Минералы внутри нас

На главную | Контакты | Карта сайта

| Система Грант-Экспресс

| Новости РФФИ
| Объявления
| Подписка на новости

| Общие сведения о РФФИ
| Кто есть кто в РФФИ
| Состав совета Фонда
| Адрес и телефон для справок

| Устав РФФИ
| Указы Президента
| Постановления и распоряжения Правительства

| Нормативные документы

| Решения совета Фонда

| Конкурсы РФФИ
| Региональные конкурсы
| Международные конкурсы
| Программы РФФИ
| Финансовое обеспечение проектов

| Вестник РФФИ
| Газета Поиск
| Публикации в СМИ
| Книги, изданные при поддержке РФФИ
| Информационный бюллетень РФФИ
| Издания РФФИ

| Использование результатов
| Контроль использования финансовых средств

| Международная деятельность
| Научные фонды
| Ведомства и академии
| Библиотеки и информационные центры
| Полезные ссылки

| Издательство Wiley
| Издательство «The American Mathematical Society»
| Издательство Elsevier
| Американское физическое общество (APS)
| Издательство IOP Publishing Limited
| Издательство The Royal Society of Chemistry
| Издательство Springer

| Введение
| 2009 год
| 2010 год
| 2011 год

| WIN-1251
| KOI8-R
| English

МИНЕРАЛЫ ВНУТРИ НАС

К.г.-м.н. Пальчик Н.А., Столповская В.Н.
Объединенный институт геологии,
геофизики и минералогии СО РАН, Новосибирск

Носителями минералов являются не только недра Земли, но и все живое на ней, включая человека. Минералы, возникающие в живом организме и называемые биоминералами, участвуют в его построении (зубы, кости) и физиологически ему необходимы. Они входят и в состав различных новообразований патогенного характера, не свойственных живому организму, возникающих при нарушениях в его функционировании и обнаруживаемых практически во всех тканях и органах человека и животных.

Биоминералы, будь то физиогенные или патогенные, неразрывно связаны с органическим веществом, образуя вместе с ним единый органоминеральный агрегат (ОМА), где органическая составляющая не является пассивной, а активно участвует в появлении той или иной минеральной компоненты, определяя и форму ее выделения. Список минералов, встречающихся в ОМА, весьма значителен, и включает к настоящему времени более 80 единиц органического и неорганического состава [1,2]. ОМА, их состав и строение, механизмы образования и изменения в условиях замкнутой системы - организма - являются объектами биоминералогии - молодого, активно развивающегося направления в минералогии.

Особенности образования биоминералов в организме человека долгое время оставались исключительно в сфере интересов медицины с привычными для нее методами исследования. Главное внимание уделялось диагностике и лечению заболеваний, ведущих к возникновению патообразований. В то же время совершенно очевидно, какое важное значение имеет четкое представление о причинах их появления и механизмах дальнейшего формирования. Сейчас эти вопросы широко изучаются во всем мире с привлечением минералогов и используемых в минералогии методов исследований.

Большую роль в развитии учения биоминералогии и в исследовании конкретных твердых образований в организме человека сыграли работы российских и зарубежных ученых: Н.П.Юшкина, А.А.Кораго, Б.Н.Лузгина, И.Б.Лузгиной, И.Б.Комлевой, Т.В.Милешко, М.П.Павликовского, А.К.Полиенко, В.И.Катковой, Г.А.Юргенсона, Г.А.Мироненко, М.А.Лушицкого, С.А.Крапивиной, К.Лонсдейл, Д.Сьютер, Ю.М.Деберер и многих других. Биоминералогии посвящаются конференции и семинары, проводимые с 1988 г. на Украине (Луцк, Львов), позднее - в Сыктывкаре под руководством Н.П.Юшкина. Появились обстоятельные монографии А.А.Кораго [1] о проблемах и объектах биоминералогии, А.К.Полиенко, Г.В.Шубина, В.А.Ермолаева [3] и В.И.Катковой [4] о составе, структуре и генезисе мочевых камней. Строение и состав различных биоминеральных образований в организме человека изучаются и в Новосибирске группой исследователей, включая авторов данной публикации, главным образом, на базе материалов областной клинической больницы.

В последнее время интерес к проблеме все более возрастает из-за резкого ухудшения экологической обстановки в мире, что является одним из важнейших факторов роста заболеваний, приводящих к возникновению минеральных патообразований. Изучение их состава и строения имеет большую практическую ценность, ибо содержит ответ на ряд важнейших вопросов: в чем причина возникновения патообразований, каковы параметры среды их формирования, как меняются во времени эти параметры и сами ОМА, как повлиять на химизм среды с целью профилактики их появления и предотвращения рецидивов, а также выбора эффективных методов безоперационного лечения уже возникших форм. Так, сравнительно недавно появился метод удаления мочевых камней путем дробления непосредственно в мочевой системе с последующим удалением осколков. Разрабатываются методы растворения биоминералов в почечных лоханках путем омывания специальными растворами, вводимыми в мочевые пути. Ведутся поиски универсального растворителя для камней различного минерального состава [3]. Подобные способы нехирургического лечения разрабатываются для удаления камней желчной системы, отложений на стенках сосудов, ликвидации опухолей [1].

Ниже излагаются результаты поддержанных грантами РФФИ исследований наиболее распространенных патогенных биоминеральных образований в организме человека, касающиеся главным образом их внешних параметров, внутреннего строения и минерального состава. Материалы представлены в Таблице 1.

Сложность внутреннего строения большинства патогенных ОМА, многокомпонентный состав и неравномерность распределения минеральных составляющих по объему требуют специальных методов их исследования. Широко и с большим успехом используются традиционные методы, такие как химический, термический, рентгенографический и ряд других. Однако, они сопровождаются разрушением образца и дают сведения в основном об усредненном составе. Поэтому для исследования патогенных биоминеральных образований с ритмическим строением на первый план выступают методы инфракрасной и рамановской спектроскопии в микроаналитическом варианте [6], позволяющие проводить анализ послойно или в заданной точке при минимальном разрушении образца и даже исключая его вовсе. Появились публикации, где метод рамановской спектроскопии применяют для анализа состава желчных камней непосредственно в организме, используя оптический волновод. Разработан метод низкотемпературного плазменного окисления [7] для удаления органических компонентов из образца и последующего анализа неорганической составляющей при низких ее содержаниях, успешно опробованный при исследовании желчных камней. Широко используются методы электронно-зондового анализа для контроля химического состава образца в конкретной области и электронной микроскопии, позволяющей исследователям "видеть" самые подробные детали внутреннего строения. На фотографиях на второй странице обложки представлены патогенные ОМА из коллекции авторов.

Камни мочевой системы. Мочекаменная болезнь известна с древних времен, и мочевые камни обнаружены, например, в египетских мумиях. Систематическое исследование их ведется уже десятки лет. По упрощенной схеме образования, они возникают в силу ряда причин в результате кристаллизации вещества из водной системы (мочи) вокруг зародышей разной природы, чаще кристаллических или сгустков органического вещества, и последующего послойного отложения минеральных и органических составляющих, подобно росту годовых слоев у ствола дерева. Мочевые камни весьма разнообразны по форме, характеру поверхности, окраске и размерам. Они имеют правильную шаровидную или эллипсоидальную форму, иногда неправильную, и даже очень сложную. Поверхность их бывает ровной , гладкой, или бугорчатой, друзовидной, бывает пористой, или усеянной многочисленными мелкими кристаллами. Цвет камней меняется от почти белого и светло-серого до буро-желтого и темно-коричневого. Размеры пробегают интервал от самых маленьких значений до очень крупных, достигающих величины более, чем 10 20 см в поперечнике и весом до 1 кг. Описаны камни размером 23 16 см и даже 40 35 см в наибольшем сечении, причем последний весил более 1,2 кг. Но особенно впечатляет случай извлечения из почечной лоханки 80-летней женщины камня весом 5,5 кг, который рос в течение 61 года.

Одновременно у пациента может наблюдаться 1-2 камня, иногда же почки буквально напичканы огромным количеством камней, насчитывающим тысячи штук величиной от чечевицы до лесного ореха. Все перечисленные внешние параметры мочевых камней во многом определяются их составом, выделяясь его многообразием из всех прочих новообразований внутри организма. В их сложении принимают участие порядка 70 различных соединений органического и неорганического состава, кристаллических и аморфных, а также самый широкий спектр минералов.

Абсолютное большинство камней мочевой системы сложены оксалатами (уэвеллитом и уэдделлитом), фосфатами (апатитом, струвитом, витлокитом, реже брушитом, ньюбериитом), мочевой кислотой и ее солями - уратами. Другие минералы встречаются значительно реже, а некоторые - лишь в единичных случаях.

Как правило, камни являются смешанными, т.е. имеют полиминеральный характер. Встречаются и совсем не содержащие кристаллических веществ, так называемые коллоидальные или матриксные. Содержание неминерального органического вещества составляет обычно до 5 мас.%, реже 10-17%, причем значительная доля его представлена белком. Больше всего органики встречается в фосфатных камнях, и особенно много в матриксных и цистиновых, тогда как в уратных ее может быть ничтожно мало. Мочевые камни имеют богатый микроэлементный состав. В них выявлено более 20 химических элементов, причем ими богаче оксалатные и фосфатные камни.

Большим разнообразием отличается и внутреннее строение мочевых камней, определяемое различной морфологией слагающих их минеральных индивидов и генезисом всего агрегата. Грубо они делятся на зернистые и сферолитовые, сложенные соответственно зернами и зонами сферолитового строения [3]. Характерной их особенностью является определенная ритмичность в росте, являющая следствием цикличности протекания физиологических процессов в организме человека и определяющая широко распространенное в мочевых камнях зонально-слоистое строение. Такие камни характеризуются чередованием слоев разного состава, ибо разные вещества кристаллизуются при определенных значениях кислотности среды (рН), также подверженных периодическим изменениям в организме. Так, соли фосфорной кислоты осаждаются только при щелочной реакции мочи, а щавелевой - только при кислой. Вся история формирования камня видна на его разрезе через центр, где прослеживаются, наряду с отдельными слоями, следы перекристаллизации в центральной части, внутренние трещины, перерывы в процессе роста с признаками растворения ранее образовавшихся слоев и прочие детали, являющиеся свидетельствами динамичности условий их образования и несущие богатую информацию о генезисе этих ОМА.

Желчные камни. Желчекаменная болезнь - не менее распространенное заболевание, чем болезни почек и представляет одну из главных проблем здоровья в мире. Ее возникновение - результат заболевания печени и желчного пузыря и лечение состоит в абсолютном большинстве случаев в хирургическом удалении и камня и пузыря. Камни локализуются как в самом пузыре, так и в желчных протоках, и бывают как одиночными, так и множественными. Иногда их число достигает многих сотен и даже тысяч штук. Известен случай одновременного обнаружения 30000 камней величиной с булавочную головку и здесь же 10062 камня такой же величины, но линзовидной формы. Чаще они имеют размеры от нескольких миллиметров до 1 см в поперечнике, реже наблюдаются камни до 2-5 см и более и даже достигают размеров 7.5 4 см и 11 13 см и весом 8 г и 101 г, соответственно. Как правило, размер камней связан обратной зависимостью с их количеством. Скорость их роста разнообразна и непостоянна. Иногда повторные камни обнаруживаются через 3-6 месяцев после первой операции.

Разнообразна и морфология желчных камней. Они имеют форму овальную, "тутовых ягод" и "жемчужного песка", граненую (фасеточную) с числом граней от 3-х до 15-20, агрегативную и даже плоскую в виде монет. Для них характерна гладкая поверхность, иногда с мелкими наростами того же вещества и слабыми следами растворения при электронно-микроскопическом изучении. Цвет меняется от желтого, бурого и светло-коричневого до темно-коричневого и черного, в зависимости от состава слагающих их веществ.

Состав желчных камней включает меньшее число компонентов, чем мочевые камни. К настоящему времени их насчитывается порядка двух десятков. Среди них преобладают соединения органического состава, главным образом, холестерин, биллирубин, и его кальциевая соль, и нередко пальминат кальция. Неминеральная органика представлена в основном холевой кислотой, фосфолипидами и белками. Минералы неорганического состава наблюдаются обычно в меньших количествах, чем в почечных камнях, чаще фосфаты и карбонаты кальция (апатит, витлокит, кальцит, арагонит, фаттерит), всего же порядка 10 соединений.

Большинство желчных камней имеет сложный многокомпонентный состав и ни одна из предложенных классификаций по составу не охватывает всего их многообразия. Поэтому обычно используется упрощенная схема, по которой все камни делятся на холестериновые и пигментные (биллирубиновые), в зависимости от преобладающего компонента, и смешанные холестерин-биллирубиновые.

Холестериновые камни (больше 20 мас.% холестерина) - самые распространенные среди желчных камней. Камни, в которых холестерин не фиксируется, крайне редки. Преимущественно холестериновые имеют светлую окраску и значительные размеры, до 3-5 см и более в сечении. Форма их овальная, иногда усложненная многочисленными гранями. Содержание неорганического вещества составляет 3-15 мас.%, и лишь в случае карбонатсодержащих камней может достигать 50 мас.%.

Пигментные камни (менее 20% холестерина) содержат как правило более значительные количества неорганического вещества (до 20-45% массы камня), представленного чаще карбонатами, сульфатами и апатитом. Размеры их обычно небольшие, форма разнообразная, окрашены в темно-коричневый или черный цвет, в зависимости от слагающего их пигмента - черного или биллирубината кальция. Последний присутствует в различных количествах в 95% всех желчных камней. Камни, составленные только из неорганического вещества, встречаются крайне редко и часто они карбонатные и/или фосфатные. Компоненты, слагающие желчные камни, распределены неравномерно по объему, отражая динамичность среды их образования.

Внутреннее строение желчных камней подобно строению мочевых и на снимках их бывает трудно различить. Камни имеют один хорошо выраженный или несколько сросшихся в дальнейшем центров кристаллизации, или не имеют их вовсе. Центры образованы сгустками органического вещества, отдельными микросферолитами какого-либо минерала или скоплением таких сферолитов. Структура таких камней бывает концентрически-слоистой или радиально лучистой. Первые состоят из слоев холестерина разной толщины, переслоенных аморфной органикой. Радиально лучистая структура образована разросшимися от центра перпендикулярно к поверхности призматическими кристаллами, чаще опять же холестериновыми, имеющими иногда во внутренних областях значительные размеры, до 1 мм и более в длину. Камни, в которых центр не обнаруживается, имеют однородное, квазиизотропное строение и сложены почти нацело аморфной органикой. Часто наблюдаются камни смешанного строения, в которых различные зоны построены по-разному. В желчных камнях установлено более 20 микроэлементов, которые определяются составом камня и географическим местом проживания пациента.

Патогенные ОМА в других органах. Минералсодержащие патообразования найдены практически во всех тканях и органах человека и наиболее полно описаны Кораго [1] и Павликовским [5]. Это зубные камни и камни слюнных желез, минеральные отложения в легких, сосудах, на сердечных клапанах, в селезенке, предстательной и поджелудочной железах, в мышцах и суставах, в злокачественных опухолях и в виде высыпаний на коже. Эти минеральные образования имеют различный цвет и форму, разнообразны по строению и размерам. Так, величина зубных камней может достигать размера грецкого ореха, а камни в слюнной железе - куриного яйца. Последние всегда концентрически-слоистого строения с ядром в центре, а ОМА на сердечных клапанах имеют агрегативную форму (скопление зернистых агрегатов). В одних преобладает неорганическая составляющая, в других - аморфная органика. Но что их объединяет и отличает от выше описанных мочевых и желчных камней, так это узкий круг входящих в их состав неорганических соединений. Лидирующими и часто единственными здесь выступают карбонатгидроксилапатит с различной степенью окристаллизованности и разным содержанием структурного карбонат-иона в разных ОМА и карбонаты кальция. Встречаются другие фосфаты кальция (витлокит, брушит и пр.), наиболее широко представленные в зубных камнях; редко и в небольшом количестве отмечены холестерин и оксалат кальция и немногие другие.

Заключение. Исследования взаимосвязей системы "кристалл-организм", которым во всем мире уделяется большое внимание, имеют важное значение как с точки зрения фундаментальных проблем минералогии и кристаллохимии, так и с точки зрения медицины с ее практическими задачами. Совместные исследования процесса биогенного минералообразования специалистами в области медицины и минералогии обогащают и развивают оба направления. Кристаллохимический подход к проблеме и современные методы физико-химического анализа позволяют выявить динамику процессов возникновения новообразований в организме человека и действие систем, регулирующих их рост. С другой стороны, образование ряда минералов в несвойственной для них среде, с четко регламентируемыми условиями человеческого организма, отличающимися (и иногда весьма существенно) от условий абиогенной среды, расширяет представление о генезисе минералов и способствует развитию общей теории минералообразования. Становится более ясной важнейшая направляющая, образующая и стабилизирующая роль органической матрицы.

Частота встречаемости патогенных ОМА и распространенность их по составу распределены неравномерно по разным территориям на планете. Здесь играют роль и специфика местных условий (жесткость воды, климат и пр.) и род занятий человека, тип питания, наконец, экологическая обстановка в данном регионе [8]. Поэтому исследования проблемы, проводимые различными группами ученых не являются простым тиражированием сведений о природе тех или иных твердых образований в организме человека. Накопление аналитического материала и его обобщение с учетом местных условий и состояния окружающей среды способствуют выполнению важной социальной задачи предупреждения и эффективного лечения соответствующих заболеваний.

Работа выполняется при поддержке РФФИ, грант 97-05-65305.

Состав и основные характеристики патогенных биоминеральных образований в организме человека

Литература

1. Кораго А.А. Введение в биоминералогию. "Недра". Санкт-Перербург. 1992. 280 с.
2. Lowenstam H.A., Weiner Sh. On the biomineralization. N.Y., Oxford Univ. Press. 1989. 324 p.
3. Полиенко А.К., Шубин Г.В., Ермолаев В.А. Онтогения уролитов. Томск: Изд-во РИО "Пресс-Интеграл" ЦПК ЖК. 1997. 128 с.
4. Каткова В.И. Мочевые камни: минералогия и генезис. Коми научный центр УрО РАН. 1996. 88 с.
5. Pawlikowski M. Mineralizacja organizmu czlowieka zyja, cege (mineralogia czlowieka). Prace Mineral., № 79. 1988. 87 s.
6. Wentrup-Byrne E., Rintoul L., Smith J.L., Fredericks P.M. Comparision of Vibrational Spectroscopic Techniques for the Characterization of Human Gallstones. Appl. Spectrosc. V. 49. № 7. 1995. P. 1028-1036.
7. Крапивина С.А., Гусев Е.С., Гавриленко И.Б. и др. Плазменно-спектроскопический метод исследования желчных камней человека. В кн.: Химическая электротермия и плазмохимия. Л. 1982. С. 109-117.
8. Лонсдейл К. И Сьютор Д. Кристаллографические исследования почечных и желчных камней. Кристаллография. Т. 16. Вып. 6. 1971. С. 1210-1219.

Copyright © 1997-2007 РФФИ | Дизайн и программирование: Intra-Center