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FR 2482 - Institut des matériaux de Paris-Centre (UFR 926)

La physique des biomatériaux & son implication médicale : Application à la lithiase

D.Bazin, M.Daudon, X.Carpentier, O.Traxer, A.Mazouyes, S.Mangenot, M.Defrutos, P.Chevallier,S.Rouzière, E. Foy, P.A. Albouy, G. André,

Ch. Combes, A.Cousson, G. Matzen, E.Veron, A. LebailD. Thiaudière, A. Somogyi, S. Reguer

Site web : CRISTAL : http://www.centre-evian.com/fondDoc/index-cristal.html?contenu-cristal.html

CRMHT

CHRORLEANS

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15èmes Journées de la diffusion neutronique, Rencontre Rossat-Migno , Maubuisson , 10 - 16 Mai 2007

ChapI.a Un contexte dominé par la physico-chimie

Calcification désirée : contexte cellulaireLes grandes étapes de l'ostéogenèse sont caractérisées par l'engagement, la prolifération et la différenciation de cellules souches qui se différencient en ostéoblastes fonctionnels chargés de la synthèse et de la minéralisation de la matrice osseuse.

Ce processus aboutit à la genèse d’un matériau composite.

Calcifications ectopiques : contexte Physico-chimiqueDe la concentration des urines à la formation des calculs ...Plus l'urine est concentrée, plus la formation de calculs est favorisée, et ce, dans toutes les variétés chimiques de lithiase. La sursaturation des urinesentraîne la précipitation de cristaux, étape initiale obligatoire de la formation des calculs.

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ChapI.b Quelques généralités

• La lithiase urinaire, ou " maladie de la pierre " (« lithos » signifiant en grec « pierre ») est une affection fort répandue et en progression dans tous les pays industrialisés, sa fréquence ayant plus que doublé depuis un demi-siècle. • Le calcul est le résultat de la pathologie. La relation intime qui associe la nature du calcul à la maladie constitue la pierre angulaire de cette étude. C’est cette relation établie par M. Daudon et enseignée aux urologues et néphrologues qui permet l’établissement d’un diagnostic et donc du traitement associé.

Épidémiologie actuelle de la lithiase rénale en FranceM. Daudon Annales d'Urologie (2005) 349, 209-231L’analyse morphoconstitutionnelle des calculs dans le diagnostic étiologique d’une lithiase urinaire de l’enfantM. Daudon, Arch. Pédiatrique (2000) 7, 855-65.

Données épidémiologiques: quelques chiffres

• Prévalence de la lithiase urinaire: 10% de la population• Environ 120.000 épisodes lithiasiques/an Récidive des calculs: 55% des cas Formes sévères de lithiases: ~200.000 patients• Insuffisance rénale terminale d’origine lithiasique: 2% des patients entrant en dialyse chaque année• Composition la plus fréquente: oxalate de calcium, … mais:

- 75 espèces moléculaires différentes- 90 formes cristallines- calculs mixtes dans 93% des cas- plus de 100 pathologies et facteurs de risque lithogènes

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Les principales causes des calculs rénaux

•~ 60% Mauvaises habitudes alimentaires: défaut de boisson, excès d’apports en protéines animales, en sel, en produits laitiers, en aliments riches en oxalate ou en purines,

• ~ 10% Maladies acquises: hyperparathyroïdie primaire, sarcoïdose, syndrome de Sjögren, diabète,

• ~ 10% Malformations de l’appareil urinaire,

• ~ 10% Infections urinaires et intestinales,

• ~ 5% Maladies génétiques: hypercalciurie familiale, hyperoxalurie primaire, cystinurie congénitale, acidose tubulaire, déficits enzymatiques de la voie des purines, anomalies des canaux chlore, etc.

• ~ 1% Médicaments

• ~ 1% Pathologies digestives: maladie de Crohn, rectocolite hémorragique, insuffisances pancréatiques, etc.

• ~ 3% Excès d’apports ou déficits vitaminiques: vitamine D, vitamine C, vitamine B12 ?

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I.e.1 Relation entre la composition chimique du calcul et sa cause

Whewellite Hyperoxalurie

Weddellite Hypercalciurie

Acide urique Hyperuricurie

Cystine Cystinurie

Une phase chimique --> une pathologie

Lien entre le contexte biochimique et la phase chimique

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ChapI.c le modèle médical (Ex: la whewellite : oxalate de calcium monohydraté)

Hyperoxalurie staseIbSurf. mamelonnée & rugueuse, mamelons+ creuxPas d’ombilication - couleur hétérogène beige à bruns noirSection inorganisée, + lacunaire, brun + foncé

Hyperoxalurie intermittente avec ou sans hyperuricurie -Plaque de Randall Maladie de Cacchi-Ricci

Ia

Surf. mamelonnée ou lisse, brun à brun foncé, Ombilication papillaire fréquente (25%). Section concentrique, cristallisation radiale, brun foncé

Hyperoxalu. primaire I,II,IIIIc

Surf. grenue, bourgeonnante ou mamelonnée, Couleur claire, blanche à brun jaune, Section inorganisée et lâche au centre, ébauche d’organisation concentrique à cristallisation radiale en périphérie, couleur brun à brun-jaune

Hyperoxalu intermittente Lithiase multiple + confinement anatomique

IdSurface lisse, homogène - face d’accolement - brun-jaune + clair.

Section concentrique microcristalline beige,

Surface mamelonnée, localement bourgeonnante de couleur brun-jaune clair à brun clair, Section radiale diffuse ou inorganisée en périphérie, inorganisée et lâche au centre, souvent microcristalline, pulvérulente (<aspect de semoule>) de couleur beige à brun-jaune

clair

Iactif

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ChapI.d Les spécificités structurales

Les biomatériaux exhibent une structure organisée à différentes échelles (du nano au macro)Nanoscopique <1.5 nm

Mesoscopique 1.5 - 100 nmMicroscopique 0.1 - 100µm

Macroscopique > 100µm• J. D. Currey (2005) Hierarchies in biomineral structures, Science 309, 253. • S. Mann, G. A. Ozin (1996) Synthesis of inorganic materials with complex form, Nature 382,313.

L'échelle mésoscopique est une échelle intermédiaire entre l'échelle microscopique, qui caractérise les atomes ou les molécules, et l'échelle macroscopique de notre monde quotidien.

Monocristal : Un solide cristallin dans lequel l’orientation du réseau est unique en tous points. DRX,PND : longueur de cohérence

Nanoscopique : nm Mésoscopique µm

Cristallite : Lorsque ces microcristaux sont soudés les uns aux autres, on nomme l’ensemble cristallite. MEB : dimension de l’objet

Macroscopique : mm

Calcul rénal : Microscope optique

M. Van Meerssche and J. Feneau-Dupont, ” Introduction à la cristallographie et à la chimie structurale”, Ed. Vander (1973).

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Différents outils d’investigation liés aux grands instruments

D. Bazin, M. Daudon et al., Annales de Biologie Clinique 2006 ; 64 (2) : 125-39Première expérience sur Soleil : Current Events, J. of Synchrotron Radiation (2007) 14, 297-298.

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Plan

Chapitre II : Le rôle des métaux (accélérer ou inhiber leur croissance - catalyse & induction de pathologies : Cd, Pb)

- Rayonnement Synchrotron & la fluorescence X Heavy elements in urinary stonesD. Bazin, P. Chevallier, G. Matzen, M. Daudon, Accepté dans Urological Research.

Chapitre IV : La plaque de Randall - Interfaces minéral-tissu & minéral-minéral (Apatite)

- Rayonnement Synchrotron & Diffraction X

Chapitre III : Organisation structurale d’un calcul (Whewellite, Cystine)- Microscopie électronique & Diffraction de neutrons

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Influence des oligoéléments - littérature médicale & Physicochimique

• J. L. Meyer et al. (1982) Trace metal-citric acid complexes as inhibitors of calcification and crystal growth. II. Effects of Fe(III), Cr(III) and Al(III) complexes on calcium oxalate crystal growth. J Urol 128, 1376.

• L.A. Touryan et al. (2004) Sequential switch of biomineral crystal morphology using trivalent ions Nature Materials 3, 239.

Certains oligo-éléments sont connus pour - accélérer ou inhiber leur croissance (catalyse)

- Modifier leur morphologie

• F. Grases et al. (1989) The influence of some metallic ions and their complexes on the kinetics of crystal growth of calcium oxalate. J Crystal Growth 94, 507.

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Chap. II.a Oligo éléments & La fluorescence X

Ca, S

Sr, SeFe, Zn,Cu

PbCatalyse Substitution

C1 CaC2O4.H2OC2 CaC2O4. 2H2O

AU0 C5H4N4O3

AU2 C5H4N4O3 2H2OBr CaHPO4 - 2H2OCA Ca10 (PO4)6 CO3

Cys C6H12N2O4S2

PAM NH4MgPO4 6H2O

1

10

100

1000

10 4

10 5

10 6

C1C1_C2C1_AU0AU0_C1AU0_AU2

ElementsCa Fe Cu Zn Sr Pb

Concentration

µ( γ/γ)

10

100

1000

10 4

10 5

4 8 12 16 20E(KeV)

Ca

Zn Pb

Sr

Spectre d'Žmission (unitŽ arbitraire)

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Plan






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III.b La diffraction neutronique : les oxalates de calcium

Température ambiante, P21/na=10.026Å, b=14.541Å c=6.316Å β=107.5

N25167N32895,N39200,N24426,N25181,N25167,

N30706,N32895,N39200, N10029Iactif

N20631N15438,N8513N3801, N8513, N15993,Id

N11283,N27701,N30594N9016,N9128,N11453, N16904,N35571,

N30594,Ic

N28778N44368, N20243Ib

N5757, N8624 ,N28536N20135, N8624,N8510N8445,N8510,N17610,N17965,N20258Ia

Synchrotron- µFluorescence XP.N.D.M.E.B.Classification

Médicale

CaC2O

4 H

2O

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Chap. III.a : Whewellite : Investigation à l’échelle nanométrique

Taille moyenne des monocristaux : 80 - 125 nm

125IactifN39200

75IactifN32895

100IdN8513

80IdN15438

110IcN30594

100IcN11453

125IcN11283

110IcN27701

80IbN28778

90IaN8510

120IaN8624

110IaN20135

D(nm)Classification

médicale

Echantillons

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Chap. III.a Whewellite Investigation à l’échelle mésoscopique

Cristallites : Taille, Morphologie, Agencement

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Plan






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Chap. IV -La plaque de Randall : Définition

4 mm

C2 C1

CA (PR)

- Observation : Augmentation de la fréquence des calculs formés à partir d’une plaque de Randall entre 1980 et 2000, mais aussi le fait que ces calculs s’observent chez des populations lithiasiques de plus en plus jeunes.

- Conséquence attendue : Augmentation significative du nombre de patients souffrant de coliques néphrétiques lorsque l’on sait que ces plaques constituent l’élément nucléateur de nombreux calculs rénaux et qu’elles sont de plus en plus fréquentes dans les reins.

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Apatite biologique

La formule la plus "vraisemblable" rendant compte de la composition biologiqueest du type :

Ca10-x+y Mx-y (PO4)6-x (OH)2+2y-x (CO3)x Ax-2y, nH2O

où M est un autre cation (Mg ou K par exemple), A est un autre anion (Cl ou F)

On peut aussi utiliser une formule plus simple ne tenant pas compte des ions supplémentaires et qui serait du type : Ca10 (PO4)6 OH

B A

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Infra rouge

• K.Prabakaran et al. (2005) Development of calcium phosphate based apatite from hens eggshell Bull. Mater. Sci., 28, 115119.

OH 633 cm-1

CO32-

• Le doublet à 1455-1416 cm-1 (élongation asymétrique ν3)• La bande simple à 871 cm-1 (déformation angulaire dans le plan ν2)

PO42-

• Les bandes intenses 1098 cm-1 & 1025 cm-1

correspondent aux modes d’élongation antisymétrique ν3

de P-O• La bande 961 cm-1 correspond au mode d’élongation symétrique ν1 de P-O.• Le doublet à 602-563 cm-1 correspond au mode de déformation angulaire ν4 O-P-O.

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Chap. IV.b.3 Investigation à l’échelle mésoscopique MEB Aiguilles &Sphères

Le taux de carbonatation est une donnée qui a des implications étiopathologiques intéressantes. - Ainsi, une carbapatite présente une teneur relativement faible en carbonates dans les lithiases phosphocalciques développées dans les acidoses tubulaires (une incapacité du rein à produire des carbonates afin de réduire l’acidité)- A l’opposé, celles formées en présence de germes uréolytiques montrent des taux de carbonatation élevés, presque toujours supérieurs à 20%.

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Chap. IV.b: Composés de référence : calcul d’apatite

Diagrammes de diffraction neutronique des calculs rénaux

55 (+/-10Å)

80 (+/-10Å)

50 (+/-10Å)

80 (+/-10Å)

115 (+/-10Å)

Largeur moyenne monocristal

(Å)

80 (+/-10Å)6.89(3) 9.44(5) N5197 -11%;16%

70 (+/-10Å)6.86(9) 9.43(5) N4721- 16%; 20%

70 (+/-10Å)6.87(4) 9.41(4) N17801 - 15% ; 15%

Hauteur moyenne monocristal

(Å)c (Å)a (Å) Échant. - taux de

carbonate

95 (+/-10Å) 6.86(7) 9.41(9) N21934 - 7% ; 8%

190 (+/-10Å)6.88(6)9.42(4)N8524 - 6% ; 6%

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Chap. IV.c Premiers résultats sur la plaque de Randall

(MEB): structure diffuse

10nm

STEM & µDRX => constituées de monocristaux d’apatite ( 10nm)

0 10 20 30 40 50 602 ¡

N41796

N17105

N4511N26345N20872

N10986

θ

Diffraction des rayons X (u.a.)

1

10

100

1000

10 4

10 5

10 6

0 5 10 15 20E(KeV)

Zn

Ca

SrPb

N4511

N10986

N20872

N26345

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Chap. IV.e Implications médicales

Localisations des dépôts phosphocalciques: 1 à la surface de l’épithélium papillaire, 2 entre l’anse de Henlé et l’épithélium papillaire, 3 dans le tube rénal

1

2

3

Hypothèses de formation des PR

Un des résultats clés de notre étude: taille des

monocristaux50 nm < UA < 250 nm C1 100 nm≈ 70 nm < Cys < 250 nm

Apatite monocristaux : 5-10 nm

=> compatible avec leur diffusion dans l’espace

paracellulaire

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Conclusion & Perspectives

•Articles de revue : -Les techniques de rayonnement synchrotron au service de la caractérisation d’objets biologiques : un exemple d’application, les calculs rénaux.D. Bazin et al. Ann Biol Clin 2006 ; 64 (2) : 125-39.- Neutron and Synchrotron Radiation Opportunities in NephrolithiasisM. Daudon et al., accepté dans Urological Research - Heavy elements in urinary stones,D. Bazin et al. accepté à Urological Research

Articles en cours Revisiting the atomic structure of UA KS, M. Daudon et al. Structural study by PND of whewellite KS, D. Bazin et al.Cystine KS at the mesoscopic and at the atomic scale, M. Daudon et al.

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CHRORLEANS

Dr. C. Chappard (Os : l’arthrose et l’ostéoporose)

• Dr. C. Balleyguier, Dr. M.C. Mathieu (Cancer-Sein)

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Demande ANR

Caractérisation sur deux montages possiblesCu optique focalisante - 30 micronsMo 10 micronsDétecteur fluorescence XPlatine XYZ - Cartographie

Marqueurs de fluorescence X

Matériel pour la ligne infra rouge ELETTRA

Post Doc pour développer la thématique/ Cartographie sur l’interface cellule-minéral

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