Нова техника скенирања производи слике са великим детаљима које би могле да револуционишу проучавање људске анатомије.
Када је Пол Тафоро видео своје прве експерименталне слике жртава светлости ЦОВИД-19, мислио је да није успео.По образовању палеонтолог, Тафоро је провео месеце радећи са тимовима широм Европе како би претворио акцелераторе честица у француским Алпима у револуционарне медицинске алате за скенирање.
Било је то крајем маја 2020. године и научници су били жељни да боље разумеју како ЦОВИД-19 уништава људске органе.Тафоро је добио задатак да развије методу која би могла да користи рендгенске зраке велике снаге произведене у Европском постројењу за синхротронско зрачење (ЕСРФ) у Греноблу, Француска.Као научник ЕСРФ-а, померио је границе рендгенских зрака високе резолуције фосила стена и осушених мумија.Сада се плашио меке, лепљиве масе папирних убруса.
Слике су им показале више детаља од било ког медицинског ЦТ скенирања који су икада раније видели, омогућавајући им да превазиђу тврдоглаве празнине у начину на који научници и лекари визуализују и разумеју људске органе.„У уџбеницима анатомије, када то видите, то је великог обима, малог је и то су прелепе руком нацртане слике из једног разлога: то су уметничке интерпретације јер ми немамо слике“, Универзитетски колеџ у Лондону (УЦЛ ) рекао..Виши истраживач Цлаире Валсх је рекла."Први пут можемо да урадимо праву ствар."
Тафоро и Волш су део међународног тима од више од 30 истраживача који су креирали моћну нову технику скенирања рендгенских зрака под називом Хиерарцхицал Пхасе Цонтраст Томограпхи (ХиП-ЦТ).Уз то, они коначно могу да пређу од целог људског органа до увећаног приказа најситнијих крвних судова тела или чак појединачних ћелија.
Ова метода већ пружа нови увид у то како ЦОВИД-19 оштећује и преобликује крвне судове у плућима.Иако је тешко одредити његове дугорочне изгледе јер ништа попут ХиП-ЦТ никада раније није постојало, истраживачи узбуђени његовим потенцијалом са ентузијазмом замишљају нове начине разумевања болести и мапирања људске анатомије помоћу тачније топографске карте.
Кардиолог УЦЛ Андрев Цооке је рекао: „Већина људи може бити изненађена што проучавамо анатомију срца стотинама година, али не постоји консензус о нормалној структури срца, посебно срца… Мишићне ћелије и како се она мијења када срце куца“.
„Чекао сам целу своју каријеру“, рекао је.
ХиП-ЦТ техника је почела када су се два немачка патолога такмичила да прате казнене ефекте вируса САРС-ЦоВ-2 на људско тело.
Дени Јонигк, торакални патолог на Медицинском факултету у Хановеру, и Максимилијан Акерман, патолог са Универзитетског медицинског центра у Мајнцу, били су у стању приправности јер су вести о необичном случају упале плућа почеле да се шире Кином.Обојица су имали искуство у лечењу плућних обољења и одмах су знали да је ЦОВИД-19 необичан.Пар је био посебно забринут због извештаја о „тихи хипоксији“ која је држала пацијенте са ЦОВИД-19 буднима, али је изазвала пад нивоа кисеоника у крви.
Акерман и Џониг сумњају да САРС-ЦоВ-2 некако напада крвне судове у плућима.Када се болест проширила на Немачку у марту 2020. године, пар је започео аутопсију жртава ЦОВИД-19.Убрзо су тестирали своју васкуларну хипотезу убризгавањем смоле у ​​узорке ткива, а затим растварањем ткива у киселини, остављајући тачан модел оригиналне васкулатуре.
Користећи ову технику, Ацкерманн и Јонигк су упоредили ткива људи који нису умрли од ЦОВИД-19 са онима од људи који су умрли.Одмах су видели да су код жртава ЦОВИД-19 изврнути и реконструисани најмањи крвни судови у плућима.Ови значајни резултати, објављени на мрежи у мају 2020., показују да ЦОВИД-19 није стриктно респираторна болест, већ васкуларна болест која може утицати на органе у целом телу.
„Ако прођете кроз тело и поравнате све крвне судове, добићете 60.000 до 70.000 миља, што је двоструко више од удаљености око екватора“, рекао је Акерман, патолог из Вупертала у Немачкој..Он је додао да би, уколико би вирус нападнуо само 1 одсто ових крвних судова, био угрожен проток крви и способност апсорпције кисеоника, што би могло довести до разорних последица по цео орган.
Када су Јонигк и Ацкерманн схватили утицај ЦОВИД-19 на крвне судове, схватили су да морају боље разумети штету.
Медицински рендгенски зраци, као што је ЦТ скенирање, могу пружити преглед читавих органа, али нису довољно високе резолуције.Биопсија омогућава научницима да испитају узорке ткива под микроскопом, али добијене слике представљају само мали део целог органа и не могу да покажу како се ЦОВИД-19 развија у плућима.А техника смоле коју је тим развио захтева растварање ткива, што уништава узорак и ограничава даље истраживање.
„На крају дана, [плућа] добијају кисеоник и угљен-диоксид излази, али за то има хиљаде миља крвних судова и капилара, веома танко распоређених... то је скоро чудо“, рекао је Јонигк, оснивач. главни истраживач у Немачком центру за истраживање плућа.„Па како можемо заиста проценити нешто тако сложено као што је ЦОВИД-19 без уништавања органа?“
Јонигку и Ацкерманн-у је било потребно нешто без преседана: серија рендгенских снимака истог органа који би омогућили истраживачима да увећају делове органа на ћелијску скалу.У марту 2020. немачки двојац је контактирао свог дугогодишњег сарадника Питера Лија, научника за материјале и председавајућег за нове технологије на УЦЛ.Лијева специјалност је проучавање биолошких материјала помоћу моћних рендгенских зрака, па су му мисли одмах скренуле на француске Алпе.
Европски центар за синхротронско зрачење налази се на троугластом делу земље у северозападном делу Гренобла, где се спајају две реке.Објекат је акцелератор честица који шаље електроне у кружне орбите дуге пола миље при скоро брзини светлости.Док се ови електрони врте у круговима, моћни магнети у орбити искривљују ток честица, узрокујући да електрони емитују неке од најсјајнијих рендгенских зрака на свету.
Ово снажно зрачење омогућава ЕСРФ-у да шпијунира објекте на микрометарској или чак нанометарској скали.Често се користи за проучавање материјала као што су легуре и композити, за проучавање молекуларне структуре протеина, па чак и за реконструкцију древних фосила без одвајања камена од кости.Ацкерманн, Јонигк и Лее су хтели да искористе џиновски инструмент за снимање најдетаљнијих рендгенских снимака људских органа на свету.
Уђите у Тафоро, чији је рад у ЕСРФ-у померио границе онога што синхротронско скенирање може да види.Његов импресиван низ трикова раније је омогућио научницима да завире у јаја диносауруса и скоро исеку мумије, а Тафоро је скоро одмах потврдио да синхротрони теоретски могу добро да скенирају читаве режњеве плућа.Али у ствари, скенирање целих људских органа је огроман изазов.
С једне стране, постоји проблем поређења.Стандардни рендгенски зраци стварају слике на основу тога колико зрачења апсорбују различити материјали, при чему тежи елементи апсорбују више од лакших.Мека ткива се углавном састоје од лаких елемената — угљеника, водоника, кисеоника итд. — тако да се не виде јасно на класичном медицинском рендгенском снимку.
Једна од сјајних ствари код ЕСРФ-а је да је његов рендгенски сноп веома кохерентан: светлост путује у таласима, а у случају ЕСРФ-а, сви његови рендгенски зраци почињу на истој фреквенцији и поравнању, константно осцилирају, као отисци стопала. од Реика кроз зен врт.Али како ови рендгенски зраци пролазе кроз објекат, суптилне разлике у густини могу узроковати да сваки рендгенски снимак мало одступи од путање, а разлика постаје лакше детектовати како се рендгенски зраци удаљавају даље од објекта.Ова одступања могу открити суптилне разлике у густини унутар објекта, чак и ако је састављен од светлосних елемената.
Али стабилност је друго питање.Да би се направио низ увећаних рендгенских снимака, орган мора бити фиксиран у свом природном облику тако да се не савија или помера више од хиљадитим дела милиметра.Штавише, узастопни рендгенски снимци истог органа неће одговарати једни другима.Непотребно је рећи, међутим, да тело може бити веома флексибилно.
Лее и његов тим на УЦЛ-у су имали за циљ да дизајнирају контејнере који би могли да издрже синхротронске рендгенске зраке, а да притом пропуштају што више таласа.Ли се такође бавио целокупном организацијом пројекта — на пример, детаљима транспорта људских органа између Немачке и Француске — и ангажовао је Волша, који је специјализован за биомедицинске велике податке, да помогне у откривању како анализирати скенове.У Француској, Тафоров рад је укључивао побољшање процедуре скенирања и проналажење начина за складиштење органа у контејнеру који је Лијев тим правио.
Тафоро је знао да се органи не би распадали, а слике биле што јасније, морају бити обрађене са неколико порција воденог етанола.Такође је знао да треба да стабилизује орган на нечему што тачно одговара густини органа.Његов план је био да некако стави органе у агар богат етанолом, супстанцу налик желеу која се екстрахује из морских алги.
Међутим, ђаво је у детаљима – као иу већини Европе, Тафоро је заглављен код куће и затворен.Тако је Тафоро своје истраживање преселио у кућну лабораторију: провео је године украшавајући бившу кухињу средње величине 3Д штампачима, основном хемијском опремом и алатима који се користе за припрему животињских костију за анатомска истраживања.
Тафоро је користио производе из локалне продавнице да схвати како да направи агар.Он чак сакупља атмосферску воду са крова који је недавно очистио да би направио деминерализовану воду, стандардни састојак у формулама за лабораторијски агар.Да би вежбао паковање органа у агар, узео је свињска црева из локалне кланице.
Тафоро је добио дозволу да се врати у ЕСРФ средином маја ради првог тестног скенирања плућа свиња.Од маја до јуна припремао је и скенирао леви плућни режањ 54-годишњег мушкарца који је преминуо од ЦОВИД-19, који су Акерман и Јониг одвезли из Немачке у Гренобл.
„Када сам видео прву слику, у мом имејлу је било писмо извињења свима који су укључени у пројекат: нисмо успели и нисам могао да добијем скенирање високог квалитета“, рекао је он.„Управо сам им послао две слике које су биле ужасне за мене, али одличне за њих.
За Лија са Калифорнијског универзитета у Лос Анђелесу, слике су запањујуће: слике целих органа сличне су стандардним медицинским ЦТ скенирањима, али „милион пута информативније“.Као да је истраживач читавог живота проучавао шуму, било да лети изнад шуме у џиновском млазном авиону, било да путује стазом.Сада се вину изнад крошње као птице на крилима.
Тим је објавио свој први потпуни опис ХиП-ЦТ приступа у новембру 2021. године, а истраживачи су такође објавили детаље о томе како ЦОВИД-19 утиче на одређене врсте циркулације у плућима.
Скенирање је такође имало неочекивану корист: помогло је истраживачима да убеде пријатеље и породицу да се вакцинишу.У тешким случајевима ЦОВИД-19, многи крвни судови у плућима изгледају проширени и отечени, а у мањој мери могу да се формирају абнормални снопови ситних крвних судова.
„Када погледате структуру плућа особе која је умрла од ЦОВИД-а, она не изгледа као плућа – то је неред“, рекао је Тафоло.
Он је додао да су чак и код здравих органа снимци открили суптилне анатомске карактеристике које никада нису забележене јер ниједан људски орган никада није био тако детаљно прегледан.Са преко милион долара средстава из Цхан Зуцкерберг Инитиативе (непрофитне организације коју су основали извршни директор Фацебоока Марк Зуцкерберг и Зуцкербергова супруга, љекарка Присцилла Цхан), ХиП-ЦТ тим тренутно ствара оно што се зове атлас људских органа.
До сада је тим објавио скенирање пет органа - срца, мозга, бубрега, плућа и слезине - на основу органа које су донирали Ацкерманн и Јонигк током њихове аутопсије ЦОВИД-19 у Немачкој и органа за контролу здравља ЛАДАФ.Анатомска лабораторија Гренобла.Тим је направио податке, као и филмове о летовима, на основу података који су слободно доступни на интернету.Атлас људских органа се убрзано шири: још 30 органа је скенирано, а још 80 је у различитим фазама припреме.Скоро 40 различитих истраживачких група је контактирало тим како би сазнали више о приступу, рекао је Ли.
Кардиолог УЦЛ Кук види велики потенцијал у коришћењу ХиП-ЦТ за разумевање основне анатомије.Радиолог са УЦЛ-а Џо Џејкоб, који је специјализован за плућне болести, рекао је да ће ХиП-ЦТ бити „непроцењив за разумевање болести“, посебно у тродимензионалним структурама као што су крвни судови.
Чак су и уметници ушли у борбу.Барни Стил из лондонског искуственог уметничког колектива Марсхмаллов Ласер Феаст каже да активно истражује како ХиП-ЦТ подаци могу да се истраже у импресивној виртуелној стварности.„У суштини, ми креирамо путовање кроз људско тело“, рекао је он.
Али упркос свим обећањима ХиП-ЦТ-а, постоје озбиљни проблеми.Прво, каже Волш, ХиП-ЦТ скенирање генерише „запањујућу количину података“, лако терабајт по органу.Да би омогућили клиничарима да користе ова скенирања у стварном свету, истраживачи се надају да ће развити интерфејс заснован на облаку за навигацију по њима, као што су Гоогле мапе за људско тело.
Такође су морали да олакшају претварање скенирања у изводљиве 3Д моделе.Као и све методе ЦТ скенирања, ХиП-ЦТ ради тако што узима много 2Д резова датог објекта и слаже их заједно.Чак и данас, велики део овог процеса се обавља ручно, посебно када се скенира абнормално или болесно ткиво.Ли и Волш кажу да је приоритет ХиП-ЦТ тима развој метода машинског учења које могу олакшати овај задатак.
Ови изазови ће се ширити како се атлас људских органа шири и истраживачи постају амбициознији.ХиП-ЦТ тим користи најновији ЕСРФ сноп уређај, назван БМ18, да настави да скенира органе пројекта.БМ18 производи већи сноп рендгенских зрака, што значи да скенирање траје мање времена, а БМ18 детектор рендгенских зрака може се поставити до 125 стопа (38 метара) од објекта који се скенира, што га чини јаснијим.Резултати БМ18 су већ веома добри, каже Тафоро, који је поново скенирао неке од оригиналних узорака Атласа људских органа на новом систему.
БМ18 такође може да скенира веома велике објекте.Са новим објектом, тим планира да скенира цео торзо људског тела једним потезом до краја 2023. године.
Истражујући огроман потенцијал технологије, Тафоро је рекао: „Ми смо заиста тек на почетку.
© 2015-2022 Натионал Геограпхиц Партнерс, ЛЛЦ.Сва права задржана.