Nowa technika skanowania pozwala uzyskać obrazy o dużej szczegółowości, które mogą zrewolucjonizować badania anatomii człowieka.
Kiedy Paul Taforo zobaczył swoje pierwsze eksperymentalne zdjęcia ofiar światła Covid-19, pomyślał, że poniósł porażkę.Taforo, z wykształcenia paleontolog, spędził miesiące pracując z zespołami w całej Europie nad przekształceniem akceleratorów cząstek we francuskich Alpach w rewolucyjne medyczne narzędzia skanujące.
Był koniec maja 2020 r., a naukowcom zależało na lepszym zrozumieniu, w jaki sposób COVID-19 niszczy ludzkie narządy.Taforo otrzymało zlecenie opracowania metody wykorzystującej promieniowanie rentgenowskie o dużej mocy wytwarzane przez Europejski Ośrodek Promieniowania Synchrotronowego (ESRF) w Grenoble we Francji.Jako naukowiec ESRF przekroczył granice wysokiej rozdzielczości zdjęć rentgenowskich skamieniałości skalnych i wysuszonych mumii.Teraz bał się miękkiej, lepkiej masy papierowych ręczników.
Obrazy pokazały im więcej szczegółów niż jakakolwiek tomografia komputerowa, jaką kiedykolwiek widzieli, co pozwoliło im przezwyciężyć uparte luki w sposobie, w jaki naukowcy i lekarze wizualizują i rozumieją ludzkie narządy.„W podręcznikach do anatomii, jeśli to widzisz, jest to duża skala, jest mała skala i są to piękne, ręcznie rysowane obrazy z jednego powodu: są to interpretacje artystyczne, ponieważ nie mamy obrazów” – University College London (UCL ) powiedział..– powiedziała starsza badaczka Claire Walsh.„Po raz pierwszy możemy zrobić coś naprawdę”.
Taforo i Walsh są częścią międzynarodowego zespołu składającego się z ponad 30 badaczy, którzy stworzyli nową, zaawansowaną technikę skanowania rentgenowskiego zwaną hierarchiczną tomografią fazowo-kontrastową (HiP-CT).Dzięki niemu mogą w końcu przejść od całego ludzkiego narządu do powiększonego widoku najmniejszych naczyń krwionośnych lub nawet pojedynczych komórek w organizmie.
Metoda ta już zapewnia nowy wgląd w to, w jaki sposób COVID-19 uszkadza i przebudowuje naczynia krwionośne w płucach.Chociaż jego długoterminowe perspektywy są trudne do określenia, ponieważ nigdy wcześniej nie istniało nic takiego jak HiP-CT, badacze podekscytowani jego potencjałem z entuzjazmem wyobrażają sobie nowe sposoby zrozumienia chorób i mapowania anatomii człowieka za pomocą dokładniejszej mapy topograficznej.
Kardiolog z UCL Andrew Cooke powiedział: „Większość ludzi może być zaskoczona, że ​​badamy anatomię serca od setek lat, ale nie ma zgody co do normalnej budowy serca, zwłaszcza serca… Komórki mięśniowe i to, jak się one zmieniają kiedy serce bije.”
„Czekałem przez całą karierę” – powiedział.
Technika HiP-CT rozpoczęła się, gdy dwóch niemieckich patologów rywalizowało w prześledzeniu represyjnego wpływu wirusa SARS-CoV-2 na organizm ludzki.
Danny Jonigk, patolog klatki piersiowej w Hannover Medical School i Maximilian Ackermann, patolog z Uniwersyteckiego Centrum Medycznego w Moguncji, byli w stanie najwyższej gotowości, gdy w Chinach zaczęły rozprzestrzeniać się wieści o niezwykłym przypadku zapalenia płuc.Oboje mieli doświadczenie w leczeniu chorób płuc i od razu wiedzieli, że COVID-19 jest nietypowy.Małżonkowie byli szczególnie zaniepokojeni doniesieniami o „cichej hipoksji”, która nie pozwalała zasnąć pacjentom z Covid-19, ale powodowała gwałtowny spadek poziomu tlenu we krwi.
Ackermann i Jonig podejrzewają, że SARS-CoV-2 w jakiś sposób atakuje naczynia krwionośne w płucach.Kiedy w marcu 2020 r. choroba rozprzestrzeniła się do Niemiec, para rozpoczęła sekcje zwłok ofiar Covid-19.Wkrótce przetestowali swoją hipotezę naczyniową, wstrzykując żywicę do próbek tkanek, a następnie rozpuszczając tkankę w kwasie, pozostawiając dokładny model pierwotnego układu naczyniowego.
Korzystając z tej techniki, Ackermann i Jonigk porównali tkanki osób, które nie zmarły z powodu Covid-19, z tkankami osób, które zmarły.Od razu zauważyli, że u ofiar Covid-19 najmniejsze naczynia krwionośne w płucach zostały skręcone i zrekonstruowane.Te przełomowe wyniki, opublikowane w Internecie w maju 2020 r., pokazują, że COVID-19 nie jest wyłącznie chorobą układu oddechowego, ale raczej chorobą naczyniową, która może wpływać na narządy w całym organizmie.
„Jeśli przejdziesz przez ciało i wyrównasz wszystkie naczynia krwionośne, uzyskasz odległość od 60 000 do 70 000 mil, czyli dwukrotnie większą odległość wokół równika” – powiedział Ackermann, patolog z Wuppertalu w Niemczech..Dodał, że gdyby wirus zaatakował tylko 1 procent tych naczyń krwionośnych, przepływ krwi i zdolność wchłaniania tlenu uległyby pogorszeniu, co mogłoby mieć druzgocące konsekwencje dla całego narządu.
Kiedy Jonigk i Ackermann zdali sobie sprawę z wpływu Covid-19 na naczynia krwionośne, zdali sobie sprawę, że muszą lepiej zrozumieć uszkodzenia.
Medyczne zdjęcia rentgenowskie, takie jak tomografia komputerowa, mogą zapewnić obraz całych narządów, ale nie mają wystarczająco wysokiej rozdzielczości.Biopsja umożliwia naukowcom zbadanie próbek tkanek pod mikroskopem, ale uzyskane obrazy przedstawiają jedynie niewielką część całego narządu i nie mogą pokazać, w jaki sposób COVID-19 rozwija się w płucach.Opracowana przez zespół technika żywicy wymaga rozpuszczenia tkanki, co niszczy próbkę i ogranicza dalsze badania.
„Ostatecznie [płuca] pobierają tlen, a dwutlenek węgla jest wydalany, ale w tym celu mają tysiące kilometrów naczyń krwionośnych i naczyń włosowatych, bardzo cienkich… To prawie cud” – powiedział założyciel Jonigk główny badacz w Niemieckim Centrum Badań nad Płucami.„Jak więc naprawdę możemy ocenić coś tak złożonego jak COVID-19 bez niszczenia narządów?”
Jonigk i Ackermann potrzebowali czegoś bezprecedensowego: serii prześwietleń tego samego narządu, które umożliwiłyby badaczom powiększenie części narządu do skali komórkowej.W marcu 2020 r. niemiecki duet skontaktował się ze swoim wieloletnim współpracownikiem Peterem Lee, naukowcem zajmującym się materiałami i kierownikiem ds. nowych technologii na UCL.Specjalnością Lee jest badanie materiałów biologicznych przy użyciu silnych promieni rentgenowskich, dlatego jego myśli od razu powędrowały ku Alpom Francuskim.
Europejskie Centrum Promieniowania Synchrotronowego zlokalizowane jest na trójkątnym skrawku ziemi w północno-zachodniej części Grenoble, gdzie spotykają się dwie rzeki.Obiekt jest akceleratorem cząstek, który wysyła elektrony po kołowych orbitach o długości pół mili z prędkością bliską światła.Gdy elektrony wirują po okręgach, potężne magnesy na orbicie wypaczają strumień cząstek, powodując, że elektrony emitują jedne z najjaśniejszych promieni rentgenowskich na świecie.
To potężne promieniowanie pozwala ESRF szpiegować obiekty w skali mikrometrowej, a nawet nanometrowej.Często wykorzystuje się go do badania materiałów takich jak stopy i kompozyty, do badania struktury molekularnej białek, a nawet do rekonstrukcji starożytnych skamieniałości bez oddzielania kamienia od kości.Ackermann, Jonigk i Lee chcieli wykorzystać ten gigantyczny instrument do wykonywania najbardziej szczegółowych na świecie prześwietleń rentgenowskich ludzkich narządów.
Przedstawiamy Taforo, którego praca w ESRF przesunęła granice tego, co może zobaczyć skanowanie synchrotronowe.Imponujący wachlarz sztuczek pozwolił wcześniej naukowcom zajrzeć do jaj dinozaurów i niemal rozciąć mumie, a Taforo niemal natychmiast potwierdził, że synchrotrony teoretycznie mogą dobrze skanować całe płaty płuc.Jednak tak naprawdę skanowanie całych narządów człowieka jest ogromnym wyzwaniem.
Z jednej strony istnieje problem porównania.Standardowe promienie rentgenowskie tworzą obrazy na podstawie ilości promieniowania pochłanianego przez różne materiały, przy czym cięższe pierwiastki absorbują więcej niż lżejsze.Tkanki miękkie składają się głównie z lekkich pierwiastków – węgla, wodoru, tlenu itp. – więc nie są wyraźnie widoczne na klasycznym medycznym prześwietleniu rentgenowskim.
Jedną z największych zalet ESRF jest to, że wiązka promieniowania rentgenowskiego jest bardzo spójna: światło rozchodzi się falami, a w przypadku ESRF wszystkie promienie rentgenowskie zaczynają się z tą samą częstotliwością i ustawieniem, stale oscylując niczym pozostawione ślady stóp przez Reika poprzez ogród zen.Kiedy jednak promienie rentgenowskie przechodzą przez obiekt, subtelne różnice w gęstości mogą spowodować, że każdy promień rentgenowski będzie nieznacznie odchylać się od ścieżki, a różnica stanie się łatwiejsza do wykrycia w miarę oddalania się promieni rentgenowskich od obiektu.Te odchylenia mogą ujawnić subtelne różnice w gęstości obiektu, nawet jeśli składa się on z lekkich elementów.
Ale stabilność to inna kwestia.Aby wykonać serię powiększonych zdjęć rentgenowskich, narząd należy unieruchomić w jego naturalnym kształcie, tak aby nie zginał się ani nie poruszał więcej niż o jedną tysięczną milimetra.Co więcej, kolejne zdjęcia rentgenowskie tego samego narządu nie będą do siebie pasować.Nie trzeba jednak dodawać, że ciało może być bardzo elastyczne.
Celem Lee i jego zespołu z UCL było zaprojektowanie pojemników, które byłyby w stanie wytrzymać synchrotronowe promieniowanie rentgenowskie, jednocześnie przepuszczając jak najwięcej fal.Lee zajął się także ogólną organizacją projektu — na przykład szczegółami transportu narządów ludzkich między Niemcami a Francją — i zatrudnił Walsha, który specjalizuje się w biomedycznych dużych zbiorach danych, do pomocy w opracowaniu sposobu analizy skanów.Po powrocie do Francji Taforo pracowało nad udoskonaleniem procedury skanowania i wymyśleniem sposobu przechowywania organów w pojemniku budowanym przez zespół Lee.
Tafforo wiedział, że aby narządy nie uległy rozkładowi, a obrazy były jak najbardziej wyraźne, należy je poddać obróbce kilkoma porcjami wodnego roztworu etanolu.Wiedział również, że musi ustabilizować narząd na czymś, co dokładnie odpowiada gęstości narządu.Jego plan polegał na umieszczeniu narządów w agarze bogatym w etanol, galaretowatej substancji ekstrahowanej z wodorostów.
Jednak diabeł tkwi w szczegółach – podobnie jak w większości krajów Europy, Taforo tkwi w domu i jest zamknięty.Dlatego Taforo przeniósł swoje badania do domowego laboratorium: spędził lata dekorując dawną średniej wielkości kuchnię drukarkami 3D, podstawowym sprzętem chemicznym i narzędziami używanymi do przygotowywania kości zwierzęcych do badań anatomicznych.
Aby dowiedzieć się, jak zrobić agar, Taforo wykorzystał produkty z lokalnego sklepu spożywczego.Zbiera nawet wodę deszczową z niedawno oczyszczonego dachu, aby wytworzyć wodę zdemineralizowaną, standardowy składnik laboratoryjnych receptur agarowych.Aby poćwiczyć pakowanie narządów w agar, pobrał z miejscowej rzeźni jelita wieprzowe.
Taforo uzyskał zgodę na powrót do ESRF w połowie maja w celu przeprowadzenia pierwszego badania obrazowego płuc świń.Od maja do czerwca opracowywał i skanował lewy płat płuca 54-letniego mężczyzny, który zmarł na Covid-19, którego Ackermann i Jonig zabrali z Niemiec do Grenoble.
„Kiedy zobaczyłem pierwsze zdjęcie, w moim e-mailu znajdował się list z przeprosinami do wszystkich osób zaangażowanych w projekt: nie udało nam się i nie mogłem uzyskać wysokiej jakości skanu” – powiedział.„Właśnie wysłałem im dwa zdjęcia, które były dla mnie okropne, ale dla nich świetne”.
Dla Lee z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles obrazy są oszałamiające: obrazy całych narządów są podobne do standardowych medycznych tomografii komputerowej, ale „milion razy zawierają więcej informacji”.To tak, jakby odkrywca przez całe życie badał las, przelatując nad lasem gigantycznym odrzutowcem lub podróżując szlakiem.Teraz szybują nad baldachimem jak ptaki na skrzydłach.
Zespół opublikował swój pierwszy pełny opis podejścia HiP-CT w listopadzie 2021 r., a badacze opublikowali także szczegółowe informacje na temat wpływu COVID-19 na niektóre rodzaje krążenia w płucach.
Skan przyniósł również nieoczekiwaną korzyść: pomógł naukowcom przekonać przyjaciół i rodzinę do zaszczepienia się.W ciężkich przypadkach COVID-19 wiele naczyń krwionośnych w płucach wydaje się rozszerzonych i opuchniętych, a w mniejszym stopniu mogą tworzyć się nieprawidłowe wiązki drobnych naczyń krwionośnych.
„Kiedy patrzysz na strukturę płuc osoby, która zmarła na Covid, nie wygląda to na płuco – to bałagan” – powiedział Tafolo.
Dodał, że nawet w przypadku zdrowych narządów skany ujawniły subtelne cechy anatomiczne, których nigdy nie zarejestrowano, ponieważ żaden organ ludzki nigdy nie był badany tak szczegółowo.Dzięki dofinansowaniu na kwotę ponad 1 miliona dolarów z Chan Zuckerberg Initiative (organizacji non-profit założonej przez dyrektora generalnego Facebooka Marka Zuckerberga i żonę Zuckerberga, lekarkę Priscillę Chan) zespół HiP-CT tworzy obecnie tak zwany atlas narządów ludzkich.
Jak dotąd zespół opublikował skany pięciu narządów – serca, mózgu, nerek, płuc i śledziony – w oparciu o narządy oddane przez Ackermanna i Jonigka podczas sekcji zwłok na obecność wirusa Covid-19 w Niemczech oraz na podstawie organów „kontrolujących” zdrowie LADAF.Laboratorium anatomiczne w Grenoble.Zespół stworzył dane oraz filmy z lotu w oparciu o dane ogólnodostępne w Internecie.Atlas narządów ludzkich szybko się rozrasta: przeskanowano kolejnych 30 narządów, a kolejnych 80 znajduje się na różnych etapach przygotowania.Li powiedział, że z zespołem skontaktowało się prawie 40 różnych grup badawczych, aby dowiedzieć się więcej na temat tego podejścia.
Kardiolog z UCL Cook widzi ogromny potencjał w wykorzystaniu HiP-CT do zrozumienia podstawowej anatomii.Radiolog z UCL Joe Jacob, który specjalizuje się w chorobach płuc, powiedział, że HiP-CT będzie „nieoceniona w zrozumieniu chorób”, zwłaszcza w przypadku struktur trójwymiarowych, takich jak naczynia krwionośne.
Nawet artyści wdali się w bójkę.Barney Steele z londyńskiego kolektywu sztuki eksperymentalnej Marshmallow Laser Feast twierdzi, że aktywnie bada, w jaki sposób dane HiP-CT można eksplorować w immersyjnej rzeczywistości wirtualnej.„Zasadniczo tworzymy podróż po ludzkim ciele” – powiedział.
Jednak pomimo wszystkich obietnic HiP-CT istnieją poważne problemy.Po pierwsze, mówi Walsh, skan HiP-CT generuje „zdumiewającą ilość danych”, wynoszącą terabajt na narząd.Aby umożliwić klinicystom wykorzystanie tych skanów w świecie rzeczywistym, badacze mają nadzieję opracować oparty na chmurze interfejs do nawigacji po nich, taki jak Mapy Google dla ludzkiego ciała.
Musieli także ułatwić przekształcanie skanów w wykonalne modele 3D.Podobnie jak wszystkie metody tomografii komputerowej, HiP-CT działa poprzez pobranie wielu przekrojów 2D danego obiektu i ułożenie ich razem.Nawet dzisiaj większość tego procesu odbywa się ręcznie, zwłaszcza podczas skanowania nieprawidłowych lub chorych tkanek.Lee i Walsh twierdzą, że priorytetem zespołu HiP-CT jest opracowanie metod uczenia maszynowego, które mogą ułatwić to zadanie.
Wyzwania te będą się zwiększać w miarę poszerzania się atlasu narządów ludzkich i zwiększania ambicji badaczy.Zespół HiP-CT korzysta z najnowszego urządzenia wykorzystującego wiązkę ESRF, nazwanego BM18, do dalszego skanowania narządów objętych projektem.BM18 wytwarza większą wiązkę promieniowania rentgenowskiego, co oznacza, że ​​skanowanie zajmuje mniej czasu, a detektor promieni rentgenowskich BM18 można umieścić w odległości do 38 metrów od skanowanego obiektu, dzięki czemu skanowanie jest wyraźniejsze.Wyniki badania BM18 są już bardzo dobre, mówi Taforo, który w nowym systemie przeskanował ponownie niektóre oryginalne próbki z Atlasu narządów ludzkich.
BM18 może również skanować bardzo duże obiekty.Dzięki nowemu obiektowi zespół planuje przeskanować cały tułów ludzkiego ciała za jednym zamachem do końca 2023 roku.
Eksplorując ogromny potencjał tej technologii, Taforo powiedział: „Tak naprawdę jesteśmy dopiero na początku”.
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Wszelkie prawa zastrzeżone.