Новата техника на скенирање произведува слики со големи детали кои би можеле да го револуционизираат проучувањето на човечката анатомија.
Кога Пол Тафоро ги виде своите први експериментални слики на жртви на светлина од СОВИД-19, мислеше дека не успеал.Палеонтолог со обука, Тафоро помина неколку месеци работејќи со тимови низ Европа за да ги претвори акцелераторите на честички на француските Алпи во револуционерни алатки за медицинско скенирање.
Беше на крајот на мај 2020 година, а научниците беа желни подобро да разберат како СОВИД-19 ги ​​уништува човечките органи.Тафоро беше нарачан да развие метод што може да користи рендгенски зраци со голема моќност произведени од Европската синхротронска станица за зрачење (ESRF) во Гренобл, Франција.Како ESRF научник, тој ги помести границите на рендгенските зраци со висока резолуција на фосили од карпи и исушени мумии.Сега тој беше преплашен од меката, леплива маса на хартиени крпи.
Сликите им покажаа повеќе детали од било кој медицински КТ скен што некогаш го виделе, овозможувајќи им да ги надминат тврдоглавите празнини во тоа како научниците и лекарите ги визуелизираат и разбираат човечките органи.„Во учебниците по анатомија, кога ќе го видите, тоа е од големи размери, тоа е во мал обем, и тие се прекрасни рачно нацртани слики поради една причина: тие се уметнички толкувања затоа што немаме слики“, Универзитетскиот колеџ во Лондон (UCL). ) кажа..Вишиот истражувач Клер Волш изјави.„За прв пат можеме да ја направиме вистинската работа“.
Тафоро и Волш се дел од меѓународен тим од повеќе од 30 истражувачи кои создадоа моќна нова техника за скенирање на Х-зраци наречена Хиерархиска фазна контрастна томографија (HiP-CT).Со него тие конечно можат да преминат од целосен човечки орган до зголемен приказ на најситните крвни садови на телото или дури и поединечни клетки.
Овој метод веќе дава нов увид за тоа како СОВИД-19 ги ​​оштетува и ремоделира крвните садови во белите дробови.Иако е тешко да се одредат неговите долгорочни перспективи бидејќи ништо слично на HiP-CT досега не постоело, истражувачите возбудени од неговиот потенцијал со ентузијазам предвидуваат нови начини за разбирање на болеста и мапирање на човечката анатомија со попрецизна топографска карта.
Кардиологот од UCL, Ендрју Кук, рече: „Повеќето луѓе можеби се изненадени што ја проучуваме анатомијата на срцето стотици години, но не постои консензус за нормалната структура на срцето, особено срцето... Мускулните клетки и како се менува кога срцето чука“.
„Јас ја чекав цела кариера“, рече тој.
Техниката HiP-CT започна кога двајца германски патолози се натпреваруваа да ги следат казнените ефекти на вирусот САРС-КоВ-2 врз човечкото тело.
Дени Јонигк, торакален патолог на Медицинскиот факултет во Хановер и Максимилијан Акерман, патолог од Универзитетскиот медицински центар Мајнц, беа во состојба на висока готовност, бидејќи веста за необичниот случај на пневмонија почна да се шири во Кина.И двајцата имаа искуство со лекување на белодробни заболувања и веднаш знаеја дека СОВИД-19 е невообичаен.Двојката беше особено загрижена за извештаите за „тивка хипоксија“ што ги држеше пациентите со СОВИД-19 будни, но предизвика опаѓање на нивните нивоа на кислород во крвта.
Акерман и Јониг се сомневаат дека САРС-КоВ-2 некако ги напаѓа крвните садови во белите дробови.Кога болеста се прошири во Германија во март 2020 година, парот започна со обдукција на жртвите од СОВИД-19.Тие набрзо ја тестирале својата васкуларна хипотеза со инјектирање на смола во примероци од ткиво и потоа растворање на ткивото во киселина, оставајќи точен модел на оригиналната васкулатура.
Користејќи ја оваа техника, Акерман и Јонигк ги споредија ткивата од луѓе кои не умреле од СОВИД-19 со оние од луѓе кои починале.Веднаш увиделе дека кај жртвите на СОВИД-19, најмалите крвни садови во белите дробови биле извиткани и реконструирани.Овие значајни резултати, објавени на интернет во мај 2020 година, покажуваат дека СОВИД-19 не е строго респираторна болест, туку васкуларна болест која може да влијае на органите низ телото.
„Ако поминете низ телото и ги усогласите сите крвни садови, ќе добиете 60.000 до 70.000 милји, што е двојно повеќе од растојанието околу екваторот“, рече Акерман, патолог од Вупертал, Германија..Тој додаде дека ако само 1 процент од овие крвни садови бидат нападнати од вирусот, протокот на крв и способноста за апсорпција на кислород ќе бидат загрозени, што може да доведе до катастрофални последици за целиот орган.
Откако Јонигк и Акерман го сфатија влијанието на СОВИД-19 врз крвните садови, сфатија дека треба подобро да ја разберат штетата.
Медицинските рендгенски снимки, како што се КТ скеновите, можат да обезбедат прегледи на цели органи, но тие не се со доволно висока резолуција.Биопсијата им овозможува на научниците да ги испитаат примероците од ткиво под микроскоп, но добиените слики претставуваат само мал дел од целиот орган и не можат да покажат како СОВИД-19 се развива во белите дробови.И техниката на смола што ја разви тимот бара растворање на ткивото, што го уништува примерокот и го ограничува понатамошното истражување.
„На крајот на денот, [белите дробови] добиваат кислород, а јаглерод диоксидот излегува, но за тоа, има илјадници милји крвни садови и капилари, многу тенко распоредени… тоа е речиси чудо“, рече Јонигк, основач. главен истражувач во германскиот центар за истражување на белите дробови.„Па, како можеме навистина да оцениме нешто толку сложено како СОВИД-19 без да ги уништиме органите?
На Јониг и Акерман им требаше нешто невидено: серија рентген снимки на истиот орган што ќе им овозможи на истражувачите да ги зголемат деловите од органот до клеточен обем.Во март 2020 година, германското дуо стапи во контакт со нивниот долгогодишен соработник Питер Ли, научник за материјали и претседател на новите технологии во UCL.Специјалност на Ли е проучување на биолошки материјали со помош на моќни рендгенски зраци, па неговите мисли веднаш се свртеа кон француските Алпи.
Европскиот центар за синхротронско зрачење се наоѓа на триаголна површина во северозападниот дел на Гренобл, каде што се спојуваат две реки.Објектот е забрзувач на честички кој испраќа електрони во кружни орбити долги половина километар со речиси брзина на светлината.Додека овие електрони се вртат во кругови, моќните магнети во орбитата го искривуваат протокот на честички, предизвикувајќи електроните да испуштаат некои од најсветлите рендгенски зраци во светот.
Ова моќно зрачење му овозможува на ESRF да шпионира објекти на микрометар или дури нанометарска скала.Често се користи за проучување на материјали како што се легури и композити, за проучување на молекуларната структура на протеините, па дури и за реконструкција на антички фосили без да се одвојува каменот од коската.Акерман, Јонигк и Ли сакале да го искористат џиновскиот инструмент за да направат најдетални рендгенски снимки на човечки органи во светот.
Внесете го Тафоро, чија работа во ESRF ги помести границите на она што може да го види синхроното скенирање.Нејзината импресивна низа на трикови претходно им овозможи на научниците да ѕирнат во јајцата на диносаурусите и речиси да ги исечат отворените мумии, а речиси веднаш Тафоро потврди дека синхротроните теоретски можат добро да ги скенираат белите дробови.Но, всушност, скенирањето на цели човечки органи е огромен предизвик.
Од една страна, тука е проблемот со споредбата.Стандардните рендгенски зраци создаваат слики врз основа на тоа колку радијација апсорбираат различни материјали, при што потешките елементи апсорбираат повеќе од полесните.Меките ткива главно се составени од лесни елементи - јаглерод, водород, кислород итн. - така што тие не се појавуваат јасно на класичната медицинска рендгенска снимка.
Една од одличните работи за ESRF е тоа што неговиот зрак на Х-зраци е многу кохерентен: светлината патува во бранови, а во случајот со ESRF, сите негови рендгенски зраци започнуваат со иста фреквенција и усогласување, постојано осцилирајќи, како оставени отпечатоци. од Реик низ зен градина.Но, како што овие рендгенски зраци минуваат низ објектот, суптилните разлики во густината може да предизвикаат секоја рендгенска снимка малку да отстапува од патеката, а разликата станува полесна за откривање како што рендгенските зраци се оддалечуваат од објектот.Овие отстапувања можат да откријат суптилни разлики во густината во објектот, дури и ако тој е составен од светлосни елементи.
Но, стабилноста е друго прашање.За да се направи серија на зголемени рендгенски снимки, органот мора да биде фиксиран во неговата природна форма за да не се свиткува или поместува повеќе од илјадити дел од милиметарот.Покрај тоа, последователните рендгенски снимки на истиот орган нема да се совпаѓаат едни со други.Непотребно е да се каже, сепак, телото може да биде многу флексибилно.
Ли и неговиот тим во UCL имаа за цел да дизајнираат контејнери што ќе можат да издржат синхрононски рендгенски зраци, а сепак да пропуштаат што е можно повеќе бранови.Ли, исто така, ја водеше целокупната организација на проектот - на пример, деталите за транспортот на човечки органи меѓу Германија и Франција - и го ангажираше Волш, кој е специјализиран за биомедицински големи податоци, за да помогне да открие како да ги анализира скенирањата.Назад во Франција, работата на Тафоро вклучуваше подобрување на процедурата за скенирање и откривање како да се чува органот во контејнерот што го градеше тимот на Ли.
Тафоро знаел дека за органите да не се распаѓаат, а сликите да бидат што е можно појасни, мора да се обработат со неколку порции воден етанол.Знаел и дека треба да го стабилизира органот на нешто што точно одговара на густината на органот.Неговиот план бил некако да ги смести органите во агар богат со етанол, супстанца слична на желе, извлечена од морските алги.
Сепак, ѓаволот е во деталите – како и во поголемиот дел од Европа, Тафоро е заглавен дома и затворен.Така, Тафоро го префрли своето истражување во домашна лабораторија: тој помина години украсувајќи ја поранешната кујна со средна големина со 3Д принтери, основна хемиска опрема и алатки што се користат за подготовка на животински коски за анатомски истражувања.
Тафоро користеше производи од локалната самопослуга за да дознае како да направи агар.Тој дури ја собира атмосферската вода од покривот што неодамна го исчистил за да направи деминерализирана вода, стандардна состојка во формулите за лабораториски агари.За да вежба органи за пакување во агар, земал свински црева од локална кланица.
На Тафоро му беше дозволено да се врати во ESRF во средината на мај за првото тест скенирање на белите дробови на свињи.Од мај до јуни, тој го подготвувал и скенирал левиот белодробен лобус на 54-годишен маж кој починал од СОВИД-19, кој Акерман и Јониг го однеле од Германија во Гренобл.
„Кога ја видов првата слика, имаше писмо со извинување во мојата е-пошта до сите вклучени во проектот: не успеавме и не можев да добијам висококвалитетно скенирање“, рече тој.„Само што им испратив две слики кои беа страшни за мене, но одлични за нив.
За Ли од Универзитетот во Калифорнија, Лос Анџелес, сликите се зачудувачки: сликите од цели органи се слични на стандардните медицински КТ скенови, но „милион пати поинформативни“.Како истражувачот цел живот да ја проучува шумата, или летајќи над шумата со џиновски млазен авион или патувајќи по патеката.Сега се вивнуваат над крошната како птици на крилја.
Тимот го објави својот прв целосен опис на пристапот HiP-CT во ноември 2021 година, а истражувачите објавија и детали за тоа како COVID-19 влијае на одредени видови на циркулација во белите дробови.
Скенирањето имаше и неочекувана корист: им помогна на истражувачите да ги убедат пријателите и семејството да се вакцинираат.Во тешки случаи на СОВИД-19, многу крвни садови во белите дробови изгледаат проширени и отечени, а во помала мера може да се формираат абнормални снопови на ситни крвни садови.
„Кога ќе ја погледнете структурата на белите дробови од лице кое починало од СОВИД, тоа не изгледа како бели дробови - тоа е хаос“, рече Тафоло.
Тој додаде дека дури и кај здравите органи, снимките откриле суптилни анатомски карактеристики кои никогаш не биле снимени бидејќи ниту еден човечки орган никогаш не бил толку детално испитан.Со финансирање од над 1 милион долари од иницијативата Чан Цукерберг (непрофитна организација основана од извршниот директор на Фејсбук Марк Цукерберг и сопругата на Цукерберг, лекарката Присила Чан), тимот на HiP-CT моментално го создава она што се нарекува атлас на човечки органи.
Досега, тимот објави скенирања на пет органи - срцето, мозокот, бубрезите, белите дробови и слезината - врз основа на органите донирани од Акерман и Јонигк за време на нивната аутопсија на СОВИД-19 во Германија и органот за „контрола на здравјето“ ЛАДАФ.Анатомска лабораторија во Гренобл.Тимот ги произведе податоците, како и филмовите за летот, врз основа на податоци кои се слободно достапни на Интернет.Атласот на човечки органи брзо се шири: уште 30 органи се скенирани, а уште 80 се во различни фази на подготовка.Речиси 40 различни истражувачки групи го контактираа тимот за да дознаат повеќе за пристапот, рече Ли.
Кардиологот од UCL Кук гледа голем потенцијал во користењето на HiP-CT за разбирање на основната анатомија.Радиологот од UCL, Џо Џејкоб, кој е специјализиран за белодробни заболувања, рече дека HiP-CT ќе биде „непроценлив за разбирање на болеста“, особено во тридимензионални структури како што се крвните садови.
Дури и уметниците влегоа во кавгата.Барни Стил од лондонскиот колектив за искуствена уметност Marshmallow Laser Feast вели дека активно истражува како податоците на HiP-CT може да се истражат во извонредна виртуелна реалност.„Во суштина, ние создаваме патување низ човечкото тело“, рече тој.
Но, и покрај сите ветувања на HiP-CT, постојат сериозни проблеми.Прво, вели Волш, HiP-CT скенирањето генерира „неверојатна количина на податоци“, лесно терабајт по орган.За да им овозможат на лекарите да ги користат овие скенирања во реалниот свет, истражувачите се надеваат дека ќе развијат интерфејс базиран на облак за навигација по нив, како што е Google Maps за човечкото тело.
Тие, исто така, требаше да го олеснат претворањето на скенирањата во изводливи 3D модели.Како и сите методи на КТ скенирање, HiP-CT работи така што зема многу 2Д парчиња од даден објект и ги собира заедно.Дури и денес, голем дел од овој процес се врши рачно, особено кога се скенираат абнормални или заболени ткива.Ли и Волш велат дека приоритет на тимот на HiP-CT е да развие методи за машинско учење кои можат да ја олеснат оваа задача.
Овие предизвици ќе се прошират како што се шири атласот на човечките органи и истражувачите стануваат поамбициозни.Тимот на HiP-CT го користи најновиот уред со зрак ESRF, наречен BM18, за да продолжи со скенирање на органите на проектот.BM18 произведува поголем зрак на Х-зраци, што значи дека скенирањето трае помалку време, а детекторот за Х-зраци BM18 може да се постави до 125 стапки (38 метри) од објектот што се скенира, што го прави појасно скенирање.Резултатите од BM18 се веќе многу добри, вели Тафоро, кој повторно скенирал некои од оригиналните примероци на Атлас на човечки органи на новиот систем.
BM18 може да скенира и многу големи објекти.Со новиот објект, тимот планира да го скенира целото торзо на човечкото тело со еден удар до крајот на 2023 година.
Истражувајќи го огромниот потенцијал на технологијата, Тафоро рече: „Ние сме навистина само на почетокот“.
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Сите права се задржани.