Nova tehnika skeniranja ustvarja slike z veliko podrobnostmi, ki bi lahko spremenile preučevanje človeške anatomije.
Ko je Paul Taforo videl svoje prve poskusne slike svetlobnih žrtev COVID-19, je mislil, da mu ni uspelo.Po izobrazbi paleontolog je Taforo mesece delal z ekipami po vsej Evropi, da bi pospeševalnike delcev v francoskih Alpah spremenili v revolucionarna orodja za medicinsko skeniranje.
Bilo je konec maja 2020 in znanstveniki so si želeli bolje razumeti, kako COVID-19 uničuje človeške organe.Taforo je dobil naročilo za razvoj metode, ki bi lahko uporabila rentgenske žarke visoke moči, ki jih proizvaja Evropski obrat za sinhrotronsko sevanje (ESRF) v Grenoblu v Franciji.Kot znanstvenik ESRF je premaknil meje rentgenskih žarkov visoke ločljivosti kamnitih fosilov in posušenih mumij.Zdaj se je bal mehke, lepljive mase papirnatih brisač.
Slike so jim pokazale več podrobnosti kot kateri koli medicinski CT, ki so jih kdaj videli, kar jim je omogočilo premagati trdovratne vrzeli v tem, kako si znanstveniki in zdravniki predstavljajo in razumejo človeške organe."Ko ga vidite v učbenikih anatomije, je v velikem ali majhnem merilu in so čudovite ročno narisane slike iz enega razloga: so umetniške interpretacije, ker nimamo slik," University College London (UCL ) rekel..Višja raziskovalka Claire Walsh je dejala."Prvič lahko naredimo pravo stvar."
Taforo in Walsh sta del mednarodne ekipe več kot 30 raziskovalcev, ki so ustvarili zmogljivo novo tehniko skeniranja rentgenskih žarkov, imenovano Hierarchical Phase Contrast Tomography (HiP-CT).Z njim lahko končno preidejo od celotnega človeškega organa do povečanega pogleda najmanjših telesnih žil ali celo posameznih celic.
Ta metoda že ponuja nov vpogled v to, kako COVID-19 poškoduje in preoblikuje krvne žile v pljučih.Čeprav je njegove dolgoročne obete težko določiti, ker še nikoli ni obstajalo nič podobnega HiP-CT, raziskovalci, navdušeni nad njegovim potencialom, navdušeno predvidevajo nove načine za razumevanje bolezni in preslikavo človeške anatomije z natančnejšim topografskim zemljevidom.
Kardiolog Andrew Cooke z UCL je dejal: »Večina ljudi je morda presenečena, da anatomijo srca proučujemo že stotine let, vendar ni soglasja o normalni strukturi srca, še posebej srca … Mišične celice in kako se spreminja ko srce bije."
"Čakal sem vso svojo kariero," je dejal.
Tehnika HiP-CT se je začela, ko sta dva nemška patologa tekmovala v sledenju kaznovalnih učinkov virusa SARS-CoV-2 na človeško telo.
Danny Jonigk, torakalni patolog na Medicinski fakulteti v Hannovru, in Maximilian Ackermann, patolog na Univerzitetnem kliničnem centru Mainz, sta bila v stanju pripravljenosti, ko so se na Kitajskem začele širiti novice o nenavadnem primeru pljučnice.Oba sta imela izkušnje z zdravljenjem pljučnih bolezni in sta takoj vedela, da je COVID-19 nenavaden.Par je bil še posebej zaskrbljen zaradi poročil o »tihi hipoksiji«, zaradi katere so bolniki s COVID-19 ostali budni, a je povzročila padec ravni kisika v krvi.
Ackermann in Jonig domnevata, da SARS-CoV-2 nekako napade krvne žile v pljučih.Ko se je bolezen marca 2020 razširila v Nemčijo, je par začel z obdukcijo žrtev COVID-19.Kmalu so preizkusili svojo vaskularno hipotezo z vbrizgavanjem smole v vzorce tkiva in nato raztapljanjem tkiva v kislini, pri čemer so pustili natančen model prvotne vaskulature.
S to tehniko sta Ackermann in Jonigk primerjala tkiva ljudi, ki niso umrli zaradi COVID-19, s tkivi ljudi, ki so umrli.Takoj so videli, da so bile pri žrtvah COVID-19 najmanjše krvne žile v pljučih zvite in rekonstruirane.Ti prelomni rezultati, objavljeni na spletu maja 2020, kažejo, da COVID-19 ni izključno bolezen dihal, temveč vaskularna bolezen, ki lahko prizadene organe po vsem telesu.
"Če greste skozi telo in poravnate vse krvne žile, dobite 60.000 do 70.000 milj, kar je dvakratna razdalja okoli ekvatorja," je dejal Ackermann, patolog iz Wuppertala v Nemčiji..Dodal je, da če bi virus napadel samo 1 odstotek teh krvnih žil, bi bila ogrožena pretok krvi in ​​sposobnost absorpcije kisika, kar bi lahko imelo uničujoče posledice za celoten organ.
Ko sta Jonigk in Ackermann spoznala vpliv COVID-19 na krvne žile, sta spoznala, da morata bolje razumeti škodo.
Medicinski rentgenski posnetki, kot je CT, lahko zagotovijo pogled na celotne organe, vendar niso dovolj visoke ločljivosti.Biopsija omogoča znanstvenikom, da pregledajo vzorce tkiva pod mikroskopom, vendar nastale slike predstavljajo le majhen del celotnega organa in ne morejo pokazati, kako se COVID-19 razvija v pljučih.Tehnika smole, ki jo je razvila ekipa, zahteva raztapljanje tkiva, kar uniči vzorec in omejuje nadaljnje raziskave.
"Na koncu dneva [pljuča] dobijo kisik in ogljikov dioksid gre ven, a za to ima na tisoče kilometrov krvnih žil in kapilar, zelo tanko razporejenih ... to je skoraj čudež," je dejal Jonigk, ustanovitelj glavni raziskovalec nemškega raziskovalnega centra za pljuča."Kako lahko torej resnično ocenimo nekaj tako zapletenega, kot je COVID-19, ne da bi uničili organe?"
Jonigk in Ackermann sta potrebovala nekaj brez primere: serijo rentgenskih posnetkov istega organa, ki bi raziskovalcem omogočila povečanje delov organa na celično merilo.Marca 2020 je nemški dvojec stopil v stik s svojim dolgoletnim sodelavcem Petrom Leejem, znanstvenikom za materiale in predsednikom nastajajočih tehnologij na UCL.Leejeva posebnost je preučevanje bioloških materialov z uporabo močnih rentgenskih žarkov, zato so se njegove misli takoj obrnile k francoskim Alpam.
Evropski center za sinhrotronsko sevanje se nahaja na trikotnem ozemlju v severozahodnem delu Grenobla, kjer se srečata dve reki.Predmet je pospeševalnik delcev, ki pošilja elektrone v pol milje dolge krožne orbite s skoraj svetlobno hitrostjo.Ko se ti elektroni vrtijo v krogih, močni magneti v orbiti ukrivijo tok delcev, kar povzroči, da elektroni oddajajo nekaj najsvetlejših rentgenskih žarkov na svetu.
To močno sevanje omogoča ESRF, da vohuni za predmeti na mikrometrski ali celo nanometrski lestvici.Pogosto se uporablja za preučevanje materialov, kot so zlitine in kompoziti, za preučevanje molekularne strukture beljakovin in celo za rekonstrukcijo starodavnih fosilov brez ločevanja kamna od kosti.Ackermann, Jonigk in Lee so želeli uporabiti velikanski instrument za najbolj podrobne rentgenske posnetke človeških organov na svetu.
Vnesite Taforo, katerega delo pri ESRF je premaknilo meje tega, kar lahko vidi sinhrotronsko skeniranje.Njegov impresiven nabor trikov je znanstvenikom že prej omogočil, da so pokukali v notranjost dinozavrovih jajc in skoraj razrezali mumije, in skoraj takoj je Taforo potrdil, da bi lahko sinhrotroni teoretično dobro skenirali celotne pljučne mešičke.Toda v resnici je skeniranje celotnih človeških organov velik izziv.
Na eni strani je problem primerjave.Standardni rentgenski žarki ustvarjajo slike glede na to, koliko sevanja absorbirajo različni materiali, pri čemer težji elementi absorbirajo več kot lažji.Mehka tkiva so večinoma sestavljena iz lahkih elementov – ogljika, vodika, kisika itd. – zato na klasičnem medicinskem rentgenu niso jasno vidna.
Ena od odličnih stvari pri ESRF je, da je njegov žarek rentgenskih žarkov zelo koherenten: svetloba potuje v valovih in v primeru ESRF se vsi njegovi rentgenski žarki začnejo z isto frekvenco in poravnavo ter nenehno nihajo, kot bi ostali odtisi. Reik skozi zen vrt.Toda ko ti rentgenski žarki prehajajo skozi predmet, lahko subtilne razlike v gostoti povzročijo, da vsak rentgenski žarek nekoliko odstopa od poti, razliko pa postane lažje zaznati, ko se rentgenski žarki oddaljujejo od predmeta.Ta odstopanja lahko razkrijejo subtilne razlike v gostoti znotraj predmeta, tudi če je sestavljen iz lahkih elementov.
Toda stabilnost je drugo vprašanje.Za serijo povečanih rentgenskih posnetkov mora biti organ fiksiran v svoji naravni obliki, tako da se ne upogne ali premakne za več kot tisočinko milimetra.Poleg tega se zaporedni rentgenski posnetki istega organa ne bodo ujemali.Ni pa treba posebej poudarjati, da je telo lahko zelo prilagodljivo.
Lee in njegova ekipa na UCL sta si prizadevala oblikovati posode, ki bi lahko prenesle sinhrotronske rentgenske žarke, hkrati pa prepuščale čim več valov.Lee je skrbel tudi za celotno organizacijo projekta – na primer za podrobnosti prevoza človeških organov med Nemčijo in Francijo – in je najel Walsha, ki je specializiran za biomedicinske velike podatke, da bi pomagal ugotoviti, kako analizirati skeniranje.Nazaj v Franciji je Taforo delo vključevalo izboljšanje postopka skeniranja in ugotovitev, kako shraniti organ v posodo, ki jo je gradila Leejeva ekipa.
Tafforo je vedel, da jih je treba obdelati z več porcijami vodnega etanola, da se organi ne razgradijo in da so slike čim bolj jasne.Vedel je tudi, da mora stabilizirati organ na nečem, kar natančno ustreza gostoti organa.Njegov načrt je bil nekako postaviti organe v agar, bogat z etanolom, želeju podobno snov, pridobljeno iz morskih alg.
Vendar se hudič skriva v podrobnostih – tako kot v večini Evrope je tudi Taforo obtičal doma in zaprt.Tako je Taforo svoje raziskave preselil v domači laboratorij: leta je okrasil nekdanjo srednje veliko kuhinjo s 3D-tiskalniki, osnovno kemijsko opremo in orodji, ki se uporabljajo za pripravo živalskih kosti za anatomske raziskave.
Taforo je uporabil izdelke iz lokalne trgovine z živili, da je ugotovil, kako narediti agar.Zbira celo meteorno vodo s strehe, ki jo je pred kratkim očistil, da bi naredil demineralizirano vodo, standardno sestavino v formulah laboratorijskega agarja.Da bi vadil pakiranje organov v agar, je vzel prašičja čreva iz lokalne klavnice.
Taforo je dobil dovoljenje, da se vrne v ESRF sredi maja za prvo testno slikanje pljuč prašičev.Od maja do junija je pripravljal in skeniral levi pljučni reženj 54-letnega moškega, ki je umrl zaradi COVID-19, in ki sta ga Ackermann in Jonig odpeljala iz Nemčije v Grenoble.
"Ko sem videl prvo sliko, je bilo v mojem e-poštnem sporočilu opravičilo vsem, ki so sodelovali pri projektu: nismo uspeli in nisem mogel dobiti visokokakovostnega skeniranja," je dejal."Pravkar sem jim poslal dve sliki, ki sta bili zame grozljivi, a odlični za njih."
Za Leeja s kalifornijske univerze v Los Angelesu so slike osupljive: slike celih organov so podobne standardnim medicinskim CT-pregledom, a »milijonkrat bolj informativne«.Kot da bi raziskovalec vse življenje preučeval gozd, bodisi letel nad gozdom v orjaškem reaktivnem letalu bodisi potoval po poti.Zdaj lebdijo nad krošnjami kot ptice na krilih.
Ekipa je svoj prvi popoln opis pristopa HiP-CT objavila novembra 2021, raziskovalci pa so objavili tudi podrobnosti o tem, kako COVID-19 vpliva na nekatere vrste krvnega obtoka v pljučih.
Pregled je imel tudi nepričakovano korist: raziskovalcem je pomagal prepričati prijatelje in družino, naj se cepijo.V hudih primerih COVID-19 so številne krvne žile v pljučih videti razširjene in otekle, v manjši meri pa lahko nastanejo nenormalni snopi drobnih krvnih žil.
"Ko pogledate strukturo pljuč osebe, ki je umrla zaradi COVID-a, ni videti kot pljuča - zmešnjava je," je dejal Tafolo.
Dodal je, da so skeniranja tudi pri zdravih organih razkrila subtilne anatomske značilnosti, ki niso bile nikoli zabeležene, ker še noben človeški organ ni bil tako podrobno pregledan.Z več kot 1 milijonom dolarjev sredstev pobude Chan Zuckerberg (neprofitna organizacija, ki sta jo ustanovila izvršni direktor Facebooka Mark Zuckerberg in Zuckerbergova žena, zdravnica Priscilla Chan), ekipa HiP-CT trenutno ustvarja tako imenovani atlas človeških organov.
Doslej je ekipa objavila posnetke petih organov – srca, možganov, ledvic, pljuč in vranice – na podlagi organov, ki sta jih podarila Ackermann in Jonigk med obdukcijo COVID-19 v Nemčiji, in organa za »nadzor« zdravja LADAF.Anatomski laboratorij v Grenoblu.Ekipa je izdelala podatke in filme letenja na podlagi podatkov, ki so prosto dostopni na internetu.Atlas človeških organov se hitro širi: skeniranih je še 30 organov, še 80 pa jih je v različnih fazah priprave.Skoraj 40 različnih raziskovalnih skupin je kontaktiralo ekipo, da bi izvedeli več o pristopu, je dejal Li.
Kardiolog Cook iz UCL vidi velik potencial v uporabi HiP-CT za razumevanje osnovne anatomije.Radiolog Joe Jacob iz UCL, ki je specializiran za pljučne bolezni, je dejal, da bo HiP-CT "neprecenljiv za razumevanje bolezni", zlasti v tridimenzionalnih strukturah, kot so krvne žile.
Tudi umetniki so se spustili v boj.Barney Steele iz londonskega kolektiva izkustvene umetnosti Marshmallow Laser Feast pravi, da aktivno raziskuje, kako je mogoče podatke HiP-CT raziskati v poglobljeni virtualni resničnosti."V bistvu ustvarjamo potovanje skozi človeško telo," je dejal.
Toda kljub vsem obljubam HiP-CT obstajajo resne težave.Prvič, pravi Walsh, HiP-CT skeniranje ustvari "osupljivo količino podatkov", preprosto terabajt na organ.Da bi klinikom omogočili uporabo teh skeniranj v resničnem svetu, raziskovalci upajo, da bodo razvili vmesnik v oblaku za navigacijo po njih, kot je Google Maps za človeško telo.
Prav tako so morali olajšati pretvorbo skenov v delujoče 3D modele.Kot vse metode CT skeniranja, HiP-CT deluje tako, da vzame veliko 2D rezin danega predmeta in jih zloži skupaj.Tudi danes se večina tega postopka izvaja ročno, zlasti pri skeniranju nenormalnega ali obolelega tkiva.Lee in Walsh pravita, da je prednostna naloga ekipe HiP-CT razviti metode strojnega učenja, ki lahko olajšajo to nalogo.
Ti izzivi se bodo razširili, ko se bo razširil atlas človeških organov in bodo raziskovalci postali bolj ambiciozni.Ekipa HiP-CT uporablja najnovejšo žarkovno napravo ESRF, imenovano BM18, za nadaljevanje skeniranja organov projekta.BM18 proizvaja večji žarek rentgenskih žarkov, kar pomeni, da skeniranje traja manj časa, detektor rentgenskih žarkov BM18 pa lahko postavite do 38 metrov stran od predmeta, ki ga skenirate, zaradi česar je skeniranje jasnejše.Rezultati BM18 so že zelo dobri, pravi Taforo, ki je ponovno skeniral nekaj originalnih vzorcev atlasa človeških organov na novem sistemu.
BM18 lahko skenira tudi zelo velike predmete.Z novim objektom ekipa načrtuje skeniranje celotnega trupa človeškega telesa v enem zamahu do konca leta 2023.
Taforo je ob raziskovanju ogromnega potenciala tehnologije dejal: "V resnici smo šele na začetku."
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Vse pravice pridržane.