En ny scanningsteknik producerer billeder med store detaljer, der kan revolutionere studiet af menneskets anatomi.
Da Paul Taforo så sine første eksperimentelle billeder af COVID-19-lysofre, troede han, at han havde fejlet.Taforo var uddannet palæontolog og brugte måneder på at arbejde med teams over hele Europa for at omdanne partikelacceleratorer i de franske alper til revolutionerende medicinske scanningsværktøjer.
Det var i slutningen af ​​maj 2020, og forskerne var ivrige efter bedre at forstå, hvordan COVID-19 ødelægger menneskelige organer.Taforo fik til opgave at udvikle en metode, der kunne bruge de højeffekt røntgenstråler produceret af European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Grenoble, Frankrig.Som ESRF-forsker har han rykket grænserne for højopløselige røntgenstråler af stenfossiler og tørrede mumier.Nu var han rædselsslagen for den bløde, klistrede masse af papirservietter.
Billederne viste dem flere detaljer end nogen anden medicinsk CT-scanning, de nogensinde havde set før, hvilket gjorde det muligt for dem at overvinde stædige huller i, hvordan videnskabsmænd og læger visualiserer og forstår menneskelige organer."I anatomi-lærebøger, når du ser det, er det i stor skala, det er i lille skala, og de er smukke håndtegnede billeder af én grund: de er kunstneriske fortolkninger, fordi vi ikke har billeder," University College London (UCL). ) sagde..Seniorforsker Claire Walsh sagde."For første gang kan vi gøre den ægte vare."
Taforo og Walsh er en del af et internationalt team på mere end 30 forskere, der har skabt en kraftfuld ny røntgenscanningsteknik kaldet Hierarchical Phase Contrast Tomography (HiP-CT).Med den kan de endelig gå fra et komplet menneskeligt organ til et forstørret billede af kroppens mindste blodkar eller endda individuelle celler.
Denne metode giver allerede ny indsigt i, hvordan COVID-19 beskadiger og omformer blodkar i lungerne.Selvom dets langsigtede udsigter er vanskelige at afgøre, fordi intet som HiP-CT nogensinde har eksisteret før, forestiller forskere begejstret over dets potentiale entusiastisk nye måder at forstå sygdom og kortlægge menneskets anatomi med et mere præcist topografisk kort.
UCL-kardiolog Andrew Cooke sagde: "De fleste mennesker kan blive overraskede over, at vi har studeret hjertets anatomi i hundreder af år, men der er ingen konsensus om hjertets normale struktur, især hjertet ... Muskelceller og hvordan det ændrer sig når hjertet banker."
"Jeg har ventet hele min karriere," sagde han.
HiP-CT-teknikken begyndte, da to tyske patologer konkurrerede om at spore de straffende virkninger af SARS-CoV-2-virussen på den menneskelige krop.
Danny Jonigk, en thoraxpatolog ved Hannover Medical School, og Maximilian Ackermann, en patolog ved University Medical Center Mainz, var i høj alarmberedskab, da nyheden om det usædvanlige tilfælde af lungebetændelse begyndte at sprede sig i Kina.Begge havde erfaring med at behandle lungesygdomme og vidste med det samme, at COVID-19 var usædvanligt.Parret var især bekymret over rapporter om "tavs hypoxi", der holdt COVID-19-patienter vågne, men fik deres blods iltniveauer til at falde.
Ackermann og Jonig har mistanke om, at SARS-CoV-2 på en eller anden måde angriber blodkarrene i lungerne.Da sygdommen spredte sig til Tyskland i marts 2020, begyndte parret obduktioner af COVID-19-ofre.De testede snart deres vaskulære hypotese ved at injicere harpiks i vævsprøver og derefter opløse vævet i syre, hvilket efterlod en nøjagtig model af den oprindelige vaskulatur.
Ved at bruge denne teknik sammenlignede Ackermann og Jonigk væv fra mennesker, der ikke døde af COVID-19, med dem fra mennesker, der gjorde det.De så straks, at hos ofrene for COVID-19 blev de mindste blodkar i lungerne snoet og rekonstrueret.Disse skelsættende resultater, offentliggjort online i maj 2020, viser, at COVID-19 ikke udelukkende er en luftvejssygdom, men snarere en karsygdom, der kan påvirke organer i hele kroppen.
"Hvis du går gennem kroppen og justerer alle blodkarrene, får du 60.000 til 70.000 miles, hvilket er det dobbelte af afstanden omkring ækvator," sagde Ackermann, en patolog fra Wuppertal, Tyskland..Han tilføjede, at hvis kun 1 procent af disse blodkar blev angrebet af virussen, ville blodgennemstrømningen og evnen til at absorbere ilt blive kompromitteret, hvilket kunne føre til ødelæggende konsekvenser for hele organet.
Da Jonigk og Ackermann indså virkningen af ​​COVID-19 på blodkarrene, indså de, at de var nødt til bedre at forstå skaden.
Medicinske røntgenbilleder, såsom CT-scanninger, kan give visninger af hele organer, men de har ikke høj nok opløsning.En biopsi giver forskere mulighed for at undersøge vævsprøver under et mikroskop, men de resulterende billeder repræsenterer kun en lille del af hele organet og kan ikke vise, hvordan COVID-19 udvikler sig i lungerne.Og harpiksteknikken, som holdet udviklede, kræver opløsning af vævet, hvilket ødelægger prøven og begrænser yderligere forskning.
"I slutningen af ​​dagen får [lungerne] ilt, og kuldioxid går ud, men for det har den tusindvis af kilometer af blodkar og kapillærer, meget tyndt fordelt ... det er næsten et mirakel," sagde Jonigk, grundlægger. hovedforsker ved det tyske lungeforskningscenter."Så hvordan kan vi virkelig evaluere noget så komplekst som COVID-19 uden at ødelægge organer?"
Jonigk og Ackermann havde brug for noget hidtil uset: en række røntgenbilleder af det samme organ, der ville give forskerne mulighed for at forstørre dele af organet til cellulær skala.I marts 2020 kontaktede den tyske duo deres mangeårige samarbejdspartner Peter Lee, en materialeforsker og formand for nye teknologier ved UCL.Lees speciale er studiet af biologiske materialer ved hjælp af kraftige røntgenstråler, så hans tanker vendte straks til de franske alper.
European Synchrotron Radiation Center er placeret på et trekantet område i den nordvestlige del af Grenoble, hvor to floder mødes.Objektet er en partikelaccelerator, der sender elektroner i cirkulære baner en halv kilometer lange med næsten lysets hastighed.Mens disse elektroner spinder i cirkler, fordrejer kraftige magneter i kredsløb strømmen af ​​partikler, hvilket får elektronerne til at udsende nogle af de klareste røntgenstråler i verden.
Denne kraftige stråling gør det muligt for ESRF at udspionere objekter på mikrometer- eller endda nanometerskalaen.Det bruges ofte til at studere materialer som legeringer og kompositter, til at studere proteiners molekylære struktur og endda til at rekonstruere gamle fossiler uden at adskille sten fra knogler.Ackermann, Jonigk og Lee ønskede at bruge det gigantiske instrument til at tage verdens mest detaljerede røntgenbilleder af menneskelige organer.
Indtast Taforo, hvis arbejde hos ESRF har rykket grænserne for, hvad synkrotronscanning kan se.Dens imponerende række af tricks havde tidligere givet videnskabsmænd mulighed for at kigge ind i dinosauræg og næsten skære mumier op, og næsten øjeblikkeligt bekræftede Taforo, at synkrotroner teoretisk godt kunne scanne hele lungelapperne.Men faktisk er det en kæmpe udfordring at scanne hele menneskelige organer.
På den ene side er der sammenligningsproblemet.Standard røntgenbilleder skaber billeder baseret på, hvor meget stråling forskellige materialer absorberer, hvor tungere elementer absorberer mere end lettere.Blødt væv består for det meste af lette elementer - kulstof, brint, ilt osv. - så de vises ikke tydeligt på et klassisk medicinsk røntgenbillede.
En af de gode ting ved ESRF er, at dens røntgenstråle er meget sammenhængende: lys bevæger sig i bølger, og i tilfældet med ESRF starter alle dens røntgenstråler med samme frekvens og justering, konstant oscillerende, som fodspor, der er tilbage af Reik gennem en zenhave.Men når disse røntgenstråler passerer gennem objektet, kan subtile forskelle i tæthed få hver røntgenstråle til at afvige lidt fra banen, og forskellen bliver lettere at opdage, når røntgenstrålerne bevæger sig længere væk fra objektet.Disse afvigelser kan afsløre subtile tæthedsforskelle i et objekt, selvom det består af lette elementer.
Men stabilitet er et andet spørgsmål.For at tage en række forstørrede røntgenbilleder skal organet fikseres i sin naturlige form, så det ikke bøjer eller bevæger sig mere end en tusindedel af en millimeter.Desuden vil successive røntgenbilleder af det samme organ ikke matche hinanden.Det er overflødigt at sige, at kroppen kan være meget fleksibel.
Lee og hans team på UCL havde til formål at designe beholdere, der kunne modstå synkrotron røntgenstråler, mens de stadig lod så mange bølger igennem som muligt.Lee varetog også den overordnede organisering af projektet – for eksempel detaljerne om transport af menneskelige organer mellem Tyskland og Frankrig – og hyrede Walsh, der specialiserer sig i biomedicinske big data, til at hjælpe med at finde ud af, hvordan man analyserer scanningerne.Tilbage i Frankrig omfattede Taforos arbejde at forbedre scanningsproceduren og finde ud af, hvordan man opbevarer orglet i containeren, som Lees team byggede.
Tafforo vidste, at for at organerne ikke skulle nedbrydes, og billederne skal være så klare som muligt, skal de behandles med flere portioner vandig ethanol.Han vidste også, at han var nødt til at stabilisere organet på noget, der nøjagtigt matchede organets tæthed.Hans plan var på en eller anden måde at placere organerne i ethanolrig agar, et gelélignende stof udvundet af tang.
Djævelen er dog i detaljerne - som i det meste af Europa sidder Taforo fast derhjemme og låst inde.Så Taforo flyttede sin forskning ind i et hjemmelaboratorium: Han brugte år på at dekorere et tidligere mellemstort køkken med 3D-printere, grundlæggende kemiudstyr og værktøjer, der blev brugt til at forberede dyreknogler til anatomisk forskning.
Taforo brugte produkter fra den lokale købmand for at finde ud af, hvordan man laver agar.Han opsamler endda regnvand fra et tag, han for nylig har renset for at lave demineraliseret vand, en standardingrediens i agarformler af laboratoriekvalitet.For at øve sig i at pakke organer i agar tog han svinetarme fra et lokalt slagteri.
Taforo blev godkendt til at vende tilbage til ESRF i midten af ​​maj til den første test lungescanning af grise.Fra maj til juni forberedte og scannede han venstre lungelap på en 54-årig mand, der døde af COVID-19, som Ackermann og Jonig tog fra Tyskland til Grenoble.
"Da jeg så det første billede, var der et undskyldningsbrev i min e-mail til alle involverede i projektet: vi fejlede, og jeg kunne ikke få en scanning af høj kvalitet," sagde han."Jeg har lige sendt dem to billeder, der var forfærdelige for mig, men fantastiske for dem."
For Lee fra University of California, Los Angeles, er billederne fantastiske: billeder af hele organer ligner standard medicinske CT-scanninger, men "en million gange mere informative."Det er, som om opdagelsesrejsende har studeret skoven hele sit liv, enten fløjet over skoven i et kæmpe jetfly eller rejst langs stien.Nu svæver de over baldakinen som fugle på vinger.
Holdet offentliggjorde deres første fulde beskrivelse af HiP-CT-tilgangen i november 2021, og forskerne udgav også detaljer om, hvordan COVID-19 påvirker visse typer af cirkulation i lungerne.
Scanningen havde også en uventet fordel: den hjalp forskerne med at overbevise venner og familie om at blive vaccineret.I alvorlige tilfælde af COVID-19 virker mange blodkar i lungerne udvidede og hævede, og i mindre grad kan der dannes unormale bundter af små blodkar.
"Når du ser på strukturen af ​​en lunge fra en person, der døde af COVID, ligner den ikke en lunge - det er noget rod," sagde Tafolo.
Han tilføjede, at selv i sunde organer afslørede scanningerne subtile anatomiske træk, som aldrig blev registreret, fordi intet menneskeligt organ nogensinde var blevet undersøgt så detaljeret.Med over 1 million dollars i finansiering fra Chan Zuckerberg Initiative (en non-profit organisation grundlagt af Facebooks administrerende direktør Mark Zuckerberg og Zuckerbergs kone, lægen Priscilla Chan), er HiP-CT-teamet i gang med at skabe det, der kaldes et atlas over menneskelige organer.
Indtil videre har holdet frigivet scanninger af fem organer - hjertet, hjernen, nyrerne, lungerne og milten - baseret på de organer doneret af Ackermann og Jonigk under deres COVID-19-obduktion i Tyskland og sundheds-"kontrolorganet LADAF".Anatomisk laboratorium i Grenoble.Holdet producerede dataene samt flyvefilm baseret på data, der er frit tilgængelige på internettet.Atlas of Human Organs udvider sig hurtigt: yderligere 30 organer er blevet scannet, og yderligere 80 er på forskellige stadier af forberedelse.Næsten 40 forskellige forskergrupper kontaktede holdet for at lære mere om tilgangen, sagde Li.
UCL-kardiolog Cook ser et stort potentiale i at bruge HiP-CT til at forstå grundlæggende anatomi.UCL-radiolog Joe Jacob, som har specialiseret sig i lungesygdomme, sagde, at HiP-CT vil være "uvurderlig til at forstå sygdom", især i tredimensionelle strukturer såsom blodkar.
Selv kunstnerne kom ind i kampen.Barney Steele fra det London-baserede oplevelseskunstkollektive Marshmallow Laser Feast siger, at han aktivt undersøger, hvordan HiP-CT-data kan udforskes i fordybende virtual reality."I bund og grund skaber vi en rejse gennem den menneskelige krop," sagde han.
Men trods alle løfterne fra HiP-CT er der alvorlige problemer.For det første, siger Walsh, genererer en HiP-CT-scanning en "svimlende mængde data", let en terabyte pr. organ.For at give klinikere mulighed for at bruge disse scanninger i den virkelige verden, håber forskerne at udvikle en cloud-baseret grænseflade til at navigere i dem, såsom Google Maps til den menneskelige krop.
De skulle også gøre det nemmere at konvertere scanninger til brugbare 3D-modeller.Som alle CT-scanningsmetoder fungerer HiP-CT ved at tage mange 2D-snit af et givent objekt og stable dem sammen.Selv i dag udføres meget af denne proces manuelt, især ved scanning af unormalt eller sygt væv.Lee og Walsh siger, at HiP-CT-teamets prioritet er at udvikle maskinlæringsmetoder, der kan gøre denne opgave lettere.
Disse udfordringer vil udvide sig, efterhånden som atlasset over menneskelige organer udvides, og forskerne bliver mere ambitiøse.HiP-CT-teamet bruger den seneste ESRF-stråleenhed, kaldet BM18, til at fortsætte med at scanne projektets organer.BM18 producerer en større røntgenstråle, hvilket betyder, at scanning tager kortere tid, og BM18 røntgendetektoren kan placeres op til 125 fod (38 meter) væk fra objektet, der scannes, hvilket gør det klarere at scanne.BM18-resultaterne er allerede meget gode, siger Taforo, som har genscannet nogle af de originale Human Organ Atlas-prøver på det nye system.
BM18 kan også scanne meget store objekter.Med den nye facilitet planlægger holdet at scanne hele kroppens krop i ét hug inden udgangen af ​​2023.
Ved at udforske teknologiens enorme potentiale sagde Taforo: "Vi er egentlig kun i begyndelsen."
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Alle rettigheder forbeholdes.