Uus skaneerimistehnika loob väga detailseid pilte, mis võivad muuta inimese anatoomia uurimise pöörde.
Kui Paul Taforo nägi oma esimesi eksperimentaalseid pilte COVID-19 valguse ohvritest, arvas ta, et on läbi kukkunud.Taforo, kes on hariduselt paleontoloog, töötas kuude jooksul meeskondadega üle Euroopa, et muuta Prantsuse Alpides asuvad osakestekiirendid revolutsioonilisteks meditsiinilisteks skaneerimisvahenditeks.
See oli 2020. aasta mai lõpus ja teadlased soovisid paremini mõista, kuidas COVID-19 inimorganeid hävitab.Taforo sai ülesandeks välja töötada meetod, mis võiks kasutada Prantsusmaal Grenoble'is asuva Euroopa sünkrotronkiirguse rajatise (ESRF) toodetud suure võimsusega röntgenikiirgust.ESRF-i teadlasena on ta nihutanud kivimite fossiilide ja kuivatatud muumiate kõrge eraldusvõimega röntgenikiirguse piire.Nüüd kartis ta pehmet kleepuvat paberrätikute massi.
Pildid näitasid neid üksikasjalikumalt kui ükski meditsiiniline CT-skaneerimine, mida nad kunagi varem näinud olid, võimaldades neil ületada kangekaelsed lüngad selles, kuidas teadlased ja arstid inimorganeid visualiseerivad ja mõistavad."Anatoomiaõpikutes on see suure, väikese mõõtkavaga ja kaunid käsitsi joonistatud pildid ühel põhjusel: need on kunstilised tõlgendused, kuna meil pole pilte," ütles University College London (UCL). ) ütles..Vanemteadur Claire Walsh ütles."Esimest korda saame teha tõelist asja."
Taforo ja Walsh on osa enam kui 30 teadlasest koosnevast rahvusvahelisest meeskonnast, kes on loonud võimsa uue röntgenskaneerimise tehnika, mida nimetatakse hierarhilise faasi kontrasttomograafiaks (HiP-CT).Selle abil saavad nad lõpuks jõuda terviklikust inimorganist kuni keha pisimate veresoonte või isegi üksikute rakkude suurendatud vaateni.
See meetod annab juba uue ülevaate sellest, kuidas COVID-19 kopsude veresooni kahjustab ja ümber kujundab.Kuigi selle pikaajalisi väljavaateid on raske kindlaks teha, sest midagi sellist nagu HiP-CT pole kunagi varem eksisteerinud, näevad selle potentsiaalist põnevil teadlased entusiastlikult ette uusi viise haiguste mõistmiseks ja inimese anatoomia kaardistamiseks täpsema topograafilise kaardi abil.
UCL-i kardioloog Andrew Cooke ütles: "Enamik inimesi võib olla üllatunud, et oleme südame anatoomiat uurinud sadu aastaid, kuid südame, eriti südame normaalse struktuuri osas pole üksmeelt ... Lihasrakud ja selle muutumine kui süda lööb."
"Olen oodanud kogu oma karjääri," ütles ta.
HiP-CT tehnika sai alguse siis, kui kaks Saksa patoloogi võistlesid, et jälgida SARS-CoV-2 viiruse karistavat mõju inimkehale.
Hannoveri meditsiinikooli rindkerepatoloog Danny Jonigk ja Mainzi ülikooli meditsiinikeskuse patoloog Maximilian Ackermann olid valvel, sest Hiinas hakkasid levima uudised ebatavalisest kopsupõletiku juhtumist.Mõlemal oli kogemusi kopsuhaiguste ravimisel ja nad teadsid kohe, et COVID-19 on ebatavaline.Paar olid eriti mures teadete pärast "vaikivast hüpoksiast", mis hoidis COVID-19 patsiente ärkvel, kuid põhjustas nende vere hapnikusisalduse järsu languse.
Ackermann ja Jonig kahtlustavad, et SARS-CoV-2 ründab kuidagi kopsu veresooni.Kui haigus 2020. aasta märtsis Saksamaale levis, alustas paar COVID-19 ohvrite lahkamist.Peagi kontrollisid nad oma veresoonte hüpoteesi, süstides koeproovidesse vaiku ja seejärel lahustades koe happes, jättes esialgse veresoonkonna täpse mudeli.
Seda tehnikat kasutades võrdlesid Ackermann ja Jonigk kudesid inimestelt, kes COVID-19-sse ei surnud, nende inimeste kudesid, kes surid.Nad nägid kohe, et COVID-19 ohvritel olid kopsude väikseimad veresooned väänatud ja rekonstrueeritud.Need märgilised tulemused, mis avaldati veebis 2020. aasta mais, näitavad, et COVID-19 ei ole rangelt hingamisteede haigus, vaid pigem veresoonte haigus, mis võib mõjutada kogu keha organeid.
"Kui lähete läbi keha ja joondate kõik veresooned, saate 60 000 kuni 70 000 miili, mis on kaks korda pikem kui ekvaatori ümber," ütles Saksamaalt Wuppertalist pärit patoloog Ackermann..Ta lisas, et kui viirus ründaks vaid 1 protsenti nendest veresoontest, oleks verevool ja hapniku imendumise võime häiritud, mis võib kaasa tuua laastavad tagajärjed kogu elundile.
Kui Jonigk ja Ackermann mõistsid COVID-19 mõju veresoontele, mõistsid nad, et peavad kahjust paremini aru saama.
Meditsiinilised röntgenikiirgused, nagu CT-skaneeringud, võivad anda vaateid tervetest elunditest, kuid need ei ole piisavalt kõrge eraldusvõimega.Biopsia võimaldab teadlastel uurida koeproove mikroskoobi all, kuid saadud kujutised esindavad vaid väikest osa kogu elundist ega suuda näidata, kuidas COVID-19 kopsudes areneb.Ja meeskonna välja töötatud vaigutehnika nõuab koe lahustamist, mis hävitab proovi ja piirab edasist uurimistööd.
"Päeva lõpus saavad [kopsud] hapnikku ja süsinikdioksiid kustub, kuid selleks on neil tuhandeid miile väga õhukeste vahedega veresooni ja kapillaare... see on peaaegu ime," ütles Jonigk, asutaja. Saksa kopsuuuringute keskuse juhtivteadur."Kuidas me saame tõesti hinnata midagi nii keerulist nagu COVID-19 ilma elundeid hävitamata?"
Jonigk ja Ackermann vajasid midagi enneolematut: sama organi röntgenikiirte seeriat, mis võimaldaks teadlastel suurendada organi osi raku skaalal.2020. aasta märtsis võttis Saksa duo ühendust oma kauaaegse kaastöölise Peter Leega, materjaliteadlase ja UCL-i arenevate tehnoloogiate õppetooli juhatajaga.Lee erialaks on bioloogiliste materjalide uurimine võimsa röntgenikiirguse abil, mistõttu tema mõtted pöördusid kohe Prantsuse Alpide poole.
Euroopa sünkrotronkiirguse keskus asub kolmnurksel maatükil Grenoble'i loodeosas, kus kohtuvad kaks jõge.Objekt on osakeste kiirendi, mis saadab elektrone poole miili pikkusel ringikujulisel orbiidil peaaegu valguse kiirusel.Kui need elektronid pöörlevad ringikujuliselt, väänavad orbiidil olevad võimsad magnetid osakeste voogu, pannes elektronid kiirgama maailma eredamaid röntgenikiirgusid.
See võimas kiirgus võimaldab ESRF-il luurata mikromeetri või isegi nanomeetri skaalal objekte.Seda kasutatakse sageli materjalide, nagu sulamid ja komposiidid, uurimiseks, valkude molekulaarstruktuuri uurimiseks ja isegi iidsete fossiilide rekonstrueerimiseks ilma kivi luust eraldamata.Ackermann, Jonigk ja Lee soovisid kasutada hiiglaslikku instrumenti, et teha maailma kõige üksikasjalikumad röntgenpildid inimorganitest.
Sisestage Taforo, kelle töö ESRF-is on nihutanud sünkrotroni skaneerimise piire.Selle muljetavaldav nippide hulk oli varem võimaldanud teadlastel dinosauruste munade sisse piiluda ja muumiaid peaaegu lahti lõigata ning peaaegu kohe kinnitas Taforo, et sünkrotronid suudavad teoreetiliselt hästi skaneerida terveid kopsusagaraid.Kuid tegelikult on tervete inimorganite skaneerimine tohutu väljakutse.
Ühelt poolt on siin võrdlemise probleem.Tavalised röntgenikiirgused loovad kujutisi selle põhjal, kui palju kiirgust erinevad materjalid neelavad, kusjuures raskemad elemendid neelavad rohkem kui kergemad.Pehmed koed koosnevad enamasti kergetest elementidest – süsinikust, vesinikust, hapnikust jne –, nii et klassikalisel meditsiinilisel röntgenpildil need selgelt välja ei paista.
Üks suurepäraseid asju ESRF-i juures on see, et selle röntgenikiir on väga koherentne: valgus liigub lainetena ja ESRF-i puhul algavad kõik selle röntgenikiired sama sageduse ja joondusega, pidevalt võnkuvad nagu jäljed. Reiki poolt läbi zen-aia.Kuid kuna need röntgenikiired läbivad objekti, võivad väikesed tiheduse erinevused põhjustada iga röntgenikiirte veidi kõrvalekaldumise teelt ja erinevust on lihtsam tuvastada, kui röntgenkiired liiguvad objektist kaugemale.Need kõrvalekalded võivad paljastada peeneid tiheduse erinevusi objekti sees, isegi kui see koosneb kergetest elementidest.
Kuid stabiilsus on teine ​​teema.Suurendatud röntgenpildi seeria tegemiseks tuleb elund fikseerida oma loomulikus vormis nii, et see ei painduks ega liiguks rohkem kui tuhandik millimeetrit.Veelgi enam, sama organi järjestikused röntgenpildid ei ühti üksteisega.Ütlematagi selge, et keha võib olla väga paindlik.
Lee ja tema UCL-i meeskonna eesmärk oli kavandada konteinerid, mis taluksid sünkrotronröntgenikiirgust, lastes samal ajal läbi võimalikult palju laineid.Lee tegeles ka projekti üldise korraldusega – näiteks inimorganite transportimise üksikasjadega Saksamaa ja Prantsusmaa vahel – ning palkas Walshi, kes on spetsialiseerunud biomeditsiiniliste suurandmetele, et aidata välja selgitada, kuidas skaneeringuid analüüsida.Tagasi Prantsusmaal hõlmas Taforo töö skaneerimisprotseduuri täiustamist ja leidmist, kuidas orelit hoiustada konteineris, mida Lee meeskond ehitas.
Tafforo teadis, et selleks, et elundid ei laguneks ja kujutised oleksid võimalikult selged, tuleb neid töödelda mitme portsjoni etanooli vesilahusega.Ta teadis ka, et tal on vaja elund stabiliseerida millegi peal, mis vastab täpselt elundi tihedusele.Tema plaan oli paigutada elundid kuidagi etanoolirikkasse agarisse, mis on merevetikatest ekstraheeritud tarretisesarnane aine.
Kurat peitub aga detailides – nagu enamikus Euroopas, on ka Taforo kodus kinni ja luku taga.Nii viis Taforo oma uurimistöö kodulaborisse: ta veetis aastaid endise keskmise suurusega köögi kaunistamisel 3D-printerite, põhiliste keemiaseadmete ja tööriistadega, mida kasutati loomade luude ettevalmistamiseks anatoomilisteks uuringuteks.
Taforo kasutas agari valmistamise väljamõtlemiseks kohaliku toidupoe tooteid.Ta kogub isegi sademevett katuselt, mille ta hiljuti puhastas, et valmistada demineraliseeritud vett, mis on laboratoorsete agaritegude standardkomponent.Elundite agarisse pakkimise harjutamiseks võttis ta kohalikust tapamajast seasooled.
Taforol lubati naasta ESRF-i mai keskel, et teha sigade esimene testkopsu skaneerimine.Maist juunini valmistas ta ette ja skaneeris COVID-19-sse surnud 54-aastase mehe vasaku kopsusagara, mille Ackermann ja Jonig viisid Saksamaalt Grenoble'i.
"Kui ma esimest pilti nägin, oli minu meilis vabanduskiri kõigile projektiga seotud isikutele: me ebaõnnestusime ja ma ei saanud kvaliteetset skannimist," ütles ta."Saatsin neile just kaks pilti, mis olid minu jaoks kohutavad, kuid nende jaoks suurepärased."
Los Angelese California ülikooli Lee jaoks on pildid vapustavad: kogu elundi kujutised sarnanevad tavaliste meditsiiniliste CT-skaneeringutega, kuid "miljon korda informatiivsemad".Tundub, nagu oleks maadeavastaja kogu elu metsa uurinud, kas siis hiiglasliku reaktiivlennukiga üle metsa lennates või mööda rada rännates.Nüüd hõljuvad nad võra kohal nagu linnud tiibadel.
Meeskond avaldas oma esimese täieliku HiP-CT lähenemisviisi kirjelduse 2021. aasta novembris ja teadlased avaldasid ka üksikasjad selle kohta, kuidas COVID-19 mõjutab teatud tüüpi vereringet kopsudes.
Skaneerimisel oli ka ootamatu kasu: see aitas teadlastel veenda sõpru ja perekonda end vaktsineerimas.Rasketel COVID-19 juhtudel on paljud kopsuveresooned laienenud ja paistes ning vähemal määral võivad tekkida ebanormaalsed pisikeste veresoonte kimbud.
"Kui vaadata COVID-i surnud inimese kopsu struktuuri, ei näe see välja nagu kops - see on segadus," ütles Tafolo.
Ta lisas, et isegi tervete organite puhul näitasid skaneeringud peeneid anatoomilisi tunnuseid, mida kunagi ei registreeritud, sest ühtegi inimorganit pole kunagi nii põhjalikult uuritud.Chan Zuckerbergi algatusest (Facebooki tegevjuhi Mark Zuckerbergi ja Zuckerbergi naise, arsti Priscilla Chani asutatud mittetulundusühing) rahastatakse üle miljoni dollari. HiP-CT meeskond loob praegu nn inimorganite atlast.
Seni on meeskond välja andnud viie organi – südame, aju, neerude, kopsude ja põrna – skaneeringud, mis põhinevad Ackermanni ja Jonigki poolt Saksamaal COVID-19 lahkamisel annetatud organitel ning tervisekontrolli organil LADAF.Grenoble'i anatoomiline labor.Meeskond koostas andmed ja ka lennufilmid Internetis vabalt kättesaadavate andmete põhjal.Inimorganite atlas laieneb kiiresti: veel 30 elundit on skaneeritud ja veel 80 on ettevalmistamise eri etappides.Ligi 40 erinevat uurimisrühma võttis meeskonnaga ühendust, et lähenemise kohta rohkem teada saada, ütles Li.
UCL-i kardioloog Cook näeb HiP-CT kasutamisel anatoomia põhitõdede mõistmiseks suurt potentsiaali.UCL-i radioloog Joe Jacob, kes on spetsialiseerunud kopsuhaigustele, ütles, et HiP-CT on haiguste mõistmisel hindamatu väärtusega, eriti kolmemõõtmelistes struktuurides, nagu veresooned.
Isegi artistid sattusid võitlusse.Barney Steele Londonis asuvast kogemuslikust kunstikollektiivist Marshmallow Laser Feast ütleb, et uurib aktiivselt, kuidas saaks HiP-CT andmeid ümbritsevas virtuaalses reaalsuses uurida."Põhimõtteliselt loome teekonna läbi inimkeha," ütles ta.
Kuid hoolimata kõigist HiP-CT lubadustest on tõsiseid probleeme.Esiteks, ütleb Walsh, et HiP-CT-skaneerimine genereerib "hämmastava hulga andmeid", kergesti terabaidi elundi kohta.Et võimaldada arstidel neid skaneeringuid pärismaailmas kasutada, loodavad teadlased välja töötada pilvepõhise liidese nende navigeerimiseks, näiteks Google Maps inimkeha jaoks.
Samuti pidid nad hõlbustama skaneeringute teisendamist töötavateks 3D-mudeliteks.Nagu kõik CT-skaneerimise meetodid, töötab HiP-CT, võttes antud objektist palju 2D-lõike ja virnades need kokku.Isegi tänapäeval tehakse suur osa sellest protsessist käsitsi, eriti ebanormaalsete või haigete kudede skaneerimisel.Lee ja Walsh ütlevad, et HiP-CT meeskonna prioriteet on välja töötada masinõppe meetodid, mis võivad selle ülesande lihtsamaks muuta.
Need väljakutsed laienevad, kui inimorganite atlas laieneb ja teadlased muutuvad ambitsioonikamaks.HiP-CT meeskond kasutab projekti organite skaneerimise jätkamiseks uusimat ESRF-kiirseadet nimega BM18.BM18 toodab suuremat röntgenikiirt, mis tähendab, et skaneerimine võtab vähem aega ja BM18 röntgendetektori saab paigutada skannitavast objektist kuni 125 jala (38 meetri) kaugusele, muutes skaneerimise selgemaks.BM18 tulemused on juba väga head, ütleb Taforo, kes on uues süsteemis uuesti skanninud mõned inimorgani atlase algsed proovid.
BM18 suudab skaneerida ka väga suuri objekte.Uue rajatise abil plaanib meeskond 2023. aasta lõpuks ühe hoobiga läbi skaneerida kogu inimkeha torso.
Tehnoloogia tohutut potentsiaali uurides ütles Taforo: "Oleme tõesti alles alguses."
© 2015–2022 National Geographic Partners, LLC.Kõik õigused kaitstud.