Новая компьютерная программа автоматизированного анализа движения цилиарного эпителия респираторного тракта для диагностики первичной цилиарной дискинезии

Первичная цилиарная дискинезия (ПЦД) – редкое наследственное заболевание из группы цилиопатий, при котором нарушены структура и подвижность реснитчатого эпителия, что отрицательно влияет на цилиарную функцию и приводит к заметному снижению или отсутствию мукоцилиарного клиренса. Согласно европейским рекомендациям, в качестве одного из методов подтверждения диагноза ПЦД рекомендовано проведение световой микроскопии для анализа частоты биения ресничек (ЧБР) в нативном препарате или АLI-культуре. Для правильного расчета ЧБР необходимо программное обеспечение.

Целью работы явилось создание компьютерной программы автоматизированного анализа движения / биения цилиарного эпителия респираторного тракта для диагностики ПЦД методом цифровой высокоскоростной видеомикроскопии (ЦВС ВМС) in vivo и in vitro.

Материалы и методы. Здоровым донорам (n = 5) и пациентам с подозрением на ПЦД (n = 10) проводилась назальная браш-биопсия эпителия. Препараты in vivo исследовались с помощью трансмиссионного электронного микроскопа. Из назального биоптата также выделялись эпителиальные клетки и проводился цилиогенез полученных клеток методом ALI-культивирования с последующим проведением ЦВС ВМС и оценкой количества активных клеток и ЧБР. Полученные видеоизображения были использованы для создания программы для электронной вычислительной машины.

Результаты. Для оптимизации диагностики ПЦД с помощью световой микроскопии  создана Программа определения частоты биения реснитчатого эпителия (РЭ) при ПЦД (Primary Ciliary Dyskinesia High-Speed Video Microscopy Analysis – PCD HSVMA) (регистрационный номер 2023687245). Программа предназначена для расчета количества активных клеток РЭ и ЧБР (Гц) методом ЦВС ВМС образцов, полученных in vivo и in vitro в АLI-культуре. Программа PCD HSVMA включает в себя хранение данных пациентов, отображение тепловой карты, формирование большой серверной базы данных пациентов и видеофайлов, построение цветовых и статистических гистограмм, обработку нескольких областей в одном видео. Программа PCD HSVMA имеет ряд преимуществ по сравнению с существующими аналогичными программами CiliarMove и Cilialyzer, также показана ее высокая корреляция в оценке ЧБР (Гц) с этими программами.

Заключение. Программа PCD HSVMA может быть использована для усовершенствования диагностики ПЦД в лабораториях лечебно-профилактических учреждений, научных учреждениях и может быть включена в образовательные программы подготовки специалистов – врачей-лаборантов, педиатров,  терапевтов,  пульмонологов, врачей функциональной диагностики (врачей-эндоскопистов).

1. Lucas J.S., Burgess A., Mitchison H.M. et al. Diagnosis and management of primary ciliary dyskinesia. Arch. Dis. Child. 2014; 99 (9): 850-856. https://doi.org/10.1136/archdischild-2013-304831.

2. Кондратьева Е.И., Авдеев С.Н., Киян Т.А., Мизерницкий Ю.Л. Классификация первичной цилиарной дискинезии. Пульмонология. 2023; 33 (6): 731-738. https://doi.org/10.18093/0869-0189-2023-33-6-731-738.

3. Müller L., Savas S.T., Tschanz S.A. et al. A Comprehensive approach for the diagnosis of primary ciliary dyskinesia - experiences from the first 100 patients of the PCD-UNIBE Diagnostic center. Diagnostics (Basel). 2021; 11 (9): 1540. https://doi.org/10.3390/diagnostics11091540.

4. Ardura-Garcia C., Goutaki M., Carr S.B. et al. Registries and collaborative studies for primary ciliary dyskinesia in Europe. ERJ Open Res. 2020; 6 (2): 00005-2020. https://doi.org/10.1183/23120541.00005-2020.

5. Afzelius B.A. A human syndrome caused by immotile cilia. Science. 1976; 193 (4250): 317-319. https://doi.org/10.1126/science.1084576.

6. Lucas J.S., Barbato A., Collins S.A. et al. European Respiratory Society guidelines for the diagnosis of primary ciliary dyskinesia. Eur. Respir. J. 2017; 49 (1): 1601090. https://doi.org/10.1183/13993003.01090-2016.

7. Shapiro A.J., Davis S.D., Polineni D. et al. Diagnosis of primary ciliary dyskinesia: an official American Thoracic Society clinical practice guideline. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 2018; 197 (12): e24-39. https://doi.org/10.1164/rccm.201805-0819st.

8. Sampaio P., da Silva M.F., Vale I. et al. CiliarMove: new software for evaluating ciliary beat frequency helps find novel mutations by a Portuguese multidisciplinary team on primary ciliary dyskinesia. ERJ Open Res. 2021; 7 (1): 00792-2020. https://doi.org/10.1183/23120541.00792-2020.

9. Schneiter M., Tschanz S.A., Escher A. et al. The Cilialyzer - a freely available open-source software for the analysis of mucociliary activity in respiratory cells. Comput. Methods Programs Biomed. 2023; 241: 107744. https://doi.org/10.1016/j.cmpb.2023.107744

10. Coles J.L., Thompson J., Horton K.L. et al. A revised protocol for culture of airway epithelial cells as a diagnostic tool for primary ciliary dyskinesia. J. Clin. Med. 2020; 9 (11): 3753. https://doi.org/10.3390/jcm9113753.

11. Демченко А.Г., Смирнихина С.А. Культуры реснитчатых клеток для диагностики первичной цилиарной дискинезии. Пульмонология. 2023; 33 (2): 210-215. https://doi.org/10.18093/0869-0189-2023-33-2-210-215.

12. Grubb B.R., Livraghi-Butrico A., Rogers T.D. et al. Reduced mucociliary clearance in old mice is associated with a decrease in Muc5b mucin. Am. J. Physiol. Lung Cell. Mol. Physiol. 2016; 310 (9): L860- 867. https://doi.org/10.1152/ajplung.00015.2016.

13. Goodman A., Carpenter A.E. High-throughput, automated image processing for large-scale fluorescence microscopy experiments. Microsc. Microanal. 2016; 22 (Suppl. 3): 538-539. https://doi.org/10.1017/s1431927616003548.

14. Papon J.F., Bassinet L., Cariou-Patron G. et al. Quantitative analysis of ciliary beating in primary ciliary dyskinesia: a pilot study. Orphanet J. Rare Dis. 2012; 7: 78. https://doi.org/10.1186/1750-1172-7-78.

15. Stannard W.A., Chilvers M.A., Rutman A.R. et al. Diagnostic testing of patients suspected of primary ciliary dyskinesia. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 2010; 181 (4): 307-314. https://doi.org/10.1164/rccm.200903-0459OC.

16. Jorissen M., Willems T., Van der Schueren B. et al. Ultrastructural expression of primary ciliary dyskinesia after ciliogenesis in culture. Acta Otorhinolaryngol. Belg. 2000, 54 (3): 343-356. Available at: https://typeset.io/papers/ultrastructural-expression-of-primary-ciliary-dyskinesia-60d743w8nv