Динамика формирования фазового и элементного состава оксалатно-кальциевых конкрементов

Поскольку течение МКБ зачастую непредсказуемо, то информация о динамике формирования кристаллической структуры и элементного состава оксалатно-кальциевых конкрементов может быть полезна. В статье приведены данные подробного исследования состава почечных камней, удалённых у одного и того же пациента в марте 2002 г из правой почки и в декабре 2019 г из левой почки. Показана возможность комплекса современных взаимодополняющих аналитических методов для подробного исследования химического и фазового состава конкрементов.

Материалы и методы

Объекты исследования. Исследовали конкременты, удаленные у одного и того же пациента в марте 2002 г из правой почки (возраст пациента составлял 41 год) и в декабре 2019 г из левой почки (возраст 58 лет, этот камень был обнаружен в 2012 году). Для проведения анализов, камни растирали в агатовой ступке. Полученные порошки использовали для исследований методами рентгенофазового анализа (РФА), атомно-эмиссионной спектрометрии с двухструйной дуговой плазмой (ДДП-АЭС) и CHN/S анализа. Для проведения анализов методами масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) и атомно-адсорбционной спектрометрии (ИСП-АЭС), полученные растертые пробы камней растворяли в царской водке (смесь соляной и азотной кислот в пропорции 3HCl:1HNO₃). 

Методы исследования. Минеральный состав конкрементов исследовали методами: ИСП-МС с применением квадрупольного масс-спектрометра Agilent 8800 (Япония) с реакционно-столкновительной ячейкой для устранения спектральных наложений, с использованием в качестве реакционных газов кислорода и гелия [7, 8]; методом ИСП-АЭС на спектрометре ICAP 6500 фирмы Thermo Scientific с распылительной камерой циклонного типа и пневматическим распылителем типа SeaSpray, с регистрируемым диапазоном длин волн от 166 до 847 нм, с аксиальным способом регистрации аналитического сигнала [9,10]; методом ДДП-АЭС [11]. 

Органический состав исследовали методом CHN/S анализа на анализаторе Euro EA 3000 по оптимизированной методике [12] и методом ИК-спектроскопии на приборе FT-801 “СИМЕКС”. 

Фазовый состав устанавливали методом порошкового РФА на дифрактометре ДРОН-3М [13]. 

Результаты и обсуждение 

Фазовый состав почечных камней изучали методом рентгенофазового порошкового анализа. Камень 2002 (I) года представляет собой 75% вевеллита и 25 % ведделлита, камень 2019 года (II) представляет собой 100 % вевеллит. Обе фазы являются кристаллическими модификациями оксалата кальция, отличающиеся кристаллической структурой и содержанием кристаллизационной воды. Вевеллит – это кальция оксалат моногидрат CaC₂O₄⋅H₂O, а ведделлит – кальция оксалат дигидрат CaC₂O₄⋅2H₂O. Однако увеличение содержания кристаллизационной воды в I могло произойти при хранении камня в течение 18 лет при условиях окружающей среды. 

Минеральный состав исследовали взаимодополняющими спектральными методами анализа. Метод ИСП-МС с реакционно-столкновительной ячейкой позволяет наиболее точно определить содержание тяжелых элементов, а метод ИСП-АЭС с аксиальным способом регистрации сигнала – легкие элементы. Преимуществом же метода ДДП-АЭС является то, что он позволяет анализировать твердые объекты, исключая стадию растворения. Результаты анализов этих трех методов представлены в сводной таблице 1. Если в таблице не указано содержание элемента, то это значит, что данный элемент не определяли. 

Как видно в таблице 1, элементный состав I и II близок и представлен всеми эссенциальными и условно-эссенциальными элементами [14-18]. Минеральную основу обоих камней составляет кальций. Кроме того, в камнях содержатся токсичные элементы, которые зачастую имеют техногенный характер и попадают в организм через кожу, легкие или с пищей [17]. Есть мнение, что именно тяжелые элементы, такие как ртуть, кадмий и свинец являются центрами кристаллизации конкрементов [19]. Но здесь хочется отметить, что ртуть, кадмий, уран и торий в составе камней не обнаружены. Свинец содержится в обоих камнях в микроколичествах. Интересно, что в I содержится индий, а в камне II этот элемент отсутствует, при этом в период 2000-2002 годов пациент работал с веществами, которые содержали данный элемент. Так же в таблице показано присутствие бария в обоих камнях, что можно объяснить тем, что пациент постоянно контролирует состояние почек с контрастным веществом[А1]. Интересно, что барий не накапливается, а присутствует в постоянном количестве. 

Согласно данным РФА, широкий спектр элементов, представленный в таблице 1, не влияет на кристаллическую структуру конкрементов. Вероятно, это объясняется тем, что элементы захватывались в процессе роста и встраивались в структуру растущих кристаллов.

Органический состав камней изучали методом СHN/S. Результаты представлены в таблице 2.

Как видно в таблице 2, CHN/S состав камней незначительно отличается. В камне 2002 года содержится больше водорода, что согласуется с данными РФА о содержании 25% ведделлита. Содержание серы может быть вызвано присутствием в камнях белка в составе как собственных гормонов, так и бактерий. Присутствие азота может быть вызвано содержанием аминокислот [20, 21]. Для подтверждения этого предположения, использовали метод ИК-спектроскопии. ИК спектры образцов камней представлены на рисунке 1.

Как видно на рисунке 1, ИК спектры I (кривая 1) и II (кривая 2) идентичны, рельеф кривых абсолютно повторяется, имеются лишь незначительные различия интенсивностей полос поглощения. На спектрах наблюдаются полосы поглощения в области 1000-1200 см^-1. Эти полосы относят к поглощениям аминокислот [20]. Действительно, на ИК-спектре оксалата кальция, синтезированного в лаборатории, полосы поглощения в этой области отсутствуют [21]. Таким образом, оба спектра соответствуют оксалату кальция, сформированного в присутствии аминокислот. 

Заключение. Приведенные выше результаты подробного исследования фазового и химического состава оксалатно-кальциевых конкрементов, удаленных у одного и того же пациента в марте 2002 г из правой почки (возраст пациента составлял 41 год) и в декабре 2019 г из левой почки (возраст 58 лет, камень был обнаружен в 2012 году) свидетельствуют о том, что на протяжении жизни, в разных почках, у пациента формировались конкременты с постоянным фазовым и химическим составом. Конкременты представляют собой оксалат кальция, преимущественно структуры вевеллита. Конкременты содержат весь спектр эссенциальных и условно-эссенциальных элементов на уровне микропримесей. Состав и содержание токсичных элементов так же значительно не изменяется. Наличие микроколичеств азота и серы в составе камней свидетельствует присутствие аминокислот и белка в их структуре.

Авторы статьи: П.С. Плугин^1,2, Д.Ю. Троицкий³, А.И. Губанов³, А.Р. Цыганкова³, И.Б. Троицкая³, И.В. Феофилов².

¹Государственное бюджетное учреждение здравоохранения Новосибирской области Городская клиническая больница скорой медицинской помощи №2, г. Новосибирск, Россия. 

²Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Новосибирский области Государственный медицинский университет, Кафедра урологии, г. Новосибирск, Россия.

³Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск, Россия.

Список литературы

1. Просянников М.Ю., Голованов С.А., Константинова О.В., и др. Изучение проблемы мочекаменной болезни в НИИ урологии: история, настоящее и перспективы (Актовая речь заведующего отделом мочекаменной болезни 21.12.2018) // Экспериментальная и клиническая урология. ˗ 2019. ˗ № 1. ˗ С. 70˗76. [Golovanov SA, Konstantinova OV, Anohin NV, et al. Study of the urolithiasis problem in the Scientific Research Institute of Urology: history, present and prospects (Actual speech of the head of the Urolithiasis department 21.12.2018. Experimental & Clinical Urology. 2019;(1):70˗76. (In Russ.)] doi: 10.29188/2222-8543-2019-11-1-70-76. 

2. Просянников М.Ю., Анохин Н.В., Голованов С.А., и др. Встречаемость мочевых камней различного химического состава в зависимости от уровня урикурии // Урологические ведомости. ˗ 2020. ˗ Т. 10. ˗ № 2. ˗ С. 107-113. [Prosiannikov MYu, Anokhin NV, Golovanov SA, et al. Urine stones of different chemical composition occurrence depending on the level of uricuria. Urology reports (St. Petersburg). 2020;10(2):107-113. (In Russ.)]. 

3. Голованов С.А., Сивков А.В., Дрожжева В.В., Анохин Н.В. Метаболические факторы риска и формирование мочевых камней. Исследование I: влияние кальцийурии и урикурии // Экспериментальная и клиническая урология. ˗ 2017. ˗ № 1. ˗ С. 52˗57. [Golovanov SA, Sivkov AV, Drozhzheva VV, Anokhin NV. Metabolic risk factors and urinary stone formation. The first study: role of calciuria and uricuria. Experimental & Clinical Urology. 2017;(1):52˗57. (In Russ.)]. 

4. Голованов С.А., Сивков А.В., Дрожжева В.В., Анохин Н.В. Метаболические факторы риска и формирование мочевых камней. Исследование II: влияние фосфатурии и магнийурии // Экспериментальная и клиническая урология. ˗ 2017. ˗ № 2. ˗ С. 40 ˗ 46. [Golovanov SA, Sivkov AV, Drozhzheva VV, Anohin NV. Metabolic risk factors and urinary stone formation. Study II: the effect of phosphaturia and magnesiumuria. Experimental & Clinical Urology. 2017;(2):40˗46. (In Russ.)]. 

5. Голованов С.А., Сивков А.В., Поликарпова А.М., и др. Метаболические факторы риска и формирование мочевых камней. Исследование III: влияние pH мочи // Экспериментальная и клиническая урология. ˗ 2018. ˗ № 1. ˗ С. 84˗90. [Golovanov SA, Sivkov AV, Polikarpova AM et al. Metabolic risk factors and formation of urinary stones. Study III: Effect of urine pH. Experimental & Clinical Urology. 2018;(1):84˗90. (In Russ.)] DOI: Doi 10.29188/2222-8543-2018-9-1-84-90. 

6. Голованов С.А., Сивков А.В., Просянников М.Ю., Дрожжева В.В. Метаболические факторы риска и формирование мочевых камней. Исследование IV: Прогнозирование химического состава камня in vivo по метаболическим показателям // Экспериментальная и клиническая урология. ˗ 2018. ˗ № 4. ˗ C. 54˗63. [Golovanov SA, Sivkov AV, Prosyannikov MYu, Drozhzheva VV. Metabolic risk factors and urinary stone formation. Study IV: Prediction of the chemical composition of the stone in vivo according to metabolic parameters. Experimental & Clinical Urology. 2018;(4):54˗63. (In Russ.)]. 

7. Bortnikova S, Yurkevich N, Devyatova A, et al. Transfer of chemical elements in vapor-gas streams at the dehydration of secondary sulfates. Proceedings of the 16^th International symposium on water-rock interaction, WRI 2019 and 13^th International symposium on applied isotope geochemistry, 1^st IAGC International conference. Tomsk, 2019 July 21–26 P. 05004. DOI: 10.1051/e3sconf/20199805004.          

8. Артамонова С.Ю., Ушницкий В.Е., Троицкий Д.Ю., и др. Химический состав поверхностных вод объекта «Кристалл» и содержание в них урана в 2019 г. / XVI Международная научная конференция "Интерэкспо Гео-Сибирь. Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Экономика. Геоэкология": г. Новосибирск, 20-24 апреля 2020 г. Материалы конференции. ˗ С. 298˗310. [Artamonova SYu, Ushnitskiy VE, Troitskii DYu et al. Chemical composition of surface water of the “crystal” site and uranium content in it in 2019. (Conference proceeding). XVI Mezhdynarodnaya nauchnaya konferentsiya “Interekspo Geo-Sibir. Nedropolzovanie. Gornoe delo. Napravleniya i tekhnologii poiska, razvedki i razrabotki mestorozhdeniy poleznykh iskopaemykh. Ekonomika. Geoekologiya.” 2020 April 20˗24, Novosibirsk (In Russ.) p. 298˗310.] DOI: 10.18303/B978-5-4262-0102-6-2020-030. 

9. Шаверина А.В., Цыганкова А.Р., Сапрыкин А.И. Методика ИСП-АЭС анализа кремния с микроволновым разложением и концентрированием // Журнал аналитической химии. – 2015. – Т. 70. – №. 1. – С. 26–29. [Shaverina AV., Tsygankova AR., Saprykin AI. A procedure of ICP-AES analysis of silicon using microwave digestion and preconcentration. J of Analytical Chemistry. 2015;70(1):28˗31. (In Russ.)] DOI: 10.7868/S004445021501017X. 

10. Tsygankova A, Lundovskaya O, Aleksandrova A et al. Kidney stones analysis by ICP-OES. J of Physics: Conference series. 2020;1611(1):012055. doi:10.1088/1742-6596/1611/1/012055. 

11. Заксас Н.П., Султангазиева Т.Т., Корда Т.М. Использование двухструнного дугового плазматрона для определения микроэлементного состава порошковых биологических проб // Журнал аналитической химии. ˗ 2006. ˗ Т. 61. ˗ № 6. ˗ С. 632˗637. [        Zaksas NP, Sultangazieva TT, Korda TM. Using a two-jet arc plasmatron for determining the trace element composition of powdered biological samples. J of Analytical Chemistry. 2006;61(6):582˗587. (In Russ).]. 

12. Кощеева О.С., Зубарева А.П., Сапрыкин А.И. CHN-анализ функциональных материалов и их прекурсоров // Журнал структурной химии. ˗ 2010. ˗ Т. 51. ˗ № 57. ˗ С. 178˗181. [Koshcheeva OS, Zubareva AP, Saprykin AI.CHN analysis of functional materials and their precursors. J of Structural Chemistry. 2010;51:S175˗S178. (In Russ.)]. 

13. Tsygankova AR, Korolkov IV, Gubanov AI et al. Phase and Microelement Composition of the Kidney Stones of Ob’ River Watershed Residents. J of Pharmaceutical Sciences and Research. 2019;11(5):1721˗1726. 

14. Такаев Р.М., Кондрова Н.С., Степанов Е.Г., и др. Влияние профессиональных факторов на химический состав крови врачей-хирургов. Башкирский химический журнал. ˗ 2010. ˗ Т. 17. ˗ № 5. ˗ С. 116˗120. [Takaev RM, Kondrova NS, Stepanov EG, et al. Vliyanie proffessional’nykh faktorov na khimicheskiy sostav krovi vrachey-khirurgov. Bashkirskii khimicheskii zhurnal. 2010;17(5):116˗120. (In Russ.)]. 

15. Нотова С.В., Кияева Е.В., Маршинская О.В., и др. Элементный баланс спортсменов с ограниченными физическими возможностями (на примере следж-хоккеистов) // Журнал медико-биологических исследований. ˗ 2018. ˗ Т. 6. ˗ № 2. ˗ С. 147–155. [Notova SV, Kiyaeva EV, Marshinskaya OV, et al. Mineral Balance in Athletes with Physical Disabilities (Exemplified by Sledge Hockey Players). J of Medical and Biological Research. 2018;6(2):147–155. (In Russ.)]. 

16. Окунева Г.Н., Караськов А.М., Чернявский А.М. и др. Зависимость концентраций химических элементов от атомной массы в миокарде кардиохирургических пациентов // Микроэлементы в медицине. ˗ 2012. ˗Т. 13. ˗ № 1. ˗ C. 11−19. [Okuneva GN, Karas'kov AM, Chernyavskiy AM, et al. The dependence of chemical elements concentration on atomic mass in myocardium of cardiac surgery patients. Trace elements in medicine (Moscow). 2012;13(1): 11−19. (In Russ.)]. 

17. Скальный А.В., Грабеклис А.Р., Демидов В.А., и др. Связь элементного статуса населения центрального федерального округа с заболеваемостью. Часть 1. Токсичные химические элементы: Al, As, Be, Cd, Hg, Pb, Sn // Микроэлементы в медицине. ˗ 2011. ˗ Т. 12. ˗ № 1-2. ˗ C. 23˗26. [Skalny AV, Grabeklis AR, Demidov VA, et al. Connection between morbidity and mineral status of population in the central federal district of Russia. Part 1. Toxic chemical elements: Al, As, Be, Cd, Hg, Pb, Sn. Trace elements in medicine (Moscow). 2011;12(1-2):23˗26. (In Russ.)]. 

18. Скальный А.В., Грабеклис А.Р., Демидов В.А. и др. Связь элементного статуса населения центрального федерального округа с заболеваемостью. Часть 2. Эссенциальные и условно эссенциальные химические элементы // Микроэлементы в медицине. ˗ 2012. ˗ Т. 13. ˗ № 2. ˗ C. 1−7. [Skalny AV, Grabeklis AR, Demidov VA, et al. Connection between morbidity and mineral status of population in the central federal district of Russia. Part 2. Essential and conditionally essential chemical elements. Trace elements in medicine (Moscow). 2012;13(2):1˗7. (In Russ.)]. 

19. Самохина Н.А., Третьякова Е.В. Показатели изменения микроэлементного статуса в патогенезе металлонефропатий. Микроэлементы в медицине. ˗ 2011. ˗ Т. 12. ˗ № 3-4. ˗ C. 59˗63. [Samokhina NA, Tretyakovа EV. Change indicators of microelement status in the pathogenesis of metallonephropathy. Trace elements in medicine (Moscow). 2012;13(2):1˗7. (In Russ.)]. 

20. Golovanova OA., Korol’kov VV. Thermodynamics and Kinetics of Calcium Oxalate Crystallization in the Presence of Amino Acids. Crystallography Reports.2017;62(5):787–796. DOI: 10.1134/S1063774517050078. 

21. Šter A., Šafranko S., Bilic´ K., Markovic´ B., Kralj D. The effect of hydrodynamic and thermodynamic factors and the addition of citric acid on the precipitation of calcium oxalate dehydrate. Urolithiasis. 2018;46:243–256.https://doi.org/10.1007/s00240-017-0991-0.