Нова техника за сканиране създава изображения с много детайли, които биха могли да революционизират изучаването на човешката анатомия.
Когато Пол Тафоро видя първите си експериментални изображения на леки жертви на COVID-19, той си помисли, че се е провалил.Палеонтолог по образование, Тафоро прекарва месеци в работа с екипи в цяла Европа, за да превърне ускорителите на частици във Френските Алпи в революционни инструменти за медицинско сканиране.
Беше в края на май 2020 г. и учените бяха нетърпеливи да разберат по-добре как COVID-19 разрушава човешките органи.На Taforo беше възложено да разработи метод, който може да използва рентгеновите лъчи с висока мощност, произведени от Европейското съоръжение за синхротронно лъчение (ESRF) в Гренобъл, Франция.Като учен от ESRF, той разшири границите на рентгеновите снимки с висока разделителна способност на скални вкаменелости и изсушени мумии.Сега се ужасяваше от меката, лепкава маса хартиени кърпи.
Изображенията им показаха повече подробности от всяко медицинско компютърно сканиране, което някога са виждали, което им позволи да преодолеят упоритите пропуски в начина, по който учените и лекарите визуализират и разбират човешките органи.„В учебниците по анатомия, когато го видите, то е голям мащаб, това е малък мащаб и те са красиви ръчно нарисувани изображения по една причина: те са художествени интерпретации, защото ние нямаме изображения“, University College London (UCL ) казах..Старши изследовател Клеър Уолш каза.„За първи път можем да направим истинското нещо.“
Тафоро и Уолш са част от международен екип от повече от 30 изследователи, които са създали мощна нова рентгенова сканираща техника, наречена йерархична фазово-контрастна томография (HiP-CT).С него те най-накрая могат да преминат от цял ​​човешки орган към увеличен изглед на най-малките кръвоносни съдове на тялото или дори на отделни клетки.
Този метод вече дава нова представа за това как COVID-19 уврежда и премоделира кръвоносните съдове в белите дробове.Въпреки че неговите дългосрочни перспективи са трудни за определяне, тъй като нищо подобно на HiP-CT не е съществувало досега, изследователите, развълнувани от неговия потенциал, ентусиазирано предвиждат нови начини за разбиране на болестта и картографиране на човешката анатомия с по-точна топографска карта.
Кардиологът от UCL Андрю Кук каза: „Повечето хора може да са изненадани, че изучаваме анатомията на сърцето от стотици години, но няма консенсус относно нормалната структура на сърцето, особено сърцето... Мускулните клетки и как се променя когато сърцето бие."
„Чаках през цялата си кариера“, каза той.
Техниката HiP-CT започна, когато двама германски патолози се състезаваха да проследят наказателните ефекти на вируса SARS-CoV-2 върху човешкото тяло.
Дани Йонигк, торакален патолог в Медицинското училище в Хановер, и Максимилиан Акерман, патолог в Университетския медицински център Майнц, бяха нащрек, когато новината за необичайния случай на пневмония започна да се разпространява в Китай.И двамата имаха опит в лечението на белодробни заболявания и веднага разбраха, че COVID-19 е необичаен.Двойката беше особено загрижена за съобщенията за „тиха хипоксия“, която държеше пациентите с COVID-19 будни, но причиняваше рязък спад на нивата на кислород в кръвта им.
Акерман и Йониг подозират, че SARS-CoV-2 по някакъв начин атакува кръвоносните съдове в белите дробове.Когато болестта се разпространи в Германия през март 2020 г., двойката започна аутопсии на жертви на COVID-19.Те скоро тестваха съдовата си хипотеза, като инжектираха смола в тъканни проби и след това разтваряха тъканта в киселина, оставяйки точен модел на оригиналната васкулатура.
Използвайки тази техника, Акерман и Йонигк сравняват тъкани от хора, които не са починали от COVID-19, с тези от хора, които са починали.Те веднага видяха, че при жертвите на COVID-19 най-малките кръвоносни съдове в белите дробове са усукани и реконструирани.Тези забележителни резултати, публикувани онлайн през май 2020 г., показват, че COVID-19 не е стриктно респираторно заболяване, а по-скоро съдово заболяване, което може да засегне органи в цялото тяло.
„Ако преминете през тялото и подредите всички кръвоносни съдове, получавате 60 000 до 70 000 мили, което е два пъти разстоянието около екватора“, каза Акерман, патолог от Вупертал, Германия..Той добави, че ако само 1 процент от тези кръвоносни съдове бъдат атакувани от вируса, кръвният поток и способността за усвояване на кислород ще бъдат компрометирани, което може да доведе до опустошителни последици за целия орган.
След като Jonigk и Ackermann осъзнаха въздействието на COVID-19 върху кръвоносните съдове, те осъзнаха, че трябва да разберат по-добре щетите.
Медицинските рентгенови лъчи, като компютърна томография, могат да предоставят изгледи на цели органи, но те не са с достатъчно висока разделителна способност.Биопсията позволява на учените да изследват тъканни проби под микроскоп, но получените изображения представляват само малка част от целия орган и не могат да покажат как COVID-19 се развива в белите дробове.А техниката със смола, разработена от екипа, изисква разтваряне на тъканта, което унищожава пробата и ограничава по-нататъшните изследвания.
„В края на деня [белите дробове] получават кислород и въглеродният диоксид излиза, но за това има хиляди мили кръвоносни съдове и капиляри, много тънко разположени… това е почти чудо“, каза Йонигк, основател главен изследовател в Германския център за белодробни изследвания.„И така, как можем наистина да оценим нещо толкова сложно като COVID-19, без да унищожаваме органи?“
Jonigk и Ackermann се нуждаеха от нещо безпрецедентно: поредица от рентгенови лъчи на един и същ орган, които биха позволили на изследователите да увеличат части от органа до клетъчен мащаб.През март 2020 г. германското дуо се свърза с дългогодишния си сътрудник Питър Лий, учен по материали и председател на нововъзникващите технологии в UCL.Специалността на Лий е изследването на биологични материали с помощта на мощни рентгенови лъчи, така че мислите му веднага се насочиха към френските Алпи.
Европейският център за синхротронно лъчение се намира на триъгълно парче земя в северозападната част на Гренобъл, където се срещат две реки.Обектът е ускорител на частици, който изпраща електрони в кръгови орбити с дължина половин миля с почти скоростта на светлината.Докато тези електрони се въртят в кръгове, мощни магнити в орбита деформират потока от частици, карайки електроните да излъчват едни от най-ярките рентгенови лъчи в света.
Това мощно излъчване позволява на ESRF да шпионира обекти в микрометрова или дори нанометрова скала.Често се използва за изследване на материали като сплави и композити, за изследване на молекулярната структура на протеини и дори за реконструиране на древни вкаменелости, без да се отделя камък от кост.Акерман, Йонигк и Лий искаха да използват гигантския инструмент, за да направят най-подробните в света рентгенови снимки на човешки органи.
Въведете Taforo, чиято работа в ESRF разшири границите на това, което може да се види със синхротронно сканиране.Неговият впечатляващ набор от трикове преди това позволи на учените да надникнат в яйцата на динозаврите и почти да разрежат мумии и почти веднага Тафоро потвърди, че синхротроните теоретично могат да сканират добре цели белодробни дялове.Но всъщност сканирането на цели човешки органи е огромно предизвикателство.
От една страна стои проблемът със сравнението.Стандартните рентгенови лъчи създават изображения въз основа на това колко радиация абсорбират различните материали, като по-тежките елементи абсорбират повече от по-леките.Меките тъкани са изградени предимно от леки елементи - въглерод, водород, кислород и т.н. - така че не се показват ясно на класическа медицинска рентгенова снимка.
Едно от страхотните неща за ESRF е, че неговият рентгенов лъч е много кохерентен: светлината се движи на вълни, а в случая на ESRF всичките му рентгенови лъчи започват с еднаква честота и подравняване, постоянно осцилирайки, като оставени отпечатъци от Рейк през дзен градина.Но докато тези рентгенови лъчи преминават през обекта, фините разлики в плътността могат да накарат всеки рентгенов лъч да се отклони леко от пътя и разликата става по-лесна за откриване, когато рентгеновите лъчи се отдалечават от обекта.Тези отклонения могат да разкрият фини разлики в плътността в даден обект, дори ако той е съставен от леки елементи.
Но стабилността е друг въпрос.За да се направи серия от увеличени рентгенови снимки, органът трябва да бъде фиксиран в естествената си форма, така че да не се огъва или да се движи повече от една хилядна от милиметъра.Освен това последователните рентгенови лъчи на един и същи орган няма да съвпадат.Излишно е да казвам обаче, че тялото може да бъде много гъвкаво.
Лий и неговият екип в UCL имаха за цел да проектират контейнери, които да издържат на синхротронни рентгенови лъчи, като същевременно пропускат възможно най-много вълни.Лий също се занимаваше с цялостната организация на проекта - например подробностите за транспортирането на човешки органи между Германия и Франция - и нае Уолш, който е специалист в биомедицинските големи данни, за да помогне да се разбере как да се анализират сканиранията.Обратно във Франция, работата на Тафоро включваше подобряване на процедурата за сканиране и измисляне как да се съхранява органът в контейнера, който екипът на Лий изграждаше.
Тафоро знаеше, че за да не се разлагат органите и изображенията да са възможно най-ясни, те трябва да бъдат обработени с няколко порции воден етанол.Той също знаеше, че трябва да стабилизира органа върху нещо, което точно съответства на плътността на органа.Планът му беше по някакъв начин да постави органите в богат на етанол агар, подобно на желе вещество, извлечено от морски водорасли.
Дяволът обаче е в детайлите – както в по-голямата част от Европа, Тафоро е затворен вкъщи и затворен.Така Тафоро премести изследванията си в домашна лаборатория: той прекара години в декориране на бивша средно голяма кухня с 3D принтери, основно оборудване за химия и инструменти, използвани за подготовка на животински кости за анатомични изследвания.
Taforo използва продукти от местния магазин за хранителни стоки, за да разбере как да направи агар.Той дори събира дъждовна вода от покрив, който наскоро почисти, за да направи деминерализирана вода, стандартна съставка във формули за лабораторни агари.За да практикува опаковане на органи в агар, той взел свински черва от местна кланица.
Taforo получи разрешение да се върне в ESRF в средата на май за първото тестово сканиране на белите дробове на прасета.От май до юни той подготви и сканира левия белодробен лоб на 54-годишен мъж, починал от COVID-19, който Акерман и Йониг отнесоха от Германия в Гренобъл.
„Когато видях първото изображение, в имейла ми имаше извинително писмо до всички, участващи в проекта: не успяхме и не можах да получа висококачествено сканиране“, каза той.„Току-що им изпратих две снимки, които бяха ужасни за мен, но страхотни за тях.“
За Лий от Калифорнийския университет, Лос Анджелис, изображенията са зашеметяващи: изображенията на цели органи са подобни на стандартните медицински компютърни томографии, но „милион пъти по-информативни“.Сякаш изследователят е изучавал гората през целия си живот, или летейки над гората в гигантски реактивен самолет, или пътувайки по пътеката.Сега те се реят над балдахина като птици на криле.
Екипът публикува първото си пълно описание на подхода HiP-CT през ноември 2021 г. и изследователите също така публикуваха подробности за това как COVID-19 засяга определени видове циркулация в белите дробове.
Сканирането имаше и неочаквана полза: помогна на изследователите да убедят приятели и семейство да се ваксинират.При тежки случаи на COVID-19 много кръвоносни съдове в белите дробове изглеждат разширени и подути и в по-малка степен могат да се образуват необичайни снопове от малки кръвоносни съдове.
„Когато погледнете структурата на белия дроб на човек, починал от COVID, той не изглежда като бял дроб – това е бъркотия“, каза Тафоло.
Той добави, че дори при здрави органи сканирането разкрива фини анатомични характеристики, които никога не са били записвани, тъй като никой човешки орган никога не е бил изследван толкова подробно.С над 1 милион долара финансиране от Chan Zuckerberg Initiative (организация с нестопанска цел, основана от изпълнителния директор на Facebook Марк Зукърбърг и съпругата на Зукърбърг, лекарката Присила Чан), екипът на HiP-CT в момента създава това, което се нарича атлас на човешки органи.
Досега екипът е публикувал сканирания на пет органа – сърце, мозък, бъбреци, бели дробове и далак – въз основа на органите, дарени от Акерман и Йонигк по време на тяхната аутопсия на COVID-19 в Германия, и органа за „контрол“ на здравето LADAF.Анатомична лаборатория в Гренобъл.Екипът изготви данните, както и филми за полети, въз основа на данни, които са свободно достъпни в Интернет.Атласът на човешките органи бързо се разширява: още 30 органа са сканирани, а други 80 са на различни етапи на подготовка.Близо 40 различни изследователски групи се свързаха с екипа, за да научат повече за подхода, каза Ли.
Кардиологът от UCL Кук вижда голям потенциал в използването на HiP-CT за разбиране на основната анатомия.Рентгенологът на UCL Джо Джейкъб, който специализира в белодробни заболявания, каза, че HiP-CT ще бъде „безценен за разбирането на болестта“, особено в триизмерни структури като кръвоносните съдове.
Дори артистите се включиха в битката.Барни Стийл от базирания в Лондон екип за експериментално изкуство Marshmallow Laser Feast казва, че активно проучва как HiP-CT данните могат да бъдат изследвани в потапяща виртуална реалност.„По същество ние създаваме пътуване през човешкото тяло“, каза той.
Но въпреки всички обещания на HiP-CT, има сериозни проблеми.Първо, казва Уолш, HiP-CT сканирането генерира „зашеметяващо количество данни“, лесно терабайт на орган.За да позволят на клиницистите да използват тези сканирания в реалния свят, изследователите се надяват да разработят облачен интерфейс за навигация в тях, като Google Maps за човешкото тяло.
Те също трябваше да улеснят конвертирането на сканирания в работещи 3D модели.Подобно на всички методи за CT сканиране, HiP-CT работи, като взема много 2D срезове на даден обект и ги подрежда заедно.Дори днес голяма част от този процес се извършва ръчно, особено при сканиране на анормална или болна тъкан.Лий и Уолш казват, че приоритетът на екипа на HiP-CT е да разработи методи за машинно обучение, които могат да улеснят тази задача.
Тези предизвикателства ще се разширяват, тъй като атласът на човешките органи се разширява и изследователите стават по-амбициозни.Екипът на HiP-CT използва най-новото ESRF лъчево устройство, наречено BM18, за да продължи да сканира органите на проекта.BM18 произвежда по-голям рентгенов лъч, което означава, че сканирането отнема по-малко време, а рентгеновият детектор BM18 може да бъде поставен на разстояние до 125 фута (38 метра) от обекта, който се сканира, което прави сканирането по-ясно.Резултатите от BM18 вече са много добри, казва Тафоро, който е сканирал отново някои от оригиналните проби от атласа на човешки органи на новата система.
BM18 може да сканира и много големи обекти.С новото съоръжение екипът планира да сканира целия торс на човешкото тяло с един замах до края на 2023 г.
Изследвайки огромния потенциал на технологията, Тафоро каза: „Наистина сме едва в началото.“
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Всички права запазени.