ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ И ПРИКЛАДНАЯ ТЕХНОЛОГИИ ДИАГНОСТИКИ НАРУШЕНИЯ ДВИГАТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ РЕСНИТЧАТОГО ЭПИТЕЛИЯ ВЕРХНИХ ДЫХАТЕЛЬНЫХ ПУТЕЙ Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

УДК 576.322:612.75:004:616.21 https://doi.org/10.18692/1810-4800-2021-3-27-32

Фундаментальная и прикладная технологии диагностики нарушения двигательной активности реснитчатого эпителия верхних дыхательных путей Г. П. Захарова1, В. В. Шабалин1, Н. И. Иванов1, Е. С. Рязанцева2, О. С. Донская3

1 Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт уха, горла, носа и речи, 190013, Санкт-Петербург, Россия

2 Северо-Западный государственный медицинский университет им. И. И. Мечникова, Санкт-Петербург, 191015, Россия

3 Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. И. П. Павлова, Санкт-Петербург, 197022, Россия

Fundamental and applied technologies for diagnosing impaired motor activity of ciliated epithelium of upper respiratory tract

G. P. Zakharova1, V. V. Shabalin1, N. I. Ivanov1, Е. S. Ryazantseva2, O. S. Donskaya3

1 Saint Petersburg Research Institute of Ear, Throat, Nose and Speech, Saint Petersburg, 190013, Russia

2 Mechnikov North-Western State Medical University, Saint Petersburg, 191015, Russia

3 Pavlov First Saint Petersburg State Medical University, Saint Petersburg, 197022, Russia

Современное развитие компьютерных и математических технологий позволяет усовершенствовать исследование движения биологических объектов исключительно малых размеров, в том числе ресничек эпителиальных клеток верхних дыхательных путей. Одним из направлений таких исследований служит математическая обработка видеозаписей, фиксирующих движение ресничек эпителия дыхательных путей. Методология проведения таких исследований трудоемка и требует больших временных затрат. Подобные исследования представляют фундаментальный характер и проводятся преимущественно в научных целях. В то же время для клинической практики необходима достаточно простая, объективная методика диагностики нарушения, позволяющая быстро получить результат в стационарных и амбулаторных условиях. В статье представлены результаты разработки алгоритмов фундаментального и прикладного исследования двигательной активности ресничек эпителия верхних дыхательных путей с помощью телевизионной микроскопии и компьютерной математической обработки. Разработанные авторами алгоритмы и интегральные критерии объективной оценки двигательной активности ресничек дают возможность выбора метода исследования в зависимости от поставленной цели. Применение углубленного фундаментального метода при научно-исследовательской работе позволяет детально выявить механизм нарушения двигательной активности биения ресничек. Использование методики экспресс-диагностики движений ресничек дает возможность диагностировать нарушение, назначить адекватное лечение по коррекции и объективно оценить его эффективность.

Ключевые слова: двигательная активность ресничек, телевизионная микроскопия, экспресс-диагностика.

Для цитирования: Захарова Г. П., Шабалин В. В., Иванов Н. И., Рязанцева Е. С., Донская О. С. О

Фундаментальная и прикладная технологии диагностики нарушения двигательной активности рес- Й

нитчатого эпителия верхних дыхательных путей. Российская оториноларингология. 2021;20(3):27-32. К'

https://doi.org/10.18692/1810-4800-2021-3-27-32 JT

о о

The modern development of computer and mathematical technologies makes it possible to improve the study 0

of the movement of biological objects of extremely small sizes, including the cilia of epithelial cells of the upper g-

respiratory tract. One of the directions of such research is the mathematical processing of video recordings that °

record the movement of the cilia of the epithelium of the respiratory tract. The methodology for conducting i

such studies is laborious and time-consuming. Such research is of a fundamental nature and is carried out q

о

----------------------------------------------------------- ST

© Коллектив авторов, 2021

primarily for scientific purposes. At the same time, clinical practice requires a fairly simple, objective method for diagnosing the disorder, which allows you to quickly obtain a result in inpatient and outpatient settings. The article presents the results of the development of algorithms for fundamental and applied research of the motor activity of the cilia of the epithelium of the upper respiratory tract using television microscopy and computer mathematical processing. The algorithms and integral criteria developed by the authors for an objective assessment of the motor activity of cilia make it possible to choose a research method depending on the goal. The use of an in-depth fundamental method in research work allows to reveal in detail the mechanism of impairment of motor activity of cilia beating. The use of the method of express diagnostics of cilia movements makes it possible to diagnose a violation, prescribe adequate treatment for correction and objectively evaluate its effectiveness.

Keywords: motor activity of cilia, television microscopy, express diagnostics.

For citation: Zakharova G. P., Shabalin V. V., Ivanov N. I., Ryazantseva E. S., Donskaya O. S. Fundamental and applied technologies for diagnosing impaired motor activity of ciliated epithelium of upper respiratory tract. Rossiiskaya otorinolarmgologiya. 2021;20(3):27-32. https://doi.org/10.18692/1810-4800-2021-3-27-32

Неуклонный рост заболеваемости, частота обострений и недостаточная эффективность лечения больных хроническими воспалительными заболеваниями верхних дыхательных путей обосновывают необходимость разработки новых технологий изучения их патогенеза, диагностики и лечения. Особенно актуальна в настоящее время разработка неинвазивных методов диагностики, позволяющих выбрать тактику и оценить результаты лечения заболевания.

Нарушение мукоцилиарной системы служит одним из основных звеньев патогенеза хронических воспалительных заболеваний верхних дыхательных путей. При этом важную роль в их развитии играет изменение двигательной активности реснитчатого эпителия. Однако в настоящее время оценка двигательной активности ресничек мерцательного эпителия в клинической практике основывается преимущественно на определении времени мукоцилиарного транспорта с использованием различных маркеров, что не всегда позволяет диагностировать нарушение и дать его объективную оценку. В частности, наиболее часто применяется сахариновый тест [1, 2].

Разработка и усовершенствование методов исследования двигательной активности реснитчатого эпителия по-прежнему является актуальной проблемой оториноларингологии. Применение современной технологии оценки двигательной активности реснитчатого эпителия, основанное а на телевизионной микроскопии, позволяет зафиксировать прижизненное биение ресничек -д эпителия дыхательных путей, а также дать его ¡^ объективную оценку путем использования раза личных технологий компьютерной обработки. § В настоящее время большинство этих технологий § основывается на определении средней частоты о биений ресничек как основного критерия оценки [3-5]. При этом не учитывается сложный механизм биения ресничек мерцательного эпителия, что не позволяет дать полное представление о ха-£ рактере его нарушения. Разброс частоты биений

ресничек, слизистой оболочки полости носа, здоровых пациентов, по данным множества исследователей, достаточно велик и составляет от 3 до 14 Гц [6, 7].

Современное развитие компьютерных и математических технологий позволяет усовершенствовать исследование движения биологических объектов исключительно малых размеров, в том числе ресничек эпителиальных клеток верхних дыхательных путей. Одним из направлений таких исследований служит математическая обработка видеозаписей, фиксирующих движение ресничек эпителия дыхательных путей [8, 9]. В то же время методология проведения таких исследований исключительно трудоемка и требует больших временных затрат [10-14]. Подобные исследования представляют фундаментальный характер и проводятся преимущественно в научных целях. В то же время для клинической практики необходима достаточно простая, объективная методика диагностики нарушения, позволяющая быстро получить результат в стационарных и амбулаторных условиях. Разработка метода экспресс-диагностики движений ресничек позволит диагностировать нарушение, назначить адекватное лечение и дать объективную оценку эффективности проведенного лечения и действия назначенных препаратов.

Цель исследования

Совершенствование методики оценки двигательной активности реснитчатого эпителия верхних дыхательных путей, основанной на телевизионной микроскопии, в двух направлениях: фундаментальные научные исследования и клиническая практика.

Пациенты и методы исследования

Нами обследовано 180 пациентов хроническим риносинуситом. Из них 100 - полипозным (ХПРС), 80 - полипозно-гнойным (ХПГРС); 40 -вазомоторным (ВР), 36 - медикаментозным ринитом (МР).

Материалом для исследования служил реснитчатый эпителий слизистой оболочки полости носа и околоносовых пазух (ОНП) обследованных пациентов.

В работе нами использовался диагностический комплекс с аппаратурой видеорегистрации и программой MMSI Multimеter 2019.

Получение материала для исследования проводилось разработанным нами щадящим неин-вазивным методом путем соскоба реснитчатого эпителия со слизистой оболочки полости носа с помощью микрощеточки [15].

В работе использовались следующие методы:

- клинический (осмотр ЛОР-органов с помощью стандартного инструментария, эндовидео-скопия полости носа с помощью жестких эндоскопов и регистрацией на видеоаппаратуру);

- телевизионная микроскопия препаратов в переживающих тканях, компьютерная и математическая обработка видеозаписей биений ресничек.

Исследование двигательной функции реснитчатого эпителия на основе телевизионной микроскопии проводилась нами двумя способами: 1) с помощью компьютерной и математической обработки видеозаписей биений ресничек в режиме ручных измерений; 2) обработки видеозаписей в режиме автоматического определения частоты со статистической обработкой.

Исследование двигательной активности ресничек с помощью первого способа осуществлялось путем разработанной нами покадровой

ручной обработки видеозаписей области выделенной зоны интереса (рис. 1, 2).

Проводилось определение времени эффективного и восстановительного удара, кривизны, амплитуды и длины реснички. Постановка этих параметров в выведенную нами с помощью кинематической модели аналитическую формулу зависимости скорости МЦТ от остальных параметров движения позволила вычислить среднюю скорость ресничек. В нашем исследовании средняя скорость соответствовала скорости перемещения кончика реснички непосредственно в эффективном ударе. Эта скорость реснички, которая распрямившись, проталкивает слой геля, наиболее показательна для оценки эффективности движения. Для комплексной оценки эффективности двигательной активности ресничек с использованием ручных измерений и аналитической формулы нами в качестве интегрального параметра нами выбрана средняя скорость (V ).

В связи с трудоемкостью и длительностью первого способа для скринингового исследования и экспресс-диагностики нами применен 2-й способ. С помощью программы MMSI Multimеter 2019 в автоматизированном режиме определялись частотные характеристики биения ресничек с их статистической обработкой.

Расчеты частоты биений проводились по 10 выбранным областям интереса с движущимися ресничками в поле кадра видеозаписи каждого образца.

Рис. 1. Кадры видеозаписиси в режиме ручных измерений движущихся ресничек: А - клетка эпителия, I - фрагмент полного кадра с выделенной «областью интереса»; II - «область интереса» (1 - над ресничками, 2 - реснички, 3 - основание ресничек); III - «область интереса» после фильтрации; III-Б применение фильтра Собеля к последовательности кадров; III—В выделенные

после фильтрации положения ресничек Fig. 1. Frames of video recording in the mode of manual measurements of moving cilia: A - epithelial cell, I - a fragment of a full frame with a highlighted „region of interest"; II - „area of interest" (1 - above the cilia, 2 - cilia, 3 - the base of the cilia); III - „area of interest" after filtering; III-B - applying the Sobel filter to the sequence of frames; III-C - selected after filtering the positions of the cilia

>3

о

?5-«

о

S"

О «

I'

О «

а)

Рис. 2. Кадр видеозаписиси: а - с «областью интереса»; б — «область интереса»; в - красная линия в «области интереса», пересекающая движущиеся реснички Fig. 2. A video frame: а - with an „area of interest"; b - „area of interest"; c - a red line in the „area of interest" intersecting the moving cilia

f I

s-

"о

•S

'С о

■uj

0

1

-у

о

с*

В автоматизированном режиме определялись параметры: наиболее вероятная частота биений и количество ресничек в разных классах, которые приняты нами за интегральные параметры оценки двигательной активности ресничек: наиболее вероятная частота биений ресничек (Р), количество ресничек в разных классах, %.

За наиболее вероятную частоту нами принималась частота, с которой осуществляет биения максимальное в процентном отношении количество ресничек. По частоте биений реснички были распределены на отдельные классы: с низкой, промежуточной, высокой частотами двигательной активности: низкая частота (от 3 до 6 Гц), промежуточная частота (от 6 до 10 Гц), высокая частота (от 10 до 14 Гц) двигательной активности.

Результаты и их обсуждение

При проведении телевизионной микроскопии реснитчатого эпителия были обнаружены биения ресничек в препаратах у всех групп обследуемых пациентов.

Расчет средней скорости биений ресничек показал достоверно меньшие показатели по сравнению со здоровыми только при хроническом поли-позно-гнойном риносинусите (ХПГРС).

У 50% больных хроническим полипозно-гнойным риносинуситом наблюдалось скопление на поверхности эпителия густого, вязкого секрета, на фоне которого определялось замед-

ление двигательной активности ресничек. При удалении секрета перфузией физиологического раствора во время телевизионной микроскопии в эксперименте наблюдалось резкое усиление двигательной активности ресничек до уровня здоровых.

Полученные данные свидетельствуют о влиянии изменения количественного и качественного состава секрета на двигательную активность ресничек у пациентов ХПГРС, а также возможность ее восстановления после удаления избыточного по количеству и густого секрета.

При проведении исследования с помощью первого способа были получены данные средней скорости биений ресничек у пациентов с ХПРС, ХПГРС, вазомоторным и медикаментозным ринитом (табл. 1).

При проведении исследований с помощью второго способа были получены данные, представленные в табл. 2.

Таким образом, применение разработанного нами метода оценки двигательной активности реснитчатого эпителия путем обработки видеозаписей в режиме автоматического определения частоты с последующей статистической обработкой и использованием разработанных нами интегральных параметров: наиболее вероятной частоты биений ресничек и количества ресничек с наиболее вероятной частотой в % позволяет дать более точную объективную оценку эффективности биений ресничек.

Т а б л и ц а 1

Результаты первого способа: средняя скорость биения ресничек у пациентов с ХПРС, ХПГРС, вазомоторным и медикаментозным ринитом уср, мм/мин

T a b l e 1

Results of the first method (average cilia beat rate in patients with CPRS, CPPRS, vasomotor and drug rhinitis)

ХПРС ХПГРС При вазомоторном рините При медикаментозном рините У здоровых

6,8±0,3 4,50±0,3 7,0±0,5 7,2±0,4 9,8±1,0

Т а б л и ц а 2

Результаты второго способа: частота двигательной активности ресничек у пациентов с ХПРС, ХПГРС,

вазомоторным и медикаментозным ринитом

T a b l e 2

Results of the second method (frequency of motor activity of cilia in patients with CPRS, CPPRS,

vasomotor and drug rhinitis)

ХПРС ХПГРС При вазомоторном рините При медикаментозном рините У здоровых

От 8 до 10 Гц ^ = 9 Гц), количество ресничек с наиболее вероятной частотой от 40% и выше От 3 до 6 Гц = 4,5 Гц), количество ресничек с наиболее вероятной частотой от 40% и выше От 9 до 13 Гц ^р = 10 Гц), количество ресничек с наиболее вероятной частотой от 40% и выше. После приема сосудосуживающих препаратов ^ = 13 Гц От 9 до 12 Гц №ср = 10 Гц), количество ресничек с наиболее вероятной частотой от 40% и выше От 10 до 14 Гц ^ср = 10 Гц), количество ресничек с наиболее вероятной частотой от 40% и выше

Заключение

Представленные результаты обосновывают научно-практическую значимость использования дифференцированного подхода к исследованию движения реснитчатого эпителия ЛОР-органов на основе методов телевизионной микроскопии, математического и компьютерного анализа.

Разработанные алгоритмы и критерии позволяют проводить выбор способа оценки дви-

гательной активности реснитчатого эпителия: фундаментальные исследования с покадровой обработкой для научных целей или экспресс-диагностика для выбора препарата и оценки эффективности его действия на реснитчатый эпителийвусловияхкакстационара,такиполикли-ники.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

ЛИТЕРАТУРА/REFERENCES

1. Puchelle E., Aug Phan Q. T., Bertrand A. Comparison of three methods for measuring nasal mucociliary clearance in man. Acta Otolaryngol. 1981;91:297-303. https://doi.org/10.3109/00016488109138511

2. Рихельманн Г., Лопатин А. С. Мукоцилиарный транспорт: экспериментальная и клиническая оценка. Российская ринология. 1994;4:33-47 [Richelmann G., Lopatin A. S. Mucociliary transport: experimental and clinical evaluation. Russian Rhinology = Rossiyskaya Rinologiya. 1994;4:33-47. (In Russ.)].

3. Козлов В. С., Крамной А. И., Державина Л. Л., Аверин А. А., Лукашевич Ю. А., Алексеев Д. С. Исследование двигательной активности цилиарного аппарата полости носа человека в различных анатомических зонах. Российская ринология. 2005;2:27 [Kozlov V. S., Kramnoy A. I., Derzhavina L. L., Averin A. A., Lukashevich Yu. A., Alekseev D. S. Investigation of the motor activity of the ciliary apparatus of the human nasal cavity in various anatomical zones. Russian Rhinology = Rossiyskaya Rinologiya. 2005;2:27. (In Russ.)]

4. Shaari J., Palmer J. N., Chiu A. G. Regional analysis of sinonasal ciliary beat frequency. Am J Rhinol. 2006;20:2:150-154. PMID: 16686377

5. Thomas B., Rutman A., O'Callaghan C. Disrupted ciliated epithelium shows slower ciliary beat frequency and increased dyskinesia. EurRespir J. 2009; 34:2:401-404. doi: 10.1183/09031936.00153308

6. Shannon P. Quinn, Maliha J. Zahid, John R. Durkin, Richard J. Francis, Cecilia W. Lo, S. Chakra Chennubhotla Automated identification of abnormal respiratory ciliary motion in nasal biopsies. Sci Transl Med. 2015;5;7(299): 299ra124. doi: 10.1126/scitranslmed.aaa1233

7. Joseph C. Jing, Jason J. Chen, Lidek Chou, Brian J. F. Wong, Zhongping Chen. Visualization and detection of ciliary beating pattern and frequency in the upper airway using phase resolved doppler optical coherence tomography. Scientific reports. 2017;17;7(1):8522. doi: 10.1038/s41598-017-08968-x g

8. Захарова Г. П., Шабалин В. В., Будковая М. А. Современная технология оценки нарушения двигательной ак- s тивности реснитчатого эпителия и возможности ее медикаментозной коррекции при воспалительных заболе- К ваниях ВДП. Материалы III Всероссийского конгресса Национальной медицинской ассоциации оториноларингологов России. Нижний Новгород, 20-22 ноября 2019:43-44 [Zakharova G. P., Shabalin V. V., Budkovaya M. A. о Modern technology for assessing impaired motor activity of the ciliated epithelium and the possibility of its drug g correction in inflammatory diseases of the upper respiratory tract. Materials of the III All-Russian Congress of the 2. National Medical Association of Otorhinolaryngologists of Russia. Nizhny Novgorod, November 20-22, 2019:43-44. (In Russ.)]. §

9. Самойлов В. О., Шабалин В. В., Захарова Г. П. Прижизненная телевизионная микроскопия и исследования ^ мукоцилиарного транспорта. Материалы 1-го Международного конгресса «Нейробиотелеком». 14-17 де- ^ кабря 2004 г. Санкт-Петербургский электротехнический университет связи. Санкт-Петербург, 2004:70-72 § [Samoilov V.O., Shabalin V.V., Zakharova G.P. Intravital television microscopy and studies of mucociliary transport. ¡§

Materials of the 1st International Congress Neurobiotelecom. December 14-17, 2004; St. Petersburg Electrotechnical. Communication University. Saint Petersburg., 2004:70-72. (In Russ.)]

10. Min Y. G., Yun Y. S., Rhee C. S., Sung M. W., Lee K. S., Ju M. S., Park K. S. Efects of phenylephrine on ciliary beat in human nasal respiratory epithelium: quantitative measurement by video-computerized analysis. Laryngoscope. 1998 Mar;108(3):418-21. doi: 10.1097/00005537-199803000-00019

11. Hofmann T., Wolf G., Koidl B. In vitro studies of the efect of vasoconstrictor nose drops on ciliary epithelium of human nasal mucosa. Laryngorhinootologie. 1995;74(9):564-7. doi: 10.1055/s-2007-997803

12. Riechelmann H., Brommer C., Hinni M., Martin C. Response of human ciliated respiratory cells to a mixture of menthol, eucalyptus oil and pine needle oil. Arzneimittelforschung. 1997;47:9:1035-1039. PMID: 9342418

13. Cohen N. A., Zhang S., Sharp D. B. Cigarette smoke condensate inhibits transepithelial chloride transport and ciliary beat frequency. Laryngoscope. 2009;119(11):2269-74. doi: 10.1002/lary.20223

14. Chilvers M. A., Rutman A., O'Callaghan C. Functional analysis of cilia and ciliated epithelial ultrastructure in healthy children and young adults. Thorax. 2003;58(4):333-8. doi: 10.1136/thorax.58.4.333

Информация об авторах

H Захарова Галина Порфирьевна - доктор медицинских наук, ведущий научный сотрудник отдела разработки и внедрения высокотехнологичных методов лечения, Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт уха, горла, носа и речи (190013, Россия, Санкт-Петербург, Бронницкая ул., д. 9); тел.: 8 (812) 575-94-47; e-mail: GalinaZaharovaLOR@yandex.ru

Шабалин Владимир Владимирович - доктор биологических наук, старший научный сотрудник отдела разработки и внедрения новых высокотехнологичных методов лечения, Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт уха, горла, носа и речи (Россия, 190013, Санкт-Петербург, Бронницкая ул., д. 9); тел.: 8 (812) 575-94-47; e-mail: vvshabalin@mail.ru

Иванов Никита Игоревич - клинический ординатор, Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт уха, горла, носа и речи (190013, Россия, Санкт-Петербург, Бронницкая ул., д. 9); тел.: 8 (812) 575-94-47; e-mail: Chicago_96@mail.ru

Рязанцева Елизавета Сергеевна - клинический ординатор кафедры ортодонтии, Северо-Западный государственный медицинский университет им. И. И. Мечникова (Россия, 191015, Санкт-Петербург, Кирочная ул., д. 41); e-mail: lisa-banan@mail.ru Донская Ольга Сергеевна - кандидат медицинских наук, ассистент кафедры пропедевтики стоматологических заболеваний, Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И. П. Павлова (Россия, Санкт-Петербург, 197022, ул. Льва Толстого, д. 6-8); e-mail: olia.kafedra.psz@yandex.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3477-2987

Information about the authors

H Galina P. Zakharova - MD, Leading Researcher, Department of Development and Implementation of High-Tech Treatment Methods, Saint Petersburg Research Institute of Ear, Throat, Nose and Speech (9, Bronnitskaya str., Saint Petersburg, 190013, Russia); phone: 8 (812) 575-94-47; e-mail: GalinaZaharovaLOR@yandex.ru

Vladimir V. Shabalin - Doctor of Biological Sciences, Leading Researcher, Department for Development and Implementation of New High-Tech Treatment Methods, Saint Petersburg Research Institute of Ear, Throat, Nose and Speech (9, Bronnitskaya str., Saint Petersburg, 190013, Russia); phone: 8 (812) 575-94-47; e-mail: vvshabalin@mail.ru

Nikita I. Ivanov - Clinical Resident, Saint Petersburg Research Institute of Ear, Throat, Nose and Speech (9, Bronnitskaya str., Saint Petersburg, 190013, Russia); phone: 8 (812) 575-94-47; e-mail: Chicago_96@mail.ru

Elizaveta S. Ryazantseva - Clinical Resident, orthodontics department, Mechnikov North-Western State Medical University (41, Kirochnaya str., Saint Petersburg, Russia, 191015); e-mail: lisa-banan@mail.ru

Olga S. Donskaya - MD Сandidate, assistant at the Department of Propedeutics of Dental Diseases, Pavlov First Saint Petersburg State Medical University (6/8, str. Lev Tolstoy, Russia, Saint Petersburg, 197022); e-mail: olia.kafedra.psz@yandex.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3477-2987

f I

s-

"S

•S 'si

о

■uj

0

1

-у

о

с*