Omics technologies in screening for kidney disease in children with congenital uropathy

Cover Page


Cite item

Full Text

Abstract

Background: Primary vesicoureteral reflux (VUR) is the most common congenital uropathy (CU) in children, leading to the development of reflux nephropathy and chronic kidney disease, reaching the terminal stage in 25-60% of patients. The insufficient sensitivity of modern methods of instrumental and laboratory diagnostics of the initial stages of renal parenchyma damage dictates the need to develop new non-invasive technologies for screening and monitoring kidney conditions in patients with CU.

Aims: To evaluate the possibility of separating groups of healthy children and children with kidney damage with CU using the analysis of the mass spectra of volatile organic compounds (VOCs) in urine samples.

Materials and methods: This study involved 42 patients (average age 5.4 + 2.3 years), divided into 2 groups: group 1 – 24 children with congenital uropathies (grade II-V PMR) and comparison group 2 - 18 patients with minor surgical pathology without pathology of the urinary system. Urine samples were collected  before the start of treatment.  Composition  analysis of VOCs samples was carried out through express-analysis method for biological objects at atmospheric pressure without preliminary preparation using a mass spectrometer with ionization by laser plasma radiation. Urinary levels of markers of inflammation (MCP-1, IL-8, IL-18), angiogenesis (VEGF) and fibrosis (TGF-β1) were measured by solid-phase ELISA.

Results: Composition changes in urine VOCs were detected in group 1 patients with congenital uropathies (VUR). These changes made it possible to distinguish group 1 samples from the comparison group 2. Creatinine level and glomerular filtration rate (GFR) in both groups had no statistical difference. An increase in concentration of inflammatory markers MCP-1, IL-18, IL-8, VEGF angiogenesis and TGF-β1 fibrosis was observed in the urine of children with congenital uropathies (VUR) (p<0.001). In group 1 patients the concentration of markers did not correlate with the reflux level.

Conclusions: The  performed research allowed  to find a set of peaks in the recorded mass spectra, according to which it is possible to divide groups into healthy and sick. It also demonstrated the potential of volatolom analysis to detect kidney damage in children with congenital uropathies. The use of standard methods: creatinine and GFR did not allow us to find a threshold value to divide patient into healthy and sick groups. The increase of biomarkers of inflammation, angiogenesis and fibrosis in the urine of children with congenital uropathies confirmed the presence of persistent kidney damage, parenchymal hypoxia, activation of fibrosis and inflammation in children with CU kidneys.

Full Text

Обоснование

Заболевания почек занимают лидирующие позиции в структуре всей патологии у детей, встречаясь в популяции с частотой от 5,4 до 32,5% [1]. Первичный пузырно-мочеточниковый рефлюкс (ПМР) относится к группе диспластических заболеваний почек [2] и является одной из наиболее распространенных врожденных уропатий (ВУ) у детей [3], приводящих к развитию рефлюкс-нефропатии и хронической болезни почек [4], которая достигает конечной стадии у 25–60% пациентов [5].

В настоящее время диагностика почечной недостаточности основывается на определении уровня сывороточного креатинина, альбуминурии и скорости клубочковой фильтрации (СКФ) [6, 7]. Однако эти индикаторы не являются чувствительными и специфичными на ранних этапах повреждения почек и не отражают полную картину развития патологии [8].

Так, типы 1 и 2 рефлюкс-нефропатии соответствуют компенсаторной гиперфильтрации оставшихся неповрежденными нефронов, поэтому не сопровождаются изменениями стандартных биохимических показателей — креатинина и СКФ [9]. Повышение уровня данных маркеров в крови возможно только при 3 типе рефлюкс-нефропатии, которая соответствует необратимой стадии декомпенсации процесса гиперфильтрации и свидетельствует о гибели более 70% нефронов.

Определение уровня сывороточного креатинина оставалось «золотым стандартом» в течение почти столетия, несмотря на многочисленные общепризнанные ограничения его использования в качестве косвенного маркера повреждения почек, включая отсроченное выявление повреждения [10]. Кроме того, возможно повышение его концентрации при неповрежденных клубочках или канальцах [11].

Таким образом, на сегодняшний день отсутствуют достоверные лабораторные методы диагностики раннего повреждения почек и существует потребность в поиске и разработке новой панели биомаркеров повреждения почек.

В последнее время активно исследуется состав летучих органических соединений (ЛОС), выделяемых человеком. Показано, что набор этих соединений, образующих волатолом человека, содержит информацию о состоянии организма и его анализ может быть использован в диагностических целях [9].

К ЛОС принято относить химические соединения, имеющие конечное значение давления паров при температуре, не превышающей порог их термического разложения. Наибольший интерес представляют соединения, имеющие значительное давление насыщенного пара при комнатной температуре. Путем детектирования таких соединений могут быть реализованы методы анализа пробы в состоянии «как она есть», без использования пробоподготовки или испарения при сильном нагреве. В настоящее время при исследовании волатолома человека обнаружено 2577 ЛОС, которые связаны с процессами жизнедеятельности и потенциально могут быть использованы для целей диагностики [12]. В моче человека зарегистрировано 444 соединения различных химических классов [13].

Для выделения значимой для диагностики заболевания информации из анализа волатолома используются два подхода — таргетный метод, ориентированный на поиск и изучение конкретных химических соединений — биомаркеров, и нетаргетный подход.

В первом случае индикатором заболевания является наличие в пробе соединений-маркеров в определенной концентрации, причем каждое из соединений точно установлено. Такой подход обычно реализуется с использованием хромато-масс-спектрометров, что позволяет идентифицировать соединения, но требует значительного времени для проведения анализа [14].

При нетаргетном подходе информацию получают из соотношения концентраций множества соединений, причем в случае масс-спектрометрии можно не проводить детальный анализ спектра, а выполнить сравнительный анализ «необработанных» спектров больных и здоровых пациентов. Нетаргетный метод, использованный в нашем исследовании, требует применения масс-спектрометров, обеспечивающих одновременное определение множества ЛОС [15]. Мы использовали лазерный масс-спектрометр, разработанный авторами ранее. Ключевое отличие прибора — оригинальный способ ионизации Atmospheric pressure laser plasma ionization (APLPI) [16, 17], гарантирующий минимальное время анализа и, в отличие от часто применяемых для анализа волатолома способов PTR и SIFT [18], использующий большее количество каналов ионизации и тем самым обеспечивающий ионизацию соединений более широкого класса. На настоящий момент в литературе не встречается упоминаний об обнаружении повреждения почек у детей с ВУ с помощью масс-спектрометрического анализа ЛОС.

Цель исследования — оценить возможность разделения групп здоровых детей и детей с повреждением почек при ВУ на основе анализа масс-спектров ЛОС образцов мочи.

Методы

Дизайн исследования

Наше пилотное, проспективное, одномоментное, одноцентровое, диагностическое исследование направлено на определение возможности разделения групп здоровых детей и детей с повреждением почек при ВУ на основе анализа масс-спектров ЛОС образцов мочи. Кроме того, было проведено сравнение результатов масс-спектрометрии с классическими индикаторами (СКФ и уровнем креатинина сыворотки крови). В образцах мочи были определены молекулярными маркерами трансформирующий фактор роста β1 (TGF-β1) [19], фактор роста эндотелия сосудов (VEGF) [20], интерлейкин-8 (IL-8), интерлейкин-18 (IL-18), моноцитарный хемоаттрактантны протеин-1 (MCP-1) [21], которые использовались для раннего и неинвазивного выявления фиброза, гипоксии и хронического воспаления в почках соответственно.

Общая характеристика пациентов групп исследования

Клинический этап исследования выполнялся на базе ГБУЗ «ДГКБ № 9 им. Г.Н. Сперанского ДЗМ». Исследование образцов мочи проведено у 42 мальчиков (средний возраст — 5,4 + 2,3 года) при первичном установлении диагноза, разделенных на две группы: группа 1 — 24 ребенка с ВУ (пузырно-мочеточниковым рефлюксом (ПМР) II–V степеней); группа 2 (сравнения) — 18 пациентов с малой хирургической патологией без патологии мочевыделительной системы.

Критериями исключения из исследования были интеркуррентные формы инфекционно-воспалительных заболеваний, сепсис, сопутствующая патология (сахарный диабет, дыхательная недостаточность, сердечно-сосудистая недостаточность), отказ родителей/представителей ребенка от участия в исследовании.

Лабораторные и клинико-инструментальные методы исследования

Диагноз ВУ был поставлен на основании комплекса стандартных и специализированных методов обследования, который включал ультразвуковое исследование с импульсно-волновой допплерометрией почечных сосудов, микционную цистографию, экскреторную урографию, клинические анализы крови и мочи, биохимический анализ крови с определением уровней креатинина и мочевины, расчет СКФ по Шварцу, бактериологическое исследование мочи. Градация степени ПМР проводилась в соответствии с классификацией Международного комитета по исследованию рефлюкса у детей (IRSC) [22].

Исследование содержания мочевых уровней биомаркеров

Сбор средней порции утренней мочи осуществлялся у пациентов с первично установленным диагнозом ВУ и до начала лечения. После центрифугирования 10 мин при 14 000 g производилось аликвотирование образцов в пластиковые пробирки типа эппендорф и хранение при температуре –80 °С до проведения исследований. Содержание мочевых биомаркеров воспаления — интерлейкина-8 (IL-8), интерлейкина-18 (IL-18), моноцитарного хемоаттрактантного протеина-1 (MСP-1), ангиогенеза — васкулоэндотелиального фактора роста (VEGF) и фиброгенеза — трансформирующего фактора роста βl (TGF-βl) измерялось методом твердофазного иммуноферментного анализа с использованием наборов ELISA (BenderMedSystems, Австрия) на момент клинико-лабораторной ремиссии ИМП.

Масс-спектрометрические исследования

Основное отличие проводимого нами эксперимента — непосредственный масс-спектрометрический анализ ЛОС, выделяемых пробами мочи при комнатной температуре и атмосферном давлении. К образцам мочи, полученным от пациентов, не применялись никакие процедуры дополнительной обработки и пробоподготовки. Поток ЛОС, формирующийся за счет испарения соединений с открытой поверхности жидкой пробы, анализировался без использования хроматографического разделения. Схема установки приведена на рис. 1. В эксперименте использовался уникальный лазерный масс-спектрометр, разработанный авторами [16, 17]. Прибор состоит из времяпролетного масс-спектрометра рефлектрон с квадрупольной транспортной системой (QTOF) и ионного источника, работающего при атмосферном давлении. Особенностью используемого прибора является применение для ионизации ЛОС, поступающих с поверхности жидкого образца жесткого ультрафиолетового излучения лазерной плазмы (см. 2 на рис. 1), создаваемой импульсным лазерным излучением на поверхности металлической мишени [14]. Для создания плазмы использовался импульсный Nd:YAG-лазер с диодной накачкой RL-03/355 (ООО «ЭЛС-94»). Частота следования импульсов составляла 300 Гц, длительность — 0,5 нс, энергия в импульсе — 350 мкДж. Излучение лазера фокусировалось на поверхность мишени линзой с фокусным расстоянием 5 см, что обеспечивало плотность мощности излучения более 1011 Вт/см2.

 

Рис. 1. Схема масс-спектрометра с устройством ввода ЛОС: 1 — времяпролетный масс-спектрометр рефлектрон; 2 — лазерная плазма, создаваемая импульсным излучением лазера; 3 — металлическая мишень; 4 — импульсный Nd: YAG-лазер; 5 — линза с фокусным расстоянием 5 см; 6 — камера ионизации; 7 — пробирка с пробой мочи, установленная на пневморазъем

 

Перед измерениями образцы размораживали при комнатной температуре в течение 10 мин. Пробы разливались по микроцентрифужным пробиркам порциями по 20 мкл. Микроцентрифужные пробирки с пробами последовательно устанавливалась на герметичный пневматический разъем и продувалась потоком чистого аргона (99,995). Испаряющиеся с поверхности пробы ЛОС мочи поступали в потоке аргона в герметичную камеру (6 на рис. 1), где происходила их ионизация. Чтобы исключить попадание окружающего атмосферного воздуха внутрь камеры при смене пробирок, в камере поддерживалось избыточное давление 30 Торр по отношению к давлению воздуха в лаборатории. Масс-спектр ЛОС каждого образца записывался в течение 150 с, из которых в первые 30 с происходили вытеснение воздуха в пробирках аргоном и стабилизация масс-спектров (интервал 1, выделенный синим на рис. 2).

 

Рис. 2. Зависимость полного ионного тока от времени при исследовании проб мочи: 1 — участок вытеснения воздуха в пробирке аргоном, длительность ~ 30 с (закрашен синим); 2 — участок записи стабильного масс-спектра, длительность ~ 120 с (закрашен красным) и при установке пустой пробирки (незакрашенная область). На врезке показан единичный масс-спектр пробы мочи

 

Процесс регистрации масс-спектров проиллюстрирован на рис. 2, где приведена зависимость полного ионного тока и показан единичный масс-спектр для одной из проб. Выбросы полного ионного тока в начале и конце измерений образца (см. рис. 2) вызваны сменой пробирок, которые в начальный момент содержат лабораторный воздух, приводящий к изменениям масс-спектра. В экспериментах регистрировались только положительные ионы, что обусловлено конструкцией прибора.

Для уменьшения влияния изменения состава воздуха в лаборатории и дрейфа прибора на результат анализ проб производился в случайном порядке, а состав экспериментаторов, находящихся в лаборатории, не изменялся в течение всего эксперимента. Оператору сообщался только условный номер, по которому невозможно определить принадлежность пробы к конкретной группе.

Этическая экспертиза

Все этапы исследования одобрены локальным этическим комитетом ФГАОУ ВО Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет) (выписка из протокола № 08-21 очередного заседания ЛЭК от 19.05.2021).

Статистический анализ

Принципы расчета размера выборки. Проект был пилотным, и размер выборки предварительно не рассчитывался.

Методы статистического анализа данных. Обработка полученных масс-спектров проводилась в самостоятельно разработанной программе в среде Python 3.7. В регистрируемом диапазоне масс до 18–500 а.е.м. было выделено 342 уникальных пика, которые присутствуют почти во всех образцах. Значимыми пиками мы считали пики в суммарном масс-спектре с амплитудой, соответствующей регистрации в среднем не менее 1 иона в 1 с. Ограничение разрешения, используемого в работе масс-спектрометра, не позволяет избежать интерференции и идентифицировать соединения, соответствующие найденным пикам. Для выделения пиков, содержащих информацию о наличии или отсутствии заболевания, был применен критерий Краскела–Уоллиса.

Данные результатов исследования биомаркеров мочи были представлены в виде медианы (и межквартильного интервала) и проанализированы с использованием программного обеспечения R-statistics версии 3.3.2. Оценивали статистически значимые отличия от группы контроля с использованием критерия суммы рангов Манна–Уитни. Статистические тесты проводились на уровне значимости 5%.

Результаты

Объекты (участники) исследования

Объектом исследования послужили образцы мочи 42 пациентов (средний возраст — 5,4 + 2,3 года), разделенных на две группы: группа 1 — 24 ребенка с ВУ (ПМР II–V степеней), группа 2 (сравнения) — 18 пациентов с малой хирургической патологией и без патологии мочевыделительной системы.

Основные результаты исследования

Анализ массива данных с использованием критерия Краскела–Уоллиса показал, что в массиве, состоящем из 342 пиков, существует всего 20 пиков с p < 0,05, по которым можно отличить группу пациентов с заболеваниями от контрольной группы. Перечень пиков с соответствующими p-значениями приведены в табл. 1. Из этих пиков выбраны четыре пика, имеющие в своем наборе наибольшее количество ненулевых значений. К этим четырем был применен метод главных компонент (МГК).

 

Таблица 1. Выделенные пики в образцах мочи групп исследования

m/z

p-value

42

0,00359864882425457

66

0,0213436538150324

68

0,000186527014749273

77

0,0327626450788598

83

0,0446541484831718

84

0,0193710994584939

91

0,0288293008843387

93

0,0446541484831718

95

0,0253035785681753

105,1

0,0221679057529888

107

0,0371160759840020

108

0,0420124648678192

123

0,0404646830589061

124

0,0207284137141232

125

0,0228644186154725

157

0,0168124290153604

157,1

0,0443854637881736

167

0,0319047361350467

258,1

0,0435339968892050

287,1

0,00572717646414131

 

Результат анализа МГК представлен на рис. 3. Разделение областей проводилось методом линейного дискриминантного анализа. Как видно из рис. 3, в координатах двух первых главных компонент наблюдается разделение двух групп пациентов. Это говорит о том, что в ЛОС, собираемых над поверхностью пробы мочи при комнатной температуре, содержится информация о состоянии пациента и эта информация может быть использована для целей диагностики заболеваний. На основе данных рис. 3 можно оценить общепринятые статистические показатели — чувствительность и селективность. Для приведенных результатов они составят соответственно 22/23 = 0,96 и 10/18 = 0,56. Очевидно, что для получения более точных результатов необходимо увеличить объем выборки и стратифицировать пациентов как в контрольной группе, так и в группе больных не только по полу, но и возрасту. Это связано с тем, что в составе ЛОС, кроме изменений, связанных с заболеванием, возможно, наблюдаются возрастные изменения.

 

Рис. 3. Результат применения метода главных компонент к анализу масс-спектров ЛОС мочи больных (синие точки) и здоровых (красные точки)

 

Сравнение результатов масс-спектрометрического исследования и результатов анализа на креатинин и СКФ представлено на рис. 4, где приведено распределение результатов анализа для больных (красные точки), и здоровых (синие точки) пациентов в координатах значение анализа — амплитуда первой главной компоненты масс-спектров. Как видно из рисунка, по полученным данным анализов креатинина и СКФ невозможно найти пороговое значение, которое позволяет разделить пациентов на группы больных и здоровых. Это видно и из сравнения средних величин результатов анализа для двух групп, приведенных в табл. 2. Поэтому в нашем случае ни креатинин, ни СКФ не могут быть использованы в качестве индикатора наличия заболевания. В то же время масс-спектрометрические данные позволяют достаточно эффективно разделить группы, как это показано на рис. 4. Разделение областей, как и в первом случае, проводилось методом линейного дискриминантного анализа.

 

Рис. 4. Сравнение результатов масс-спектрометрического анализа ЛОС и теста на креатинин и СКФ: А — сравнение с тестом на креатинин; Б — сравнение с тестом на СКФ

 

Результаты исследования СКФ и уровня креатинина сыворотки крови представлены в табл. 2. Статистически значимых отличий данных показателей между группами не выявлено.

 

Таблица 2. Характеристики групп исследования

Показатель

Группы исследования (n = 42)

Контроль (n = 18)

ВУ (n = 24)

Возраст (M+SD), годы

6,4+2,3

4,5+2,7

Креатинин сыворотки крови, мкмоль/л

52

48,9

СКФ (M+SD), мл/мин/1,73 м2

130

100,74

Примечание. СКФ — скорость клубочковой фильтрации.

 

Результаты исследования мочевых уровней IL-8, IL- 18, MCP-1, VEGF и TGF-β1 представлены в табл. 3. В моче детей с ВУ наблюдалось повышение концентрации маркеров воспаления MCP-1 (р < 0,001), IL-18 (р < 0,001), IL-8 (р < 0,003), ангиогенеза VEGF (р < 0,001) и фиброза TGF-β1 (р < 0,004) при сравнении с группой без ВУ. Следует отметить, что в группе пациентов с ВУ концентрация маркеров не зависела от степени ПМР (p > 0,05).

 

Таблица 3. Мочевые уровни маркеров воспаления, факторов фибро- и ангиогенеза

Показатель

Группы исследования (n = 42)

Контроль (n = 18)

ВУ (n = 24)

M

LQ

UQ

M

LQ

UQ

p

IL-8, пг/мл

6,54

3,5

8

56,45

39,3

88,75

0,003

IL-18, пг/мл

12,45

8,25

16,75

26,3

21

42

0,000001

MCP-1, пг/мл

91,4

48,5

132,5

162

131,25

264,25

0,001

VEGF, пг/мл

107

62

133

158

118,75

264,25

0,0006

TGF-β1, нг/мл

14,7

11

18,75

37,35

32,75

46,75

0,004

Примечание. М — медиана; LQ — нижний квартиль; UQ — верхний квартиль; р — критерий достоверности различий по отношению к показателям группы контроля.

 

Обсуждение

Резюме основного результата исследования

Выполненный эксперимент показал, что нетаргетный анализ, основанный на статистической обработке полученных масс-спектров ЛОС образцов мочи, позволяет выделить различия между группами больных и здоровых пациентов. В регистрируемых масс-спектрах существует набор пиков, применимых для обнаружения повреждения почек у детей с ВУ. В тех же группах пациентов использование стандартных анализов креатинина и СКФ не дало возможности найти пороговое значение, которое позволяло разделить группы больных и здоровых. Повышение в моче биомаркеров воспаления, ангиогенеза и фиброза подтверждало наличие персистирующего повреждения почек, гипоксии паренхимы, активации фиброза и воспаления в ней у детей с ВУ.

Обсуждение основного результата исследования

Проведенное исследование показало, что масс-спектрометрический анализ летучих компонентов мочи, проводимый без пробоподготовки, в состоянии образца «как он есть», потенциально может иметь диагностическое применение. Новый метод ионизации ЛОС позволяет выделить различия между группами здоровых и больных пациентов. Достоинством метода является минимальное время анализа, недостижимое при использовании широко применяемых для подобных исследований хромато-масс-спектрометров. Как было показано, время анализа одной пробы в наших экспериментах составляет не более 3 мин. Для проведения таргетного анализа необходима предварительная хроматография (газовая или жидкостная) с дополнительной пробоподготовкой (твердофазной экстракцией или дериватизацией анализируемого вещества). При этом удлиняется время проведения исследования, повышается его себестоимость и снижается привлекательность скрининга.

Достигнутые параметры чувствительности и селективности могут быть улучшены в последующих экспериментах. Во-первых, необходимо устранить аппаратурные ограничения масс-спектрометра. При разрешении используемого прибора 5000 невозможно избежать интерференции пиков, что снижает объем получаемой информации и приводит к «маскировке» различий между пробами. Применение доступных в настоящее время масс-спектрометров с разрешением более 100 000 (например, приборов с масс-анализатором типа Orbitrap [23]), в принципе, может решить эту проблему при использовании ионизации ЛОС излучением лазерной плазмы. Однако такие ионные источники не входят в комплект выпускаемых в настоящее время приборов.

Проведенное исследование демонстрирует потенциал анализа волатолома для обнаружения повреждения почек у детей с ВУ. Применение анализа ЛОС образцов без пробоподготовки, в состоянии «как они есть», на наш взгляд, является перспективным направлением, которое при решении технических проблем может обеспечить новое направление в диагностике заболеваний.

Мочевые уровни маркеров воспаления (MCP-1, IL-8, IL-18), ангиогенеза (VEGF) и фиброза (TGF-β1) в группе пациентов с ВУ были значительно повышены, что, по нашему мнению, подтверждало персистенцию патологического процесса в почечной паренхиме. Подобные изменения продемонстрированы рядом исследователей как на доклиническом этапе, так и при исследовании пациентов.

Доклинические исследования показали, что IL-18 является медиатором острого повреждения канальцев почек, индуцируя как нейтрофильную, так и моноцитарную инфильтрацию почечной паренхимы [24]. Также было продемонстрировано, что IL-18 играет важную роль в активации макрофагов [20].

Клетки почечных канальцев увеличивают продукцию MCP-1 в ответ на провоспалительные цитокины [21]. MCP-1 привлекает моноциты крови и тканевые макрофаги к фокусам воспаления посредством взаимодействия с хемокиновым рецептором 2 (CCR2) [22]. Отсутствие корреляции между уровнями MCP-1 в моче и сыворотке позволяет предположить, что MCP-1, обнаруживаемый в моче, локально вырабатывается почками, а не возникает в результате фильтрации из сыворотки крови [21].

В проведенном нами исследовании уровни биомаркера VEGF имели наименьшее различие у группы контроля и группы детей с ВУ. Возможное объяснение этого явления заключается в том, что выработка VEGF зависит не только от степени гипоксии тканей, но и от количества клеток, продуцирующих VEGF в почках [25]. Предположительно прогрессирующее накопление фиброзной ткани и гипоксия могут способствовать повреждению клеток, продуцирующих VEGF в почках, что приводит к снижению общего синтеза и выведения VEGF с мочой [26].

Многочисленные клинические и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что TGF-β1 имеет решающее значение для развития и прогрессирования фиброза почек у пациентов с ХБП различной этиологии, включая ПМР [27]. Зачастую комбинация именно МСР-1 и TGF-β1 выбирается исследователями для оценки состояния почечной паренхимы при различных состояниях. Было установлено, что уровни сывороточных MCP-1 и TGF-β1 у детей при вторичном (на фоне ПМР) и первичном пиелонефрите были соответственно в 2,5 и 2,8 раза выше [28]. По всей видимости, нарушение уродинамики имело определяющее значение в развитии и поддержании воспалительного процесса мочевыводящих путей [29].

Ограничения исследования

Ограничениями исследования являются: небольшая выборка пациентов с достаточно большим разбросом по возрасту, разная степень почечного повреждения в группе пациентов с ВУ к началу исследования. К технологическим ограничениям можно отнести низкую (5000) разрешающую способность используемого масс-спектрометра, что приводит к интерференции пиков и снижает объем различий между пробами.

Заключение

Новые подходы, основанные на омиксных технологиях, в настоящее время все чаще применяются для анализа биомедицинских объектов как для диагностики, так и для изучения механизмов возникновения патологии. Преимущества данных методов заключаются в возможности единовременного определения большого числа различных веществ, удобстве и экспрессности проведения анализа.

Важный фактор, определяющий эффективность лечения повреждения почек, — стадия, на которой обнаружено заболевание. Известно, что определение единичных показателей не только неинформативно для диагностики заболевания, но и не подходит для своевременной постановки диагноза. В изучении метаболома мочи применяются таргетный метод, ориентированный на поиск и изучение конкретных соединений, и нетаргетный подход, измеряющий большой спектр метаболитов с применением инструментов статистической обработки данных.

В процессе работы был применен нетаргетный анализ масс-спектров ЛОС мочи и сопоставление с результатами исследования креатинина сыворотки крови и СКФ у пациентов с ВУ и без таковых. Для верификации повреждения почек были определены мочевые уровни биомаркеров воспаления, фиброза и ангиогенных факторов. В нашем исследовании использовался времяпролетный масс-спектрометр рефлектрон с квадрупольной транспортной системой, особенностью которого является применение жесткого ультрафиолетового излучения лазерной плазмы, создаваемой импульсным лазерным излучением на поверхности металлической мишени, для ионизации ЛОС при атмосферном давлении. Проведенный дисперсионный анализ показал, что в регистрируемых масс-спектрах существует набор пиков, по которым возможно разделение групп на «дети с повреждением почек» и «дети без повреждения почек». При использовании приборов с более высоким разрешением, характеризующихся значительно меньшей интерференцией в масс-спектрах, количество таких пиков должно возрастать, что увеличивает надежность получаемых результатов.

Применение для нетаргетного анализа масс-спектров ЛОС мочи без предварительной пробоподготовки, на наш взгляд, является перспективным направлением, которое при решении ряда технических проблем может стать скрининговым методом в ранней диагностике повреждения почек у детей с ВУ, так как позволяет неинвазивно скринировать наличие патологии и многократно исследовать изменения в органе в течение терапии.

Дополнительная информация

Источник финансирования. Данное исследование поддержано грантом Министерства науки и образования Российской Федерации на создание Научного центра мирового уровня «Фотоника» № 075-15-2022-315.

Конфликт интересов. Авторы данной статьи подтвердили отсутствие конфликта интересов, о котором необходимо сообщить.

Участие авторов. А.Б. Бухарина — разработка дизайна исследования, проведение эксперимента, анализ полученных результатов и написание значительной части финальной версии статьи; А.O. Федулкина — проведение эксперимента, отбор и анализ биоматериала, исследование биомаркеров, участие в написании финальной версии статьи; К.Н. Демидова — набор пациентов, сбор клинических, лабораторных и анкетных данных, участие в написании разделов «Материалы и методы» и «Результаты»; А.В. Пенто — разработка конструкции ионного источника масс-спектрометра, участие в проведении экспериментов и обработке данных, подготовке текста статьи; Л.Д. Мальцева — проведение эксперимента, отбор и анализ биоматериала, исследование биомаркеров, участие в написании финальной версии статьи; Я.О. Симановский — разработка конструкции ионного источника масс-спектрометра, участие в проведении экспериментов и обработке данных, подготовке текста статьи; С.М. Никифоров — разработка основной концепции и дизайна исследования, редактирование статьи; О.Л. Морозова — разработка основной концепции и дизайна исследования, редактирование статьи. Все авторы статьи внесли существенный вклад в организацию и проведение исследования, прочли и одобрили окончательную версию рукописи перед публикацией.

×

About the authors

Aygul B. Bukharina

Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: ay15@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3627-3302
SPIN-code: 3189-1112
Russian Federation, Moscow

Anastasia O. Fedulkina

I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)

Email: n.fedulkina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6232-2123

Student

Russian Federation, Moscow

Karmina N. Demidova

I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)

Email: negmatova.karmina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4638-6370
SPIN-code: 9281-4273
Russian Federation, Moscow

Andrei V. Pento

Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: pentan@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5122-8265
SPIN-code: 6035-3748

PhD in Physical and Mathematical Sciences

Russian Federation, Moscow

Larisa D. Maltseva

I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)

Email: lamapost@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4380-4522
SPIN-code: 7725-2499

PhD, Assistant Professor

Russian Federation, Moscow

Yaroslav O. Simanovsky

Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: yaroslav@kapella.gpi.ru
ORCID iD: 0000-0003-0779-1135
SPIN-code: 3438-9329

PhD in Technical Sciences

Russian Federation, Moscow

Sergei M. Nikiforov

Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: 15925@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7510-4355
SPIN-code: 9359-0557

PhD in Physical and Mathematical Sciences

Russian Federation, Moscow

Olga L. Morozova

I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)

Author for correspondence.
Email: morozova_ol@list.ru
ORCID iD: 0000-0003-2453-1319
SPIN-code: 1567-4113
Scopus Author ID: 55805379800
ResearcherId: R-9125-2017

MD, PhD, Professor

Russian Federation, Moscow

References

  1. Morris AP, Le TH, Wu H, et al. Trans-ethnic kidney function association study reveals putative causal genes and effects on kidney-specific disease aetiologies. Nat Commun. 2019;10(1):29. doi: https://doi.org/10.1038/s41467-018-07867-7
  2. Macioszek S, Wawrzyniak R, Kranz A, et al. Comprehensive Metabolic Signature of Renal Dysplasia in Children. A Multiplatform Metabolomics Concept. Front Mol Biosci. 2021;8:665661. doi: https://doi.org/10.3389/fmolb.2021.665661
  3. Hajiyev P, Burgu B. Contemporary Management of Vesicoureteral Reflux. Eur Urol Focus. 2017;3(2–3):181–188. doi: https://doi.org/10.1016/j.euf.2017.08.012
  4. Fillion ML, Watt CL, Gupta IR. Vesicoureteric reflux and reflux nephropathy: from mouse models to childhood disease. Pediatr Nephrol. 2014;29(4):757–766. doi: https://doi.org/10.1007/s00467-014-2761-3
  5. Chertin B, Abu Arafeh W, Kocherov S. Endoscopic correction of complex cases of vesicoureteral reflux utilizing Vantris as a new non-biodegradable tissue-augmenting substance. Pediatr Surg Int. 2014;30(4):445–448. doi: https://doi.org/10.1007/s00383-014-3468-z
  6. Nickolas TL, Barasch J, Devarajan P. Biomarkers in acute and chronic kidney disease. Curr Opin Nephrol Hypertens. 2008;17(2):127–132. doi: https://doi.org/10.1097/MNH.0b013e3282f4e525
  7. Хворостов И.Н., Смирнов И.Е., Кучеренко А.Г., и др. Нефросцинтиграфия и цитокины в диагностике поражений почек при пузырно-мочеточниковом рефлюксе у детей // Российский педиатрический журнал. — 2013. — № 2. — С. 20–26. [Khvorostov IN, Smirnov IE, Kucherenko AG, et al. Nephroscintigraphy and cytokines in the diagnosis of kidney lesions in vesico-ureteral reflux in children. Russian Pediatric Journal. 2013;2:20–26. (In Russ.)]
  8. Zhang WR, Parikh CR. Biomarkers of Acute and Chronic Kidney Disease. Annu Rev Physiol. 2019;81:309–333. doi: https://doi.org/10.1146/annurev-physiol-020518-114605
  9. Drabińska N, Flynn C, Ratcliffe N, et al. A literature survey of all volatiles from healthy human breath and bodily fluids: the human volatilome. J Breath Res. 2021;15(3). doi: https://doi.org/10.1088/1752-7163/abf1d0
  10. Krzemień G, Szmigielska A, Turczyn A, et al. Urine interleukin-6, interleukin-8 and transforming growth factor β1 in infants with urinary tract infection and asymptomatic bacteriuria. Cent Eur J Immunol. 2016;41(3):260–267. doi: https://doi.org/10.5114/ceji.2016.63125
  11. Konda R, Sato H, Sakai K, et al. Urinary excretion of vascular endothelial growth factor is increased in children with reflux nephropathy. Nephron Clin Pract. 2004;98(3):c73–78. doi: https://doi.org/10.1159/000080676
  12. De Lacy Costello B, Amann A, Al-Kateb H, et al. A review of the volatiles from the healthy human body. J Breath Res. 2014;8(1):014001. doi: https://doi.org/10.1088/1752-7155/8/1/014001
  13. Datta S, Depadilla L. Feature selection and machine learning with mass spectrometry data for distinguishing cancer and non-cancer samples. Statistical Methodology. 2006;3(1):79–92. doi: https://doi.org/10.1016/j.stamet.2005.09.006
  14. Zoccali M, Tranchida PQ, Mondello L. Fast gas chromatography-mass spectrometry: A review of the last decade. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 2019;118:444–452. doi: https://doi.org/10.1016/j.trac.2019.06.006
  15. Лисица А.В., Пономаренко Е.А., Лохов П.Г., и др. Постгеномная медицина: альтернатива биомаркерам // Вестник РАМН. — 2016. — Т. 71. — № 3. — С. 255–260. [Lisitsa AV, Ponomarenko EA, Lokhov PG, et al. Postgenomic Medicine: Alternative to Biomarkers. Annals of the Russian Academy of Medical Sciences. 2016;71(3):255–260. (In Russ.)] doi: https://doi.org/10.15690/vramn647
  16. Pento AV, Nikiforov SM, Simanovsky YO, et al. Laser ablation and ionisation by laser plasma radiation in the atmospheric-pressure mass spectrometry of organic compounds. Quantum Electronics. 2013;43(1):55–59. doi: https://doi.org/10.1070/QE2013v043n01ABEH015065
  17. Pento AV, Bukharina AB, Nikiforov SM, et al. Laser-induced plasma on a metal surface for ionization of organic compounds at atmospheric pressure. International Journal of Mass Spectrometry. 2021;461:116498. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijms.2020.116498
  18. Smith D, Španěl P. Selected ion flow tube mass spectrometry (SIFT-MS) for on-line trace gas analysis. Mass Spectrom Rev. 2005;24(5):661–700. doi: https://doi.org/10.1002/mas.20033
  19. Krzemień G, Szmigielska A, Turczyn A, et al. Urine interleukin-6, interleukin-8 and transforming growth factor β1 in infants with urinary tract infection and asymptomatic bacteriuria. Cent Eur J Immunol. 2016;41(3):260–267. doi: https://doi.org/10.5114/ceji.2016.63125
  20. Elner SG, Strieter RM, Elner VM, et al. Monocyte chemotactic protein gene expression by cytokine-treated human retinal pigment epithelial cells. Lab Invest. 1991;64(6):819–825.
  21. Kiyici S, Erturk E, Budak F, et al. Serum monocyte chemoattractant protein-1 and monocyte adhesion molecules in type 1 diabetic patients with nephropathy. Arch Med Res. 2006;37(8):998–1003. doi: https://doi.org/10.1016/j.arcmed.2006.06.002
  22. Gültekin ND, Benzer M, Tekin-Neijmann Ş. Is there any relation between connective tissue growth factor and scar tissue in vesicoureteral reflux? Turk J Pediatr. 2019;61(1):71–78. doi: https://doi.org/10.24953/turkjped.2019.01.011
  23. Eliuk S, Makarov A. Evolution of Orbitrap Mass Spectrometry Instrumentation. Annu Rev Anal Chem (Palo Alto Calif). 2015;8:61–80. doi: https://doi.org/10.1146/annurev-anchem-071114-040325
  24. Boring L, Gosling J, Chensue SW, et al. Impaired monocyte migration and reduced type 1 (Th1) cytokine responses in C-C chemokine receptor 2 knockout mice. J Clin Invest. 1997;100(10):2552–2561. doi: https://doi.org/10.1172/JCI119798
  25. Dimke H, Sparks MA, Thomson BR, et al. Tubulovascular cross-talk by vascular endothelial growth factor a maintains peritubular microvasculature in kidney. J Am Soc Nephrol. 2015;26(5):1027–1038. doi: https://doi.org/10.1681/ASN.2014010060
  26. Morozova O, Morozov D, Pervouchine D, et al. Urinary biomarkers of latent inflammation and fibrosis in children with vesicoureteral reflux. Int Urol Nephrol. 2020;52(4):603–610. doi: https://doi.org/10.1007/s11255-019-02357-1
  27. Wu C-F, Chiang W-C, Lai C-F, et al. Transforming growth factor β-1 stimulates profibrotic epithelial signaling to activate pericyte-myofibroblast transition in obstructive kidney fibrosis. Am J Pathol. 2013;182(1):118–131. doi: https://doi.org/10.1016/j.ajpath.2012.09.009
  28. Gültekin ND, Benzer M, Tekin-Neijmann Ş. Is there any relation between connective tissue growth factor and scar tissue in vesicoureteral reflux? Turk J Pediatr. 2019;61(1):71–78. doi: https://doi.org/10.24953/turkjped.2019.01.011
  29. Tokarchuk N, Vyzhga Y, Tokarchuk V, et al. [FIBROTIC MARKERS IN INFANTS WITH PYELONEPHRITIS]. Georgian Med News. 2019;(288):44–48.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Figure 1. Scheme of a mass spectrometer with a VOC input device: 1 - reflectron time-of-flight mass spectrometer; 2 - laser plasma created by pulsed laser radiation; 3 - metal target; 4 - pulsed Nd:YAG laser; 5 - lens with a focal length of 5 cm; 6 - ionization chamber; 7 - a test tube with a urine sample installed on the pneumatic connector

Download (56KB)
3. Figure 2. Dependence of the total ion current on time in the study of urine samples: 1 — area of air displacement in the test tube by argon, duration ~ 30 s (shaded in blue); 2 — recording section of a stable mass spectrum, duration ~ 120 s (shaded red) and when an empty tube is installed (unshaded area). The inset shows a single mass spectrum of a urine sample.

Download (87KB)
4. Figure 3. The result of applying the principal component method to the analysis of mass spectra of VOCs in the urine of patients (blue dots) and healthy (red dots)

Download (78KB)
5. Figure 4. Comparison of the results of the mass spectrometric analysis of VOC and the test for creatinine and GFR: A - comparison with the test for creatinine; B - comparison with GFR test

Download (163KB)

Copyright (c) 2022 "Paediatrician" Publishers LLC



This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies