Egy új szkennelési technika nagy részletességgel készít képeket, amelyek forradalmasíthatják az emberi anatómia tanulmányozását.
Amikor Paul Taforo meglátta első kísérleti képeit a COVID-19 fény áldozatairól, azt hitte, kudarcot vallott.A paleontológus végzettségű Taforo hónapokig dolgozott csapatokkal Európa-szerte, hogy a francia Alpokban található részecskegyorsítókat forradalmi orvosi letapogató eszközökké alakítsák.
2020 májusának végén volt, és a tudósok arra vágytak, hogy jobban megértsék, hogyan pusztítja el a COVID-19 az emberi szerveket.A Taforo megbízást kapott egy olyan módszer kidolgozására, amely felhasználhatja a franciaországi Grenoble-ban működő Európai Szinkrotron Sugárzási Létesítmény (ESRF) által előállított nagy teljesítményű röntgensugárzást.Az ESRF tudósaként kitágította a kőzetfosszíliákról és szárított múmiákról készült nagy felbontású röntgenfelvételek határait.Most rettegett a papírtörlő puha, ragacsos tömegétől.
A képek részletesebben mutatták meg őket, mint bármely korábban látott orvosi CT-vizsgálat, lehetővé téve számukra, hogy leküzdjék azokat a makacs hiányosságokat, amelyek a tudósok és az orvosok emberi szervek vizualizálásában és megértésében rejlenek."Az anatómia tankönyvekben, ha látod, nagy léptékű, kis léptékű, és gyönyörűek, kézzel rajzolt képek egy okból: művészi értelmezések, mert nincsenek képeink." - a University College London (UCL) ) mondott..Claire Walsh vezető kutató mondta.– Most először csinálhatjuk meg az igazit.
Taforo és Walsh egy több mint 30 kutatóból álló nemzetközi csapat tagja, akik megalkották a Hierarchical Phase Contrast Tomography (HiP-CT) nevű hatékony új röntgensugaras szkennelési technikát.Ezzel végre a teljes emberi szervből a test legapróbb ereinek, vagy akár egyes sejtjeinek kibővített képévé válhatnak.
Ez a módszer már új betekintést nyújt abba, hogy a COVID-19 miként károsítja és alakítja át a tüdő ereit.Bár a hosszú távú kilátásokat nehéz meghatározni, mivel a HiP-CT-hez hasonló még sohasem létezett, a benne rejlő lehetőségektől izgatott kutatók lelkesen vizionálnak új módszereket a betegségek megértésére és az emberi anatómia pontosabb topográfiai térképpel történő feltérképezésére.
Andrew Cooke, az UCL kardiológusa a következőket mondta: „A legtöbb ember meglepődhet azon, hogy több száz éve tanulmányozzuk a szív anatómiáját, de nincs konszenzus a szív normális szerkezetéről, különösen a szívről… Az izomsejtek és annak változásai amikor a szív dobog."
„Egész karrierem során arra vártam” – mondta.
A HiP-CT technika akkor kezdődött, amikor két német patológus versengett a SARS-CoV-2 vírus emberi szervezetre gyakorolt ​​büntető hatásainak nyomon követéséért.
Danny Jonigk, a Hannoveri Orvostudományi Iskola mellkaspatológusa és Maximilian Ackermann, a Mainzi Egyetemi Orvosi Központ patológusa fokozott készültségben voltak, amikor Kínában kezdtek terjedni a hírek a szokatlan tüdőgyulladásról.Mindkettőjüknek volt tapasztalata a tüdőbetegségek kezelésében, és azonnal tudták, hogy a COVID-19 szokatlan.A házaspárt különösen aggasztják a „néma hipoxiáról” szóló jelentések, amelyek ébren tartották a COVID-19-betegeket, de a vér oxigénszintje zuhant.
Ackermann és Jonig azt gyanítják, hogy a SARS-CoV-2 valamilyen módon megtámadja a tüdő ereit.Amikor a betegség 2020 márciusában Németországba is átterjedt, a házaspár megkezdte a COVID-19 áldozatainak boncolását.Hamarosan tesztelték érrendszeri hipotézisüket: gyantát fecskendeztek a szövetmintákba, majd feloldották a szövetet savban, így az eredeti érrendszer pontos modellje maradt.
Ezzel a technikával Ackermann és Jonigk olyan emberek szöveteit hasonlították össze, akik nem haltak meg COVID-19-ben, olyan emberek szöveteit, akik meghaltak.Azonnal látták, hogy a COVID-19 áldozatainál a legkisebb vérerek a tüdejében megcsavarodtak és újjáépültek.Ezek a mérföldkőnek számító eredmények, amelyeket 2020 májusában tettek közzé az interneten, azt mutatják, hogy a COVID-19 nem szigorúan légúti betegség, hanem inkább érrendszeri betegség, amely az egész szervezet szerveit érintheti.
„Ha átmegyünk a testen, és az összes véredényt egy vonalba állítjuk, 60 000-70 000 mérföldet kapunk, ami kétszerese az egyenlítő körüli távolságnak” – mondta Ackermann, a németországi wuppertali patológus..Hozzátette, ha ezeknek az ereknek csak 1 százalékát támadná meg a vírus, a véráramlás és az oxigénfelvételi képesség sérülne, ami az egész szervre nézve pusztító következményekkel járhat.
Miután Jonigk és Ackermann rájöttek a COVID-19 erekre gyakorolt ​​hatására, rájöttek, hogy jobban meg kell érteniük a károkat.
Az orvosi röntgensugarak, mint például a CT-vizsgálatok, egész szerveket biztosítanak, de nem elég nagy felbontásúak.A biopszia lehetővé teszi a tudósok számára, hogy mikroszkóp alatt megvizsgálják a szövetmintákat, de a kapott képek a teljes szervnek csak egy kis részét képviselik, és nem mutatják meg, hogyan fejlődik ki a COVID-19 a tüdőben.A csapat által kifejlesztett gyantatechnika pedig megköveteli a szövet feloldását, ami tönkreteszi a mintát, és korlátozza a további kutatást.
„A nap végén a [tüdő] oxigént kap, és a szén-dioxid kimegy, de ehhez több ezer mérföldnyi véredény és hajszálerek vannak, nagyon vékonyan elhelyezve… ez szinte csoda” – mondta Jonigk, az alapító. vezető kutató a Német Tüdőkutató Központban.„Hogyan tudunk tehát igazán értékelni egy olyan összetett dolgot, mint a COVID-19 a szervek elpusztítása nélkül?”
Jonigknak és Ackermannnak valami példátlanra volt szüksége: egy sor röntgenfelvételre ugyanarról a szervről, amely lehetővé teszi a kutatók számára, hogy a szerv egyes részeit sejtméretre növeljék.2020 márciusában a német páros felvette a kapcsolatot régi munkatársukkal, Peter Lee-vel, aki anyagtudós és az UCL feltörekvő technológiákkal foglalkozó tanszéke volt.Lee szakterülete a biológiai anyagok tanulmányozása erős röntgensugarak segítségével, így gondolatai azonnal a francia Alpok felé fordultak.
Az Európai Szinkrotron Sugárzási Központ egy háromszög alakú földterületen található Grenoble északnyugati részén, ahol két folyó találkozik.Az objektum egy részecskegyorsító, amely közel fénysebességgel küldi elektronokat fél mérföld hosszú körpályán.Ahogy ezek az elektronok körben forognak, a pályán lévő erős mágnesek megvetemítik a részecskék áramlását, aminek következtében az elektronok a világ legfényesebb röntgensugárzását bocsátják ki.
Ez az erős sugárzás lehetővé teszi az ESRF számára, hogy mikrométeres vagy akár nanométeres méretű tárgyak után kémkedjen.Gyakran használják olyan anyagok tanulmányozására, mint az ötvözetek és kompozitok, a fehérjék molekuláris szerkezetének tanulmányozására, és még az ősi kövületek rekonstruálására is anélkül, hogy elválasztaná a köveket a csontoktól.Ackermann, Jonigk és Lee az óriási műszerrel a világ legrészletesebb röntgenfelvételeit akarták készíteni az emberi szervekről.
Lépjen be Taforo, akinek az ESRF-nél végzett munkája kitágította a szinkrotron-szkennelés által látható határokat.Lenyűgöző trükkjei korábban lehetővé tették a tudósok számára, hogy benézzenek a dinoszaurusztojások belsejébe, és majdnem felvágják a múmiákat, és Taforo szinte azonnal megerősítette, hogy a szinkrotronok elméletileg jól át tudják vizsgálni a teljes tüdőlebenyeket.Valójában azonban egész emberi szervek átvizsgálása óriási kihívás.
Egyrészt az összehasonlítás problémája.A szabványos röntgensugarak az alapján készítenek képeket, hogy a különböző anyagok mennyi sugárzást nyelnek el, a nehezebb elemek pedig többet nyelnek el, mint a könnyebbek.A lágyszövetek többnyire könnyű elemekből – szénből, hidrogénből, oxigénből stb. – épülnek fel, így a klasszikus orvosi röntgenfelvételeken nem látszanak egyértelműen.
Az egyik nagyszerű dolog az ESRF-ben, hogy a röntgensugara nagyon koherens: a fény hullámokban halad, és az ESRF esetében az összes röntgensugár azonos frekvencián és elrendezésben indul, folyamatosan oszcillálva, mint a lábnyomok. Reik által egy zen-kerten keresztül.De ahogy ezek a röntgensugarak áthaladnak az objektumon, a finom sűrűségkülönbségek miatt minden egyes röntgensugár kissé eltér az úttól, és a különbség könnyebben észlelhető, ahogy a röntgensugarak távolabb kerülnek a tárgytól.Ezek az eltérések finom sűrűségkülönbségeket fedhetnek fel egy objektumon belül, még akkor is, ha az könnyű elemekből áll.
De a stabilitás egy másik kérdés.A kinagyított röntgenfelvételek sorozatának elkészítéséhez a szervet természetes alakjában kell rögzíteni, hogy ne hajoljon vagy mozduljon el a milliméter ezredrészénél nagyobb mértékben.Ezenkívül ugyanazon szerv egymást követő röntgenfelvételei nem egyeznek meg egymással.Mondanunk sem kell, hogy a test nagyon rugalmas tud lenni.
Lee és csapata az UCL-nél olyan konténereket terveztek, amelyek ellenállnak a szinkrotron röntgensugárzásnak, miközben a lehető legtöbb hullámot engedik át.Lee a projekt általános megszervezését is kezelte – például az emberi szervek Németország és Franciaország közötti szállításának részleteit –, és felbérelte Walsh-t, aki az orvosbiológiai big data-kra specializálódott, hogy segítsen kitalálni, hogyan kell elemezni a szkenneléseket.Franciaországban Taforo munkája magában foglalta a szkennelési eljárás javítását, és kitalálta, hogyan tárolja az orgonát a Lee csapata által épített konténerben.
Tafforo tudta, hogy annak érdekében, hogy a szervek ne bomlanak le, és a képek a lehető legtisztábbak legyenek, több adag vizes etanollal kell feldolgozni őket.Azt is tudta, hogy stabilizálnia kell a szervet valamivel, ami pontosan megegyezik a szerv sűrűségével.Az volt a terve, hogy a szerveket valahogyan etanolban gazdag agarba helyezi, ami egy hínárból kivont zselészerű anyag.
Az ördög azonban a részletekben rejlik – ahogy Európa nagy részén, Taforo is otthon ragadt és bezárva.Így Taforo kutatásait egy otthoni laborba helyezte át: éveket töltött azzal, hogy egy egykori közepes méretű konyhát 3D nyomtatókkal, alapvető kémiai berendezésekkel és állatcsontok anatómiai kutatásokhoz való előkészítésére használt eszközökkel díszített.
Taforo a helyi élelmiszerbolt termékeit használta fel, hogy kitalálja, hogyan készítsen agart.Még a közelmúltban kitakarított tetőről is összegyűjti a csapadékvizet, hogy ásványmentesített vizet készítsen, amely a laboratóriumi minőségű agarkészítmények szokásos összetevője.A szervek agarba való csomagolásának gyakorlásához sertésbeleket vett egy helyi vágóhídról.
Taforo május közepén kapott engedélyt arra, hogy visszatérjen az ESRF-hez a sertések első tüdővizsgálatára.Májustól júniusig előkészítette és átvizsgálta a COVID-19-ben meghalt 54 éves férfi bal tüdőlebenyét, amelyet Ackermann és Jonig Németországból Grenoble-ba vitt.
„Amikor megláttam az első képet, az e-mailemben egy bocsánatkérő levél volt a projektben résztvevőknek: kudarcot vallottunk, és nem tudtam jó minőségű szkennelést készíteni” – mondta.„Most küldtem nekik két képet, amelyek szörnyűek voltak számomra, de nagyszerűek a számukra.”
Lee, a Los Angeles-i Kaliforniai Egyetem munkatársa számára a képek lenyűgözőek: az egész szervről készült felvételek hasonlóak a szokásos orvosi CT-vizsgálatokhoz, de „egymilliószor informatívabbak”.Mintha a felfedező egész életében az erdőt tanulmányozta volna, akár egy óriási sugárhajtású géppel repül az erdő felett, akár az ösvényen utazik.Most úgy szárnyalnak a lombkorona felett, mint a szárnyas madarak.
A csapat 2021 novemberében tette közzé első teljes leírását a HiP-CT-megközelítésről, és a kutatók részleteket is közzétettek arról, hogy a COVID-19 hogyan befolyásolja bizonyos típusú keringést a tüdőben.
A vizsgálatnak volt egy váratlan előnye is: segített a kutatóknak meggyőzni a barátokat és a családtagokat a védőoltás beadásáról.A COVID-19 súlyos eseteiben a tüdőben számos véredény kitágultnak és megduzzadtnak tűnik, és kisebb mértékben apró véredények rendellenes kötegei is kialakulhatnak.
„Ha megnézzük egy COVID-ban elhunyt ember tüdejének szerkezetét, az nem úgy néz ki, mint egy tüdő – ez egy rendetlenség” – mondta Tafolo.
Hozzátette, hogy a vizsgálatok még az egészséges szervekben is olyan finom anatómiai jellemzőket tártak fel, amelyeket soha nem rögzítettek, mivel emberi szervet még soha nem vizsgáltak ilyen részletesen.A Chan Zuckerberg Initiative (a Facebook vezérigazgatója, Mark Zuckerberg és Zuckerberg felesége, Priscilla Chan orvos által alapított non-profit szervezet) több mint 1 millió dolláros finanszírozásával a HiP-CT csapat jelenleg egy úgynevezett emberi szervek atlaszát hoz létre.
A csapat eddig öt szervről – a szívről, az agyról, a vesékről, a tüdőről és a lépről – készített felvételt az Ackermann és Jonigk által a németországi COVID-19 boncolás során adományozott szervek és a LADAF egészségügyi „ellenőrző” szerv alapján.Grenoble-i anatómiai laboratórium.A csapat az adatokat, valamint repülési filmeket készített az interneten szabadon elérhető adatok alapján.Az emberi szervek atlasza rohamosan bővül: további 30 szervet szkenneltek át, további 80 pedig az előkészítés különböző szakaszaiban van.Közel 40 különböző kutatócsoport vette fel a kapcsolatot a csapattal, hogy többet tudjon meg a megközelítésről, mondta Li.
Cook, az UCL kardiológusa nagy lehetőségeket lát a HiP-CT használatában az alapvető anatómia megértéséhez.Joe Jacob, az UCL radiológusa, aki a tüdőbetegségekre specializálódott, azt mondta, hogy a HiP-CT „felbecsülhetetlen értékű lesz a betegségek megértésében”, különösen a háromdimenziós struktúrákban, például az erekben.
Még a művészek is beszálltak a harcba.Barney Steele, a Marshmallow Laser Feast londoni tapasztalati művészeti kollektíva azt mondta, hogy aktívan vizsgálja, hogyan lehet a HiP-CT-adatokat feltárni a magával ragadó virtuális valóságban.„Lényegében egy utazást hozunk létre az emberi testen keresztül” – mondta.
De a HiP-CT minden ígérete ellenére komoly problémák vannak.Először is, mondja Walsh, a HiP-CT vizsgálat „elképesztő mennyiségű adatot generál”, szervenként könnyen egy terabájtot.Annak érdekében, hogy a klinikusok a valós világban is használhassák ezeket a szkenneléseket, a kutatók egy felhő alapú felületet kívánnak kifejleszteni a navigációhoz, például a Google Térképet az emberi test számára.
Szükségük volt arra is, hogy megkönnyítsék a beolvasások működőképes 3D modellekké alakítását.Mint minden CT-vizsgálati módszer, a HiP-CT is úgy működik, hogy egy adott objektumból sok 2D-s szeletet vesz, és egymásra helyezi őket.Még ma is ennek a folyamatnak a nagy része manuálisan történik, különösen a kóros vagy beteg szövetek szkennelésekor.Lee és Walsh szerint a HiP-CT csapatának elsődleges célja olyan gépi tanulási módszerek kifejlesztése, amelyek megkönnyítik ezt a feladatot.
Ezek a kihívások az emberi szervek atlaszának bővülésével és a kutatók ambiciózusabbá válásával növekedni fognak.A HiP-CT csapat a legújabb, BM18 névre keresztelt ESRF sugáreszközt használja a projekt szerveinek szkennelésére.A BM18 nagyobb röntgensugarat produkál, ami azt jelenti, hogy a szkennelés kevesebb időt vesz igénybe, és a BM18 röntgendetektor akár 38 méterrel is elhelyezhető a vizsgált objektumtól, így tisztábban pásztázható.A BM18 eredmények már most nagyon jók, mondja Taforo, aki újra beszkennelte az eredeti Human Organ Atlas mintákat az új rendszeren.
A BM18 nagyon nagy objektumok beolvasására is képes.Az új létesítménysel a csapat azt tervezi, hogy 2023 végéig egy csapásra átvizsgálják az emberi test teljes törzsét.
A technológiában rejlő hatalmas lehetőségeket feltárva Taforo azt mondta: „Valójában még csak az elején járunk.”
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Minden jog fenntartva.