O nouă tehnică de scanare produce imagini cu detalii deosebite care ar putea revoluționa studiul anatomiei umane.
Când Paul Taforo a văzut primele sale imagini experimentale cu victime ale luminii COVID-19, a crezut că a eșuat.Paleontolog de pregătire, Taforo a petrecut luni de zile lucrând cu echipe din toată Europa pentru a transforma acceleratoarele de particule din Alpii francezi în instrumente revoluționare de scanare medicală.
Era la sfârșitul lui mai 2020, iar oamenii de știință erau dornici să înțeleagă mai bine modul în care COVID-19 distruge organele umane.Taforo a fost însărcinat să dezvolte o metodă care ar putea folosi razele X de mare putere produse de instalația europeană de radiații sincrotron (ESRF) din Grenoble, Franța.În calitate de om de știință ESRF, el a depășit limitele razelor X de înaltă rezoluție ale fosilelor de rocă și ale mumiilor uscate.Acum era îngrozit de masa moale și lipicioasă de prosoape de hârtie.
Imaginile le-au arătat mai multe detalii decât orice scanare CT medicală pe care o văzuseră până acum, permițându-le să depășească lacunele încăpățânate în modul în care oamenii de știință și medicii vizualizează și înțeleg organele umane.„În manualele de anatomie, când îl vezi, este la scară mare, este la scară mică și sunt imagini frumoase desenate manual dintr-un singur motiv: sunt interpretări artistice pentru că nu avem imagini”, University College London (UCL) ) spus..Cercetătorul principal Claire Walsh a spus.„Pentru prima dată putem face lucrul real.”
Taforo și Walsh fac parte dintr-o echipă internațională de peste 30 de cercetători care au creat o nouă tehnică puternică de scanare cu raze X numită tomografie ierarhică cu contrast de fază (HiP-CT).Cu el, ei pot trece în sfârșit de la un organ uman complet la o vedere extinsă a celor mai mici vase de sânge ale corpului sau chiar a celulelor individuale.
Această metodă oferă deja o nouă perspectivă asupra modului în care COVID-19 dăunează și remodelează vasele de sânge din plămâni.Deși perspectivele sale pe termen lung sunt dificil de determinat, deoarece nimic ca HiP-CT nu a mai existat vreodată, cercetătorii încântați de potențialul său își imaginează cu entuziasm noi modalități de a înțelege boala și de a mapa anatomia umană cu o hartă topografică mai precisă.
Cardiologul UCL Andrew Cooke a spus: „Majoritatea oamenilor ar putea fi surprinși că am studiat anatomia inimii de sute de ani, dar nu există un consens cu privire la structura normală a inimii, în special a inimii... Celulele musculare și cum se schimbă aceasta. când inima bate.”
„Am așteptat toată cariera mea”, a spus el.
Tehnica HiP-CT a început când doi patologi germani s-au întrecut pentru a urmări efectele punitive ale virusului SARS-CoV-2 asupra corpului uman.
Danny Jonigk, patolog toracic la Școala de Medicină din Hanovra, și Maximilian Ackermann, patolog la Centrul Medical Universitar din Mainz, erau în alertă maximă, când știrile despre cazul neobișnuit de pneumonie au început să se răspândească în China.Ambii aveau experiență în tratarea afecțiunilor pulmonare și au știut imediat că COVID-19 este neobișnuit.Cuplul a fost deosebit de îngrijorat de rapoartele de „hipoxie tăcută” care i-a ținut treji pe pacienții cu COVID-19, dar a făcut ca nivelul lor de oxigen din sânge să scadă.
Ackermann și Jonig bănuiesc că SARS-CoV-2 atacă cumva vasele de sânge din plămâni.Când boala sa răspândit în Germania în martie 2020, cuplul a început autopsiile victimelor COVID-19.Ei și-au testat curând ipoteza vasculară prin injectarea de rășină în mostre de țesut și apoi dizolvarea țesutului în acid, lăsând un model precis al vascularizației originale.
Folosind această tehnică, Ackermann și Jonigk au comparat țesuturile de la persoane care nu au murit de COVID-19 cu cele de la persoane care au murit.Ei au văzut imediat că la victimele COVID-19, cele mai mici vase de sânge din plămâni au fost răsucite și reconstruite.Aceste rezultate de referință, publicate online în mai 2020, arată că COVID-19 nu este strict o boală respiratorie, ci mai degrabă o boală vasculară care poate afecta organele din întregul corp.
„Dacă parcurgeți corpul și aliniați toate vasele de sânge, obțineți 60.000 până la 70.000 de mile, care este de două ori distanța în jurul ecuatorului”, a spus Ackermann, un patolog din Wuppertal, Germania..El a adăugat că, dacă doar 1% din aceste vase de sânge ar fi atacate de virus, fluxul sanguin și capacitatea de a absorbi oxigenul ar fi compromise, ceea ce ar putea duce la consecințe devastatoare pentru întregul organ.
Odată ce Jonigk și Ackermann și-au dat seama de impactul COVID-19 asupra vaselor de sânge, au realizat că trebuie să înțeleagă mai bine daunele.
Razele X medicale, cum ar fi scanările CT, pot oferi vederi ale organelor întregi, dar nu au o rezoluție suficient de mare.O biopsie permite oamenilor de știință să examineze mostre de țesut la microscop, dar imaginile rezultate reprezintă doar o mică parte din întregul organ și nu pot arăta cum se dezvoltă COVID-19 în plămâni.Și tehnica rășinii dezvoltată de echipa necesită dizolvarea țesutului, ceea ce distruge proba și limitează cercetările ulterioare.
„La sfârșitul zilei, [plămânii] primesc oxigen și dioxidul de carbon se stinge, dar pentru asta, are mii de kilometri de vase de sânge și capilare, distanțate foarte mici... este aproape un miracol”, a spus Jonigk, fondatorul. investigator principal la Centrul German de Cercetare a Plămânilor.„Deci, cum putem evalua cu adevărat ceva atât de complex ca COVID-19 fără a distruge organe?”
Jonigk și Ackermann aveau nevoie de ceva fără precedent: o serie de raze X ale aceluiași organ care să permită cercetătorilor să mărească părți ale organului la scară celulară.În martie 2020, duoul german l-a contactat pe colaboratorul lor de lungă durată Peter Lee, om de știință în materiale și președinte de tehnologii emergente la UCL.Specialitatea lui Lee este studiul materialelor biologice folosind raze X puternice, așa că gândurile sale s-au îndreptat imediat către Alpii francezi.
Centrul European de Radiații Sincrotron este situat pe o zonă triunghiulară de pământ în partea de nord-vest a Grenoblei, unde două râuri se întâlnesc.Obiectul este un accelerator de particule care trimite electroni pe orbite circulare lungi de o jumătate de milă, la aproape viteza luminii.Pe măsură ce acești electroni se rotesc în cerc, magneții puternici de pe orbită deformează fluxul de particule, determinând electronii să emită unele dintre cele mai strălucitoare raze X din lume.
Această radiație puternică permite ESRF să spioneze obiecte la scară micrometrică sau chiar nanometrică.Este adesea folosit pentru a studia materiale precum aliaje și compozite, pentru a studia structura moleculară a proteinelor și chiar pentru a reconstrui fosile antice fără a separa piatra de os.Ackermann, Jonigk și Lee au vrut să folosească instrumentul gigant pentru a lua cele mai detaliate raze X ale organelor umane din lume.
Intră Taforo, a cărui activitate la ESRF a depășit limitele a ceea ce poate vedea scanarea cu sincrotron.Gama sa impresionantă de trucuri le-a permis anterior oamenilor de știință să cerceteze în interiorul ouălor de dinozaur și aproape să deschidă mumiile, iar aproape imediat Taforo a confirmat că, teoretic, sincrotronii ar putea scana bine întregi lobi pulmonari.Dar, de fapt, scanarea întregilor organe umane este o provocare uriașă.
Pe de o parte, există problema comparației.Razele X standard creează imagini bazate pe cantitatea de radiație absorbită de diferite materiale, elementele mai grele absorbind mai mult decât cele mai ușoare.Țesuturile moi sunt alcătuite în mare parte din elemente ușoare — carbon, hidrogen, oxigen etc. — așa că nu apar clar pe o radiografie medicală clasică.
Unul dintre lucrurile grozave despre ESRF este faptul că fasciculul său de raze X este foarte coerent: lumina călătorește în valuri, iar în cazul ESRF, toate razele sale X încep la aceeași frecvență și aliniament, oscilând constant, precum urmele lăsate. de Reik printr-o grădină zen.Dar pe măsură ce aceste raze X trec prin obiect, diferențele subtile de densitate pot face ca fiecare rază X să se abate ușor de la cale, iar diferența devine mai ușor de detectat pe măsură ce razele X se îndepărtează mai mult de obiect.Aceste abateri pot dezvălui diferențe subtile de densitate în cadrul unui obiect, chiar dacă acesta este alcătuit din elemente ușoare.
Dar stabilitatea este o altă problemă.Pentru a lua o serie de raze X mărite, organul trebuie fixat în forma sa naturală, astfel încât să nu se îndoaie sau să se miște mai mult de o miime de milimetru.Mai mult, radiografiile succesive ale aceluiași organ nu se vor potrivi între ele.Inutil să spun, totuși, corpul poate fi foarte flexibil.
Lee și echipa sa de la UCL și-au propus să proiecteze containere care să reziste la razele X sincrotron, în timp ce lasă cât mai multe valuri să treacă.Lee s-a ocupat, de asemenea, de organizarea generală a proiectului - de exemplu, detaliile transportului de organe umane între Germania și Franța - și l-a angajat pe Walsh, care este specializat în big data biomedicală, pentru a-și da seama cum să analizeze scanările.Înapoi în Franța, munca lui Taforo a inclus îmbunătățirea procedurii de scanare și descoperirea modului de depozitare a organului în containerul pe care echipa lui Lee îl construia.
Tafforo știa că pentru ca organele să nu se descompună, iar imaginile să fie cât mai clare, acestea trebuie prelucrate cu mai multe porții de etanol apos.De asemenea, știa că trebuie să stabilizeze organul pe ceva care se potrivește exact cu densitatea organului.Planul său era să plaseze cumva organele în agar bogat în etanol, o substanță asemănătoare jeleului extrasă din alge marine.
Cu toate acestea, diavolul este în detalii – ca și în cea mai mare parte a Europei, Taforo este blocat acasă și închis.Așa că Taforo și-a mutat cercetarea într-un laborator de acasă: a petrecut ani de zile decorând o fostă bucătărie de dimensiuni medii cu imprimante 3D, echipamente chimice de bază și instrumente folosite pentru a pregăti oasele de animale pentru cercetarea anatomică.
Taforo a folosit produse de la magazinul local pentru a-și da seama cum să facă agar.El chiar colectează apa pluvială de pe un acoperiș pe care l-a curățat recent pentru a face apă demineralizată, un ingredient standard în formulele de agar de laborator.Pentru a exersa ambalarea organelor în agar, a luat intestine de porc de la un abator local.
Taforo a fost autorizat să se întoarcă la ESRF la jumătatea lunii mai pentru prima scanare pulmonară de testare a porcilor.Din mai până în iunie, a pregătit și a scanat lobul pulmonar stâng al unui bărbat de 54 de ani care a murit de COVID-19, pe care Ackermann și Jonig l-au dus din Germania la Grenoble.
„Când am văzut prima imagine, a fost o scrisoare de scuze în e-mailul meu către toți cei implicați în proiect: am eșuat și nu am putut obține o scanare de înaltă calitate”, a spus el.„Tocmai le-am trimis două poze care au fost groaznice pentru mine, dar grozave pentru ei.”
Pentru Lee de la Universitatea din California, Los Angeles, imaginile sunt uimitoare: imaginile întregului organ sunt similare scanărilor CT medicale standard, dar „de un milion de ori mai informative”.Este ca și cum exploratorul a studiat pădurea toată viața, fie zburând deasupra pădurii într-un avion uriaș cu reacție, fie călătorind de-a lungul potecă.Acum se înalță deasupra baldachinului ca păsările pe aripi.
Echipa a publicat prima sa descriere completă a abordării HiP-CT în noiembrie 2021, iar cercetătorii au lansat și detalii despre modul în care COVID-19 afectează anumite tipuri de circulație în plămâni.
Scanarea a avut, de asemenea, un beneficiu neașteptat: i-a ajutat pe cercetători să convingă prietenii și familia să se vaccineze.În cazurile severe de COVID-19, multe vase de sânge din plămâni par dilatate și umflate și, într-o măsură mai mică, se pot forma mănunchiuri anormale de vase de sânge minuscule.
„Când te uiți la structura unui plămân de la o persoană care a murit de COVID, nu arată ca un plămân – este o mizerie”, a spus Tafolo.
El a adăugat că, chiar și în organele sănătoase, scanările au scos la iveală trăsături anatomice subtile care nu au fost niciodată înregistrate, deoarece niciun organ uman nu a fost vreodată examinat atât de detaliat.Cu o finanțare de peste 1 milion de dolari de la Chan Zuckerberg Initiative (o organizație non-profit fondată de CEO-ul Facebook Mark Zuckerberg și de soția lui Zuckerberg, medicul Priscilla Chan), echipa HiP-CT creează în prezent ceea ce se numește un atlas al organelor umane.
Până acum, echipa a lansat scanări a cinci organe - inima, creierul, rinichii, plămânii și splina - pe baza organelor donate de Ackermann și Jonigk în timpul autopsiei lor COVID-19 în Germania și a organului de „control” al sănătății LADAF.Laboratorul de anatomie din Grenoble.Echipa a produs datele, precum și filmele de zbor, pe baza datelor care sunt disponibile gratuit pe internet.Atlasul organelor umane se extinde rapid: alte 30 de organe au fost scanate, iar alte 80 se află în diferite stadii de pregătire.Aproape 40 de grupuri de cercetare diferite au contactat echipa pentru a afla mai multe despre abordare, a spus Li.
Cardiologul UCL Cook vede un mare potențial în utilizarea HiP-CT pentru a înțelege anatomia de bază.Radiologul UCL Joe Jacob, care este specializat în boli pulmonare, a spus că HiP-CT va fi „de neprețuit pentru înțelegerea bolii”, în special în structurile tridimensionale, cum ar fi vasele de sânge.
Până și artiștii au intrat în luptă.Barney Steele, de la colectivul de artă experiențială Marshmallow Laser Feast din Londra, spune că investighează în mod activ modul în care datele HiP-CT pot fi explorate în realitatea virtuală imersivă.„În esență, creăm o călătorie prin corpul uman”, a spus el.
Dar, în ciuda tuturor promisiunilor HiP-CT, există probleme serioase.În primul rând, spune Walsh, o scanare HiP-CT generează o „cantitate uluitoare de date”, cu ușurință un terabyte per organ.Pentru a permite clinicienilor să utilizeze aceste scanări în lumea reală, cercetătorii speră să dezvolte o interfață bazată pe cloud pentru navigarea lor, cum ar fi Google Maps pentru corpul uman.
De asemenea, trebuiau să faciliteze conversia scanărilor în modele 3D viabile.Ca toate metodele de scanare CT, HiP-CT funcționează prin luarea mai multor felii 2D ale unui obiect dat și stivuirea lor împreună.Chiar și astăzi, o mare parte din acest proces se face manual, mai ales atunci când se scanează țesut anormal sau bolnav.Lee și Walsh spun că prioritatea echipei HiP-CT este de a dezvolta metode de învățare automată care pot face această sarcină mai ușoară.
Aceste provocări se vor extinde pe măsură ce atlasul organelor umane se va extinde și cercetătorii devin mai ambițioși.Echipa HiP-CT folosește cel mai recent dispozitiv cu fascicul ESRF, numit BM18, pentru a continua scanarea organelor proiectului.BM18 produce un fascicul de raze X mai mare, ceea ce înseamnă că scanarea durează mai puțin, iar detectorul de raze X BM18 poate fi plasat la până la 125 de picioare (38 de metri) de obiectul scanat, făcându-l să scaneze mai clar.Rezultatele BM18 sunt deja foarte bune, spune Taforo, care a scanat din nou unele dintre probele originale de Human Organ Atlas pe noul sistem.
BM18 poate scana și obiecte foarte mari.Cu noua facilitate, echipa intenționează să scaneze întregul trunchi al corpului uman dintr-o singură lovitură până la sfârșitul anului 2023.
Explorând potențialul enorm al tehnologiei, Taforo a spus: „Suntem cu adevărat la început”.
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Toate drepturile rezervate.