Chemical speciation on urinary lithiasis. Image analysis and separation techniques for the study of lithogenesis

Abstract

La formació de concrecions sòlides al tracte urinari, malaltia que rep el nom de litiasi urinària, és un desordre molt comú arreu del món. La seva taxa de incidència és del 12% a la població mundial, i la de recurrència (repetició d’episodis litiàsics) és del 50%. Els recursos destinats al tractament de la litiasi urinària suposen una important llast als pressupostos de la sanitat pública. Els reptes que fixa aquesta malaltia requereixen opcions més avançades de diagnòstic i tractament. Existeix una necessitat clara a la comunitat mèdica (i a la societat) de reduir les elevades taxes d’incidència i recurrència, que s’han de resoldre a través del coneixement i de noves opcions preventives. Aquesta Tesi Doctoral exposa els projectes desenvolupats en diverses àrees de la litiasi urinària, que inclouen anàlisi d’imatge, espectroscòpia i tècniques de separació. L’objectiu d’aquest document és oferir respostes a les limitacions indicades emprant aquestes eines. La primera Secció experimental està dedicada a la utilització de les espectroscòpies NIR i IR per ampliar el coneixement de la litogènesi i suggerir noves alternatives per a l’anàlisi dels càlculs urinaris. Una descripció precisa de la formació d’un càlcul renal és l’eina fonamental per a la identificació de factors de risc i la seva influència als processos de cristal·lització. Aquestes anàlisis presenten les bases de tractaments més adaptats. D’altra banda, el desenvolupament d’una nova metodologia analítica basada en Imatges Hiperespectrals representa un destacable avenç al tractament de la malaltia. Els processos descrits aquí superen les tècniques tradicionals en la qualitat de descripció de la mostra, el temps d’anàlisi, i no necessiten d’un analista format. Aquesta metodologia pot ser considerada seriosament com a alternativa als laboratoris clínics. La següent secció mostra la caracterització de les nanopartícules presents a l’orina mitjançant Field Flow Fractionation. L’interès en estudiar la relació entre les nanopartícules i la litiasi rau en el fet que el procés de cristal·lització s’inicia amb l’aglomeració de petites partícules en suspensió. L’objectiu final és la utilització de les nanopartícules com a biomarcador de risc litogen. La tercera Secció experimental es centra en la rellevància dels promotors de la cristal·lització, amb especial èmfasi a l’oxalat. Aquest promotor s’acostuma a incorporar a través de la dieta. El treball presentat aquí inclou la determinació del contingut en oxalat (i altres inhibidors/promotors) en extractes de plantes i xocolata, productes comuns a dietes occidentals. Addicionalment, s’ha dut a terme un estudi enfocat a l’absorció d’oxalat, que empra el marcatge isotòpic i en contrasta els resultats amb altres fórmules de determinació de risc litogen. En darrer lloc, aquest document detalla les principals contribucions de la Tesi a la transferència de coneixement: protecció intel·lectual i la presentació d’un dispositiu mèdic. Aquest aparell és capaç de classificar càlculs renals de forma ràpida emprant eines de reconeixement d’imatges. El dispositiu realitza automàticament suggeriments de tractament específics a cada mostra, per a una anàlisi individualitzada. L’interès comercial del producte ha estat estudiat, incloent un estudi de mercat. En resum, aquesta Tesi ofereix un enfocament multidisciplinar que pretén establir nexes entre aspectes fonamentals, aplicats i mèdics de la litiasi urinària. La millora de la qualitat de vida del pacient ha estat l’horitzó permanent que ha conduit aquesta recerca.

The formation of solid depositions along the urinary tract, also known as urinary lithiasis, is a common disease worldwide. The incidence rate is 12% of the entire population and the recurrence (suffering further stone episodes) affects 50% of the patients. The associated medical management and treatments are an important burden on healthcare systems. The challenges posed by urinary lithiasis require enhanced diagnostic and treatment options. The medical community (and the society) has a clear need of reducing incidence and recurrence rates, which should follow the path of wider knowledge in stone disease and new preventive options. This Dissertation exposes the work developed in some areas concerning urolithiasis, which embeds image analysis, spectroscopy and separation techniques. The aim of this report is to offer answers to the above mentioned necessities using those scientific tools. The first experimental Section in this Dissertation is devoted to the use of NIR and IR Spectroscopies for widening the knowledge in lithogenesis and suggesting new urinary stone analysis alternatives. The precise description of the formation of a stone is a solid pillar on the definition of risk factors and influence of urinary parameters on the crystallization process. This input set the basis for the formulation of more specific treatments. The development of a new analysis methodology, using Hyperspectral Imaging, represents a step forward in stone disease management. The process presented here offers a better stone description than conventional techniques in a short analysis time and with no need of trained analysts. This poses the bases of this methodology as a solid alternative for its use in routine clinical laboratories. The next Section describes the use of Field Flow Fractionation for the characterization of nanoparticles in urine. Since crystallization processes start by the agglomeration of small solid particles, the interest on the development of a methodology to determine their relation to urinary lithiasis is clear. This study intends to use nanoparticles as a biomarker for stone formation risk. The third experimental Section is focused on the importance of crystallization promoters, in particular, oxalate. This promoter is mostly integrated into the body through the diet. In this sense, this Dissertation investigates oxalate content (and other promoters/inhibitors of crystal formation) in plant extract and chocolate - common products in western diet. Oxalate absorption is also considered in this work, by using isotopic labelling and comparing the results to general risk assessment formulas. The last Section in this Dissertation highlights the contributions of this work to knowledge transfer. It includes the intellectual protection of some of the produced knowledge and the presentation of a new medical device. This instrument is able to quickly classify urinary stones using image recognition tools, providing thus a suitable alternative for the in-site analysis of stones. The device automatically offers treatment suggestions adapted to each sample, so it offers an individualized analysis. The commercial potential of this device has been also assessed through market research. In essence, this Dissertation can be considered as a multidisciplinary approach that provides a link between fundamental, applied and medical features of urinary lithiasis. This goal has been reached keeping as a horizon the improvement of patients’ quality of life.