En ny skanneteknikk produserer bilder med stor detaljrikdom som kan revolusjonere studiet av menneskelig anatomi.
Da Paul Taforo så sine første eksperimentelle bilder av COVID-19-lysofre, trodde han at han hadde mislyktes.Taforo, som er utdannet paleontolog, brukte måneder på å jobbe med team over hele Europa for å gjøre partikkelakseleratorer i de franske Alpene til revolusjonerende medisinske skanningsverktøy.
Det var i slutten av mai 2020, og forskere var ivrige etter å bedre forstå hvordan COVID-19 ødelegger menneskelige organer.Taforo fikk i oppdrag å utvikle en metode som kunne bruke de kraftige røntgenstrålene produsert av European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Grenoble, Frankrike.Som ESRF-forsker har han flyttet grensene for høyoppløselige røntgenbilder av steinfossiler og tørkede mumier.Nå var han livredd for den myke, klissete massen av papirhåndklær.
Bildene viste dem flere detaljer enn noen medisinsk CT-skanning de noen gang hadde sett før, slik at de kunne overvinne gjenstridige hull i hvordan forskere og leger visualiserer og forstår menneskelige organer."I anatomi-lærebøker, når du ser det, er det stor skala, det er liten skala, og de er vakre håndtegnede bilder av én grunn: de er kunstneriske tolkninger fordi vi ikke har bilder," University College London (UCL) ) sa..Seniorforsker Claire Walsh sa."For første gang kan vi gjøre den ekte varen."
Taforo og Walsh er en del av et internasjonalt team på mer enn 30 forskere som har laget en kraftig ny røntgenskanningsteknikk kalt Hierarchical Phase Contrast Tomography (HiP-CT).Med den kan de endelig gå fra et komplett menneskelig organ til et forstørret syn på kroppens minste blodårer eller til og med individuelle celler.
Denne metoden gir allerede ny innsikt i hvordan COVID-19 skader og remodellerer blodkar i lungene.Selv om langtidsutsiktene er vanskelige å fastslå fordi ingenting som HiP-CT noen gang har eksistert før, ser forskere begeistret over potensialet entusiastisk nye måter å forstå sykdom og kartlegge menneskets anatomi med et mer nøyaktig topografisk kart.
UCL-kardiolog Andrew Cooke sa: "De fleste kan bli overrasket over at vi har studert hjertets anatomi i hundrevis av år, men det er ingen konsensus om den normale strukturen til hjertet, spesielt hjertet ... Muskelceller og hvordan det endres når hjertet slår."
"Jeg har ventet hele min karriere," sa han.
HiP-CT-teknikken begynte da to tyske patologer konkurrerte om å spore straffevirkningene av SARS-CoV-2-viruset på menneskekroppen.
Danny Jonigk, en thoraxpatolog ved Hannover Medical School, og Maximilian Ackermann, en patolog ved University Medical Center Mainz, var i høy beredskap da nyheten om det uvanlige tilfellet av lungebetennelse begynte å spre seg i Kina.Begge hadde erfaring med å behandle lungesykdommer og visste med en gang at COVID-19 var uvanlig.Paret var spesielt bekymret for rapporter om "stille hypoksi" som holdt COVID-19-pasienter våkne, men fikk oksygennivået i blodet til å stupe.
Ackermann og Jonig mistenker at SARS-CoV-2 på en eller annen måte angriper blodårene i lungene.Da sykdommen spredte seg til Tyskland i mars 2020, begynte paret obduksjoner av covid-19-ofre.De testet snart sin vaskulære hypotese ved å injisere harpiks i vevsprøver og deretter oppløse vevet i syre, og etterlot en nøyaktig modell av den opprinnelige vaskulaturen.
Ved å bruke denne teknikken sammenlignet Ackermann og Jonigk vev fra personer som ikke døde av COVID-19 med vev fra personer som gjorde det.De så umiddelbart at hos ofrene for COVID-19 ble de minste blodårene i lungene vridd og rekonstruert.Disse landemerkeresultatene, publisert på nettet i mai 2020, viser at COVID-19 ikke strengt tatt er en luftveissykdom, men snarere en vaskulær sykdom som kan påvirke organer i hele kroppen.
"Hvis du går gjennom kroppen og justerer alle blodårene, får du 60 000 til 70 000 miles, som er det dobbelte av avstanden rundt ekvator," sa Ackermann, en patolog fra Wuppertal, Tyskland..Han la til at hvis bare 1 prosent av disse blodårene ble angrepet av viruset, ville blodstrømmen og evnen til å absorbere oksygen bli kompromittert, noe som kan føre til ødeleggende konsekvenser for hele organet.
Når Jonigk og Ackermann innså virkningen av COVID-19 på blodårene, innså de at de trengte å forstå skaden bedre.
Medisinske røntgenbilder, som CT-skanninger, kan gi utsikt over hele organer, men de har ikke høy nok oppløsning.En biopsi lar forskere undersøke vevsprøver under et mikroskop, men de resulterende bildene representerer bare en liten del av hele organet og kan ikke vise hvordan COVID-19 utvikler seg i lungene.Og harpiksteknikken teamet utviklet krever oppløsning av vevet, noe som ødelegger prøven og begrenser videre forskning.
"På slutten av dagen får [lungene] oksygen og karbondioksid går ut, men for det har den tusenvis av kilometer med blodårer og kapillærer, veldig tynt fordelt ... det er nesten et mirakel," sa Jonigk, grunnlegger, hovedetterforsker ved det tyske lungeforskningssenteret."Så hvordan kan vi virkelig vurdere noe så komplekst som COVID-19 uten å ødelegge organer?"
Jonigk og Ackermann trengte noe enestående: en serie røntgenbilder av det samme organet som ville tillate forskerne å forstørre deler av organet til cellulær skala.I mars 2020 tok den tyske duoen kontakt med sin mangeårige samarbeidspartner Peter Lee, en materialforsker og styreleder for fremvoksende teknologier ved UCL.Lees spesialitet er studiet av biologiske materialer ved hjelp av kraftige røntgenstråler, så tankene hans vendte umiddelbart til de franske alpene.
European Synchrotron Radiation Centre ligger på et trekantet landområde i den nordvestlige delen av Grenoble, der to elver møtes.Objektet er en partikkelakselerator som sender elektroner i sirkulære baner en halv mil lange med nesten lysets hastighet.Når disse elektronene spinner i sirkler, forvrider kraftige magneter i bane strømmen av partikler, noe som får elektronene til å sende ut noen av de lyseste røntgenstrålene i verden.
Denne kraftige strålingen lar ESRF spionere på objekter på mikrometer eller til og med nanometerskala.Det brukes ofte til å studere materialer som legeringer og kompositter, for å studere molekylstrukturen til proteiner, og til og med for å rekonstruere eldgamle fossiler uten å skille stein fra bein.Ackermann, Jonigk og Lee ønsket å bruke det gigantiske instrumentet til å ta verdens mest detaljerte røntgenbilder av menneskelige organer.
Gå inn på Taforo, hvis arbeid ved ESRF har flyttet grensene for hva synkrotronskanning kan se.Dens imponerende rekke triks hadde tidligere tillatt forskere å kikke inn i dinosaur-egg og nesten kutte åpne mumier, og nesten umiddelbart bekreftet Taforo at synkrotroner teoretisk kunne skanne hele lungelobene godt.Men faktisk er det en stor utfordring å skanne hele menneskelige organer.
På den ene siden er det sammenligningsproblemet.Standard røntgenbilder lager bilder basert på hvor mye stråling forskjellige materialer absorberer, med tyngre elementer som absorberer mer enn lettere.Bløtvev består for det meste av lette elementer – karbon, hydrogen, oksygen osv. – så de vises ikke tydelig på en klassisk medisinsk røntgen.
En av de flotte tingene med ESRF er at røntgenstrålen er veldig koherent: lys beveger seg i bølger, og når det gjelder ESRF, starter alle røntgenstrålene med samme frekvens og justering, konstant oscillerende, som fotspor igjen av Reik gjennom en zenhage.Men når disse røntgenstrålene passerer gjennom objektet, kan subtile forskjeller i tetthet føre til at hver røntgenstråle avviker litt fra banen, og forskjellen blir lettere å oppdage ettersom røntgenstrålene beveger seg lenger bort fra objektet.Disse avvikene kan avsløre subtile tetthetsforskjeller i et objekt, selv om det består av lette elementer.
Men stabilitet er et annet problem.For å kunne ta en serie forstørrede røntgenbilder må organet festes i sin naturlige form slik at det ikke bøyer seg eller beveger seg mer enn en tusendels millimeter.Dessuten vil påfølgende røntgenbilder av samme organ ikke matche hverandre.Unødvendig å si, men kroppen kan være veldig fleksibel.
Lee og teamet hans ved UCL hadde som mål å designe beholdere som kunne motstå synkrotronrøntgenstråler samtidig som de slipper så mange bølger gjennom som mulig.Lee håndterte også den overordnede organiseringen av prosjektet – for eksempel detaljene rundt transport av menneskelige organer mellom Tyskland og Frankrike – og hyret inn Walsh, som spesialiserer seg på biomedisinsk stordata, for å finne ut hvordan man analyserer skanningene.Tilbake i Frankrike inkluderte Taforos arbeid å forbedre skanneprosedyren og finne ut hvordan de skulle lagre orgelet i beholderen Lee sitt team bygde.
Tafforo visste at for at organene ikke skal brytes ned, og bildene skal være så klare som mulig, må de behandles med flere porsjoner vandig etanol.Han visste også at han trengte å stabilisere organet på noe som samsvarte nøyaktig med organets tetthet.Planen hans var på en eller annen måte å plassere organene i etanolrik agar, et gelélignende stoff utvunnet fra tang.
Djevelen sitter imidlertid i detaljene – som i det meste av Europa sitter Taforo fast hjemme og innelåst.Så Taforo flyttet forskningen sin til et hjemmelaboratorium: Han brukte år på å dekorere et tidligere mellomstort kjøkken med 3D-printere, grunnleggende kjemiutstyr og verktøy som ble brukt til å forberede dyrebein for anatomisk forskning.
Taforo brukte produkter fra den lokale matbutikken for å finne ut hvordan man lager agar.Han samler til og med overvann fra et tak han nylig har renset for å lage demineralisert vann, en standardingrediens i agarformler av laboratoriekvalitet.For å øve på å pakke organer i agar, tok han svinetarmer fra et lokalt slakteri.
Taforo ble godkjent for å returnere til ESRF i midten av mai for den første testlungeskanningen av griser.Fra mai til juni forberedte og skannet han venstre lungelapp til en 54 år gammel mann som døde av COVID-19, som Ackermann og Jonig tok fra Tyskland til Grenoble.
"Da jeg så det første bildet, var det et unnskyldningsbrev i e-posten min til alle som var involvert i prosjektet: vi mislyktes og jeg kunne ikke få en skanning av høy kvalitet," sa han."Jeg sendte dem to bilder som var forferdelige for meg, men flotte for dem."
For Lee ved University of California, Los Angeles, er bildene slående: bilder av hele organer ligner på standard medisinske CT-skanninger, men "en million ganger mer informative."Det er som om oppdageren har studert skogen hele livet, enten flydd over skogen i et gigantisk jetfly, eller reist langs stien.Nå svever de over kalesjen som fugler på vinger.
Teamet publiserte sin første fullstendige beskrivelse av HiP-CT-tilnærmingen i november 2021, og forskerne ga også ut detaljer om hvordan COVID-19 påvirker visse typer sirkulasjon i lungene.
Skanningen hadde også en uventet fordel: den hjalp forskerne med å overbevise venner og familie om å vaksinere seg.I alvorlige tilfeller av covid-19 virker mange blodårer i lungene utvidede og hovne, og i mindre grad kan det dannes unormale bunter av små blodårer.
"Når du ser på strukturen til en lunge fra en person som døde av COVID, ser den ikke ut som en lunge - det er et rot," sa Tafolo.
Han la til at selv i friske organer avslørte skanningene subtile anatomiske trekk som aldri ble registrert fordi ingen menneskelige organer noen gang hadde blitt undersøkt så detaljert.Med over 1 million dollar i finansiering fra Chan Zuckerberg Initiative (en ideell organisasjon grunnlagt av Facebook-sjef Mark Zuckerberg og Zuckerbergs kone, lege Priscilla Chan), lager HiP-CT-teamet for tiden det som kalles et atlas over menneskelige organer.
Så langt har teamet gitt ut skanninger av fem organer - hjertet, hjernen, nyrene, lungene og milten - basert på organene donert av Ackermann og Jonigk under deres COVID-19-obduksjon i Tyskland og helsekontrollorganet LADAF.Anatomisk laboratorium i Grenoble.Teamet produserte dataene, samt flyfilmer, basert på data som er fritt tilgjengelig på Internett.Atlas of Human Organs utvides raskt: ytterligere 30 organer har blitt skannet, og ytterligere 80 er på forskjellige stadier av forberedelse.Nesten 40 forskjellige forskningsgrupper kontaktet teamet for å lære mer om tilnærmingen, sa Li.
UCL-kardiolog Cook ser et stort potensial i å bruke HiP-CT for å forstå grunnleggende anatomi.UCL-radiolog Joe Jacob, som spesialiserer seg på lungesykdom, sa at HiP-CT vil være "uvurderlig for å forstå sykdom", spesielt i tredimensjonale strukturer som blodkar.
Selv artistene kom inn i kampen.Barney Steele fra London-baserte erfaringskunstkollektivet Marshmallow Laser Feast sier at han aktivt undersøker hvordan HiP-CT-data kan utforskes i oppslukende virtuell virkelighet."I hovedsak skaper vi en reise gjennom menneskekroppen," sa han.
Men til tross for alle løftene til HiP-CT er det alvorlige problemer.For det første, sier Walsh, genererer en HiP-CT-skanning en "overveldende mengde data", lett en terabyte per organ.For å tillate klinikere å bruke disse skanningene i den virkelige verden, håper forskerne å utvikle et skybasert grensesnitt for å navigere i dem, for eksempel Google Maps for menneskekroppen.
De trengte også å gjøre det enklere å konvertere skanninger til brukbare 3D-modeller.Som alle CT-skanningsmetoder fungerer HiP-CT ved å ta mange 2D-skiver av et gitt objekt og stable dem sammen.Selv i dag gjøres mye av denne prosessen manuelt, spesielt når man skanner unormalt eller sykt vev.Lee og Walsh sier at HiP-CT-teamets prioritet er å utvikle maskinlæringsmetoder som kan gjøre denne oppgaven enklere.
Disse utfordringene vil utvide seg etter hvert som atlaset over menneskelige organer utvides og forskerne blir mer ambisiøse.HiP-CT-teamet bruker den nyeste ESRF-stråleenheten, kalt BM18, for å fortsette å skanne prosjektets organer.BM18 produserer en større røntgenstråle, noe som betyr at skanning tar kortere tid, og BM18 røntgendetektor kan plasseres opptil 125 fot (38 meter) unna objektet som skannes, noe som gjør det klarere å skanne.BM18-resultatene er allerede veldig gode, sier Taforo, som har skannet noen av de originale Human Organ Atlas-prøvene på det nye systemet.
BM18 kan også skanne svært store objekter.Med det nye anlegget planlegger teamet å skanne hele overkroppen på menneskekroppen med ett slag innen utgangen av 2023.
Ved å utforske det enorme potensialet til teknologien sa Taforo: "Vi er egentlig bare i begynnelsen."
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Alle rettigheter forbeholdt.