’n Nuwe skanderingstegniek produseer beelde met groot detail wat die studie van menslike anatomie kan omwenteling.
Toe Paul Taforo sy eerste eksperimentele beelde van COVID-19-ligslagoffers sien, het hy gedink hy het misluk.Taforo, 'n paleontoloog van opleiding, het maande lank saam met spanne regoor Europa gewerk om deeltjieversnellers in die Franse Alpe in revolusionêre mediese skanderingsinstrumente te verander.
Dit was aan die einde van Mei 2020, en wetenskaplikes was gretig om beter te verstaan ​​hoe COVID-19 menslike organe vernietig.Taforo het die opdrag gekry om 'n metode te ontwikkel wat die hoëkrag X-strale wat deur die European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, Frankryk vervaardig word, kan gebruik.As 'n ESRF-wetenskaplike het hy die grense van hoë-resolusie x-strale van rotsfossiele en gedroogde mummies verskuif.Nou was hy doodbang vir die sagte, taai massa papierhanddoeke.
Die beelde het hulle meer detail gewys as enige mediese CT-skandering wat hulle nog ooit gesien het, wat hulle in staat gestel het om hardnekkige gapings te oorkom in hoe wetenskaplikes en dokters menslike organe visualiseer en verstaan."In anatomie handboeke, wanneer jy dit sien, is dit groot skaal, dit is klein skaal, en dit is pragtige handgetekende beelde vir een rede: dit is artistieke interpretasies omdat ons nie beelde het nie," University College London (UCL) ) gesê..Senior Navorser Claire Walsh gesê.“Vir die eerste keer kan ons die regte ding doen.”
Taforo en Walsh is deel van 'n internasionale span van meer as 30 navorsers wat 'n kragtige nuwe X-straalskanderingstegniek genaamd Hiërargiese Fasekontrasttomografie (HiP-CT) geskep het.Daarmee kan hulle uiteindelik van 'n volledige menslike orgaan na 'n vergrote aansig van die liggaam se kleinste bloedvate of selfs individuele selle gaan.
Hierdie metode bied reeds nuwe insig in hoe COVID-19 bloedvate in die longe beskadig en hermodelleer.Alhoewel die langtermynvooruitsigte moeilik is om te bepaal omdat niks soos HiP-CT nog ooit bestaan ​​het nie, stel navorsers opgewonde oor sy potensiaal entoesiasties nuwe maniere voor om siekte te verstaan ​​en menslike anatomie met 'n meer akkurate topografiese kaart te karteer.
UCL-kardioloog Andrew Cooke het gesê: “Die meeste mense is dalk verbaas dat ons die anatomie van die hart al honderde jare bestudeer, maar daar is geen konsensus oor die normale struktuur van die hart nie, veral die hart … Spierselle en hoe dit verander wanneer die hart klop.”
"Ek het my hele loopbaan gewag," het hy gesê.
Die HiP-CT-tegniek het begin toe twee Duitse patoloë meegeding het om die bestraffende uitwerking van die SARS-CoV-2-virus op die menslike liggaam op te spoor.
Danny Jonigk, 'n torakale patoloog by die Hannover Mediese Skool, en Maximilian Ackermann, 'n patoloog by die Universiteit Mediese Sentrum Mainz, was op 'n hoë gereedheidsgrondslag toe nuus van die ongewone geval van longontsteking in China begin versprei het.Albei het ondervinding gehad met die behandeling van longtoestande en het dadelik geweet dat COVID-19 ongewoon is.Die egpaar was veral bekommerd oor berigte van "stille hipoksie" wat COVID-19-pasiënte wakker gehou het, maar hul bloed suurstofvlakke laat daal het.
Ackermann en Jonig vermoed dat SARS-CoV-2 op een of ander manier die bloedvate in die longe aanval.Toe die siekte in Maart 2020 na Duitsland versprei het, het die egpaar lykskouings op COVID-19-slagoffers begin.Hulle het gou hul vaskulêre hipotese getoets deur hars in weefselmonsters te spuit en dan die weefsel in suur op te los, wat 'n akkurate model van die oorspronklike vaskulatuur agterlaat.
Deur hierdie tegniek te gebruik, het Ackermann en Jonigk weefsels vergelyk van mense wat nie aan COVID-19 gesterf het nie met dié van mense wat wel gesterf het.Hulle het dadelik gesien dat in die slagoffers van COVID-19, die kleinste bloedvate in die longe gedraai en gerekonstrueer is.Hierdie landmerkresultate, wat in Mei 2020 aanlyn gepubliseer is, toon dat COVID-19 nie streng 'n respiratoriese siekte is nie, maar eerder 'n vaskulêre siekte wat organe regdeur die liggaam kan aantas.
"As jy deur die liggaam gaan en al die bloedvate in lyn bring, kry jy 60 000 tot 70 000 myl, wat twee keer die afstand om die ewenaar is," het Ackermann, 'n patoloog van Wuppertal, Duitsland, gesê..Hy het bygevoeg dat as slegs 1 persent van hierdie bloedvate deur die virus aangeval word, bloedvloei en die vermoë om suurstof te absorbeer in die gedrang sal kom, wat tot verwoestende gevolge vir die hele orgaan kan lei.
Sodra Jonigk en Ackermann die impak van COVID-19 op bloedvate besef het, het hulle besef dat hulle die skade beter moet verstaan.
Mediese x-strale, soos CT-skanderings, kan aansigte van hele organe verskaf, maar hulle het nie 'n hoë genoeg resolusie nie.'n Biopsie laat wetenskaplikes toe om weefselmonsters onder 'n mikroskoop te ondersoek, maar die gevolglike beelde verteenwoordig slegs 'n klein deel van die hele orgaan en kan nie wys hoe COVID-19 in die longe ontwikkel nie.En die harstegniek wat die span ontwikkel het, vereis dat die weefsel opgelos word, wat die monster vernietig en verdere navorsing beperk.
"Aan die einde van die dag kry [die longe] suurstof en koolstofdioksied gaan uit, maar daarvoor het dit duisende kilometers se bloedvate en kapillêre, baie dun gespasieer ... dit is amper 'n wonderwerk," het Jonigk, stigter, gesê hoofondersoeker by die Duitse Longnavorsingsentrum."So, hoe kan ons regtig iets so kompleks soos COVID-19 evalueer sonder om organe te vernietig?"
Jonigk en Ackermann het iets ongekends nodig gehad: 'n reeks x-strale van dieselfde orgaan wat die navorsers in staat sou stel om dele van die orgaan tot sellulêre skaal te vergroot.In Maart 2020 het die Duitse duo hul jarelange medewerker Peter Lee, 'n materiaalwetenskaplike en voorsitter van opkomende tegnologieë by UCL, gekontak.Lee se spesialiteit is die studie van biologiese materiale met behulp van kragtige X-strale, so sy gedagtes het dadelik na die Franse Alpe gekeer.
Die European Synchrotron Radiation Centre is geleë op 'n driehoekige stuk grond in die noordwestelike deel van Grenoble, waar twee riviere ontmoet.Die voorwerp is 'n partikelversneller wat elektrone in sirkelvormige bane 'n halwe myl lank teen amper die spoed van lig stuur.Terwyl hierdie elektrone in sirkels draai, verdraai kragtige magnete in 'n wentelbaan die stroom deeltjies, wat veroorsaak dat die elektrone van die helderste X-strale in die wêreld uitstraal.
Hierdie kragtige bestraling laat die ESRF toe om voorwerpe op die mikrometer- of selfs nanometerskaal te bespied.Dit word dikwels gebruik om materiale soos legerings en komposiete te bestudeer, om die molekulêre struktuur van proteïene te bestudeer, en selfs om antieke fossiele te rekonstrueer sonder om klip van been te skei.Ackermann, Jonigk en Lee wou die reuse-instrument gebruik om die wêreld se mees gedetailleerde x-strale van menslike organe te neem.
Voer Taforo in, wie se werk by ESRF die grense verskuif het van wat sinchrotronskandering kan sien.Sy indrukwekkende reeks truuks het wetenskaplikes voorheen toegelaat om binne-in dinosourus-eiers te loer en byna oop mummies te sny, en Taforo het feitlik onmiddellik bevestig dat sinchrotrone teoreties die hele longlobbe goed kan skandeer.Maar in werklikheid is die skandering van hele menslike organe 'n groot uitdaging.
Aan die een kant is daar die probleem van vergelyking.Standaard x-strale skep beelde gebaseer op hoeveel straling verskillende materiale absorbeer, met swaarder elemente wat meer as ligter absorbeer.Sagte weefsels bestaan ​​meestal uit ligte elemente—koolstof, waterstof, suurstof, ens.—so hulle wys nie duidelik op ’n klassieke mediese x-straal nie.
Een van die wonderlike dinge van ESRF is dat sy X-straalstraal baie koherent is: lig beweeg in golwe, en in die geval van ESRF begin al sy X-strale teen dieselfde frekwensie en belyning, wat voortdurend ossilleer, soos voetspore wat gelaat word. deur Reik deur 'n zentuin.Maar soos hierdie X-strale deur die voorwerp gaan, kan subtiele verskille in digtheid veroorsaak dat elke X-straal effens van die pad afwyk, en die verskil word makliker om op te spoor soos die X-strale verder weg van die voorwerp beweeg.Hierdie afwykings kan subtiele digtheidsverskille binne 'n voorwerp openbaar, selfs al bestaan ​​dit uit ligte elemente.
Maar stabiliteit is 'n ander kwessie.Om 'n reeks vergrote x-strale te neem, moet die orgaan in sy natuurlike vorm vasgemaak word sodat dit nie meer as 'n duisendste van 'n millimeter buig of beweeg nie.Boonop sal opeenvolgende x-strale van dieselfde orgaan nie by mekaar pas nie.Nodeloos om te sê, die liggaam kan egter baie buigsaam wees.
Lee en sy span by UCL het daarop gemik om houers te ontwerp wat sinchrotron-X-strale kan weerstaan ​​terwyl hulle steeds soveel golwe as moontlik deurlaat.Lee het ook die algehele organisasie van die projek hanteer - byvoorbeeld die besonderhede van die vervoer van menslike organe tussen Duitsland en Frankryk - en Walsh, wat spesialiseer in biomediese groot data, gehuur om te help uitvind hoe om die skanderings te ontleed.Terug in Frankryk het Taforo se werk ingesluit om die skanderingsprosedure te verbeter en uit te vind hoe om die orrel te stoor in die houer wat Lee se span besig was om te bou.
Tafforo het geweet dat om die organe nie te ontbind nie, en die beelde so duidelik moontlik te wees, dit met verskeie porsies waterige etanol verwerk moet word.Hy het ook geweet dat hy die orgaan moes stabiliseer op iets wat presies ooreenstem met die digtheid van die orgaan.Sy plan was om die organe op een of ander manier in etanolryke agar te plaas, 'n jellieagtige stof wat uit seewier onttrek is.
Die duiwel is egter in die besonderhede – soos in die meeste van Europa is Taforo by die huis vas en toegesluit.So het Taforo sy navorsing na 'n tuislaboratorium geskuif: Hy het jare spandeer om 'n voormalige middelgrootte kombuis met 3D-drukkers, basiese chemie-toerusting en gereedskap wat gebruik word om dierebene vir anatomiese navorsing voor te berei, te versier.
Taforo het produkte van die plaaslike kruidenierswinkel gebruik om uit te vind hoe om agar te maak.Hy versamel selfs stormwater van 'n dak wat hy onlangs skoongemaak het om gedemineraliseerde water te maak, 'n standaardbestanddeel in laboratoriumgraad-agarformules.Om te oefen om organe in agar te pak, het hy varkderms by 'n plaaslike slaghuis geneem.
Taforo is vrygelaat om in die middel van Mei na die ESRF terug te keer vir die eerste toetslongskandering van varke.Van Mei tot Junie het hy die linkerlonglob van 'n 54-jarige man wat aan COVID-19 gesterf het, voorberei en geskandeer, wat Ackermann en Jonig van Duitsland na Grenoble geneem het.
“Toe ek die eerste prent sien, was daar 'n verskoningsbrief in my e-pos aan almal wat by die projek betrokke was: ons het misluk en ek kon nie 'n skandering van hoë gehalte kry nie,” het hy gesê."Ek het sopas vir hulle twee foto's gestuur wat vir my verskriklik was, maar wonderlik vir hulle."
Vir Lee van die Universiteit van Kalifornië, Los Angeles, is die beelde verstommend: heelorgaanbeelde is soortgelyk aan standaard mediese CT-skanderings, maar "'n miljoen keer meer insiggewend."Dit is asof die ontdekkingsreisiger die woud sy hele lewe lank bestudeer het, óf in 'n reuse-stralervliegtuig oor die woud vlieg, óf langs die roete reis.Nou sweef hulle bo die afdak soos voëls op vlerke.
Die span het hul eerste volledige beskrywing van die HiP-CT-benadering in November 2021 gepubliseer, en die navorsers het ook besonderhede vrygestel oor hoe COVID-19 sekere tipes sirkulasie in die longe beïnvloed.
Die skandering het ook 'n onverwagse voordeel gehad: dit het die navorsers gehelp om vriende en familie te oortuig om ingeënt te word.In ernstige gevalle van COVID-19 lyk baie bloedvate in die longe verwyd en geswel, en tot 'n mindere mate kan abnormale bondels klein bloedvate vorm.
"As jy kyk na die struktuur van 'n long van 'n persoon wat aan COVID gesterf het, lyk dit nie soos 'n long nie - dit is 'n gemors," het Tafolo gesê.
Hy het bygevoeg dat selfs in gesonde organe, die skanderings subtiele anatomiese kenmerke aan die lig gebring het wat nooit aangeteken is nie omdat geen menslike orgaan ooit in so besonderhede ondersoek is nie.Met meer as $1 miljoen in befondsing van die Chan Zuckerberg-inisiatief ('n nie-winsgewende organisasie wat gestig is deur Facebook se uitvoerende hoof, Mark Zuckerberg en Zuckerberg se vrou, dokter Priscilla Chan), is die HiP-CT-span tans besig om 'n atlas van menslike organe te skep.
Tot dusver het die span skanderings van vyf organe vrygestel - die hart, brein, niere, longe en milt - gebaseer op die organe wat deur Ackermann en Jonigk geskenk is tydens hul COVID-19 lykskouing in Duitsland en die gesondheid "beheer" orgaan LADAF.Anatomiese laboratorium van Grenoble.Die span het die data, sowel as vlugfilms, vervaardig op grond van data wat vrylik op die internet beskikbaar is.Die Atlas van Menslike Organe brei vinnig uit: nog 30 organe is geskandeer, en nog 80 is in verskillende stadiums van voorbereiding.Byna 40 verskillende navorsingsgroepe het die span gekontak om meer oor die benadering te wete te kom, het Li gesê.
UCL-kardioloog Cook sien groot potensiaal in die gebruik van HiP-CT om basiese anatomie te verstaan.UCL-radioloog Joe Jacob, wat in longsiekte spesialiseer, het gesê HiP-CT sal "van onskatbare waarde wees om siektes te verstaan," veral in driedimensionele strukture soos bloedvate.
Selfs die kunstenaars het in die stryd getree.Barney Steele van die Londense ervaringkunskollektief Marshmallow Laser Feast sê hy ondersoek aktief hoe HiP-CT-data in meeslepende virtuele realiteit verken kan word."In wese skep ons 'n reis deur die menslike liggaam," het hy gesê.
Maar ten spyte van al die beloftes van HiP-CT, is daar ernstige probleme.Eerstens, sê Walsh, genereer 'n HiP-CT-skandering 'n "verstommende hoeveelheid data," maklik 'n teragreep per orgaan.Om klinici toe te laat om hierdie skanderings in die regte wêreld te gebruik, hoop die navorsers om 'n wolkgebaseerde koppelvlak te ontwikkel om dit te navigeer, soos Google Maps vir die menslike liggaam.
Hulle moes dit ook makliker maak om skanderings in werkbare 3D-modelle om te skakel.Soos alle CT-skanderingmetodes, werk HiP-CT deur baie 2D-skywe van 'n gegewe voorwerp te neem en dit saam te stapel.Selfs vandag word baie van hierdie proses met die hand gedoen, veral wanneer abnormale of siek weefsel geskandeer word.Lee en Walsh sê die HiP-CT-span se prioriteit is om masjienleermetodes te ontwikkel wat hierdie taak makliker kan maak.
Hierdie uitdagings sal uitbrei namate die atlas van menslike organe uitbrei en navorsers meer ambisieus word.Die HiP-CT-span gebruik die nuutste ESRF-straaltoestel, genaamd BM18, om voort te gaan om die projek se organe te skandeer.Die BM18 produseer 'n groter X-straalstraal, wat beteken skandering neem minder tyd, en die BM18 X-straaldetektor kan tot 125 voet (38 meter) weg van die voorwerp wat geskandeer word geplaas word, wat dit duideliker maak.Die BM18-resultate is reeds baie goed, sê Taforo, wat van die oorspronklike menslike orrelatlas-monsters op die nuwe stelsel herskandeer het.
Die BM18 kan ook baie groot voorwerpe skandeer.Met die nuwe fasiliteit beplan die span om die hele bolyf van die menslike liggaam teen die einde van 2023 in een klap te skandeer.
Deur die enorme potensiaal van die tegnologie te ondersoek, het Taforo gesê: "Ons is eintlik net aan die begin."
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Alle regte voorbehou.