Nauja nuskaitymo technika sukuria labai detalius vaizdus, ​​kurie gali pakeisti žmogaus anatomijos tyrimą.
Kai Paulas Taforo pamatė savo pirmuosius eksperimentinius COVID-19 šviesos aukų vaizdus, ​​jis manė, kad jam nepavyko.Išsilavinęs paleontologas, Taforo ištisus mėnesius dirbo su komandomis visoje Europoje, kad dalelių greitintuvus Prancūzijos Alpėse paverstų revoliuciniais medicininiais skenavimo įrankiais.
Tai buvo 2020 m. gegužės mėn. pabaigoje ir mokslininkai norėjo geriau suprasti, kaip COVID-19 naikina žmogaus organus.Taforo buvo pavesta sukurti metodą, kuris galėtų naudoti didelės galios rentgeno spindulius, pagamintus Europos sinchrotroninės spinduliuotės įrenginio (ESRF) Grenoblyje, Prancūzijoje.Kaip ESRF mokslininkas, jis peržengė didelės raiškos uolienų fosilijų ir džiovintų mumijų rentgeno spindulių ribas.Dabar jis išsigando minkštos, lipnios popierinių rankšluosčių masės.
Vaizdai parodė jiems daugiau detalių nei bet kuris medicininis KT skenavimas, kurį jie kada nors matė, o tai leido jiems įveikti užsispyrusias spragas, kaip mokslininkai ir gydytojai vizualizuoja ir supranta žmogaus organus.„Anatomijos vadovėliuose tai yra didelio mastelio, mažo mastelio, ir jie yra gražūs rankomis piešti vaizdai dėl vienos priežasties: tai meninės interpretacijos, nes mes neturime vaizdų“, – sakė Londono universiteto koledžas (UCL). ) sakė..Vyresnioji tyrėja Claire Walsh sakė.„Pirmą kartą galime padaryti tikrą dalyką“.
Taforo ir Walsh yra daugiau nei 30 tyrėjų tarptautinės komandos nariai, sukūrę galingą naują rentgeno skenavimo techniką, vadinamą hierarchine fazės kontrastine tomografija (HiP-CT).Su juo jie pagaliau gali pereiti iš pilno žmogaus organo į išplėstą mažiausių kūno kraujagyslių ar net atskirų ląstelių vaizdą.
Šis metodas jau suteikia naujų įžvalgų apie tai, kaip COVID-19 pažeidžia ir pertvarko plaučių kraujagysles.Nors jos ilgalaikes perspektyvas sunku nustatyti, nes nieko panašaus į HiP-CT niekada anksčiau nebuvo, mokslininkai, sužavėti jo potencialu, entuziastingai įsivaizduoja naujus būdus suprasti ligą ir nustatyti žmogaus anatomiją naudojant tikslesnį topografinį žemėlapį.
UCL kardiologas Andrew Cooke'as sakė: „Dauguma žmonių gali būti nustebinti, kad mes jau šimtus metų tyrinėjome širdies anatomiją, tačiau nėra sutarimo dėl normalios širdies, ypač širdies, struktūros... Raumenų ląstelės ir kaip ji keičiasi. kai plaka širdis“.
„Aš laukiau visą savo karjerą“, – sakė jis.
HiP-CT technika prasidėjo, kai du vokiečių patologai varžėsi, siekdami stebėti SARS-CoV-2 viruso baudžiamąjį poveikį žmogaus organizmui.
Hanoverio medicinos mokyklos krūtinės ląstos patologas Danny Jonigkas ir Mainco universiteto medicinos centro patologas Maximilianas Ackermannas buvo itin budrūs, kai Kinijoje pradėjo plisti žinia apie neįprastą pneumonijos atvejį.Abu turėjo patirties gydant plaučių ligas ir iš karto suprato, kad COVID-19 yra neįprasta.Pora buvo ypač susirūpinusi dėl pranešimų apie „tyliąją hipoksiją“, dėl kurios COVID-19 pacientai nemiegojo, bet dėl ​​to jų kraujyje sumažėjo deguonies kiekis.
Ackermannas ir Jonigas įtaria, kad SARS-CoV-2 kažkaip atakuoja plaučių kraujagysles.Kai liga išplito į Vokietiją 2020 m. kovą, pora pradėjo COVID-19 aukų skrodimus.Netrukus jie patikrino savo kraujagyslių hipotezę, į audinių mėginius įšvirkštę dervos ir ištirpindami audinį rūgštyje, palikdami tikslų pradinio kraujagyslių modelį.
Naudodami šią techniką, Ackermannas ir Jonigkas palygino audinius iš žmonių, kurie nemirė nuo COVID-19, su žmonėmis, kurie mirė nuo COVID-19.Jie iškart pamatė, kad COVID-19 aukoms buvo susuktos ir rekonstruotos mažiausios plaučių kraujagyslės.Šie reikšmingi rezultatai, paskelbti internete 2020 m. gegužės mėn., rodo, kad COVID-19 nėra tik kvėpavimo takų liga, o kraujagyslių liga, galinti paveikti viso kūno organus.
„Jei pereisite per kūną ir sulygiuosite visas kraujagysles, gausite 60 000–70 000 mylių, o tai yra dvigubai didesnis atstumas aplink pusiaują“, - sakė Vupertalio (Vokietija) patologas Ackermannas..Jis pridūrė, kad jei virusas užpultų tik 1 procentą šių kraujagyslių, būtų pažeista kraujotaka ir gebėjimas įsisavinti deguonį, o tai gali sukelti pražūtingų pasekmių visam organui.
Kai Jonigkas ir Ackermannas suprato COVID-19 poveikį kraujagyslėms, jie suprato, kad turi geriau suprasti žalą.
Medicininiai rentgeno spinduliai, tokie kaip kompiuterinės tomografijos skenavimas, gali pateikti ištisų organų vaizdą, tačiau jų skiriamoji geba nėra pakankamai didelė.Biopsija leidžia mokslininkams mikroskopu ištirti audinių mėginius, tačiau gauti vaizdai atspindi tik nedidelę viso organo dalį ir negali parodyti, kaip COVID-19 vystosi plaučiuose.Komandos sukurta dervos technologija reikalauja ištirpinti audinį, o tai sunaikina mėginį ir riboja tolesnius tyrimus.
„Dienos pabaigoje [plaučiai] gauna deguonies, o anglies dioksidas išnyksta, tačiau dėl to juose yra tūkstančiai mylių kraujagyslių ir kapiliarų, išsidėsčiusių labai plonai... tai beveik stebuklas“, – sakė įkūrėjas Jonigkas. Vokietijos plaučių tyrimų centro vyriausiasis tyrėjas.„Taigi, kaip iš tikrųjų galime įvertinti tokį sudėtingą dalyką kaip COVID-19 nesunaikindami organų?
Jonigkui ir Ackermannui reikėjo kažko precedento neturinčio: to paties organo rentgeno spindulių serijos, kuri leistų tyrėjams padidinti organo dalis iki ląstelių masto.2020 m. kovo mėn. vokiečių duetas susisiekė su savo ilgamečiu bendradarbiu Peteriu Lee, medžiagų mokslininku ir naujų technologijų katedros vedėju UCL.Lee specialybė – biologinių medžiagų tyrimas naudojant galingus rentgeno spindulius, todėl jo mintys iškart nukrypo į Prancūzijos Alpes.
Europos sinchrotroninės spinduliuotės centras yra trikampiame žemės lopinėlyje šiaurės vakarinėje Grenoblio dalyje, kur susikerta dvi upės.Objektas yra dalelių greitintuvas, kuris beveik šviesos greičiu siunčia elektronus apskritomis, pusės mylios ilgio orbitomis.Kai šie elektronai sukasi ratu, orbitoje esantys galingi magnetai deformuoja dalelių srautą, todėl elektronai skleidžia vienus ryškiausių rentgeno spindulių pasaulyje.
Ši galinga spinduliuotė leidžia ESRF šnipinėti mikrometro ar net nanometrų skalės objektus.Jis dažnai naudojamas tirti medžiagas, tokias kaip lydiniai ir kompozitai, tirti baltymų molekulinę struktūrą ir netgi atkurti senovės fosilijas, neatskiriant akmens nuo kaulo.Ackermannas, Jonigkas ir Lee norėjo panaudoti milžinišką instrumentą, kad padarytų detaliausius pasaulyje žmogaus organų rentgeno spindulius.
Įveskite Taforo, kurio darbas ESRF išplėtė ribas to, ką gali matyti sinchrotroninis nuskaitymas.Įspūdingos gudrybės anksčiau leido mokslininkams pažvelgti į dinozaurų kiaušinius ir beveik išpjauti mumijas, ir beveik iš karto Taforo patvirtino, kad sinchrotronai teoriškai gali gerai nuskaityti visas plaučių skiltis.Tačiau iš tikrųjų ištisų žmogaus organų nuskaitymas yra didžiulis iššūkis.
Viena vertus, yra palyginimo problema.Standartiniai rentgeno spinduliai sukuria vaizdus pagal tai, kiek spinduliuotės sugeria skirtingos medžiagos, o sunkesni elementai sugeria daugiau nei lengvesni.Minkštieji audiniai dažniausiai sudaryti iš lengvųjų elementų – anglies, vandenilio, deguonies ir kt., todėl klasikinėje medicininėje rentgeno nuotraukoje jie nėra aiškiai matomi.
Vienas iš puikių ESRF dalykų yra tai, kad jo rentgeno spindulys yra labai nuoseklus: šviesa sklinda bangomis, o ESRF atveju visi rentgeno spinduliai prasideda tuo pačiu dažniu ir lygiu, nuolat svyruoja, kaip palikti pėdsakai. pagal Reiką per zen sodą.Tačiau kai šie rentgeno spinduliai praeina per objektą, dėl subtilių tankio skirtumų kiekvienas rentgeno spinduliuotė gali šiek tiek nukrypti nuo kelio, o skirtumą lengviau aptikti, nes rentgeno spinduliai tolsta nuo objekto.Šie nukrypimai gali atskleisti subtilius objekto tankio skirtumus, net jei jis sudarytas iš šviesių elementų.
Tačiau stabilumas yra kita problema.Norint padaryti padidintų rentgeno spindulių seriją, organas turi būti fiksuotas natūralia forma, kad jis nesilenktų ir nepaslinktų daugiau nei tūkstantąją milimetro dalį.Be to, vienas po kito einantys to paties organo rentgeno spinduliai nesutaps.Nereikia nė sakyti, kad kūnas gali būti labai lankstus.
Lee ir jo komanda UCL siekė sukurti konteinerius, kurie galėtų atlaikyti sinchrotroninius rentgeno spindulius ir kartu praleisti kuo daugiau bangų.Lee taip pat tvarkė bendrą projekto organizavimą, pavyzdžiui, išsamią informaciją apie žmogaus organų gabenimą tarp Vokietijos ir Prancūzijos, ir pasamdė Walshą, kuris specializuojasi didelių biomedicininių duomenų srityje, kad padėtų išsiaiškinti, kaip analizuoti nuskaitymus.Grįžęs į Prancūziją, Taforo darbas apėmė skenavimo procedūros tobulinimą ir supratimą, kaip laikyti organus konteineryje, kurį statė Lee komanda.
Tafforo žinojo, kad norint, kad organai nesuirtų, o vaizdai būtų kuo aiškesni, juos reikia apdoroti keliomis vandeninio etanolio porcijomis.Jis taip pat žinojo, kad jam reikia stabilizuoti organą ant kažko, kas tiksliai atitiktų organo tankį.Jo planas buvo kaip nors sudėti organus į agarą, kuriame gausu etanolio – į želė panašią medžiagą, išgaunamą iš jūros dumblių.
Tačiau velnias slypi detalėse – kaip ir daugumoje Europos, Taforo yra įstrigęs namuose ir uždarytas.Taigi Taforo perkėlė savo tyrimus į namų laboratoriją: jis praleido metus dekoruodamas buvusią vidutinio dydžio virtuvę 3D spausdintuvais, pagrindine chemijos įranga ir įrankiais, skirtais gyvūnų kaulams paruošti anatominiams tyrimams.
Taforo naudojo produktus iš vietinės bakalėjos parduotuvės, kad išsiaiškintų, kaip pasigaminti agaro.Jis netgi renka lietaus vandenį nuo stogo, kurį neseniai išvalė, kad gautų demineralizuotą vandenį, standartinį laboratorinio agaro formulių ingredientą.Norėdamas praktikuoti organų pakavimą agare, jis paėmė kiaulių žarnas iš vietinės skerdyklos.
Gegužės viduryje Taforo buvo leista grįžti į ESRF pirmajam bandomajam kiaulių plaučių skenavimui.Nuo gegužės iki birželio jis paruošė ir nuskenavo nuo COVID-19 mirusio 54 metų vyro kairiąją plaučių skiltį, kurią Ackermannas ir Jonigas iš Vokietijos išvežė į Grenoblį.
„Kai pamačiau pirmąjį vaizdą, mano el. laiške buvo atsiprašymo laiškas visiems, dalyvaujantiems projekte: mums nepavyko ir aš negalėjau gauti aukštos kokybės nuskaitymo“, – sakė jis.„Ką tik nusiunčiau jiems dvi nuotraukas, kurios man buvo baisios, bet jiems puikios.
Lee iš Kalifornijos universiteto Los Andžele vaizdai yra stulbinantys: viso organo vaizdai yra panašūs į standartinius medicininius KT skenavimus, tačiau „milijoną kartų informatyvesni“.Atrodo, kad tyrinėtojas visą gyvenimą studijavo mišką – arba skrisdamas virš miško milžinišku reaktyviniu lėktuvu, arba keliaudamas taku.Dabar jie sklendžia virš baldakimo kaip paukščiai ant sparnų.
Grupė paskelbė savo pirmąjį išsamų HiP-CT metodo aprašymą 2021 m. lapkritį, o mokslininkai taip pat paskelbė išsamią informaciją apie tai, kaip COVID-19 veikia tam tikrus kraujotakos tipus plaučiuose.
Nuskaitymas taip pat turėjo netikėtos naudos: jis padėjo tyrėjams įtikinti draugus ir šeimos narius pasiskiepyti.Sunkiais COVID-19 atvejais daugelis plaučių kraujagyslių atrodo išsiplėtusios ir patinusios, o mažesniu mastu gali susidaryti nenormalūs mažyčių kraujagyslių ryšuliai.
„Kai žiūrite į žmogaus, mirusio nuo COVID, plaučių struktūrą, jie neatrodo kaip plaučiai – tai netvarka“, – sakė Tafolo.
Jis pridūrė, kad net sveikų organų skenavimas atskleidė subtilius anatominius bruožus, kurie niekada nebuvo užfiksuoti, nes nė vienas žmogaus organas niekada nebuvo taip išsamiai ištirtas.Daugiau nei 1 milijoną dolerių finansuojant iš Chan Zuckerberg iniciatyvos (ne pelno organizacija, kurią įkūrė Facebook generalinis direktorius Markas Zuckerbergas ir Zuckerbergo žmona gydytoja Priscilla Chan), HiP-CT komanda šiuo metu kuria vadinamąjį žmogaus organų atlasą.
Iki šiol komanda paskelbė penkių organų – širdies, smegenų, inkstų, plaučių ir blužnies – nuskaitymus, pagrįstus organais, kuriuos Ackermannas ir Jonigkas paaukojo per COVID-19 skrodimą Vokietijoje, ir sveikatos „kontrolės“ organą LADAF.Grenoblio anatominė laboratorija.Grupė parengė duomenis, taip pat skrydžio filmus, remdamasi duomenimis, kurie yra laisvai prieinami internete.Žmogaus organų atlasas sparčiai plečiasi: dar 30 organų buvo nuskenuoti, dar 80 yra įvairiuose paruošimo etapuose.Beveik 40 skirtingų tyrimų grupių susisiekė su komanda, kad sužinotų daugiau apie metodą, sakė Li.
UCL kardiologas Cookas mato didelį potencialą naudojant HiP-CT suprasti pagrindinę anatomiją.UCL radiologas Joe Jacobas, kurio specializacija yra plaučių ligos, sakė, kad HiP-CT bus „neįkainojama norint suprasti ligą“, ypač trimatėse struktūrose, tokiose kaip kraujagyslės.
Į kovą pateko net menininkai.Barney Steele'as iš Londone įsikūrusio patyriminio meno kolektyvo „Marshmallow Laser Feast“ teigia, kad aktyviai tiria, kaip HiP-CT duomenis galima ištirti įtraukiančioje virtualioje realybėje.„Iš esmės mes kuriame kelionę per žmogaus kūną“, – sakė jis.
Tačiau nepaisant visų HiP-CT pažadų, yra rimtų problemų.Pirma, sako Walsh, HiP-CT skenavimas sukuria „stulbinantį duomenų kiekį“, lengvai po terabaitą vienam organui.Kad gydytojai galėtų naudoti šiuos nuskaitymus realiame pasaulyje, mokslininkai tikisi sukurti debesies pagrindu veikiančią sąsają, skirtą jų naršymui, pvz., „Google“ žemėlapius žmogaus kūnui.
Jiems taip pat reikėjo palengvinti nuskaitymų konvertavimą į veikiančius 3D modelius.Kaip ir visi kompiuterinės tomografijos metodai, HiP-CT veikia paimant daug tam tikro objekto 2D pjūvių ir sujungiant juos.Net ir šiandien didžioji šio proceso dalis atliekama rankiniu būdu, ypač nuskaitant nenormalius ar sergančius audinius.Lee ir Walsh teigia, kad HiP-CT komandos prioritetas yra sukurti mašininio mokymosi metodus, kurie gali palengvinti šią užduotį.
Šie iššūkiai plėsis, nes plečiasi žmogaus organų atlasas ir tyrėjai taps ambicingesni.HiP-CT komanda naudoja naujausią ESRF spindulio įrenginį, pavadintą BM18, kad tęstų projekto organų nuskaitymą.BM18 sukuria didesnį rentgeno spindulį, o tai reiškia, kad nuskaitymas užtrunka trumpiau, o BM18 rentgeno detektorius gali būti pastatytas iki 125 pėdų (38 metrų) atstumu nuo nuskaitomo objekto, todėl nuskaitymas yra aiškesnis.BM18 rezultatai jau yra labai geri, sako Taforo, kuris iš naujo nuskenavo kai kuriuos originalius žmogaus organų atlaso pavyzdžius naujoje sistemoje.
BM18 taip pat gali nuskaityti labai didelius objektus.Su nauju įrenginiu komanda iki 2023 metų pabaigos planuoja vienu ypu nuskenuoti visą žmogaus kūno liemenį.
Tyrinėdamas didžiulį technologijos potencialą, Taforo sakė: „Mes tikrai tik pradžioje“.
© 2015–2022 National Geographic Partners, LLC.Visos teisės saugomos.