M ASARYK OVA UNIV ERZ ITA P ří rodo v ěd ec k á
fakulta
Vendula Ambroţová Podmínky vzniku močových kamenů Bakalářská práce
Vedoucí práce: doc. RNDr. Josef Zeman, CSc.
__________________________________________________ Brno 2011
© 2011 Vendula Ambroţová Všechna práva vyhrazena
Jméno a příjmení autora: Vendula Ambroţová Název bakalářské práce: Podmínky vzniku močových kamenů Název v angličtině: Conditions of urinary calculi formation Studijní program: Geologie Studijní obor (směr): Geologie Vedoucí bakalářské práce: prof. RNDr. Josef Zeman, CSc. Rok obhajoby: 2011 Anotace Tato práce se zabývá problematikou močových kamenů. Ty jsou tvořeny převáţně vápenatými oxaláty a fosforečnany. V laboratoři byly vytvořeny nasycené roztoky vápenatých oxalátů a fosforečnanů, které simulují podmínky vzniku močových kamenů v reálné lidské moči. Pomocí kyseliny chlorovodíkové a hydroxidu sodného bylo upravováno pH roztoků v rozmezí od 4 do 8,5 (rozmezí pH lidské moči), byly odebírány vzorky, které byly následně analyzovány a výsledky zpracovány do grafů. Následně byly vytvořeny termodynamické modely podmínek vzniku močových kamenů v programu Geochemist´s Workbench®. Na základě výsledku těchto dvou metod byly určeny podmínky, za kterých vzniká zvýšené riziko tvorby močových kamenů. Annotation This Bachelor thesis deals with urinary stones. They consist mainly of calcium oxalate and phosphate. Solutions saturated with respect tocalcium oxalate and phosphate were created in laboratory simulating conditions of urinary stones formation in real human urine. Hydrochloric acid and sodium hydroxide solution were used to adjust pH in the range of 4 to 8,5 (pH range of human urine). Collected samples were then analyzed and results were graphically visualized. Subsequently, the thermodynamic models of urinary stones formation were prepared in program Geochemist´s Workbench®. Based on these two methods the conditions under of increased risk of urinary stones formation were determined. Klíčová slova Močové kameny, urolitiáza, hydroxylapatit, fosforečnany, oxaláty, termodynamické modely Keywords Urinary stones, urolithiasis, hydroxyapatite, phosphates, oxalates, thermodynamic models
Prohlašuji, že jsem práci vypracovala samostatně. Veškerou literaturu a ostatní prameny, z nichž jsem při přípravě práce čerpala, řádně cituji a uvádím v seznamu literatury.
Souhlasím s veřejným půjčováním práce.
V Brně dne ………………
…………………………………… Vendula Ambroţová
Na tomto místě bych chtěla poděkovat panu doc. RNDr. Josefu Zemanovi, CSc. za odborné vedení a cenné rady během konzultací. Panu Pavlu Kadlecovi za velkou pomoc v laboratoři. A v neposlední řadě také celé mé rodině a příteli Tomášovi, bez jejich podpory by tato bakalářská práce nemohla vzniknout. Děkuji.
OBSAH: 1.
ÚVOD.................................................................................................................................. 8
2.
TEORETICKÁ ČÁST ......................................................................................................... 9 2.1. UROLITIÁZA ........................................................................................................... 9 2.2. PŘÍČÍNY VZNIKU MOČOVÝCH KONKREMENTŮ ......................................... 10 2.2.1. Vnitřní faktory .............................................................................................. 10 2.2.2. Vnější faktory ............................................................................................... 11 2.3. VZNIK MOČOVÝCH KONKREMENTŮ ............................................................. 12 2.4. DĚLENÍ A PŘEHLED MOČOVÝCH KONKREMENTŮ .................................... 13 2.4.1. Umístění v močovém ústrojí ........................................................................ 13 2.4.2. Chemické sloţení ......................................................................................... 14
3.
EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ............................................................................................. 17 3.1. LABORATORNÍ ČÁST.......................................................................................... 17 3.1.1. chemikálie .................................................................................................... 17 3.1.2. Přístroje ........................................................................................................ 18 3.1.3. Příprava vzorků ............................................................................................ 18 3.1.4. Úprava a odběr vzorků ................................................................................. 18 3.1.5. Analýzy ........................................................................................................ 19 3.2. GEOCHEMICKÉ MODELOVÁNÍ ........................................................................ 19
4.
VÝSLEDKY A DISKUSE ................................................................................................ 20 4.1. KALCIUMOXALÁTOVÉ KONKREMENTY ...................................................... 20 4.2. FOSFÁTOVÉ KONKREMENTY........................................................................... 22 4.3. SMĚS FOSFOREČNANŮ A KALCIUMOXALÁTŮ ........................................... 24
5.
ZÁVĚR .............................................................................................................................. 26
6.
POUŢITÉ ZDROJE........................................................................................................... 27
PŘÍLOHY ................................................................................................................................. 28
1. ÚVOD
V současnosti patří onemocnění tvorbou močových kamenů (urolitiázou) k častým zdravotním problémům. Jedná se o velice bolestivý proces, při kterém dochází ke krystalizaci minerálních látek ve vývodných cestách močových. Velkým rizikem pro nemocné jsou také časté recidivy nemoci. Jelikoţ je léčba velmi zdlouhavá a pro pacienty náročná, je potřeba pomocí moderních metod stanovit mnohem jednodušší způsob analyzování a léčení nemoci. Tato práce by měla přispět k celkovému pochopení vzniku fosforečnanových a oxalátových konkrementů – nejtypičtějších močových kamenů. A dále by měla také vyhodnotit podmínky, za kterých dochází ke zvýšenému riziku tvorby močových kamenů. K tomu budou vyuţity dvě různé metody a jejich následné srovnání. Nejprve se v laboratoři vytvoří roztoky fosforečnanů a šťavelanů. Pomocí kyseliny chlorovodíkové (HCl) a hydroxidu sodného (NaOH) se budou upravovat pH roztoků v rozmezí od čtyř do osmi a půl (škála pro pH lidské moči) a budou odebírány vzorky. Vzorky budou analyzovány a nás ledně zpracovány do grafů v programu Microsoft Office Excel 2007. Ve druhé fázi práce se b udou pomocí programu Geochemists Workbench vytvářet termodynamické modely podmínek vzniku močových kamenů. Cílem práce je porovnat výsledky těchto dvou metod. Prověřit, zda výsledky termodynamických modelů odpovídají reálným laboratorním měřením a určit podmínky, za kterých vzniká zvýšené riziko tvorby močových kamenů.
8
2. TEORETICKÁ ČÁST 2.1.
UROLITIÁZA
Urolitiáza je patologická mineralizace postihující močový trakt (Kořistková 2004a). Onemocnění, které je charakterizováno tvorbou močových konkrementů (kamenů) v ledvinách či vývodných cestách močových. Nález mikroskopických krystalů v močovém sedimentu není povaţován za urolitiázu. Z diagnostického hlediska to však v některých případech můţe znamenat riziko litiázy (nález cystinu) (Stejskal 2009). Ke vzniku kamenů v močových cestách dochází tehdy, kdyţ látky, které jsou za normá lních okolností v moči rozpustné, dosáhnou odpovídajícího přesycení. Vzniklé mikrokrystaly spolu vytvoří močový kámen. Moč za normálních okolností obsahuje látky, které vzniku krystalů brání. Pokud je těchto látek v moči málo nebo pokud je vysoká koncentrace iontů a molekul, které se podílejí na stavbě konkrementů (např. vápenaté kationty, šťavelanové a oxalátové anionty), můţe dojít k tvorbě močových kamenů (CKF 2008). Urolitiáza je typickým multifaktoriálním onemocněním. Podle Kořistkové (2004a) trpí v České republice touto nemocí asi 1 % obyvatelstva, v Anglii 4 % a v Saudské Arábii se udává 20 % postiţených obyvatel ve stáří sedmdesáti let. U dětí je výskyt obecně nízký. Vznik močových konkrementů můţe být následek nebo příznak jiného celkového onemocnění. Mohou vznikat například při tvorbě vysoce koncentrované moči, při opakovaných zánětech ledvinových pánviček a močového měchýře, při nesprávném uţívání některých léků, při blokádách odtoku moči, při dlouhodobém omezení tělesné aktivity (leţící pacie nti) a u geneticky podmíněných poruch látkové výměny. Můţe se uplatnit i kombinace několika faktorů najednou (CKF 2008). Epidemiologicky se jedná o onemocnění časté a s vysokou tendencí k recidivám. Urolitiáza se vyskytuje převáţně v produktivním věku, muţi jsou postiţeni 2–3 krát častěji neţ ţeny. U ţen je vrchol výskytu kolem 30. roku, u muţů ve 40 letech (Stejskal 2009).
9
2.2.
PŘÍČÍNY VZNIKU MOČOVÝCH KONKREMENTŮ
Za normálních podmínek je mezi všemi sloţkami v moči rovnováha a moč je udrţována v tekutém stavu. Pokud dojde k porušení rovnováhy látek v moči, dojde ke změně sloţení a následné krystalizaci konkrementů. Močové kameny vznikají vysráţením iontů nebo molekul z přesyceného roztoku (moči). Urolitiáza je typické multifaktoriální onemocnění, proto ji můţe způsobit jeden nebo ko mbinace více různých činitelů. Faktory, které mohou vyvolat vznik močových kamenů, se rozdělují na vnitřní a vnější. Vnitřní reprezentují etnické, rasové, rodinné a vrozené anatomické předpoklady. K vnějším patří vliv klimatu, příjem tekutin, stravovací návyky v rodině a v rámci populace, dále obsah stopových prvků ve vodách a ve stravě a druh zaměs tnání. Moţnost vzniku močových kamenů také mnohonásobně zvyšují opakované močové infekce. Níţe uvedený přehled byl zpracován podle Kořistkové (2004a).
2.2.1.
Vnitřní faktory
Dědičnost Rodinný výskyt močových kamenů je znám jiţ z historie. Nízký výskyt urolitiázy je typický u severoamerických indiánů, u černošské populace v Africe a Americe a u populace Romů v Evropě. Dědičnost urolitiázy je známá také v chladném pásmu Euroásie. Vyšší výskyt kamenů močového měchýře je obecně spojován se zeměmi s nízkou úrovní hospodářství. Zajímavé je, ţe při zlepšení podmínek dojde pouze ke změně lokalizace urolitiázy z dolního do horního močového traktu. Je zřejmé, ţe vrozené dispozice jso u důleţitým základem pro vznik onemocnění nebo naopak odolnosti vůči němu. Věk a pohlaví První příznaky se u většiny pacientů projeví v období mezi dvacátým a padesátým rokem. Věk se promítá i do kvalitativního sloţení konkrementů. Urolitiáza postihuje př ibliţně 4 % populace. U muţů se objevuje 2– 4 krát častěji neţ u ţen. K recidivám dochází aţ u 50 % nemocných. Včasná diagnóza umoţní předejít akutním komplikacím a určení metabolického podkladu litiázy můţe potom pomoci sníţit recidivy aţ o 80 %.
10
2.2.2.
Vnější faktory
Geografie Existují výrazné geografické rozdíly v četnosti a sloţení konkrementů. S místem výskytu se mění kvalitativní sloţení kamenů. Je patrný význam vrozené dispozice – schopnosti jedince zachovat si náklonnost k tvorbě kamenů nezávisle na změně prostředí. Větší výskyt je prokázán v horských oblastech, v aridním a tropickém klimatu. Oblasti s vyšším výskytem urolitiázy jsou Velká Británie, Skandinávie, střední Evropa, Středozemí, sever Indie a Pákistán, část Malajsie, Čína, severozápad, jihozápad a jihovýchod USA. Nízký výskyt litiázy je znám ze Střední a Jiţní Ameriky a stejných částí Austrálie. Vliv klimatu a ročního období Je známá souvislost mezi vznikem močových kamenů a nejteplejšími měsíci v roce. Vrchol je udáván měsíc aţ dva po ustání nejvyšších ročních teplot. Nárůst způsobuje vyšší koncentrace moči a její kyselosti, kterou ovlivňuje větší vypařování a slunečním záření. Příje m vody Na vznik konkrementů má vliv i minerální sloţení vody v daném regionu a mnoţství přijímaných tekutin. Větší příjem tekutin vede k výraznému sníţení výskytu nemocnosti urolitiázou. Také obsah minerálů ve vodě ovlivňuje sloţení konkrementů. Příje m potravy Urolitiáza je multifaktoriální onemocnění, které lze ovlivnit dietou. Pro úspěšnou léčbu je velmi důleţité upravit stravovací návyky pacienta. Některé potraviny zvyšují vylučování kamenotvorných látek do moči. Patří mezi ně hlavně vápník, fosfáty, proteiny, oxalát y, vláknina, sacharidy, tuky, citráty, sodík, hořčík, alkohol, vitamín D, kyselina askorbová a pyridoxin. Zvýšení rizika vzniku urolitiázy mohou způsobit i potravní návyky například vegetariánství. Zaměstnání Močové kameny se ve zvýšeném mnoţství vyskytují u pacientů se sedavým zaměstnáním v prostorách s vysokými teplotami vzduchu.
11
2.3.VZNIK MOČOVÝCH KONKREMENTŮ Základní podmínkou vzniku urolitiázy je přesycení moči. Moč je nasycený roztok, častěji spíše přesycený vůči řadě minerálních a organických látek, jehoţ sloţení i koncentrace se podle aktuální metabolické situace mění. V moči se nacházejí látky, které zvyšují rozpustnost, a tím brání krystalizaci a agregaci konkrementů. Jsou to mimo jiné inhibitory krystalizace – citráty, pyrofosfáty a magnesium anebo inhibitory agregace
–
kyselé mukopolysa-
charidy, pyrofosfáty a citráty (Dvořáček 2000). Pro vznik urolitiázy jsou tedy zásadní krystalizace a agregace konkrementů z moči. Mechanismus tvorby konkrementů není dosud zcela jasný. Vznik urolitiázy má podle Dvořáčka (2000) dvě teorie: Boyceova teorie vzniku urolitiázy (1969): Tvrdí, ţe nejprve dojde k vytvoření koloidní matrix – uromukoidu. Krystalová teorie vzniku urolitiázy: Předpokládá, ţe primární je krystalová precipitace (vznik nové oddělené pevné fáze ve fázi kapalné) a přítomnost koloidní matrix je povaţována za sekundární. V současnosti se věda přiklání spíše ke krystalové teorii, podle které probíhá vznik močového konkrementu ve třech fázích: nukleace krystalů, krystalový růst a agregace krystalů. Při nukleaci se v zahuštěné moči začnou tvořit jádra. K tomu můţe dojít dvěma různými způsoby. Jádro se tvoří spontánně z látek, které způsobily přesycenost moči – homogenní nukleace. Pokud se vytvoří například z organické matrix nebo z krystalů jiných solí, jde o heterogenní nukleaci. V krystalizační fázi se na povrchu jádra začnou tvořit krystaly, shlukovat se a postupně se zvětšovat. Agregaci krystalů ovlivňuje řada inhibitorů krystalizace a fagocytóza buněk tubulárního epitelu (Balaji a Menon1997).
12
2.4.
DĚLENÍ A PŘEHLED MOČOVÝCH KONKREMENTŮ
Ledvinové kameny můţeme rozdělit podle umístění v močovém ústrojí nebo podle chemického sloţení.
2.4.1.
Umístění v močovém ústrojí
Převáţná většina konkrementů vzniká v ledvinách, v tomto případě také dochází k největším zdravotním komplikacím. Kameny, které projdou do močového měchýře, pacienti většinou spontánně vymočí. nefrolitiáza – výskyt močových konkrementů v dutém systému či parenchymu ledviny kalikolitiáza – výskyt močových konkrementů v ledvinovém kalichu pyelolitiáza – výskyt močových konkrementů v ledvinové pánvičce ureterolitiáza – výskyt močových konkrementů v močovodu cystolitiáza – výskyt močových konkrementů v močovém měchýři prostatolitiáza – výskyt močových kamenů v prostatě uretrolitiáza – výskyt močových konkrementů v močové trubici
1 – nefrolitiáza 2 – kalikolitiáza 3 – pyelolitiáza 4,5 – ureterolitiáza 6,7 – cystolitiáza 8 – uretolitiáza
Obr. 1 Lo kalizace močových kamenů. Upraveno podle Eichenauera aVanherpeho (1992).
13
2.4.2.
Chemické složení
Podle chemického sloţení se močové konkrementy dělí následovně (Dvořáček 2000): kalciová urolitiáza celkově více neţ 80 % Ca-oxalát Ca-fosfáty – častěji sekundární urátová urolitiáza přibliţně 10–15 % cystinové konkrementy méně neţ 1 % a méně obvyklé xanthinové,2,8-dihydroxyadeninové. Tab. 1 Přehled močových kamenů. Zpracováno podle Picka (2000).
MINERALOGICKÝ NÁZEV
CHEMICKÉ SLOŽENÍ
VZOREC
ČETNOST VÝSKYTU %
OXALÁTOVÉ KAMENY Whewellit Weddellit
Šťavelan vápenatý monohydrát Šťavelan vápenatý dihydrát
Ca(C2O4 ).H2O
77,5
Ca(C2O4 ).2H2 O
42,8
FOSFÁTOVÉ KAMENY Apatit Brushit
Fosforečnan vápenatý Hydrogenfosforečnan vápenatý dihydrát
Ca5 (PO4 )3 (OH)
32,5
CaHPO4 ∙ 2 H2 O
1,1
Ca3 (PO4 )2
0,1
C5 H4 N4 O3
10,0
C5 H4 N4 O3 ∙ 2 H2O
5,5
Whitlockit URÁTOVÉ KAMENY Uricit –
Kyselina močová Kyselina močová dihydrát
INFEKČNÍ KAMENY Struvit
Cystin
Fosforečnan hořečnato-amonný hexahydrát Močan amonný L-cystin
MgNH4PO4 ∙ 6 H2 O
5,9
C5 H7 N5 O3 C6 H12 N2 O4 S2
0,9 0,3
– –
2,3 0,6
OSTATNÍ Artefakty Organické zbytky
Různé různé
14
Tabulka znázorňuje přehled různých typů močových kamenů. V další práci se budu zabývat pouze konkrementy, které jsou procentuálně nejvíce zastoupeny. Patří mezi ně kameny z oxalátové a fosfátové skupiny. Následující přehled byl zpracován podle Kořistkové (2004b).
Whe wellit Nejhojnější minerál, ze kterého jsou močové kameny vytvořeny, je whewellit. Vzniká pr imární krystalizací z moči nebo dehydratací weddellitu. Tvoří malé, hladké nebo ledvinité konkrementy hnědé barvy.
Obr. 2 Srůst tabulkovitých krystalů whewellitu,
Obr. 3 Povrch weddellitového konkrementu s os t-
výsledkem těchto srůstů jsou "piškotové" tvary
rými dipyramidáln ími krystaly. Elektronový mik-
známé z močového sedimentu. Elektronový mikro-
roskop. Zvětšeno 1300x. Foto Kalousová (2004).
skop. Zvětšeno 9000x. Foto Kalousová (2004).
Weddellit Weddellit vzniká primární krystalizací z moči, často dehydratuje na velmi jemnozrnné nebo hrubozrnné agregáty whewellitu s patrnou pseudometamorfózou. Někdy tvoří močový písek či drobné kaménky, které mají krystalický povrch.
Apatit Apatit se vyskytuje jako příměs ve struvitových kamenech, dále s oxaláty a brushitem. Tvoří povlaky a vrstvy křídovitého charakteru. Můţe vytvářet i monominerální kameny. Je častý v močovém sedimentu.
15
Obr. 4 Drobné kulovité agregáty krystalků apatitu,
Obr. 5 Zakončení plochých krystalů brushitu,
diagonální strukturu tvoří otisk chirurg ického šic í-
sdruţených do stébelnatého agregátu. Elektronový
ho materiálu. Elektronový mikroskop. Zvětšeno
mikroskop.
2000x. Foto Kalousová (2004).
(2004).
Zvětšeno
540x.
Foto
Kalousová
Brushit Brushit tvoří drobné bílé kaménky s krystalickým povrchem. Obvyklá je příměs apatitu. Vyskytuje se i ve formě močového písku.
16
3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST
Pro určování podmínek vzniku močových kamenů bylo vyuţito dvou metod (laboratorní a modelové) a jejich následného srovnání. Nejp rve byly v laboratoři zkoumány roztoky fosforečnanů a oxalátů. Následně byly pomocí modelovacího programu Geochemist´s Workbench pro oxaláty a fosforečnany vytvořeny termodynamické modely.
3.1.
LABORATORNÍ ČÁST
V laboratoři byly připraveny roztoky fosforečnanů a oxalátů, následně bylo pomocí kyseliny a zásady upraveno pH obou látek tak, aby odpovídalo rozsahu pH v reálné lidské moči. Pro přehlednější znázornění výsledků, interpretaci a porozumění bylo pH roztoků poso uváno po několika desetinných místech v rozmezí od 4 do 8,5 (rozmezí pH v reálné lidské moči). Po kaţdé úpravě vzorků pomocí kyseliny nebo zásady, byl odebrán vzorek pro analýzu a byla provedena měření pH, Eh (mV), vodivosti (mS/cm) a teploty (°C) roztoku. Výsledky analýz byly zpracovány do grafů pomocí programu Microsoft Office Excel 2007.
3.1.1.
chemikálie
V laboratoři byly připraveny zásobní roztoky chlorid u vápenatého, oxalátu sodného a fosforečnanu trisodného dekahydrátu tak, aby se z nich následně mohly vytvořit roztoky, nasycené pro fosforečnan a oxalát a mírně přesycené pro vápník. Zásobní roztoky: Oxalát sodný Na2 C2O4 – 0,27 mol roztok. Fosforečnan trisodný dekahydrát Na3 PO4 . 12H2 O – 0,5 mol roztok. Chlorid vápenatý CaCl2 – 2 mol roztok, 0,54 mol roztok. Kyselina chlorovodíková HCl – 1 mol roztok, 1mmol roztok. Hydroxid sodný NaOH – 1 mol roztok, 1 mmol roztok.
17
3.1.2.
Přístroje
Laboratorní vybavení. Měřící přístroj WTW Multi 350i a jednotlivé elektrody. Při ředění byly měřeny fyzikálně-chemické parametry roztoků – pH, Eh, vodivost a teplota. Teplota a pH byly měřeny elektrodou SenTix 41, oxidačně-redukční potenciál elektrodou SenTix ORP a konduktivita pomocí TetraCon 325.
3.1.3.
Příprava vzorků
Smísením zásobních roztoků – 2 mol CaCl2 a 0,5 mol Na3 PO4 . 12H2 O byl vytvořen Ca5 (PO4)3 (OH) – roztok nasycený vůči fosforečnanu vápenatému. Dále byla stanovena koncentrace vápenatých ionů v roztoku na 7,50.10–3 mol/l, a koncentrace fosforečnanových ionů na 8,45.10–5 mol/l při původním pH 6,60. Druhý roztok vznikl smísením 0,54 mol CaCl2 a 0,27 mol Na2 C2O4 a byl nasycený vůči CaC2 O4 – šťavelanu vápenatému. Koncentrace šťavelanových ionů v roztoku byla 1,17.10–3 mol/l a koncentrace vápenatých ionů byla stanovena na 2,30.10–3 mol/l při počátečním pH 8,06. Třetí roztok vznikl smísením roztoků fosforečnanu vápenatého a šťavelanu vápenatého. Počáteční pH roztoku bylo 10,81, koncentrace vápenatých ionů 3,50.10–3 mol/l, koncentrace fosforečnanových ionů 2,29.10–3 mol/l a koncentrace šťavelanových ionů byla 3,70.10–3 mol/l.
3.1.4.
Úprava a odběr vzorků
U všech vzorků bylo upravováno pH pomocí HCl (sniţování pH) a NaOH (zvyšování pH). Kaţdá úprava byla zaznamenána a bylo provedeno měření pH, EH, vodivosti a teploty. Při sníţení nebo zvýšení pH na poţadovanou hodnotu, byly odebrány vzorky do zkumavek o objemu 15 ml. Následně byly odstředěny při výkonu 3000 otáček za minutu. Z kaţdého odstředěného vzorku bylo odpipetováno 10 ml do odměrné baňky a převedeno na 250 ml zásobního roztoku, který byl odeslán k analýze.
18
3.1.5.
Analýzy
Stanovení sodíku (Na2 O) Pomocí atomové absorpční spektrometrie (metody AAS) v přístroji TJA Solution M6. Stanovení fosforu (P2 O5 ) Pomocí molekulové spektrofotometrie v přístroji Helios δ. Jako molybdáto – vanadáto – fosforečná kyselina nebo (při velmi nízkém obsahu fosforu) molybdenová modř. Stanovení vápníku (CaO) Pomocí titrace – komplexometricky. Titrace 0,01 mol K3 při pH 12 na indikátor fluorexon (digitální byreta Hyrschmann). Stanovení šťavelanu (C2 O4 2– ) Váţkově – pomocí sráţení chloridem vápenatým v prostředí čpavku (NH4 OH) a následnou filtrací přes filtr (modrá páska). Ţíháno při 1000 °C.
3.2.
GEOCHEMICKÉ MODELOVÁNÍ
Vznik močových kamenů je způsoben mnoha různými faktory, které se vzájemně ovlivňují. K celkovému pochopení procesů vzniku konkrementů je dobré, prozkoumat podmínky vytváření a přeměn krystalů nejprve pomocí modelu. Geochemické modelování umoţňuje studovat minerály nejen v jejich přirozeném prostředí, ale i v prostředí ovlivněném různými faktory. Při modelování podmínek vzniku močových kamenů je výhodou především moţnost teoretického určení podmínek, které by měly vést k postupnému rozpouštění konkrementů v močovém ústrojí, nebo k zabránění opětovného vzniku kamenů, a tedy zabránit recidivám. Pro konstrukci stabilitních diagramů byl vyuţit modul Act2 komerčního balíku modelovacích geochemických nástrojů Geochemist´s Workbench®, verze 8.0. (Bethke a Yeakel, 2010). Modely byly konstruovány pro teplotu 22 °C (teplota roztoků v laboratoři). 19
4. VÝSLEDKY A DISKUSE
Cílem praktické části této bakalářské práce bylo prověřit, zda údaje z geochemického modelování odpovídají reálnému měření, které probíhalo v laboratoři po dobu tří měsíců. Vysvětlit případné rozdíly ve výsledcích mezi modely a výsledky analýz. Určit podmínky, za kterých bude zvýšené riziko vzniku močových kamenů. Pro větší přehlednost byly výsledky a jejich diskuse rozděleny do tří skupin fosforečnanové konkrementy, kalciumoxalátové konkrementy a smísení obou látek dohromady. Veškeré tabulky s naměřenými daty, výsledky analýz a hodnotami koncentrací uvádím, včetně fotografií z práce v laboratoři v přílohách.
4.1.
KALCIUMOXALÁTOVÉ KONKREMENTY
Podle Zbořilové (2010) jsou kalciumoxalátové konkrementy nejčastější močové kameny v populaci mezi 10 – 69 lety. Vznik jednotlivých konkrementů řídí rychlost, s jakou vznikají. Za normálních okolností vzniká vţdy jako první whewellit (to dokazuje i obázek. 8) Ostatní jsou rozpustnější, proto bude jejich vznik ovlivňovat rychlost krystalizace. K postupné přeměně whewellitu na jiné fáze dojde, kdyţ vodnatá fáze začne ztrácet vodu. Potom se konkrement začne přeměňovat na dehydratované formy. Do nasycení se v 1 litru vody rozpustilo 5,23 µmolu šťavelanu vápenatého. Koncentrace vápenatých ionů roztoku dosáhla hodnot 2,30.10–3 mol/l. Celková koncentrace šťavelanových ionů byla 1,17.10–3 mol/l při pH roztoku 8,06. Změny koncentrací vápenatých a šťavelanových ionů během úprav pH byly vyneseny do grafů na obrázcích 6 a 7. Experiment byl pro lepší přehlednost a pro případné vyloučení nepřesností v měření prováděn v obou směrech. Nejprve bylo pomocí HCl pH sníţeno do oblasti 3,91 a následně opět zvýšeno pomocí NaOH na pH 8,80. Speciační diagram na obrázku 9 znázorňuje volně rozpuštěné látky v roztoku šťavelanu vápenatého při různém pH. Typ vápenatého šťavelanu bude ovlivněn nejen koncentrací vápenatých a šťavelanových ionů, ale také jejich speciací (formou).
20
0,007
koncentrace C2 O4 2– (mol l–1 )
koncentrace Ca2+ (mol l–1 )
0,006 0,005
0,004 0,003 0,002 0,001
0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001
0
0 3
4
5
6
7
8
9
3
4
5
klesá pH Obr.
6
Graf
koncentrace
6
7
8
9
pH
pH klesá pH
roste pH vápenatých
ionů
Obr.
7
Graf
koncentrace
roste pH šťavelových
ionů
v roztoku. Nejvyšších hodnot dosáhla koncentrace
v roztoku. Nejvyšších hodnot dosáhla koncentrace
Ca2+ při pH 5,56 – 4,90.10–3 mo l/l. Nejn iţší koncen-
C2 04 2– při pH 8,80 – 5,80.10–3 mo l/l. Nejniţší kon-
trace byla při pH 7,55 – 1,65.10–3 mo l/l.
centrace při pH 8,06 – 1,17.10–3 mo l/l.
Obr. 8 Stabilitn í diagram šťavelanových látek
Obr. 9 Speciační diagram pro ro zpuštěné vápenaté
v závislosti na p H a aktivitě ro zpuštěných vápena-
látky v závislosti na pH a aktivitě ro zpuštěných šťa-
–3
tých ionů s aktivitou 10 . Ţlutými body je znázor-
velanů. Přechod pH v hodnotě 4,24.
něno sniţování pH, červenými body růst pH.
Podle grafů 6 a 7 byly koncentrace C2 O42– a Ca2+ během úprav pH roztoku různé. Tyto odchylky v řádu 0,002 mol/l mohly vzniknout při analyzování velmi malého mnoţství ionů v roztoku. 21
Po vloţení hodnot do stabilitního diagramu (obr. 8), byl na logaritmické škále rozdíl hodnot minimální. To znamená, ţe závislost koncentrace vápenatých ionů na pH roztoku je velmi malá. Rozpustnost vápenatých a šťavelových ionů je mnohem vyšší, neţ modelově vychází. Rozdíl je v řádu 1.103 . Nejlogičtějším vysvětlením problému bude pravděpodobně velikost částic sraţeniny v roztoku. Na rozdíl od modelu byly velikosti krystalů ve sraţenině v řádu desítek aţ stovek nanometrů. Tyto rozměry způsobyly mnohonásobně vyšší a rychlejší rozpustnost sloţek roztoku. Rozdíl v rozpustnosti by měl být niţší po odstátí roztoku a jeho „vyzrání“, během kterého sraţenina lépe vykrystalizuje a zrna budou větší.
4.2.
FOSFÁTOVÉ KONKREMENTY
Do nasycení se v 1 l čisté vody rozpustilo celkem 0,591 µmolu hydroxylapatitu. Koncentrace vápenatých ionů dosáhla hodnot 7,50.10–3 mol/l a celková koncentrace fosforečnanových ionů byla 8,45.10–5 mol/l. Výsledné pH roztoku 6,60. Změny koncentrací vápenatých a fosforečnanových ionů při úpravách pH byly vyneseny do grafů na obrázcích 10 a 11. Zvyšování pH bylo provedeno pomocí roztoku NaOH
0,045
0,08
0,040
0,07
koncentrace Ca2+ (mol l–1 )
koncentrace PO4 3– (mol l–1 )
a sniţování pH roztokem HCl.
0,035 0,030
0,025 0,020 0,015 0,010
0,005
0,06
0,05 0,04 0,03 0,02 0,01
0
0,000 4
5
klesá pH
6
pH
7
8
9
4
5
6
7
8
9
pH
roste pH
klesá pH
roste pH
koncentrace
vápenatých
Obr. 10 Graf koncentrace PO4 3– ionů v roztoku
Obr. 11
dosahuje nejvyšších hodnot v alkalické oblasti
v roztoku dosahuje nejvyšších hodnot v alkalické
–2
3,90.10
mol/l. S n iţším p H koncentrace klesá. –4
Od pH 5,96 je koncentrace nízká 1,41.10 mo l/l.
Graf
ionů
oblasti 0,0744 mo l/l. S klesajícím pH klesají i hodnoty koncentrace vápenatých ionů.
22
Obr. 12 Stabilitní diagram fosforečnanových látek
Obr. 13 Speciační d iagram pro ro zpuštěné vápena-
v závislosti na pH a aktivitě rozpuš těných vápena-
té látky v záv islosti na pH a aktiv itě ro zpuštěných
–3
tých ionů s aktivitou 10 . Ţlutými body je znázor-
fosforečnanů. Přechod pH v hodnotě 7,20.
něno sniţování pH, červenými růst pH.
Stejně jako u předchozího roztoku byl typ vysráţených fosforečnanů vápenatých ovlivněn nejen celkovou koncentrací rozpuštěných ionů, ale i jejich speciací. Z výsledků grafů na obrázcích 10 a 11 vyplynula závislost koncentrací vápenatých a fosforečnanových ionů na pH roztoku. Se sniţujícím se pH se koncentrace prudce zvyšovala. Po přenesení výsledků měření do stabilitního diagramu (obr. 12) bylo zjištěno, ţe v logaritmické škále aktivity vápenatých ionů není výrazná závislost koncentrace Ca2+ ionů na pH. Laboratorní výsledky se dále s modelem neshodovaly v rozpustnosti látek v roztoku.
Na
rozdíl od
modelových podmínek
byla
rozpustnost
vápenatých
a fosforečnanových ionů, stejně jako u předchozího roztoku šťavelanů, tisícinásobně vyšší. Graf dále ukazuje na fakt, ţe v oblasti s niţším pH (do pH 6) se bude se z roztoku sráţet whitlockite, od pH 6 se bude sráţet hydroxylapatit. Podle analýz vzorků lidské moči, které poskytla encyklopedie Britannica (2011) je při pH 6 koncentrace vápenatých ionů 3,74.10–3 mol/l a koncentrace fosforečnanových ionů 1,26.10–2 mol/l. Při laboratorním měření byly pro pH 5,96 výsledky analýzy PO 4 3– ionů 1,78.10–4 mol/l a Ca2+ ionů 1,00.10–2 mol/l. Koncentrace minerálních látek, které se objevují v moči za normálních podmínek u zdravých jedinců, jsou tedy téměř stejné jako 23
koncentrace látek roztoků připravených v laboratoři. Tyto výsledky ukazují na fakt, ţe není nutná ţádná velká změna v prostředí močových cest, aby došlo ke krystalizaci močových kamenů.
4.3.
SMĚS FOSFOREČNANŮ A KALCIUMOXALÁTŮ
Smísením obou roztoků do jednoho byly sledovány vzájemné vztahy mezi oxaláty a fosforečnany. V reálném systému se tyto dvě sloţky nevylučují, proto je pro správnou interpretaci výsledků nutné vědět, která látka krystalizuje v roztoku přednostně při stejných koncentracích Ca2+, PO 43– a C2O4 2– ionů. Počáteční koncentrace vápenatých ionů v roztoku byla 3,50.10–3 mol/l koncentrace fosforečnanových ionů 2,29.10–3 mol/l a koncentrace oxalátových ionů byla 3,70.10–3 mol/l při pH roztoku 10,81. 0,08
0,05
koncentrace Ca2+ (mol l–1 )
koncentrace PO4 3- (mol l–1 )
0,06
0,04 0,03 0,02
0,01
0,07 0,06
0,05 0,04 0,03 0,02 0,01
0
0 3
4
5
6
7
8
9
10
11
3
klesá pH
4
5
6
7
8
9
10
11
pH
pH
klesá pH
roste pH
roste pH
Obr. 14 Graf koncentrace fosforečnanových ionů
Obr. 15
v roztoku. Nejvyšších hodnot dosáhla koncentrace
v roztoku. Nejvyšších hodnot dosáhla koncentrace
PO4
3–
–2
při pH 4,07 – 5,45.10
mo l/l. Nejn iţší kon-
centrace byla při p H 10,7 – 5,64.10–5 mol/ l.
Graf koncentrace vápenatých ionů
Ca2+ při pH 3,12 – 7,52.10–2 mol/ l. Nejniţší koncentrace byla při p H 7,35 – 2,35.10–3 mol/ l.
24
koncentrace C2 O4 (mol l–1 )
0,0040 0,0035 0,0030 0,0025 0,0020 0,0015 0,0010 0,0005 0,0000 3
4
5
6
7
8
9
10
11
pH
klesá pH
roste pH
Obr. 16 Graf koncentrace šťavelanových ionů v –3
roztoku dosahuje nejvyšších hodnot 3,70.10
Obr. 17 Stabilitní diagram fosforečnanových
mol/ l
a o xalátových látek v záv islosti na pH a aktiv itě
–4
2,46.10
rozpuštěných vápenatých ionů s aktivitou 10–3 .
mo l/l, které je při zvyšování pH od 5,25 konstantní.
Ţlutými body je znázorněno sniţování pH, červe-
při pH 10,81. Nejniţší hodnoty jsou
nými růst pH.
Koncentrace vápenatých a fosforečnanových ionů (obr. 14, 15), jsou podobně jako pro roztok samotných fosforečnanů vysoké v kyselé oblasti a směrem do oblasti s vyšším pH klesají koncentrace prudce dolů. Oxalátové iony (obr. 16) mají naopak koncentraci vyšší v oblasti zásaditého pH. V opačném kroku, zvyšování pH, uţ zůstávala koncentrace C2 O42– téměř konstantní. Ze stabilitního diagramu můţeme vyčíst, ţe v oblasti s pH v rozmezí 4 – 8,5 vykrystalizuje dříve neţ hydroxylapatit whewellit. Z toho se dá usoudit, ţe se budou v roztoku sráţet přednostně oxaláty.
25
5. ZÁVĚR
Cílem bakalářské práce bylo pomocí praktického měření v laboratoři ověřit, zda se výsledky laboratorních analýz shodují s termodynamickými modely podmínek vzniku močových kamenů, vytvořených pomocí programu Geochemists Workbench. Následně určit podmínky, při kterých dochází ke zvýšenému riziku tvorby močových kamenů. Práce je rozdělena na dvě části. V teoretické části je komplexně shrnuta charakteristika urolitiázy a přehled nejčastějších typů močových kamenů. Experimentální část se zabývá výsledky laboratorního měření a termodynamických modelů. Ze vzájemného srovnání výzkumu plynou následující závěry: Z analýz vyplývá, ţe pH roztoků přímo ovlivňuje koncentrace ionů zjišťovaných látek. Výsledky stabilitních diagranů ovšem prokazují, ţe pH roztoků zásadně neovlivňuje vznik konkrementů. Krystaly se tvoří v celé škále pH od 4 do 8,5 (pH charakteristické pro lidskou moč). Reálná rozpustnost vápenatých, šťavelových i fosforečnanových ionů je oproti modelu vyšší v řádu tisíců. To je pravděpodobně způsobeno „nevyzrálostí“ sraţenin v roztocích. Vzniklé krystaly mají velikost desítek aţ stovek nanometrů. Pro dosaţení srovnatelných výsledků s modelem je potřebné, aby se velikost krystalů zvětšila. Pro ověření tohoto tvrzení, by se měla měření ve stávajících roztocích opakovat ještě jednou po přibliţně 3 aţ 4 měsících. To by mohla být dostatečně dlouhá doba pro zvětšení krystalů sraţeniny. Ve smíšeném roztoku šťavelanů a fosforečnanů bude přednostně krystalizovat šťavelan a to ve formě whewellitu. Koncentrace fosforečnanových, šťavelanových a vápenatých ionů, které se běţně vyskytují v lidské moči podle encyklopedie Britannica (2011) jsou srovnatelné s koncentracemi ionů z laboratorních analýz. Z toho plyne, ţe rovnováha mezi močí zdravého člověka a vznikem krystalů v močovém ústrojí je velmi křehká. Nejsou zapotřebí velké výkyvy běţného sloţení moči ke vzniku močových konkrementů.
26
6. POUŽITÉ ZDROJE
BALAJI, K. Menon, M. (1997): Mechanism of stone formation. Urologic Clinics of North America, 24, 1, s. 1–11. BETHKE C. M., YEAKEL S. (2010): GWB Essentials Guide. The Geochemist’s Workbench® Release 8.0. University of Illinois, Urbana. 130 s. CKF (2008): Česká nadace pro nemoci ledvin: Urolitiáza – močové kameny [online]. [cit. 2010–12–09]. Dostupné na www: http://www.nadaceledviny.cz/informacni-brozurkyurolitiaza- mocove-kameny.html?idAktualni=1430&jazyk=cz. DVOŘÁČEK, J. (2000): Urologie praktického lékaře. ISV nakladatelství. Praha. s. 197– 201. ISBN 80-85866-52-8. EICHANAUER, R. VANHERPE, H. (1996): Urologie klinika a praxe. Scientia medica Praha. s. 403– 417. ISBN 3-8243-1150-X. ENCYCLOPEDIA BRITANNICA (2011 ): „renal system“ [online]. [cit. 2011–04–18]. Dostupné na www: http://www.britannica.com/EBchecked/topic/497969/renal-system. KOŘISTKOVÁ, T. (2004a): Urolitiáza [online]. [cit. 2010–12–04]. Dostupné na www: http://calculi.cz/urolitiaza.php. KOŘISTKOVÁ, T. (2004b): Druhy močových konkrementů [online]. [cit. 2010–12–04]. Dostupné na www: http://calculi.cz/material.php. PICK, P. (2000): Biochemická syndromologie nemocí ledvin a močových cest [online]. [cit. 2010–12–11]. Dostupné na www: http://www1.lf1.cuni.cz/~kocna/biochem/text4.htm. STEJSKAL, D. (2009): Metabolická problematika v léčbě urolitiázy [online]. [cit. 2010– 12–06]. Dostupné na www: http://www.solen.cz/pdfs/uro/2009/02/05.pdf. ZBOŘILOVÁ, E. (2010): Výskyt močových kamenů v ČR a modelace podmínek jejich vzniku. MS, bakalářská práce. Chemická fakulta vysokého učení technického, Brno.
27
PŘÍLOHY Seznam příloh: Příloha 1: Hodnoty výsledků měření a laboratorní analýzy odebraných vzorků u šťavelanů. Příloha 2: Hodnoty výsledků měření a laboratorní analýzy odebraných vzorků fosforečnanů. Příloha 3:
Hodnoty výsledků měření a laboratorní analýzy odebraných vzorků u společného roztoku šťavelanů a fosforečnanů.
Příloha 4: Přepočet koncentrací látek v roztoku šťavelanu pro přenesení do termodynamického modelu. Příloha 5: Přepočet koncentrací látek v roztoku fosforečnanů pro přenesení do termod ynamického modelu. Příloha 6: Přepočet koncentrací látek v roztoku fosforečnanů a šťavelanů pro přenesení do termodynamického modelu. Příloha 7: Fotografie prací v laboratoři.
28
Příloha 1: Hodnoty výsledků měření a laboratorní analýzy odebraných vzorků u šťavelanů.
Příloha 2: Hodnoty výsledků měření a laboratorní analýzy odebraných vzorků u fosforečnanů.
Příloha 3: Hodnoty výsledků měření a laboratorní analýzy odebraných vzorků u společného roztoku šťavelanů a fosforečnanů.
Příloha 4: Přepočet koncentrací látek v roztoku šťavelanu pro přenesení do termodynamického modelu.
Příloha 5: Přepočet koncentrací látek v roztoku fosforečnanů pro přenesení do termodynamického modelu.
Příloha 6: Přepočet koncentrací látek v roztoku fosforečnanů a šťavelanů pro přenesení do termodynamického modelu.
Příloha 7: Fotografie prací v laboratoři.
