Мультимодальный анализ почечных камней для поиска новых биомаркеров мочекаменной болезни

Введение

Мочекаменная болезнь (МКБ) — широко распространённое заболевание, которым страдает от 10 до 15% населения по всему миру [1][2]. Эпидемиологические исследования показали, что распространённость МКБ значительно варьируется в зависимости от возраста, пола, расы и географического положения и продолжает увеличиваться в течение последних нескольких десятилетий [3][4]. Данная тенденция является общемировой, хотя такая динамика может быть связана с тем, что более доступными становятся такие методы исследования, как компьютерная томография и ультразвуковое исследование. Это, в свою очередь, увеличило выявляемость МКБ, в том числе случаев бессимптомного камненосительства. По данным исследования глобального бремени заболеваний (The Global Burden of Disease Study), заболеваемость МКБ в мире выросла на 48,57%: с 77,78 млн случаев в 1990 году до 115,55 млн в 2019 году [5]. Заболеваемость мочекаменной болезнью в Российской Федерации в 2005 году составила 176 773 случая, а в 2019 году было зарегистрировано 205 414 новых случаев с явной тенденцией к росту заболеваемости и с увеличением на 16,2% за период с 2005 по 2019 год [6]. Общая распространённость МКБ в США увеличилась с 3,2% в 1980 году до 10,1% в 2016 году [7]. Частота рецидивов достигает 10% через год после первого эпизода МКБ, до 50% в течение 5–10 лет и около 75% в течение 20 лет после заболевания [8]. Кроме того, у пациентов с МКБ увеличивается риск развития терминальной стадии хронической болезни почек, что требует постоянного и пожизненного проведения дорогостоящих процедур гемодиализа [9][10]. Все эти факты объясняют финансовую токсичность МКБ для пациентов и систем здравоохранения государств по всему миру. Так, в 2012 году общий объём ежегодных расходов на страхование пациентов с МКБ превысил 10 млрд долларов, что свидетельствует о почти пятикратном увеличении затрат с 2000 года [11][12].

Стремительное развитие малоинвазивной хирургии значительно улучшило качество жизни пациентов с МКБ. Однако многие проблемы диагностики и лечения до сих пор остаются нерешёнными. Продолжается поиск и тестирование новых лекарственных препаратов для метафилактики, чтобы снизить частоту рецидивов МКБ. Полное избавление от камней после операции не всегда возможно, поскольку конкременты могут задерживаться в чашечно-лоханочной системе (например, в нижнем полюсе почки) в результате ретропульсии при вмешательстве или оставаться прикреплёнными к тканям почки, а точные механизмы появления таких отложений (бляшек Randall) до сих пор остаются не совсем ясными [13][14]. Очень важно добиться полного удаления камней (stone-free rate, SFR), поскольку небольшие остаточные фрагменты более 4 мм выступают в роли кристаллической затравки, ускоряющей образование новых конкрементов, что требует проведения повторных хирургических вмешательств [15 – 18]. Поэтому разработка новых лекарственных препаратов, которые будут останавливать повторяющиеся последовательности осаждения и роста кристаллов, является перспективным направлением в лечении МКБ [19].

В 2019 году учёными из университета Иллинойса (США) был предложен подход GeoBioMed для решения актуальных проблем урологии. GeoBioMed объединяет принципы и методы из геологии и биологии для изучения механизмов формирования камней в почках [20]. Согласно определению, принятому в геологических науках, минералы — природные твердые вещества с определённым постоянным химическим составом [21]. Камни в почках также подходят под это определение и их можно рассматривать как биогенные минералы, которые также образуются в результате диагенеза — совокупности физико-химических процессов преобразования рыхлых осадков (кристаллов в составе пересыщенного раствора мочи) в осадочные горные породы (сформированные почечные камни) [21]. Минералы обладают определёнными свойствами, такими как химический состав, морфология, плотность, твёрдость, пористость [21][22]. Следовательно, возможно применить методы геологических наук для исследования этих свойств камней в почках и моделирования их образования [23].

Структурные характеристики (такие как пористость камня, характер разрушения и распространение трещин в материале камня) могут существенно влиять на эффективность различных методов лечения МКБ [20][23][24]. В данном обзоре рассмотрены такие свойства почечных камней, как морфология, кристаллическая организация, пористость, которые, по-видимому, обладают большим клиническим значением. Также уделено внимание основным методам исследования данных свойств в контексте изучения механизмов МКБ и диагностической ценности. К таким методам относятся: морфо-конституциональный анализ, петрографический анализ и исследование образцов с помощью рентгеновской микротомографии.

Цель исследования. Рассмотреть методы и роль мультимодального анализа почечных камней не только для исследования фундаментальных механизмов патологической биоминерализации, но и для поиска новых прогностических биомаркеров МКБ. Представленный обзор обращён к врачам-урологам и ученым, которые разрабатывают новые методы диагностики, лечения и метафилактики МКБ, а также к специалистам в области геологических наук, которые исследуют механизмы патологической биоминерализации.

Алгоритм литературного поиска

Мы провели поиск в базах данных PubMed и Google Scholar по следующим терминам на английском языке: “kidney stone disease”, “urolithiasis”, “recurrent stone disease”, “proteomics”, “radiomics”,“morphology”, “crystalline architecture”, “porosity”, “permeability”, “hardness”, “cleavage”, “fracture”, “residual stone fragments’, “stone-free rate”, “GeoBioMed”, “geobiology”. Затем на основе комбинации вышеупомянутых ключевых слов были созданы специальные поисковые строки. На следующем этапе мы отфильтровали статьи в соответствии с критериями включения и критериями исключения, перечисленными ниже.

Критерии включения:

• полнотекстовые оригинальные статьи и обзоры;
• статьи с высоким импакт-фактором или высокой цитируемостью;
• статьи авторов, пользующихся большим влиянием в области геологии и урологии.

Критерии исключения:

• похожие, дублирующиеся или не очень релевантные исследования;
• литература, опубликованная не на английском языке.

После проверки типа статей и их содержания мы включили исследования в данный обзор. Кроме того, мы обнаружили другие статьи, которые соответствовали вышеупомянутым критериям через списки литературы, и впоследствии рассмотрели их в нашем обзоре. Для анализа статей мы провели описательный синтез исследований и обзоров.

Морфологическое исследование. Что внутри, то и снаружи?

Из минералогии нам известно, что минерал — это однородная по составу и строению часть горных пород, результат диагенетических событий или совокупности физико-химических процессов преобразования осадка пересыщенного раствора [20][21]. Чаще всего минералы обладают упорядоченной внутренней структурой (кристаллической решёткой), а состав минерала можно выразить химической формулой [21]. Однако, согласно данным исследований, однородность состава и строения минералов в природе весьма относительна. Это утверждение справедливо и для почечных камней: за последние 30 лет исследований накоплен и обобщён в обзорных статьях большой массив данных, которые однозначно говорят о том, что почечные камни в большинстве случаев состоят из нескольких минералов, а также включают в себя белковые и другие соединения и имеют в своём составе вещества не только в кристаллической фазе, но и в аморфной [20][25]. Поэтому до сих пор остаётся актуальной проблема точной идентификации минерального состава камней.

Физико-химические методы исследования, такие как рентген-дифрактометрия и инфракрасная спектроскопия с преобразованием Fourier, обладая относительно невысокой стоимостью, хорошо проявили себя в клинической практике и рекомендуются для анализа после каждого эпизода отхождения камней или после хирургического вмешательства [26 – 30]. Однако данные методы не всегда позволяют различить разные кристаллические фазы кальция оксалата (моно- и дигидрат) или кальция фосфата, а также редкие типы камней, например, состоящие из 2,8-дигидроксиаденина, что может быть принципиальным для определения этиологии МКБ [31][32]. Поэтому изучение морфологии камня в соответствии с основными принципами минералогии в комбинации со спектроскопическими методами приобретает значение не только для учёных, исследующих механизмы МКБ, но и для практикующих врачей-урологов.

Морфологическое исследование камня может быть менее дорогостоящим и более доступным, чем спектроскопический анализ, поскольку требует только наличия стереомикроскопа и может помочь в установлении этиологической причины МКБ. При наличии цифровой лупы или цифрового оптического микроскопа, которые уже вошли в ежедневную практику патологоанатомов, возможно зафиксировать и сохранить изображение камня (что особенно важно из-за высокой вероятности рецидивирования МКБ) или отправить изображение в референс-центр для исследования петрографами. Однако в данном случае необходим специалист — врач-уролог, патологоанатом, петрограф или минералог, — который может описать камень и отнести его к определённой группе согласно морфоконституциональной классификации, предложенной M. Daudon et al. [31 – 34]. Данная классификация основана на преобладающем соединении и внешнем виде почечного камня и включает семь типов камней, состоящих из моногидрата или дигидрата оксалата кальция, мочевой кислоты, уратных солей, карбапатита, струвита, брушита, белков и неклассифицируемых камней, которые не соответствуют морфо-конституциональным особенностям ни одной из указанных групп [19 – 21]. Морфо-конституциональные характеристики и химический состав камней зависят от состава мочи, который, в свою очередь, зависит от особенностей метаболизма пациентов, сопутствующих заболеваний, инфекций мочевыводящих путей [33].

Таким образом, данная классификация используется урологами для оценки дальнейшей терапевтической стратегии, однако она может быть применена только после хирургического вмешательства или отхождения камня [22][23]. Поэтому определение химического состава камней является важной частью мультимодального анализа. Однако роль как спектроскопического, так и морфоконституционального анализа камней часто недооценивается, в то время как они необходимы для выявления нарушения обмена веществ, особенно у пациентов с рецидивирующей МКБ [24][25].

Алгоритм описания морфологии камня незначительно отличается от того, что обычно используют петрографы или минералоги. Мы приводим его здесь, основываясь на данных E. Letavernier et al. (2022) [34]:

Морфология внешней поверхности камня:

1. размер камня и его фрагментов;
2. цвет;
3. форма камня;
4. характеристика поверхности (гладкая, шершавая).

Морфология внутренней поверхности (среза или шлифа):

1. упорядоченная структура (слоистость) или аморфное вещество в сердцевине камня;
2. наличие фрагментов бляшек Randall, наличие ядер, образовавшихся в ходе одного из этапов камнеобразования — нуклеации.

Также открывается возможность для применения искусственного интеллекта в анализе изображений камней [35], поскольку эта задача требует квалификации и опыта описания камней, что может быть затруднительно и для врача-уролога, и для патологоанатома, так как необходима подготовка в области минералогии и петрографии. Такие алгоритмы могут быть разработаны для идентификации состава смешанных камней, которые наиболее распространены среди пациентов. Разработка систем поддержки принятия врачебных решений может повысить надёжность морфоконституционального анализа в сочетании с физико-химическими исследованиями, различными данными из истории болезни и результатами анализа проб мочи. Идентификация минералов с помощью систем машинного и глубокого обучения успешно развивается в минералогии и петрографии [36 – 38].

На сегодняшний день инструменты для идентификации состава камней также активно развиваются, предстоит проделать большую работу по повышению их точности. Пионерами в использовании машинного обучения стали J. Serrat et al. (2017) с системой myStone [39]. Было собрано 454 почечных камня, достигнута общая точность 63% для набора из восьми классов, охватывающих основные группы почечных камней. В 2020 году K.M. Black et al. применили нейронную сеть ResNet101 для классификации 127 цифровых фотографий 63 камней пяти основных типов (21 — из кальций оксалат моногидрат, 17  — мочевая кислота, 7 струвитных, 4 брушитовых и 14 цистиновых) [35][40]. Чувствительность классификационной модели зависела от состава камня и была наиболее высокой для камней из мочевой кислоты (94%), чуть меньше — для камней из кальция оксалата моногидрата (90%). Струвитные и цистиновые камни были правильно определены в 86% и 75% случаев соответственно, а брушитовые камни имели самый низкий показатель правильно идентифицированных камней — 71%, общий взвешенный показатель составил 87%. E.G. Onal et al. (2022) предложили систему распознавания изображений камней в почках с помощью камеры смартфона и глубокого обучения [41]. Было получено 222 изображения 37 камней. Чувствительность классификационной модели также различалась в зависимости от типа камня: 83% — для камней из оксалата кальция, 88% — для цистина, 77% — для мочевой кислоты и 84% — для струвита. Эти результаты демонстрируют возможность определения состава почечных камней с помощью глубокого обучения и полученных фотографий или микроскопических изображений со смартфона.

Однако мы уже отметили ранее, что камни в очень редких случаях состоят из одного химического вещества и не всегда возможно классифицировать камень по его морфологии без достаточных знаний о возможных ассоциациях веществ. Кроме того, обширные наблюдения и наши собственные результаты указывают на то, что поверхностная морфология камня может существенно отличаться от его внутренней структуры [34][42]. Поэтому в данном случае необходимо проводить оптическую микроскопию не только внешней поверхности камня, но и полученного среза. Однако как пациенты со смешанным составом камней будут отвечать на лечение и каковы причины рецидивов у этих групп пациентов, до сих пор остаётся неясным. Было показано, что в процессе формирования камни проходят ступенчатые диагенетические преобразования, поэтому слои материала камня могут отличаться по составу, отражая динамику изменений состава мочи, что меняет наши представления о возможности применения морфоконституциональной классификации камней [23]. Кроме того, необходимо применение таких методов, как рентгеновская компьютерная микротомография, которая позволяет исследовать не только внешнюю поверхность камня, но и его внутреннюю структуру без разрушения образца, а также позволяет определить состав камня на основании рентгеновской плотности в единицах Hounsfield.

Роль рентгеновской микротомографии в мультимодальном анализе почечных камней

Компьютерная рентгеновская микротомография (микро-КТ) — это один из передовых методов визуализации в арсенале исследователей, применяющийся в самых различных областях: от материаловедческих дисциплин до биомедицинских наук [43]. Способность исследовать твёрдые образцы без их разрушения способствовала росту интереса к этому методу в области геологии. Существует большое количество исследований, где технология микро-КТ применяется для детального изучения состава, пористости и иных свойств геологических образцов (например, минералов или образцов керна) [44]. Этот подход, если следовать парадигме GeoBioMed, стал применяться для исследования почечных камней [45] (рис. 1).

Морфология образцов является одной из самых простых, но в то же время важнейшей характеристикой образцов, которую можно проанализировать при помощи микро-КТ в геологии и родственных дисциплинах. Анализ морфологии разнится от простой неразрушающей визуализации образца до продвинутых методов сегментации (например, пор или находящихся внутри геологических образцов окаменелостей) [44]. Используя морфологический анализ (в том числе с применением методов сегментации), исследователи могут изучать внутреннюю структуру образца, исследовать трещины и поры в минералах, а также дифференцировать отдельные минеральные компоненты [45]. Например, на рисунке 2A мы видим микротомографическое изображение камня смешанного состава, состоящего из кальций оксалата моногидрата (92%) и кальция оксалата дигидрата (8%). Состав камня, который мы предполагали по результатам петрографического анализа (рис. 2Е) и анализа единиц интенсивности с калибровкой относительно фантома гидроксиапатита, был подтверждён с помощью последующего рентген-дифракционного исследования (рис. 2F). Также можем сопоставить изображение, полученное с помощью микро-КТ, с изображением, полученным с помощью поляризационного микроскопа при петрографическом анализе (рис. 2E), и проанализировать плотность и пористость в зонах интереса.

Будучи частью морфологического анализа, сегментация пор и анализ пористости являются одними из самых важных применений метода микро-КТ в геологических науках. Причина такого интереса в том, что единственными альтернативами являются погружение образца в ртуть или исследование срезов с помощью электронной микроскопии. Погружение в ртуть, хотя и может быть более точным с точки зрения значений пористости, способно помешать дальнейшим методам анализа образцов. В случае электронной микроскопии разрешение изображения превышает разрешение микро-КТ и позволяет увидеть даже самые маленькие поры, но не позволяет оценить их пространственное расположение, что важно при оценке проницаемости камня для пересыщенного раствора мочи и лекарственных препаратов для перорального литолиза. Однако изображения электронной микроскопии и микро-КТ могут быть наложены друг на друга для получения более подробной информации о пористости образца [44].

Возможность неразрушающего трёхмерного исследования образца позволяет провести расширенный анализ пористости, называемый моделированием сети пор (pore network modeling, PNM). После сегментации можно применять различные алгоритмы (например, open PNM) для исследования извилистости пор, наличия открытых или закрытых пор или для построения математической модели распределения пор [44][46 – 48]. Пористость, распределение пор по размерам и геометрия пор являются одними из наиболее важных свойств материала, которые можно использовать для прогнозирования механических свойств, моделирования потока жидкости или анализа динамики жидкостей внутри материала камня [44]. Изучение пор и поровой сети стало одним из наиболее полезных подходов в геологических науках, и мы предлагаем использовать такие методы при изучении камней, следуя парадигме GeoBioMed. Как показано на рисунке 2, после сегментации почечного камня и его внутренней структуры (поровой сети) (рис. 2В, 2C) мы можем визуализировать её в пространстве с цветовым представлением распределения диаметров пор. Наложение объёма почечного камня на поровую сеть показывает фактическое распределение пор внутри материала камня (рис. 2D), что важно учитывать для анализа влияния пористости на процесс формирования камня.

Таким образом, объединение существующих урологических методов с новыми подходами, изначально пришедшими из геологических наук, делает возможным переход от простого минералогического анализа состава шлифа к точной пространственной характеристике исследуемых образцов (рис. 3).

Кроме того, анализ деформаций, образующихся при лазерной литотрипсии, может быть изучен с помощью микро-КТ. Энергия лазерного излучения преобразуется в тепло и вызывает ряд физических явлений, которые разрушают камень. Это — кавитация (пузыри перегретого пара схлопываются, что приводит к перепадам давления, которые разрушают вещество камня), абляция (испарение вещества камня), образование внутренних напряжений и растрескивание камня из-за медленного выделения тепла, а также формирование ударной волны из-за быстрого выделения тепла в малом объёме камня. Несмотря на то что лазерная литотрипсия стала методом выбора при проведении уретерореноскопии или перкутанной нефролитотомии по поводу МКБ, до сих пор неизвестно, как именно лазерное излучение воздействует на морфологию остаточных фрагментов камней, реактивная поверхность которых провоцирует повторную кристаллизацию и приводит к рецидивам заболевания. Также неизвестно, как исходные свойства и морфологические особенности камня и его фрагментов (химический состав, пористость, твёрдость, наличие трещин и деформаций, шероховатость) могут влиять на отдалённые результаты лазерной литотрипсии, хотя влияние данных свойств было показано для дистанционной ударно-волновой литотрипсии [24]. Например, в ходе эксперимента камень не разрушается полностью, но в нём можно анализировать внутренние дефекты, трёхмерная морфология которых может быть оценена при помощи рентгеновского томографа. На каждой итерации дробления осуществляется визуализация вплоть до полного разрушения камня. Таким образом, возможно исследовать паттерны структурных изменений при дроблении камней разных типов при разных настройках лазера.

Петрографический анализ: историческая запись метаболических нарушений

Петрографический анализ шлифов камня с помощью световой и поляризационной микроскопии может применяться в качестве альтернативы рамановской и рентген-дифракционной спектрометрии для определения состава камня, согласно руководству Европейской Ассоциации Урологов по лечению МКБ [26]. Микроскопия шлифов в поляризованном свете остаётся основным методом петрографии (описательной науки о свойствах горных пород) и минералогии. На данный момент петрографический анализ занимает промежуточное положение между методами, которые широко используются в клинической практике, и фундаментальными методами изучения формирования камней. Петрографы готовят срезы образцов (шлифы), нарезая их очень тонкими слоями, обычно толщиной 30 мкм, и устанавливают их на медных шайбах или стеклянных предметных стёклах. Пример такого шлифа кальций-оксалатного камня можно увидеть на рисунке 2Е. Затем полученные шлифы изучаются под микроскопом в поляризованном свете [49]. Поскольку различные минералы обладают уникальными оптическими свойствами, такими как плеохроизм (изменение цвета при различной ориентации кристаллов) и углы экстинкции (углы, при которых вещество кажется темным), наблюдая эти оптические свойства под поляризованным светом, возможно определить минеральный состав образца [50]. В руках опытного петрографа этот метод позволяет быстро, дёшево и точно оценить минеральный состав образца и изучить такие особенности, как размер и форма кристаллов, зональность и ритмы роста минералов, наличие белковых включений и белковой матрицы камня, что даёт более глубокое представление о процессах образования камней [51]. В комбинации с анализом транскриптома и протеома включений камня возможно установить ключевые белки, участвующие в его образовании, которые могут служить в качестве новых биомаркеров и мишеней для ингибиторов кристаллизации [51].

Однако до сих пор не разработано стандартизированного протокола по определению состава камня с диагностической целью с помощью петрографического анализа, что делает широкое распространение данного метода исследования в клинической практике затруднительным, несмотря на относительно низкую стоимость и достаточную информативность. Такой анализ должен проводить специалист в области петрографии и минералогии, также знакомый с классификациями почечных камней, понимающий клиническую значимость данного метода исследования [52]. Поэтому петрографический анализ шлифов камней и обработка полученных изображений с помощью методов искусственного интеллекта (машинное и глубокое обучение) в будущем могут служить не только в качестве инструмента для точного определения состава камня, но и для оценки метаболического статуса пациента на протяжении времени образования камня с целью подбора оптимальной схемы метафилактики [20]. Такие системы уже разрабатываются в геологических науках для идентификации минералов и горных пород, что делает возможной коллаборацию урологов и минералогов для создания системы поддержки и принятия врачебных решений [50]. Машинное и глубокое обучение уже с успехом применяется в области идентификации минерального состава камней на изображениях, полученных с помощью цифрового фотоаппарата, камеры смартфона и эндоскопической камеры, однако стоит отметить, что не все системы способны распознавать два и более компонента в составе образца, а лишь определяют преобладающий компонент состава [35][41][53][54][55].

Петрографический анализ в комбинации с компьютерной микротомографией позволяет установить закономерности образования камней, охарактеризовать частицы, образующиеся при лазерной литотрипсии, что важно для подбора оптимальных режимов дистанционной или контактной лазерной литотрипсии [24].

Роль мультимодального анализа в исследованиях мочекаменной болезни

Одна из проблем МКБ заключается в отсутствии такой классификации почечных камней, которая бы позволила врачу-урологу однозначно определить этиологию заболевания и выбрать правильную стратегию метафилактики. Каждая из существующих классификаций описывает камень на основе одного или двух свойств (химический состав, анатомическая локализация, плотность в единицах Hounsfield, рентген-контрастность) и обладает определённым клиническим значением, однако имеет ограниченную предиктивную роль [56].

Используя как клинические методы исследования, так и фундаментальные методы геологии и биологии, возможно получать больше информации о свойствах камня, таких как: морфология, состав, пористость, зональность и ритмы роста кристаллов в слоях камня, наличие белковых соединений (рис. 3). Кроме того, необходим сбор клинических данных пациента (его показатели анализов крови, мочи, данные анамнеза). Далее все полученные параметры могут быть обработаны с помощью методов кластеризации данных для прогнозирования рецидива, моделирования параметров камнеобразования в искусственных системах, подбора оптимальных методов лечения и поиска взаимосвязи между различными методами исследования камней, поскольку не все из них могут быть одинаково доступны во всех учреждениях и городах нашей страны.

Такой подход требует не только интеграции врачей, геологов, биологов и других учёных, но и привлечения специалистов по машинному обучению. Исследователи по всему миру могут обмениваться полученными результатами для обучения прогностических моделей. Огромное количество разнообразных обработанных данных может повысить точность модели. Такие системы уже активно разрабатываются, однако в основном они используют данные анамнеза пациентов [57].

Свойства самих камней как минералов рассматриваются редко, чаще всего всё ограничивается только химическим составом, что определяется либо спектроскопическими, либо рентгеноструктурными методами, которые не всегда точно указывают этиологию МКБ и могут привести к ошибочным диагнозам, как уже было отмечено ранее. Системы кластеризации, вероятно, могут помочь преодолеть разрыв между морфоконституциональной, химической и диагенетическими классификациями, но самое важное — обеспечить базу для прогнозирования течения МКБ.

Заключение

В данном обзоре рассмотрен подход к мультимодальному анализу свойств почечных камней и такие методы их изучения, как световая микроскопия, рентгеновская микротомография и петрографический анализ с помощью светового и поляризационного микроскопов. Морфологический анализ является более доступным методом исследования, чем спектрометрические методы. Также исследование морфоконституциональных характеристик камней по классификации M. Daudon et al. с помощью световой микроскопии может указать на этиологию МКБ и служить в качестве биомаркера. Однако почечные камни, как и природные минералы, почти никогда не состоят из одного или двух веществ, а содержат в своём составе множество минералов, которые являются результатом диагенетических фазовых переходов и могут отражать метаболические изменения во время формирования камня.

Петрографический анализ шлифов камня с помощью световой и поляризационной микроскопии может применяться в качестве альтернативы рамановской и рентген-дифракционной спектрометрии для определения состава камня, а в комбинации с рентгеновской микротомографией позволяет установить закономерности образования камней, охарактеризовать частицы, образующиеся при лазерной литотрипсии, что важно для подбора оптимальных режимов лазера. Анализ транскриптома и протеома включений камня может установить ключевые белки, участвующие в его образовании, которые служат в качестве новых биомаркеров и мишеней для ингибиторов кристаллизации. Мы можем предполагать, что в будущем петрографический анализ шлифов камней и обработка полученных изображений с помощью искусственного интеллекта могут служить в качестве диагностического инструмента и записи метаболического статуса пациента на протяжении времени образования камня, как это было показано на примере изображений, полученных с помощью цифровой камеры высокого разрешения, эндоскопической камеры или камеры смартфона. Таким образом, подходы, заимствованные из геологии и минералогии, такие как использование искусственного интеллекта для стандартизации анализа изображений тонких срезов, полученных с помощью поляризационной и конфокальной микроскопии, в будущем могут повысить точность диагностики.

Важно отметить, что при исследовании камней в почках следует сочетать морфо-конституциональный анализ и анализ химического состава, например, световую микроскопию и инфракрасную спектроскопию, микро-КТ или петрографический анализ и рентген-дифракционную спектроскопию, если это возможно. Для такого комбинированного исследования необходимо разработать критерии включения, например данные пациента и результаты анализов крови. В условиях ограниченных финансовых ресурсов не следует пренебрегать морфоконституциональным анализом, поскольку он облегчает постановку диагноза в нестандартных ситуациях, однако следует помнить о том, что пока данный метод исследования не включён ни в российские, ни в международные клинические рекомендации.

Пациентов с рецидивирующей мочекаменной болезнью рекомендуется включать в лонгитюдные исследования с мультимодальным анализом всех камней. Мы предполагаем, что сбор информации о свойствах камней может служить базой данных для моделирования образования камней в почках с целью выбора вариантов лечения и поиска молекул, ингибирующих рост. Кроме того, сбор разнообразной информации о свойствах почечных камней необходим для разработки новых классификаций с использованием машинного обучения и разработки систем поддержки принятия врачебных решений.

Ключевые моменты

1. Мультимодальный анализ почечных камней с помощью методов геологических наук включает в себя применение таких методов, как: рентгеновская микротомография, петрографический анализ образцов и шлифов камней при помощи светового и поляризационного микроскопа, сканирующая электронная микроскопия с картированием минералов.
2. Исследование морфологии камня с помощью световой микроскопии может указать на этиологию и служить в качестве биомаркера различных форм заболевания, однако большинство камней является смешанным по составу, который может значительно меняться в ходе образования, а структура и состав внутри камня могут существенно отличаться от его исследуемой поверхности.
3. Рентгеновская микротомография почечных камней позволяет детально исследовать внутреннюю структуру образцов (пористость), которая может влиять на результаты дистанционной и лазерной литотрипсии, а также перорального литолиза.
4. Петрографический анализ шлифов (тонких пластинок) камня с помощью световой и поляризационной микроскопии может применяться в качестве альтернативы рамановской и рентген-дифракционной спектрометрии для определения состава камня, а в комбинации с компьютерной микротомографией позволяет установить закономерности образования камней, охарактеризовать частицы, образующиеся при лазерной литотрипсии, что важно для подбора оптимальных режимов лазера.
5. В перспективе петрографический анализ шлифов камней и обработка полученных изображений с помощью искусственного интеллекта может служить в качестве диагностического инструмента и записи метаболического статуса пациента на протяжении времени образования камня.