Студенты разработали систему ранней диагностики хронической сердечной недостаточности

Илья Милтых, студент 5 курса лечебного факультета Медицинского института Пензенского госуниверситета, вместе с коллегами разработал технологию, позволяющую выявить симптомы хронической сердечной недостаточности на ранней стадии. С этим проектом они вошли в число победителей конкурса «Ректорские гранты». Как диагностировать признаки заболевания с точностью до 98 %, читайте в интервью Ильи.

Мы разрабатываем метод диагностики раннего развития хронической сердечной недостаточности (ХСН). Сердечно-сосудистая патология, в том числе ХСН, остается ведущей причиной инвалидизации и смертности населения. По данным Росстата, в период с 2000 по 2019 гг. заболеваемость болезнями системы кровообращения в России выросла в 2,09 раза. Хроническая сердечная недостаточность является одним из видов ишемической болезни сердца. Обычно ХСН характерна для старшего поколения. Главная трудность заключается в том, что достаточно сложно выявить симптомы болезни на начальном этапе, чтобы начать лечение и предотвратить необратимые изменения. Поэтому нашей целью было разработать лабораторный образец устройства для ранней диагностики развития ХСН на основе анализа изменений тензио- и реологических показателей плазмы и сыворотки крови.

Основное, на что мы смотрим, — поверхностное натяжение. Это энергия, которая образуется на любой границе раздела фаз, в данном случае на разделе фаз воздух-жидкость (жидкостью будет либо плазма, либо сыворотка крови при ее анализе). В крови присутствуют различные поверхностно-активные вещества (ПАВ): альбумины, глобулины, фибриноген, креатинин, креатин, глюкозамин и десятки других. Поверхностно-активных кислот в крови больше 10 видов: лимонная, янтарная, мочевая, молочная и другие. Развитие ХСН влияет на химический состав биологических жидкостей, в том числе и на концентрацию указанных ПАВ, изменяя поверхностное натяжение. Методика, которая измеряет поверхностное натяжение, называется тензометрией. Ее мы и предлагаем использовать для выявления ХСН.

Реологические показатели характеризуют текучесть крови. По ним можно сделать вывод о гемодинамике (движении крови по сосудам) и гемокоагуляции (свертываемости крови). Эти процессы играют важную роль в патогенезе, то есть возникновении и развитии ХСН.

Сейчас существует несколько подходов к диагностике хронической сердечной недостаточности, например оценка уровня белка NT-proBNP в крови или тест на наличие определенной микроРНК. Но такие методики доступны далеко не всем медицинским учреждениям. ПЦР-лабораторий не так много, а стоимость создания и поддержания собственной — довольно высока. Анализ на белок proBNP с помощью реактивов выходит дешевле ПЦР, но все равно остается дорогим и к тому же обладает достаточно низкой специфичностью при ранней диагностике хронической сердечной недостаточности. Тензометрия, в свою очередь, получается более доступной и эффективной.

Мы создали устройство, которое определяет поверхностное натяжение крови с помощью метода висящей капли. Работает оно так. В термостабильную ячейку помещается капля крови. На эту ячейку подают свет от специальной лампы, установленной с другой стороны. Напротив лампы располагается видеокамера, которая фиксирует изображение и передает его в компьютер. На основе этих данных рассчитывается поверхностное натяжение крови. Если нужно посмотреть реологические параметры крови, то там же в устройстве с помощью помпы можно провести осцилляцию капли, то есть изменять ее размер по синусоиде. Эти изображения тоже сразу отправятся в компьютер для проведения расчетов. Затем с помощью нейросети мы анализируем все полученные результаты. После обучения нейросеть сейчас может определить признаки ХСН с точностью до 98 %.

Мы разработали в первую очередь технологию, которая позволит по результатам исследования сделать вывод о наличии или отсутствии признаков ХСН. Чтобы реализовать такую технологию, мы доработали несколько существующих приборов, добавив, в частности, помпу для микродозирования, чтобы определять реологические свойства крови. Новые конструктивные элементы переориентировали устройство для применения в кардиологии. Во время разработки мы консультировались с немецкими коллегами из компании SINTERFACE Technologies, которая создает приборы для определения поверхностного натяжения жидкостей.

В итоге наша методика обладает высокой специфичностью для ранней диагностики ХСН и стоит не так дорого по сравнению с созданием и обслуживанием ПЦР-лаборатории. К тому же, метод висящей капли — это отчасти оптический метод, из-за чего в приборе, грубо говоря, нечему ломаться. В марте мы получили патент на нашу разработку. Всего этим проектом мы занимаемся около трех лет.

Да, мы проводили исследовательскую часть, выборка состояла из нескольких групп: 15 больных в возрасте от 42 до 76 лет, которым проводилось протезирование аортального или морального клапана, и группа сравнения — здоровые добровольцы от 45 до 72 лет.

Да. ПГУ — классический университет, благодаря чему у нас много направлений подготовки и компетенций. Мы работали в команде из четырех человек с двух кафедр. С кафедры анатомии человека — я и мой научный руководитель, доктор медицинских наук, профессор Зенин Олег Констанинович. С кафедры компьютерных наук — магистрант Дмитрий Грибков и его научный руководитель, доктор технических наук, профессор Горбаченко Владимир Иванович. Они помогали нам с разработкой нейросети, чтобы определять признаки ХСН.

Есть несколько вариантов — это либо лицензирование технологии, либо дальнейшая продажа устройств вместе с программным обеспечением. Помимо медицины и кардиологии, такую методику можно применять везде, где есть жидкости, например в фармакологии для стандартизации жидких лекарственных веществ по поверхностному натяжению, в пищевой промышленности, в нефтехимии.

В Пензенском государственном университете ежегодно проводится грантовый конкурс исследовательских проектов «Ректорские гранты». Принять участие могут все учащиеся вуза. Это могут быть командные и личные проекты, главное — наличие готового прототипа. Размер гранта для студентов составляет 60 тыс. рублей, для молодых кандидатов наук и аспирантов — 140–300 тыс. рублей.

Читайте в наших предыдущих статьях интервью двух других талантливых студентов ПГУ — об «умной» самоподогревающейся одежде и о системе энергоэффективного охлаждения воздуха в салоне автомобиля.

— Что такое ПЦР-исследование простыми словами?

ПЦР расшифровывается как метод полимеразной цепной реакции. ПЦР-диагностика основана на выявлении даже невероятно малых концентраций генетического материала (ДНК или РНК) в образце — в крови или мазке из носоглотки, как брали при анализе на COVID-19.

С помощью определенного фермента, ДНК-полимеразы, в лабораторных условиях концентрация этого генетического материала увеличивается, что позволяет обнаружить его различными способами. Как пример, с развитием ХСН в крови появляется микроРНК 423-5р. Если анализ выявляет эту микроРНК, значит есть признаки развития хронической сердечной недостаточности.

Автор: Сабина Рзаева, МГТУ «СТАНКИН»