Ausfällungsmechanismen von Ca-Oxalat in Gegenwart von Ca-Phosphaten und Osteopontin-Molekülen mit Bezug zur Bildung von Nierensteinen

• Antragsteller: Professor Dr. Hans-Joachim Kleebe
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 194435755

Nierensteine stellen ein gesellschaftlich bedeutendes Gesundheitsproblem dar. Obwohl die Ursachen und Mechanismen der Calciumoxalat-Nephrolithiasis nicht vollständig geklärt sind, ist jedoch bekannt, dass sich aus dem Urin in den Nieren Calaciumoxalat-Kristalle bevorzugt auf zuvor gebildeten Hydroxylapatit (HA)-Plaques oder Calciumphosphat-Partikeln wachsen. Gelöste organische Substanzen, wie zum Beispiel Osteopontin-Proteine, stellen Gegenspieler der Ausfällung von COM dar, indem sie auf Oberflächen von Kristallen adsorbieren und deren Wachstum hemmen. Während der ersten Förderungsphase dieses Projects wurde der Hauptfokus auf die Rolle von Calciumphosphat-Substraten im Ausfällungsmechanismus von Calciumoxalat-Monohydrat (COM, Whewellit) gelegt. Experimentelle Ansätze wurden kombiniert mit einer noch fortzusetzenden Untersuchung von Nierensteinen, besonders im Grenzbereich von HA-Plaque und COM-Stein.Die beantragten Forschungsarbeiten für das dritte Jahr des Projekts setzen diese duale Herangehensweise fort. Die Untersuchung von Nierensteinen wird nun fokussiert auf die Verbindung der Mineralphasen mit organischem Material im Bereich der HA-Plaque/COM-Stein Grenzfläche und in den COM-Kristallen und Aggregaten. In dieser mikrostrukturellen Studie kommen Techniken der Rasterkraftmikroskopie (AFM), Raster-Elektronenmikroskopie (REM), Transmissions-Elektronenmikroskopie und Elektronenbeugung zum Einsatz.Der hemmende Effekt von OPN auf das COM-Kristallwachstum wird durch direkte mikro- bis nanometer-skalige Beobachtung der Wachstumsprozesse untersucht mit in-situ AFM in einer Fluidzelle. Da OPN-Makromoleküle polyanionische und phosphorylierte Abschnitte enthalten, die an der COM-Wachstumshemmung größeren Anteil haben als andere, werden wir entsprechend OPN-abgeleitete Peptide für COM-Wachstumsexperimente verwenden, um die spezifischen Effekte zu dokumentieren.In einer Mikrostruktur-Studie, komplementär zu den In-Situ-Beobachtungen und der Untersuchung von Nierensteinen, werden in Gegenwart von OPN oder Peptiden gezüchtete COM-Kristalle mit AFM, SEM, TEM and Elektronenbeugung charakterisiert. Es werden Defektstrukturen erwartet, die systematisch durch den Einbau von OPN oder Peptiden herbeigeführt wird.Die Ergebnisse aus dieser mikrostrukturellen Charakterisierung von OPN- oder Peptid-beeinflussten COM-Kristalle werden in Kombination mit den direkten Beobachtungen der entsprechenden Kristallisations- und Hemmungsprozesse ein detailliertes Bild der Struktur-Funktion-Beziehung bezüglich der OPN-COM-Wechselwirkung ergeben. Ein struktureller Vergleich mit COM-Nierensteinen wird zeigen, ob ähnliche Hemmungsmechanismen im natürlichen System auftreten. Diese Forschungsarbeit wird neue Einblicke in die hemmende Funktion von OPN während des COM-Kristallwachstums gewähren, die das grundlegende Verständnis der Nierensteinbildung verbessern werden und für mögliche zukünftige Entwicklungen in der Prävention von Nephrolithiasis dienlich sein können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen