Uusi skannaustekniikka tuottaa yksityiskohtaisia ​​kuvia, jotka voivat mullistaa ihmisen anatomian tutkimuksen.
Kun Paul Taforo näki ensimmäiset kokeelliset kuvansa COVID-19-valon uhreista, hän luuli epäonnistuneensa.Koulutukseltaan paleontologi Taforo työskenteli kuukausia työryhmien kanssa eri puolilla Eurooppaa muuttaakseen Ranskan Alpeilla sijaitsevista hiukkaskiihdyttimistä vallankumouksellisia lääketieteellisiä skannaustyökaluja.
Se oli toukokuun 2020 lopussa, ja tutkijat halusivat ymmärtää paremmin, kuinka COVID-19 tuhoaa ihmisen elimiä.Taforo sai tehtäväkseen kehittää menetelmä, joka voisi käyttää suuritehoisia röntgensäteitä, jotka on tuotettu European Synchrotron Radiation Facilityn (ESRF) Grenoblessa, Ranskassa.ESRF-tutkijana hän on rikkonut kivifossiileista ja kuivatuista muumioista tehtyjen korkearesoluutioisten röntgensäteiden rajoja.Nyt hän pelkäsi pehmeää, tahmeaa paperipyyhkeiden massaa.
Kuvat osoittivat heille enemmän yksityiskohtia kuin mikään lääketieteellinen CT-skannaus, jonka he olivat koskaan ennen nähneet, mikä antoi heille mahdollisuuden päästä eroon siitä, miten tutkijat ja lääkärit visualisoivat ja ymmärtävät ihmisen elimiä."Anatomian oppikirjoissa, kun näet sen, se on suuressa mittakaavassa, se on pieni mittakaava, ja ne ovat kauniita käsin piirrettyjä kuvia yhdestä syystä: ne ovat taiteellisia tulkintoja, koska meillä ei ole kuvia", University College London (UCL) ) sanoi..Vanhempi tutkija Claire Walsh sanoi."Ensimmäistä kertaa voimme tehdä oikeita asioita."
Taforo ja Walsh ovat osa kansainvälistä yli 30 tutkijan ryhmää, jotka ovat luoneet tehokkaan uuden röntgenskannaustekniikan nimeltä Hierarchical Phase Contrast Tomography (HiP-CT).Sen avulla he voivat vihdoin siirtyä täydellisestä ihmiselimestä laajennettuun näkymään kehon pienimmistä verisuonista tai jopa yksittäisistä soluista.
Tämä menetelmä tarjoaa jo uutta tietoa siitä, kuinka COVID-19 vaurioittaa ja uudistaa keuhkojen verisuonia.Vaikka sen pitkän aikavälin näkymiä on vaikea määrittää, koska mitään vastaavaa HiP-CT:tä ei ole koskaan ollut olemassa, sen potentiaalista innostuneet tutkijat suunnittelevat innostuneesti uusia tapoja ymmärtää sairauksia ja kartoittaa ihmisen anatomiaa tarkemmalla topografisella kartalla.
UCL-kardiologi Andrew Cooke sanoi: ”Useimmat ihmiset saattavat olla yllättyneitä siitä, että olemme tutkineet sydämen anatomiaa satoja vuosia, mutta sydämen, erityisesti sydämen, normaalista rakenteesta ei ole yksimielisyyttä… Lihassolut ja sen muutokset kun sydän lyö."
"Olen odottanut koko urani", hän sanoi.
HiP-CT-tekniikka sai alkunsa, kun kaksi saksalaista patologia kilpaili seuratakseen SARS-CoV-2-viruksen rankaisevia vaikutuksia ihmiskehoon.
Hannoverin lääketieteellisen koulun rintapatologi Danny Jonigk ja Mainzin yliopistollisen lääketieteellisen keskuksen patologi Maximilian Ackermann olivat valppaana, kun uutiset epätavallisesta keuhkokuumetapauksesta alkoivat levitä Kiinassa.Molemmilla oli kokemusta keuhkosairauksien hoidosta ja he tiesivät heti, että COVID-19 oli epätavallinen.Pariskunta oli erityisen huolissaan raporteista "hiljaisesta hypoksiasta", joka piti COVID-19-potilaat hereillä, mutta sai heidän veren happipitoisuutensa romahtamaan.
Ackermann ja Jonig epäilevät, että SARS-CoV-2 jotenkin hyökkää keuhkojen verisuonia vastaan.Kun tauti levisi Saksaan maaliskuussa 2020, pariskunta aloitti COVID-19-uhrien ruumiinavaukset.Pian he testasivat verisuonihypoteesiaan ruiskuttamalla hartsia kudosnäytteisiin ja liuottamalla sitten kudoksen happoon, jolloin jäljelle jäi tarkka malli alkuperäisestä verisuonistosta.
Käyttämällä tätä tekniikkaa Ackermann ja Jonigk vertasivat ihmisten kudoksia, jotka eivät kuolleet COVID-19:ään, niiden ihmisten kudoksiin, jotka kuolivat.He näkivät välittömästi, että COVID-19:n uhreilla keuhkojen pienimmät verisuonet vääntyivät ja rakennettiin uudelleen.Nämä merkittävät tulokset, jotka julkaistiin verkossa toukokuussa 2020, osoittavat, että COVID-19 ei ole varsinaisesti hengitystiesairaus, vaan verisuonisairaus, joka voi vaikuttaa elimiin kaikkialla kehossa.
"Jos kuljet kehon läpi ja kohdistat kaikki verisuonet kohdakkain, saat 60 000 - 70 000 mailia, mikä on kaksinkertainen etäisyys päiväntasaajasta", sanoi patologi Ackermann Wuppertalista Saksasta..Hän lisäsi, että jos virus hyökkää vain prosenttiin näistä verisuonista, verenvirtaus ja kyky imeä happea vaarantuisivat, mikä voisi johtaa tuhoisiin seurauksiin koko elimelle.
Kun Jonigk ja Ackermann ymmärsivät COVID-19:n vaikutuksen verisuoniin, he ymmärsivät, että heidän oli ymmärrettävä paremmin vauriot.
Lääketieteelliset röntgenkuvat, kuten CT-skannaukset, voivat tarjota näkymiä kokonaisista elimistä, mutta niiden resoluutio ei ole riittävän korkea.Biopsian avulla tutkijat voivat tutkia kudosnäytteitä mikroskoopilla, mutta saadut kuvat edustavat vain pientä osaa koko elimestä, eivätkä ne pysty osoittamaan, miten COVID-19 kehittyy keuhkoissa.Ja tiimin kehittämä hartsitekniikka vaatii kudoksen liuottamista, mikä tuhoaa näytteen ja rajoittaa jatkotutkimusta.
"Päivän lopussa [keuhkot] saavat happea ja hiilidioksidi poistuu, mutta sitä varten niissä on tuhansia kilometrejä verisuonia ja kapillaareja, hyvin ohuesti välimatkan päässä… se on melkein ihme", perustaja Jonigk sanoi. päätutkija Saksan keuhkotutkimuskeskuksessa."Joten kuinka voimme todella arvioida jotain niin monimutkaista kuin COVID-19 tuhoamatta elimiä?"
Jonigk ja Ackermann tarvitsivat jotain ennennäkemätöntä: sarjan röntgensäteitä samasta elimestä, jonka avulla tutkijat voisivat suurentaa elimen osia solumittakaavaan.Maaliskuussa 2020 saksalainen kaksikko otti yhteyttä pitkäaikaiseen yhteistyökumppaniinsa Peter Leeen, materiaalitutkijaan ja UCL:n uusien teknologioiden johtajaan.Leen erikoisala on biologisten materiaalien tutkimus voimakkaiden röntgensäteiden avulla, joten hänen ajatuksensa kääntyivät välittömästi Ranskan Alpeihin.
Euroopan synkrotronisäteilykeskus sijaitsee kolmion muotoisella maapalalla Grenoblen luoteisosassa, jossa kaksi jokea kohtaavat.Kohde on hiukkaskiihdytin, joka lähettää elektroneja puolen mailia pitkillä ympyräradoilla lähes valon nopeudella.Kun nämä elektronit pyörivät ympyröitä, voimakkaat magneetit kiertoradalla vääntävät hiukkasvirran, jolloin elektronit lähettävät joitain maailman kirkkaimmista röntgensäteistä.
Tämän voimakkaan säteilyn avulla ESRF voi vakoilla mikro- tai jopa nanometrin mittakaavassa olevia kohteita.Sitä käytetään usein materiaalien, kuten metalliseosten ja komposiittien, tutkimiseen, proteiinien molekyylirakenteen tutkimiseen ja jopa muinaisten fossiilien rekonstruoimiseen erottamatta kiveä luusta.Ackermann, Jonigk ja Lee halusivat käyttää jättiläisinstrumenttia ottamaan maailman yksityiskohtaisimmat röntgenkuvat ihmiselimistä.
Tulkaa sisään Taforo, jonka työ ESRF:ssä on siirtänyt synkrotroniskannauksen näkemisen rajoja.Sen vaikuttava temppuvalikoima oli aiemmin antanut tutkijoille mahdollisuuden kurkistaa dinosaurusten munien sisään ja melkein leikata muumioita, ja melkein heti Taforo vahvisti, että synkrotronit pystyivät teoriassa skannaamaan koko keuhkon lohkoa hyvin.Mutta itse asiassa kokonaisten ihmiselinten skannaus on valtava haaste.
Yhtäältä on vertailuongelma.Tavalliset röntgensäteet luovat kuvia sen perusteella, kuinka paljon säteilyä eri materiaalit absorboivat, ja raskaammat elementit absorboivat enemmän kuin kevyemmät.Pehmytkudokset koostuvat enimmäkseen kevyistä elementeistä – hiilestä, vedystä, hapesta jne. – joten ne eivät näy selvästi klassisessa lääketieteellisessä röntgenkuvassa.
Yksi ESRF:n hienoista asioista on se, että sen röntgensäde on hyvin koherentti: valo kulkee aaltoina, ja ESRF:n tapauksessa kaikki sen röntgensäteet alkavat samalla taajuudella ja linjauksella, jatkuvasti värähteleen, kuten jäljelle jääneet jalanjäljet. kirjoittanut Reik zen-puutarhan kautta.Mutta kun nämä röntgensäteet kulkevat kohteen läpi, hienovaraiset tiheyserot voivat saada jokaisen röntgensäteen poikkeamaan hieman reitiltä, ​​ja ero on helpompi havaita, kun röntgensäteet siirtyvät kauemmaksi kohteesta.Nämä poikkeamat voivat paljastaa hienovaraisia ​​tiheyseroja kohteen sisällä, vaikka se koostuisikin kevyistä elementeistä.
Mutta vakaus on toinen asia.Jotta voidaan ottaa sarja suurennettuja röntgensäteitä, elin on kiinnitettävä luonnolliseen muotoonsa, jotta se ei taipu tai liiku enempää kuin millimetrin tuhannesosaa.Lisäksi saman elimen peräkkäiset röntgenkuvat eivät vastaa toisiaan.Sanomattakin on selvää, että vartalo voi olla hyvin joustava.
Lee ja hänen tiiminsä UCL:ssä pyrkivät suunnittelemaan säiliöitä, jotka kestäisivät synkrotroniröntgensäteilyä ja päästävät silti mahdollisimman monta aaltoa läpi.Lee vastasi myös projektin yleisestä organisoinnista – esimerkiksi ihmiselinten kuljettamisesta Saksan ja Ranskan välillä – ja palkkasi Walshin, joka on erikoistunut biolääketieteelliseen suurdataan, auttamaan selvittämään, miten skannaukset analysoidaan.Ranskassa Taforon työhön sisältyi skannausprosessin parantaminen ja urujen säilytys Leen tiimin rakentamassa säiliössä.
Tafforo tiesi, että jotta elimet eivät hajoaisi ja kuvat olisivat mahdollisimman selkeitä, ne on käsiteltävä useilla annoksilla vesipitoista etanolia.Hän tiesi myös, että hänen täytyi stabiloida elin jollakin, joka täsmälleen vastasi elimen tiheyttä.Hänen suunnitelmansa oli sijoittaa elimet jollakin tavalla etanolia sisältävään agariin, hyytelömäiseen aineeseen, joka on uutettu merilevästä.
Paholainen on kuitenkin yksityiskohdissa – kuten suurimmassa osassa Eurooppaa, Taforo on jumissa kotona ja lukittuna.Joten Taforo siirsi tutkimustyönsä kotilaboratorioon: Hän vietti vuosia entisen keskikokoisen keittiön sisustamiseen 3D-tulostimilla, kemian peruslaitteilla ja työkaluilla, joita käytettiin eläinten luiden valmistukseen anatomiseen tutkimukseen.
Taforo käytti paikallisen ruokakaupan tuotteita selvittääkseen, kuinka valmistaa agaria.Hän jopa kerää sadeveden katolta, jonka hän äskettäin puhdisti, tehdäkseen demineralisoitua vettä, joka on tavallinen ainesosa laboratoriolaatuisissa agarvalmisteissa.Harjoitellakseen elinten pakkaamista agariin hän otti sian suolet paikallisesta teurastamosta.
Taforo sai luvan palata ESRF:ään toukokuun puolivälissä sikojen ensimmäistä testikeuhkokuvausta varten.Toukokuusta kesäkuuhun hän valmisteli ja skannasi COVID-19:aan kuolleen 54-vuotiaan miehen vasemman keuhkolohkon, jonka Ackermann ja Jonig veivät Saksasta Grenobleen.
"Kun näin ensimmäisen kuvan, sähköpostissani oli anteeksipyyntö kaikille projektiin osallistuneille: epäonnistuimme, enkä saanut korkealaatuista skannausta", hän sanoi."Lähetin heille juuri kaksi kuvaa, jotka olivat minulle kauheita, mutta hienoja heille."
Leen Kalifornian yliopistosta Los Angelesista kuvat ovat upeita: koko elimen kuvat ovat samanlaisia ​​kuin tavalliset lääketieteelliset CT-skannaukset, mutta "miljoona kertaa informatiivisempia".Tuntuu kuin tutkimusmatkailija olisi tutkinut metsää koko ikänsä joko lentäessään metsän yli jättiläissuihkukoneella tai matkustanut polkua pitkin.Nyt ne kohoavat katoksen yläpuolella kuin linnut siivillä.
Ryhmä julkaisi ensimmäisen täydellisen kuvauksensa HiP-CT-lähestymistavasta marraskuussa 2021, ja tutkijat julkaisivat myös yksityiskohtia siitä, kuinka COVID-19 vaikuttaa tietyntyyppisiin keuhkojen verenkiertoon.
Skannauksesta oli myös odottamaton hyöty: se auttoi tutkijoita vakuuttamaan ystävät ja perheen ottamaan rokotuksen.Vakavissa COVID-19-tapauksissa monet keuhkojen verisuonet näyttävät laajentuneilta ja turvonneilta, ja pienemmässä määrin pieniä verisuonia voi muodostua epänormaalisti.
"Kun tarkastellaan COVID-tautiin kuolleen henkilön keuhkojen rakennetta, se ei näytä keuhkolta - se on sotku", Tafolo sanoi.
Hän lisäsi, että jopa terveissä elimissä skannaukset paljastivat hienovaraisia ​​anatomisia piirteitä, joita ei koskaan tallennettu, koska yhtäkään ihmisen elintä ei ollut koskaan tutkittu näin yksityiskohtaisesti.Yli miljoonan dollarin rahoituksella Chan Zuckerberg -aloitteesta (Facebookin toimitusjohtaja Mark Zuckerbergin ja Zuckerbergin vaimon, lääkäri Priscilla Chanin perustama voittoa tavoittelematon organisaatio), HiP-CT-tiimi luo parhaillaan niin sanottua ihmiselinten kartastoa.
Toistaiseksi ryhmä on julkaissut skannaukset viidestä elimestä - sydämestä, aivoista, munuaisista, keuhkoista ja pernasta - jotka perustuvat Ackermannin ja Jonigkin Saksassa COVID-19-ruumiinavauksen aikana luovuttamiin elimiin sekä terveyden "valvontaelimeen" LADAF.Grenoblen anatominen laboratorio.Ryhmä tuotti tiedot sekä lentofilmit Internetistä vapaasti saatavilla olevien tietojen perusteella.Ihmiselinten atlas laajenee nopeasti: 30 elintä on skannattu ja 80 on eri valmisteluvaiheissa.Lähes 40 eri tutkimusryhmää otti yhteyttä tiimiin saadakseen lisätietoja lähestymistavasta, Li sanoi.
UCL-kardiologi Cook näkee suuria mahdollisuuksia HiP-CT:n käyttämisessä anatomian perusasioiden ymmärtämiseen.UCL-radiologi Joe Jacob, joka on erikoistunut keuhkosairauksiin, sanoi, että HiP-CT on "korvaamaton sairauksien ymmärtämisessä", erityisesti kolmiulotteisissa rakenteissa, kuten verisuonissa.
Jopa taiteilijat pääsivät taisteluun.Barney Steele Lontoossa toimivasta kokemuksellisesta taidekollektiivista Marshmallow Laser Feast kertoo tutkivansa aktiivisesti, kuinka HiP-CT-tietoja voidaan tutkia mukaansatempaavassa virtuaalitodellisuudessa."Pohjimmiltaan luomme matkan ihmiskehon läpi", hän sanoi.
Mutta kaikista HiP-CT:n lupauksista huolimatta on vakavia ongelmia.Ensinnäkin, Walsh sanoo, HiP-CT-skannaus tuottaa "järkevän määrän tietoa", helposti teratavun elintä kohti.Jotta lääkärit voivat käyttää näitä skannauksia todellisessa maailmassa, tutkijat toivovat kehittävänsä pilvipohjaisen käyttöliittymän niiden navigointiin, kuten Google Mapsin ihmiskeholle.
Niiden piti myös helpottaa skannausten muuntamista toimiviksi 3D-malleiksi.Kuten kaikki CT-skannausmenetelmät, HiP-CT toimii ottamalla useita 2D-viipaleita tietystä kohteesta ja pinoamalla ne yhteen.Vielä nykyäänkin suuri osa tästä prosessista tehdään manuaalisesti, etenkin skannattaessa epänormaalia tai sairasta kudosta.Lee ja Walsh sanovat, että HiP-CT-tiimin ensisijaisena tavoitteena on kehittää koneoppimismenetelmiä, jotka voivat helpottaa tätä tehtävää.
Nämä haasteet laajenevat, kun ihmiselinten kartasto laajenee ja tutkijoista tulee kunnianhimoisempia.HiP-CT-tiimi käyttää uusinta ESRF-sädelaitetta, nimeltään BM18, jatkaakseen projektin elinten skannausta.BM18 tuottaa suuremman röntgensäteen, mikä tarkoittaa, että skannaus vie vähemmän aikaa, ja BM18-röntgenilmaisin voidaan sijoittaa jopa 125 jalan (38 metrin) päähän skannattavasta kohteesta, mikä tekee skannauksesta selkeämmän.BM18-tulokset ovat jo erittäin hyviä, sanoo Taforo, joka on skannannut uudelleen joitakin alkuperäisiä Human Organ Atlas -näytteitä uudessa järjestelmässä.
BM18 voi myös skannata erittäin suuria esineitä.Uuden laitoksen avulla tiimi aikoo skannata koko ihmiskehon vartalon yhdellä iskulla vuoden 2023 loppuun mennessä.
Tutkiessaan teknologian valtavaa potentiaalia Taforo sanoi: "Olemme todella vasta alussa."
© 2015–2022 National Geographic Partners, LLC.Kaikki oikeudet pidätetään.