Tissue calcification of the cardiovascular system.pdf Выявление процессов и закономерностей минерали-тит из геологических объектов: однородный и неиз-зации в организме человека является непосредственнойменный в пространстве и времени, вследствие чегозадачей биоминералогии, а конкретно - медицинскойисключительно важная в биоминералогии областьминералогии. Современной медициной доскональновзаимодействия минерал - ткань исключается из сферыизучен вопрос костеобразования у человека. Практиче-исследования. Группа А.Т. Титова полностью освобо-ски во всем мире признано, что патогенная минерализа-ждается от органики, прокаливая образцы при 600ºС,ция тканей сердечно-сосудистой системы развивается попри этом исчезают не только минералообразующиесхеме естественной оссификации, хотя минерализация вструктуры «матричные везикулы», но и сам апатит те-кровеносной системе медиками изучалась только на на-ряет кристаллизационную воду. За счет местного по-чальной стадии, когда массивные апатитовые агрегатывышения температуры озоления (от сгорания липидов)еще не являются помехой для изготовления гистологи-из структуры минерала может выделиться СО2., а зна-ческих и морфологических препаратов [1].чит, изменяются и параметры элементарной ячейки.Главной неорганической фазой патогенной кальци-Группа Л.Г. Гилинской использует более щадящуюфикации коллагеновых и мышечных тканей, так же какметодику: кальцинат не прокаливают, но после высу-в костной и зубной тканях, является фосфат кальция,шивания на воздухе полностью отделяют от тканевогокоторый с определенной степенью приближения иматериала. При этом нарушается и полностью уничто-идеализации относят к карбонатсодержащему гидро-жается самая важная для патогенного минералообразо-ксилапатиту, как правило, слабо окристаллизованномувания зона контакта: органоминеральный агрегат-и нестехиометрическому из-за присутствия значитель-ткань. Именно в этой области находятся патогенныеных количеств посторонних ионов. Некоторые из этихминералообразующие матричные везикулы, имеющиеионов входят в кристаллическую решетку апатита, дру-мицеллярную и коацерватную природу.гие же только адсорбируются на поверхности апатита.К сожалению, обе группы из Новосибирска не ис-Этот апатит является типичным биогенным минералом,пользовали информативный в данном случае иммерси-тесно связанным пространственно, генетически струк-онный метод исследования минерального вещества.турно и морфологически с протеинами, липидами иВпрочем, игнорирование собственно минералогиче-полисахаридами тканей организма.ских методов при исследовании тканей организма ха-Патогенный апатит не имеет такой тесной связи срактерно для отечественной и зарубежной науки в це-обменными процессами в организме, как физиогенный.лом. Даже общепризнанный авторитет А.Л. Боски вСтепень дефектности его всегда высока и зависит всвоем обозрении применимых в рекогносцировке про-большей степени от локальных процессов, чем от со-цессов биоминерализации методик не упоминает нистояния организма в целом. Соотношение Са/Р в каль-одного минералогического метода.цинатах, по многочисленным литературным данным,Автором исследована коллекция более чем изварьирует в значительных пределах. В матричных ве-500 кальцинатов, содержащихся в стенках сосудов, взикулах это соотношение может быть около 0,66, а всердечных клапанах, склеротических бляшках, миокардезрелом апатите доходит до 2. Размер кристаллов в про-и перикарде кардиобольных, любезно предоставленнаяцессе созревания биоапатита увеличивается от нано-НИИ кардиологии РАМН г. Томска. Извлеченные изразмерных до 100 и даже более микрон.формалина кальцинированные ткани предварительноВ России первые работы по минералогии кальци-изучались под бинокуляром, отбирались образцы от-фицированных тканей сердечно-сосудистой системыдельных кристаллов на микрозонд, после чего ткани споявились в Новосибирске. В ИГГМ в этом направле-кальцинатами высушивались на воздухе в течение однихнии работали две независимые группы: группасуток. Затем образцы разрезались с помощью тонкогоА.Т. Титова [2] и группа Л.И. Гилинской [3-6]. Приалмазного диска. Поверхность среза изучалась под би-несомненной научной ценности данных исследованийнокуляром. При этом выявлялись структура и текстурав их методиках имеется одна характерная тактическаякальцинатов, взаимоотношения минерального веществаошибка. Биоапатит рассматривается как обычный апа-и структурных элементов биологической ткани. Далее194отбирались образцы на спектральный, рентгеновский и, при необходимости, на микрозондовый анализ.По мере необходимости производилась фотосъемка структур кальцинатов под бинокуляром, реже под мик-роскопом в шлифах. Отдельные зерна изучались под микроскопом в иммерсионном препарате. Иммерсион-ный метод оказался очень информативным для изучения процессов патогенной минерализации кардиоваскуляр-ных тканей. В процессе изучения кальцинатов выявлены общие закономерности патологического отложения ми-нерального вещества в кровеносной системе человека. Патогенные агрегаты апатита в кардиоваскулярных тка-нях человека формируют слоистые отложения в стенках сосудов, глобулярные скопления в сердечных клапанах и отложения смешанного типа в атеросклеротических бляшках. Несмотря на некоторые отличия в структурах отложения минерального вещества, абсолютно все так называемые «кальцинаты» кровеносной системы харак-теризуются сходным минеральным составом (до 90% апатита) и рядом общих, сопутствующих и способст-вующих минерализации условий.1.Отложению минерального вещества предшест-вуют отложение внеклеточных капель жира и деструк-ция волокон коллагена, эластина и клеток гладкой мус-кулатуры сосудистых стенок.2.Начальным этапом естественного (физиогенного)и патогенного минералообразования является образо-вание так называемых матричных везикул «matrix vesi-cles» [8]. В случае патогенного минералообразованиявнутри везикул находятся «обломки» разрушенныхклеток. Группа ученых из Австралии под руководствомЮрия Бобричева на основании своих гистохимическихданных считает образование патогенных матричныхвезикул физико-химическим процессом, независимымот клеточной регуляции, довольно удачно назвав со-держимое внеклеточных матричных везикул коктейлемиз протеинов, кальцийсвязывающих кислых липидов,металлопротеиназ, щелочной фосфатазы, ионов метал-лов и т.д. [9].Размер матричных везикул в кости 100 нм [8]. В па-тогенных кальцинатах, по собственным наблюдениям автора, это более крупные коллоидные, мицеллярные и/или коацерватные структуры различного размера от 30 до 300 мкм (рис. 1, а). Причем встречаются как одиноч-ные везикулы, так и группы везикул, сгруппированные в одну более крупную фрамбоидовидную везикулу. Зона матричных везикул находится на границе минерал -ткань (рис. 1, б). В везикулах протекают сложные про-цессы концентрации одних веществ и распада других, в частности происходят омыление жиров, распад фермен-тов и т.д. В поляризационном микроскопе матричные везикулы выглядят сначала как полупрозрачные капсу-лы шаровидной формы, затем в центре капсул появляет-ся мутное пятно. На этом этапе в скрещенных николях двупреломление полностью отсутствует.Кристаллизация апатита становится заметной на следующем этапе, когда шарообразные капсулы начи-нают принимать эллипсоидную форму, ядро становит-ся более вытянутым, более плотным и менее прозрач-ным, а внешняя прозрачная оболочка начинает неодно-родно двупреломлять в поляризованном свете. На за-вершающем кристаллизацию апатита этапе оболочка везикул разрушается растущими кристаллами удли-ненно-призматического апатита. Эллипсоиды сливают-ся в пластинчатые или концентрические апатитовые слои, а мутные ядра преобразуются в параллельные вереницы удлиненных совершенно не прозрачных в проходящем свете четко ограниченных частиц невыяс-ненной природы (рис. 1, в). Наличием именно этих час-тиц патогенный апатит отличается от физиогенного апатита костей. Так завершается кристаллизация пато-генного апатита. Так называемый «зрелый апатит» имеет полупрозрачный, слегка опалесцирующий вид с заметными даже под бинокуляром непрозрачными бе-лыми параллельно-волокнистыми включениями, про-низывающими все зерно.С помощью иммерсионного метода выявлена неод-нородность состава биоапатита в пространстве. Эта неоднородность прекрасно визуализируется на элек-тронно-микроскопических снимках (рис. 1, г), посколь-ку наиболее зрелый апатит характеризуется макси-мально светлым тоном. На примере биоапатита из кос-тей известно, что он непрерывно изменяется и во вре-мени. В процессе старения организма возрастает сте-пень дефектности кристаллической структуры. Изме-нения физиогенного апатита не прекращаются и post mortem и приводят к уменьшению параметра а, по сравнению с исходным биоапатитом [10], что связыва-ется авторами с замещением ОН-иона фтор-ионом, а ортофосфат-иона - карбонат-ионом.Таким образом, использование поляризационно-оптических методов позволило выявить ряд отличий патогенного минералообразования от физиогенного и установить последовательность кристаллизации пато-генного апатита в тканях ССС человека.Изучались и кристаллографические параметры кар-бонатсодержащего гидроксилапатита из кальциниро-ванных тканей ССС. Исследования проводились на аппарате ДРОН-3 с Cuα (V = 20 кV, J = 15 мA, скорость съемки 1о/мин). Рассчитаны параметры 50 образцов биоапатита из тканей ССС. Кристаллография природ-ного неорганического апатита невероятно сложна, а структура биоапатита имеет ряд дополнительных осо-бенностей. Рентгеновская дифракция показывает ди-фракционные пики в тех же позициях, что и в природ-ном гидроксилапатите, но менее острые и более широ-кие. Их ширина связывается с маленьким размером кристаллов биоапатита, с наличием вакансий и приме-сей ионов (Mg2+, Na+, Sr2+, CO32-, HPO42- и т.д.) в кри-сталлической решетке гидроксилапатита.Расчет параметров кристаллической решетки био-апатита из ССС показал, что параметр а не является постоянным и в процессе созревания апатита умень-шается от 9,45 ± 0,02 Å в незрелом апатите до 9,39 ± 0,02 Å в зрелом.Параметр с в процессе созревания биоапатита изме-няется в значительно меньшей степени - от 6,89 ± 0,02 Å до 6,97 ± 0,02 Å. Соответственно уменьшению этих па-раметров уменьшается и объем кристаллической решет-ки - от 533,28 до 524,30. Возможно, такое изменение параметров обусловлено замещением иона РО43- ионами СО32- и F.195вгРис. 1. а - стрелки указывают на матричные везикулы из ССС на границе кальцинат - ткань. Размер везикул 40-120 мкм;б - стрелками отмечен слой матричных везикул, со всех сторон окружающий кальцинат (белое), в ткани восходящей аорты;в - обломок зрелого апатита из ССС в иммерсии. Видны непрозрачные включения (черное) характерногодля эктопического биоапатита вещества невыясненного состава. Увел.×100; г - электронномикроскопический снимокбиоапатита из ССС. Белый цвет на снимке соответствует наиболее зрелому биоапатиту.Горизонтальный размер изображения соответствует 100 мкмУвеличение параметра а кристаллической решеткиными треугольниками и не зависит напрямую от вто-гидроксилапатита может быть вызвано с происходящимростепенных замещений углерода и фосфора. Увеличе-в решетке минерала замещением группы ОН на ион Clние содержания ионов хлора в апатите приводит к уве-или вхождением в кристаллическую решетку изоморф-личению параметра а кристаллической решетки апати-ных примесей более крупных катионов (а именно Sr, Ba,та, а увеличение суммарного содержания ионов F, Cl,Pb, K и др.), замещающих катионы кальция [11].OH понижает параметр а [12].Уменьшение объема элементарной ячейки с увеличе-Д. Мак-Коннел считает, что с внедрением СО3-нием содержания фтора объясняют удалением из решеткигрупп, замещающих РО4-группы (фактическискелетного апатита ОН-иона и занятием его позиции3РО4→4СО3), симметрия понижается, становясь трик-фтор-ионом, т.е. переходом от гидроксил-фторапатита клинной [13]. Вероятно, в процессе созревания биоген-франколитоподобному карбонат-фторапатиту.ного гидроксилапатита увеличивается триклинизация.Содержание фтора в решетке биоапатита коррели-На изученных рентгенограммах на это указывает рас-рует со степенью диабетических изменений в организ-щепление пиков (222), (213), (004), хорошо выражен-ме [11].ное в наиболее зрелом биоапатите.Известны работы по парным замещениям ионовНеоднородным является и химический состав пато-фтора и карбоната СО32-, которые замещают ионыгенного биоапатита. Выше упоминалась изменчивостьРО43-с четырехвалентным углеродным замещениемотношения Са/Р в процессе созревания апатита. Соот-пятивалентного фосфора, в то время как галоген в из-ношения Na/P изменялись от 0,0683 до 0,0286; Mg/P -бытке замещает О2-. При этом парные субстанции неот 0,0482 до 0,0121. По данным 20 микрозондовых ана-только удерживают электронейтральность структуры,лизов, выполненных на кафедре минералогии ТГУ, вно также поддерживают тетраэдрическую координа-пределах одного 2-миллиметрового зерна микроприме-цию для вовлеченных катионов. Частичное замещениеси изменялись в следующих пределах: Na 0,13-1,20;Р5+ (ионный радиус 0,35Å) меньшим ионом С4+ (ион-Mg 0,42-0,74; Si 0-0,25; S 0-0,70; Cl 0-0,14; K 0-0,12;ный радиус 0,16 Å) уменьшает боковую дистанциюTi 0-0,12; Cr 0-0,14; Mn 0-0,24; Fe 0-0,13.между столбиками Са-О тригональных призм, поэтомуРезюмируя, необходимо подчеркнуть, что однимукорачивается длина а кристаллической ячейки. Заме-из важнейших свойств патогенного карбонатсодер-щение фосфора на углерод не имеет явного эффекта нажащего гидроксилапатита является его длительная ивеличину ячейки с, которая главным образом опреде-непрерывная химическая и биологическая актив-196ляется расстоянием между кальциевыми и кислород-ность после начального зарождения кристаллическихиндивидов. Данное обстоятельство проявляется зна-ро- и наноуровнях. Изучение патогенного биоапати-чительной изменчивостью в пространстве линейных,та и процессов, связанных с его возникновением икристаллографических, оптических, микро- и макро-взаимодействием с окружающими тканями, невоз-химических свойств апатитовых агрегатов. Из этогоможно без учета закономерных изменений егоследует, что исследование патогенного биоапатитастроения, состава, размеров и кристаллографическихдолжно вестись с учетом его изменчивости на мик-параметров [14].

Скачать электронную версию публикации