Nova tehnika skeniranja proizvodi slike s velikim detaljima koje bi mogle revolucionirati proučavanje ljudske anatomije.
Kada je Paul Taforo vidio svoje prve eksperimentalne slike žrtava svjetlosti COVID-19, mislio je da nije uspio.Paleontolog po obrazovanju, Taforo je proveo mjesece radeći sa timovima širom Evrope kako bi pretvorio akceleratore čestica u francuskim Alpima u revolucionarne medicinske alate za skeniranje.
Bilo je to krajem maja 2020. godine i naučnici su bili željni da bolje razumiju kako COVID-19 uništava ljudske organe.Taforo je dobio zadatak da razvije metodu koja bi mogla koristiti rendgenske zrake velike snage proizvedene u Evropskom postrojenju za sinhrotronsko zračenje (ESRF) u Grenobleu u Francuskoj.Kao naučnik ESRF-a, pomaknuo je granice rendgenskih zraka visoke rezolucije fosila stijena i osušenih mumija.Sada se plašio meke, ljepljive mase papirnih ubrusa.
Slike su im pokazale više detalja od bilo kojeg medicinskog CT skeniranja koji su ikada ranije vidjeli, omogućavajući im da prevaziđu tvrdoglave praznine u načinu na koji naučnici i doktori vizualiziraju i razumiju ljudske organe.„U udžbenicima anatomije, kada to vidite, to je velikog obima, malog je i prelijepe su rukom nacrtane slike iz jednog razloga: to su umjetničke interpretacije jer nemamo slike“, Univerzitetski koledž u Londonu (UCL ) rekao je..rekla je viša istraživačica Claire Walsh.“Prvi put možemo učiniti pravu stvar.”
Taforo i Walsh su dio međunarodnog tima od više od 30 istraživača koji su stvorili moćnu novu tehniku ​​skeniranja rendgenskih zraka pod nazivom Hierarchical Phase Contrast Tomography (HiP-CT).Uz to, oni konačno mogu preći od kompletnog ljudskog organa do proširenog prikaza najsitnijih krvnih sudova ili čak pojedinačnih ćelija.
Ova metoda već pruža novi uvid u to kako COVID-19 oštećuje i preoblikuje krvne sudove u plućima.Iako je teško odrediti njegove dugoročne izglede jer ništa poput HiP-CT nikada prije nije postojalo, istraživači uzbuđeni njegovim potencijalom s entuzijazmom zamišljaju nove načine razumijevanja bolesti i mapiranja ljudske anatomije pomoću preciznije topografske karte.
Kardiolog UCL Andrew Cooke rekao je: „Većina ljudi može biti iznenađena što proučavamo anatomiju srca stotinama godina, ali ne postoji konsenzus o normalnoj strukturi srca, posebno srca… Mišićne ćelije i kako se ona mijenja kada srce kuca.”
“Čekao sam cijelu svoju karijeru”, rekao je.
HiP-CT tehnika je počela kada su se dva njemačka patologa nadmetala u praćenju kaznenih učinaka virusa SARS-CoV-2 na ljudsko tijelo.
Danny Jonigk, torakalni patolog na Medicinskom fakultetu u Hanoveru, i Maximilian Ackermann, patolog sa Univerzitetskog medicinskog centra u Majncu, bili su u stanju pripravnosti jer su vijesti o neobičnom slučaju upale pluća počele da se šire Kinom.Obojica su imali iskustva u liječenju bolesti pluća i odmah su znali da je COVID-19 neobičan.Par je bio posebno zabrinut zbog izvještaja o “tihi hipoksiji” koja je držala pacijente s COVID-19 budnima, ali je uzrokovala da im nivo kiseonika u krvi opadne.
Ackermann i Jonig sumnjaju da SARS-CoV-2 na neki način napada krvne sudove u plućima.Kada se bolest proširila na Njemačku u martu 2020. godine, par je započeo autopsiju žrtava COVID-19.Ubrzo su testirali svoju vaskularnu hipotezu ubrizgavanjem smole u uzorke tkiva, a zatim otapanjem tkiva u kiselini, ostavljajući precizan model originalne vaskulature.
Koristeći ovu tehniku, Ackermann i Jonigk su uporedili tkiva ljudi koji nisu umrli od COVID-19 s onima od ljudi koji su umrli.Odmah su vidjeli da su se kod žrtava COVID-19 izvrnuli i rekonstruirali najmanji krvni sudovi u plućima.Ovi značajni rezultati, objavljeni na internetu u maju 2020., pokazuju da COVID-19 nije striktno respiratorna bolest, već vaskularna bolest koja može utjecati na organe u cijelom tijelu.
“Ako prođete kroz tijelo i poravnate sve krvne sudove, dobit ćete 60.000 do 70.000 milja, što je dvostruko više od udaljenosti oko ekvatora”, rekao je Ackermann, patolog iz Wuppertala u Njemačkoj..Dodao je da ako samo 1 posto ovih krvnih žila napadne virus, protok krvi i sposobnost apsorpcije kisika bi bili ugroženi, što bi moglo dovesti do razornih posljedica za cijeli organ.
Kada su Jonigk i Ackermann shvatili utjecaj COVID-19 na krvne sudove, shvatili su da trebaju bolje razumjeti štetu.
Medicinski rendgenski snimci, poput CT skeniranja, mogu pružiti pregled cijelih organa, ali nisu dovoljno visoke rezolucije.Biopsija omogućava naučnicima da ispitaju uzorke tkiva pod mikroskopom, ali dobijene slike predstavljaju samo mali dio cijelog organa i ne mogu pokazati kako se COVID-19 razvija u plućima.A tehnika smole koju je tim razvio zahtijeva otapanje tkiva, što uništava uzorak i ograničava daljnja istraživanja.
„Na kraju dana, [pluća] dobijaju kiseonik i ugljični dioksid izlazi van, ali za to ima hiljade milja krvnih sudova i kapilara, vrlo tanko raspoređenih… to je gotovo čudo“, rekao je Jonigk, osnivač. glavni istraživač u njemačkom centru za istraživanje pluća.“Pa kako možemo zaista procijeniti nešto tako složeno kao što je COVID-19, a da ne uništimo organe?”
Jonigku i Ackermannu je bilo potrebno nešto bez presedana: serija rendgenskih snimaka istog organa koji bi omogućili istraživačima da povećaju dijelove organa do ćelijske skale.U martu 2020. njemački dvojac kontaktirao je svog dugogodišnjeg saradnika Petera Leea, naučnika za materijale i predsjedavajućeg za nove tehnologije na UCL.Leejeva specijalnost je proučavanje bioloških materijala pomoću moćnih rendgenskih zraka, pa su se njegove misli odmah okrenule francuskim Alpima.
Evropski centar za sinhrotronsko zračenje nalazi se na trouglastom dijelu zemlje u sjeverozapadnom dijelu Grenobla, gdje se spajaju dvije rijeke.Objekat je akcelerator čestica koji šalje elektrone u kružne orbite duge pola milje pri skoro brzini svjetlosti.Dok se ovi elektroni vrte u krugovima, moćni magneti u orbiti iskrivljuju tok čestica, uzrokujući da elektroni emituju neke od najsjajnijih rendgenskih zraka na svijetu.
Ovo snažno zračenje omogućava ESRF-u da špijunira objekte na mikrometarskoj ili čak nanometarskoj skali.Često se koristi za proučavanje materijala kao što su legure i kompoziti, za proučavanje molekularne strukture proteina, pa čak i za rekonstrukciju drevnih fosila bez odvajanja kamena od kosti.Ackermann, Jonigk i Lee željeli su koristiti džinovski instrument da snime najdetaljnije rendgenske snimke ljudskih organa na svijetu.
Uđite u Taforo, čiji je rad u ESRF-u pomjerio granice onoga što sinhrotronsko skeniranje može vidjeti.Njegov impresivan niz trikova ranije je omogućio naučnicima da zavire u jaja dinosaurusa i zamalo iseku mumije, a Taforo je skoro odmah potvrdio da sinhrotroni teoretski mogu dobro da skeniraju čitave plućne režnjeve.Ali u stvari, skeniranje čitavih ljudskih organa je veliki izazov.
S jedne strane, postoji problem poređenja.Standardni rendgenski zraci stvaraju slike na osnovu toga koliko zračenja apsorbuju različiti materijali, pri čemu teži elementi apsorbuju više od lakših.Meka tkiva se uglavnom sastoje od lakih elemenata — ugljenika, vodonika, kiseonika, itd. — tako da se ne vide jasno na klasičnom medicinskom rendgenskom snimku.
Jedna od sjajnih stvari kod ESRF-a je da je njegov snop rendgenskih zraka vrlo koherentan: svjetlost putuje u valovima, au slučaju ESRF-a, svi njegovi rendgenski zraci počinju na istoj frekvenciji i poravnanju, stalno osciliraju, poput otisaka stopala. od Reika kroz zen vrt.Ali kako ovi rendgenski zraci prolaze kroz objekat, suptilne razlike u gustoći mogu uzrokovati da svaki rendgenski zrak lagano odstupi od putanje, a razliku postaje lakše otkriti kako se rendgenski zraci udaljavaju dalje od objekta.Ova odstupanja mogu otkriti suptilne razlike u gustoći unutar objekta, čak i ako se sastoji od svjetlosnih elemenata.
Ali stabilnost je drugo pitanje.Da bi se napravio niz uvećanih rendgenskih zraka, organ mora biti fiksiran u svom prirodnom obliku tako da se ne savija ili pomjera više od hiljaditi dio milimetra.Štaviše, uzastopni rendgenski snimci istog organa neće se međusobno podudarati.Nepotrebno je reći, međutim, da tijelo može biti vrlo fleksibilno.
Lee i njegov tim na UCL-u imali su za cilj dizajnirati kontejnere koji bi mogli izdržati sinhrotronske rendgenske zrake, a da pritom propuštaju što više valova.Lee se također bavio cjelokupnom organizacijom projekta – na primjer, detaljima transporta ljudskih organa između Njemačke i Francuske – i unajmio Walsha, koji je specijaliziran za biomedicinske velike podatke, da pomogne u pronalaženju kako analizirati skenove.U Francuskoj, Taforov rad uključivao je poboljšanje procedure skeniranja i pronalaženje načina za skladištenje organa u kontejneru koji je Leejev tim gradio.
Taforo je znao da kako se organi ne bi raspadali, a slike bile što jasnije, moraju se obraditi sa nekoliko porcija vodenog etanola.Takođe je znao da treba da stabilizuje organ na nečemu što tačno odgovara gustini organa.Njegov plan je bio da nekako stavi organe u agar bogat etanolom, supstancu nalik želeu koja se ekstrahuje iz morskih algi.
Međutim, đavo je u detaljima – kao iu većini Evrope, Taforo je zaglavljen kod kuće i zatvoren.Tako je Taforo svoje istraživanje preselio u kućnu laboratoriju: proveo je godine ukrašavajući bivšu kuhinju srednje veličine 3D štampačima, osnovnom hemijskom opremom i alatima koji se koriste za pripremu životinjskih kostiju za anatomska istraživanja.
Taforo je koristio proizvode iz lokalne trgovine kako bi smislio kako napraviti agar.On čak skuplja oborinsku vodu sa krova koji je nedavno očistio da bi napravio demineralizovanu vodu, standardni sastojak u formulama za laboratorijski agar.Da bi vježbao pakovanje organa u agar, uzeo je svinjska crijeva iz lokalne klaonice.
Taforo je dobio dozvolu da se vrati u ESRF sredinom maja radi prvog testnog skeniranja pluća svinja.Od maja do juna pripremao je i skenirao režanj lijevog pluća 54-godišnjeg muškarca koji je preminuo od COVID-19, kojeg su Ackermann i Jonig odvezli iz Njemačke u Grenoble.
“Kada sam vidio prvu sliku, u mejlu je bilo pismo izvinjenja svima koji su uključeni u projekat: nismo uspjeli i nisam mogao dobiti visokokvalitetno skeniranje,” rekao je.“Upravo sam im poslao dvije slike koje su bile užasne za mene, ali odlične za njih.”
Za Leeja sa Kalifornijskog univerziteta u Los Angelesu, slike su zapanjujuće: slike cijelog organa slične su standardnim medicinskim CT skeniranjima, ali "milion puta informativnije".Kao da je istraživač cijeli život proučavao šumu, bilo da leti iznad šume u džinovskom mlaznom avionu, bilo da putuje duž staze.Sada se uzdižu iznad krošnje kao ptice na krilima.
Tim je objavio svoj prvi potpuni opis HiP-CT pristupa u novembru 2021., a istraživači su objavili i detalje o tome kako COVID-19 utječe na određene vrste cirkulacije u plućima.
Skeniranje je također imalo neočekivanu korist: pomoglo je istraživačima da uvjere prijatelje i porodicu da se vakcinišu.U teškim slučajevima COVID-19, mnoge krvne žile u plućima izgledaju proširene i natečene, a u manjoj mjeri mogu se formirati abnormalni snopovi sitnih krvnih žila.
„Kada pogledate strukturu pluća osobe koja je umrla od COVID-a, to ne izgleda kao pluća – to je nered“, rekao je Tafolo.
Dodao je da su čak i kod zdravih organa snimci otkrili suptilne anatomske karakteristike koje nikada nisu zabilježene jer nijedan ljudski organ nikada nije bio tako detaljno pregledan.Uz više od milion dolara sredstava iz Chan Zuckerberg Initiative (neprofitne organizacije koju su osnovali izvršni direktor Facebooka Mark Zuckerberg i Zuckerbergova supruga, doktorica Priscilla Chan), HiP-CT tim trenutno stvara ono što se zove atlas ljudskih organa.
Do sada je tim objavio snimke pet organa - srca, mozga, bubrega, pluća i slezine - na osnovu organa koje su donirali Ackermann i Jonigk tokom njihove autopsije COVID-19 u Njemačkoj i organa za kontrolu zdravlja LADAF.Anatomska laboratorija u Grenoblu.Tim je napravio podatke, kao i filmove o letovima, na osnovu podataka koji su slobodno dostupni na internetu.Atlas ljudskih organa ubrzano se širi: još 30 organa je skenirano, a još 80 je u različitim fazama pripreme.Skoro 40 različitih istraživačkih grupa kontaktiralo je tim kako bi saznali više o pristupu, rekao je Li.
UCL kardiolog Cook vidi veliki potencijal u korištenju HiP-CT za razumijevanje osnovne anatomije.Radiolog sa UCL-a Joe Jacob, koji je specijaliziran za plućne bolesti, rekao je da će HiP-CT biti "neprocjenjiv za razumijevanje bolesti", posebno u trodimenzionalnim strukturama kao što su krvni sudovi.
Čak su i umjetnici ušli u borbu.Barney Steele iz londonskog iskustvenog umjetničkog kolektiva Marshmallow Laser Feast kaže da aktivno istražuje kako HiP-CT podaci mogu biti istraženi u impresivnoj virtualnoj stvarnosti."U suštini, mi kreiramo putovanje kroz ljudsko tijelo", rekao je.
Ali uprkos svim obećanjima HiP-CT-a, postoje ozbiljni problemi.Prvo, kaže Walsh, HiP-CT skeniranje generiše "nevjerovatnu količinu podataka", jednostavno terabajt po organu.Kako bi kliničarima omogućili korištenje ovih skeniranja u stvarnom svijetu, istraživači se nadaju da će razviti interfejs zasnovan na oblaku za navigaciju po njima, kao što je Google Maps za ljudsko tijelo.
Također su trebali olakšati pretvaranje skeniranih slika u 3D modele koji se mogu raditi.Kao i sve metode CT skeniranja, HiP-CT radi tako što uzima mnogo 2D rezova datog objekta i slaže ih zajedno.Čak i danas, veliki dio ovog procesa se obavlja ručno, posebno kada se skenira abnormalno ili bolesno tkivo.Lee i Walsh kažu da je prioritet HiP-CT tima razvoj metoda mašinskog učenja koje mogu olakšati ovaj zadatak.
Ovi izazovi će se širiti kako se atlas ljudskih organa širi i istraživači postaju ambiciozniji.HiP-CT tim koristi najnoviji ESRF snop uređaj, nazvan BM18, da nastavi skeniranje organa projekta.BM18 proizvodi veći snop rendgenskih zraka, što znači da skeniranje traje manje vremena, a BM18 detektor rendgenskih zraka može se postaviti do 125 stopa (38 metara) od objekta koji se skenira, što ga čini jasnijim.Rezultati BM18 su već vrlo dobri, kaže Taforo, koji je ponovo skenirao neke od originalnih uzoraka Atlasa ljudskih organa na novom sistemu.
BM18 može skenirati i vrlo velike objekte.Tim novim postrojenjem planira skenirati cijeli torzo ljudskog tijela jednim potezom do kraja 2023. godine.
Istražujući ogroman potencijal tehnologije, Taforo je rekao: "Mi smo zaista tek na početku."
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Sva prava zadržana.