CC BY
98
УДК 539.32: 539.32616.62:548.23:089.615:
В.В. Поляков, А.И. Неймарк, Г.Г. Устинов, Е.В. Петрухно Исследование элементного состава различных видов биоминеральных образований в организме человека
Ключевые слова: растровая электронная микроскопия, концентрация, элементный состав, желчные камни, мочевые камни, слюнные камни, простат-ные камни.
Key words: raster electronic microscope, the concentration, element composition, gallstones, sialoliths, urinary and prostate stones.
В организме человека вследствие различных причин могут формироваться органоминеральные образования, вызывающие серьезные заболевания и патологии [1, 2]. К наиболее распространенным образованиям относятся мочевые, желчные и слюнные камни, в последние годы благодаря новым данным к ним добавились простатные камни. В связи с высокой распространенностью этих заболеваний разработка новых способов лечения и диагностики стала одной из наиболее актуальных задач современной медицины. Решение этой задачи основывается на знании состава и структуры камней, поскольку именно состав и структура определяют результаты механического или химического воздействия [3].
Элементный и фазовый состав камней (прежде всего мочевых и желчных) достаточно подробно исследовался рентгеновскими и электронно-микроскопическими методами [4-6]. В то же время исследования структуры, проводившиеся с помощью оптической и электронной микроскопии, позволили выявить сложное строение биоминераль-ных агрегатов. Эти агрегаты часто состоят из структурных элементов различного масштаба (макро-, мезо- или микроскопических) и представляют из себя концентрические слои, лучистые фрагменты, пластины, ядра различной формы и т.д., разделенные сложными границами раздела. Существенно, что структурные элементы и границы раздела одного и того же камня могут значительно отличаться по своим физико-механическим свойствам [7], что в значительной степени определяет особенности разрушения камня при внешнем воздействии. Такая специфика строения требует исследования элементного состава не только камня в целом, но и отдельных его областей и участков. Настоящая работа посвящена микроанализу распределения химических элементов в мочевых, желчных, слюнных и простатных камнях.
Для определения химического состава использовался растровый электронный микроскоп Philips SEM 515. Применялась методика, позволявшая определять элементный состав по измерявшимся значениям потерь энергии электронов при рассеянии. Такие потери обусловлены возбуждением рентге-
новского излучения или выбиванием вторичных электронов в области, через которую проходит электронный пучок. Результаты измерений имели характерный вид серии пиков, по расположению которых определялись присутствовавшие в образце химические элементы, а по величине пиков - их относительные массовые концентрации.
При проведении исследований образцы подготавливались следующим образом. Из камней, предварительно закреплявшихся в эпоксидной смоле, изготавливались шлифы. Затем из каждого шлифа вырезались фрагменты размером не более 20*20*20 мм с плоской поверхностью для измерения. Эти фрагменты помещались в вакуумную камеру электронного микроскопа. Измерения проводились вдоль наиболее информативной секущей шлифа, пересекавшей ядро камня, различные структурные элементы и граничные области. Шаг измерений задавался постоянным и в зависимости от размера образца составлял от 250 до 800 мкм. Получаемые для одного измерения данные соответствовали области размером 10х10 мкм на поверхности шлифа. Погрешность определения концентраций (рассчитывавшаяся автоматически) составляла не более 5,5%. На рисунке 1 приведены типичные распределения пиков для одного измерения в образцах, изготовленных из камней всех исследовавшихся видов. (Поскольку основной вклад в биоминеральные образования давал углерод, характеризовавшийся наибольшими пиками, для лучшей иллюстрации наличия других элементов эти пики на рисунке обрезаны).
Желчные камни. Желчные камни по своему строению обычно представляют собой комбинацию различных структурных элементов (ядер, концентров, радиально-лучистых срастаний, однородной аморфной массы, полостей и т.д.) [8]. Для отдельных видов желчных камней характерно зональное строение, при котором можно выделить такие структурные элементы, как ядро или несколько ядер, окружающие ядра слои, внешняя граничная область. В случае такого вида желчных камней, а также для мочевых камней (рассматриваемых ниже) под ядром понимается часть камня, представленная либо сгустком органического вещества, либо скоплением кристаллов. Под слоем понимается участок камня, однородный по составу и имеющий четкие границы. Формирование слоев происходит обычно на поверхности ядра вследствие отложения минеральных или органических веществ.
В состав желчных камней входят холестерин, пигменты, известь. В камнях при электронной микроскопии выделялись различные морфологические формы холестерина, при этом различия в степени
“ар
Са
0.40
а м 1.м і
“ 2.00
2.« 2М 121
3.60 4.00 4" кеУ
Рис. 1. Элементный состав биоминеральных образований: а - желчный камень; б - мочевой камень; в - слюнной камень; г - простатный камень
кристалличности указывали на процесс перекристаллизации аморфного холестерина. Среди неорганических веществ наиболее распространенными являются соли кальция (карбонаты и фосфаты). Состав ядер включает белок, фосфат, карбонат, билирубинат кальция, черный пигмент и другие соединения.
На рисунке 2 приведены типичные результаты измерений для одного из исследовавшихся желчных камней. Основной вклад в элементный состав (доходящий в совокупности до 90%), как видно из рисунка 2а, вносят углерод, кальций и кислород; меньший вклад (до нескольких процентов каждый) образуется фосфором и азотом; концентрации остальных выявленных элементов - натрия, магния, серы, хлора - не превышают одного процента для каждого из элементов.
Исследовавшийся фрагмент шлифа приведен на рисунке 2б. На шлифе отчетливо выделялись такие структурные элементы, как ядро, концентрически окружающая его центральная часть и граничная область. В области ядра характерно слабое изменение концентраций химических элементов с почти постоянными значениями для натрия, магния, серы и хлора и близкими по величине вкладами углерода, кальция и кислорода. Зона между ядром и граничным слоем характеризуется скачкообразным увеличением концентраций кислорода (достигающей 50%) и азота, резким (до нескольких процентов), уменьшением доли кальция при относительно слабых колебаниях вдоль шлифа концентрации углерода, значительными скачками концентраций фосфора, магния, хлора. В области границы концентрации
О 5 10
А, шш
б
Рис. 2. Распределение концентраций химических элементов в желчном камне:
а) 1 - углерод, 2 - кислород, 3 - кальций, 4 - фосфор, 5 - натрий,
6 - азот, 7 - магний, 8 - сера, 9 - хлор; б) шлиф камня
кальция и кислорода приближаются к значениям, имевшим место для ядра, доля азота падает до пренебрежимо малой, а фосфора - в несколько раз возрастает.
Очевидно, что выявленные для шлифа закономерности повторяют распределение концентраций элементов по объему камня и отражают специфические изменения в его химическом составе.
Мочевые камни. По химическому составу камни мочевыводящей системы обычно делят на три группы: ураты, оксалаты и фосфаты, в то же время
значительная часть камней не укладывается в эту классификацию и относится к смешанному типу. Ураты состоят из солей мочевой кислоты (натриевой, кальциевой, калиевой, магнезиальной), оксала-ты - из солей щавелевой кислоты в виде кристаллов щавелекислого кальция, фосфаты формируются из солей фосфорной кислоты (чаще всего кальция и калия). Для мочевых камней распространено зональное строение с концентрическими слоями, симметрично окружающими ядро, или со структурными элементами, имеющими радиальную лучевую сим-
метрию [7]. Границей между слоями минерального вещества считается слой органического вещества.
На рисунке 3 представлены типичные результаты измерений для одного из мочевых камней. Основной вклад в элементный состав, как видно из рисунка 3а, вносит углерод, концентрации которого изменяются в интервале от 75 до 90%. Достаточно значительны вклады кислорода, достигающие от 6 до 12%, и кальция (несколько процентов). Кон-
центрации выявленных натрия и фосфора незначительны (менее 1%).
Шлиф камня отличается радиальным строением с лучевыми элементами, исходящими из ядра, расположенного в центре камня, к обширной граничной области (рис. 3б). Интересно, что, несмотря на различное происхождение мочевого и желчного камней, концентрации элементов в области ядра (рис. 3б) остаются практически постоянными (см. рис. 2б).
Рис. 3. Распределение концентраций химических элементов в мочевом камне: а) 1 - углерод, 2 - кислород, 3 - кальций, 4 - натрий, 5 - фосфор; б) шлиф камня.
В зоне ядра простатного камня несколько снижены концентрации углерода и фосфора, повышен вклад кальция, а также натрия и хлора.
Для области вне ядра характерны значительные колебания концентраций всех элементов, при этом концентрации углерода в среднем уменьшаются, а кальция увеличиваются, достигая 10% возле внешней поверхности.
Слюнные камни. К числу менее изученных био-минеральных образований относятся камни, возникающие в слюнных железах и протоках [9]. Возникновение этих камней, по-видимому, связано с нарушением минерального обмена в организме. Исходное ядро может быть образовано отторгнутыми клеточными элементами, инкрустированными известковы-
ми солями, выпадающими из слюны. В своем составе слюнные камни имеют органические и минеральные вещества, минеральные компоненты - фосфат, карбонат кальция, фосфат магнезии, органическая основа камня представлена протеинами. На шлифе обычно обнаруживается слоистое строение, иногда в центре камня находится инородное тело, вокруг которого происходит отложение солей.
На рисунке 4 приведены типичные для слюнного камня данные. В этом случае, согласно рисунку 4а, основной вклад в элементный состав дают кальций (от 20 до 50%), кислород (от 20 до 40%),
Рис. 4. Распределение концентраций химических элементов в слюнном камне: а) 1 - кислород, 2 - кальций, 3 - углерод, 4 - фосфор, 5 - магний, 6 - калий; б) шлиф камня
углерод и фосфор (в среднем по 10-20%). Довольно значителен вклад магния (до 5%), концентрация обнаруженного в камне калия менее 1%.
Как показывает приведенное на рисунке 4б изображение шлифа, слюнный камень отличается достаточно однородной слоистой структурой с небольшими включениями и полостями, без разделения на слои или зоны, описанные выше для желчных и мочевых камней. Из рисунка 4 следует, что распределение концентраций кальция вдоль шлифа, несмотря на достаточно высокую однородность структуры, претерпевает значительные колебания (изменяясь в 2-3 раза). Такое же поведение характерно для магния и углерода, в несколько меньшей степени - для кислорода, концентрации фосфора и калия в основном изменяются слабо. Для участков однородного вещества, расположенных между полостями наблюдается спад концентраций углерода, фосфора и магния и рост вклада кислорода.
Простатные камни. Простатные камни относятся к числу наименее исследованных. Внимание к ним существенно возросло в последние годы, так как в связи с развитием новых методов диагностики (прежде всего ультразвуковой) эти камни были выявлены у значительного числа пациентов. Простатные камни в большинстве случаев миллиметрового размера [10]. Их можно разделить по происхождению на первичные, образующиеся непосредственно в простате, и более часто встречающиеся вторичные, возникающие из кристаллов солей, попавших в протоки железы. Соответственно этому камни простаты по химическому составу наиболее часто являются фосфатами или оксалатами кальция в соединении с органическими веществами. По структуре простатные камни обычно представляют из себя одно или несколько ядер, окруженных концентрическими слоями.
На рисунке 5 приведены типичные результаты для одного из исследовавшихся простатных камней.
й, тт
а
0 12
с1, тт
б
Рис. 5. Распределение концентраций химических элементов в простатном камне: а) 1 - углерод, 2 - кислород, 3 - фосфор, 4 - кальций, 5 - натрий, 6 - магний, 7 - хлор;
б) шлиф камня
Набор выявленных элементов близок к случаю мочевого камня, однако их концентрации имеют существенно иные значения. Именно углерод и кислород представлены близкими значениями концентраций (25-35%), аналогично близкие вклады дают кальций и фосфор (по 15-20%). Вклады магния, натрия и хлора малы и не превышают нескольких процентов.
На шлифе простатного камня отчетливо выделялись ядро и концентрически окружающий его слои без четко выделенных границ, а также без выраженной внешней области (рис. 2б). В зоне ядра простат-ного камня несколько снижены концентрации углерода и фосфора, повышен вклад кальция, а также натрия и хлора. Вблизи с внешними участками не-
значительно повышается вклад кальция и наблюдается быстрый спад концентраций магния и хлора.
Полученные в работе данные дали возможность провести сопоставление распределений химических элементов для камней различного происхождения. Все изученные распределения концентраций элементов вдоль поверхности шлифов, отражающие их объемное распределение в органоминеральных агрегатах, отличаются весьма существенной неоднородностью. Результаты проведенных измерений позволили впервые количественно описать изменения элементного состава в объеме биоминеральных образований. Эти результаты должны учитываться при прогнозировании поведения камней при внешнем воздействии, они также могут быть использованы при разработке новых методов диагностики и лечения.
Библиографический список
1. Устинов, Г.Г. Желчнокаменная болезнь. Патогенез, диагностика, лечение / Г.Г. Устинов, Я.Н. Шойхет. - Барнаул, 1997.
2. Rogers, A. Human stones / A. Rogers, M. Spector. -Endeavour. - 1981. - №3.
3. Полиенко, А.К. Онтогения уролитов / А.К. Полиен-ко, Г.В. Шубин, В.А. Ермолаев. - Томск, 1997.
4. Голованова, О. А. Спектральный анализ микроэле-ментного состава почечных камней / О.А. Голованова // Журнал прикладной спектроскопии. - 2006. - №3.
5. Домород, А. А. Некоторые микроструктурные особенности глобулярного вещества желчных камней по данным сканирующей электронной микроскопии / А.А. Домород, Ю.Х. Мороховский // Материалы IV Всесоюзного съезда гастроэнтерологов. - М.; Л., 1990.
6. Анчаров, А.И. Анализ фазового состояния почечных камней в модельных объектах с использованием ди-
фракции синхротронного излучения / А.И. Анчаров, А.И. Низовский, С.С. Потапов // Известия РАН. Сер. физическая. - 2007. - №5.
7. Поляков, В.В. Исследование прочностных свойств уролитов / В.В. Поляков, А.И. Неймарк, Н.А. Титаренко // Медицинская физика. - 2001. - №10.
8. Устинов, Г.Г. Исследование структуры желчных камней с помощью электронной сканирующей микроскопии / Г.Г. Устинов, В.В. Поляков, Е.В. Петрухно // Вестник АНЦ САН ВШ. - 2009. - №9.
9. Поляков, В.В. Исследование прочностных свойств слюнных камней / В.В. Поляков, Г.Г. Устинов, А.В. Фе-фелов, Г.А. Приймак, Е.В. Петрухно // Известия АлтГУ. -2005. - №1.
10. Газаматов, А.В. Особенности диагностики и лечения камней предстательной железы / А.В. Газаматов, А.И. Неймарк, В.В. Поляков, Н.А. Титаренко // Урология. - 2004. - №4.
