d. bazin - université paris-sud · 6 d. bazin, m. daudon, nouvelles méthodes d’études des...

D. Bazin

Laboratoire de Physique des Solides, Université Paris Sud, Bât 510, 91405 Orsay, France

http://chercheurs.lps.u-psud.fr/Bazin/

1

Quelques résultats obtenus sur les calcifications pathologiques :

Une recherche à l'interface Physique-Chimie-Médecine

Séminaire - Jeudi 17 Mars 2011 – J.L. Hodeau & J.L. Hazemann Institut Néel

Département : Matière condensée Matériaux & Fonctions Equipe : Structure et Propriétés des Matériaux – Conditions Extrêmes

Lecture

0/ Les agrégats métalliques – un cas d’école sur l’intérêt du RS

I/ Généralités sur les calcifications pathologiques & le cas de la lithiase

II/ La relation entre le calcul rénal et la pathologie

III/ Le cas d’une concrétion sur une calcification ectopique

IV/ Le mode de croissance d’un calcul sur une PR

VRS/ Les oligoéléments & les calculs rénaux

VI/ L’influence de la thérapie sur un calcul

VIIRS/ Diversité chimique des calcifications intratissulaires

VIIIRS/ DHAD : Intratissular calcification leads to ESRF

V/ Conclusion & Perspectives

2

3

2 3 4 5 6

N=2057

N=147

N=1415

111

200 220

311

222

N=923

N=561

N=309

N=55

N=13

k(Å-1

)

Inte

nsi

ty (

a.u

.)

•1. Numerical simulation of the Pt LIII edge white line relative to nanometer scale clusters D. Bazin, D. Sayers, J.J. Rehr, Ch. Mottet, J. of Phys. Chem. B 101, 5332, 1997. •1. Limits and Advantages of X-ray Absorption Near Edge Structure for Nanometer Scale Metallic Clusters D. Bazin, J. J. Rehr, J. Phys. Chem. B 107, 12398, 2003. •2. Real time in situ Xanes approach to characterise electronic state of nanometer scale entities D. Bazin, L. Guczi, J. Lynch, Rec. Res. Dev. Phys. Chem. 4, 259, 2000. •3. Soft X-ray absorption spectroscopy and heterogeneous catalysis. D. Bazin, L. Guczi, App. Cat. A 213, 147, 2001. •4. Soft X-ray absorption spectroscopy at the cutting edge for nanomaterials used in heterogeneous catalysis: the state of the art D. Bazin, J. Rehr, Catalysis Letters 87, 85, 2003.

•5. Xas & Awaxs applied to monometallic clusters. D. Bazin, D. Sayers, Jpn J. Appl. Phys. 32-2, 249, 1993. •6. Xas & Awaxs applied to bimetallic clusters. D. Bazin, D. Sayers, Jpn J. Appl. Phys. 32-2, 252, 1993. •7. Comparison between Xas, Awaxs, Asaxs, and Dafs techniques applied to nanometer-scale metallic clusters. D. Bazin, D. Sayers, J.J. Rehr, J. of Phys. Chem. B 101, 11040, 1997. •6. AWAXS in heterogeneous catalysis D. Bazin, L. Guczi, J. Lynch, App. Cat. A 226, 87, 2002. •6. structure of supported Co Fischer - Tropsch catalysts O. Ducreux, B. Rebours, J. Lynch, D. Bazin Accepted in Oil & Gas Science and Technology – Rev. IFP

• 8. New opportunities to understand heterogeneous catalysis processes through S.R. studies and theoretical calculations of density of states : The case of nanometer scale bimetallic particles D. Bazin, C. Mottet, G. Treglia, Applied Catalysis A (1-2), 47-54, 2000. • 9. New trends in heterogeneous catalysis processes on metallic clusters from S.R. & theoretical studies D. Bazin, C. Mottet, G. Treglia, J. Lynch, Applied Surf. Sci. 164, 140, 2000.

Pt L III

edge

Re L II

edge

0 100 200 300 400 400

Temperature (°C)

Fig 4 : Evolution of the white line intensities ofthe two metals (platinum and rhenium) duringthe reduction of the hydrated sample A.

400

Wh

ite

lin

e are

a o

f th

e tw

o m

eta

ls (

a.u

.)

11400 11540 11680 11820 11960 12100

B

Ab

sorp

tio

n o

f th

e sa

mp

le (

a.u

.)

Energy of the photons (eV)

Pt LIII

Fig 1 : Absorption spectrum collected during an in-situreduction of a 1 weight% Pt-1weight%Re/Al

2O

3 sample.

Re LII

XAS

3d L edge N K edge

Asaxs

Pt

NO

2.

1. 3. 4.

•4. X-ray absorption spectroscopy and anomalous wide angle X-ray scattering: Two basic tools in the analysis of heterogeneous catalysts Bazin, D; Lynch, J; Ramos-Fernandez, M, Oil & Gas Science and technology 58, 667-683, 2003.

5. 6. 6. 7.

8.

8. 9.

4

Propriétés Adsorption de molécules Magnétisme

Taille des agrégats (corrélation avec la densité d’états) Nb d’électrons d dans la bande Nature du support T, P etc

Nanotechnologie & Interface avec la médecine

Relation avec la pathologie

Biomatériau Minéral + protéines Structure hiérarchique Polymorphisme Nano Localisation par rapport au tissu

Lecture











5

6

D. Bazin, M. Daudon, Nouvelles méthodes d’études des calculs et plaques de Randall, Actualités Necker 2010, Journées Néphrologiques - Jean Hamburger, Ed. Flammarion (A) M. Daudon, P. Jungers, D. Bazin, New England J of Medicine 359 (2008) 101. (A) M. Daudon, H. Bouzidi, D. Bazin, Urol Res 38 (2010) 459 - 467. (B1) D. Bazin et al., J. Syn. Rad. 15 (2008) 506 - 509 ; J. Syn. Rad. 17 (2010) 374 - 379. (B2) P. Dorfmuller, D. Bazin et al., Cardiology Research and Practice (2010) doi:10.4061/2010/685926 (B3) Ch. Nguyen et al., Arthritis & Rheumatism 62 (2010) 2829 – 2830, J. Syn. Rad. In press (B3) H.K. Ea et al., Arthritis & Rheumatism 63 (2011) 10 - 18. (C) D. Bazin et al., Osteoporosis Int. 20 (2009) 1065 - 1075.

(B1)

Les calcifications pathologiques = toutes les formes de dépôts

minéraux anormaux, calciques ou non, dans un tissu ou un organe. au moins trois familles de calcifications pathologiques. Une première correspond aux calculs, qui se définissent comme des concrétions solides formées dans une cavité ou un canal excréteur (calculs rénaux, biliaires, salivaires, vésicaux...). Une deuxième se réfère aux calcifications tissulaires ou ectopiques localisées en dehors des canaux excréteurs (qui peuvent être liées parfois à des pathologies sévères comme les cancers du sein, de la thyroïde, des testicules ou encore de la prostate). Des calcifications, au départ physiologiques comme l’os ou la dent, deviennent en partie des calcifications pathologiques suite à une maladie.

(A)

(B2)

(B3)

(C)

7

Épidémiologie actuelle de la lithiase rénale en France M. Daudon, Annales d’urologie 39 (2005) 209 - 231.

1 cm

La lithiase Diversité chimique des calculs rénaux

§ 10% de la population dans

les pays industrialisés

Coût de la lithiase en France 900 M€/an 2l/Jour = 300M€/an =

Lecture







V/ L’influence de la thérapie sur un calcul




8

9

Relation

Morphologie macroscopique &

Composition chimique du calcul

Pathologie (s)

Cette relation peut être - simple i.e. # un calcul composé d’une seule phase chimique est généré par une pathologie # Le calcul est multiphasé mais une phase nous indique la pathologie associée. - difficile plusieurs calculs constitués de plusieurs phases rend compte d’une pathologie qui a évolué avec le temps.

M. Daudon, CA Bader, P. Jungers, Urinary calculi – review of classification methods And correlations with etiology. Scann. Microsc. 7 (1997) 1081 - 1106.

10

Présence de struvite

La lithiase d’infection est un calcul secondaire à une infection chronique des voies urinaires. Les germes les plus souvent en cause sont les bactéries uréasiques. Ces dernières participent à la formation de calculs composés de phosphate ammoniacomagnésien ou struvite.

Ref : Lithiases d’infection, P. Rieu, Annales d’urologie 39 (2005) 16–29

Pathologie : Infection

Un cas simple

D. Bazin et al., submitted to Urology Absence of bacterial imprints on struvite-containing kidney stones. A structural investigation at the mesoscopic and atomic scale

11

Apatite avec un taux de carbonatation

élevée

Pathologie : Infection

2m

A

X. Carpentier et al., Urol. 73 (2009) 968 - 975.

1419cm-1/1035cm-1

12

2 pathologies :

- Désordre alimentaire (plus fréquent) & - Hyperoxalurie primaire Primary hyperoxaluria type 1 is a rare and very severe inherited disease leading to recurrent nephrolithiasis, nephrocalcinosis, systemic oxalosis, and renal failure, ultimately requiring combined kidney and liver transplantation.

Peculiar Morphology of Stones in Primary Hyperoxaluria M. Daudon, P. Jungers, D. Bazin, New England J of Medicine 359 (2008) 101 Opportunities offered by Scanning Electron Microscopy, Powder Neutron Diffraction and S.R. micro-X-ray Fluorescence in the study of whewellite kidney stones, M. Daudon, D. Bazin, P. Jungers, G. André, A. Cousson, P. Chevallier, E. Véron, G. Matzen, J. App. Cryst. 42 (2009) 109-115.

Oxalate de calcium monohydraté CaC2O4 – H2O

Lecture











13

14

Plaque de Randall (qq 100 m)

Calcul (qq mm)

Ca5(PO

4)3OH

nanocristaux forte anisotropie Oligoéléments, lacunaire Ca sous-stœchiométrie OH Cristallites sphériques qq m A. Randall Origin and growth of renal calculi.

Ann Surg. (1937) 105 : 1009-1027.

CaC2O

4 H

2O

Cristaux 100nm/ Cristallites qq m

Examination of whewellite kidney stones by SEM and PND techniques.

M. Daudon, D. Bazin, G. Andre et al., J. of Applied Crystallography 42, 109-115, 2009.

15

Prof. O. Traxer: De 2004 à 2007 (436 urétéro-rénoscopies)

289 lithiasiques et 147 non lithiasiques (tumeur,

sténoses,…)

- Lithiasiques : 164 patients avec RP (57%)

- Non lithiasiques : 48 patients avaient RP (27%)

- Stone morphology suggestive of Randall's plaque M. Daudon, O. Traxer, P. Jungers, D. Bazin Renal Stone Disease 900, 26-34, 2007.

16

X. Carpentier et al., J. Syn. Rad. 17 (2010) 374 – 379.

17

PACC

Sursaturation de Ca & (PO4)

18

PACC Sursaturation de Ca & (PO4)

Lecture











19

Lecture











22

23

Le rôle des métaux* (accélérer ou inhiber leur croissance –

Modifier la morphologie des cristaux)

* R. L. Ryall et al., Urinary inhibitors of calcium oxalate crystallization and their potential role in stone formation, World J. of Urology, 15 (1997) 155.

* F. Grases et al., Influence of some metallic ions and their complexes on the kinetics of crystal growth of Ca Oxalate, J. of Crystal Growth 94 (1989) 507.

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

** D. Bazin et al., S.R. techniques for structural characterisation of biological entities: an example with renal stone analysis, Ann. de Biol. Clin. 64 (2006) 125. ** D. Bazin et al., Heavy elements in urinary stones, Urological Research 35 (2007) 179. ** X. Carpentier,D. Bazin et al., High Zn content of Randall’s plaque : a µ X-ray fluorescence investigation, Soumis J. Trace elements en medicine and biology

C1 CaC2O4.H2O C2 CaC2O4. 2H2O

AU0 C5H4N4O3

AU2 C5H4N4O3 2H2O

Ca Sr, Rb

Fe

Zn,Cu Pb

Classement** des éléments lourds par fluo X

24

1. D. Bazin et al., Very first tests on SOLEIL regarding the Zn environment in path. calc. made of apatite determined by Xas, J. of Syn. Rad. 15 (2008) 506. 2. D. Bazin et al., Revisiting the localisation of Zn2+ cations sorbed on pathological apatite calcifications made through Xas, Biochimie 91 (2009) 1294. 3. D. Bazin et al., Diffraction techniques and vibrational spectroscopy opportunities to characterise bones, Osteo. Intern. 20 (2009) 1065. 4. D.Bazin , JJ. Rehr et al., The status of Strontium in biological apatites : A Xanes investigation, En cours

3. 2. 1.

Localisation des oligoéléments dans des apatites biologiques par Xanes

4.

16100 16120 16140 16160 16180 16200

SrI - O

SrI - OP

Sr1-OPSr

Sr1-OPSrP

Sr1-OPSrPO

Sr1-OPSrPOSr

-1

0

1

2

3

E (eV)

SrI - O

SrI - OP

SrI - OPSr

SrI - OPSrP

SrI - OPSrPO

SrI - OPSrPOSr

Sr K edge

a = 9.432 ; c = 6.881

Lecture











25

Cystinurie

Cystinurie est induite par une mutation génétique de transporteurs

présent dans les cellules épithéliales du rein. Elle s’associe à une

réduction du processus de readsorption de la cystine induisant un

risque de perte de la fonction rénale.

Epidémiologie (incidence de 1:7000)

Prévention : diurèse (>3L/Jour), alkalinisation (bicarbonate,

citrate, thiol)

26

D. Bazin et al., En cours

29

Foncitril®.

Alcaphor®.

tiopronine

d-penicillamine

captopril

Lecture











30

Rapport signal sur bruit & Résolution spatiale (5x5 m).

31

P. Dumas et al., Synchrotron infrared microscopy at the French Synchrotron Facility SOLEIL, Infrared Physics & Technology (2006) 49 : 152 - 160. L.M. Miller, P. Dumas, From structure to cellular mechanism with infrared Microspectroscopy, Curr Opin Struct Biol. 2010 Aug 23.

Calcifications présentes dans les tissus SR-FTIR

Reconsidérer la diversité chimique des calcifications tissulaires

32

Épidémiologie actuelle de la lithiase rénale en France M. Daudon, Annales d’urologie 39 (2005) 209 - 231.

Diversité chimique des CR Diversité chimique des CIT

33

Octacalcium phosphate

Sodium Hydrogen Urate Monohydrate

Silice

Whitlockite

Lecture











34

35

Epidémiologie of APRT

Pays # 170 cas

Finlande, Grèce, Hongrie, Irak,

Hollande, Polgne, Turquie 1

Belgique, Suisse, Tchéquie 2

Espagne, GB 3

Austriche, Canada, Arabie Saudite 4

USA 6

Allemagne 7

Islande 27

France (Bollée, JASN, 2010 + M.D. Necker) 58

Si le diagnostic n’est pas correctement posé, cette pathologie conduit à une insuffisance rénale terminale. De plus, les futurs greffons seront eux aussi détruits.

Prendre la bonne décision

A l’opposé, l’allopurinol ne peut être prescrit sans certitude car ce médicament peut être associé à des effets secondaires importants

En dehors de la souffrance liée à la pathologie, il ne faut pas ignorer le coût associé 50 000 Euros pour une année de dialise (Temps d’attente 1 à 2 ans) 50 000 Euros pour une greffe (3000 greffes par an en France) 5 à 10000 Euros par an

a

Diagnostic is quite difficult due the small number of crystals as well as their size quite small.

SR- FT-IR

2,8 DHAD

37

PARAFFINE

CRISTAUX 2,8 DHAD

2,8 DHAD

38

39

Remerciements

This work was supported by the Physics and Chemistry Institutes of CNRS and by contract ANR-09-BLAN-0120-02.

Prof. P. Jungers, Prof. B. Knebelman, Necker Hospital ; Prof. O. Traxer, Dr. J.P. Hayman, Tenon Hospital ; Prof. P. Conort, Dr. I. Tostivint Lapitié Salpétrière Hospital ; Prof. F. Lioté, Dr. K.Ea, Dr. Ch. Nguyen, Dr. Ch Chappard, Lariboisiere Hospital ; Prof. M. Mathonnet, Limoges Hospital ; Dr. X. Carpentier, Nice Hospital G. Matzen, E. Veron, F. Fayon, M. Allix, CRMHT, Orléans ; E. Foy, LPSue, CNRS-CEA ; P.A. Albouy, B. Fayard, S. Rouziere, LPS ; A. Lebail, Lemans University

S. Katelbach, Stage de Pharmacie, Hôpital Necker, Coll. M. Daudon, Jan-Mai 2005. A. Mazouyes de l'école Centrale Paris & de MII, Paris VI, Mai-Sept 2006. Dr. X. Carpentier, Chirugien-Urologue, MII Sciences et Technologie Mai-Sept 2007. E. Dureault, LIII Licence Physique et application, Paris XI, Mai-Juin 2007. J. Li, LI Parcours PGA de la Licence de Physique, Université P. et M. Curie, Fév 2008. J. Owen, LI Parcours PGA de la Licence de Physique, Université P. et M. Curie, Fév 2008. A. Traohé, MI, Ingéniérie et Physique de la Santé, Paris XI (Coll D. Thiaudière, Soleil) , Jan-Mars 2008. Y. Fourdain, Licence LIII Physique et application, Paris XI, Mai-Juin 2008. R. Leguillon, Licence LIII Physique et application, Paris XI, Mai-Juin 2008. A. Perreux, stage BTS, Technicienne de Laboratoire, Juin-Juillet 2008. J. Montanaro, stage BTS, Technicienne de Laboratoire, Juin-Juillet 2008. B. Hannache, stage, Jan 2009 Y. Pene, LI PGA de la Licence de Physique, Université P. et M. Curie, Jan 2009. E. Mukuna, LI PGA de la Licence de Physique, Université P. et M. Curie, Jan 2009. A.S. Boulon, Licence LIII Physique et application, Paris XI, Mai-Juin 2009. Th. Hamalin, Licence LIII Physique et application, Paris XI, Mai-Juin 2009. S. Passe-Coutrain, Licence LIII Physique et application, Paris XI, Mai-Juin 2009. Dr. Ch. Nguyen, Rhumatologue, Hôpital lariboisiere, Mai-Sept 2009. F. Stephan, stage BTS, Technicienne de Laboratoire, Juin-Juillet 2009. H. Robert, stage BTS, Technicienne de Laboratoire, Juin-Juillet 2009. M. Roméo, stage BTS, Technicienne de Laboratoire, Juin-Juillet 2009. J. Bourgilles, Licence LIII Physique fondamentale, Mai-Juin 2009. C. Moreau, Licence LIII Physique et application, Université P. et M. Curie, Jan 2010. P. Seznec, Licence LIII Physique et application, Université P. et M. Curie, Jan 2010. A.F. Boudaouine, MI Physique appliquée, Université Paris XI, Avril-Juin 2010. T. Gou, Licence LIII Physique et application, Université paris XI, Mai-Juin 2010. A. Klutsch, Licence LIII Physique et application, Université Paris XI, Mai-Juin 2010. A. Dessombz, PostDoc, ANR Nanoshap, Nov 2010 – Dec 2011. D. Moser, Licence LIII, Programme ERASMUS, Mars2011 – Septembre 2011.

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