Nowa technika skanowania tworzy obrazy o dużej szczegółowości, które mogą zrewolucjonizować badania anatomii człowieka.
Kiedy Paul Taforo zobaczył swoje pierwsze eksperymentalne zdjęcia ofiar światła COVID-19, pomyślał, że mu się nie udało.Taforo, z wykształcenia paleontolog, spędził miesiące pracując z zespołami w całej Europie, aby przekształcić akceleratory cząstek we francuskich Alpach w rewolucyjne narzędzia do skanowania medycznego.
To było pod koniec maja 2020 r., a naukowcy chcieli lepiej zrozumieć, w jaki sposób COVID-19 niszczy ludzkie narządy.Taforo otrzymał zlecenie opracowania metody, która mogłaby wykorzystywać promieniowanie rentgenowskie o dużej mocy wytwarzane przez Europejski Ośrodek Promieniowania Synchrotronowego (ESRF) w Grenoble we Francji.Jako naukowiec ESRF przesunął granice wysokorozdzielczych zdjęć rentgenowskich skamielin skalnych i wysuszonych mumii.Teraz przerażała go miękka, lepka masa papierowych ręczników.
Obrazy pokazały im więcej szczegółów niż jakikolwiek medyczny tomograf komputerowy, jaki kiedykolwiek widzieli, co pozwoliło im przezwyciężyć uporczywe luki w sposobie, w jaki naukowcy i lekarze wizualizują i rozumieją ludzkie narządy.„W podręcznikach anatomii, kiedy to widzisz, jest to duża skala, jest to mała skala i są to piękne ręcznie rysowane obrazy z jednego powodu: są to artystyczne interpretacje, ponieważ nie mamy obrazów”, University College London (UCL ) powiedział..Starsza badaczka Claire Walsh powiedziała.„Po raz pierwszy możemy zrobić prawdziwą rzecz”.
Taforo i Walsh są częścią międzynarodowego zespołu składającego się z ponad 30 badaczy, którzy stworzyli nową, potężną technikę skanowania rentgenowskiego, zwaną hierarchiczną tomografią z kontrastem fazowym (HiP-CT).Dzięki niemu mogą w końcu przejść od kompletnego ludzkiego organu do powiększonego widoku najmniejszych naczyń krwionośnych ciała, a nawet pojedynczych komórek.
Ta metoda już teraz zapewnia nowy wgląd w to, jak 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, naukowcy podekscytowani jego potencjałem entuzjastycznie 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 ​​od setek lat badamy anatomię serca, ale nie ma zgody co do normalnej budowy serca, zwłaszcza serca… Komórki mięśniowe i ich zmiany kiedy serce bije”.
„Czekałem przez całą swoją karierę” – powiedział.
Technika HiP-CT rozpoczęła się, gdy dwóch niemieckich patologów rywalizowało w śledzeniu karnych skutków wirusa SARS-CoV-2 na organizm ludzki.
Danny Jonigk, patolog klatki piersiowej ze Szkoły Medycznej w Hanowerze i Maximilian Ackermann, patolog z Uniwersyteckiego Centrum Medycznego w Moguncji, byli w stanie najwyższej gotowości, gdy w Chinach zaczęły się rozprzestrzeniać wieści o niezwykłym przypadku zapalenia płuc.Obaj mieli doświadczenie w leczeniu chorób płuc i od razu wiedzieli, że COVID-19 jest niezwykły.Para była szczególnie zaniepokojona doniesieniami o „cichej hipoksji”, która utrzymywała pacjentów z COVID-19 w stanie czuwania, 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 roku choroba rozprzestrzeniła się na Niemcy, 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 na 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 chorobą ściśle układu oddechowego, ale raczej chorobą naczyniową, która może wpływać na narządy w całym ciele.
„Jeśli przejdziesz przez ciało i wyrównasz wszystkie naczynia krwionośne, pokonasz od 60 000 do 70 000 mil, co stanowi dwukrotność odległości wokół równika” – powiedział Ackermann, patolog z Wuppertalu w Niemczech..Dodał, że gdyby tylko 1 procent tych naczyń krwionośnych został zaatakowany przez wirusa, przepływ krwi i zdolność do wchłaniania tlenu byłyby zagrożone, co mogłoby prowadzić do katastrofalnych konsekwencji 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 widok całych narządów, ale nie mają wystarczająco wysokiej rozdzielczości.Biopsja pozwala naukowcom zbadać próbki tkanek pod mikroskopem, ale uzyskane obrazy przedstawiają tylko niewielką część całego narządu i nie mogą pokazać, jak COVID-19 rozwija się w płucach.A technika żywicy, którą opracował zespół, wymaga rozpuszczenia tkanki, co niszczy próbkę i ogranicza dalsze badania.
„Pod koniec dnia [płuca] dostają tlen, a dwutlenek węgla jest wydalany, ale w tym celu mają tysiące kilometrów naczyń krwionośnych i naczyń włosowatych, bardzo cienko rozmieszczonych… to prawie cud” – powiedział Jonigk, założyciel główny badacz w Niemieckim Centrum Badań Płuc.„Jak więc naprawdę możemy ocenić coś tak złożonego jak COVID-19 bez niszczenia narządów?”
Jonigk i Ackermann potrzebowali czegoś bezprecedensowego: serii zdjęć rentgenowskich tego samego narządu, które pozwoliłyby naukowcom powiększyć części narządu do skali komórkowej.W marcu 2020 roku niemiecki duet skontaktował się ze swoim wieloletnim współpracownikiem Peterem Lee, naukowcem zajmującym się materiałami i przewodniczącym nowych technologii na UCL.Specjalnością Lee jest badanie materiałów biologicznych przy użyciu silnych promieni rentgenowskich, więc jego myśli natychmiast skierowały się w stronę francuskich Alp.
Europejskie Centrum Promieniowania Synchrotronowego znajduje się na trójkątnym skrawku ziemi w północno-zachodniej części Grenoble, gdzie spotykają się dwie rzeki.Obiektem jest akcelerator cząstek, który wysyła elektrony po kołowych orbitach o długości pół mili z prędkością bliską prędkości światła.Gdy te elektrony wirują w kółko, 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 mikrometrów, a nawet nanometrów.Jest często używany do badania materiałów, takich jak stopy i kompozyty, do badania struktury molekularnej białek, a nawet do rekonstrukcji starożytnych skamielin bez oddzielania kamienia od kości.Ackermann, Jonigk i Lee chcieli użyć gigantycznego instrumentu do wykonania najbardziej szczegółowych na świecie zdjęć rentgenowskich ludzkich narządów.
Wejdź do Taforo, którego praca w ESRF przesunęła granice tego, co może zobaczyć skanowanie synchrotronowe.Jego imponujący zestaw sztuczek pozwolił wcześniej naukowcom zajrzeć do jaj dinozaurów i prawie rozciąć mumie, a Taforo niemal natychmiast potwierdził, że synchrotrony mogą teoretycznie dobrze skanować całe płaty płuc.Ale w rzeczywistości skanowanie całych organów ludzkich jest ogromnym wyzwaniem.
Z jednej strony jest problem porównania.Standardowe zdjęcia rentgenowskie tworzą obrazy na podstawie tego, ile promieniowania pochłaniają różne materiały, przy czym cięższe pierwiastki pochłaniają więcej niż lżejsze.Tkanki miękkie składają się głównie z lekkich pierwiastków – węgla, wodoru, tlenu itp. – więc nie widać ich wyraźnie na klasycznym medycznym zdjęciu rentgenowskim.
Jedną z największych zalet ESRF jest to, że jego wiązka promieniowania rentgenowskiego jest bardzo spójna: światło porusza się falami, a w przypadku ESRF wszystkie promienie rentgenowskie zaczynają się z tą samą częstotliwością i ustawieniem, stale oscylując, jak pozostawione ślady stóp przez Reika przez ogród zen.Ale gdy te promienie rentgenowskie przechodzą przez obiekt, subtelne różnice w gęstości mogą powodować, że każde promieniowanie rentgenowskie nieznacznie odchyla się od ścieżki, a różnica staje się łatwiejsza do wykrycia, gdy promienie rentgenowskie oddalają się od obiektu.Te odchylenia mogą ujawnić subtelne różnice gęstości w obiekcie, nawet jeśli składa się on z lekkich elementów.
Ale stabilność to inna kwestia.Aby wykonać serię powiększonych zdjęć rentgenowskich, organ musi być utrwalony w swoim naturalnym kształcie, tak aby nie wyginał się ani nie przesuwał 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.
Lee i jego zespół z UCL dążyli do zaprojektowania pojemników, które byłyby w stanie wytrzymać synchrotronowe promieniowanie rentgenowskie, jednocześnie przepuszczając jak najwięcej fal.Lee zajmował się również 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 ustaleniu, jak analizować skany.Po powrocie do Francji Taforo pracował nad ulepszeniem procedury skanowania i zastanowieniem się, jak przechowywać narząd w pojemniku, który budował zespół Lee.
Tafforo wiedział, że aby narządy nie uległy rozkładowi, a obrazy były jak najbardziej wyraźne, należy je przetworzyć kilkoma porcjami wodnego etanolu.Wiedział również, że musi ustabilizować narząd na czymś, co dokładnie odpowiadało gęstości narządu.Jego plan polegał na umieszczeniu narządów w agarze bogatym w etanol, galaretowatej substancji ekstrahowanej z wodorostów.
Jednak diabeł tkwi w szczegółach – 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.
Taforo wykorzystał produkty z lokalnego sklepu spożywczego, aby dowiedzieć się, jak zrobić agar.Zbiera nawet wodę deszczową z dachu, który niedawno wyczyścił, aby wytworzyć wodę zdemineralizowaną, standardowy składnik agarów laboratoryjnych.Aby poćwiczyć pakowanie narządów w agarze, wziął jelita wieprzowe z miejscowej rzeźni.
Taforo został dopuszczony do powrotu do ESRF w połowie maja na pierwszy testowy skan płuc świń.Od maja do czerwca przygotowywał i skanował lewy płat płuca zmarłego na COVID-19 54-letniego mężczyzny, który Ackermann i Jonig zabrali z Niemiec do Grenoble.
„Kiedy zobaczyłem pierwszy obraz, w moim e-mailu był list z przeprosinami do wszystkich zaangażowanych w projekt: ponieśliśmy porażkę i nie mogłem uzyskać skanu wysokiej jakości” — powiedział.„Właśnie wysłałem im dwa zdjęcia, które były dla mnie okropne, ale dla nich świetne”.
Dla Lee z University of California w Los Angeles obrazy są oszałamiające: obrazy całych organów są podobne do standardowych tomografii medycznej, ale „milion razy więcej informacji”.To tak, jakby odkrywca badał las przez całe życie, albo latając nad lasem gigantycznym odrzutowcem, albo podróżując szlakiem.Teraz szybują ponad baldachimem jak ptaki na skrzydłach.
Zespół opublikował swój pierwszy pełny opis podejścia HiP-CT w listopadzie 2021 r., a naukowcy ujawnili również szczegóły dotyczące 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, aw mniejszym stopniu mogą tworzyć się nieprawidłowe wiązki drobnych naczyń krwionośnych.
„Kiedy patrzysz na strukturę płuca osoby, która zmarła na COVID, nie wygląda to jak płuco – to bałagan” – powiedział Tafolo.
Dodał, że nawet w zdrowych narządach skany ujawniły subtelne cechy anatomiczne, których nigdy nie zarejestrowano, ponieważ żaden organ ludzki nie był nigdy badany tak szczegółowo.Dzięki ponad 1 milionowi dolarów dofinansowania 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.
Do tej pory zespół opublikował skany pięciu narządów – serca, mózgu, nerek, płuc i śledziony – na podstawie narządów oddanych przez Ackermanna i Jonigka podczas sekcji zwłok COVID-19 w Niemczech oraz organu „kontroli” zdrowia LADAF.Laboratorium anatomiczne Grenoble.Zespół stworzył dane oraz filmy z lotu na podstawie danych, które są swobodnie dostępne w Internecie.Atlas narządów ludzkich szybko się rozwija: zeskanowano kolejne 30 organów, a kolejne 80 jest na różnych etapach przygotowań.Li powiedział, że prawie 40 różnych grup badawczych skontaktowało się z zespołem, aby dowiedzieć się więcej o tym podejściu.
Cook, kardiolog z UCL, widzi ogromny potencjał w wykorzystaniu HiP-CT do zrozumienia podstaw anatomii.Radiolog z UCL, Joe Jacob, który specjalizuje się w chorobach płuc, powiedział, że HiP-CT będzie „nieoceniony w zrozumieniu choroby”, zwłaszcza w strukturach trójwymiarowych, takich jak naczynia krwionośne.
Do walki włączyli się nawet artyści.Barney Steele z londyńskiego kolektywu sztuki eksperymentalnej Marshmallow Laser Feast mówi, że aktywnie bada, w jaki sposób dane HiP-CT można eksplorować w wciągającej rzeczywistości wirtualnej.„Zasadniczo tworzymy podróż przez ludzkie ciało” – powiedział.
Ale pomimo wszystkich obietnic HiP-CT, istnieją poważne problemy.Po pierwsze, mówi Walsh, skanowanie HiP-CT generuje „oszałamiającą ilość danych”, z łatwością terabajt na narząd.Aby umożliwić klinicystom korzystanie z tych skanów w prawdziwym świecie, naukowcy mają nadzieję opracować oparty na chmurze interfejs do nawigacji po nich, taki jak Google Maps dla ludzkiego ciała.
Musieli także ułatwić konwertowanie skanów na działające modele 3D.Podobnie jak wszystkie metody tomografii komputerowej, HiP-CT działa na zasadzie pobierania wielu dwuwymiarowych przekrojów danego obiektu i układania ich razem.Nawet dzisiaj większość tego procesu jest wykonywana ręcznie, zwłaszcza podczas skanowania nieprawidłowej lub chorej tkanki.Lee i Walsh twierdzą, że priorytetem zespołu HiP-CT jest opracowanie metod uczenia maszynowego, które mogą ułatwić to zadanie.
Wyzwania te będą się rozszerzać wraz z rozwojem atlasu narządów ludzkich i wzrostem ambicji badaczy.Zespół HiP-CT używa najnowszego urządzenia wiązki ESRF, nazwanego BM18, do dalszego skanowania organów projektu.BM18 wytwarza większą wiązkę promieniowania rentgenowskiego, co oznacza, że ​​skanowanie zajmuje mniej czasu, a detektor promieniowania rentgenowskiego BM18 można umieścić w odległości do 125 stóp (38 metrów) od skanowanego obiektu, dzięki czemu skanowanie jest wyraźniejsze.Wyniki BM18 są już bardzo dobre, mówi Taforo, który ponownie zeskanował niektóre z oryginalnych próbek Atlasu Organów Ludzkich w nowym systemie.
BM18 może również skanować bardzo duże obiekty.Dzięki nowemu obiektowi zespół planuje zeskanować cały tułów ludzkiego ciała za jednym zamachem do końca 2023 roku.
Badając ogromny potencjał technologii, Taforo powiedział: „Jesteśmy naprawdę dopiero na początku”.
© 2015-2022 Partnerzy National Geographic, LLC.Wszelkie prawa zastrzeżone.