Nová technika skenovania vytvára obrázky s veľkými detailmi, ktoré by mohli spôsobiť revolúciu v štúdiu ľudskej anatómie.
Keď Paul Taforo videl svoje prvé experimentálne snímky obetí svetla COVID-19, myslel si, že zlyhal.Vyštudovaný paleontológ Taforo strávil mesiace prácou s tímami po celej Európe, aby premenili urýchľovače častíc vo francúzskych Alpách na revolučné lekárske skenovacie nástroje.
Bolo to koncom mája 2020 a vedci chceli lepšie pochopiť, ako COVID-19 ničí ľudské orgány.Spoločnosť Taforo bola poverená vývojom metódy, ktorá by mohla využívať vysokovýkonné röntgenové lúče produkované Európskym zariadením pre synchrotrónové žiarenie (ESRF) v Grenobli vo Francúzsku.Ako vedec ESRF posunul hranice röntgenových lúčov s vysokým rozlíšením skalných fosílií a vysušených múmií.Teraz sa zľakol mäkkej, lepkavej hmoty papierových utierok.
Obrázky im ukázali viac detailov než akékoľvek lekárske CT vyšetrenie, aké kedy videli, čo im umožnilo prekonať tvrdohlavé medzery v tom, ako vedci a lekári vizualizujú a chápu ľudské orgány.„V učebniciach anatómie, keď to vidíte, je to vo veľkom meradle, je to v malom meradle a sú to nádherné ručne kreslené obrázky z jedného dôvodu: sú to umelecké interpretácie, pretože nemáme obrázky,“ University College London (UCL ) povedal..Povedala to vedúca výskumníčka Claire Walsh."Prvýkrát môžeme urobiť skutočnú vec."
Taforo a Walsh sú súčasťou medzinárodného tímu viac ako 30 výskumníkov, ktorí vytvorili novú výkonnú techniku ​​röntgenového skenovania s názvom Hierarchická fázová kontrastná tomografia (HiP-CT).S ním môžu konečne prejsť od kompletného ľudského orgánu k zväčšenému pohľadu na najmenšie krvné cievy alebo dokonca jednotlivé bunky tela.
Táto metóda už poskytuje nový pohľad na to, ako COVID-19 poškodzuje a remodeluje krvné cievy v pľúcach.Hoci jeho dlhodobé vyhliadky je ťažké určiť, pretože nič také ako HiP-CT nikdy predtým neexistovalo, výskumníci nadšení jeho potenciálom nadšene predstavujú nové spôsoby, ako porozumieť chorobe a zmapovať ľudskú anatómiu s presnejšou topografickou mapou.
Kardiológ z UCL Andrew Cooke povedal: „Väčšina ľudí môže byť prekvapená, že študujeme anatómiu srdca stovky rokov, ale neexistuje konsenzus o normálnej štruktúre srdca, najmä srdca... Svalové bunky a ako sa mení keď srdce bije."
"Čakal som celú svoju kariéru," povedal.
Technika HiP-CT začala, keď dvaja nemeckí patológovia súťažili o sledovanie represívnych účinkov vírusu SARS-CoV-2 na ľudské telo.
Danny Jonigk, hrudný patológ z lekárskej fakulty v Hannoveri, a Maximilian Ackermann, patológ z University Medical Center Mainz, boli v pohotovosti, keď sa v Číne začali šíriť správy o nezvyčajnom prípade zápalu pľúc.Obaja mali skúsenosti s liečbou pľúcnych ochorení a hneď vedeli, že COVID-19 je nezvyčajný.Manželia boli obzvlášť znepokojení správami o „tichej hypoxii“, ktorá pacientom s COVID-19 nedala spať, no spôsobila im prudký pokles hladiny kyslíka v krvi.
Ackermann a Jonig majú podozrenie, že SARS-CoV-2 nejakým spôsobom napáda krvné cievy v pľúcach.Keď sa choroba v marci 2020 rozšírila do Nemecka, pár začal s pitvami obetí COVID-19.Čoskoro otestovali svoju vaskulárnu hypotézu vstreknutím živice do vzoriek tkaniva a následným rozpustením tkaniva v kyseline, čím sa vytvoril presný model pôvodnej vaskulatúry.
Pomocou tejto techniky Ackermann a Jonigk porovnali tkanivá od ľudí, ktorí nezomreli na COVID-19, s tkanivami od ľudí, ktorí zomreli.Okamžite videli, že u obetí COVID-19 boli najmenšie krvné cievy v pľúcach skrútené a zrekonštruované.Tieto prelomové výsledky zverejnené online v máji 2020 ukazujú, že COVID-19 nie je striktne respiračné ochorenie, ale skôr cievne ochorenie, ktoré môže postihnúť orgány v celom tele.
"Ak prejdete telom a zarovnáte všetky krvné cievy, dostanete 60 000 až 70 000 míľ, čo je dvojnásobok vzdialenosti okolo rovníka," povedal Ackermann, patológ z nemeckého Wuppertalu..Dodal, že ak by vírus napadol len 1 percento týchto krvných ciev, ohrozil by sa prietok krvi a schopnosť absorbovať kyslík, čo by mohlo viesť k ničivým následkom pre celý orgán.
Keď si Jonigk a Ackermann uvedomili vplyv COVID-19 na krvné cievy, uvedomili si, že musia lepšie pochopiť poškodenie.
Lekárske röntgenové lúče, ako je CT vyšetrenie, môžu poskytnúť pohľad na celé orgány, ale nemajú dostatočne vysoké rozlíšenie.Biopsia umožňuje vedcom skúmať vzorky tkaniva pod mikroskopom, ale výsledné snímky predstavujú len malú časť celého orgánu a nedokážu ukázať, ako sa COVID-19 vyvíja v pľúcach.A živicová technika, ktorú tím vyvinul, vyžaduje rozpustenie tkaniva, čo zničí vzorku a obmedzí ďalší výskum.
„Na konci dňa dostávajú [pľúca] kyslík a oxid uhličitý odchádza von, no na to má tisíce kilometrov krvných ciev a kapilár, ktoré sú veľmi tenko rozmiestnené... je to takmer zázrak,“ povedal Jonigk, zakladateľ. hlavný riešiteľ nemeckého centra pre výskum pľúc."Ako teda môžeme skutočne vyhodnotiť niečo také zložité, ako je COVID-19, bez toho, aby sme zničili orgány?"
Jonigk a Ackermann potrebovali niečo bezprecedentné: sériu röntgenových snímok toho istého orgánu, ktoré by výskumníkom umožnili zväčšiť časti orgánu do bunkovej mierky.V marci 2020 nemecké duo kontaktovalo svojho dlhoročného spolupracovníka Petra Leeho, materiálového vedca a predsedu nových technológií na UCL.Leeho špecialitou je štúdium biologických materiálov pomocou výkonných röntgenových lúčov, a tak sa jeho myšlienky okamžite upriamili na francúzske Alpy.
Európske centrum synchrotrónového žiarenia sa nachádza na trojuholníkovom kúsku zeme v severozápadnej časti Grenoblu, kde sa stretávajú dve rieky.Objekt je urýchľovač častíc, ktorý vysiela elektróny po kruhových dráhach dlhých pol míle rýchlosťou takmer svetla.Keď sa tieto elektróny točia v kruhoch, silné magnety na obežnej dráhe deformujú prúd častíc, čo spôsobuje, že elektróny vyžarujú niektoré z najjasnejších röntgenových lúčov na svete.
Toto silné žiarenie umožňuje ESRF špehovať objekty na mikrometrovej alebo dokonca nanometrovej stupnici.Často sa používa na štúdium materiálov, ako sú zliatiny a kompozity, na štúdium molekulárnej štruktúry proteínov a dokonca aj na rekonštrukciu starých fosílií bez oddelenia kameňa od kosti.Ackermann, Jonigk a Lee chceli tento obrovský prístroj použiť na zhotovenie najpodrobnejších röntgenových snímok ľudských orgánov na svete.
Vstúpi Taforo, ktorého práca v ESRF posunula hranice toho, čo môže synchrotrónové skenovanie vidieť.Jeho pôsobivé množstvo trikov predtým umožnilo vedcom nahliadnuť do dinosaurích vajec a takmer rozrezať múmie a takmer okamžite Taforo potvrdil, že synchrotróny môžu teoreticky dobre skenovať celé pľúcne laloky.Ale v skutočnosti je skenovanie celých ľudských orgánov obrovskou výzvou.
Na jednej strane je tu problém porovnávania.Štandardné röntgenové lúče vytvárajú obrazy založené na tom, koľko žiarenia absorbujú rôzne materiály, pričom ťažšie prvky absorbujú viac ako ľahšie.Mäkké tkanivá sú väčšinou tvorené ľahkými prvkami – uhlíkom, vodíkom, kyslíkom atď. – takže na klasickom lekárskom röntgene nie sú zreteľne viditeľné.
Jednou zo skvelých vecí na ESRF je, že jeho röntgenový lúč je veľmi koherentný: svetlo sa šíri vo vlnách a v prípade ESRF všetky jeho röntgenové lúče začínajú s rovnakou frekvenciou a zarovnaním, neustále oscilujú, ako zanechané stopy. od Reika cez zenovú záhradu.Keď však tieto röntgenové lúče prechádzajú objektom, jemné rozdiely v hustote môžu spôsobiť, že sa každý röntgenový lúč mierne odchýli od dráhy a rozdiel sa ľahšie zistí, keď sa röntgenové lúče vzdialia od objektu.Tieto odchýlky môžu odhaliť jemné rozdiely v hustote v rámci objektu, aj keď sa skladá zo svetelných prvkov.
Ale stabilita je iná otázka.Aby bolo možné urobiť sériu zväčšených röntgenových snímok, orgán musí byť zafixovaný vo svojom prirodzenom tvare, aby sa neohýbal ani neposúval o viac ako tisícinu milimetra.Navyše, po sebe idúce röntgenové snímky toho istého orgánu sa navzájom nezhodujú.Netreba však zdôrazňovať, že telo vie byť veľmi flexibilné.
Lee a jeho tím v UCL sa zamerali na navrhnutie kontajnerov, ktoré by odolali synchrotrónovému röntgenovému žiareniu a zároveň prepustili čo najviac vĺn.Lee sa postaral aj o celkovú organizáciu projektu – napríklad o podrobnosti o preprave ľudských orgánov medzi Nemeckom a Francúzskom – a najal Walsha, ktorý sa špecializuje na veľké biomedicínske údaje, aby pomohol zistiť, ako analyzovať skeny.Vo Francúzsku Taforova práca zahŕňala zlepšenie skenovacieho postupu a zistenie, ako uložiť orgán do kontajnera, ktorý zostavoval Leeov tím.
Tafforo vedel, že na to, aby sa orgány nerozkladali a obrázky boli čo najjasnejšie, musia byť spracované niekoľkými dávkami vodného etanolu.Vedel tiež, že potrebuje stabilizovať orgán na niečom, čo presne zodpovedá hustote orgánu.Jeho plánom bolo nejako umiestniť orgány do agaru bohatého na etanol, želé podobnej látky extrahovanej z morských rias.
Diabol sa však skrýva v detailoch – ako vo väčšine Európy je Taforo zaseknutý doma a zamknutý.Tak Taforo presunul svoj výskum do domáceho laboratória: Strávil roky zdobením bývalej stredne veľkej kuchyne 3D tlačiarňami, základným chemickým vybavením a nástrojmi používanými na prípravu zvieracích kostí na anatomický výskum.
Spoločnosť Taforo použila produkty z miestneho obchodu s potravinami, aby zistila, ako vyrobiť agar.Dokonca zbiera dažďovú vodu zo strechy, ktorú nedávno vyčistil, aby vyrobil demineralizovanú vodu, ktorá je štandardnou zložkou laboratórnych agarových receptúr.Aby si nacvičil balenie orgánov do agaru, zobral si z miestneho bitúnku bravčové črevá.
Taforo bolo povolené vrátiť sa do ESRF v polovici mája na prvý test pľúc ošípaných.Od mája do júna pripravoval a skenoval ľavý pľúcny lalok 54-ročného muža, ktorý zomrel na COVID-19, ktorý Ackermann a Jonig odviezli z Nemecka do Grenoblu.
„Keď som videl prvý obrázok, v mojom e-maile bol ospravedlňujúci list všetkým zapojeným do projektu: zlyhali sme a nemohol som získať vysokokvalitný sken,“ povedal."Práve som im poslal dva obrázky, ktoré boli pre mňa hrozné, ale pre nich skvelé."
Pre Leeho z Kalifornskej univerzity v Los Angeles sú snímky ohromujúce: snímky celých orgánov sú podobné štandardným lekárskym CT skenom, ale sú „miliónkrát informatívnejšie“.Je to, ako keby prieskumník celý život študoval les, buď lietal nad lesom v obrovskom prúdovom lietadle, alebo cestoval po stope.Teraz sa vznášajú nad baldachýnom ako vtáky na krídlach.
Tím zverejnil svoj prvý úplný popis prístupu HiP-CT v novembri 2021 a vedci tiež zverejnili podrobnosti o tom, ako COVID-19 ovplyvňuje určité typy obehu v pľúcach.
Skenovanie malo aj neočakávaný prínos: pomohlo vedcom presvedčiť priateľov a rodinu, aby sa dali zaočkovať.V závažných prípadoch COVID-19 sa mnohé krvné cievy v pľúcach javia ako rozšírené a opuchnuté a v menšej miere sa môžu vytvárať abnormálne zväzky drobných krvných ciev.
„Keď sa pozriete na štruktúru pľúc človeka, ktorý zomrel na COVID, nevyzerajú ako pľúca – je to neporiadok,“ povedal Tafolo.
Dodal, že aj v zdravých orgánoch skeny odhalili jemné anatomické rysy, ktoré neboli nikdy zaznamenané, pretože žiadny ľudský orgán nebol nikdy tak podrobne skúmaný.S viac ako 1 miliónom dolárov vo financovaní od Chan Zuckerberg Initiative (nezisková organizácia založená generálnym riaditeľom Facebooku Markom Zuckerbergom a Zuckerbergovou manželkou, lekárkou Priscillou Chan), tím HiP-CT v súčasnosti vytvára to, čo sa nazýva atlas ľudských orgánov.
Tím zatiaľ zverejnil skeny piatich orgánov – srdca, mozgu, obličiek, pľúc a sleziny – na základe orgánov, ktoré darovali Ackermann a Jonigk počas ich pitvy COVID-19 v Nemecku, a zdravotného „kontrolného“ orgánu LADAF.Anatomické laboratórium Grenoble.Tím vytvoril údaje, ako aj letové filmy na základe údajov, ktoré sú voľne dostupné na internete.Atlas ľudských orgánov sa rýchlo rozširuje: naskenovaných bolo ďalších 30 orgánov a ďalších 80 je v rôznych štádiách prípravy.Takmer 40 rôznych výskumných skupín kontaktovalo tím, aby sa dozvedeli viac o prístupe, povedal Li.
UCL kardiológ Cook vidí veľký potenciál v používaní HiP-CT na pochopenie základnej anatómie.Rádiológ UCL Joe Jacob, ktorý sa špecializuje na pľúcne ochorenia, povedal, že HiP-CT bude „neoceniteľné pre pochopenie chorôb“, najmä v trojrozmerných štruktúrach, ako sú krvné cievy.
Do boja sa dostali aj umelci.Barney Steele z londýnskeho experimentálneho umeleckého kolektívu Marshmallow Laser Feast hovorí, že aktívne skúma, ako možno dáta HiP-CT skúmať v pohlcujúcej virtuálnej realite."V podstate vytvárame cestu cez ľudské telo," povedal.
Ale napriek všetkým prísľubom HiP-CT existujú vážne problémy.Po prvé, hovorí Walsh, skenovanie HiP-CT generuje „ohromujúce množstvo údajov“, ľahko terabajt na orgán.Aby mohli lekári používať tieto skeny v reálnom svete, výskumníci dúfajú, že vyvinú cloudové rozhranie na ich navigáciu, ako napríklad Google Maps pre ľudské telo.
Potrebovali tiež uľahčiť konverziu skenov na funkčné 3D modely.Ako všetky metódy CT skenovania, HiP-CT funguje tak, že zoberie veľa 2D rezov daného objektu a poskladá ich dohromady.Dokonca aj dnes sa väčšina tohto procesu vykonáva ručne, najmä pri skenovaní abnormálneho alebo chorého tkaniva.Lee a Walsh tvrdia, že prioritou tímu HiP-CT je vyvinúť metódy strojového učenia, ktoré môžu túto úlohu uľahčiť.
Tieto výzvy sa budú rozširovať, keď sa bude rozširovať atlas ľudských orgánov a výskumníci budú čoraz ambicióznejší.Tím HiP-CT používa najnovšie zariadenie s lúčom ESRF s názvom BM18 na pokračovanie v skenovaní orgánov projektu.BM18 produkuje väčší röntgenový lúč, čo znamená, že skenovanie trvá menej času a röntgenový detektor BM18 možno umiestniť až 125 stôp (38 metrov) od snímaného objektu, vďaka čomu je skenovanie jasnejšie.Výsledky BM18 sú už veľmi dobré, hovorí Taforo, ktorý preskenoval niektoré pôvodné vzorky Atlasu ľudských orgánov na novom systéme.
BM18 dokáže skenovať aj veľmi veľké objekty.S novým zariadením tím plánuje do konca roka 2023 naskenovať celé torzo ľudského tela jedným ťahom.
Pri skúmaní obrovského potenciálu technológie Taforo povedal: „Sme naozaj len na začiatku.“
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Všetky práva vyhradené.