Ученые запустили в искусственную мочу бактерии и получили фосфатные камни

Кристалл струвита и клетки бактерии на микрофотографии искусственной мочи. Рисунок из обсуждаемой статьи

Mikołaj Skubisz et al. / Scientific Reports, 2022

Польские физики и химики смоделировали образование фосфатных почечных камней при помощи искусственной мочи и уропатогенных бактерий. Эксперименты in vitro в сочетании с компьютерным моделированием показали, что область оптимальных значений pH (pH-оптимум) для образования струвита, компонента фосфатных камней, лежит в пределах 8–9, сдвигаясь в нейтральную сторону с увеличением концентрации фосфорной кислоты. Добавление культуры бактерии Proteus mirabilis снизило pH-оптимум образования струвита при низкой концентрации фосфатов с 9,0 до 8,5. Статья опубликована в журнале Scientific Reports.

Среди современных людей широко распространена мочекаменная болезнь (МКБ), и заболеваемость ею в мире и в России за последние десятилетия выросла на десятки процентов. В этом обвиняют глобальные изменения диеты, в том числе потребление газированных напитков, содержащих консервант фосфорную кислоту. Как правило, состав почечных камней смешанный, с большим содержанием неорганических фосфатов.

Важный компонент фосфатных камней — кристаллы струвита (гексогидрат фосфата аммония-магния), который образуется в мочевыводящих путях в присутствии аммиака, фосфатов и солей магния. Фосфат и магний имеют алиментарное происхождение: чем их больше в рационе, тем выше концентрация в моче (хотя нарушения обмена веществ тоже влияют на концентрацию). Для образования же аммиака необходимо инфицирование мочевыводящих путей бактериями, разлагающими мочевину до аммиака и углекислого газа при помощи фермента уреазы. Известно, что при пониженной почечной функции уровень фосфора в крови повышается, а гиперфосфатемия у людей с уже сниженной почечной функцией способствует ее дальнейшему снижению. Неясно, усиливается ли образование кристаллов струвита в ответ на рост количества фосфорной кислоты и фосфатов в моче.

Физики и химики из Университета Лодзи при участии Иоланты Прывер (Jolanta Prywer) решили смоделировать процесс формирования струвита и описать условия протекания реакции и факторы, на нее влияющие. Для начала они взяли искусственную мочу (коммерчески доступный раствор солей, мочевины, соевого белка, соответствующий по основным физико-химическим свойствам человеческой моче), из которой удалили соли кальция. Исходный pH раствора составлял 5,8 что укладывается в диапазон pH человеческой мочи.

Чтобы воссоздать появление ионов аммония в моче, добавляли либо раствор аммиака в концентрации до 1,2 моль на литр, либо культуру бактерии Proteus mirabilis, обладающей уреазной активностью, в количестве 5 × 105 клеток на миллилитр (что соответствует концентрации при уроинфекциях). Концентрации соединений фосфора (в составе дигидросфосфата калия и ортофосфорной кислоты) составляли от 20 до 83 миллимоль на литр, и были рассчитаны исходя из рекомендаций диетологов по максимальному потреблению фосфора в сутки (нижняя граница взятого диапазона примерно соответствует верхней границе уровня фосфатов в моче у человека в норме). Обе смеси инкубировали при температуре тела в течение суток под мониторным контролем pH.

Чем выше была исходная концентрация фосфорной кислоты, тем при более низкой pH обнаруживали кристаллы струвита. Причем сначала происходило формирование мелких кристаллов, только при дальнейшем защелачивании среды увеличивался их размер, и уже потом у них появлялись дендриты — разветвленные отростки кристаллов, которые могут травмировать эпителий почек, что важно для возникновения МКБ. Если при концентрации фосфатов в 20 миллимоль на литр струвит начал образовываться при pH 8,2–8,5 (что лежит на верхней границе реального диапазона pH мочи человека), а pH-оптимум приходился на 9,0, то при четырехкратно более высокой концентрации фосфатов химики обнаружили в растворе кристаллы струвита уже при pH 7,5.

Самые крупные кристаллы формировались при средних из протестированных концентраций фосфатов (40-60 миллимоль на литр), при дальнейшем росте концентрации размер кристаллов падал, но количество кристаллов с дендритами увеличивалось. Моделирование показало, что наличие в растворе цитрата и гидроцитрата магния способствует росту кристаллов.

Когда вместо аммиака добавляли культуру P. mirabilis, то отдельные кристаллы струвита появились в растворе уже начиная с pH 6,5–7,0, а pH-оптимум при концентрации фосфатов 20 микромоль на литр сместился на 0,5 единицы в сторону нейтрального значения (эксперимент не удалось провести с более высокими концентрациями фосфорной кислоты, поскольку они оказались губительны для бактерий). Кристаллы в бактериальной части эксперимента по размеру не отличались от полученных при тех же условиях в безбактериальной системе.

Ученые пришли к выводу, что оптимальные условия образования струвита в искусственной моче формируются при pH от 7,5 при высокой концентрации фосфора (в 2–3 раза выше обычной), а высокий уровень других органических солей магния (в первую чередь цитрата) способствует росту фосфатных камней. В приближенных к человеческму организму условиях, в присутствии бактерий, pH образования камней сдвигается к 7,0. Избыточное потребление ортофосфорной кислоты в составе колы и других газированных напитков должно очень слабо влиять на рост фосфатных камней, поскольку ведет к снижению выработки аммиака бактериями, отмечают авторы. Наиболее опасен для почек уровень фосфатов в моче 40-60 миллимоль на литр, а дальнейший рост концентрации ослабляет повреждающее действие кристаллов струвита на почки.

От редактора

В прогрессировании МКБ важную роль играет кристаллизация солей кальция (оксалаты, фосфаты и гидрофосфаты), но в описываемой статье все соединения кальция были удалены из химической системы. Таким образом, этот эксперимент моделирует лишь часть сложной и многогранной картины патогенеза МКБ, и для более детальной имитации процесса необходимы более сложные химические системы, более близкие к составу мочи человека.

Так попытка смоделировать оптимальные условия формирования струвитного компонента фосфатных камней продемонстрировала оптимальные условия их формирования — высокий (но не запредельно) уровень гидрофосфатов при высоком pH и в условиях инфекции.

Нетривиальные подходы к моделированию условий среды организмы человека, вроде искусственной мочи с культурой бактериальных клеток, часто дают интересные результаты. Например, автомат для создания сладкой ваты позволил сымитировать микроциркуляторное русло органов.

Сергей Задворьев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.