентами биологического раствора (табл. 6) показал, что увеличение концентрации катионов магния (выше 8,2 ммоль/л) приводит к образованию струвита; избыток карбонат-ионов (выше 50 ммоль/л) - к осаждению кальцита; присутствие оксалат-ионов и аминокислот не влияет на фазовый состав полученного осадка.

Изучение электрокинетических свойств синтезированных гидроксилапатитов (знака заряда, электрофоретической подвижности и ^-потенциала) показало (табл. 7), что заряд и значение ^-потенциала частиц гидроксилапатита зависит от его стехиометрии (атомного соотношения Са/Р), при этом наблюдается закономерное смещение ^-потенциала частиц в положительную область при приближении данного соотношения к стехиометрическому (1,67). Эту закономерность можно объяснить, исходя из неполной компенсации зарядов в нестехиометрических гидроксилапатитах Са10_х(РО4)6_х(№О4)х[ОН2-х(Н2О)х]. Возможно также, что отрицательный заряд поверхности частиц обусловлен частичной диссоциацией в растворе поверхностных гидрофосфатных групп с отщеплением иона водорода. По-

ложительный заряд частиц гидроксилапатита со стехиометрическим соотношением Са/Р также можно объяснить неполной компенсацией положительного заряда при уменьшении дефицита кальция в структуре. Однако, возможно, это связано с адсорбцией на поверхности частиц ионов Ca , находящихся в растворе в избытке. Последнее предположение согласуется с правилом Фаянса-Панета, согласно которому потенциалопределяющими ионами в мицеллах, существующих в растворах, являются ионы, входящие в состав частиц. Дисперсионный анализ показал, что по мере увеличения соотношения Са/Р в твердой фазе и соответственно в исходном растворе, из которого осуществлялся синтез, происходит увеличение среднего диаметра частиц гидроксилапатита (от 17,30 мкм до 28,35 мкм).

Таблица 7

Электрокинетические свойства частиц золя гидроксилапатитов

с различным соотношением Са/Р в присутствии аминокислот _|_(I = 0,3, рН = 6,5, Сак = 0,004 М)_^_

Атомное соотношение Са/Р Аминокислота Знак заряда частиц Электрофоретическая подвижность, см потенциал, мВ

1,58±0,01 - - 2,1-10 ^ -28,6

Глицин (Gly) + 1,2-10"* +16,3

Аспарагиновая (Asp) - 1,0-10^ -22,2

Глутаминовая (Glu) - 1,6-10^ -13,8

Лизин (Lys) + 2,1-10^ +28,3

1,65±0,01 - - 5,9-Ю"3 -8,0

1,67±0,01 - + 5,4-10^ +7,4

Глицин (Gly) - 8,7-10"3 -11,7

Аспарагиновая (Asp) - 1,2-10"" -17,0

Глутаминовая (Glu) - 1.2-1 (Г1 -16,5

Лизин (Lys) + 5,4-Ю"3 +7,2

При этом при последовательном переходе к более высоким значениям соотношения Са/Р увеличивается степень бимодальности кривой распределения, что можно связать с возрастанием агрегации частиц. Это, в свою очередь, может быть объяснено уменьшением заряда частиц полученных золей (табл. 8), в результате чего происходит уменьшение сил электростатического отталкивания между частицами, приводящее к увеличению степени их агрегации.

Таблица 8

Результаты дисперсионного анализа среднего размера частиц синтезированных гидроксилапатитов в присутствии аминокислот

(t = 37,0 ± 0,5 °С; pH = 7,5 ± 0,1; С = 0,004 моль/л)

№ п/п Аминокислота Средний диаметр частиц А мкм

Са/Рт, = 1,58+0,01 Са/Р„. = 1,65+0,01 Са/Рт, = 1,67+0,01

А мкм А % Sr А мкм А % Sr А мкм А % Sr

1 -(0) 17,30 0,0 m 0 1 CS о о 22,54 0 0,02-0,03 28,35 0,0 m О f гм о о"

2 Глицин (Gly) 16,94 -2,1 19,32 -14,3 32,10 +13,2

3 Аспарагиновая (Asp) 15,62 -9,5 17,49 -22,4 18,20 -35,8

4 Глутаминовая (Glu) 14,65 -15,3 17,81 -21,0 21,10 -25,6

5 Лизин (Lys) 12,35 -28,6 16,54 -26,6 21,93 -22,7

Именно на агрегации частиц и основан «седиментационный» механизм формирования фосфатных камней.

Математическое моделирование нуклеации малорастворимых соединений. Для описания процесса нуклеации оксалатов и фосфатов почечных камней предложена математическая модель, основанная на изменении функции <р распределения кристаллов по размеру Ь во времени (, которое описывается уравнением Фоккера- Планка (А.Н. Колмогоров, 1986):

где С - линейная скорость роста грани кристалла параллельно самой себе, р - коэффициент флуктуации скорости роста. Температуру и концентрацию считали постоянными во всем объеме раствора. При этом принимали, что £ > £0> где ¿о - минимально возможный размер кристалла.

Использование этой модели позволило воспроизвести периодичность работы почки (опорожнение и наполнение). Было установлено, что увеличение среднего размера образующихся кристаллов пропорционально квадратному корню от числа итераций. Сравнение расчетных параметров кристаллизации фосфатов и оксалатов кальция (распределение образующихся кристаллов по размерам и во времени), с экспериментальными данными показало, что разработанная модель достаточно адекватно описывает процесс нуклеации малорастворимых соединений.

4. Белковая компонента (презаде всего аминокислоты) активно участвует в образовании кристаллических фаз мочевых, зубных и слюнных камней. Существует селективное соответствие между основной минеральной компонентой мочевых камней (оксалатной, фосфатной, уратной) и набором аминокислот. Имеет место адсорбционное ингибирование аминокислотами кристаллизации уевеллита и гидроксилапатита, зависящее от природы кислоты и её концентрации, а в случае гидроксилапатита также от степени нестехиометричности его состава. Ингибирующий эффект аминокислот сопоставим с воздействием компонент фонового электролита, но меньше, чем тормозящее влияние катионов магния.

Роль белковой компоненты в патогенном минералообразовании в организме человека изучали путем поиска связей между органической и минеральной компонентами ОМА и проведения экспериментов по влиянию аминокислот на кристаллизацию основных фаз уролитов (уевеллита и гидроксилапатита).

Связи между органической и минеральной компонентами ОМА. По полученным данным (использована оригинальная методика отделения белковой компоненты) среднее содержание водорастворимых органических веществ с пептидной связью варьирует в уролитах в зависимости от их минерального состава и составляет 1,4-3,8 масс. %. Данные органические соединения в урат-ных, уратно-окслатных, фосфатных и фосфатно-оксалатных почечных камнях представлены простыми белками, а в оксалатных камнях - простыми белками и гликопротеинами. Суммарное содержание аминокислот в мочевых камнях составляет 0,610-2,228 масс. % и зависит от их минерального состава. Различные по минеральному составу уролиты по содержанию аминокислот можно ранжировать в следующий ряд: уратные > уратно-оксалатные >

(2)

Гф De Thr Ser Gly Ala Val Met Leu Gln Pro Phe Lys Aig £тсто! \

Аммокиспоты

Рис. 16. Средние значения содержания аминокислот в мочевых камнях, принадлежащих к различным кластерам: 1 — оксалаты, 2 - фосфаты, 3 -ураты

фосфатные > фосфатно-оксалатные > оксалатные. Кроме того, для уроли-тов различного минерального состава выявлены достоверные отличия средних содержаний ряда аминокислот. Кластерный анализ выявил три группы уролитов (уратную, фосфатную, окса-латную) отличающихся качественным и количественным набором аминокислот (рис. 16). Результаты определения аминокислот в различных патогенных образованиях (уролиты, дентолиты и саливолиты), показали, что содержание в них глутамина и лизина больше, чем

других аминокислот. Отличительной особенностью данных аминокислот является наличие в их составе дополнительных боковых функциональных групп (аминогруппы - в лизине, карбоксильного остатка - в глутаминовой кислоте), что позволяет им активно участвовать в образование ОМА. Данное предположение подтверждается результатами экспериментов по кристаллизации уевел-лита и апатита в присутствии аминокислот. Влияние аминокислот па кристаллизацию уевеллита. В качестве испытуемых были выбраны аминокислоты, характеризующиеся относительно высоким содержанием как в почечных камнях фосфатного типа, так и в моче (см. рис. 16). Значения рН (6,45±0,05), ионная сила (0,3) и концентрации аминокислот (0,004 моль/л) в модельных растворах были близки к среде, в которой протекает образование уролитов. Предварительное изучение визуальным методом влияния глутаминовой и ас-парагиновой аминокислот на период индукции одноводного оксалата кальция показало, что в диапазоне концентраций (10"5-10~* моль/л) эти кислоты практически не изменяют кинетику нуклеации. При увеличении концентраций данных аминокислот до 10~2 моль/л (именно в такой концентрации, в среднем, аминокислоты присутствуют в моче) удалось выявить их ингибирующие действие на образование зародышей кристаллизации (табл. 9). Природа аминокислоты также влияет на стадию нуклеации одноводного оксалата кальция. Присутствие в растворе таких Таблица 9

аминокислот, как глицин и Результаты определения периодов индукции

одноводного оксалата кальция (у=7) в присутствии аминокислот

пролин, катализирует образование зародышей (табл. 9); воздействие возрастает с увеличением концентрации аминокислот. Такое поведение «коротких» аминокислот можно объяснить близкими геометрическими размерами этих аминокислот и оксалат-иона. В этом случае катионы кальция в растворе могут участвовать в образовании не только одно-

Добавка Кон центрация Время, сек

Нет 0 663

Глутаминовая КГ3 578

2365

Аспарагиновая ю 567

10'1 1920

Глицин Ю-3 55

ю- 2

Пролин Ю-5 32

водного оксалата кальция, но и хелатных комплексов с аминокислотами, которые, в свою очередь, становятся центрами кристаллизации. На кинетических кривых, характеризующих полноту протекания кристаллизации оксалата кальция (а) во времени, в присутствие аминокислот установлено снижение этого параметра. Эффект возрастает с увеличением концентрации вводимой добавки.

Для определения кинетических параметров кристаллизации продифференцировав по времени уравнение:

a = (C0-Ct)/(C0-C5) = Vt/Vmax, (3)

где С0 - начальная концентрация кальция; Ct - концентрация во время t; Cs - равновесная концентрация кальция; V, - полный осаждённый объём; Vmax - наибольший объём осадка в каждом эксперименте, получаем скорость осаждения как функцию концентрации ионов к моменту времени t:

da/dt = к А(С,- Cs)(4) где k - коэффициент пропорциональности; А - суммарная площадь поверхности осадка (полагая число зародышей постоянным, имеем А ~ а2'3); п - «порядок реакции».

Результатом логарифмирования (4) является уравнение:

lg (da/dt) - 2/3 lg a= Ig K"+n lg (Ct - Cs), (5)

где К'- эффективная константа скорости реакции осаждения, включающая коэффициент пропорциональности.

На полученных кинетических кривых (рис. 17) отчетливо выделяются три участка. Участок А соответствует увеличению общего числа частиц за счет образования зародышей кристаллизации, участок В - росту образовавшихся частиц без увеличения их общего количества, изменение наклона участка С свидетельствует об уменьшении общего числа образующихся частиц за счет растворения мелких и роста более крупных и их агрегирования. При изучении кинетики ростовых процессов минералов наибольший интерес представляет участок В, поэтому в дальнейшем его использовали при расчете основных кинетических характеристик кристаллизации одноводного оксалата кальция.

Полученные результаты показали, что присутствие добавок аминокислот в концентрации 10"* моль/л при пересыщениях от 5 до 7 не изменяет кинетику роста оксалата кальция. Увеличение концентрации аминокислот на порядок (до 10~5 моль/л) ведет к снижению константы скорости реакции осаждения. Дальнейшее увеличение концентрации аминокислот до значения Ю-2 моль/л резко снижает константу скорости реакции кристаллизации (напрмер для глутаминовой кислоты от 102 до 105). „ Ингибирующее действие аминокис- f лот можно объяснить адсорбцией их I ионов на активных точках роста кри- 1 сталлов уевеллита. Результаты расчета доли каждой формы аминокислоты, присутствующей в растворе в условиях эксперимента (pH = 6,5 и 7,4) показали, что в водном растворе исследуемые аминокислоты присутствуют, в основном, в виде заряженных

lg (ct-cs)

i ^ -3.1 -3,2 -3,3 -3,4 11

Рис. 17. Кинетические кривые кристаллизации одноводного оксалата кальция: I — без добавок;

2 — С(аспар>гин1>еой кисяоты)~1@' ^

частиц (+ШзСН2СО<Х, ТЮССН(ЫН-,)+СН2СОСГ, ООССН(МН3)' ^^(СН^СЩ^Н^СОСГ, (СН2)2СОСГ и т. д.), способных сорбироваться как на положительных, так и на отрицательных областях поверхности кристаллов. Кроме того, дополнительная стабилизация образующихся поверхностных соединений может быть обусловлена способностью аминокислот образовывать полидентатные хелатные комплексы с ионами кальция. Если принять во внимание данные о нахождении аминокислот в водных растворах в виде цвиттер-ионов, а также ионную природу одноводного оксалата кальция, то наиболее вероятным представляется электростатическое взаимодействие аминокислот с поверхностью синтезируемых кристаллов. Увеличение концентрации аминокислоты в растворе приводит к блокировке большего количества активных центров, что способствует дальнейшему замедлению роста кристалла. Из всех изученных аминокислот наибольшим влиянием на рост кристаллов уевеллита обладает глутаминовая аминокислота.

С помощью дисперсионного анализа (минимальный размер кристаллов -0,03 мкм), удалось установить, что аминокислоты оказывают разное влияние на величину индукционного периода. При у = 7 первые кристаллы оксалата кальция при добавлении пролина, глицина и аланина (концентрация 10~5 моль/л) были зафиксированы уже менее чем через 1 минуту от начала реакции кристаллизации, а при добавлении глутаминовой кислоты в той же концентрации - лишь спустя более 5 минут после начала реакции. В системе без добавок аминокислот образование кристаллов начиналось практически сразу после сливания растворов (рис. 18).

Рис. 18. Распределение кристаллов одноводного оксалата кальция по размерам (1 - без добавок; 2-е добавкой аспаргиновой кислоты, С=10~5 моль/л; 3-е добавкой глутаминовой кислоты, С=1СГ5 моль/л): у = 7 (а), 10 (б); q - объемная доля,%

Для одноводного оксалата кальция без добавок полученная зависимость носит бимодальный характер и имеет большую дисперсию, которая к тому же возрастает с увеличением пересыщения. Вероятно, рост кристаллов в процессе кристаллизации осуществляется одновременно на кристаллических центрах нескольких типов, что и обусловливает полимодальность полученных кривых распределения. Бимодальность сильнее проявляется при увеличении пересыщения раствора. Добавки аминокислот приводят к резкому сжатию кривых распределений и уменьшению среднего размера кристаллов. Это подтверждает выводы, сделанные на основании кинетических экспериментов, о том, что аспарагиновая

и глутаминовая аминокислоты оказывают ингибирующее действие на процессы роста кристаллов одноводного оксалата кальция. Сравнение кривых на рис. 18 (а, б) показывает, что ингибирующее действие аминокислот сильнее проявляется при меньших пересыщениях. Кроме того, в условиях малых пересыщений средний размер образующихся кристаллов в присутствии глутаминовой кислоты меньше, чем в присутствии аспарагиновой кислоты. Таким образом, ингибирующее действие глутаминовой кислоты выражено сильнее.

Было установлено, что степень ингибирования возрастает с увеличением концентрации аминокислоты (табл. 10). Особое влияние как на нуклеацию, так и на рост кристаллов одноводного оксалата кальция оказывает глутаминовая кислота. Кристаллизация одноводного оксалата кальция в присутствии глутаминовой кислоты при концентрации С — 10"2 моль/л начинается лишь при пересыщении у = 10. Таким образом, ингибирующий эффект глутаминовой кислоты сопоставим с воздействием компонент фонового электролита.

Таблица 10

Средние размеры кристаллов одноводного оксалата кальция при кристаллизации с добавками аминокислот (у = 7)

Аминокислота Концентрация, моль/л

1(Г' 1СГ

Глутаминовая 3,88 ± 0,09 мкм менее О.ОЗмкм

Аспарагиновая 5,08 ± 0,06 мкм менее 0,03мкм

Глицин 6,11 ±0,07мкм 3,95 ± 0,05 мкм

Аланин 5,52 ± 0,04 мкм 4,32 ± 0,06 мкм

Пролин 5,30 ± 0,07 мкм 4,73 ± 0,04 мкм

Оксалат кальция без добавок 10,31±0,07 мкм

По возрастанию ингибирующего эффекта на кристаллизацию одноводного оксалата кальция аминокислоты можно расположить в следующий ряд: Глицин < аланин < пролин < аспарагиновая кислота < глутаминовая кислота. Сильное сродство ди- карбоксигрупп к оксалату кальция указывает на то, что белки, богатые аспарагиновой и глутаминовой кислотами, могут, с одной стороны, подавлять рост кристаллов уевеллита вследствие адсорбции на их поверхности, а с другой стороны, служить центрами нуклеации, адсорбируя ионы кальция из раствора, т.е. стимулировать камнеобразование. Ингибирующий эффект аминокислот сопоставим с воздействием компонент фонового электролита, но меньше чем тормозящее влияние катионов магния.

Кроме того, по результатам дисперсионного анализа установлено, что при внесении в раствор оксалата кальция с добавкой глутаминовой кислоты (концентрация С= 10 моль/л) кристаллов гидроксилапатита (8,29 ± 0,16 мкм) при пересыщении 7 (т. е. в условиях ингибирования кристаллизации) наблюдается кристаллизация одноводного оксалата (средний размер частиц твердой фазы возрастает до 19,14 ± 0,29 мкм). Следовательно, в присутствии кристаллов гидроксилапатита происходит образование и рост кристаллов уевеллита даже при высоких концентрациях аминокислот.

Влияние аминокислот на кристаллизацию апатита. Изучено влияние аминокислот на электрокинетические свойства частиц золя стехиометрическо-го и нестехиометрического (Са/Р = 1,58) гидроксилапатитов (табл. 7). В каче-

стве испытуемых были выбраны аминокислоты, характеризующиеся относительно высоким содержанием как в почечных камнях фосфатного типа, так и в моче (см. рис. 16), при этом pH (6,45±0,05), ионная сила (0,3) и концентрации аминокислот (0,004 моль/л) в модельных растворах были близки к среде, в которой протекает образование уролитов. Показано, что сорбция аминокислот на кристаллах стехиометрического и нестехиометрического гидроксилапатитов различна и определяется характером электростатического взаимодействия. В зависимости от природы аминокислоты при данной концентрации, pH и ионной силе раствора заряд и значение ^-потенциала поверхности апатитов варьируют. Взаимодействие аминокислот с поверхностью кристаллов нестехиометрического гидроксилапатита увеличивается с уменьшением отрицательного заряда доминирующей в растворе формы аминокислоты. Для стехиометрического гидроксилапатита наблюдается обратная закономерность. При этом по увеличению силы электростатического взаимодействия с нестехиометриче-ским гидроксилапатитом испытуемые аминокислоты можно ранжировать в следующий ряд: лизин > глицин > глутаминовая кислота > аспарагиновая кислота. Для стехиометрического гидроксилапатита, имеющего положительно заряженную поверхность, ряд будет обратным. Вероятно, данные закономерности обусловлены способностью глицина и лизина перезаряжать поверхность частиц нестехиометрического гидроксилапатита, а также изменением знака заряда поверхности стехиометрического гидроксилапатита при адсорбции глицина, аспарагиновой и глутаминовой аминокислот. Для подтверждения роли аминокислот в процессе кристаллизации гидроксилапатита изучены вариации среднего размера частиц гидроксилапатитов, синтезированных в их присутствии (табл. 8). Кривые распределения по размерам частиц апатитов, полученных в присутствии разных аминокислот, но при одинаковых соотношениях Са/Р, подобны (хотя средние размеры частиц отличаются), что свидетельствует об идентичности механизмов взаимодействия разных аминокислот с основным фосфатом кальция. Из табл. 8 видно, что в диапазоне изучаемых концентраций данные кислоты оказывают ингибирующее действие на рост кристаллов гидроксилапатита. При этом ингибирующая способность глутаминовой и аспарагиновой кислот возрастает с увеличением соотношения Са/Р, что видно по изменению средних размеров частиц твердой фазы. Полученную закономерность можно объяснить увеличением силы электростатического взаимодействия между твердой фазой и аминокислотами, обусловленную изменением заряда поверхности частиц гидроксилапатита в зависимости от степени нестехиометрии его состава. Сила электростатического взаимодействия аминокислот с поверхностью кристаллов нестехиометрического гидроксилапатита увеличивается с уменьшением отрицательного заряда доминирующей в растворе формы аминокислоты. Способность аспарагиновой кислоты в большей степени (по сравнению с глутаминовой) ингибировать рост кристаллов стехиометрического гидроксилапатита также может быть объяснена образованием более прочных хелатных комплексов с ионами Са2+ (pKfCaAsp) = 1,989; pK(CaGiu)= 1,474). Влияние глицина на процесс кристаллизации стехиометрического гидроксилапатита несколько отличается от воздействия остальных кислот, при исходном соотношении в растворе Са27РС>43" = 1,90 присутствие глицина в концентрации 0,004 моль/л ведет к увеличению среднего размера час-

тиц по сравнению с фазой, полученной в отсутствие аминокислоты. Можно предположить, что увеличение среднего размера частиц синтезированного гидроксилапатита в присутствии глицина связано с возможностью анионной формы глицина замещать гидроксил-ионы в структуре гидроксилапатита.

Ингибирование аминокислотами роста и агрегации кристаллов гидроксилапатита уменьшается с увеличением ионной силы раствора. Это является подтверждением тому, что взаимодействие исследуемой твердой фазы с аминокислотами носит в основном электростатический характер. Уменьшение адсорбции аминокислот на поверхности гидроксилапатита может происходить за счет сорбции ионов индифферентного электролита.

Таким образом, аминокислоты оказывают ингибирующее действие на рост кристаллов оксалатов и фосфатов кальция, которое обусловлено их адсорбционным взаимодействием с поверхностью растущего кристалла; ингибирование ослабляется с увеличением ионной силы раствора. Кинетические характеристики кристаллизации уевеллита и гидроксилапатита зависят от природы аминокислоты и её концентрации. Электростатическое взаимодействие аминокислот (глицина, лизина, глутаминовой и аспарагиновой) с апатитом зависит от степени нестехиометричесности его состава.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Разработан комплексный подход к исследованию патогенного минерало-образования в организме человека, включающий всестороннее изучение орга-номинеральных агрегатов (почечных, желчных, зубных и слюнных камней), соответствующих камнеобразующих сред, а также широкое применение методов теоретического и экспериментального моделирования в прототипах биологических жидкостей.

Впервые предложены методики экстракционного разделения минеральной и органической составляющих органоминеральных композитов любой природы. Подобрано оптимальное сочетание взаимодополняющих методов изучения патогенных агрегатов из организма человека (химических, микроскопических, рентген-дифракционных, спектроскопических). Проведен термодинамический расчет фазо-образования малорастворимых соединений (аналогов минералов почечных, зубных и слюнных камней). Предложена математическая модель для описания кинетики нуклеации малорастворимых соединений в прототипах биологических жидкостей, основанная на уравнении Фоккера-Планка. Усовершенствованы методы синтеза основных минералов почечных камней (уевеллита, апатита).

Детально исследована представительная коллекция почечных, желчных, зубных и слюнных камней (их морфология, структура, минеральный и химический состав); установлены связи между компонентами ОМА; проанализирована онтогения органоминеральных агрегатов.

- Почечные камни: идентифицировано 11 соединений (в ассоциации с квар-цом обнаружен ранее не встречавшийся силикат кальция - минерал хатрурит Са38Ю5); уточнены минеральные ассоциации камней разного состава, обнаружена микрогетерогенность мономинеральных участков камней; выявлены основные типы распределения органической компоненты; обнаружен переменный нестехио-метрический состав основных минералов: оксалатов (уевеллит, уеделлит) и фосфатов (струвит, апатит); показаны связи между микроэлементным и фазовым составом камней; установлено селективное соответствие между минеральной компонен-

той (оксалатной, фосфатной, уратной) и набором аминокислот; для Омского региона выявлены связи между химическим составом питьевой воды и уровнем заболеваемости мочекаменной болезнью.

- Зубные и слюнные камни: идентифицированы различные фосфаты кальция (наиболее распространен апатит); на основании сравнения вариаций параметров кристаллической решетки апатитов зубных, слюнных, мочевых камней и твердых тканей зубов человека показано, что при патогенном минералообразовании состав и рН ротовой жидкости меняются в существенно более широком диапазоне, чем при физио-генном, но меньше, чем соответствующие характеристики патогенной мочи.

- Желчные камни: с использованием разработанной методики поэтапного экстракционного разделения выявлена широкая встречаемость в холестериновых камнях различных модификаций карбонатов кальция (кальцита, фатерита, арагонита, с преобладанием фатерита), а также витлокита и ряда органических соединений - билирубина, натриевой соли желчной кислоты. Показано, что микроэлементный состав холиолитов зависит от окружающей среды, особенностью Омского региона является присутствие в камнях Мп, Ре, Си, (содержание более 10^мас%).

В целом, результаты исследования вещества мочевых, желчных, слюнных и зубных камней выявили их многофазность, микрогетерогенность, зональную неоднородность, а также переменный состав большинства биоминералов, что позволяет сделать вывод о том, что в процессе камнеобразования состав физиологических растворов претерпевает существенные, часто периодические, изменения.

Показано, что выделенные ранее механизмы кристаллизациии фаз почечных камней характерны и для других патогенных органоминеральных агрегатов: прямая кристаллизация - для агрегатов, минеральная компонента которых включает органическую составляющую (оксалатные и уратные уролиты; холестериновые холелиты); агрегация и осаждение вещества (седиментация) - для камней, минеральная компонента которых состоит из неорганических соединений (фосфатные уролиты, дентолиты и саливолиты).

Проведено определение параметров желчи и ротовой жидкости в норме и патологии; выявлены отличия состава патогенных камнеобразующих сред; установлены связи между характеристиками физиологических растворов и образующихся в них камней.

- Патогенная желчь: установлено, что содержание большинства элементов (Ыа, Са, Р, К, Р^), белковых соединений, триглицеридов, холестерина, желчных кислот, фосфолипидов и билирубина в несколько раз превышает их содержание в норме; содержание кальция, железа, меди, марганца в желчных камнях существенно больше, чем в желчи; расчет индексов литогенности исследованной желчи подтвердил отклонение ее основных параметров от находящейся в норме.

- Ротовая жидкость: выявлено, что слюна людей, страдающих слюнно-каменной болезнью (принимающих сердечные лекарственные препараты и кариес-подверженных) и слюна здоровых людей отличаются по рН, концентрации ионов калия, натрия и белка; в зубных камнях средние концентрации ряда элементов (гп > Ре > Си) отвечают соответствующим значениям в ротовой жидкости; общее содержание аминокислот в слюнных и зубных камнях больше, чем в ротовой жидкости; картина микрокристаллизации слюны у лиц, длительное время работающих на компьютере, отличается от таковой для слюны здоровых людей.

- Моча: установлено несоответствие ряда средних концентраций химических элементов и аминокислот в нормальной моче человека ряду средних массовых содержаний данных элементов и аминокислот в почечных камнях; содержание элементов

(Fe, Zn, Cu, As и, особенно, I, Pb) в почечных камнях по сравнению с мочой повышено, что указывает на увеличение их концентрации в моче при камнеобразовании.

В целом, результаты исследования патогенных физиологических жидкостей и выявленные связи между характеристиками физиологических растворов и образующихся в них камней, показали, что при переходе в патогенное состояние концентрация основных неорганических компонентов повышается, а содержание белковых и других органических составляющих может как увеличиваться (желчь, моча), так и уменьшаться (смешанная слюна).

Изучены условия фазообразования в моче и ротовой жидкости

- На основе термодинамических расчетов определены индексы пересыщения и построены диаграммы устойчивости основных патогенных минералов почечных, зубных и слюнных камней.

Показано, что в моче человека вероятно образование следующих фаз: бру-шит, витлокит, гидроксилапатит, уевеллит, уедделлит, коаксит, кальцит, ньюберит и струвит; образование микроэлементами мочи (Fe, AI, Zn, Sr, Ti, Си) малорастворимых соединений с основными анионами раствора невозможно. В ротовой жидкости вероятно образование различных фосфатов кальция (монетита, брушита, октакальций-фосфата, витлокита, гидроксилапатита, фторапатита) и ньюбирита.

- В результате экспериментов по кристаллизации из прототипов биологических жидкостей получены аналоги следующих минералов: для мочевых камней бру-шит, струвит, гидроксилапатит и витлокит, а также рентгеноаморфный фосфат кальция; для зубных и слюнных камней - брушит, струвит, апатит, а также рентгеноаморфный фосфат кальция. Показано, что гидроксилапатит в следовых количествах образуется при кристаллизации практически всех фаз. Установлено, что величина pH раствора оказывает гораздо более существенное влияние на состав образующейся твердой фазы, чем варьирование начальных концентраций компонентов раствора.

- В целом, продемонстрировано, что патогенное фазообразование в организме человека крайне неравновесно. Наиболее стабилен основной фасфат кальция (апатит), что объясняет его широчайшее распространение в составе патогенных агрегатов в организме человека.

Изучены особенности кристаллизации основных патогенных фаз почечных камней (оксалатов, фосфатов).

- С помощью математической модели, основанной на уравнении Фоккера -Планка, описан процесс нуклеации малорастворимых соединений, характеризующийся вариациями плотности распределения кристаллитов по размерам; проведена оценка кинетики спада пересыщения в результате фазообразования.

- Экспериментально изучено влияние неорганических (фосфат-, оксалат-, карбонат-анионы, катионы магния) и органических (аминокислот) добавок на кристаллизацию уевеллита и гидроксилапатита; продемонстрирована определяющая роль органических соединений белковой природы при кристаллизации соединений входящих в состав ОМА; показано, что ингибирующий эффект аминокислот сопоставим с воздействием компонент фонового электролита, но меньше, чем тормозящее влияние катионов магния; электрокинетические свойства синтезированных гидроксила-патитов (знак заряда, электрофоретическая подвижность и ^-потенциал) зависят от степени нестехиометричности их состава (величины отношения Са/Р); на силу адсорбционного ингибирования аминокислотами кристаллизации уевеллита и гидроксилапатита влияют природа кислоты и её концентрация, а в случае гидроксилапатита также степень нестехиометричности его состава; присутствие в растворе кристаллов гидроксилапатита инициирует процесс кристаллизации уевеллита.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Голованова O.A. Патогенные минералы в организме человека. Омск, 2007. 395 с.

2. Голованова O.A., Борбат В.Ф. Почечные камни. М. Мед. книга. 2005. 172 с.

3. Голованова O.A. Фазовый и химический состав желчных камней в организме человека. Параметры камнеобразующей среды // Вестник СПбГУ. Серия 4. 2006. С. 76-82.

4. Голованова O.A. Комплексное изучение почечных камней (обзор) // Известия ВУЗов. Серия «Химия и химическая технология». 2004. Т. 47. Вып. 1. С. 3-12.

5. Голованова O.A. Минералы почечных камней жителей Омского региона и некоторые вопросы термодинамики их образования // ЗВМО № 5. С. 94-104.

6. Борбат В.Ф., Голованова O.A., Пятанова П.А:, Россеева Е.В. Способ определения микроколичеств белковых соединений в почечных камнях. Патент № 2238549. Решение о выдаче патента на изобретение заявка № 2003104252/15(004438) от 12.02.2003.

7. Голованова O.A., Вельская J1.B., Ломиашвили Л.М., Борисенко М.А. Способ определения уровня воздействия компьютерного излучения на состояние зубов. Решение о выдаче патента на изобретение заявка 2666110490/15(011425) от 21.03.2007.

8. Голованова O.A., Вельская Л.В., Пушкарева A.B., Казанцева Р.В. Способ моделирования процесса образования зубного камня // Решение о выдаче патента на изобретение. Заявка № 2007113160 (014289) от 09.04.2007.

9. Недосеко В.Б., Казанцева Р.В., Николаев H.A., Голованова O.A., Вельская Л.В. Способ выявления гипертонической болезни и сахарного диабета на стоматологическом приеме. Решение о выдаче патента на изобретение. Заявка № 2007116502 (017941) от 02.05.2007.

10. Голованова O.A., Ачкасова Е.Ю., Пунин Ю.О., Желяев Е.В. Основные закономерности кристаллизации оксалата кальция в присутствии аминокислот // Кристаллография. 2006. Т. 51. №2. С. 376-382.

11. Голованова O.A., Ачкасова Е. Ю., Когут В.А. Информационно-поисковые системы и расчетные программы в эколого-аналитическом мониторинге // Обозрение прикладной и промышленной математики. 2004. Т. И. Вып. 3. С. 626-628.

12. Голованова O.A., Ачкасова Е.Ю., Глухова О.В. Разработка автоматизированных информационно-поисковых систем и расчетных программ для эколого-аналитического мониторинга // Известия ВУЗов. Серия «Химия и химическая технология». 2003. Т. 46. Вып. 5. С. 83-86.

13. Голованова O.A., Ачкасова Е.Ю., Когут В.В., ^Селяев Е.В. Разработка программного обеспечения для моделирования нуклеации в многофазных системах // Математические структуры и моделирование. 2004. Вып. 13. С. 144-149.

14. Голованова O.A., Ачкасова Е.Ю., Пятанова П.А. Микроэлементы почечных камней и их влияние на процесс патогенного минералообразования // Вестник СПбГУ. 2005. № 4(7). С. 87-92.

15. Голованова O.A., Вельская Л.В., Березина Н.Ю. Спектральный количественный анализ эссенциальных микроэлементов в патогенных биоминералах жителей Омского региона// Прикладная спектроскопия. 2006. Т. 73. № 6. С. 792-796.

16. Голованова O.A., Вельская Л.В., Казанцева Р.В. Минеральный и элементный составы зубных камней жителей Омского региона// Вестник СП6ГУ.2006. № 1(7). С. 90-93.

17. Голованова O.A., Воронкова Л.В., Качесова П.А. Разработка способов фторирования питьевой воды на примере Омского региона // Омский научный вестник. 2004. № 1(26). С. 83-85.

18. Голованова O.A., Качесова (Пятанова) П.А Влияние химического состава питьевой воды на микроэлементный состав почечных камней. // Известия ВУЗов. Серия «Химия и химическая технология». 2002. Т. 45. Вып.2. С. 136-139.

19. Голованова O.A., Когут В.А. Разработка программного обеспечения для моделирования нуклеации в многофазных системах // Математические структуры и моделирование. 2004. Вып. 13. С. 144-149.

20. Голованова O.A., Когут В.В., Желяев Е.В. Численное моделирование процесса кристаллизации оксапата кальция из раствора // Обозрение прикладной и промышленной математики. 2003. Т. 10. Вып. 2. С. 458-459.

21. Голованова O.A., Пальчик H.A., Березина НЛО., Юдина JI.H. Сравнительная характеристика минерального и микроэлементного состава желчных камней, удаленных у пациентов в Новосибирской и Омской областях // Химия в интересах устойчивого развития. 2006. № 14. С. 125-131.

22. Голованова O.A., Пальчик H.A., Максимова Н.В., Дарьин A.B. Сравнительная характеристика микроэлементного состава почечных камней Новосибирской и Омской областей // Химия в интересах устойчивого развития. 2007. № 15. С. 55-61.

23. Голованова O.A., Пятанова П.А, Пальчик H.A., Столповская В.Н., Григорьева Т.Н., Низовский А.И., Шкуратов С.С. Фазовый и элементный состав и распространенность мочевых камней (Новосибирская и Омская области) // Химия в интересах устойчивого развития. 2003. № 4. С. 593-600.

24. Голованова O.A., Пятанова П.А. Влияние химического состава питьевой воды на микроэлементный состав почечных камней // Известия ВУЗов. Серия «Химия и химическая технология». 2002. Т. 45. Вып. 2. С. 136-139.

25. Голованова O.A., Пятанова П.А., Красногорова Е.В. Определение условий формирования малорастворимых соединений уролитов // Известия ВУЗов. Серия «Химия и химическая технология». 2003. Т. 46. Вып. 2. С. 94-97.

26. Голованова O.A., Пятанова П.А., Россеева Е.В. Анализ закономерностей распределения белковой составляющей мочевых камней // Доклады Академии наук. 2004. Т. 395. №. 5. С. 1-3.

27. Голованова O.A., Пятанова П.А., Россеева Е.В. Морфологические особенности почечных камней пациентов Омского региона Н Известия ВУЗов. Серия «Химия и химическая технология». 2002. Т. 45. Вып. 2. С. 109-113.

28. Голованова O.A., Пятанова П.А., Струнина H.H., Байсова Б.Т. Использование метода спектрального анализа для определения микроэлементного состава почечных камней // Журнал прикладной спектроскопии. 2003. Т. 70. № 3. С. 432-434.

29. Голованова O.A., Россеева Е.В., Франк-Каменецкая О.В. Аминокислотный состав камней мочевой системы человека // Вестник СПбГУ. Сер. 4. 2006. Вып. 2. С. 123-127.

30. Голованова O.A., Качесова (Пятанова) П.А., Низовский А.И Особенности минерало-образования камней мочевой системы пациентов Омского региона II Уральский геологический журнал. 2000. № 6(18). С. 173-175.

31. Голованова O.A., Когут В.В., Желяев Е.В. Моделирование нуклеации оксалата кальция // Математические структуры и моделирование. 2003. Вып. 11. С. 42-47.

32. Голованова O.A., Юдина JI.H., Борбат В.Ф. Определение компонентов желчных камней и параметров камнеобразующей среды // Известия вузов. Серия «Химия и химическая технология». 2004. Т. 47. Вып. 10. С. 125-129.

33. Borbat V.F., Golovanova O.A., Pyatanova P.A. Researching of water quality in Omsk region // International journal "Ecology and life". Novgorod the Great, 2002. Issue 6. 2nd Edition. P. 7-8.

34. Вельская JI.B., Голованова O.A., Блинов В.И., Савченко Р.К., Франк-Каменецкая О.В., Ельников В.Ю. Особенности фазового состава и кристаллической структуры зубных и слюнных камней // Вестник ОмГУ. 2006. № 2. С. 56-58.

35. Вельская JI.B., Голованова O.A., Ломиашвили Л.М., Борисенко М.А. Влияние ряда факторов на состав и структурные свойства ротовой жидкости // Вестник ОмГУ. 2006. Ss 1. С. 33-35.

36. Борбат В.Ф., Голованова O.A., Качесова (Пятанова) П.А., Низовский А.И., Буб нов A.B., Тренихин М.В., Вичканов А.Н. Использование физических методов исследова ния для диагностики, прогнозирования рецидивов и принципов лечения мочекаменно" болезни // Омский научный вестник. Омск, 2001. Вып. 14. С. 152-155.

37. Борбат В.Ф., Голованова O.A., Пятанова П.А. Исследование состава и строения по чечных камней с помощью методов рентгенофазового анализа, ИК-спектроскопии и рас тровой электронной микроскопии // Известия ВУЗов. Серия «Химия и химическая техно логия». 2002. Т. 45. Вып. 1. С. 64-67.

38. Борбат В.Ф., Голованова O.A., Пятанова П.А. Экзогенные факторы в развитии уроли тиаза // Уральский геологический журнал. 2002. № 4 (28). С. 245-250.

39. Борбат В.Ф., Голованова O.A., Пятанова П.А. Экзогенные факторы в развитии уроли тиаза П Уральский геологический журнал. 2002. № 4(28). С. 245-250.

40. Ельников В.Ю., Россеева Е.В., Голованова O.A., Франк-Каменецкая О.В. Термоди намическое и экспериментальное моделирование образования основных минеральных ф почечных камней // ЖНХ. 2007. № 2. С. 12-19.

41. Изатулина А.Р., Голованова O.A., Пунин Ю.О., Войтенко H.H., Дроздов В.А. Изуче ние факторов, влияющих на кристаллизацию одноводного оксалата кальция // Вестей ОмГУ. 2006. № 3. С. 45—47.

42. Пихур О.Л., Голованова O.A., Вельская Л.В., Лемешева С.А. Химический состав не которых патогенных органоминеральных агрегатов в организме человека // Российски!" семейный врач. 2007. Т. 11. № 1. С. 34-36.

43. Пихур О.Л., Голованова O.A., Ломиашвили Л.М., Вельская Л.В. Состояние окру жающей среды и заболевания твердых тканей зубов жителей Санкт-Петербурга и Омска / Сибирь-Восток. 2005. № 10. С. 10-12.

44. Пихур О.Л., Голованова O.A., Ширинский В.А., Вельская Л.В., Лемешева С.А. Рол экологических факторов в формировании патологических состояний в организме челове ка// Сибирь-Восток. 2006. № 8. С. 12-14.

45. Рабинович A.A., Голованова O.A., Изатулина А.Р., Блинов В.И. Моделирование об разования моногидрата оксалата кальция в живых организмах. Влияние условий экспери мента на фазовый состав осадка // Вестник ОмГУ. 2006. № 3. С. 48-50.

46. Борбат В.Ф., Голованова O.A., Юдина Л.Н. Изучение желчных камней с использова нием физико-химических методов // Известия вузов. Серия «Химия и химическая техно логия». 2002. Т. 45. Вып. 1. С. 67-70.

47. Рабинович A.A., Голованова O.A., Бубнов A.B., Тренихин М.В., Понаморева Е.А. Синтез гидроксилапатита и влияние добавок на его структуру // Известия ВУЗов. Сери «Химия и химическая технология». 2007. Т. 50. Вып. 2. С. 36-40.

48. Rosseeva E.V., Golovanova O.A., Frank-Kamenetskaya O.V. The influence of amino acid on the formation of nanocrystalline hydroxyapatite // Glass Physics and Chemistry. 2007 Vol. 33. No. 3. P. 283-286.

49. Голованова O.A., Вельская Л.В., Лемешева С.А. Микроэлементный состав патоген ных минералов как индикатор экологического состояния Омского региона // Физика и Химия стекла. 2007. Т. 33. Вып. 4. С. 585-591.

50. Голованова O.A. Патогенные минералы в организме человека // Сб. трудов Санкт Петербургского общества естествоиспытателей. 2006. Серия 1. Т. 96. С. 107-123.

51. Rabinovcdh A.A., Golovanova O.A., Blinov V.l. Influence of inorganic and organi additives on the composition of the precipitate of synthetic hydroxylapatite and calcium oxalat monohydrate // Glass Physics and Chemistry. 2008. Vol. 34. No. 3. P. 332-335.

52. Голованова О. А. Особенности патогенного минералообразования в организме чело века // Вестнике ТГУ, 2008, № 313. С. 215-224.

53. Голованова O.A., Понамарева Е.Ю., Франк-Каменецкая О.В. Влияние компонента биологической среды на формирование гидроксилапатита // Химия в интересах устойчи вого развития. № 16. 2008. С. 1-6.

4. Вельская Л.В., Голованова О.А., Пальчик НА. Микроэлементный состав слюнных амней // Химия в интересах устойчивого развития, 2008. № 17. С. 298-304.

5. Лемешева С.А., Голованова О.А., Городилов Р.В. Особенности фазового состава еловека костной ткани при коксартрозе // Вестник Новосибирского государственного ниверситета. Серия: Биология. Клиническая медицина. Выпуск 1. Том 6. 2008. С. 16-20.

6. Голованова О. А., Панова Т. В., Ефимова А., Лакман А.В. Применение метода опти-еской микроскопии для изучения кристаллизации одноводного оксалата кальция. // Из-;сгия ВУЗов. Химия и химическая технология, 2008. Т. 51. № 9, С. 34-38.

7. Pikhur O.L., Rosseeva E.V., Plotkina Yu.V., Kasbohm J., Golovanova O.A., Frank-amenetskaya O.V., Zorina M.L. Features of the morphology and composition of salivary alculi of patients from Saint-Petersburg region // Medical Geology Newsletter. № 12. 2008. . 24-29.

тезисы докладов (76) и статьи (28) в сборниках материалов российских и междуна-одных научных конференций.

Подписано в печать 10.11.2008. Формат бумаги 60x84 1/16. _Печ. л. 2,5. Уч.-изд. л. 2,5. Тираж 150 экз. Заказ 394.

Издательство ОмГУ

644077, г. Омск, пр. Мира, 55А, госуниверситет

Содержание диссертации, доктора геолого-минералогических наук, Голованова, Ольга Александровна

Введение.

Глава 1. Экспериментальные подходы и использованные методы.

1.1. Методы исследования вещества органо-минеральных агрегатов.

1.1.1. Объекты исследования.

1.1.2. Методы разделения минеральной и органической компонент.

1.1.2.1. Мочевые камни.

1.1.2.2. Желчные камни.

1.1.3. Методы исследования морфологии и структуры камней, их фазового и элементного состава.

1.2. Методики изучения камнеобразующих сред.

1.2.1. Смешанная слюна (ротовая жидкость).

1.2.2. Желчь.

1.3. Моделирование фазообразования в прототипах биологических жидкостей.

1.3.1. Эксперимент по образованию фаз почечных камней.

1.3.2. Эксперимент по образованию фаз зубных и слюнных камней.38*'

1.4. Методы изучения кристаллизации основных фаз патогенных образований в условиях, приближенных к физиологическим.

1.4.1. Методика синтеза уэвеллита в условиях, приближенных к параметрам мочи человека.

1.4.2. Методика синтеза гидроксилапатитов в условиях, приближенных к параметрам мочи человека.

1.4.3. Методика исследования параметров кристаллизации основных фаз почечных камней.

Глава 2. Вещество почечных, слюнных и зубных камней. Модели образования.

2.1. Почечные камни (уролиты).

2.1.1. Морфология и текстурно-структурные особенности.

2.1.2. Неорганическая компонента.

2.1.2.2. Элементный состав. Связь с минеральной компонентой.

2.1.2.3. Морфология и состав минеральных индивидов.

2.1.3. Органическая компонента. Связь с минеральной составляющей.822.1.3.1. Состав белковой компоненты и ее распределение.

2.1.3.1. Аминокислотный состав белковой составляющей почечных камней

2.1.4. Модели образования уролитов.

2.1.4.1. Параметры физиологического раствора.

2.1.4.2. Существующие гипотезы формирования почечных камней.

2.2. Зубные и слюнные камни.

2.2.1. Морфология и текстурно-структурные особенности.

2.2.2. Неорганическая компонента.

2.2.2.1. Минеральный состав.

2.2.2.2. Элементный состав.

2.2.3. Органическая компонента.

2.2.4. Модели образования зубных и слюнных камней.

2.2.4.1. Параметры камнеобразующей среды.

2.2.4.2. Существующие гипотезы формирования зубных и слюнных камней

Глава 3. Фазообразование в биологических жидкостях организма человека. 3.1. Термодинамический расчет возможности образования малорастворимых соединений.

3.1.1. Введение.

3.1.2. Расчет констант равновесий в системе осадок-раствор.

3.1.3. Описание методики.

3.2. Фазообразование в растворе, моделирующем состав мочи здорового взрослого среднестатистического .человека.

3.2.1. Результаты термодинамического расчета.

3.2.1.1. Условия образования основных фаз почечных камней.

3.2.1.2. Диаграммы устойчивости.

3.2.1.3. Влияние микроэлементов на возможность образования основных фаз

3.2.2. Образование фаз почечных камней в условиях эксперимента.

3.3. Фазообразование в растворе, моделирующем состав ротовой жидкости среднестатистического человека.

3.3.1. Результаты термодинамического расчета.

3.3.1.1. Условия образования основных фаз зубных и слюнных камней.

3.3.1.2. Диаграммы устойчивости.

3.3.2. Образование фаз зубных и слюнных камней в условиях эксперимента.

3.4. Обсуждение результатов моделирования. Сравнение с минеральным составом.

Глава 4. Кинетика кристаллизации аналогов минералов, образующихся в живых организмах.

4.1. Особенности кристаллизации малорастворимых соединений.

4.2. Математическая модель кристаллизации малорастворимых соединений.190:

4.3. Кристаллизация одноводного оксалата кальция (аналога минерала уэвеллита).

4.3.1. Синтез в условиях, приближенных к параметрам физиологического раствора

4.3.2. Особенности кристаллизации в условиях эксперимента.

4.3.2.1. Современное состояние изученности вопроса.

4.3.2.2. Кинетические характеристики. Влияние примесей.

4.3.3. Сравнение результатов экспериментальной и математической моделей кристаллизации оксалата кальция.

4.4. Кристаллизация основного фосфата кальция (аналога минерала гидроксилапатита)

4.4.1. Современное состояние изученности вопроса.

4.4.2. Кристаллизация в условиях, приближенных к параметрам мочи человека. 227 4.4.2.1 Синтез в присутствии неорганических и органических добавок.

4.4.3. Влияние аминокислот и нестехиометричности составов на свойства гидроксилапатита.

4.4.3.1. Введение.232"

4.4.3.2. Электрокинетические свойства частиц золей.

4.4.3.3. Вариации среднего размера частиц золей.

Глава 5. Вещество желчных камней и модели их образования.

5.1. Введение.

5.2. Характеристика вещества органо-минеральных агрегатов.

5.2.1. Морфология, текстурно-структурные особенности и фазовый состав камней

5.2.2. Элементный состав.

5.2.3. Белковая компонента.

5.3. Желчь как камнеобразующая среда.

5.3.1. Основные компоненты.

5.3.2. Индексы литогенности.

5.3.3. Элементный состав.

5.3.4. Белковая компонента.

5.3.5. Структурное состояние желчи.

5.4. Модели образования желчных камней.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Биоминералогия мочевых, желчных, зубных и слюнных камней из организма человека"

Ухудшение экологической обстановки в крупных промышленных мегаполисах приводит к постоянному росту заболеваний, связанных с патогенным камнеобразованием в организме человека, что обусловливает необходимость разработки новых методов лечения и профилактики этих болезней. В связи с этим за последние 10-15 лет интерес к изучению патогенных биоминералов и условий их образования существенно возрос.

Обычно исследователи патогенных минералов ограничиваются описанием их морфологии, минерального и элементного состава. Механизмы образования и роста кристаллических фаз в организме человека, связанные со сложным взаимодействием живого и косного вещества, на данный момент изучены недостаточно, и представления о них являются дискуссионными.

Еще в 1973 г. Д. Масс Коннел (1977) отметил, что хотя биоминералогия наука и не новая, ее развитие идет достаточно медленно. Это обусловлено как сложностью самого объекта изучения, так и тем, что долгое время изучением данных образований занимались исследователи (биологи, медики и др.), не обладающие специализированными знаниями в области минералогии, химии и кристаллографии.

Трудности изучения патогенного минералообразования обусловлены в первую очередь сложным вещественным и элементным составом камней, которые содержат как минеральную (часто очень плохо окристаллизованную), так и органическую компоненты, которые очень трудно разделить. Большую роль, несомненно, играет и отсутствие необходимых контактов между специалистами разных областей знаний (минералогами, кристаллографами, медиками и химиками). Неполная изученность патогенных органо-минеральных агрегатов (ОМА) [175] в организме человека и механизмов их образования объясняется также молодостью биоминералогии, которая только за последние десятилетия сформировалась как самостоятельная интенсивно развивающаяся наука.

В истории развития биоминералогии можно выделить два основных этапа: период (до середины XX века) становления этого научного направления как науки, когда происходила аккумуляция данных о биоминеральных взаимодействиях, строении, составе и образовании биоминералов, и период ее существования как обособленной отрасли знания.

Основой для развития биоминералогии в России послужили работы В.И. Вернадского и Я.В. Самойлова. В.И. Вернадский [48] придавал самое серьезное значение участию живого в образовании минералов биосферы. Его последователь Я.В. Самойлов [291] обращал особое внимание на изучение состава скелетов организмов и в этой связи указывал на целесообразность выделения специальной главы минералогии — «минералогии скелетов организмов».

Термин «биоминералогия» в отечественной литературе появился в 1976 г. в работе, A.A. Кораго [175], в которой были сформулированы основные особенности объектов исследования этой науки. В 1988 г. Н.П. Юшкин [355] предложил проблемы «изучения как конструктивных, так и патологических минералов и минералообразующих процессов в организме человека, выявление с точки зрения медицины свойств минералов и минералогическую экологию» объединить в область исследований медицинской минералогии.

В настоящее время биоминералогия является самостоятельным направлением в цикле прикладной минералогии [10; 255; 357] и находится на стыке целого ряда наук (рис. 1), прежде всего минералогии, медицины, биохимии и др.

Рис. 1. Междисциплинарные связи биоминералогии

На начальном этапе становления биоминералогии одной из проблем, способствовавшей выделению данной науки из общей минералогии, стала смена представлений о минерале [175].

В настоящее время доминирующим является утверждение, согласно которому все возникшие в организмах либо при их участии неорганические и органические фазы кристаллического строения следует относить к биоминералам. В рамках этой парадигмы к объектам биоминералогии относят органо-минеральные агрегаты, возникшие в биосфере и созданные в живом организме при его участии или в результате замещения отмершего органического вещества минеральным [175]. Формирование таких образований происходит в процессах метаболизма (обмена веществ) в организмах, путем свободного отложения вещества из водных систем, при реакциях различных выбросов организма с окружающей средой, а также при син- и диагенетических преобразованиях отмершего органического вещества. При этом существует мнение, что фазы, образованные в организме человека, следует относить не к минералам, а к минералоподобным агрегатам [43].

К настоящему времени, по данным Н.П. Юшкина [357], известно около 300 биоминералов различного происхождения, и их число продолжает расти. В зависимости от условий образования все ОМА и слагающие их минералы подразделяются на три типа: ор-тобиогенные, метабиогенные и тафобиогенные [175]. Ортобиогенные ОМА, образующиеся в животных и человеке, называют зоолитами. Зоолиты делятся на физиогенные и патогенные. Патогенные ОМА, которым посвящена настоящая работа, являются «болезнями» организма. К ним относятся камни мочевой системы, желчного пузыря, зубные и слюнные камни и некоторые другие. Возникновение патогенных биоминералов является следствием нарушения функционирования самых различных органов и систем.

Для того чтобы продвинуться в направлении понимания закономерностей патогенного минералообразования в организме человека, необходимо более детально изучать вещество органо-минеральных агрегатов (почечных, желчных, слюнных, зубных и других камней) с привлечением широкого круга современных инструментальных методов, активно привлекать методы теоретического и экспериментального моделирования. Работы такого рода активно ведутся во многих научно-исследовательских лабораториях всего мира [54; 93; 124; 179; 377; 391; 414; 433 и др.], но до окончательного решения проблемы еще далеко.

Основные задачи представляемой работы:

1. Обобщение и критический анализ накопленных знаний по вещественному составу и гипотезам образования патогенных агрегатов в организме человека;

2. Разработка комплексного подхода к исследованию патогенного минералообразования в организме человека, включающего детальное изучение основных патогенных органоминеральных агрегатов из организма человека, соответствующих камнеобразующих сред, а также широкое применение методов теоретического и экспериментального моделирования в прототипах биологических жидкостей.

5. Изучение условий фазообразования в моче и ротовой жидкости.

Научная новизна работы.

Результаты выполненных исследований можно квалифицировать как новое крупное научное достижение в области биоминералогии. На основе обобщения обширного экспериментального и теоретического материала рассмотрен комплекс проблем, связанных с особенностями генезиса почечных, желчных, зубных и слюнных камней - основных патогенных образований в организме человека. Выявлены отличия состава патогенных биологических сред (желчь, ротовая жидкость) от находящихся в норме и установлены связи между характеристиками камнеобразущих сред и фазовым составом патогенных образований.

Впервые на основе термодинамических расчетов и экспериментов детально изучены условия фазообразования в моче и ротовой жидкости. Для описания состояний в таких.-сложных физиологических растворах, как моча и ротовая жидкость, построение полей устойчивости сделано впервые. Показано, что патогенное фазообразование в организме человека крайне неравновесно. Установлена особая роль апатита как наиболее стабильной фазы, встречающейся практически во всех камнях. Доказано, что образование микроэлементами мочи (Ре, А1, 7л\, Бг, 'П, Си) малорастворимых соединений с оксалат и фосфат анионами раствора термодинамически невозможно из-за малого содержания их в растворе на фоне во много раз превышающей концентрации катионов кальция.

Для мочевых камней впервые установлено селективное соответствие между основной минеральной компонентой (оксалатной, фосфатной, уратной) и набором аминокислот; выявлены основные типы распределения органической компоненты; показано наличие связей между содержанием микроэлементов и аминокислот. Выявлено избирательное влияние неорганических (фосфат-, оксалат-, карбонат-анионы и катионы магния) и органических (аминокислоты) компонентов физиологического раствора на образование основных фаз уролитов.

Установлено сильное воздействие компонентов камнеобразующей среды на кинетику кристаллизации уевеллита и гидроксилапатита: аминокислоты оказывают ингибирующее действие на рост кристаллов этих соединений, обусловленное их адсорбционным* взаимодействием с поверхностью растущего кристалла и зависящее от их природы и концентрации; кристаллизацию уевеллита замедляет также наличие в растворе катионов магния и повышение концентрации фонового электролита (эффект ионов магния максимален по сравнению с действием других добавок). Обнаружено, что присутствие в растворе кристаллов гидроксилапатита оказывает каталитическое действие на кристаллизацию уевеллита.

Практическая значимость.

Материалы данной работы переданы в медицинские учреждения Омска (МСЧ № 6, ОмОКБ, БСМП и Западно-Сибирский Федеральный медицинский центр, диагностический центр г. Омска, городская стоматологическая поликлиника № 1 г. Омска) и Санкт-, т*

Петербурга (Центр остеопороза, МЧС № 122, Военно-медицинская академия им. Кирова, МАПО, ГМУ им. акад. И.П. Павлова, поликлиника № 20, стоматологическая клиника «ЛИК» Санкт-Петербурга др.) и используются при проведении лечения и профилактики моче-, желче- и слюнно-каменных болезней. На основании фазового и химического состава биоагрегатов и свойств камнеобразующих сред пациентам даются практические рекомендации по диете, образу жизни; страдающим слюнно-каменной болезнью - по уходу за полостью рта. Новый способ (заявка № 2006 110490/15/(011425)) выявления патологий в полости рта у «компьютерщиков» на основе особенностей кристаллизации слюны широко используется в стоматологической поликлинике № 1 и на кафедре клинической стоматологии ОмГМА г. Омска.

Результаты по изучению влияния состава питьевой воды на уровень заболеваемости почечнокаменной болезнью жителей Омского региона нашли применение в разработке и внедрении методов водоподготовки в ОАО «Омскводоканал».

Разработанный способ определения микроколичеств белковых соединений в почечных камнях (патент на изобретение №2239195) широко используется для разделения и изучения органической и минеральной компонент почечных, зубных, слюнных и др. камней, а также зубов и костей в различных учебных и научных центрах Санкт-Петербурга, Омска, Барнаула, Новосибирска (СПбГУ, ОмГУ, ОмГПУ, ОмГМА, ОмГАУ, Аналитический центр ОИГГиМ СО РАН г. Новосибирска, Центр коллективного пользования ИП-ПУ СО РАН г. Омска и др.).

Результаты работы используются также в курсах "Кристаллическое вещество в, живых организмах" для студентов-магистрантов кафедры кристаллографии геологического факультета СПбГУ, «Биологическая минералогия» для студентов IV курса кафедры геологии и геоэкологии географического факультета РГПУ им. Герцена, а также для постановки студенческих и аспирантских исследований, проводящихся на кафедрах «Кристаллографии» СПбГУ и «Неорганической химии» ОмГУ. Под руководством и при участие автора успешно выполнены 22 дипломных и 3 диссертационные работы.

Фактическую основу диссертации составляют результаты изучения вещества мочевых, желчных, зубных и слюнных камней из организма человека и соответствующих камнеобразующих сред, а также теоретического и экспериментального моделирования фа-зообразования и кристаллизации основных патогенных биоминералов.

Исследование вещества органоминеральных агрегатов было проведено методами,-порошковой рентгенография, ИК-спектроскопии, микротомографии, поляризационной и электронной микроскопии. Кроме того, были использованы различные химические методы (рентгеноспектральный микрозондовый анализ, атомно-абсорбционная спектроскопия, эмиссионный спектральный анализ, рентгено- флуоресценция с синхротронным излучением, атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно связанной плазмой (АЭС-ИСП)и др.) Часть химических анализов проводили после разделения (по оригинальной методике) минеральной и органической компонент исследуемых образцов. При изучении белковой составляющей использовали также методы Кельдаля, Бенедикта и обращенно-фазной высокоэффективной жидкостной хроматографии. Определения состава камнеобразующих сред (желчи и ротовой жидкости) проводили с помощью адаптированных биохимических методик. Синтез аналогов биоминералов (уевеллита, апатита) в прототипах биологических сред выполняли методом осаждения из раствора. Кинетические характеристики кристаллизации уэвеллита и апатита изучали с привлечением кондуктометрического и дисперсионного методов. Термодинамические и математические расчеты закономерностей кристаллизации фаз входящих в состав патогенных агрегатов проводили с использованием разработанных моделей.

Экспериментальные исследования и анализ выявленных закономерностей осуществлены автором самостоятельно и совместно с сотрудниками, аспирантами, и студентами кафедры кристаллографии Санкт-Петербургского университета, кафедры неорганической химии Омского государственного университета, а также других учебных и научно-исследовательских организаций Омска и Санкт-Петербурга, являющимися соавторами-публикаций по теме диссертации. Постановка задач и основные обобщения концептуального характера выполнены автором.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ

2. Патогенное фазообразование в организме человека крайне неравновесно, что доказано термодинамическими расчетами и модельными экспериментами. Широкая распространенность одноводного оксалата кальция (уевеллита) и основного фосфата кальция (апатита) связана с высоким пересыщением биологического раствора относительно этих фаз. Величина рН раствора оказывает более существенное влияние на фазообразование, чем варьирование начальных концентраций компонентов. Наибольшая стабильность апатита, связанная с более широким интервалом условий его образования, объясняет era встречаемость практически во всех мочевых, зубных и слюнных камнях.

3. Для камней, минеральная компонента которых состоит из органических соединений (оксалатные и мочекислые уролиты; холестериновые холелиты), характерна сферо-литовая структура и прямой рост фаз из пересыщенных растворов. Для фосфатных камней (фосфатные уролиты, дентолиты и саливолиты) характерно зернистое скрытокристал-лическое строение и образование путем осаждения вещества (седиментации). Неорганические примеси камнеобразующей среды (компоненты фонового электролита, катионы магния и др.) ингибируют кристаллизацию минералов почечных камней. Присутствие в моче кристаллов гидроксилапатита, напротив, инициирует процесс кристаллизации уевеллита. Кинетика нуклеации малорастворимых соединений почечных, зубных и слюнных камней может быть описана уравнением Фоккера-Планка.

4. Белковая компонента (прежде всего аминокислоты) активно участвует в образовании кристаллических фаз мочевых, зубных и слюнных камней. Существует селективное соответствие между основной минеральной компонентой мочевых камней (оксалатной, фосфатной, уратной) и набором аминокислот. Имеет место адсорбционное ингибирование аминокислотами кристаллизации уевеллита и гидроксилапатита, зависящее от природы кислоты и её концентрации, а в случае гидроксилапатита также от степени нестехиометричности его состава. Ингибирующий эффект аминокислот сопоставим с воздействием компонент фонового электролита, но меньше, чем тормозящее влияние катионов магния.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты работы опубликованы в двух монографиях (1 коллективная), 54 научных статьях и 2-х авторских свидетельств на изобретение, а также представлены более чем в 91 сообщениях (устные доклады, стенды и опубликованные тезисы) на международных и всероссийских конференциях и семинарах: IV Международной конференций «Кинетика и механизм кристаллизации. Нанокристаллизация. Биокристаллизация» (Иваново, 2006, 2008), V Международной конференции «Спектроскопия, рентгенография и кристаллохимия минералов (Казань," 2005), Topical Meeting «Nanoparticles, Nanostructures' and Nanocomposites» (Saint-Petersburg, 2004, 2006, 2007 и 2008), Международном совещание «Происхождение и эволюция биосферы» (Новосибирск, 2005), Международных симпозиумах «Биокосные взаимодействия» (Санкт-Петербург, 2002, 2004 и 2007), Международной конференции геология и рациональное недропользование "Экогеология - 2003" (Санкт-Петербург, 2003), Международном совещание «Проблемы природопользования в районах со сложной экологической ситуацией» (Тюмень, 2003), Международной конференции «Углерод: минералогия, геохимия и космохимия», (Сыктывкар, 2003), Международном совещание академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (Омск, 2002), IV Международных Симпозиумах «Минералогические музеи» (Санкт-Петербург, 2002, 2005 и 2008), Международной конференции «Кристаллогенезис и минералогия», (Санкт-Петербург, 2001 и 2007), Международной конференции «Рентгенография и Кристаллохимия минералов» (Санкт-Петербург, 2003 и Миасс, 2007), Международной конференции «Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий» (Томск, 2006), Международной конференции «Углерод: минералогия, геохимия и космохимия» (Сыктывкар, 2005), Международном семинаре «Кварц • Кремнезем», (Сыктывкар,

2004), 60-той Федоровской сессии (Санкт-Петербург, 2006), Конференции молодых ученых (Ростов-на-Дону, 2006), IV Национальной кристаллохимической конференции (Черноголовка, 2006), семинарах «Минералогия техногенеза» (Миасс, 2000-2006), Пятом семинаре СО РАН — УрО РАН «Термодинамика и материаловедение» (Новосибирск,

2005), I и II Российском совещание по органической минералогии (Санкт-Петербург, 2002, Петрозаводск, 2005), Международном семинаре «Минералогия и жизнь», (Сыктывкар, 2007), XV Российское совещание по экспериментальной минералогии (Сыктывкар, 2005), Всероссийским симпозиуме «Химия: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (Хабаровск, 2002), Молодежных конференциях "Молодые ученые на рубеже третьего тысячелетия" (Омск, 2001- 2008), Всероссийской конференции «Химический анализ веществ и материалов (Москва, 2000) и др.

Объем и структура работы.

Диссертация содержит 333 страницы текста, 122 рисунка, 86 таблиц, список литературы из 462 наименований. Она состоит из введения, 5 глав и заключения. Во введении кратко описывается история развития биоминералогии и дается общая характеристика работы. В первой главе с разной степенью детальности охарактеризованы методы и подходы, использованные в процессе выполнения исследования; детально описаны методики, разработанные и усовершенствованные автором. Вторая глава содержит результаты изучения вещества мочевых, зубных, слюнных камней и соответствующих камнеобразующих сред; пятая глава - желчных камней и желчи. В этих же главах с использованием полученных результатов критически обсуждаются гипотезы формирования органоминеральных агрегатов. В главах три и четыре приводятся результаты теоретического и экспериментального моделирования фазобразования и кристаллизации основных компонентов камней В заключение на основе совокупности полученных результатов дается сравнительный анализ условий образования мочевых, зубных, слюнных и желчных камней; обсуждаются основные особенности патогенного минералообразования в организме человека

Заключение Диссертация по теме "Минералогия, кристаллография", Голованова, Ольга Александровна

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложен и отработан комплексный подход к исследованию патогенного ми-нералообразования в организме человека, включающий детальное изучение оргапо-минеральных агрегатов (почечных, желчных, зубных и слюнных камней), соответствующих камнеобразующих сред, а также широкое применение методов теоретического и экспериментального моделирования в прототипах биологических жидкостейГ

Разработаны методики экстракционного разделения минеральной и органической составляющих органоминеральных композитов любой природы. Использованный подход позволил установить: зависимость содержания неводорастворимых и водорастворимых органических веществ с пептидной связью в почечных камнях от минерального состава камня; присутствие во всех образцах желчных камней в незначительных количествах различных модификаций карбоната кальция (кальцит, фагерит, арагонит).

Подобраны взаимодополняющие методы и адаптированы для изучения патогенных агрегатов из организма человека (химические, микроскопические, рентгендифракци-онные, спектроскопические).

Применена термодинамическая расчетная модель фазообразования малораствори-. мых соединений (аналогов минералов почечных, зубных и слюнных камней) в прототипах биологических жидкостей.

Показано, возможность использования математической модели, основанной на уравнение Фоккера-Планка, для прогнозирования кинетики нуклеации малорастворимых соединений (аналогов минералов почечных, зубных и слюнных камней) в прототипах биологических жидкостей.

Усовершенствованы методы синтеза основных минералов почечных камней (уе-веллита, апатита и струвита).

Предложен новый способ выявления патологий в полости рта у «компьютерщиков» на основе особенностей кристаллизации слюны.

2. С использованием широкого комплекса современных физико-химических методов' проведено исследование представительной коллекции органо-минеральных агрегатов из организма человека (почечных, зубных, слюнных и желчных камней). Получены новые данные по морфологии фазовому и химическому составу, а также онтогении камней.

Выявлено, что большинство минералов почечных, зубных и слюнных камней (ок-салаты, фосфаты) характеризуются нестехиометрическим переменным составом. Диапазон изменений химических составов патогенных апатитов больше, чем физиогенных, а апатитов почечных камней больше, чем зубных и слюнных камней.

Для почечных, слюнных и зубных камней установлены различия в аминокислотном составе. В почечных камнях присутствует больше пролина, в зубных - аланина, а в слюнных аргинина. Показано, что в фосфатных органоминеральных агрегатах аминокислот больше, чем в других (оксалатных, уратных); в слюнных камнях аминокислот больше, чем в зубных. Сделано предположение о более активном участии глутаминовой кислоты и лизина, а также белков с их высоким содержанием в процессе образования фосфатных агрегатов по сравнению с другими аминокислотами. Показано, что содержание аминокислот в камнях всегда выше, чем в камнеобразующих биологических жидкостях (моча, слюна).

В почечных камнях в ассоциации с кварцем обнаружен ранее не встречавшийся силикат кальция СазЭЮз - минерал хатрурит. Обнаружено систематическое присутствие примеси апатита в оксалатных и струвитных камнях, что указывает на особую роль этого минерала при образовании почечных агрегатов. Для почечных камней впервые установлены основные типы распределения органической компоненты по объему камня и дана их классификация. Показано, что содержание водорастворимых и водонерастворимых органических веществ с пептидной связью зависит от минерального состава камня, и установлено селективное соответствие минерального состава почечных камней набору присутствующих в них аминокислот. Выявлены связи между микроэлементным и фазовым составом камней, на основании которых сделано предположение об изоморфных или другие формах вхождения примесей. Максимальное число микроэлементов (Р, К, Б г, Тп, Ва, Ъх-, БЬ, Шэ) тяготеет к фосфатной группе вследствие их изоморфного вхождения в кристаллическую структуру апатита. В почечных камнях жителей Омского региона обнаружено завышенное содержание ряда элементов (Бе, Ъа., Си, Аэ и особенно I, РЬ); установлены значимые корреляции между содержанием отдельных элементов и аминокислот; выявлены связи между составом питьевой воды и уровнем заболеваемости мочекаменной болезнью.

В желчных камнях выявлено широкое распространение различных, в том числе ме-тастабильных модификаций карбоната кальция (кальцита, фатерита, арагонита, с преобладанием фатерита) которые в незначительных количествах присутствуют во всех исследованных образцах.

Показано, что кальций является доминирующим элементом желчных камней, а различное содержание и распределение других элементов (Мп, Бе, Си, Н§) зависит от окружающей среды и является особенностью Омского региона.

Закономерности образования патогенных агрегатов, минеральная компонента которых состоит из органических (оксалатные и образованных мочевой кислотой - уролиты; холестериновые - холелиты) и неорганических соединений (фосфатные -уролиты, денто-, литы и саливолиты), различны. Для первой группы камней характерно сферолитовое строение, позволяющее предположить прямую кристаллизацию из пересыщенных растворов. Зернистое и скрытокристаллическое строение, характерное для фосфатных камней и их слоистая структура, указывают на осаждение вещества (седиментацию). Характерные для уролитов камни смешанного типа, имеющие слоистое строение, в котором встречаются и зернистые и сферолитовые агрегаты образуются в наиболее неравновесных условиях путем чередования кристаллизации и седиментации.

3. Проведено исследование параметров (химический состав, рН, вязкость и др.) камнеобразующих сред в организме человека (желчи, ротовой жидкости). Выявлены отличия состава патогенных камнеобразующих сред от находящихся в норме.

Показано, что содержание большинства элементов (Т\Га, Са, Р, К, М§), белковых соединений, триглицеридов, холестерина, желчных кислот, фосфолипидов и билирубина в патогенной желчи в несколько раз превышает их содержание в норме. Рассчитаны индексы литогенности желчи, подтвердившие, отклонение основных параметров камнеобра-зующей среды при желчнокаменной болезни

Выявлено достоверное различие между составами и свойствами слюны (по параметрам - рН, концентрация ионов калия, натрия и белка) здоровых людей и людей, страдающих слюнно-камненной болезнью. Показано достоверное различие состава слюны между людьми контрольной группы с группой людей, принимающих сердечные лекарственные препараты.

Установлены связи меэ/сду параметрами камнеобразующих сред и компонентами зуб% ньгх, слюнных, желчных и почечных камней.

Показано несоответствие ряда средних концентраций химических элементов и аминокислот в нормальной моче человека ряду средних массовых содержаний данных элементов и аминокислот в почечных камнях. Установлено повышеное содержание некоторых элементов (Бе, Zn, Си, Аэ и, особенно, I, РЬ) в почечных камнях, что связано с увеличением их концентрации в моче при образовании мочевых камней.

Получено соответствие ряда средних концентраций элементов в зубных камнях ряду средних концентраций данных элементов в ротовой жидкости.

Показано значительное увеличение общего содержания аминокислот в слюнных, зубных камнях по сравнению с ротовой жидкостью, причиной которого является комплексообразование с ионами тяжелых металлов, способствующее образованию зубных отложений.

Установлено, что содержание кальция в желчных камнях в 18 раз больше, чем в желчи, железа в 3 раза, меди в 5 раз, марганца в 42 раза больше. Увеличение общего содержания белка в желчи по сравнению с желчными камнями, связано с возрастанием содержания в патогенной желчи таких азотсодержащих органических соединений, как би-, лирубин, фосфолипиды и аминокислоты. Сделано предположение о том, что увеличение органической компоненты в составе патогенной желчи может приводить к нарушению равновесия коллоидных структур нормальной желчи, что способствует образованию желчных камней.

4. На основе термодинамического расчета и экспериментального моделирования изучено фазообразование в прототипах биологических жидкостей в организме человека (моча, ротовая жидкость).

Рассчитаны индексы пересыщения и диаграммы устойчивости основных патогенных минералов почечных, зубных и слюнных камней.

Показано, что в моче человека образование патогенных агрегатов может происходить в широком диапазоне рН: мочевой кислоты (рН -4,5 - 5,5), оксалатов кальция (рН =4,5 - 6,4), апатита (рН = 6,4-8,0), брушита (рН =6,0 -7,5), струвита (рН =7,5 -8,0). В ротовой жидкости человека в более узком диапазоне рН (5-7) возможно образование различных фосфатов кальция (монетита; брушита; октакальция фосфата; витлокита; гидро-ксилапатита; фторапатита) и кальцита.

Результаты экспериментального моделирования подтверждают данные по термот динамическому фазообразованию почечных, зубных и слюнных камней. Установлено, что рН раствора являться одним из основных факторов, контролирующих образование кристаллических фаз почечных, зубных и слюнных камней. Варьирование начальных концентраций компонентов раствора при экспериментальном моделировании, в диапазоне значений, характерных для биологических жидкостей, приводит в основном к количественным, изменениям фазового состава осадка.

Сравнение результатов теоретического и экспериментального моделирования показало, что наиболее стабилен из патогенных агрегатов апатит, образование которого возможно в широком диапазоне рН и концентраций камнеобразующих компонентов. Образование остальных фаз и контролируется в большей степени кинетическими факторами. Этот результат объясняет широкое распространение апатита в составе патогенных агрегатов в организме человека.

С помощью термодинамического расчета показана невозможность образования микроэлементами мочи (Ре, А1, Zn, Б г, И, Си) малорастворимых соединений с основными анионами раствора в присутствии много раз большей концентрации ионов кальция.

5. На основе математического и экспериментального моделирования изучена кристаллизация основных патогенных фаз в организме человека

С помощью математической модели, основанной на уравнении Фоккера-Планка, проведена оценка параметров нуклеации (спад пересыщения, плотность распределения кристаллов по размерам малорастворимых соединений и др.). Путем моделирования работы почки (опорожнение и наполнение) установлено, что увеличение среднего размера кристаллита пропорционально квадратному корню от числа итераций эксперимента.

В условиях эксперимента выявлено избирательное влияние неорганических (фосфат-, оксалат-, карбонат-анноны и катионы магния) и органических (аминокислоты) добавок на кристаллизацию основных фаз почечных камней (уевеллита и гидроксилапати-та).

Доказано, что аминокислоты оказывают ингибирующее действие на рост кристаллов оксалатов и фосфатов кальция, обусловленное их адсорбционным взаимодействием с поверхностью растущего кристалла. Кинетические характеристики процесса кристаллизации зависят как от концентрации, так и от природы аминокислоты.

Выявлено, что характер взаимодействия аминокислот (глицина, лизина, глутами-новой и аспарагиновой кислоты) с апатитом зависит от нестехиометричесности его состав ва. Ингибирование аминокислотами роста и агрегации кристаллов гидроксилапатита уменьшается с увеличением ионной силы раствора. Ингибирующее действие аминокислот на уэвеллит сильнее, чем на гидроксилапатит.

Установлено, что ионы магния при концентрации, соответствующей физиологическому раствору (моча), и повышение концентрации фонового электролита оказывают ин-гибирующий эффект на кристаллизацию уевеллита. Ингибирующий эффект ионов-магния больше чем других добавок (аминокислоты, фоновый электролит).

Показана особая роль гидроксилапатита при образовании почечных камней. Установлено, что присутствие в растворе кристаллов гидроксилапатита инициирует процесс кристаллизации оксалата кальция.

6. На основе оригинальных и литературных данных проанализированы основные закономерности патогенного минералообразования в организме человека:

• различия параметров патогенных камнеобразующих сред и находящихся в норме;

• изменение состава биологических жидкостей в процессе камнеобразования; роль биокосных взаимодействий; эндогенные факторы фазообразования (рН, ионная сила, состав раствора биологи» ческих жидкостей), ключевая роль рН; роль кинетических факторов в патогенном минералообразовании; закономерности кристаллизации основных фаз почечных камней, протекающей при активном участии аминокислот, а также ряда неорганических примесей; связь микроэлементного состава почечных, зубных, слюнных и желчных камней с техногенными изменениями окружающей среды Омского региона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные результаты и накопленные по данной проблеме знания позволяют обобщить основные закономерности патогенного минералообразования в организме человека при формировании почечных, слюнных, зубных и желчных камней.

Процессы образования патогенных органоминеральных агрегатов в организме человека протекают в сложных многокомпонентных средах, содержащих органические и неорганические компоненты. Нами выявлены характеристики патогенных камнеобра-зующих сред отличающиеся от находящихся в норме. Содержание большинства элементов (ТчГа, Са, Р, К, М&), белковых соединений, холестерина, желчных кислот и фосфоли-пидов в патогенной желчи в несколько раз превышает их содержание в норме. Для слюны выявлено повышение содержания натрия, калия, железа, меди и цинка, понижение белка и неорганического фосфора, а также расширение диапазона рН. Поэтому увеличение органической компоненты в составе патогенной желчи и уменьшение её в составе смешанной слюны способствует нарушению равновесия коллоидных структур нормальной желчи и слюны, что и приводит к образованию камней.

Состав биологической жидкости в процессе камнеобразования претерпевает существенные изменения. Об этом свидетельствует, в первую очередь, неоднородное распре^ деление минеральных и белковой компонент агрегатов и вариации их фазового и элементного состава в пределах камня. В процессе работы было выявлено, что монофазных почечных и желчных камней практически не существует. Кроме того, нам удалось показать, что большинство минералов почечных, зубных и слюнных камней (оксалаты, фосфаты) характеризуются нестехиометрическим составом, часто меняющемся в пределах камня. Диапазон изменений химического состава патогенного апатита (в почечных камнях больше, чем в слюнных и зубных) шире, чем физиогенного (в зубах и костях), что также характеризует широкие вариации условий патогенного минералообразования. То, что состав мочи изменяется в более широком диапазоне, чем слюны и желчи, также отражается на разнообразии фазового и элементного состава камней: в составе уролитов к настоящему времени обнаружено 29 минералов и 40 элементов, желчных - 17 и 36, зубных и слюнных -11 и 15, соответственно.

Роль биокосных взаимодействий при патогенном минералообразовании в организме человека проявляется в тесных связях между минеральной и органической компонентой камней, а также камней и сред их образования. Нами установлено, что в мочевых камнях содержание неводорастворимых и водорастворимых органических веществ с пептидной связью зависит от их минерального состава; выявлено селективное соответствие минерального состава набору присутствующих аминокислот. В слюнных и зубных камнях обнаружено значительное увеличение общего содержания аминокислот по сравнению с ротовой жидкостью, причиной которого является комплексообразование с ионами тяжелых металлов, способствующее образованию зубных отложений. В холелитах выявлено уменьшение общего содержания белка по сравнению с желчью, связанное с возрастанием в патогенной желчи содержания таких азотсодержащих органических соединений, как билирубин, фосфолипиды и аминокислоты.

Одним из основных факторов патогенного фазообразования в организме человека является рН среды. Влияние ионной силы и концентраций компонентов раствора менее значительно. Результаты термодинамических расчетов показали, что в моче человека образование фаз может происходить в широком диапазоне рН: мочевой кислоты (рН =4,5 -5,5), оксалатов кальция (рН =4,5 - 6,4), апатита (рН = 6,4-8,0), брушита (рН =6,0 -7,5), струвита (рН =7,5 -8,0). В ротовой жидкости человека различные фосфаты кальция (моне-тит; брушит; октакальция фосфат; витлокит; апатит), а также кальцит могут образовываться в более узком диапазоне рН (5-7). Результаты экспериментов в прототипах биологических жидкостей (моча, слюна) показали, что варьирование начальных концентраций компонентов раствора приводит, в основном, к количественным, а не качественным изменениям состава осадка. Присутствие в растворе аминокислот не влияет на образование основных фаз почечных камней (уэвеллита и гидроксилапатита). Наличие органических и неорганических примесей (оксалат-, карбонат-анионы и катионы магния) препятствует; образованию гидроксилапатита.

Фазообразование в моче и ротовой жидкости человека на начальных стадиях характеризуется образованием термодинамически менее стабильных фаз, то есть контролируется кинетическими факторами. Наиболее стабильной патогенной фазой является апатит, образование которого возможно в широком диапазоне рН и концентраций камнеоб-разующих компонентов. На это указывают: термодинамические расчеты, результаты экспериментов в прототипах биологических жидкостей и широчайшее распространение апатита в составе патогенных агрегатов.

Кристаллизация основных фаз почечных камней протекает при активном участии аминокислот, а также ряда неорганических примесей. Экспериментально установлено, что аминокислоты оказывают ингибирующее действие на рост кристаллов оксалатов и фосфатов кальция, обусловленное их адсорбционным взаимодействием с поверхностью растущего кристалла. Кинетические характеристики этого процесса зависят как от концентрации аминокислоты, так и от её природы. Кроме того, выявлено, что характер взаимодействия аминокислоты (глицина, лизина, глутаминовой и аспарагиновой кислоты) с апатитом зависит от нестехиометричности его состава, а ингибирование аминокислотами роста и агрегации кристаллов гидроксилапатита уменьшается с увеличением ионной силы раствора. Ионы магния при концентрации, соответствующей физиологическому раствору (моча), и повышение концентрации фонового электролита оказывают ингибирующий эффект на кристаллизацию уэвеллита. Ингибирующий эффект иопов-магния больше, чем других добавок (аминокислоты, фоновый электролит). Присутствие в растворе кристаллов гидроксилапатита инициирует процесс кристаллизации одноводного оксалата кальция, что позволяет предположить, что кристаллы гидроксилапатита могут выступать в качестве зародышей гетерогенной нуклеации уэвеллита.

Механизмы образования патогенных агрегатов, минеральная компонента которых состоит из органических (оксалатные и образованных мочевой кислотой - уролиты; холестериновые - холелиты) и неорганических соединений (фосфатные уролиты, дентолиты и саливолиты), различны. Для первой группы камней характерно сферолитовое строение, позволяющее предположить прямую кристаллизацию из пересыщенных растворов. Зернистое, скрытокристаллическое строение и слоистая текстура, характерная для фосфатных камней, указывает на осаждение вещества (седиментацию). Характерные для уролитов камни смешанного типа образуются в наиболее неравновесных условиях путем чередования кристаллизации и седиментации.

Распространение патогенных агрегатов как в отдельных регионах, так и внутри одного региона имеет локально-региональные особенности, что обусловлено совместным действием экзогенных факторов, среди которых загрязнение окружающей среды, химические особенности питьевой воды и др. На примере Омского региона показано, что микро-? элементный состав почечных, зубных, слюнных и желчных связан с техногенными изменениями окружающей среды.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора геолого-минералогических наук, Голованова, Ольга Александровна, Санкт-Петербург

1. Авцын А.П., Жаворонков A.A., Риги А., Строчкова JI.C. Микроэлементозы человека. М.: Медицина, 1991.

2. Айзин С.М., Жеребович A.C., Фомин В.А. Метод исследования и моделирования процессов растворения и роста кристаллов // ТОХТ. 1982. Т. 16. № 5. С. 619-630.

3. Алексеев В.Н. Количественный анализ. М.: Химия, 1974. 503 с.

4. Аляев Ю.Г., Белоусов С.Р., Букин В.И и др. Комплексное изучение мочевых камней // Журнал неорганической химии. 2002. Т. 47. № 3. С. А56-Л6А.

5. Асхабов A.M. Кристаллогенезис и эволюция системы «кристалл-среда». СПб.: Наука, 1993. 154 с.

6. Афанасьев В., Абдусаламова М. Слюннокаменная болезнь // Медицинская газета (Электронная версия). 2003. № 53.

7. Бареева P.C., Яфясов A.M., Черняков Г.М. Использование миллиметрового излучения сверхслабой интенсивности для исследования камнеобразующих свойств мочи человека // Вестник СПбГУ. 2003. Сер 4. Вып. 3. С. 89-92.

8. Барское КС. Биоминерализация и эволюция. Коэволюция минерального и биологического миров // Происхождение и эволюция биосферы: Материалы МеждународноVго рабочего совещания. Новосибирск, 2005. С. 71-72.

9. Барышев А.Б., Иванова Т.Н., Франк-Каменецкая О. В. и др. Изучение апатита бедренных костей детей. Сыкгывкар: Минералогия и жизнь, 2000. С. 65-67.

10. Белеванцев В.И. Постановка и описание исследований сложных равновесий в растворах: Учебное пособие. Новосибирск: НГУ, 1987. 80 с.

11. Белеванцев В.И. Термодинамические характеристики химических форм и детальных компонентов // Физическая химия. 2002. Т. 46. № 4. С. 608-614.

12. Вельская JI.B., Голованова O.A., Ломиашвили Л.М., Борисенко М.А. Влияние ряда факторов на состав и структурные свойства ротовой жидкости // Вестник Омского университета. 2006. № 1. С. 33-35.

13. Вельская Л.В., Голованова O.A., Блинов В.И., Савченко Р.К., Франк-Каменецкая О.В., Ельников В.Ю. Особенности фазового состава и кристаллической структуры зубных и слюнных камней // Вестник Омского университета. 2006. № 2. С. 56-58.

14. Вельская Л.В., Голованова O.A., Пятанова П.А. Роль аминокислот в процессе образования зубных и почечных отложений // Минералогия техногенеза- 2006: Материалы семинара. Миасс, 2006. С. 175-182.

15. Берлинер Л.Б., Мелихов КВ. Метод определения кинетических параметров периодической кристаллизации // ТОХТ. 1985. Т.19. № 1. С. 24-34.

16. Билобров В.М. Нормальная и патологическая минерализация в организме человека // Биоминералогия-92: Тезисы Первой Межгосударственной конференции. Сыктывкар/ 1992. С. 34.

17. Билобров В.М., Богдан Н.М. Особенности нормальных и патологических биоминералов // Минералогия и жизнь: Материалы к межгосударственному минералогическому семинару. Сыктывкар, 1993. С. 52-54.

18. Билобров В.М., Миронов О.Л. Биохимический состав и структура матрицы почечных камней. Донецк, 1987. 43 с.

19. Биохимия / Под ред. Е.С. Северина. М.: ГЭОТАР Мед., 2003. 356 с.

20. Бицадзе A.B. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1976. 184 с.

21. Борбат В.Ф., Голованова O.A., Пятанова П.А и др. Патогенное биоминералообразо-вание в организме человека // Материалы I Российского совещания по органической минералогии. СПб., 2002. С. 61-62.

22. Борбат В.Ф., Голованова O.A., Пятанова П.А. и др. Использование физических методов исследования для диагностики, прогнозирования рецидивов и принципов лечения мочекаменной болезни // Омский научный вестник. Омск, 2001. Вып. 14. С. 152-155.

23. Борбат В.Ф., Голованова O.A., Пятанова П.А. Особенности минералообразования камней мочевой системы жителей Омской области // Минералогия техногенеза — 2001: Материалы семинара. Миасс: ИМин УрО РАН, 2001. С. 99-116.

24. Борбат В. Ф., Голованова O.A., Пятанова П.А. Разработка методики изучения состава мочевых камней инфракрасной спектроскопией // Молодые ученые на рубеже третьего тысячелетия: Материалы научной молодежной конференции. Омск, 2001. С. 156-158.

25. Борбат В.Ф., Голованова O.A., Пятанова П.А. Расчет возможности образования малорастворимых соединений, входящих в состав почечных камней // Минералогия техногенеза-2003: Материалы семинара. Миасс, 2003. С. 125—131.

26. Борбат В.Ф., Голованова O.A., Пятанова П.А. Рентгенофазовый метод изучения патогенных биоминералов в организме человека // Кристаллогенезис и минералогия: Материалы международной конференции. СПб., 2001. С. 54-55.

27. Борбат В.Ф., Голованова O.A., Пятанова П.А. Экзогенные факторы в развитии уро-литиаза//Уральский геологический журнал. 2002. № 4 (28). С. 245-250.

28. Борбат В.Ф., Голованова O.A., Пятанова П.А., Россеева Е.В. Способ определения микроколичеств белковых соединений в почечных камнях. Патент № 2238549. Решение о выдаче патента на изобретение заявка № 2003104252/15(004438) от: 12.02.2003.

29. Борбат В.Ф., Голованова O.A., Пятанова П.А. Состав питьевой воды как причина минералообразования в организме человека // Кристаллогенезис и минералогия: Материалы международной конференции. СПб., 2001. С. 52-53.

30. Боржневский И.К., Козий А.Т. Химический состав и структура мочевых камней у жителей Львовской области // Врачебное дело. 1979. № 1. С. 70-72.

31. Борисова-Хроменко В.М., Березин Ю.В., Малетин А.Г. и др. Значение изменений структуры мукополисахаридов для патогенеза и диагностики нефролитиаза // Урология и нефрология. 1981. № 1. С. 18-20.37.40.43,44,45,46,47

Информация о работе

Голованова, Ольга Александровна
доктора геолого-минералогических наук
Санкт-Петербург, 2008
ВАК 25.00.05

Диссертация

Биоминералогия мочевых, желчных, зубных и слюнных камней из организма человека - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы