Нова техніка сканування створює зображення з великою деталізацією, які можуть революціонізувати вивчення анатомії людини.
Коли Пол Тафоро побачив свої перші експериментальні зображення легких жертв COVID-19, він подумав, що зазнав невдачі.Палеонтолог за освітою, Тафоро кілька місяців працював з командами по всій Європі, щоб перетворити прискорювачі елементарних частинок у Французьких Альпах на революційні медичні інструменти сканування.
Це було наприкінці травня 2020 року, і вчені дуже хотіли краще зрозуміти, як COVID-19 руйнує органи людини.Тафоро було доручено розробити метод, який міг би використовувати потужне рентгенівське випромінювання, вироблене Європейським центром синхротронного випромінювання (ESRF) у Греноблі, Франція.Як науковець ESRF, він розширив межі рентгенівських знімків високої роздільної здатності скам’янілостей гірських порід і висушених мумій.Тепер він жахався м’якої липкої маси паперових рушників.
Зображення показали їм більше деталей, ніж будь-яке медичне комп’ютерне сканування, яке вони бачили раніше, що дозволило їм подолати вперті прогалини в тому, як вчені та лікарі візуалізують і розуміють органи людини.«Коли ви бачите це в підручниках з анатомії, то у великому масштабі, то в маленькому масштабі, і це красиві мальовані зображення з однієї причини: це художня інтерпретація, оскільки ми не маємо зображень», – Університетський коледж Лондона (UCL). ) сказав..Сказала старший науковий співробітник Клер Волш.«Вперше ми можемо робити справжню справу».
Тафоро та Волш є частиною міжнародної групи з понад 30 дослідників, які створили нову потужну техніку рентгенівського сканування під назвою ієрархічна фазово-контрастна томографія (HiP-CT).З його допомогою вони нарешті можуть перейти від повного органу людини до збільшеного зображення найдрібніших кровоносних судин тіла або навіть окремих клітин.
Цей метод уже дає нове розуміння того, як COVID-19 пошкоджує та реконструює кровоносні судини в легенях.Хоча його довгострокові перспективи важко визначити, оскільки нічого подібного до HiP-CT ніколи не існувало, дослідники, схвильовані його потенціалом, з ентузіазмом уявляють нові способи розуміння хвороби та картографування анатомії людини за допомогою більш точної топографічної карти.
Кардіолог UCL Ендрю Кук сказав: «Більшість людей можуть бути здивовані тим, що ми вивчаємо анатомію серця протягом сотень років, але немає консенсусу щодо нормальної структури серця, особливо серця… М’язові клітини та те, як вони змінюються. коли серце б'ється».
"Я чекав всю свою кар'єру", - сказав він.
Техніка HiP-CT почалася, коли два німецькі патологоанатоми змагалися, щоб відстежити каральний вплив вірусу SARS-CoV-2 на організм людини.
Денні Йонігк, торакальний патологоанатом з Ганноверської медичної школи, і Максиміліан Акерманн, патологоанатом з Університетського медичного центру Майнца, були у стані підвищеної готовності, коли в Китаї почали поширюватися новини про незвичайний випадок пневмонії.Обидва мали досвід лікування захворювань легенів і одразу зрозуміли, що COVID-19 – це щось незвичайне.Пара була особливо стурбована повідомленнями про «тиху гіпоксію», через яку пацієнти з COVID-19 не спали, але спричиняли різке падіння рівня кисню в крові.
Акерман і Йоніг підозрюють, що SARS-CoV-2 якимось чином атакує кровоносні судини в легенях.Коли в березні 2020 року хвороба поширилася на Німеччину, подружжя почало розтин жертв COVID-19.Незабаром вони перевірили свою судинну гіпотезу, вводячи смолу в зразки тканини, а потім розчиняючи тканину в кислоті, залишаючи точну модель оригінальної судинної мережі.
Використовуючи цю техніку, Акерманн і Йонігк порівняли тканини людей, які не померли від COVID-19, з тканинами людей, які померли.Вони одразу побачили, що у жертв COVID-19 найдрібніші кровоносні судини в легенях були перекручені та реконструйовані.Ці знакові результати, опубліковані в Інтернеті в травні 2020 року, показують, що COVID-19 — це не суто респіраторне захворювання, а радше судинне захворювання, яке може вражати органи всього тіла.
«Якщо ви пройдете по тілу і вирівняєте всі кровоносні судини, ви отримаєте від 60 000 до 70 000 миль, що вдвічі перевищує відстань навколо екватора», — сказав Акерманн, патолог з Вупперталя, Німеччина..Він додав, що якби лише 1 відсоток цих кровоносних судин був атакований вірусом, кровотік і здатність поглинати кисень були б порушені, що могло б призвести до руйнівних наслідків для всього органу.
Коли Йонігк і Акерманн усвідомили вплив COVID-19 на кровоносні судини, вони зрозуміли, що їм потрібно краще зрозуміти шкоду.
Медичні рентгенівські промені, такі як комп’ютерна томографія, можуть надати зображення цілих органів, але вони не мають достатньо високої роздільної здатності.Біопсія дозволяє вченим досліджувати зразки тканин під мікроскопом, але отримані зображення представляють лише невелику частину всього органу і не можуть показати, як COVID-19 розвивається в легенях.А методика використання смоли, розроблена командою, вимагає розчинення тканини, що руйнує зразок і обмежує подальші дослідження.
«Зрештою [легені] отримують кисень, а вуглекислий газ виходить, але для цього вони мають тисячі миль кровоносних судин і капілярів, розташованих дуже тонко… це майже диво», — сказав Джонігк, засновник головний дослідник Німецького центру дослідження легенів.«Тож як ми можемо дійсно оцінити щось таке складне, як COVID-19, не руйнуючи органи?»
Йонігку та Акерманну знадобилося щось безпрецедентне: серія рентгенівських знімків того самого органу, що дозволило б дослідникам збільшити частини органу до клітинного масштабу.У березні 2020 року німецький дует зв’язався зі своїм давнім співробітником Пітером Лі, вченим-матеріалом і головою нових технологій в UCL.Спеціалізацією Лі є дослідження біологічних матеріалів за допомогою потужного рентгенівського випромінювання, тому його думки відразу звернулися до французьких Альп.
Європейський центр синхротронного випромінювання розташований на трикутній ділянці землі в північно-західній частині Гренобля, де зливаються дві річки.Об’єкт є прискорювачем частинок, який посилає електрони на кругові орбіти довжиною півмилі зі швидкістю майже світла.Коли ці електрони обертаються по колу, потужні магніти на орбіті спотворюють потік частинок, змушуючи електрони випромінювати одні з найяскравіших рентгенівських променів у світі.
Це потужне випромінювання дозволяє ESRF стежити за об’єктами мікрометрового або навіть нанометрового масштабу.Його часто використовують для вивчення таких матеріалів, як сплави та композити, для вивчення молекулярної структури білків і навіть для реконструкції стародавніх скам’янілостей без відділення каменю від кістки.Акерманн, Йонігк і Лі хотіли використати гігантський інструмент, щоб зробити найдетальніші у світі рентгенівські знімки органів людини.
Зверніть увагу на Тафоро, чия робота в ESRF розширила межі можливостей синхротронного сканування.Його вражаючий набір трюків раніше дозволяв вченим зазирнути всередину яєць динозаврів і майже розрізати мумії, і майже відразу Тафоро підтвердив, що синхротрони теоретично можуть добре сканувати цілі частки легенів.Але насправді сканування цілих людських органів є величезним викликом.
З одного боку, є проблема порівняння.Стандартне рентгенівське випромінювання створює зображення на основі того, скільки випромінювання поглинають різні матеріали, при цьому важчі елементи поглинають більше, ніж легші.М’які тканини здебільшого складаються з легких елементів — вуглецю, водню, кисню тощо, тому їх не видно чітко на класичному медичному рентгенівському знімку.
Однією з чудових переваг ESRF є те, що його рентгенівський промінь є дуже узгодженим: світло поширюється хвилями, і у випадку ESRF усі його рентгенівські промені починаються з однаковою частотою та орієнтацією, постійно коливаючись, як сліди, що залишилися. Рейком через сад дзен.Але коли ці рентгенівські промені проходять крізь об’єкт, незначні відмінності в щільності можуть призвести до того, що кожен рентгенівський промінь трохи відхиляється від шляху, і різницю стає легше виявити, коли рентгенівські промені віддаляються від об’єкта.Ці відхилення можуть виявити тонкі відмінності щільності всередині об’єкта, навіть якщо він складається з легких елементів.
Але стабільність – це інше питання.Щоб зробити серію збільшених рентгенівських знімків, органу необхідно зафіксувати його природну форму, щоб він не згинався і не зміщувався більш ніж на тисячну частку міліметра.Крім того, послідовні рентгенівські знімки одного органу не будуть відповідати один одному.Зайве говорити, однак, що тіло може бути дуже гнучким.
Лі та його команда з UCL прагнули розробити контейнери, які могли б витримувати синхротронне рентгенівське випромінювання, пропускаючи при цьому якомога більше хвиль.Лі також займався загальною організацією проекту — наприклад, деталями транспортування людських органів між Німеччиною та Францією — і найняв Волша, який спеціалізується на біомедичних великих даних, щоб допомогти з’ясувати, як аналізувати сканування.Повернувшись у Францію, робота Тафоро включала вдосконалення процедури сканування та з’ясування того, як зберігати орган у контейнері, який будувала команда Лі.
Таффоро знав, що для того, щоб органи не розкладалися, а зображення були максимально чіткими, їх необхідно обробити кількома порціями водного етанолу.Він також знав, що йому потрібно стабілізувати орган на чомусь, що точно відповідає щільності органу.Його план полягав у тому, щоб якимось чином помістити органи в багатий етанолом агар, желеподібну речовину, видобуту з морських водоростей.
Однак диявол криється в деталях – як і в більшості країн Європи, Тафоро застряг вдома та замкнений.Тож Тафоро переніс свої дослідження в домашню лабораторію: він витратив роки, прикрашаючи колишню кухню середнього розміру 3D-принтерами, базовим хімічним обладнанням та інструментами, які використовуються для підготовки кісток тварин для анатомічних досліджень.
Тафоро використовував продукти з місцевого продуктового магазину, щоб зрозуміти, як зробити агар.Він навіть збирає дощову воду з даху, який він нещодавно почистив, щоб зробити демінералізовану воду, стандартний інгредієнт для лабораторних сумішей агару.Щоб потренуватися упаковувати органи в агар, він взяв свинячі кишки з місцевої бійні.
Taforo було дозволено повернутися до ESRF у середині травня для першого тестового сканування легенів свиней.З травня по червень він підготував і сканував ліву частку легені 54-річного чоловіка, який помер від COVID-19, якого Акерман і Йоніг привезли з Німеччини в Гренобль.
«Коли я побачив перше зображення, у моїй електронній пошті був лист з вибаченнями до всіх, хто брав участь у проекті: ми зазнали невдачі, і я не зміг отримати якісне сканування», — сказав він.«Я щойно надіслав їм два фото, які були жахливими для мене, але чудовими для них».
Для Лі з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі зображення приголомшливі: зображення всього органу схожі на стандартні медичні КТ, але «у мільйон разів інформативніші».Таке враження, ніби мандрівник все життя вивчав ліс, чи то пролітаючи над лісом на гігантському реактивному літаку, чи мандруючи стежкою.Тепер вони ширяють над пологом, як птахи на крилах.
Команда опублікувала свій перший повний опис підходу HiP-CT у листопаді 2021 року, і дослідники також оприлюднили подробиці про те, як COVID-19 впливає на певні типи кровообігу в легенях.
Сканування також мало несподівану користь: воно допомогло дослідникам переконати друзів і родину зробити щеплення.У важких випадках COVID-19 багато кровоносних судин у легенях здаються розширеними та набряклими, і в меншій мірі можуть утворюватися аномальні пучки крихітних кровоносних судин.
«Коли ви дивитеся на структуру легенів людини, яка померла від COVID, це не виглядає як легені — це безлад», — сказав Тафоло.
Він додав, що навіть у здорових органах сканування виявило тонкі анатомічні особливості, які ніколи не були зафіксовані, оскільки жоден людський орган ніколи не досліджувався так детально.Маючи понад 1 мільйон доларів фінансування від Chan Zuckerberg Initiative (некомерційна організація, заснована генеральним директором Facebook Марком Цукербергом і дружиною Цукерберга, лікарем Прісциллою Чан), команда HiP-CT зараз створює так званий атлас органів людини.
Наразі команда опублікувала скани п’яти органів — серця, мозку, нирок, легенів і селезінки — на основі органів, переданих Аккерманом і Йонігком під час розтину COVID-19 у Німеччині, і органу «контролю» за здоров’ям LADAF.Анатомічна лабораторія Гренобля.Команда підготувала дані, а також фільми польотів на основі даних, які є у вільному доступі в Інтернеті.Атлас органів людини стрімко поповнюється: відскановано ще 30 органів, ще 80 знаходяться на різних стадіях підготовки.Майже 40 різних дослідницьких груп зв’язалися з командою, щоб дізнатися більше про підхід, сказав Лі.
Кардіолог UCL Кук бачить великий потенціал у використанні HiP-CT для розуміння базової анатомії.Рентгенолог UCL Джо Джейкоб, який спеціалізується на захворюваннях легенів, сказав, що HiP-CT буде «неоціненним для розуміння хвороби», особливо в тривимірних структурах, таких як кровоносні судини.
Навіть артисти вступили в бійку.Барні Стіл з лондонського колективу експериментального мистецтва Marshmallow Laser Feast каже, що він активно досліджує, як можна досліджувати дані HiP-CT у захоплюючій віртуальній реальності.«По суті, ми створюємо подорож людським тілом», — сказав він.
Але попри всі обіцянки HiP-CT, є серйозні проблеми.По-перше, каже Уолш, сканування HiP-CT генерує «приголомшливу кількість даних», легко терабайт на орган.Щоб дозволити клініцистам використовувати ці сканування в реальному світі, дослідники сподіваються розробити хмарний інтерфейс для навігації, такий як Google Maps для людського тіла.
Їм також потрібно було спростити перетворення сканованих зображень у працездатні 3D-моделі.Як і всі методи комп’ютерної томографії, HiP-CT працює, беручи багато двовимірних зрізів певного об’єкта та складаючи їх разом.Навіть сьогодні більша частина цього процесу виконується вручну, особливо під час сканування аномальної або хворої тканини.Лі та Волш кажуть, що пріоритетом команди HiP-CT є розробка методів машинного навчання, які можуть полегшити це завдання.
Ці виклики будуть розширюватися, оскільки атлас людських органів розширюється, а дослідники стають більш амбітними.Команда HiP-CT використовує найновіший проміневий пристрій ESRF під назвою BM18, щоб продовжити сканування органів проекту.BM18 виробляє більший промінь рентгенівського випромінювання, що означає, що сканування займає менше часу, а детектор рентгенівського випромінювання BM18 можна розташувати на відстані до 125 футів (38 метрів) від об’єкта, що сканується, що робить сканування чіткішим.Результати BM18 вже дуже хороші, каже Тафоро, який повторно відсканував деякі оригінальні зразки атласу органів людини на новій системі.
BM18 також може сканувати дуже великі об'єкти.За допомогою нової установки команда планує сканувати весь торс людського тіла одним махом до кінця 2023 року.
Досліджуючи величезний потенціал технології, Тафоро сказав: «Ми справді лише на початку».
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Всі права захищені.