Étude de la cristallisation des oxalates de calcium en conditions microfluidiques pour la compréhension de l’urolithiase

Investigation of Calcium Oxalate Crystallization under Microfluidic Conditions for the Understanding of Urolithiasis

• Auteur / Autrice : Karol Rakotozandriny
• Direction : Christian Bonhomme, Ali Abou-Hassan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 27/09/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie de la matière condensée de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Christèle Combes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karim Benzerara, Annette Taylor
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bruno Bujoli, Fabienne Testard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristallisation

Canaux calciques

Teneur en oxalates

Calcium -- Composés

Hydroxyapatite

Étiologie

Lithiase urinaire

Mots clés libres

Oxalates de calcium

Hydroxyapatite

Microfluidique

Caractérisation in situ

Croissance cinétique

Calcium oxalate

Hydroxyapatite

Microfluidic

In situ characterization

Growth kinetics

Résumé

Ces cinquante dernières années, la prévalence croissante de la lithiase urinaire souligne l’importance de comprendre les processus causant la formation des calculs rénaux. L’étude de la cristallisation des oxalates de calcium (CaOx, composé inorganique majoritaire des calculs) a été largement caractérisée en condition batch, qui est néanmoins loin d’être considéré comme biomimétiques vis-à-vis de l’environnement rénal ou de l’écoulement urinaire. Au cours de cette thèse, nous avons développé une puce microfluidique réversible contenant un microcanal mimant un canal collecteur du néphron. In vivo, des calculs de CaOx peuvent s’y former en réponse à une sursaturation en ions Ca2+(aq) and Ox2-(aq). Dans le microcanal, la cristallisation des CaOx a été induite par mélange co-laminaire d’ions Ca2+(aq) et Ox2-(aq) à des concentrations simulant l’hypercalciurie et l’hyperoxalurie modérée. La microscopie électronique à balayage et la spectroscopie Raman ont été utilisées pour caractériser nos résultats. Elles ont montré que les CaOx précipitent dans le microcanal en un mélange de whewellite (CaC2O4.H2O, COM) et de weddellite (CaC2O4.2H2O, COD), tel qu’observer par les médecins. Des observations in situ sur la cinétique de croissance des CaOx ont pu être collectées grâce à notre plateforme microfluidique. Elles confirment les effets des conditions hydrodynamique et chimique sur la croissance, la phase et la morphologie des CaOx. Dans une tentative de se rapprocher d’un modèle plus biomimétique, la surface du microcanal a été modifiée avec de l’hydroxyapatite afin de mimer la formation de cristaus de CaOx sur plaque de Randall.

Over the past decades, the increase in kidney stone formers has raised the importance to understand the biomineralization process responsible for urolithiasis. Calcium oxalate (CaOx) crystallization – kidney stone main inorganic compound – has largely been characterized under batch synthesis conditions that cannot be regarded as biomimetic with respect to the microscale environment in the kidney and to the urinary flow. In this work, we used a reversible microchannel to mimic the collecting duct in the nephron where CaOx stones can form due to supersaturated levels in calcium and oxalate ions. Within the channel, CaOx crystallization was induced under co-laminar mixing of Ca2+(aq) and Ox2-(aq) ions matching pathological concentrations – i.e. hypercalciuria and moderate hyperoxaluria. Scanning electron microscopy and Raman spectroscopy were used to support our investigations. They showed that CaOx crystals precipitate in a mixture of monohydrated whewellite (CaC2O4.H2O, COM) and dihydrated weddellite (CaC2O4.2H2O, COD) in the microchannel, similar to what is observed by the physicians. In situ information on the kinetics of CaOx crystal growth could be acquired in our microfluidic system. They confirmed the effect of the hydrodynamic and chemical conditions on the growth kinetics and the final chemistry (phase, shape) of the formed CaOx crystals. In a trial to achieve a more complex biomimetic model (formation of kidney stones on a Randall’s plaque), hydroxyapatite was grown also in the microchannel and the CaOx crystal formation was investigated.