КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 22-75-10100
НазваниеСмарт-система определения структуры и физико-химических свойств мочевых камней на основании их клинических характеристик для персонализированного лечения и метафилактики мочекаменной болезни
Руководитель Али Станислав Хусейнович, Кандидат медицинских наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Министерства здравоохранения Российской Федерации (Сеченовский Университет) , г Москва
Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-602 - Физические методы медицинской диагностики. Томография
Ключевые слова Мочекаменная болезнь, Микро-КТ, Химическая и Кристаллическая структура мочевых камней, Механические свойства различных видов мочевых камней, Неинвазивное определение состава камня, Тулиевый волоконный лазер, Рамановская спектроскопия, Смарт система, Персонифицированное лечение, Персонифицированная метафилактика МКБ.
Код ГРНТИ76.29.43
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Сегодня для лечения мочекаменной болезни существует большое количество инструментов и видов энергии для разрушения камня - лазерная, пневматическая, электрогидравлическая, ультразвуковая, однако выбор способа литотрипсии и параметров его воздействия в большинстве случаев носит эмпирический характер. Несоответствие выбранных параметров механическим свойствам камня в связи с отсутствием установленных связей между его клиническими характеристиками и реальными физико-химическими свойствами приводит к необходимости интраоперационного подбора параметров воздействия на камень, что занимает время, увеличивает риск осложнений и неэффективности оперативного вмешательства.
В представленном проекте предполагается разработка интеллектуальной системы для автоматического подбора эффективного подхода к лечению на основе как клинических, так и физико-химических, структурных и механических свойств мочевых камней. Для этого планируется создание базы данных различных видов мочевых камней и проведение комплекса исследований собранных образцов для поиска корреляций между доступными их клиническими и лабораторными характеристиками (относительная рентгенологическая плотность по шкале Хаунсфилда и химический состав) и фактическими структурными и механическими свойствами. В комплекс исследований будет входить микротомографическое исследование, определение плотности по методу Архимеда, анализ твердости, рамановская и ИК-спектроскопии. По полученным в ходе исследований данным будут определены значения структурных, физических и химических свойств мочевых камней в контексте эффективности различных способов их разрушения для создания новых алгоритмов лечения, а также для подбора оптимальных параметров лазерной литотрипсии в зависимости от исследованных свойств и полученных корреляций.
Результатом проекта будут являться определение новых подходов к персонализированному лечению мочекаменной болезни за счет установления взаимосвязей между результатами проведенного комплекса исследований и общепринятых клинических лучевых и лабораторных методов.
Команда проекта представляет собой врачей-клиницистов, объединенных со специалистами в сфере материаловедения. Совместно команда приступила к реализации проект: был начат сбор образцов мочевых камней на базе Клиники урологии Сеченовского университета, опробованы методики микротомографического исследования и определены механические параметры образцов. Дополнительно были привлечены специалисты в области материаловедения - Станислав Евлашин и Юлия Бондарева, специалист в области компьютерной томографии - Сергей Ткачев.
В результате проекта будет создана база данных мочевых камней, будет опубликовано 8 статей, получено авторское свидетельство на программное обеспечение, реализующее поиск закономерностей между исследованными и клиническими свойствами мочевых камней в созданной базе данных и подбор индивидуальных подходов к лечению. Статьи будут опубликованы в высокорейтинговых журналах – European Urology, Journal of Urology, BJU International, World Journal of Urology, Urology Gold, Minerva Urology and Nephrology. Возможность опубликования подтверждена большим количеством публикаций членов команды проекта – за последние 5 лет всего ими было опубликовано 149 статей в журналах, индексируемых Web of Science/SCOPUS, руководителем и основными исполнителями были опубликованы 23 из них – в журналах первого квартиля по импакт-фактору.
Реализация проекта позволит заложить основу для создания методов персонализированного лечения и тем самым снизить потенциальные интра- и послеоперационные риски, необходимость повторных вмешательств, сократить время госпитализации и повысить удовлетворенность пациентов оказанной медицинской помощью.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчётном периоде завершён этап формирования и первичного анализа уникальной коллекции уролитов, дополненной мультимодальными минералогическими, клиническими и рентгенологическими данными. К настоящему моменту классифицировано 330 конкрементов; для 267 из них собраны обезличенные истории болезни, а в 201 случаях сохранены предоперационные КТ-исследования. Такой объединённый массив позволяет впервые проводить перекрёстный анализ, связывающий микроструктуру и минеральный состав уролитов и клиническое течение мочекаменной болезни, что закладывает фундамент для персонализированной терапии.
Для изучения внутренней структуры конкрементов выполнено 134 высокоразрешающих рентгеновских микро-КТ-скана (пространственное разрешение 3–12 микрона) и 176 клинических сканов in vitro на МСКТ, что дало возможность сопоставить плотности, измеренные в единицах Хаунсфилда, с данными микротомографии и физической плотностью уролитов в их различных участках (например в ядре и поверхностных слоях).
Был разработан и внедрён программный модуль, автоматически переводящий единицы интенсивности (рентгеновская плотность) в единицы физической плотности. Был проведен комплексный минералогический анализ исследуемых уролитов с применением анализом морфологии и пористости на основании микро-КТ данных, а также петрографический анализ тонких шлифов образцов, дополненный определением минерального состава при помощи метода рентгеновской дифракции. В результате было определено, что исследуемые кальций-оксалатные образцы можно разделить на 5 групп в зависимости от их минерального состава:
Тип I: Камни преимущественно фосфатного состава (карбонат-гидроксиапатит)
Тип II: Смешанные камни кальций-оксалатного состава с примесью фосфатной фазы
Тип III: Преимущественно шиповидные камни с высоким содержанием дигидрата оксалата кальция (calcium oxalate dihydrate, COD)
Тип IV: Переходные, более плотные камни с высокой долей моногидрата оксалата кальция (calcium oxalate monohydrate, COM)
Тип V: Плотные, монолитные камни с более чем 90% COM
Анализ показал, что суммарная пористость колеблется от 0,4 % у плотных моногидратных кальций-оксалатов до 8,8 % у дигидратно-фосфатных камней; открытые поры преобладают в рыхлых COD- и фосфат-смешанных образованиях. Эти данные легли в основу пятиступенчатой литолого-минералогической схемы эволюции CaOx-конкрементов: от фосфатного зародыша через «шиповатый» COD-этап к плотному COM-монолиту.
Параллельно выполнен цикл in vitro-экспериментов, в которых цельные камни смешанного уратно-кальциевого состава сканировались микро-КТ до и после воздействия тулиевого лазера. Наблюдения подтвердили, что плотные COM-ядра существенно замедляют трещинообразование и дробление, тогда как зоны из кристаллов мочевой кислоты разрушаются заметно легче. Эти результаты обосновывают необходимость индивидуального подбора параметров излучения. Для дальнейших тестов смонтирована прозрачная кюветная установка, воспроизводящая режимы «фрагментация» и «распыление»; утверждён план последовательного сканирования каждой пробы, что позволит количественно связать энергию импульса, структуру камня и результат дробления.
Также был разработан прототип смарт-системы, которая классифицирует мочевые камни с использованием данных рентгеновской микро-КТ. По промежуточным результатам исследования выявлены зависимости, основанные анализе плотности, пористости камней и топологического анализа. Эксперименты показали, что конкременты хорошо разбиваются на группы по объёму пор и степени кристаллизации вещества в камне, что позволяет определить конкретный тип камня на основании только данных микро-КТ.
Таким образом, за отчётный год создана полнофункциональная экспериментально-аналитическая платформа, объединяющая клинические сведения, трехмерные изображения и минералогические данные уролитов. Это даёт возможность перехода от описательной морфологии к персонализированому подбору параметров лазерного дробления, а в перспективе — к внедрению алгоритмов искусственного интеллекта для автоматизированной диагностики и лечения мочекаменной болезни.
Публикации
1.
Ткачев С.Ю., Чепелова Н.К., Галечан Г.Ю., Ершов Б.П., Голуб Д.А., Попова Е.О., Антошин А.А., Гилязова А.Н., Волошин С.Ю., Ефремов Ю.М., Истранова Е.В., Тимашев П.С.
Three-Dimensional Cell Culture Micro-CT Visualization within Collagen Scaffolds in an Aqueous Environment
Cells (год публикации - 2024)
10.3390/cells13151234
2. Числов П.А., Ли Ю.А., Али С.Х., Дымов А.М., Михайлов В.Ю., Газимиев М.А., Винаров А.З. Инновации в диагностике и лечении больных мочекаменной болезнью Вестник урологии (год публикации - 2025)
3.
Попова Е.О., Ткачев С.Ю., Шаповал А.П., Карпенко А.К., Ли Ю.А., Числов П.А., Ершов Б.П., Голуб Д.А., Галечян Г.Ю., Богоедов Д.А., Акованцева А.А., Гафарова Э.Р., Мусаэлян Р.Э., Щеклеина М.Д., Кларк С., Али С.Х., Дымов А.М., Винаров А.З., Глыбочко П.В., Тимашев П.С.
Kidney Stones as Minerals: How Methods from Geology Could Inform Urolithiasis Treatment
Journal of Clinical Medicine (JCM), J. Clin. Med. 2025, 14(3), 997 (год публикации - 2025)
10.3390/jcm14030997
Возможность практического использования результатов
Результаты трёхлетнего исследования получены на высокотехнологичном оборудовании Научно-технологического парка биомедицины Сеченовского университета и опубликованы в шести рецензируемых статьях, включая работы в Q1 журналах Cells (https://doi.org/10.3390/cells13151234) и Journal of Clinical Medicine (https://doi.org/10.3390/jcm14030997). Они уже демонстрируются профессиональному сообществу на мировых и всероссийских конференциях (в т. ч. World Congress of Endourology, Inter Pore 2023), что подтверждает их зрелость и готовность к клинической трансляции.
Отработанная стандартная процедура микро-КТ-сканирования и последующего детального минералогического анализа позвоила собрать значительное количество уникальных данных структуре и свойствах уролитов. Благодаря трансляции этих данных через микро-КТ на уровень МСКТ создается инструмент, который позволит значительно точнее определять состав и микроструктуру камня до оперативного вмешательства. Это даёт клиницисту возможность выбрать адекватную тактику (например, лазерную литотрипсию вместо механической) и снизить риск остаточных фрагментов. Процедура будет опираться на данные МСКТ и может внедряться в любом стационаре, имеющем доступ к клиническому томографу.
Полученные данные о том, как пористость и минеральный состав влияют на эффективность тулиевого лазера, формируют основу для персонализированной настройки режимов литотрипсии. Это сокращает операционное время и уменьшает время анестезии, что экономически выгодно для клиники и повышает безопасность для пациента.
За три года выполнения проекта было получено значительное количество научных результатов. Создана крупнейшая отечественная база структурно охарактеризованных уролитов — эталонный материал для дальнейших испытаний диагностических алгоритмов, разработки программного обеспечения и обучения систем искусственного интеллекта. Сформированы методики рентгеновской минералогии биологических твёрдых тканей, которые могут переноситься на смежные задачи (кардиокальциноз, кальцификация клапанов). Подготовлен коллектив молодых исследователей, владеющих совмещёнными методами микротомографии и клинической урологии, что укрепляет кадровый потенциал высокотехнологичного сектора медицины.
Результаты, полученные в ходе выполнения проекта также обладают большой социальной значимостью. Потенциальное внедрение разработанной методики, по мере её окончательной готовности, в практику федеральных и региональных урологических клиник позволит снизить частоту повторных операций и осложнений, тем самым уменьшив нагрузку на бюджет системы ОМС. Использование отечественных протоколов и алгоритмов диагностики снижает зависимость России от импортных технологий и способствует развитию собственных высокотехнологичных сервисов в медицине.