حركية التبلور وتحول الطور في المعادن الحيوي (ما هي الجسور بلورات في حصوات الكلى؟)

ملخص

سيتم دراسة آلية تكوين حصوات الكلى وديناميكيات نظام النيفرون باستخدام الأساليب التجريبية والنظرية. العلاج الجراحي لحصوات الكلى لا يمنع تكرارها. الآلية الدقيقة لتشكيلها لا تزال غير معروفة. تتعلق الفرضية بدور البروتينات في هذه العملية. إن فهم دورها الملزم يمثل تحديًا كبيرًا سيكون محور هذا البحث. أثبتت الأعمال السابقة، بما في ذلك أعمال المشرف، أن فترة بقاء السائل في نفرون الكلية كافية لإنتاج بلورات دقيقة يتم تفريغها بشكل طبيعي دون التسبب في أي ألم. تكون حصوات الكلى نتيجة لتجمع البلورات. لم يتم دراسة تطور النظام الكيميائي المعقد لسائل النيفرون، بما في ذلك التوازن الأيوني، وتفاعلات البروتين وتحولات الطور للأملاح الموجودة (الفوسفات، الأكسالات، اليورات وما إلى ذلك) كبيئة لتكوين الحصوات ويمثل تحديًا بحثيًا كبيرًا. في ظروف التشبع الفائق، تشكل مجموعة متنوعة من الأملاح بلورات قد تتجمع لاحقًا وتشكل حصوات الكلى. تعتبر الديناميكيات الهيكلية لنظام التبلور على مستويات النواة البلورية والنمو والتجميع وتحول الطور ذات أهمية قصوى لفهم آلية تكوين الحجر. سيقوم المشروع بالتحقيق في الظواهر التي تؤدي إلى تكوين الحجارة باستخدام النمذجة الرياضية والأساليب التجريبية. وسيكون الهدف هو تطوير واختبار منهجية للتنبؤ بتكوين حصوات الكلى وعلى هذا الأساس اقتراح توجيهات لتصميم أدوية جديدة للوقاية منها. فرص لتطبيق الأساليب التي تم تطويرها لدراسة عمليات التمعدن الحيوي الأخرى على سبيل المثال. سيتم استكشاف تمعدن الأنسجة الضرورية (العظام والأسنان) والمميتة (الشرايين والدماغ وما إلى ذلك). سيتم إجراء هندسة عكسية لنفرون الكلية لتكوين نموذج للنظام الكيميائي الحيوي المعقد مع العمليات التي تحدث في وقت واحد للنواة البلورية والنمو والتجميع وتحول الطور في نظام السوائل في النيفرون. سيسمح هذا النموذج الرياضي المتكامل بالمحاكاة العددية لتكوين حصوات الكلى. سيتم تطبيق المجهر الإلكتروني الماسح الذي يدمج التحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة للطاقة، ومطياف رامان وحيود الأشعة السينية، بما في ذلك السنكروترون، لدراسة الشكل والتركيب البلوري والتركيب الكيميائي لحصوات الكلى وحيود الليزر - لتوزيع البلورات حسب الحجم (الحجم) ولتقدير توزيع حجم البلورة في المجموع. سيتم استخدام المسح التطوري لعينات المرضى المتكررة للتحقق من النموذج. سيتم تشغيل المشروع ضمن التعاون بين جامعة ليدز وقسم المسالك البولية في مستشفى ليدز التعليمي.

مقدمة

يظل تحصي المسالك البولية/تحصي الكلية مرضًا مزمنًا، ولا يزال تفسيرنا الأساسي لنشوء الحصوات بالإضافة إلى الوقاية منها وعلاجها بدائيًا. يعد تأثير منع تكون حصوات الكلى على توفير الخدمات الصحية الوطنية والأفراد كبيرًا، حيث زاد عدد حالات الإصابة بالمستشفى بنسبة 70% على مدار فترة 15 عامًا (بيانات إحصائيات حالات الإصابة بالمستشفى). وفي أوروبا، تأثر ما يصل إلى 8% من السكان، لكن هذا العدد آخذ في الارتفاع. تشير التقديرات إلى أن ما لا يقل عن 720.000 فرد يعانون حاليًا من مشاكل حصوات الكلى في المملكة المتحدة. في الولايات المتحدة، يصاب 10.6% من الرجال و7.1% من النساء. العلاج الجراحي لحصوات الكلى لا يمنع تكرارها. لا يوجد حتى الآن وقاية معترف بها من حصوات الكلى والأمراض الأخرى الناجمة عن التصلب. تمثل الأحجار المنتج النهائي لسلسلة طويلة من الأحداث. ومع ذلك، فمن الواضح الآن أنه بمجرد أن يتم إزاحة حساب التفاضل والتكامل من الحليمة، يكون قد فات الأوان. تشير الدلائل المتزايدة إلى أن تحصي الكلية يرتبط بأمراض جهازية مثل السمنة والسكري وأمراض القلب والأوعية الدموية. يفرض حصوات الكلى عبئًا كبيرًا على نظام الرعاية الصحية، ومن المرجح أن يتزايد مع مرور الوقت2.

أثبتت الأعمال السابقة، بما في ذلك أعمال المؤلفين3، أن وقت بقاء السائل في النيفرون كافٍ لإنتاج بلورات دقيقة يتم تفريغها بشكل طبيعي دون التسبب في أي ألم. تكون حصوات الكلى نتيجة لتجمع البلورات. الآلية الدقيقة لا تزال مجهولة. تتعلق الفرضية بدور البروتينات في تجميع البلورات وتكوين الحجارة. ويشكل فهم دورهم الملزم تحديا كبيرا. لم يتم دراسة تطور نظام الأنواع المعقد لسوائل النيفرون، بما في ذلك التوازن الأيوني وتفاعلات البروتين، من أجل تكوين الحصوات ويمثل تحديًا بحثيًا كبيرًا. يعد الكشف المبكر عن نوى الحصوات وتعطيلها هدفًا لعلاج تحص بولي وغيره من الأمراض المرتبطة بالتصلب.

خلفية البحث

هناك آليتان رئيسيتان مقترحتان وأو تكوين حصوات الكلى، أي آليات الجسيمات الحرة والثابتة. تلعب لويحات راندال وتفاعلات جدار الخلايا البلورية دورًا مهمًا في تكوين الحصوات، خاصة في صانعي حصوات أكسالات الكالسيوم مجهولة السبب. أظهرت الدراسات الحديثة المعتمدة على خزعات الكلى أن رواسب الأباتيت على اللويحة تنشأ من الأغشية القاعدية للحلقات الرقيقة من هنلي ثم تنتشر في النسيج الخلالي المحيط. قد يتم تطبيق آليات مختلفة تؤدي إلى زيادة تشبع الأنسجة، ولكن فهم آلية تجميع البلورات يتطلب النظر في دور الجزيئات الكبيرة الموجودة في تكوين الطور المكثف.

تمت دراسة التبلور، وخاصة أحادي هيدرات أكسالات الكالسيوم (COM) على نطاق واسع، ولكن تم إجراء العديد من التبسيطات، لا سيما فيما يتعلق بتوزيع البلورات حسب الحجم والشكل، على سبيل المثال. عمل فينلايسون وريد4، كوك وخان5، روبرتسون وبيكوك6. هدفنا هو القيام بالخطوة الإضافية المتمثلة في ربط حجم البلورة بتجميع البلورات من خلال التمييز بين الروابط التي تم إنشاؤها بين البلورات ذات الأحجام المختلفة. وهذا من شأنه أن يسمح أيضًا بتحديد الجزء من النيفرون حيث تبدأ آلية الجسيمات الحرة لتكوين حصوات الكلى.

تم إجراء محاولات حديثة لتحليل المواد البلورية العضوية7. سيتم "الكشف عن المصفوفة العضوية"8 باستخدام معدات أفضل بكثير من السابق. سيتطلب ذلك عملًا مجهريًا إلكترونيًا مكثفًا بالإضافة إلى نمذجة متطورة داخل السيليكو باستخدام علاقات التدفق الديناميكي الحراري والحركي والسوائل بين معلمات نظام النيفرون. يوجد دائمًا سائل محصور بين البلورات الفردية في مجموع بلوري وسيسمح لنا تحليل SEM بمراقبة المرحلتين: البلورات والسائل المغطى كمرحلة جديدة. لا نعرف حتى الآن ما إذا كان السائل يشكل جسورًا كيميائية أو فيزيائية بين البلورات، لكننا سنأخذ في الاعتبار كلا الفرضيتين.

استنادًا إلى الأعمال السابقة 5,9، سيتم دراسة دور مجموعة متنوعة من المواد الرابطة المحتملة في تكوين الحجر وسيكون تحديدها في العينات هدفًا. ومن المتوقع أن يتم إثراء قائمة المجلدات المعروفة بتلك التي كان من المستحيل مراقبتها من قبل. ستكون الحداثة في الكشف عن نوع الجسور التي تنشئها المجلدات. وهذا من شأنه أن يسمح بتحديد الطريق لتدميرها ومنعها بشكل فعال.

الهدف من البحث هو تحديد الطبيعة الفيزيائية والكيميائية للجسور في التجمعات البلورية للسماح بإنشاء نموذج جزيئي داخل السيليكو للظواهر التي تؤدي إلى تكوين حصوات الكلى. إن دراسة التركيب الكيميائي وتكوين الجسور بين البلورات في حصوات الكلى من شأنه أن يسمح بإعادة بناء البيئة السائلة في النيفرون خلال فترة تكوين الحصوات (من المستحيل مراقبتها داخل الجسم الحي حاليًا) باستخدام تحليلات SEM لحصوات الكلى.

منهجية البحث

سيتم استخدام مرافق مركز ليدز للفحص المجهري والتحليل الطيفي (LEMAS) في كلية الهندسة الكيميائية وهندسة العمليات لدراسة البنية والتركيب الكيميائي لعينات حصوات الكلى من أجل الكشف عن دور النظام الكيميائي العضوي وغير العضوي والأيوني الجزيئي المعقد في نفرون الكلى في تكوين الحصوات. إن تحليل التوازن الكيميائي الحيوي في العينات سيسمح بإلقاء نظرة ثاقبة على آلية تكوين حصوات الكلى ودور البروتينات كمواد رابطة في عملية التجميع.

تتضمن خطة المشروع تلخيصًا لعدد كبير من دراسات التسويق عبر محركات البحث (SEM). سيتم تقديم العينات (من صانعي الحجارة المتكررة) إلى إعداد العينات اللازمة لاستخراج المعلومات المطلوبة على مستويات مختلفة. سيتم تطبيق تحليل EDX الكمي. مع استخدام أجهزة كشف الانجراف السيليكونية الحديثة بدون نوافذ، يمكن لـ EDX في SEM الآن تقديم معلومات مفيدة حول تكوين العناصر الخفيفة خاصة عندما يتم تضمين تصحيحات الامتصاص الدقيقة في إجراءات برامج تصحيحات ZAF الكمية المتوفرة في حزمة برامج Oxford Instruments Aztec. كلا هذه المرافق متوفرة في LEMAS11. يعد تحديد العناصر الموجودة في طيف EDX أمرًا روتينيًا نسبيًا. من الممكن تحسين إمكانية التحليل الكمي باستخدام EDX من خلال تطبيق طرق تصحيح شدة الأشعة السينية. أحد التصحيحات الشائعة المطبقة هو امتصاص الإشارة. تم تطوير طريقة كمية EDX حديثة تسمى نهج عامل z (زيتا) والذي يتضمن تصحيح الامتصاص وكذلك تصحيح الفلورة لتحديد التركيبات. كما أن حاملات العينات المصنوعة من الجرافيت أو البريليوم تقلل من الامتصاص أيضًا.

للحصول على تحليلات أكثر دقة، بما في ذلك استخراج معلومات الروابط الكيميائية للعناصر الخفيفة، يمكن أخذ مقاطع عرضية رفيعة خاصة بالموقع (تحت ظروف التبريد باستخدام شعاع مزدوج تم تركيبه حديثًا FIB/SEM)) لتحليلات TEM وElيستخدم التحليل الطيفي لفقد طاقة الإلكترون (EELS) في TEM لاستجواب الغراء الكيميائي الحيوي. ويمكن إجراء مزيد من التحليل النوعي للسطح باستخدام التحليل الطيفي للأشعة السينية الضوئية بالضغط المحيطي القريب.

لا نعرف بالضبط مدى وجود السائل المسدود في حصوات الكلى ولكننا نخطط لإنشاء خريطة توزيع لكثافة الحصوات وتحديد المراحل المختلفة منها. سيتم أيضًا دراسة توزيع البلورات حسب النوع والحجم والشكل في المجاميع فيما يتعلق بتحديد السلائف الأولية لحصوات الكلى. ستسمح مرافق SEM/TEM المتاحة بإجراء تحليلات نوعية (للمركبات الكيميائية) وكمية للجسور (حجم البلورات وتوزيعها، والمعلمات السطحية والهيكلية، والتركيب الكيميائي). تعد المعدات الحديثة والخبرة المطلوبة المتوفرة في LEMAS من نقاط القوة الرئيسية للمشروع.

سيكون مقر طالب الدكتوراه في LEMAS، ولكن سيتم إجراء الاجتماعات والدراسات المعملية أيضًا في مستشفى سانت جيمس في ليدز. ستكون هناك اجتماعات نصف شهرية للتقدم بقيادة أطباء المسالك البولية. سيتم تنظيم ندوات موضوعية، مثل قائمة "المجلدات" المحتملة، وتحليلات الصور، وتقلبات الحجر، وما إلى ذلك، في مستشفى سانت جيمس وLEMAS بمشاركة الأطباء والعلماء من كلا المؤسستين. لتحقيق أقصى قدر من الإخصاب المتبادل، سيشارك أطباء المسالك البولية في بعض الأعمال التجريبية للمساعدة في تحديد مجالات الاهتمام.

يعد العمل الخطوة الأولى نحو الفهم الأساسي لحصوات الكلى واستخدامها كبصمة للبيئة السائلة التي نشأت منها. تعتمد الثقة في تحقيق الهدف على الخبرة المعنية والمعدات المتطورة التي تسمح بمراقبة بنية الحجر على المستوى الذري/الجزيئي. يمثل المشروع تكاملًا فريدًا بين الأساليب الطبية والبيولوجية والهندسية.

المراجع:

1. معلومات المريض. ماذا أقول لمرضاي عن حصوات الكلى؟ بجرم، 2013؛ المجلد 18 رقم 1، الصفحات من 15 إلى 18
2. Ziemba J.B وMatlaga B.R.، علم الأوبئة واقتصاديات تحصي الكلية، Investig Clin Urol. سبتمبر 2017; 58(5): 299–306
3. Borissova, A., Goltz, G.E., Kavanagh, J., Wilkins, T. الهندسة العكسية للكلى - نمذجة تبلور مونوهيدرات أكسالات الكالسيوم في النيفرون، الهندسة الطبية والبيولوجية والحوسبة، 2010، 48، 649-659
4. فينلايسون بي، خان إس آر، هاكيت آر إل. آليات تكوين الحصوات – نظرة عامة، المسح الإلكتروني المجهري. 1984;(الجزء 3):1419-25. المراجعة رقم{19}
5. كوك دي جي، خان، إس آر. تحصي الكلية بأكسالات الكالسيوم، مرض الجسيمات الحرة أو الثابتة، Kidney International، 46، 1994، 847-854
6. Robertson WG, Peacock M. بلورات أكسالات الكالسيوم ومثبطات التبلور في صانعي حصوات الكلى المتكررة، 1972، العلوم السريرية 43(4):499-506
7. Ward MB, Hondow N, Brown AP, Brydson R. التحليل الطيفي لفقد طاقة الإلكترون وتحليل الأشعة السينية المشتتة من الطاقة، التوصيف النانوي: الإصدار 2، المحررون: Angus I Kirkland, Sarah J Haigh، المرجع: http://dx.doi.org/10.1039/9781782621867-00108
8. كيم كي إم، جونسون إف بي. نمو بلورات أكسالات الكالسيوم في حصوات المسالك البولية البشرية، المسح الإلكتروني المجهري، 1981، (جزء 3)، 147-154
9. فيسواناثان بي، ريمر جيه دي، كولباخ إيه إم، وارد إم دي، كلاينمان جي جي، ويسون جيه إيه. تكتل مونوهيدرات أكسالات الكالسيوم الناجم عن تكتل بروتين تام-هورسفال منزوع السيال، Urol Res، 2011، 39، 269-282
10. ريال آر إل، شوفيت إم، جروفر بي كيه. البروتينات داخل البلورات وتحصي البول: مقارنة محتوى البروتين والبنية التحتية لأكسالات الكالسيوم البولية أحادية الهيدرات وبلورات ثنائي الهيدرات، 2005، BJU International، 654-663
11. Brydson R، وEddlestone ME، وJones W، وSeabourne CR، وHondow NJ. فيز. أسيوط. بروك.، 2014، 522، 012060.

يجب أن يكون المتقدمون لبرامج الدرجات العلمية البحثية عادةً على الأقل حاصلين على درجة البكالوريوس البريطانية مع مرتبة الشرف من الدرجة الأولى أو الدرجة الثانية العليا (أو ما يعادلها) في تخصص مناسب. قد تكون معايير القبول لبعض درجات البحث أعلى، على سبيل المثال، تتطلب العديد من الكليات درجة الماجستير أيضًا. يُنصح المتقدمون بالتحقق من المدرسة ذات الصلة قبل تقديم الطلب. يُنصح المتقدمون غير المؤكدين بشأن متطلبات درجة بحثية معينة بالاتصال بالمدرسة أو كلية الدراسات العليا قبل تقديم الطلب.

الحد الأدنى لمتطلبات الالتحاق باللغة الإنجليزية للدراسة البحثية للدراسات العليا هو الحصول على 6.0 درجات في اختبار IELTS بشكل عام مع 5.5 على الأقل في كل مكون (القراءة والكتابة والاستماع والتحدث) أو ما يعادلها. يجب أن يكون تاريخ الاختبار خلال عامين من تاريخ بدء الدورة حتى يكون صالحًا.