Новая тэхніка сканавання стварае выявы з вялікай колькасцю дэталяў, якія могуць зрабіць рэвалюцыю ў вывучэнні анатоміі чалавека.
Калі Пол Тафора ўбачыў свае першыя эксперыментальныя выявы лёгкіх ахвяр COVID-19, ён падумаў, што пацярпеў няўдачу.Палеантолаг па адукацыі, Тафора некалькі месяцаў працаваў з камандамі па ўсёй Еўропе, каб ператварыць паскаральнікі часціц у французскіх Альпах у рэвалюцыйныя інструменты медыцынскага сканавання.
Гэта было ў канцы мая 2020 года, і навукоўцы вельмі жадалі лепш зразумець, як COVID-19 разбурае органы чалавека.Тафора было даручана распрацаваць метад, які мог бы выкарыстоўваць рэнтгенаўскае выпраменьванне высокай магутнасці, вырабленае Еўрапейскім устаноўкай сінхратроннага выпраменьвання (ESRF) у Грэноблі, Францыя.Як навуковец ESRF, ён пашырыў межы рэнтгенаўскіх прамянёў высокай раздзяляльнасці выкапняў горных парод і высушаных мумій.Цяпер ён жахнуўся мяккай ліпкай масы папяровых ручнікоў.
Выявы паказалі ім больш дэталяў, чым любая медыцынская КТ, якую яны калі-небудзь бачылі раней, што дазволіла ім пераадолець упартыя прабелы ў тым, як навукоўцы і лекары візуалізуюць і разумеюць органы чалавека.«У падручніках па анатоміі, калі вы бачыце гэта ў вялікіх маштабах, гэта ў малым маштабе, і гэта прыгожыя маляваныя выявы па адной прычыне: яны з'яўляюцца мастацкай інтэрпрэтацыяй, таму што ў нас няма малюнкаў», - Універсітэцкі каледж Лондана (UCL ) сказаў..Сказала старшы навуковы супрацоўнік Клэр Уолш.«Упершыню мы можам зрабіць сапраўдную справу».
Тафора і Уолш з'яўляюцца часткай міжнароднай групы з больш чым 30 даследчыкаў, якія стварылі новую магутную тэхніку рэнтгенаўскага сканавання пад назвай іерархічная фазава-кантрастная тамаграфія (HiP-CT).З яго дапамогай яны нарэшце могуць перайсці ад поўнага чалавечага органа да павялічанага выгляду драбнюткіх крывяносных сасудаў ці нават асобных клетак цела.
Гэты метад ужо дае новае ўяўленне пра тое, як COVID-19 пашкоджвае і перабудоўвае крывяносныя пасудзіны ў лёгкіх.Нягледзячы на ​​​​тое, што доўгатэрміновыя перспектывы яго цяжка вызначыць, таму што нічога падобнага на HiP-CT ніколі раней не існавала, даследчыкі, узбуджаныя яго патэнцыялам, з энтузіязмам уяўляюць новыя спосабы разумення хваробы і адлюстравання анатоміі чалавека з дапамогай больш дакладнай тапаграфічнай карты.
Кардыёлаг UCL Эндру Кук сказаў: «Большасць людзей могуць быць здзіўлены тым, што мы вывучаем анатомію сэрца на працягу сотняў гадоў, але няма адзінага меркавання адносна нармальнай структуры сэрца, асабліва сэрца... Цягліцавыя клеткі і як яны змяняюцца калі сэрца б'ецца».
«Я чакаў усю сваю кар'еру», - сказаў ён.
Тэхніка HiP-CT пачалася, калі два нямецкія патолагаанатамы спаборнічалі ў адсочванні карнага ўздзеяння віруса SARS-CoV-2 на арганізм чалавека.
Дэні Йонігк, таракальны патолагаанатам з Гановерскай медыцынскай школы, і Максіміліян Акерман, патолагаанатам з Універсітэцкага медыцынскага цэнтра Майнца, былі ў стане павышанай гатоўнасці, калі ў Кітаі пачалі распаўсюджвацца навіны пра незвычайны выпадак пнеўманіі.Абодва мелі досвед лячэння захворванняў лёгкіх і адразу зразумелі, што COVID-19 незвычайны.Пара была асабліва занепакоеная паведамленнямі аб «ціхай гіпаксіі», якая не давала пацыентам з COVID-19 спаць, але выклікала рэзкае падзенне ўзроўню кіслароду ў крыві.
Акерман і Ёніг падазраюць, што SARS-CoV-2 нейкім чынам атакуе крывяносныя пасудзіны ў лёгкіх.Калі хвароба распаўсюдзілася ў Германіі ў сакавіку 2020 года, пара пачала выкрыццё ахвяр COVID-19.Неўзабаве яны праверылі сваю сасудзістую гіпотэзу, увёўшы смалу ў ўзоры тканін, а затым растварыўшы тканіну ў кіслаце, пакінуўшы дакладную мадэль зыходнай сасудзістай сеткі.
Выкарыстоўваючы гэтую тэхніку, Акерман і Ёнігк параўноўвалі тканіны людзей, якія не памерлі ад COVID-19, з тканінамі людзей, якія памерлі.Яны адразу ўбачылі, што ў ахвяр COVID-19 самыя дробныя крывяносныя пасудзіны ў лёгкіх былі перакручаны і рэканструяваны.Гэтыя знакавыя вынікі, апублікаваныя ў інтэрнэце ў траўні 2020 года, паказваюць, што COVID-19 - гэта не выключна рэспіраторнае захворванне, а хутчэй сасудзістае захворванне, якое можа паражаць органы ўсяго цела.
«Калі прайсці праз цела і выраўнаваць усе крывяносныя пасудзіны, вы атрымаеце ад 60 000 да 70 000 міль, што ў два разы перавышае адлегласць вакол экватара», - сказаў Акерман, патолагаанатам з Вуперталя, Германія..Ён дадаў, што калі толькі 1 працэнт гэтых крывяносных сасудаў будзе атакаваны вірусам, крывацёк і здольнасць паглынаць кісларод будуць парушаны, што можа прывесці да разбуральных наступстваў для ўсяго органа.
Як толькі Ёнігк і Акерман зразумелі ўплыў COVID-19 на крывяносныя пасудзіны, яны зразумелі, што ім трэба лепш зразумець шкоду.
Медыцынскія рэнтгенаўскія здымкі, такія як КТ, могуць даць від на цэлыя органы, але яны не маюць дастаткова высокага дазволу.Біяпсія дазваляе навукоўцам даследаваць узоры тканін пад мікраскопам, але атрыманыя выявы прадстаўляюць толькі невялікую частку ўсяго органа і не могуць паказаць, як COVID-19 развіваецца ў лёгкіх.А тэхніка смалы, распрацаваная камандай, патрабуе растварэння тканіны, што разбурае ўзор і абмяжоўвае далейшыя даследаванні.
«У рэшце рэшт [лёгкія] атрымліваюць кісларод, а вуглякіслы газ выходзіць, але для гэтага ў іх ёсць тысячы міль крывяносных сасудаў і капіляраў, размешчаных вельмі тонка… гэта амаль цуд», — сказаў Джонігк, заснавальнік галоўны даследчык Нямецкага цэнтра даследаванняў лёгкіх.«Такім чынам, як мы сапраўды можам ацаніць нешта такое складанае, як COVID-19, не разбураючы органы?»
Ёнігку і Акерману спатрэбілася нешта беспрэцэдэнтнае: серыя рэнтгенаўскіх здымкаў аднаго і таго ж органа, якая дазволіла б даследчыкам павялічыць часткі органа да клеткавага маштабу.У сакавіку 2020 года нямецкі дуэт звязаўся са сваім даўнім супрацоўнікам Пітэрам Лі, матэрыялазнаўцам і кіраўніком аддзела новых тэхналогій у UCL.Спецыялізацыя Лі - вывучэнне біялагічных матэрыялаў з дапамогай магутнага рэнтгенаўскага выпраменьвання, таму яго думкі адразу звярнуліся да французскіх Альпах.
Еўрапейскі цэнтр сінхратроннага выпраменьвання размешчаны на трохкутным участку зямлі ў паўночна-заходняй частцы Грэнобля, дзе зліваюцца дзве рэкі.Аб'ект уяўляе сабой паскаральнік элементарных часціц, які адпраўляе электроны на кругавыя арбіты даўжынёй паўмілі з амаль хуткасцю святла.Калі гэтыя электроны круцяцца па крузе, магутныя магніты на арбіце дэфармуюць паток часціц, прымушаючы электроны выпраменьваць адны з самых яркіх рэнтгенаўскіх прамянёў у свеце.
Гэта магутнае выпраменьванне дазваляе ESRF шпіёніць за аб'ектамі ў мікраметровым ці нават нанаметровым маштабе.Ён часта выкарыстоўваецца для вывучэння такіх матэрыялаў, як сплавы і кампазіты, для вывучэння малекулярнай структуры бялкоў і нават для рэканструкцыі старажытных выкапняў без аддзялення каменя ад косці.Акерман, Ёнігк і Лі хацелі выкарыстаць гіганцкі прыбор, каб зрабіць самыя падрабязныя ў свеце рэнтгенаўскія здымкі органаў чалавека.
Увядзіце Тафора, чыя праца ў ESRF пашырыла межы таго, што можа бачыць сінхратроннае сканаванне.Яго ўражлівы набор прыёмаў раней дазваляў навукоўцам зазіраць у яйкі дыназаўраў і амаль раскрыжоўваць муміі, і амаль адразу ж Тафора пацвердзіў, што сінхратроны тэарэтычна могуць добра сканаваць цэлыя долі лёгкіх.Але на самой справе сканаванне цэлых органаў чалавека - велізарная праблема.
З аднаго боку, ёсць праблема параўнання.Стандартныя рэнтгенаўскія здымкі ствараюць выявы на аснове таго, колькі радыяцыі паглынаюць розныя матэрыялы, прычым больш цяжкія элементы паглынаюць больш, чым лёгкія.Мяккія тканіны ў асноўным складаюцца з лёгкіх элементаў — вугляроду, вадароду, кіслароду і г. д. — таму яны не бачныя выразна на класічным медыцынскім рэнтгенаўскім здымку.
Адна з выдатных пераваг ESRF заключаецца ў тым, што яго рэнтгенаўскі прамень вельмі кагерэнтны: святло распаўсюджваецца хвалямі, і ў выпадку ESRF усе яго рэнтгенаўскія прамяні пачынаюцца з аднолькавай частатой і аднолькавай арыентацыяй, пастаянна вагаючыся, як пакінутыя сляды Рэйкам праз сад дзэн.Але калі гэтыя рэнтгенаўскія прамяні праходзяць праз аб'ект, тонкія адрозненні ў шчыльнасці могуць прывесці да таго, што кожны рэнтгенаўскі прамень крыху адхіляецца ад шляху, і розніцу становіцца лягчэй выявіць, калі рэнтгенаўскія прамяні аддаляюцца ад аб'екта.Гэтыя адхіленні могуць выявіць тонкія адрозненні ў шчыльнасці ўнутры аб'екта, нават калі ён складаецца з лёгкіх элементаў.
Але стабільнасць - гэта іншае пытанне.Каб зрабіць серыю павялічаных рэнтгенаўскіх здымкаў, орган павінен быць зафіксаваны ў яго натуральнай форме, каб ён не згінаўся і не рухаўся больш чым на тысячную долю міліметра.Больш за тое, паслядоўныя рэнтгенаўскія здымкі аднаго органа не будуць адпавядаць адзін аднаму.Залішне казаць, што цела можа быць вельмі гнуткім.
Лі і яго каманда з UCL імкнуліся распрацаваць кантэйнеры, якія вытрымлівалі б сінхратроннае рэнтгенаўскае выпраменьванне, але пры гэтым прапускалі як мага больш хваляў.Лі таксама займаўся агульнай арганізацыяй праекта — напрыклад, дэталямі транспарціроўкі чалавечых органаў паміж Германіяй і Францыяй — і наняў Уолша, які спецыялізуецца на біямедыцынскіх вялікіх дадзеных, каб дапамагчы высветліць, як аналізаваць сканы.Вярнуўшыся ў Францыю, праца Тафора ўключала паляпшэнне працэдуры сканавання і высвятленне таго, як захоўваць орган у кантэйнеры, які будавала каманда Лі.
Тафоро ведаў, што для таго, каб органы не раскладаліся, а малюнкі былі максімальна выразнымі, іх неабходна апрацаваць некалькімі порцыямі воднага этанолу.Ён таксама ведаў, што яму трэба стабілізаваць орган на чымсьці, што дакладна адпавядае шчыльнасці органа.Яго план складаўся ў тым, каб нейкім чынам змясціць органы ў багаты этанолам агар, падобнае на жэле рэчыва, якое здабываецца з марскіх водарасцяў.
Аднак д'ябал хаваецца ў дэталях - як і ў большай частцы Еўропы, Тафора затрымаўся дома і пад замком.Такім чынам, Тафора перанёс свае даследаванні ў хатнюю лабараторыю: ён выдаткаваў гады на тое, каб упрыгожыць былую кухню сярэдняга памеру 3D-прынтарамі, асноўным хімічным абсталяваннем і інструментамі, якія выкарыстоўваюцца для падрыхтоўкі костак жывёл для анатамічных даследаванняў.
Taforo выкарыстаў прадукты з мясцовай прадуктовай крамы, каб высветліць, як зрабіць агар.Ён нават збірае ліўневую ваду з даху, які ён нядаўна ачысціў, каб зрабіць дэмінералізаваную ваду, стандартны інгрэдыент лабараторных сумесяў агару.Каб папрактыкавацца ў пакаванні органаў у агар, ён узяў свіныя кішкі з мясцовай бойні.
Taforo атрымаў дазвол вярнуцца ў ESRF у сярэдзіне мая для першага тэставага сканавання лёгкіх свіней.З мая па чэрвень ён падрыхтаваў і адсканаваў долю левага лёгкага 54-гадовага мужчыны, які памёр ад COVID-19, якога Акерман і Ёніг даставілі з Германіі ў Грэнобль.
«Калі я ўбачыў першую выяву, у маім электронным лісце быў ліст з прабачэннямі ўсім, хто ўдзельнічаў у праекце: мы пацярпелі няўдачу, і я не змог атрымаць якаснае сканаванне», — сказаў ён.«Я толькі што адправіў ім два здымкі, якія былі жудаснымі для мяне, але выдатнымі для іх».
Для Лі з Каліфарнійскага ўніверсітэта ў Лос-Анджэлесе выявы ашаламляльныя: выявы цэлага органа падобныя на стандартныя медыцынскія КТ, але «ў мільён разоў больш інфарматыўныя».Падобна на тое, што даследчык усё жыццё вывучаў лес, то лётаючы над лесам на гіганцкім рэактыўным самалёце, то вандруючы па сцежцы.Цяпер яны лунаюць над полагам, як птушкі на крылах.
Каманда апублікавала сваё першае поўнае апісанне падыходу HiP-CT у лістападзе 2021 года, і даследчыкі таксама апублікавалі падрабязную інфармацыю аб тым, як COVID-19 уплывае на пэўныя тыпы кровазвароту ў лёгкіх.
Сканаванне таксама мела нечаканую карысць: яно дапамагло даследчыкам пераканаць сяброў і сям'ю зрабіць прышчэпку.У цяжкіх выпадках COVID-19 многія крывяносныя пасудзіны ў лёгкіх выглядаюць пашыранымі і азызлымі, і ў меншай ступені могуць утварацца анамальныя пучкі дробных крывяносных сасудаў.
"Калі вы паглядзіце на структуру лёгкіх чалавека, які памёр ад COVID, гэта не падобна на лёгкія - гэта беспарадак", - сказаў Тафола.
Ён дадаў, што нават у здаровых органах сканаванне выявіла тонкія анатамічныя асаблівасці, якія ніколі не былі зафіксаваныя, таму што ні адзін чалавечы орган ніколі не даследаваўся так падрабязна.Маючы больш за 1 мільён долараў фінансавання ад Chan Zuckerberg Initiative (некамерцыйная арганізацыя, заснаваная генеральным дырэктарам Facebook Маркам Цукербергам і жонкай Цукерберга, урачом Прысцылай Чан), каманда HiP-CT зараз стварае так званы атлас органаў чалавека.
На дадзены момант каманда апублікавала сканы пяці органаў — сэрца, мозгу, нырак, лёгкіх і селязёнкі — на аснове органаў, перададзеных Акерманам і Ёнігкам падчас выкрыцця COVID-19 у Германіі, і органа «кантролю» здароўя LADAF.Анатамічная лабараторыя Грэнобля.Каманда падрыхтавала дадзеныя, а таксама фільмы палётаў на аснове дадзеных, якія знаходзяцца ў вольным доступе ў Інтэрнэце.Атлас органаў чалавека імкліва пашыраецца: адсканаваныя яшчэ 30 органаў, яшчэ 80 знаходзяцца на розных стадыях падрыхтоўкі.Амаль 40 розных даследчых груп звязаліся з камандай, каб даведацца больш аб падыходзе, сказаў Лі.
Кардыёлаг UCL Кук бачыць вялікі патэнцыял у выкарыстанні HiP-CT для разумення базавай анатоміі.Рэнтгенолаг UCL Джо Джэйкаб, які спецыялізуецца на захворваннях лёгкіх, сказаў, што HiP-CT будзе «неацэнным для разумення хваробы», асабліва ў трохмерных структурах, такіх як крывяносныя пасудзіны.
У бойку ўлезлі нават артысты.Барні Стыл з лонданскага эмпірычнага мастацкага калектыву Marshmallow Laser Feast кажа, што ён актыўна даследуе, як даныя HiP-CT можна даследаваць у захапляльнай віртуальнай рэальнасці.«Па сутнасці, мы ствараем падарожжа праз чалавечае цела», - сказаў ён.
Але, нягледзячы на ​​ўсе абяцанні HiP-CT, ёсць сур'ёзныя праблемы.Па-першае, кажа Уолш, сканаванне HiP-CT генеруе «ашаламляльную колькасць дадзеных», лёгка тэрабайт на орган.Каб лекары маглі выкарыстоўваць гэтыя сканы ў рэальным свеце, даследчыкі спадзяюцца распрацаваць воблачны інтэрфейс для навігацыі па іх, напрыклад Google Maps для чалавечага цела.
Ім таксама трэба было палегчыць пераўтварэнне сканаў у працаздольныя 3D-мадэлі.Як і ўсе метады кампутарнай тамаграфіі, HiP-CT працуе, бяручы мноства двухмерных зрэзаў дадзенага аб'екта і складаючы іх разам.Нават сёння большая частка гэтага працэсу выконваецца ўручную, асабліва пры сканаванні анамальных або хворых тканін.Лі і Уолш кажуць, што прыярытэтам каманды HiP-CT з'яўляецца распрацоўка метадаў машыннага навучання, якія могуць палегчыць гэтую задачу.
Гэтыя праблемы будуць пашырацца па меры пашырэння атласа органаў чалавека і ўзмацнення амбіцый даследчыкаў.Каманда HiP-CT выкарыстоўвае апошнюю прамянёвую прыладу ESRF пад назвай BM18, каб працягнуць сканаванне органаў праекта.BM18 стварае большы рэнтгенаўскі прамень, што азначае, што сканіраванне займае менш часу, а рэнтгенаўскі дэтэктар BM18 можна размясціць на адлегласці да 125 футаў (38 метраў) ад аб'екта, які скануецца, што робіць сканаванне больш выразным.Вынікі BM18 ужо вельмі добрыя, кажа Тафора, які перасканаваў некаторыя з арыгінальных узораў атласа органаў чалавека на новай сістэме.
BM18 таксама можа сканаваць вельмі вялікія аб'екты.З дапамогай новай устаноўкі каманда плануе адсканаваць увесь торс чалавечага цела адным махам да канца 2023 года.
Даследуючы велізарны патэнцыял тэхналогіі, Тафора сказаў: «Мы сапраўды толькі ў пачатку».
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Усе правы ахоўваюцца.