КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 18-77-00026

НазваниеКристаллогенезис минералов почечных камней

РуководительИзатулина Алина Ростамовна, Кандидат геолого-минералогических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2018 - 06.2020 

Конкурс№29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-211 - Кристаллография и кристаллохимия минералов

Ключевые словакристаллогенезис, биоминералогия, патогенная кристаллизация, органоминеральные композиты

Код ГРНТИ38.35.27

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение актуальной междисциплинарной проблемы, находящейся на стыке биоминералогии, кристаллографии, химии и медицины — изучение условий и механизмов патогенного кристаллогенезиса в живых организмах, и разработка на этой основе методов профилактики и лечения социально значимых заболеваний, связанных с камнеобразованием (мочекаменная и желчекаменная болезни и др.). Конкретная задача проекта заключается в изучении закономерностей кристаллогенезиса минералов мочевых камней человека и животных (фосфатов, оксалатов, уратов) и создании на этой основе методов профилактики и лечения мочекаменной болезни. Планируется провести детальное изучение кристаллогенезиса минералов почечных камней с использованием моделирования и широкого комплекса современных инструментальных методов, что должно привести к получению принципиально новых фундаментальных результатов и внести свой весомый вклад в теорию патогенного минералообразования. Существенное внимание будет уделено исследованию композитной структуры почечных камней и механизмов ее образования с применением современных статистических методов. Использование фрактального анализа и алгоритма расшифровки нерегулярных смешанослойных структур, позволит, впервые на объективной основе определить статистические параметры образующихся в моче агрегатов, выявить их морфогенетические различия. Наряду с этим будет проведена сравнительная оценка стабильности минералов почечных камней на основе результатов изучения их термических превращений, теплового расширения и структурной сложности. Кроме того будет проведено изучение в условиях эксперимента влияния органических и неорганических добавок, включая бактерии и микроскопические грибы на нуклеацию, рост и морфологию минералов почечных камней. Эксперименты по биомиметической кристаллизации минеральных фаз почечных камней в присутствии бактерий и микроскопических грибов будут проводиться впервые. Направленный поиск примесей, ингибируюших патогенную кристаллизацию в моче человека и увеличивающих растворимость патогенных минералов будет важной частью планируемой работы. Полученные фундаментальные знания по кристаллогенезису минералов мочевых камней создадут основу для оригинальных разработок биотехнологий профилактики и лечения мочекаменной болезни путем использования специально подобранных известных антибактериальных препаратов, биодобавок и минеральных вод. Таким образом, в результате выполнения проекта будут получены принципиально новые фундаментальные результаты в области кристаллогенезиса минералов почечных камней и созданы научные основы для разработки эффективных методов профилактики мочекаменной болезни.

Ожидаемые результаты
1. Обзорная статья по влиянию химизма среды на кристаллогенезис минералов почечных камней. Систематизация и обобщение данных, накопленных в мировой научной литературе по изучению различных факторов, влияющих на кристаллогенезис минералов почечных камней, позволят приблизиться к пониманию процессов, приводящих к камнеобразованию. 2. Статистические характеристики композитных структур почечных камней различного состава и механизмы их формирования, что позволит расширить представления о кристаллогенезисе данных образований. 3. Термические превращения и тепловое расширение минералов почечных камней. Сравнительная характеристика их структурной сложности и стабильности. Полученные результаты дадут возможность объяснить эволюцию минералов в мочевой системе человека. 4. Закономерности влияния химизма среды кристаллизации на нуклеацию, рост и морфологию минералов почечных камней (фосфатов кальция и магния, оксалатов кальция разной водности, мочевой кислоты и ее солей). Результаты экспериментов позволят создать перечень примесей, ингибирующих кристаллизацию минералов мочевых камней, что создаст научную основу для подбора минеральных вод и биодобавок. 5. Закономерности влияния добавок, в том числе патогенных микроорганизмов, на фазообразование в мочевой системе человека, что существенно расширит представления о бактериальных механизмах камнеобразования. 6. Научные основы биотехнологий, ингибирующих и предотвращающих образование камней в мочевой системе человека, что позволит приблизиться к решению проблемы литиаза. Результаты работы планируется обсудить на международных научных конференциях, а также опубликовать не менее 4 статей в журналах, реферируемых в WOS/Scopus.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В рамках реализации проекта в 2018-2019 году был проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований кристаллогенезиса в мочевой системе человека. Составлен обзор по влиянию химизма среды (рН, температура, соотношение камнеобразующих компонентов, присутствие и концентрация аминокислот, цитрат – ионов, белков, бактерий и микромицетов) на нуклеацию, скорость роста и агрегацию основных минералов почечных камней. Подготовлена выборка камней различного состав и структуры для детального исследования. Получены характеристики зональности пяти уратных почечных камней. Изучено термическое поведение и фазовые превращения уратов и оксалатов почечных камней. Проведенные исследования показали, что при физиологической температуре устойчивыми фазами являются одноводный оксалат кальция – уэвеллит и безводная мочевая кислота – урикит. Получены закономерности влияния химизма среды на нуклеацию и образование оксалатов и уратов почечных камней. Экспериментально подобраны условия для синтеза оксалатов кальция разной водности (уэвеллита, уэдделлита, каоксита). В условиях эксперимента определены области кристаллизации двуводного оксалата кальция (уэдделлита) в зависимости от концентрации цитрат-ионов и мочевины, соотношения камнеобразующих компонентов и pH. Получены серии осадков для изучения влияния цитрат-ионов и мочевины на морфологию кристаллов оксалатов кальция. Показано, что количество двуводной мочевой кислоты, кристаллизующейся наряду с безводной зависит только от pH среды. Исследовано влияние бактерий (Escherichia coli; Klebsiella pneumoniae; Pseudomonas aeruginosa; Staphylococcus aureus) на нуклеацию, стабильность и границы кристаллизации основных минеральных фаз почечных камней. Впервые показано, что на фосфатных мочевых камнях под действием микроскопического гриба Aspergillus niger может происходить вторичная кристаллизация оксалатов кальция (уэвеллита и уэдделлита). По материалам исследований сделаны три доклада на международных и российских научных мероприятиях и подготовлены три статьи в изданиях, индексируемым в системах Web of Science и Scopus.

 

Публикации

1. Изатулина А.Р., Гуржий В.В., Кржижановская М.Г., Чуканов Н.В. Thermal Behavior and Phase Transition of Uric Acid and Its Dihydrate Form, the Common Biominerals Uricite and Tinnunculite Crystals, Minerals 2019, 9, 373 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.3390/min9060373

2. Изатулина А.Р., Зеленская М.С., Франк-Каменецкая О.В. Microbial colonies in renal stones 14th International Congress for Applied Mineralogy (ICAM2019), Springer, Switzerland, - (год публикации - 2019)

3. Изатулина А.Р., Николаев А.М., Кузьмина М.А., Франк-Каменецкая О.В., Малышев В.В. Bacterial Effect on the Crystallization of Mineral Phases in a Solution Simulating Human Urine Crystals, - (год публикации - 2019)

4. - Ученые СПбГУ выяснят, как бактериальные инфекции влияют на образование камней в почках Санкт-Петербургский государственный университет, - (год публикации - )

5. - Ученые СПбГУ выяснят, как бактериальные инфекции влияют на образование камней в почках Медицинское обозрение, - (год публикации - )

6. - Ученые СПбГУ выяснят, как бактериальные инфекции влияют на образование камней в почках Planet-today, - (год публикации - )

7. - Ученые СПбГУ выясняют влияние бактериальных инфекций на образование камней в почках ТК Санкт-Петербург, - (год публикации - )

8. - Петербургские ученые ищут связь между бактериальными инфекциями и камнями в почках Доктор Питер, - (год публикации - )

9. - В Петербурге ученые ищут связь между бактериальными инфекциями и камнями в почках Экономика сегодня, - (год публикации - )

10. - Ученые СПбГУ могут предотвратить появление камней в организме человека Город+, - (год публикации - )

11. - Российские ученые доказали влияние синегнойной палочки на скорость образования в почках оксалата кальция Медвестник, - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В рамках реализации проекта в 2019-2020 году был проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований в области кристаллогенезиса и кристаллохимии камней мочевой системы человека. Составлен обзор по влиянию химизма среды (рН, температура, соотношение камнеобразующих компонентов, присутствие и концентрация аминокислот, цитрат – ионов, белков, бактерий и микромицетов) на нуклеацию, скорость роста и агрегацию основных минералов почечных камней, а также образование метастабильных фаз, кристаллизация которых может инициировать камнеобразование. По данным микрозондового анализа найдены диапазоны вариаций содержания фтора в оксалатных почечных камнях от 0.61 до 1.84 масс.% и в фосфатных – от 0 до 0.59%. Показана возможность фтор-содержащего апатита инициировать оксалатное камнеобразование. Получены статистические характеристики зональности для двух оксалатных и двух уратных камней. Изучены термическое поведение и фазовые превращения фосфатов магния и кальция камней мочевой системы человека с помощью монокристальной и порошковой терморентгенографии. Анализ структурной сложности, с использованием методов на основе теории информации, подтверждает предпочтительную кристаллизацию апатита в мочевой системе человека. Изучено термическое поведение L-цистина. Рассчитана и проанализирована структурная сложность L-цистина и L-цистеина. Получены закономерности влияния химизма среды на нуклеацию и образование оксалатов и фосфатов почечных камней. Экспериментально подобраны условия для синтеза фосфатов кальция и магния с изоморфными примесями, изучено влияние условий кристаллизации на образование фосфатов в растворе, моделирующем мочу по неорганическим компонентам. В условиях эксперимента определены области кристаллизации двуводного оксалата кальция (уэдделлита) в зависимости от концентрации мочевины, креатина, соотношения камнеобразующих компонентов и pH, определено количество цеолитной воды. Поставлен эксперимент по влиянию магнитного поля на кристаллизацию основных минеральных фаз камней мочевой системы. Исследовано влияние Escherichia coli на нуклеацию, стабильность и границы кристаллизации оксалатов кальция. Изучена вторичная кристаллизация оксалатов кальция под действием микроскопического гриба Aspergillus niger. Получены фундаментальные научные основы для поиска эффективных методов профилактики и лечения мочекаменной болезни, а именно: показана возможность фтор-содержащего апатита выступать в качестве инициатора патогенной оксалатной минерализации, исследовано влияние компонентов физиологического раствора на кристаллизацию метастабильных оксалатных и уратных фаз, ингибирование кристаллизации которых препятствует камнеобразованию. По материалам исследований сделаны четыре устных и один стендовый доклад на международных и российских научных мероприятиях и подготовлены материалы для публикации двух статьей в изданиях, индексируемым в системах Web of Science и Scopus, одна из которых уже находится в печати.

 

Публикации

1. Корнеев А.В., Франк-Каменецкая О.В., Изатулина А.Р. About the Role of Fluorine-Bearing Apatite in the Formation of Oxalate Kidney Stones Crystals, 2020, 10(6), 486 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.3390/cryst10060486

2. - Врачи рассказали, от какой еды образуются камни в почках РИА Новости, - (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
Полученные в результате реализации проекта принципиально новые фундаментальные результаты в области кристаллогенезиса и кристаллохимии минералов почечных камней служат фундаментальной научной основой для разработки эффективных методов профилактики мочекаменной болезни.