Ultrastructure mechanisms of the formation of late radiation cystitis (pilot study)

Full Text

Введение

В 2011 г. в экспериментальных исследованиях показано, что введение в мочевой пузырь (МП) опытных животных раствора метиленового синего в процессе моделирования воспаления сопровождается различной глубиной проникновения в клеточные структуры детрузора, коррелирующей с выраженностью цитоморфологических изменений в нем [1]. На страницах ежегодного обзора биомедицинской инженерии в 2018 г. X. Luo и соавт. в статье «Расширенная эндоскопическая навигация: хирургические данные, методология и приложения» дали оценку развития интервенционной эндоскопии, которая все шире применяет навигационные системы с мультимодальной информацией (компьютерной томографией – КТ, магнитно-резонансным, эндоскопическим ультразвуковым изображением, ядерными трекерами и т.д.) в изучении анатомии пациента, помогая врачу принимать решение по интегративным результатам без проведения дорогостоящего дублирования [2]. Профессор Y. Lee и соавт. в статье, опубликованной в журнале Biomedicines в 2022 г., отметили, что только понимание ультраструктурных изменений в стенке МП может дать ключ для разработки патогенетически обоснованного лечения хронического рецидивирующего воспаления МП [3]. Профессор M. Hotta и соавт. в 2023 г. на страницах журнала British Journal of Radiology обратили наше внимание на важность оценки «случайных» находок при проведении гибридной позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и КТ у пациентов, направленной для исключения или определения рака. При этом изучение физиологических и неонкологических причин поглощения меченых молекул необходимо анализировать для точной и исчерпывающей интерпретации полученных результатов ПЭТ/КТ [4]. Все это и определило цели и задачи настоящего пилотного исследования.

Цель исследования – изучить 3D-ультраструктурные механизмы формирования позднего лучевого цистита (ПЛЦ).

Материалы и методы

Настоящее исследование посвящено возможности использования визуальной навигации для моделирования ультраструктурной состоятельности барьерной функции стенки МП у 4 пациенток с медианой возраста 39,5 (37–42) года, находившихся под наблюдением в урологической клинике ФГБОУ ВО «Тюменский ГМУ» с различно выраженными визуальными проявлениями ПЛЦ. Клинические проявления болезни возникали в период 12–24 мес после дистанционной лучевой терапии рака шейки матки II стадии, проведенной на современном оборудовании с использованием мультилепесткового коллиматора под визуальным контролем. В стационарных условиях под общим обезболиванием женщинам проводили смотровую цистоскопию с забором материала для проведения сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). ПЭТ/КТ всего тела выполняли по направлению онколога для исключения прогрессирования основного заболевания и вовлеченности в него МП. В исследовании изучали тропность стенки МП к 11С-холину по показателю стандартизированного уровня захвата меченых молекул (maximum standardized uptake value – SUV_max) из мочи в условных единицах (у.е.), который рассчитывался в автоматическом режиме программным обеспечением ПЭТ/КТ-томографа Biograph (Siemens, Германия). Препарат готовили в Радиологическом центре ГАУЗ ТО «МКМЦ "Медицинский город"» на компактном циклотроне шведской фирмы (Scanditronix) и вводили внутривенно в дозе 1–8 мл (10–25 mCi). Сканирование всего тела пациенток проводили по стандартной методике через 10 мин после введения препарата. Общее время сканирования составило 30 мин. СЭМ выполняли по стандартной методике в ФГБУН «ФИЦ "Тюменский НЦ СО РАН"». Исследование проводили на аппарате СЭМ SU3800/SU3900 (Hitachi High-Tech's, Япония). Клиническую навигацию ультраструктурной состоятельности барьерной функции стенки МП путем 3D-реконструкции цистоскопической картины и ультраструктурного состояния всех элементов его стенки в едином блоке по цифровому показателю SUV_max выполняли с использованием разработанной и внедренной нами оригинальной программы для электронной вычислительной машины (ЭВМ) [5].

Результаты

В результате проведения многофакторной визуальной оценки структурно-функционального состояния МП установлено, что его тропность к меченым молекулам 11С-холина при различных визуальных проявлениях позднего лучевого воспаления коррелирует с выраженностью ультраструктурных изменений его стенки. Так, при легкой гиперемии сосудов слизистой оболочки уротелий был представлен полигональной формой сравнительно одинакового размера с плотно сомкнутыми межклеточными пространствами, поверхность фасеточных клеток была покрыта короткими микроворсинками за счет складчатости поверхностных мембран. Элементы собственной пластинки, включающие эпителиоциты, стромальные клетки и базальные мембраны, были интактны, а структурированные мышечные волокна детрузора имели узкие межклеточные промежутки. При этом показатель SUV_max 11С-холина из мочи стенки МП был минимальным (< 5 у.е). Для более выраженных визуальных изменений слизистой оболочки в виде ее помутнения, появления телеангиоэктазий, локальных эрозий или тотальной гиперемии с отеком слизистой оболочки оказались характерными нарастающая деформация уротелиальных клеток с появлением шероховатости, расширяющей межклеточные пространства. Это приводило к нарушению целостности сплошного покрова и частичному обнажению собственной пластинки слизистой, появлению рыхлой внеклеточной соединительной ткани, окружающей фрагменты разрушенных эпителиоцитов, стромальных клеток, базальных мембран, покрытых сетью из фибрина. Все это сопровождалось изменением размеров и формы миоцитов детрузора, расширением межклеточных пространств между ними и дополнительным насыщением стенки МП мечеными молекулами 11С-холина, поступающими из мочи (SUV_max – 6–100 у.е. при увеличении в 6000 раз; рис. 1).

 

Рис. 1. Многофакторная визуальная оценка структурно-функционального состояния стенки МП по результатам ПЭТ/КТ с 11С-холином (1), смотровой цистоскопии (2), СЭМ: слизистого слоя (3), подслизистого слоя (4), мышечного слоя (5) МП; SUV_max 11С-холина: а – норма (2–5 у.е.); b – минимальные изменения (6–8 у.е.); c – умеренные изменения (9–20 у.е.); d – выраженные изменения (21–100 у.е.).

Fig. 1. Multifactorial visual assessment of the structural and functional state of the bladder wall based on positron emission tomography/computed tomography with 11C-choline (1), viewing cystoscopy (2), electron microscopy: mucosal layer (3), submucosal layer (4), muscular layer (5) of the urinary bladder; maximum standardized uptake value (SUV_max) of 11C-choline: a – normal values (2–5 c.u.); b – minimal changes (6–8 c.u.); c – moderate changes (9–20 c.u.); d – pronounced changes (21–100 c.u.).

 

В процессе создания удобного для восприятия практикующим урологом инструмента по клинической навигации ультраструктурной и молекулярно-клеточной состоятельности барьерной функции стенки МП нами использована оригинальная программа для ЭВМ¹, позволяющая по тропности стенки МП к меченым молекулам 11С-холина получить высоковероятную цистоскопическую картину слизистой оболочки МП в виде 3D-реконструкции, а также послойную ультраструктурную 3D-модель всех элементов стенки МП (слизистой, собственной пластинки, миоцитов детрузора) в едином блоке при увеличении в 6000 раз (рис. 2). Так, на представленной виртуальной 3D-модели вариантов визуальных проявлений ПЛЦ показана ультраструктурная 3D-реконструкция всех элементов стенки МП (1), где цифровой показатель (2) насыщения стенки МП мочой с мечеными молекулами 11С-холина (SUV_max) является индикатором снижения барьерной функции стенки МП.

 

Рис. 2. Схема клинической навигации ультраструктурной и молекулярно-клеточной состоятельности барьерной функции стенки МП: 1 – все элементы стенки МП в едином блоке; 2 – цифровой показатель насыщения стенки МП мочой, содержащей молекулы 11С-холина SUV_max (у.е.).

Fig. 2. Scheme of clinical navigation of ultrastructural and molecular-cellular competence of the barrier function of the bladder wall: 1 – all elements of the bladder wall in a single block; 2 – digital indicator of the saturation of the bladder wall with urine containing 11C-choline molecules SUV_max (c.u.).

 

Обсуждение

Визуальная навигация с применением 3D-реконструктивных технологий все шире используется в клинической медицине, и современная урология не является исключением. Особое значение при этом уделяется максимальному насыщению цифрового значения, полученного в процессе неинвазивного высокотехнологичного исследования информации, позволяющей в удобной для восприятия практическим врачом форме представить высоковероятную макроскопическую и ультраструктурную картину поражения того или иного органа [5]. Так, академик А.М. Гранов и соавт. в 2005 г. запатентовали ПЭТ/КТ-способ, позволяющий повысить точность дифференциальной диагностики между новообразованиями и воспалительными заболеваниями органов малого таза посредством цифрового анализа результатов ПЭТ/КТ-сканирования с 18F-фтордезоксиглюкозой в зоне интереса лечащего врача, который рассчитывался программным обеспечением томографа². A. Ogier и соавт. в 2023 г. предложили новый подход к сегментации и регистрации изображений многослойной магнитно-резонансной томографии для реконструкции динамических объемов МП в реальном времени [6]. Х.С. Ибишев и соавт. в 2020 г. предложили способ, позволяющий повысить точность дифференциальной диагностики бактериального или вирусного хронического цистита методом СЭМ биоптата слизистой оболочки, забранного при смотровой цистоскопии, что упрощало и повышало точность дифференциальной диагностики различных форм проявления хронического цистита, а также позволяло выбрать обоснованную тактику ведéния этого пациента и снизить количество рецидивов заболевания³. I. Andrikos и соавт. в 2023 г., используя ультразвуковое и фотоакустическое изображения, разработали программное обеспечение для высокоточной полуавтоматической 3D-реконструкции и визуализации анатомии МП в трехмерном пространстве [7], а K. Ichimura и соавт. в 2017 г. для расшифровки уникальной трехмерной архитектоники тканей в качестве прорывного инструмента раскрытия морфологических процессов применили блочную визуализацию как наиболее удобную для восприятия результатов проведенного исследования [8]. Разработанный нами инструмент клинической навигации ультраструктурного и молекулярно-клеточного состояния МП с применением оригинальной программы ЭВМ позволит урологу стационара в процессе осмотра слизистой оболочки МП при проведении цистоскопии с высокой степенью вероятности получить информацию по 3D-ультраструктурному состоянию всех элементов стенки в едином блоке с количественной оценкой степени насыщения ее мочой. В условиях поликлинического приема врач-уролог, анализируя данные электронного носителя, содержащего результаты ПЭТ/КТ-сканирования всего тела с 11С-холином, независимо от показаний для его проведения, с помощью разработанного нами программного обеспечения может визуализировать высоковероятную виртуальную 3D-картину результатов цистоскопии, а также ультраструктурного состояния всех элементов стенки МП в едином блоке, что может быть использовано в качества дополнительного маркера оценки состоятельности барьерной функции МП [5]. Клиническое применение навигации с помощью оригинальной программы ЭВМ позволит врач-урологу по цистоскопической картине слизистой оболочки МП или цифровому показателю SUV_max молекулы 11С-холина в стенке МП с высокой степенью вероятности получать визуальную ультраструктурную 3D-реконструкцию всех элементов его стенки с количественной оценкой степени насыщения ее мочой.

Заключение

Ультраструктурные механизмы формирования ПЛЦ и активности его проявлений с высокой степенью вероятности связаны с несостоятельностью барьерной функции МП в отношении биологически активных молекул, входящих в состав мочевого фильтрата. Несмотря на ограниченное количество наблюдений и предварительный характер выводов, связанных только с проявлениями ПЛЦ, описанные механизмы могут быть полезны для понимания и других воспалительных заболеваний МП. Это нуждается в крупных проспективных многоцентровых исследованиях с использованием новых ПЭТ-радиофармпрепаратов.

Раскрытие конфликта интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Disclosure of interest. The authors declare that they have no competing interests.

Вклад авторов. Авторы декларируют соответствие своего авторства международным критериям ICMJE. Б.А. Бердичевский – концептуализация, методология, написание текста – первоначальный вариант, рецензирование и редактирование, надзор; Г.В. Зубик – концептуализация, методология, написание текста – первоначальный вариант; В.Б. Бердичевский – концептуализация, исследование; А.Р. Гоняев, И.В. Павлова – курация данных, исследование; Г.Г. Гарагашев – курация данных, написание – первоначальный вариант; Д.В. Жмуров – исследование; Д.А. Учаев – формальный анализ, написание – первоначальный вариант; М.А. Корабельников – исследование, формальный анализ; Д.Б. Крупинкина – исследование, валидация.

Authors’ contribution. The authors declare the compliance of their authorship according to the international ICMJE criteria. B.A. Berdichevsky – conceptualization, methodology, writing – original draft, reviewing and editing, supervision; G.V. Zubik – conceptualization, methodology, writing – original draft; V.B. Berdichevsky – conceptualization, investigation; A.R. Gonyaev, I.V. Pavlova – data curation, investigation; G.G. Garagashev – data curation, writing – original draft; D.V. Zhmurov – investigation; D.A. Uchaev – formal analysis, writing – original draft; M.A. Korabelnikov – investigation, formal analysis; D.B. Krupinkina – investigation, validation.

Источник финансирования. Авторы декларируют отсутствие внешнего финансирования для проведения исследования и публикации статьи.

Funding source. The authors declare that there is no external funding for the exploration and analysis work.

Раскрытие информации об использовании ИИ. При написании статьи ИИ не использовался.

Disclosing the use of AI. No AI was used when writing the article.

Информированное согласие на публикацию. Пациенты подписали форму добровольного информированного согласия на публикацию медицинской информации.

Consent for publication. Written consent was obtained from the patients for publication of relevant medical information and all of accompanying images within the manuscript.

 

¹ Бердичевский Б. А., Бердичевский В. Б., Гоняев А. Р., и др. Компьютерная программа визуальной и блочной 3D-ультраструктурной визуализации вероятности нарушения мочетканевого барьера мочевого пузыря по результатам ПЭТ/КТ всего тела 11С-холином. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2025610931 Российская Федерация. Заявл. 15.01.2025; опубл. 15.01.2025.

² Гранов А.М., Тютин Л.А., Рыжкова Д.В., и др. Способ диагностики злокачественных новообразований органов малого таза. Патент Российская Федерация RU2246259C1. Опубл. 20.02.2005. Бюл. №5.

³ Ибишев Х.С., Крахоткин Д.В., Коган М.И., и др. Способ дифференциальной диагностики хронического рецидивирующего цистита. Патент Российская Федерация RU2723024C1. Опубл.: 06.08.2020. Бюл. №16.

About the authors

Boris A. Berdichevsky

Tyumen State Medical University

Author for correspondence.
Email: doktor_bba@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9414-8510

D. Sci. (Med.), Prof.

Russian Federation, Tyumen

Grigorii V. Zubik

Tyumen State Medical University

Email: doktor_bba@mail.ru
ORCID iD: 0009-0005-1333-2922

Student

Russian Federation, Tyumen

Vadim B. Berdichevsky

Tyumen State Medical University

Email: doktor_bba@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0186-6514

D. Sci. (Med.), Assoc. Prof.

Russian Federation, Tyumen

Artem R. Gonyaev

MAT I DITYA TYUMEN LLC

Email: doktor_bba@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1619-4714

Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, Tyumen

Irina V. Pavlova

Neftyanik Medical and Sanitary Unit JSC

Email: doktor_bba@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5079-430X

Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, Tyumen

Georgy G. Garagashev

Tyumen State Medical University

Email: doktor_bba@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4122-1243

Teaching Assist.

Russian Federation, Tyumen

Denis V. Zhmurov

Tyumen State Medical University

Email: doktor_bba@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3167-5310

Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, Tyumen

Daniil A. Uchaev

South Ural State University

Email: doktor_bba@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8623-4769

Res.

Russian Federation, Chelyabinsk

Mihail A. Korabelnikov

Multidisciplinary Clinical Medical Center "Medical City"

Email: doktor_bba@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6020-2489

MD, Radiol.

Russian Federation, Tyumen

Daria B. Krupinkina

Tyumen State Medical University

Email: doktor_bba@mail.ru
ORCID iD: 0009-0007-1635-9738

Student

Russian Federation, Tyumen

References

Supplementary files