Jauna skenēšanas tehnika rada attēlus ar ļoti detalizētu informāciju, kas var mainīt cilvēka anatomijas izpēti.
Kad Pols Taforo ieraudzīja savus pirmos eksperimentālos COVID-19 gaismas upuru attēlus, viņš domāja, ka ir cietis neveiksmi.Pēc izglītības paleontologs Taforo pavadīja mēnešus, strādājot ar komandām visā Eiropā, lai pārvērstu daļiņu paātrinātājus Francijas Alpos par revolucionāriem medicīnas skenēšanas rīkiem.
Tas bija 2020. gada maija beigās, un zinātnieki vēlējās labāk izprast, kā COVID-19 iznīcina cilvēka orgānus.Taforo tika uzdots izstrādāt metodi, kas varētu izmantot lieljaudas rentgenstarus, ko ražo Eiropas Sinhrotronu starojuma iekārta (ESRF) Grenoblē, Francijā.Būdams ESRF zinātnieks, viņš ir pārkāpis robežas augstas izšķirtspējas rentgena stariem no akmeņu fosiliem un žāvētām mūmijām.Tagad viņu nobijās mīkstā, lipīgā papīra dvieļu masa.
Attēlos bija redzama sīkāka informācija nekā jebkura medicīniska CT skenēšana, ko viņi jebkad bija redzējuši, ļaujot viņiem pārvarēt spītīgās nepilnības, kā zinātnieki un ārsti vizualizē un izprot cilvēka orgānus."Anatomijas mācību grāmatās, kad to redzat, tas ir liela mēroga, tas ir mazs, un tie ir skaisti ar roku zīmēti attēli viena iemesla dēļ: tās ir mākslinieciskas interpretācijas, jo mums nav attēlu," sacīja Londonas Universitātes koledža (UCL). ) teica..Vecākā pētniece Klēra Volša sacīja."Pirmo reizi mēs varam darīt īstu."
Taforo un Walsh ir daļa no starptautiskas komandas, kurā ir vairāk nekā 30 pētnieki, kuri ir izveidojuši jaudīgu jaunu rentgena skenēšanas paņēmienu, ko sauc par hierarhiskās fāzes kontrasta tomogrāfiju (HiP-CT).Ar to viņi beidzot var pāriet no pilnīga cilvēka orgāna uz paplašinātu skatu uz ķermeņa vissīkākajiem asinsvadiem vai pat atsevišķām šūnām.
Šī metode jau sniedz jaunu ieskatu par to, kā COVID-19 bojā un pārveido plaušu asinsvadus.Lai gan tās ilgtermiņa perspektīvas ir grūti noteikt, jo nekas līdzīgs HiP-CT nekad agrāk nav pastāvējis, pētnieki, kurus sajūsmina tās potenciāls, entuziastiski iztēlojas jaunus veidus, kā izprast slimības un kartēt cilvēka anatomiju, izmantojot precīzāku topogrāfisko karti.
UCL kardiologs Endrjū Kuks sacīja: “Lielākā daļa cilvēku var būt pārsteigti, ka mēs esam pētījuši sirds anatomiju simtiem gadu, taču nav vienprātības par sirds normālu struktūru, īpaši sirds… Muskuļu šūnas un to izmaiņas kad sirds pukst."
"Es gaidīju visu savu karjeru," viņš teica.
HiP-CT tehnika aizsākās, kad divi vācu patologi sacentās, lai izsekotu SARS-CoV-2 vīrusa soda ietekmi uz cilvēka ķermeni.
Hannoveres Medicīnas skolas krūšu kurvja patologs Denijs Jonigks un Maincas Universitātes Medicīnas centra patologs Maksimilians Akermans bija paaugstinātā gatavībā, jo Ķīnā sāka izplatīties ziņas par neparasto pneimonijas gadījumu.Abiem bija pieredze plaušu slimību ārstēšanā, un viņi uzreiz zināja, ka COVID-19 ir neparasts.Pāris bija īpaši nobažījies par ziņojumiem par “kluso hipoksiju”, kuras dēļ COVID-19 pacienti bija nomodā, bet izraisīja skābekļa līmeņa pazemināšanos asinīs.
Akermanam un Džonigam ir aizdomas, ka SARS-CoV-2 kaut kādā veidā uzbrūk plaušu asinsvadiem.Kad slimība izplatījās Vācijā 2020. gada martā, pāris sāka Covid-19 upuru autopsijas.Viņi drīz pārbaudīja savu asinsvadu hipotēzi, injicējot sveķus audu paraugos un pēc tam izšķīdinot audus skābē, atstājot precīzu sākotnējās asinsvadu sistēmas modeli.
Izmantojot šo paņēmienu, Akermans un Džoniks salīdzināja audus no cilvēkiem, kuri nav miruši no COVID-19, ar tiem cilvēkiem, kuri nomira.Viņi uzreiz redzēja, ka COVID-19 upuriem tika savīti un rekonstruēti mazākie asinsvadi plaušās.Šie nozīmīgie rezultāti, kas publicēti tiešsaistē 2020. gada maijā, liecina, ka COVID-19 nav tikai elpceļu slimība, bet gan asinsvadu slimība, kas var ietekmēt orgānus visā ķermenī.
"Ja jūs iziet cauri ķermenim un izlīdzināt visus asinsvadus, jūs iegūstat 60 000 līdz 70 000 jūdžu, kas ir divreiz lielāks attālums ap ekvatoru," sacīja Akermans, patologs no Vupertāles, Vācijā..Viņš piebilda, ka gadījumā, ja vīruss uzbruktu tikai 1 procentam no šiem asinsvadiem, tiktu apdraudēta asins plūsma un spēja absorbēt skābekli, kas var radīt postošas ​​sekas visam orgānam.
Kad Jonigks un Akermans saprata COVID-19 ietekmi uz asinsvadiem, viņi saprata, ka viņiem ir labāk jāsaprot kaitējums.
Medicīniskie rentgenstari, piemēram, CT skenēšana, var nodrošināt veselu orgānu skatu, taču tiem nav pietiekami augsta izšķirtspēja.Biopsija ļauj zinātniekiem izmeklēt audu paraugus mikroskopā, taču iegūtie attēli atspoguļo tikai nelielu daļu no visa orgāna un nevar parādīt, kā COVID-19 attīstās plaušās.Un komandas izstrādātā sveķu tehnika prasa audu izšķīdināšanu, kas iznīcina paraugu un ierobežo turpmāko izpēti.
"Dienas beigās [plaušas] saņem skābekli, un oglekļa dioksīds izzūd, bet tāpēc tajās ir tūkstošiem jūdžu asinsvadu un kapilāru, kas atrodas ļoti šauri... tas ir gandrīz brīnums," sacīja Jonigks, dibinātājs. galvenais pētnieks Vācijas Plaušu pētniecības centrā."Tātad, kā mēs patiešām varam novērtēt kaut ko tik sarežģītu kā COVID-19, neiznīcinot orgānus?"
Jonigkam un Akermanam bija vajadzīgs kaut kas nepieredzēts: viena un tā paša orgāna rentgenstaru sērija, kas ļautu pētniekiem palielināt orgāna daļas līdz šūnu mērogā.2020. gada martā vācu duets sazinājās ar savu ilggadējo līdzstrādnieku Pīteru Lī, materiālu zinātnieku un UCL jauno tehnoloģiju vadītāju.Lī specialitāte ir bioloģisko materiālu izpēte, izmantojot spēcīgus rentgena starus, tāpēc viņa domas nekavējoties pievērsās Francijas Alpiem.
Eiropas Sinhrotronu radiācijas centrs atrodas uz trīsstūrveida zemes pleķīša Grenobles ziemeļrietumu daļā, kur satiekas divas upes.Objekts ir daļiņu paātrinātājs, kas sūta elektronus apļveida orbītās pusjūdzes garumā ar gandrīz gaismas ātrumu.Šiem elektroniem griežoties apļos, spēcīgi magnēti orbītā deformē daļiņu plūsmu, liekot elektroniem izstarot vienus no spilgtākajiem rentgena stariem pasaulē.
Šis spēcīgais starojums ļauj ESRF izspiegot objektus mikrometru vai pat nanometru skalā.To bieži izmanto, lai pētītu tādus materiālus kā sakausējumi un kompozītmateriāli, pētītu olbaltumvielu molekulāro struktūru un pat lai rekonstruētu senās fosilijas, neatdalot akmeni no kaula.Akermans, Jonigks un Lī vēlējās izmantot milzu instrumentu, lai uzņemtu pasaulē detalizētākos cilvēka orgānu rentgena attēlus.
Ievadiet Taforo, kura darbs ESRF ir nobīdījis robežas tam, ko var redzēt sinhrono skenēšana.Tā iespaidīgais triku klāsts iepriekš ļāva zinātniekiem ieskatīties dinozauru olās un gandrīz sagriezt vaļā mūmijas, un gandrīz uzreiz Taforo apstiprināja, ka sinhrotroni teorētiski var labi skenēt visas plaušu daivas.Bet patiesībā veselu cilvēka orgānu skenēšana ir milzīgs izaicinājums.
No vienas puses, ir salīdzināšanas problēma.Standarta rentgenstari rada attēlus, pamatojoties uz to, cik daudz starojuma absorbē dažādi materiāli, bet smagāki elementi absorbē vairāk nekā vieglāki.Mīkstos audus galvenokārt veido vieglie elementi — ogleklis, ūdeņradis, skābeklis utt. —, tāpēc klasiskajā medicīniskajā rentgenā tie nav skaidri redzami.
Viena no lieliskajām ESRF lietām ir tā, ka tās rentgenstaru stars ir ļoti saskaņots: gaisma pārvietojas viļņos, un ESRF gadījumā visi rentgena stari sākas ar tādu pašu frekvenci un izlīdzinājumu, pastāvīgi svārstās, piemēram, atstātas pēdas. ar Reiks caur zen dārzu.Bet, kad šie rentgena stari iziet cauri objektam, smalkas blīvuma atšķirības var izraisīt katra rentgena starojuma nelielu novirzīšanos no ceļa, un atšķirību kļūst vieglāk noteikt, jo rentgena stari attālinās no objekta.Šīs novirzes var atklāt smalkas blīvuma atšķirības objektā, pat ja tas sastāv no gaismas elementiem.
Bet stabilitāte ir cits jautājums.Lai veiktu palielinātu rentgenstaru sēriju, orgāns jānostiprina tā dabiskajā formā, lai tas nelocītu un nekustētos vairāk par milimetra tūkstošdaļu.Turklāt viena un tā paša orgāna secīgie rentgenstari nesakritīs viens ar otru.Lieki piebilst, ka ķermenis var būt ļoti elastīgs.
Lī un viņa komanda UCL centās izstrādāt konteinerus, kas varētu izturēt sinhrotronu rentgena starus, vienlaikus izlaižot cauri pēc iespējas vairāk viļņu.Lī arī veica vispārējo projekta organizāciju, piemēram, informāciju par cilvēka orgānu transportēšanu starp Vāciju un Franciju, un nolīga Volšu, kurš specializējas biomedicīnas lielos datos, lai palīdzētu izdomāt, kā analizēt skenējumus.Atgriežoties Francijā, Taforo darbs ietvēra skenēšanas procedūras uzlabošanu un izdomāja, kā uzglabāt ērģeles konteinerā, ko būvēja Lī komanda.
Taforo zināja, ka, lai orgāni nesadalītos un attēli būtu pēc iespējas skaidrāki, tie ir jāapstrādā ar vairākām ūdens etanola porcijām.Viņš arī zināja, ka viņam ir jāstabilizē orgāns ar kaut ko, kas precīzi atbilst orgāna blīvumam.Viņa plāns bija kaut kādā veidā ievietot orgānus ar etanolu bagātā agarā, želejveida vielā, kas iegūta no jūraszālēm.
Tomēr velns slēpjas detaļās – tāpat kā lielākajā daļā Eiropas, Taforo ir iestrēdzis mājās un aizslēgts.Tāpēc Taforo pārcēla savus pētījumus uz mājas laboratoriju: viņš gadiem ilgi dekorēja bijušo vidēja izmēra virtuvi ar 3D printeriem, pamata ķīmijas aprīkojumu un instrumentiem, ko izmantoja, lai sagatavotu dzīvnieku kaulus anatomiskiem pētījumiem.
Taforo izmantoja produktus no vietējā pārtikas preču veikala, lai izdomātu, kā pagatavot agaru.Viņš pat savāc lietus ūdeni no jumta, ko viņš nesen notīrīja, lai iegūtu demineralizētu ūdeni, kas ir standarta sastāvdaļa laboratorijas agara formulās.Lai praktizētu orgānu iepakošanu agarā, viņš paņēma cūku zarnas no vietējās lopkautuves.
Taforo tika atļauts atgriezties ESRF maija vidū, lai veiktu pirmo cūku plaušu testu.No maija līdz jūnijam viņš sagatavoja un skenēja no COVID-19 miruša 54 gadus veca vīrieša kreiso plaušu daivu, kuru Akermans un Jonigs no Vācijas aizveda uz Grenobli.
"Kad es ieraudzīju pirmo attēlu, manā e-pastā bija atvainošanās vēstule visiem projektā iesaistītajiem: mums neizdevās, un es nevarēju iegūt augstas kvalitātes skenēšanu," viņš teica."Es tikko nosūtīju viņiem divus attēlus, kas man bija briesmīgi, bet viņiem lieliski."
Lī no Kalifornijas Universitātes Losandželosā attēli ir satriecoši: visu orgānu attēli ir līdzīgi standarta medicīnas CT skenēšanai, taču "miljonu reižu informatīvāki".It kā pētnieks visu mūžu pētījis mežu, vai nu lidojot pāri mežam ar milzu reaktīvo lidmašīnu, vai ceļojot pa taku.Tagad tie planē virs nojumes kā putni spārnos.
Komanda publicēja savu pirmo pilno HiP-CT pieejas aprakstu 2021. gada novembrī, un pētnieki arī sniedza informāciju par to, kā COVID-19 ietekmē noteiktus asinsrites veidus plaušās.
Skenēšanai bija arī negaidīts ieguvums: tas palīdzēja pētniekiem pārliecināt draugus un ģimeni vakcinēties.Smagos COVID-19 gadījumos daudzi asinsvadi plaušās šķiet paplašināti un pietūkuši, un mazākā mērā var veidoties patoloģiski sīku asinsvadu kūlīši.
"Kad paskatās uz cilvēka, kurš nomira no COVID, plaušu struktūru, tās neizskatās pēc plaušām — tas ir haoss," sacīja Tafolo.
Viņš piebilda, ka pat veselos orgānos skenēšana atklāja smalkas anatomiskas iezīmes, kas nekad netika reģistrētas, jo neviens cilvēka orgāns nekad nav bijis tik detalizēti pārbaudīts.Ar vairāk nekā 1 miljonu ASV dolāru finansējumu no Chan Zuckerberg iniciatīvas (bezpeļņas organizācija, ko dibināja Facebook izpilddirektors Marks Cukerbergs un Cukerberga sieva, ārste Priscilla Chan), HiP-CT komanda pašlaik veido tā saukto cilvēka orgānu atlantu.
Līdz šim komanda ir izlaidusi piecu orgānu - sirds, smadzeņu, nieru, plaušu un liesas - skenējumus, pamatojoties uz orgāniem, ko Akermans un Jonigks ziedoja COVID-19 autopsijas laikā Vācijā, un veselības "kontroles" orgānu LADAF.Grenobles anatomiskā laboratorija.Komanda sagatavoja datus, kā arī lidojumu filmas, pamatojoties uz datiem, kas ir brīvi pieejami internetā.Cilvēka orgānu atlants strauji paplašinās: ir skenēti vēl 30 orgāni, bet vēl 80 atrodas dažādās sagatavošanas stadijās.Gandrīz 40 dažādas pētniecības grupas sazinājās ar komandu, lai uzzinātu vairāk par pieeju, sacīja Li.
UCL kardiologs Kuks saskata lielu potenciālu HiP-CT izmantošanā, lai izprastu anatomiju.UCL radiologs Džo Džeikobs, kurš specializējas plaušu slimībās, teica, ka HiP-CT būs "nenovērtējams, lai izprastu slimību", īpaši trīsdimensiju struktūrās, piemēram, asinsvados.
Pat mākslinieki iekļuva cīņā.Bārnijs Stīls no Londonas pieredzes bagātās mākslas kolektīva Marshmallow Laser Feast saka, ka viņš aktīvi pēta, kā HiP-CT datus var izpētīt ieskaujošajā virtuālajā realitātē."Būtībā mēs veidojam ceļojumu caur cilvēka ķermeni," viņš teica.
Bet, neskatoties uz visiem HiP-CT solījumiem, pastāv nopietnas problēmas.Pirmkārt, saka Volšs, HiP-CT skenēšana ģenerē "satriecošu datu daudzumu", viegli terabaitu uz vienu orgānu.Lai ļautu ārstiem izmantot šos skenējumus reālajā pasaulē, pētnieki cer izstrādāt mākoņa bāzes interfeisu to navigācijai, piemēram, Google Maps cilvēka ķermenim.
Viņiem bija arī jāatvieglo skenēto attēlu pārveidošana izmantojamos 3D modeļos.Tāpat kā visas CT skenēšanas metodes, HiP-CT darbojas, ņemot daudzus 2D šķēles no noteikta objekta un saliekot tos kopā.Pat mūsdienās liela daļa šī procesa tiek veikta manuāli, it īpaši, skenējot patoloģiskus vai slimus audus.Lee un Walsh saka, ka HiP-CT komandas prioritāte ir izstrādāt mašīnmācīšanās metodes, kas var atvieglot šo uzdevumu.
Šīs problēmas paplašināsies, jo cilvēka orgānu atlants paplašinās un pētnieki kļūs ambiciozāki.HiP-CT komanda izmanto jaunāko ESRF staru ierīci ar nosaukumu BM18, lai turpinātu projekta orgānu skenēšanu.BM18 rada lielāku rentgena staru, kas nozīmē, ka skenēšana aizņem mazāk laika, un BM18 rentgenstaru detektoru var novietot līdz 125 pēdām (38 metriem) no skenējamā objekta, padarot skenēšanu skaidrāku.BM18 rezultāti jau ir ļoti labi, saka Taforo, kurš ir atkārtoti skenējis dažus oriģinālos cilvēka orgānu atlasa paraugus jaunajā sistēmā.
BM18 var skenēt arī ļoti lielus objektus.Ar jauno iekārtu komanda plāno vienā rāvienā skenēt visu cilvēka ķermeņa rumpi līdz 2023. gada beigām.
Izpētot tehnoloģijas milzīgo potenciālu, Taforo teica: "Mēs patiešām esam tikai sākumā."
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Visas tiesības aizsargātas.