Nova tehnika skeniranja proizvodi slike s velikim brojem detalja koje bi mogle revolucionarizirati proučavanje ljudske anatomije.
Kad je Paul Taforo vidio svoje prve eksperimentalne slike svjetlosnih žrtava COVID-19, mislio je da nije uspio.Paleontolog po obrazovanju, Taforo je proveo mjesece radeći s timovima diljem Europe kako bi akceleratore čestica u francuskim Alpama pretvorili u revolucionarne alate za medicinsko skeniranje.
Bilo je to krajem svibnja 2020. i znanstvenici su jedva čekali da bolje razumiju kako COVID-19 uništava ljudske organe.Taforo je dobio zadatak da razvije metodu koja bi mogla koristiti X-zrake velike snage proizvedene u Europskom postrojenju za sinkrotronsko zračenje (ESRF) u Grenobleu, Francuska.Kao znanstvenik ESRF-a, pomaknuo je granice rendgenskih snimaka visoke rezolucije kamenih fosila i osušenih mumija.Sada se užasavao meke, ljepljive mase papirnatih ručnika.
Slike su im pokazale više detalja od bilo kojeg medicinskog CT skeniranja koje su ikada prije vidjeli, omogućujući im da prevladaju tvrdoglave nedostatke u tome kako znanstvenici i liječnici vizualiziraju i razumiju ljudske organe."U udžbenicima anatomije, kada to vidite, to je veliko, malo, i to su prekrasne ručno nacrtane slike iz jednog razloga: to su umjetničke interpretacije jer mi nemamo slike", University College London (UCL ) rekao je..Viša istraživačica Claire Walsh rekla je."Prvi put možemo učiniti pravu stvar."
Taforo i Walsh dio su međunarodnog tima od više od 30 istraživača koji su stvorili moćnu novu tehniku ​​skeniranja X-zrakama pod nazivom Hijerarhijska fazno-kontrastna tomografija (HiP-CT).S njim konačno mogu prijeći od cjelovitog ljudskog organa do uvećanog prikaza najsitnijih krvnih žila u tijelu ili čak pojedinačnih stanica.
Ova metoda već pruža novi uvid u to kako COVID-19 oštećuje i preoblikuje krvne žile u plućima.Iako je njegove dugoročne izglede teško odrediti jer ništa poput HiP-CT-a nikad prije nije postojalo, istraživači uzbuđeni njegovim potencijalom s entuzijazmom zamišljaju nove načine razumijevanja bolesti i mapiranja ljudske anatomije s preciznijom topografskom kartom.
Kardiolog Andrew Cooke s UCL-a rekao je: “Većina ljudi može biti iznenađena da proučavamo anatomiju srca stotinama godina, ali ne postoji konsenzus o normalnoj strukturi srca, posebno srca... Mišićne stanice i kako se mijenja kad srce kuca."
“Čekao sam cijelu svoju karijeru,” rekao je.
Tehnika HiP-CT započela je kada su se dva njemačka patologa natjecala u praćenju kaznenih učinaka virusa SARS-CoV-2 na ljudsko tijelo.
Danny Jonigk, torakalni patolog na Medicinskom fakultetu u Hannoveru, i Maximilian Ackermann, patolog na Sveučilišnom medicinskom centru Mainz, bili su u stanju pripravnosti jer su se vijesti o neobičnom slučaju upale pluća počele širiti Kinom.Obojica su imali iskustva u liječenju plućnih bolesti i odmah su znali da je COVID-19 neobičan.Par je bio posebno zabrinut zbog izvješća o "tihoj hipoksiji" koja je pacijente s COVID-19 držala budnima, ali je uzrokovala pad razine kisika u njihovoj krvi.
Ackermann i Jonig sumnjaju da SARS-CoV-2 na neki način napada krvne žile u plućima.Kada se bolest proširila na Njemačku u ožujku 2020., par je započeo obdukciju žrtava COVID-19.Ubrzo su testirali svoju vaskularnu hipotezu ubrizgavanjem smole u uzorke tkiva i zatim otapanjem tkiva u kiselini, ostavljajući točan model originalne vaskulature.
Koristeći ovu tehniku, Ackermann i Jonigk usporedili su tkiva ljudi koji nisu umrli od COVID-19 s onima ljudi koji jesu.Odmah su vidjeli da su kod žrtava COVID-19 najmanje krvne žile u plućima bile iskrivljene i rekonstruirane.Ovi značajni rezultati, objavljeni na internetu u svibnju 2020., pokazuju da COVID-19 nije isključivo respiratorna bolest, već vaskularna bolest koja može utjecati na organe u cijelom tijelu.
"Ako prođete kroz tijelo i poravnate sve krvne žile, 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 tih krvnih žila bude napadnuto virusom, protok krvi i sposobnost apsorpcije kisika bili bi ugroženi, što bi moglo dovesti do razornih posljedica za cijeli organ.
Nakon što su Jonigk i Ackermann shvatili utjecaj COVID-19 na krvne žile, shvatili su da moraju bolje razumjeti štetu.
Medicinske rendgenske snimke, poput CT-a, mogu pružiti pregled cijelih organa, ali nisu dovoljno visoke rezolucije.Biopsija omogućuje znanstvenicima ispitivanje uzoraka tkiva pod mikroskopom, ali dobivene 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] dobivaju kisik, a ugljični dioksid izlazi, ali za to postoje tisuće milja krvnih žila i kapilara, vrlo tanko razmaknutih... to je gotovo čudo", rekao je Jonigk, osnivač glavni istraživač u Njemačkom centru za istraživanje pluća."Dakle, kako možemo stvarno procijeniti nešto tako složeno kao što je COVID-19 bez uništavanja organa?"
Jonigk i Ackermann trebali su nešto bez presedana: niz rendgenskih snimaka istog organa koji bi istraživačima omogućio povećanje dijelova organa do stanične razine.U ožujku 2020. njemački je dvojac kontaktirao svog dugogodišnjeg suradnika Petera Leeja, znanstvenika za materijale i voditelja novih tehnologija na UCL-u.Leejeva je specijalnost proučavanje bioloških materijala pomoću snažnih X-zraka, pa su mu se misli odmah okrenule prema francuskim Alpama.
Europski centar za sinkrotronsko zračenje nalazi se na trokutastom komadu zemlje u sjeverozapadnom dijelu Grenoblea, gdje se sastaju dvije rijeke.Objekt je akcelerator čestica koji šalje elektrone u kružne orbite duge pola milje brzinom gotovo svjetlosti.Dok se ti elektroni vrte u krugovima, snažni magneti u orbiti iskrivljuju tok čestica, uzrokujući da elektroni emitiraju neke od najsvjetlijih X-zraka na svijetu.
Ovo snažno zračenje omogućuje ESRF-u da špijunira objekte na mikrometarskoj ili čak nanometarskoj skali.Često se koristi za proučavanje materijala poput legura i kompozita, za proučavanje molekularne strukture proteina, pa čak i za rekonstrukciju drevnih fosila bez odvajanja kamena od kosti.Ackermann, Jonigk i Lee željeli su upotrijebiti divovski instrument za snimanje najdetaljnijih rendgenskih snimaka ljudskih organa na svijetu.
Unesite Taforo, čiji je rad u ESRF-u pomaknuo granice onoga što sinkrotronsko skeniranje može vidjeti.Njegov impresivan niz trikova prethodno je omogućio znanstvenicima da zavire u jaja dinosaura i gotovo otvore mumije, a Taforo je gotovo odmah potvrdio da sinkrotroni teoretski mogu dobro skenirati cijele plućne režnjeve.No zapravo je skeniranje cijelih ljudskih organa veliki izazov.
S jedne strane, tu je problem usporedbe.Standardne x-zrake stvaraju slike na temelju toga koliko zračenja različiti materijali apsorbiraju, pri čemu teži elementi apsorbiraju više od lakših.Meka tkiva uglavnom se sastoje od lakih elemenata — ugljika, vodika, kisika itd. — pa se ne vide jasno na klasičnoj medicinskoj rendgenskoj snimci.
Jedna od sjajnih stvari kod ESRF-a je ta što je njegov rendgenski snop vrlo koherentan: svjetlost putuje u valovima, a u slučaju ESRF-a, sve njegove rendgenske zrake počinju na istoj frekvenciji i poravnanju, neprestano oscilirajući, poput otisaka stopala Reikom kroz zen vrt.Ali dok te X-zrake prolaze kroz objekt, suptilne razlike u gustoći mogu uzrokovati da svaka X-zraka malo odstupi od putanje, a razliku postaje lakše detektirati kako se X-zrake udaljavaju od objekta.Ova odstupanja mogu otkriti suptilne razlike u gustoći unutar objekta, čak i ako se sastoji od lakih elemenata.
Ali stabilnost je drugo pitanje.Da bi se napravio niz povećanih rendgenskih snimaka, organ mora biti fiksiran u svom prirodnom obliku tako da se ne savija ili pomiče više od tisućinke milimetra.Štoviše, uzastopne rendgenske snimke istog organa neće odgovarati jedna drugoj.Nepotrebno je reći, međutim, da tijelo može biti vrlo fleksibilno.
Lee i njegov tim na UCL-u imali su za cilj dizajnirati spremnike koji bi mogli izdržati sinkrotronsko rendgensko zračenje, 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 angažirao Walsha, koji se specijalizirao za biomedicinske velike podatke, da pomogne shvatiti kako analizirati skeniranja.U Francuskoj, Taforo je radio na poboljšanju postupka skeniranja i pronalaženju načina pohranjivanja organa u spremnik koji je gradio Leejev tim.
Tafforo je znao da se organi ne bi raspadali, a slike bile što jasnije, potrebno ih je obraditi s nekoliko porcija vodene otopine etanola.Također je znao da mora stabilizirati organ na nečemu što točno odgovara gustoći organa.Njegov je plan bio nekako smjestiti organe u agar bogat etanolom, tvar sličnu želeu ekstrahiranu iz morskih algi.
No, vrag je u detaljima – kao iu većini Europe, Taforo je zaglavio kod kuće i zaključan.Tako je Taforo svoje istraživanje preselio u kućni laboratorij: proveo je godine ukrašavajući bivšu kuhinju srednje veličine 3D printerima, osnovnom kemijskom opremom i alatima koji su se koristili za pripremu životinjskih kostiju za anatomsko istraživanje.
Taforo je koristio proizvode iz lokalne trgovine kako bi smislio kako napraviti agar.Čak skuplja oborinsku vodu s krova koji je nedavno očistio kako bi napravio demineraliziranu vodu, standardni sastojak u formulama agara laboratorijske kvalitete.Kako bi vježbao pakiranje organa u agar, uzeo je svinjska crijeva iz lokalne klaonice.
Taforo je dobio dopuštenje da se vrati u ESRF sredinom svibnja radi prvog testnog skeniranja pluća svinja.Od svibnja do lipnja pripremio je i skenirao režanj lijevog plućnog krila 54-godišnjeg muškarca koji je preminuo od COVID-19, a kojeg su Ackermann i Jonig odnijeli iz Njemačke u Grenoble.
"Kad sam vidio prvu sliku, u mojoj e-pošti bilo je pismo isprike svima koji su bili uključeni u projekt: nismo uspjeli i nisam mogao dobiti visokokvalitetno skeniranje", rekao je."Upravo sam im poslao dvije slike koje su meni bile užasne, ali njima sjajne."
Za Leeja sa Sveučilišta Kalifornija u Los Angelesu, slike su zapanjujuće: slike cijelih organa slične su standardnim medicinskim CT skenovima, ali "milijun puta informativnije".Kao da je istraživač cijeli život proučavao šumu, bilo da leti nad šumom u golemom mlaznom avionu, bilo putujući stazom.Sada lebde iznad krošnji poput ptica na krilima.
Tim je objavio svoj prvi potpuni opis HiP-CT pristupa u studenom 2021., a istraživači su također objavili 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 obitelj da se cijepe.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, ona ne izgledaju kao pluća - to je haos", rekao je Tafolo.
Dodao je da čak iu zdravim organima skeniranje otkriva suptilne anatomske značajke koje nikada nisu zabilježene jer niti jedan ljudski organ nikada nije tako detaljno ispitan.S više od milijun dolara financiranja od Chan Zuckerberg Initiative (neprofitne organizacije koju su osnovali izvršni direktor Facebooka Mark Zuckerberg i Zuckerbergova supruga, liječnica 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 slezene - na temelju organa koje su donirali Ackermann i Jonigk tijekom njihove autopsije COVID-19 u Njemačkoj i organa za "kontrolu" zdravlja LADAF.Anatomski laboratorij u Grenobleu.Tim je proizveo podatke, kao i filmove leta, na temelju podataka koji su besplatno dostupni na internetu.Atlas ljudskih organa ubrzano se širi: skenirano je još 30 organa, a još 80 je u različitim fazama pripreme.Gotovo 40 različitih istraživačkih skupina kontaktiralo je tim kako bi saznali više o pristupu, rekao je Li.
Kardiolog Cook s UCL-a vidi veliki potencijal u korištenju HiP-CT-a za razumijevanje osnovne anatomije.Radiolog Joe Jacob s UCL-a, koji se specijalizirao za bolesti pluća, rekao je da će HiP-CT biti "neprocjenjiv za razumijevanje bolesti", posebno u trodimenzionalnim strukturama kao što su krvne žile.
Čak su i umjetnici ušli u sukob.Barney Steele iz londonskog iskustvenog umjetničkog kolektiva Marshmallow Laser Feast kaže da aktivno istražuje kako se HiP-CT podaci mogu istraživati ​​u impresivnoj virtualnoj stvarnosti."U biti, mi stvaramo putovanje kroz ljudsko tijelo", rekao je.
No unatoč svim obećanjima HiP-CT-a, postoje ozbiljni problemi.Prvo, kaže Walsh, HiP-CT skeniranje generira "nevjerojatnu količinu podataka", lako terabajt po organu.Kako bi kliničarima omogućili korištenje ovih skeniranja u stvarnom svijetu, istraživači se nadaju da će razviti sučelje temeljeno na oblaku za navigaciju, kao što je Google Maps za ljudsko tijelo.
Također su trebali olakšati pretvaranje skenova u funkcionalne 3D modele.Kao i sve metode CT skeniranja, HiP-CT radi tako što uzima mnogo 2D presjeka određenog objekta i slaže ih zajedno.Čak se i danas veći dio ovog procesa obavlja ručno, osobito pri skeniranju abnormalnog ili bolesnog tkiva.Lee i Walsh kažu da je prioritet HiP-CT tima razviti metode strojnog učenja koje mogu olakšati ovaj zadatak.
Ti će se izazovi proširiti kako se atlas ljudskih organa bude širio, a istraživači postajali ambiciozniji.HiP-CT tim koristi najnoviji ESRF beam uređaj, nazvan BM18, za nastavak skeniranja organa projekta.BM18 proizvodi veći snop X-zraka, što znači da skeniranje traje kraće, a BM18 detektor X-zraka može se postaviti do 125 stopa (38 metara) od objekta koji se skenira, što ga čini jasnijim.Rezultati BM18 već su vrlo dobri, kaže Taforo, koji je ponovno skenirao neke od originalnih uzoraka atlasa ljudskih organa na novom sustavu.
BM18 također može skenirati vrlo velike objekte.S novim objektom, tim planira skenirati cijeli torzo ljudskog tijela u jednom potezu do kraja 2023. godine.
Istražujući golemi potencijal tehnologije, Taforo je rekao: "Stvarno smo tek na početku."
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Sva prava pridržana.