Цель исследования - разработка алгоритма селекции дискриминирующих зондов для определения актуальных возбудителей инфекционных заболеваний человека. Материалы и методы. Алгоритм подбора зондов, предназначенных для выявления широкого спектра патогенов, был реализован в виде программы для ЭВМ disprose (DIScrimination PRObe SElection), написанной на языке программирования R. Для осуществления некоторых функций программы использовали стороннее программное обеспечение: семейство программ BLAST+ и ViennaRNA Package. Алгоритм тестировали, подбирая специфичные зонды для детекции атипичного возбудителя внебольничной пневмонии (ВП) Chlamydophila (Chlamydia) pneumoniae. Нуклеотидные последовательности для анализа загружали из банка данных NCBI. Результаты. Разработан алгоритм селекции специфичных зондов для детекции актуальных возбудителей инфекционных заболеваний человека. Алгоритм реализован в виде модульной программы disprose, позволяющей осуществлять все этапы подбора зондов: загрузку нуклеотидных последовательностей и их метаданных из доступных банков, создание локальных баз данных, формирование пула зондов, расчет их физико-химических параметров, выравнивание зондов и последовательностей, содержащихся в локальных базах, обработку и оценку результатов выравниваний. Проведен анализ производительности модулей алгоритма и определена оптимальная последовательность их выполнения для оптимизации скорости работы. Алгоритм апробирован на примере подбора зондов для специфичной детекции одного из возбудителей ВП - Chlamydophila pneumoniae. Рассчитанные in silico параметры специфичности подобранных зондов свидетельствуют о низком риске их неспецифичного связывания и возможности применения в целом ряде молекулярно-генетических инструментов диагностики (ДНК-биочипы, ПЦР). Заключение. Разработан и реализован в виде модульной программы disprose алгоритм для селекции специфичных зондов, детектирующих широкий спектр актуальных возбудителей заболеваний человека бактериальной и вирусной природы в клиническом биоматериале. Подобранные с использованием программы зонды способны составлять функциональную основу ДНК-ориентированных биочипов, предназначенных для дифференциальной диагностики возбудителей полиэтиологических заболеваний, таких, например, как ВП. Вследствие гибкости и открытости программы область ее применения может быть расширена.
Современные технологии в медицине
2022. — Выпуск 1
Содержание:
Цель работы - оценить возможность установления возраста (возрастной группы) на момент смерти с использованием методов классификации по данным гистоморфометрической характеристики возрастных изменений костной и хрящевой тканей. Материалы и методы. Материалом для исследования послужила база данных, содержащая результаты морфометрических исследований гистологических препаратов костной и хрящевой тканей от 294 паспортизированных трупов лиц мужского пола в возрасте от 10 до 93 лет. Для анализа и классификации данных использованы современные методы машинного обучения: k-NN, SVM, Logistic Regression, Catboost, SGD, Naive Bayes, Random Forest, методы нелинейного снижения размерности (t-SNE и uMAP) и метод рекурсивного исключения признаков (Recursive feature elimination) для отбора признаков. Результаты. Использованные методы (алгоритмы) обеспечили эффективную визуализацию сложного набора данных (76 гистоморфометрических признаков), на основе которой была выявлена кластерная структура части объектов в пространстве признаков, что свидетельствовало о целесообразности построения моделей. В ходе отбора признаков была дана оценка их значимости для диагностики возрастной группы, изучена зависимость качества классификации от размера признакового пространства. Предобработка данных позволила избавиться от шума в данных и оставить наиболее информативные признаки, тем самым ускорить процесс обучения и повысить качество классификации. Установлено, что сокращение признакового пространства является необходимой мерой и не приводит к потере качества классификации. Повторная визуализация данных свидетельствовала о наличии более четкой кластерной структуры в пространстве отобранных признаков. Точность установления отдельных групп - 90%. Это доказывает высокую эффективность использования методов машинного обучения с целью судебно-медицинской диагностики возраста на основе данных гистоморфометрических исследований.
Ключевые слова
Интраоперационная регистрация кортико-кортикальных вызванных потенциалов (ККВП) позволяет исследовать эффективные связи между функциональными зонами коры головного мозга. Принципиальная возможность прогноза послеоперационных речевых дисфункций в нейрохирургии по изменениям сигнала ККВП может послужить основанием для разработки критериев физиологической дозволенности удаления внутримозговых опухолей с целью максимального сохранения качества жизни пациентов. Цель исследования - проверить гипотезу о возможности прогнозирования послеоперационных речевых нарушений у пациентов с глиальными опухолями головного мозга по данным ККВП, зарегистрированных интраоперационно до этапа удаления опухоли. Материалы и методы. Данные ККВП были зарегистрированы у 26 пациентов. Для прогнозирования усугубления состояния речевых функций в послеоперационном периоде использовали 4 варианта представления данных ККВП до основного этапа операции и несколько моделей машинного обучения: случайный лес деревьев решений, логистическую регрессию, метод опорных векторов с различными вариантами ядер: линейным, радиальным и полиномиальным. Было обучено 20 вариантов моделей: каждая - в 300 экспериментах с ресемплированием. Всего в исследовании выполнено 6000 тестов. Результаты. Показатели качества прогноза для каждой модели, обученной в 300 тестах с ресемплированием, усреднялись по всем метрикам для исключения влияния «удачного» и «неудачного» разделения данных. Лучший результат по метрике F1-score составил 0,638 у модели, построенной при помощи метода опорных векторов с полиномиальным ядром. В большинстве тестов наблюдался высокий показатель чувствительности, а у лучшей модели он достиг значения 0,993. При этом специфичность лучшего решения составила 0,370. Заключение. В рамках пилотного исследования продемонстрирована возможность прогнозирования речевой дисфункции по данным ККВП до основного этапа резекции глиальных опухолей с помощью традиционных методов машинного обучения. Лучшая модель при высокой чувствительности оказалась недостаточно специфичной. Дальнейшие исследования будут направлены на оценку динамики ККВП в процессе операции и ее связь с развитием послеоперационного речевого дефицита.
Ключевые слова
Цель исследования - подбор оптимальной методики создания хирургических биоматериалов на основе дермы свиньи и оценка их биологической безопасности. Материалы и методы. Для создания ксенодермальных биоматериалов использованы образцы нативной кожи поросенка породы ландрас возрастом 4 мес. Обработку дермы проводили солевым (протокол №1), перекисно-щелочным (протокол №2) и щелочным (протокол №3) растворами. Полученные образцы окрашивали гематоксилином и эозином, а также флуоресцентным красителем DAPI, проводили количественный анализ ДНК и оценивали цитотоксичность методом LIVE/DEAD. Подкожную имплантацию/инъекцию образцов биоматериалов выполняли лабораторным животным - самцам крыс породы Wistar (n=30) возрастом 6 мес, массой тела 260±20 г - с эксплантацией на 14-е сутки эксперимента. Гистологические срезы окрашивали гематоксилином и эозином. Компьютерную морфометрию проводили с помощью программы GraphPad Prism v. 6.04. Результаты. Полученные по трем протоколам образцы хирургических материалов обладали различными физическими характеристиками: после обработки по протоколу №1 дерма приобретала плотную структуру и белый цвет; по протоколу №2 - прозрачную и плотную структуру; по протоколу №3 - прозрачную гелеобразную структуру. Результаты гистологического анализа показали оксифильность и потерю структуры внеклеточного матрикса всех образцов, а окрашивание DAPI - разрушение клеточных ядер. Тем не менее количество ДНК в образцах, обработанных по протоколу №1, не соответствовало признанному критерию качества децеллюляризации (50 нг на 1 мг сухого веса). На основании этого дальнейшая оценка цитотоксичности in vitro и in vivo проводилась только для образцов, полученных по протоколам №2 и №3. По результатам анализа Live/Dead оба образца не обладали токсичностью по отношению к клеткам. На 14-е сутки после подкожной имплантации образцов у животных не обнаруживалось признаков нагноения и иммунного отторжения. Заключение. Для получения хирургических материалов в форме биопластических покрытий рекомендуется использовать щелочно-перекисную обработку дермы, а для получения гидрогелевых покрытий - щелочной гидролиз.
Ключевые слова
Цель исследования - изучить в эксперименте эффективность основных способов реконструкции передней стенки верхнечелюстной пазухи в ходе применения синус-лифтинга, а также влияние перфорации мембраны верхнечелюстной пазухи на заживление дефекта ее передней стенки. Материалы и методы. Эксперименты проводили на овцах северокавказской мясошерстной породы. Животным под общим обезболиванием выполняли вмешательство на верхнечелюстных пазухах. Послойно рассекали кожу и фасцию мышцы, получая оптимальный доступ к требуемой области для препарирования кости, формировали по три костных окна с каждой стороны. Два окна выпиливали шаровидным бором, третье - полым бором с забором костной крышки. Затем с одной стороны челюсти поднимали слизистую оболочку верхнечелюстного синуса и выполняли ее перфорацию, с другой стороны проводили синус-лифтинг без дальнейшей перфорации. После этого с обеих сторон одно из костных окон не закрывали ничем, второе закрывали коллагеновой мембраной, третье - костной крышкой. Животных через 30 и 60 дней по три особи выводили из эксперимента. Забираемый материал исследовали с помощью компьютерной микротомографии и гистологии. Результаты. По данным гистологического исследования установлено, что репарация костной ткани при всех используемых вариантах замещения костного дефекта проходила по нормальному физиологическому типу, начинаясь восстановлением дефекта грануляционной тканью с соединительнотканными тяжами и заканчиваясь клеточной дифференциацией с выраженной остеобластической активностью и формированием межбалочной системы. Наиболее активно репаративная регенерация протекала в области тех костных дефектов, которые были закрыты коллагеновой мембраной, при этом отсутствие перфорации мембраны верхнечелюстной пазухи еще более способствовало регенерации. Данные микротомографического и гистологического исследований показали, что перфорация слизистой оболочки верхнечелюстного синуса при проведении операции синус-лифтинга ухудшает регенерацию костной ткани. Заключение. Полученные результаты позволяют считать, что наиболее эффективным способом закрытия костного дефекта передней стенки верхнечелюстной пазухи является использование коллагеновой мембраны, что позволяет рекомендовать ее применение в клинической практике при проведении синус-лифтинга.
Ключевые слова
Цель исследования - оценить возможность использования искусственного интеллекта для определения наиболее значимых предикторов при прогнозировании исходов оперативной коррекции пациентов с поражением коронарных и сонных артерий. Материалы и методы. Проведено ретроспективное исследование результатов одномоментного хирургического вмешательства у пациентов с сочетанным атеросклеротическим поражением коронарного русла и церебральных артерий (n=42) (кроме того, поражение коронарных и сонных артерий у этих пациентов отличалось тяжестью и распространенностью). C использованием программы TADA проанализированы параметры, которые могут являться предикторами сердечно-сосудистого риска. Для обучения программы было построено 10 моделей. Самой удачной оказалась модель с точностью предсказаний 92%. Результаты. В результате одномоментной коррекции у всех пациентов отсутствовали 30-дневные коронарные осложнения. Со стороны сосудисто-мозгового бассейна у 2 пациентов развилось острое нарушение мозгового кровообращения по ишемическому типу инсульта. Летальность составила 2,4%, летальный исход был обусловлен послеоперационным желудочно-кишечным кровотечением. Наиболее значимыми предикторами модель программы TADA посчитала следующие параметры: время пережатия внутренний сонной артерии в минутах (51,24%); поражение ствола левой коронарной артерии (30,42%); диастолическое АД (18,28%). При пережатии внутренней сонной артерии меньше 18 мин осложнения маловероятны, а при значении больше 46 мин они практически неизбежны. С увеличением степени поражения ствола левой коронарной артерии вероятность осложнений возрастает нелинейно. Высокое диастолическое АД практически никогда не совпадает с наличием осложнений, так же, как и низкое. Наиболее велика вероятность осложнений при значении от 70 до 80 мм рт. ст. У пациентов с трехсосудистым поражением коронарных артерий наблюдалась репрезентативная картина незначимого признака. Заключение. Использование искусственного интеллекта для определения предикторов риска у пациентов с сочетанным атеросклеротическим поражением коронарных и сонных артерий является эффективным методом для прогнозирования рисков одномоментных вмешательств.
Ключевые слова
Обобщены результаты исследований, опирающихся на применение технологий транскриптомного анализа к современным клеточным модельным системам рака, ассоциированного с вирусом папилломы человека - ВПЧ (рака шейки матки, опухолей головы и шеи). Рассматривается многообразие трехмерных моделей рака, таких как сфероиды, органоиды (органотипические культуры), экспланты, мышиные ксенографты. Особое внимание уделено использованию биоматериала пациентов для получения временных культур первичных опухолевых клеток, а также созданию многокомпонентных (гетероклеточных) систем, включающих наравне с опухолевым компонентом элементы его микроокружения. Обсуждается ряд уникальных биологических свойств ВПЧ-индуцированных опухолей, которые делают получение клеточных моделей весьма незаурядной задачей. Для каждого варианта модельных систем приведены новейшие обнаружения в области молекулярных механизмов возникновения и прогрессии ВПЧ-зависимого рака, сделанные с помощью РНК-секвенирования. Эти обнаружения рассматриваются в прикладном аспекте - с точки зрения открывающихся возможностей для доклинического тестирования новых препаратов, персонализированной диагностики и подбора индивидуальных, наиболее эффективных схем лечения. Рассмотрены вопросы формирования лекарственной устойчивости, молекулярно-клеточной гетерогенности, эпигенетического перепрограммирования, роли стромального микроокружения. Акцентируются проблемы, связанные с ограничениями применимости той или иной модельной системы. Отмечаются направления, по которым наблюдается существенное отставание омиксных исследований по вирус-ассоциированному раку в сравнении с другими типами онкопатологий, и возможные причины этого отставания. Обозначены также перспективы будущего развития модельных систем ВПЧ-ассоциированных опухолей в области высокотехнологичной тканевой инженерии, в частности применение биопечати и микрофлюидных биочипов. Сочетание данных технологий с методами полногеномного профилирования позволит существенно увеличить трансляционный потенциал описываемых модельных клеточных систем.
Ключевые слова
Для определения риска развития внезапного летального исхода задолго до его наступления, в том числе у лиц с бессимптомным течением сердечно-сосудистой патологии, и проведения ранних профилактических мероприятий, способных привести к снижению уровня смертности населения от сердечно-сосудистых заболеваний, необходима эффективная система диагностики предрасположенности к развитию внезапной сердечной смерти (ВСС). В связи с этим актуальной проблемой современного здравоохранения является поиск маркеров риска ВСС. По данным последних исследований, эпигенетические механизмы наследственности, в первую очередь метилирование ДНК, играют важную роль в развитии многих заболеваний. В обзоре представлены результаты последних зарубежных и российских исследований, посвященных поиску связи метилирования ДНК с развитием сердечно-сосудистых заболеваний, лежащих в основе ВСС (ИБС, кардиомиопатий, нарушений ритма сердца). Большая часть обзора посвящена изучению метилирования ДНК при ИБС, которая на данный момент является наиболее эпигенетически изученной нозологией. Также уделено внимание исследованиям роли метилирования ДНК в развитии острого коронарного синдрома и инфаркта миокарда, которые имеют схожие механизмы развития с ВСС. Работ по поиску связи метилирования ДНК с кардиомиопатиями и нарушениями ритма сердца проведено немного, однако выявлена ассоциация метилирования некоторых генов с исследуемыми нозологиями. Представлены патогенетические обоснования возможностей использования эпигенетических маркеров сердечно-сосудистых заболеваний в качестве маркеров ВСС. Таким образом, установлено, что наиболее перспективным в отношении ВСС может стать изучение генов, метилирование которых ассоциировано с ИБС, - CTH, PLCB1, PTX3, MMP9, FN1, F2RL3, ABCB1, FOXP3, GDF15, IL6, CASR, с нарушениями липидного обмена и атеросклерозом, - CETP, CCL2, SREBF2, TIMP1, с нарушениями ритма сердца, - SCN5A и KCNQ1.