ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΓΕΩΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΧΗΜΙΚΗ ΣΥΣΤΑΣΗ ΒΙΟ-ΟΡΥΚΤΩΝ ΑΠΟ ΤΟ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟ ΣΩΜΑ -------------------------------------------------------------------------------------- STRUCTURE AND CHEMICAL COMPOSITION OF BIOMINERALS FROM THE HUMAN BODY ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ - DIPLOMA THESIS ΔΗΜΗΤΡΑ ΑΘΑΝΑΣΙΑΔΟΥ DIMITRA ATHANASIADOU Επιβλέπων: Δρ. ΑΘ. ΓΚΟΝΤΕΛΙΤΣΑΣ, Λέκτορας Παν/μίου Αθηνών Supervisor: Dr. ATH. GODELITSAS, Lecturer of Univ. of Athens, Greece ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ 2009 SEPTEMBER 2009
σε συνεργασία με το Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. «ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ» in collaboration with the NCSR DEMOKRITOS και με το ΕΘΝΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΕΡΕΥΝΩΝ and the NATIONAL RESEARCH FOUNDATION
ΠΕΡΙΛΗΨΗ Τα χημικά και τα δομικά χαρακτηριστικά των βιο-ορυκτών του ανθρώπου, σχετιζόμενα με διαδικασίες βιο-ορυκτογένεσης, αποτελούν σημαντικό κεφάλαιο στην επιστήμη της Βιο-ορυκτολογίας. Οι χολόλιθοι και οι πέτρες των νεφρών αντιπροσωπεύουν τα παθογενή ορυκτά που σχηματίζονται, αντίστοιχα, κατά τη διάρκεια της χολολιθίασης και της νεφρολιθίασης. Τα δόντια είναι τα προϊόντα της υγιούς βιο-ορυκτογένεσης. Η παρούσα εργασία αφορά στον χαρακτηρισμό των παραπάνω υλικών με αναλυτικές και φασματοσκοπικές μεθόδους (XRD, SEM-EDS, FTIR, NMR) καθώς και στη διευκρίνιση της χημικής και της ισοτοπικής τους σύστασης με τη χρήση XRF, IRMS και φασματοσκοπίας ακτίνων-γ. Για την διεκπεραίωση της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας αναλύθηκαν τέσσερις χολόλιθοι από ασθενείς από την Αγγλία (συμπεριλαμβανομένων δειγμάτων από μητέρα και κόρη) και την Ελλάδα, τρεις πέτρες νεφρών από την Ελλάδα, ένα παθογενές δόντι από την Γερμανία και ένα υγιές δόντι από την Ελλάδα. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα από τις μεθόδους XRD, FTIR και NMR διαπιστώθηκε ότι οι υπό μελέτη λίθοι της χοληδόχου κύστης αντιστοιχούν στην μονοένυδρη χοληστερόλη (ChM) ενώ οι πέτρες των νεφρών αντιστοιχούν στο μονοένυδρο οξαλικό ασβέστιο (COM). Οι μικροκρύσταλλοι χοληστερόλης και οξαλικού ασβεστίου καταγράφηκαν κατά τη διάρκεια μελέτης με SEM-EDS. Τα αποτελέσματα της φασματοσκοπίας XRF απέδειξαν ότι το Ca είναι το κυρίαρχο ιχνοστοιχείο σε όλους τους χολόλιθους (μέχρι 1.95 wt.%) μαζί με Fe, Cu και Pb (μέχρι 19 ppm από όλα τα μέταλλα). Παρόλα αυτά, οι χολόλιθοι από την Αγγλία περιέχουν επιπροσθέτως Mn (μέχρι 86.5 ppm), Zn (μέχρι 5.5 ppm) όπως και Sr, Ni και As, ενώ ο χολόλιθος της μητέρας περιέχει ασήμαντη ποσότητα Mn σε σχέση με αυτόν της κόρης. Η θέση του Ca και του Zn στη δομή της χοληστερόλης επιτεύχθηκε με μοριακή προσομοίωση με τη χρήση του λογισμικού Accelyrs Materials Studio. Τα ίδια μέταλλα (Fe, Cu, Zn, Pb, Sr) εντοπίστηκαν και στις υπό μελέτη πέτρες νεφρών από την Ελλάδα. Η ανάλυση όλων των δοντιών (αδαμαντίνη) έδειξε αφθονία σε Zn, Sr και Fe και απουσία Cu, Mn και Pb. Τα αποτελέσματα της φασματοσκοπίας IRMS στα δείγματα των χολόλιθων επιδεικνύουν ελαφρύ δ 13 C (μέσος όρος δ 13 C -24 PDB), σύμφωνα με πρόσφατα δεδομένα από την ανθρώπινη χοληστερόλη και πειράματα σε αρουραίους, οι οποίοι είχαν εκτραφεί από ισοτοπικά ελεγχόμενη διατροφή. Οι πέτρες των νεφρών έδειξαν 3
ίδια ισοτοπική σύσταση σε δ 13 C με τους χολόλιθους (μέσος όρος δ 13 C -25.4 PDB) οι οποίες είναι μάλλον χαμηλές σε σύγκριση με τις τιμές που αναφέρονται στην βιβλιογραφία. Οι δ 18 O τιμές είχαν μέσο όρο -7.3 PDB. Στην περίπτωση των δοντιών, βαρύτερο δ 13 C εντοπίζεται στην παθογενή αδαμαντίνη του δοντιού από την Γερμανία (-11.72 PDB) συγκρινόμενη με την υγιή αδαμαντίνη από την Ελλάδα (- 14.81 PDB). Οι δ 18 O τιμές είναι περίπου ίδιες (-7.66 PDB and -6.43 PDB). Επιπλέον, από τα δείγματα που λήφθηκαν από τις ρίζες των δοντιών (οδοντίνη και οστεΐνη) όλες οι τιμές είναι περισσότερο ή λιγότερο οι ίδιες (δ 13 C -15.2 PDB και δ 18 O -7.5 PDB). Λιγότερο αρνητικές δ 13 C τιμές και περισσότερο θετικές δ 18 O τιμές παρατηρήθηκαν στο δόντι από την Γερμανία και μπορούν να συσχετιστούν με διαφορετικά περιβάλλοντα και γεωγραφική περιοχή (διαφορετικό κλίμα). Εκτός από αυτό, η ισοτοπική σύσταση του άνθρακα και του οξυγόνου των δοντιών μπορεί να συνδεθεί με την ανθρώπινη δίαιτα, το νερό κατανάλωσης και την αναπνοή. Τέλος, με τη φασματοσκοπία ακτίνων-γ αποδείχθηκε η παρουσία των φυσικών ραδιονουκλιδίων 214 Pb (352 kev) και 214 Bi (609 kev) της σειράς 238 U, ενώ στο δείγμα του χολόλιθου ανιχνεύεται και ελάχιστο 40 Κ (1461 kev). 4
ABSTRACT The chemical and structural characteristics of human biominerals, related to biomineralization processes within the human body, are very important issues in the science of biomineralogy. Gallstones and kidney stones are pathogenic minerals which are created during cholelithiasis and nephrolithiasis respectively. Teeth are the healthy result of biomineralization found in the jaws (or mouths). The present study concerns the characterization of the above materials by means of diffraction, microscopic and spectroscopic techniques (XRD, SEM-EDS, FTIR, NMR) and the elucidation of their chemical and isotopic composition using XRF, IRMS and γ-ray spectrometry. We have analyzed a collection of four gallstones from patients from England (including samples of mother and daughter) and Greece, three kidney stones from patients from Greece, one diseased tooth sample from Germany and one healthy tooth from Greece. According to the XRD, FTIR and NMR results the studied stones in gallbladder correspond to typical cholesterol monohydrate (ChM) whereas the kidney stones to calcium oxalate monohydrate (COM). The cholesterol and Ca-oxalate microcrystals were recorded in the SEM-EDS study. The XRF results revealed that Ca is the dominant trace element in all gallstones (up to ca. 1.95 wt. %) together with Fe, Cu and Pb (up to ca. 19 ppm from all metals). However, gallstones from England contain additional Mn (up to ca. 86.5 ppm), Zn (up to ca. 5.5 ppm) as well as Sr, Ni and As, while the sample of mother contain negligible Zn and Mn compared to that of her daughter. The position of Ca and Zn in the structure of cholesterol was investigated by molecular simulation using the Accelyrs Materials Studio software. Similar metals (Fe, Cu, Zn, Pb, Sr) are contained in the studied Ca-oxalate kidney stones from Greece. The analyses of all teeth samples (enamel) showed abundant Zn, Sr and Fe and absence of Cu, Mn and Pb. On the basis of IRMS results all examined gallstones exhibit very light δ 13 C signature (average δ 13 C ca. -24 PDB), in accordance to recent data about cholesterol from humans as well as from rats raised on a variety of isotopically controlled diets. The kidney stones show similar δ 13 C signature (average δ 13 C ca. -25.4 PDB) which is rather low compared to values reported in the literature. At the same time, the δ 18 O values were found to have an average of ca. -7.3 PDB. In the case of teeth, heavier δ 13 C signature was recorded for the diseased tooth enamel from Germany (-11.72 PDB) compared to the healthy tooth enamel from Greece (-14.81 PDB). The δ 18 O 5
values are similarly different (-7.66 PDB and -6.43 PDB respectively). Moreover, for the specimens obtained from the roots (dentine and cementum) all values are more or less the same (δ 13 C ca. -15.2 PDB and δ 18 O ca. -7.5 PDB). Less negative δ 13 C and more negative δ 18 O values which were observed in German tooth could be attributed to different environment and geographical location (different climate). Except that, the carbon and oxygen isotopic composition of the teeth biominerals can also be linked to the human diet, the ingested water and oxygen fluxes. Finally, high-resolution γ-ray spectrometry measurements proved the existence of the natural radionuclides 214 Pb (352 kev) and 214 Bi (609 kev) due to 238 U series whereas the gallstone samples contained additionally 40 Κ (1461 kev). 6
7
8