Nová technika skenování vytváří obrazy s velkými detaily, které by mohly způsobit revoluci ve studiu lidské anatomie.
Když Paul Taforo viděl své první experimentální snímky světelných obětí COVID-19, myslel si, že selhal.Vystudovaný paleontolog Taforo strávil měsíce prací s týmy po celé Evropě, aby proměnil urychlovače částic ve francouzských Alpách na revoluční lékařské skenovací nástroje.
Bylo to na konci května 2020 a vědci toužili lépe pochopit, jak COVID-19 ničí lidské orgány.Společnost Taforo byla pověřena vývojem metody, která by mohla využívat vysoce výkonné rentgenové záření produkované Evropským zařízením pro synchrotronové záření (ESRF) v Grenoblu ve Francii.Jako vědec ESRF posunul hranice rentgenových paprsků s vysokým rozlišením skalních fosilií a vysušených mumií.Teď se děsil měkké, lepkavé hmoty papírových ručníků.
Snímky jim ukázaly více detailů než jakýkoli lékařský CT sken, který kdy viděli, a umožnily jim překonat tvrdošíjné mezery ve způsobu, jakým vědci a lékaři vizualizují a chápou lidské orgány."V učebnicích anatomie, když to vidíte, je to velké měřítko, je to malé měřítko a jsou to krásné ručně kreslené obrázky z jednoho důvodu: jsou to umělecké interpretace, protože nemáme obrázky," University College London (UCL ) řekl..Řekla to vedoucí výzkumnice Claire Walsh."Poprvé můžeme udělat skutečnou věc."
Taforo a Walsh jsou součástí mezinárodního týmu více než 30 výzkumníků, kteří vytvořili novou výkonnou rentgenovou skenovací techniku ​​nazvanou Hierarchická fázová kontrastní tomografie (HiP-CT).S ním mohou konečně přejít od kompletního lidského orgánu ke zvětšenému pohledu na ty nejmenší cévy těla nebo dokonce na jednotlivé buňky.
Tato metoda již poskytuje nový pohled na to, jak COVID-19 poškozuje a remodeluje krevní cévy v plicích.Přestože je obtížné určit jeho dlouhodobé vyhlídky, protože nic jako HiP-CT nikdy předtím neexistovalo, vědci nadšení jeho potenciálem nadšeně představují nové způsoby, jak porozumět nemocem a zmapovat lidskou anatomii pomocí přesnější topografické mapy.
Kardiolog z UCL Andrew Cooke řekl: „Většina lidí může být překvapena, že studujeme anatomii srdce po stovky let, ale neexistuje konsenzus o normální struktuře srdce, zejména srdce… Svalové buňky a jak se mění když srdce bije."
"Čekal jsem celou svou kariéru," řekl.
Technika HiP-CT začala, když dva němečtí patologové soutěžili ve sledování represivních účinků viru SARS-CoV-2 na lidské tělo.
Danny Jonigk, hrudní patolog na lékařské fakultě v Hannoveru, a Maximilian Ackermann, patolog z University Medical Center Mainz, byli ve vysoké pohotovosti, když se v Číně začaly šířit zprávy o neobvyklém případu zápalu plic.Oba měli zkušenosti s léčbou plicních onemocnění a hned věděli, že COVID-19 je neobvyklý.Manželé byli obzvláště znepokojeni zprávami o „tiché hypoxii“, která pacientům s COVID-19 neumožňovala spát, ale způsobila jim prudký pokles hladiny kyslíku v krvi.
Ackermann a Jonig mají podezření, že SARS-CoV-2 nějak napadá krevní cévy v plicích.Když se nemoc v březnu 2020 rozšířila do Německa, manželé zahájili pitvy obětí COVID-19.Brzy otestovali svou vaskulární hypotézu vstříknutím pryskyřice do vzorků tkáně a poté rozpuštěním tkáně v kyselině, čímž vznikl přesný model původní vaskulatury.
Pomocí této techniky Ackermann a Jonigk porovnávali tkáně od lidí, kteří nezemřeli na COVID-19, s tkáněmi od lidí, kteří zemřeli.Okamžitě viděli, že u obětí COVID-19 byly zkrouceny a rekonstruovány nejmenší krevní cévy v plicích.Tyto přelomové výsledky zveřejněné online v květnu 2020 ukazují, že COVID-19 není striktně respirační onemocnění, ale spíše cévní onemocnění, které může postihnout orgány v celém těle.
"Pokud projdete tělem a srovnáte všechny krevní cévy, dostanete 60 000 až 70 000 mil, což je dvojnásobek vzdálenosti kolem rovníku," řekl Ackermann, patolog z německého Wuppertalu..Dodal, že pokud by bylo virem napadeno pouze 1 procento těchto krevních cév, byl by narušen průtok krve a schopnost absorbovat kyslík, což by mohlo vést k ničivým následkům pro celý orgán.
Jakmile si Jonigk a Ackermann uvědomili dopad COVID-19 na krevní cévy, uvědomili si, že potřebují lépe porozumět poškození.
Lékařské rentgenové paprsky, jako je CT vyšetření, mohou poskytnout pohled na celé orgány, ale nemají dostatečně vysoké rozlišení.Biopsie umožňuje vědcům zkoumat vzorky tkáně pod mikroskopem, ale výsledné snímky představují pouze malou část celého orgánu a nemohou ukázat, jak se COVID-19 vyvíjí v plicích.A technika pryskyřice, kterou tým vyvinul, vyžaduje rozpuštění tkáně, což ničí vzorek a omezuje další výzkum.
"Na konci dne dostanou [plíce] kyslík a oxid uhličitý vypadne, ale za to má tisíce kilometrů krevních cév a kapilár, velmi tence rozmístěných... je to téměř zázrak," řekl Jonigk, zakladatel. hlavní řešitel v Německém centru pro výzkum plic."Jak tedy můžeme skutečně vyhodnotit něco tak složitého, jako je COVID-19, aniž bychom zničili orgány?"
Jonigk a Ackermann potřebovali něco bezprecedentního: sérii rentgenových snímků téhož orgánu, které by výzkumníkům umožnily zvětšit části orgánu do buněčného měřítka.V březnu 2020 německé duo kontaktovalo svého dlouholetého spolupracovníka Petera Leeho, materiálového vědce a předsedu nově vznikajících technologií na UCL.Leeovou specialitou je studium biologických materiálů pomocí výkonného rentgenového záření, a tak se jeho myšlenky okamžitě stočily k francouzským Alpám.
Evropské centrum pro synchrotronové záření se nachází na trojúhelníkovém pozemku v severozápadní části Grenoblu, kde se setkávají dvě řeky.Objekt je urychlovač částic, který vysílá elektrony po kruhových drahách o délce půl míle téměř rychlostí světla.Jak se tyto elektrony točí v kruzích, silné magnety na oběžné dráze deformují proud částic, což způsobuje, že elektrony emitují některé z nejjasnějších rentgenových paprsků na světě.
Toto silné záření umožňuje ESRF špehovat objekty na mikrometrickém nebo dokonce nanometrovém měřítku.Často se používá ke studiu materiálů, jako jsou slitiny a kompozity, ke studiu molekulární struktury proteinů a dokonce k rekonstrukci starověkých fosilií bez oddělení kamene od kosti.Ackermann, Jonigk a Lee chtěli tento obří přístroj použít k pořízení nejpodrobnějších rentgenových snímků lidských orgánů na světě.
Vstoupí Taforo, jehož práce v ESRF posunula hranice toho, co může synchrotronové skenování vidět.Jeho působivá řada triků předtím umožnila vědcům nahlédnout do dinosauřích vajec a téměř rozřezat mumie a téměř okamžitě Taforo potvrdil, že synchrotrony mohou teoreticky dobře skenovat celé plicní laloky.Ale ve skutečnosti je skenování celých lidských orgánů obrovskou výzvou.
Na jedné straně je problém srovnání.Standardní rentgenové záření vytváří obrazy založené na tom, kolik záření různé materiály absorbují, přičemž těžší prvky absorbují více než ty lehčí.Měkké tkáně jsou většinou tvořeny lehkými prvky – uhlíkem, vodíkem, kyslíkem atd. – takže na klasickém lékařském rentgenu nejsou zřetelně vidět.
Jednou ze skvělých věcí na ESRF je to, že jeho rentgenový paprsek je velmi koherentní: světlo se šíří ve vlnách a v případě ESRF všechny jeho rentgenové paprsky začínají na stejné frekvenci a zarovnání, neustále oscilují jako zanechané stopy. od Reika přes zenovou zahradu.Ale jak tyto rentgenové paprsky procházejí objektem, jemné rozdíly v hustotě mohou způsobit, že se každý rentgenový paprsek mírně odchýlí od dráhy, a rozdíl bude snazší detekovat, když se rentgenové paprsky vzdalují od objektu.Tyto odchylky mohou odhalit jemné rozdíly v hustotě uvnitř objektu, i když se skládá ze světelných prvků.
Ale stabilita je další problém.Aby bylo možné pořídit sérii zvětšených rentgenových snímků, musí být orgán fixován ve svém přirozeném tvaru tak, aby se neohýbal nebo neposouval o více než tisícinu milimetru.Navíc po sobě jdoucí rentgenové snímky stejného orgánu se nebudou navzájem shodovat.Netřeba ale dodávat, že tělo může být velmi pružné.
Lee a jeho tým v UCL se snažili navrhnout kontejnery, které by mohly odolat synchrotronovému rentgenovému záření a přitom stále propouštět co nejvíce vln.Lee se také postaral o celkovou organizaci projektu – například podrobnosti o přepravě lidských orgánů mezi Německem a Francií – a najal Walshe, který se specializuje na biomedicínská velká data, aby pomohl zjistit, jak skeny analyzovat.Ve Francii Taforova práce zahrnovala vylepšení skenovacího postupu a vymyšlení, jak uložit orgán do kontejneru, který Leeův tým stavěl.
Tafforo věděl, že aby se orgány nerozkládaly a snímky byly co nejjasnější, musí být zpracovány několika dávkami vodného etanolu.Věděl také, že potřebuje stabilizovat orgán na něčem, co přesně odpovídá hustotě orgánu.Jeho plánem bylo nějak umístit orgány do agaru bohatého na etanol, rosolovité látky extrahované z mořských řas.
Ďábel se však skrývá v detailech – stejně jako ve většině Evropy je Taforo zaseknutý doma a zavřený.Taforo tedy přesunul svůj výzkum do domácí laboratoře: Strávil roky zdobením bývalé kuchyně střední velikosti pomocí 3D tiskáren, základního chemického vybavení a nástrojů používaných k přípravě zvířecích kostí pro anatomický výzkum.
Společnost Taforo použila produkty z místního obchodu s potravinami, aby přišla na to, jak vyrobit agar.Dokonce sbírá dešťovou vodu ze střechy, kterou nedávno vyčistil, aby vyrobil demineralizovanou vodu, která je standardní složkou ve složení laboratorního agaru.K nácviku balení orgánů do agaru si vzal prasečí střeva z místních jatek.
Taforo bylo povoleno vrátit se do ESRF v polovině května pro první testovací plicní sken prasat.Od května do června připravoval a skenoval levý plicní lalok 54letého muže, který zemřel na COVID-19, který Ackermann a Jonig odvezli z Německa do Grenoblu.
"Když jsem viděl první obrázek, v mém e-mailu byl omluvný dopis všem zapojeným do projektu: selhali jsme a nemohl jsem získat vysoce kvalitní sken," řekl."Právě jsem jim poslal dva obrázky, které byly pro mě hrozné, ale pro ně skvělé."
Pro Leeho z Kalifornské univerzity v Los Angeles jsou snímky ohromující: snímky celých orgánů jsou podobné standardním lékařským CT skenům, ale „milionkrát více informativní“.Je to, jako by průzkumník celý život studoval les, buď letěl nad lesem v obřím tryskovém letadle, nebo cestoval po stezce.Nyní se vznášejí nad baldachýnem jako ptáci na křídlech.
Tým zveřejnil svůj první úplný popis přístupu HiP-CT v listopadu 2021 a výzkumníci také zveřejnili podrobnosti o tom, jak COVID-19 ovlivňuje určité typy cirkulace v plicích.
Skenování mělo také nečekaný přínos: pomohlo vědcům přesvědčit přátele a rodinu, aby se nechali očkovat.V závažných případech COVID-19 se mnoho krevních cév v plicích jeví jako rozšířené a oteklé a v menší míře se mohou tvořit abnormální svazky drobných krevních cév.
„Když se podíváte na strukturu plic člověka, který zemřel na COVID, nevypadá to jako plíce – je to nepořádek,“ řekl Tafolo.
Dodal, že i u zdravých orgánů skeny odhalily jemné anatomické rysy, které nebyly nikdy zaznamenány, protože žádný lidský orgán nebyl nikdy tak podrobně zkoumán.S více než 1 milionem dolarů na financování od Chan Zuckerberg Initiative (nezisková organizace založená generálním ředitelem Facebooku Markem Zuckerbergem a Zuckerbergovou manželkou, lékařkou Priscillou Chan), tým HiP-CT v současné době vytváří to, čemu se říká atlas lidských orgánů.
Doposud tým zveřejnil snímky pěti orgánů – srdce, mozku, ledvin, plic a sleziny – na základě orgánů darovaných Ackermannem a Jonigkem během jejich pitvy COVID-19 v Německu a zdravotního „kontrolního“ orgánu LADAF.Anatomická laboratoř Grenoble.Tým vytvořil data, stejně jako letové filmy, na základě dat, která jsou volně dostupná na internetu.Atlas lidských orgánů se rychle rozšiřuje: bylo naskenováno dalších 30 orgánů a dalších 80 je v různé fázi přípravy.Téměř 40 různých výzkumných skupin kontaktovalo tým, aby se dozvěděl více o přístupu, řekl Li.
UCL kardiolog Cook vidí velký potenciál v použití HiP-CT k pochopení základní anatomie.Radiolog UCL Joe Jacob, který se specializuje na onemocnění plic, řekl, že HiP-CT bude „neocenitelné pro pochopení onemocnění“, zejména v trojrozměrných strukturách, jako jsou krevní cévy.
Do boje se dostali i umělci.Barney Steele z londýnského experimentálního uměleckého kolektivu Marshmallow Laser Feast říká, že aktivně zkoumá, jak lze data HiP-CT zkoumat v pohlcující virtuální realitě."V podstatě vytváříme cestu lidským tělem," řekl.
Ale navzdory všem slibům HiP-CT existují vážné problémy.Za prvé, říká Walsh, skenování HiP-CT generuje „ohromující množství dat“, snadno terabajt na orgán.Aby mohli lékaři používat tyto skeny v reálném světě, vědci doufají, že vyvinou cloudové rozhraní pro jejich navigaci, jako jsou Mapy Google pro lidské tělo.
Potřebovali také usnadnit převod skenů na funkční 3D modely.Jako všechny metody CT skenování, HiP-CT funguje tak, že vezme mnoho 2D řezů daného objektu a složí je dohromady.I dnes se velká část tohoto procesu provádí ručně, zejména při skenování abnormální nebo nemocné tkáně.Lee a Walsh říkají, že prioritou týmu HiP-CT je vyvinout metody strojového učení, které mohou tento úkol usnadnit.
Tyto výzvy se budou rozšiřovat, jak se bude rozšiřovat atlas lidských orgánů a výzkumníci budou stále ambicióznější.Tým HiP-CT používá nejnovější zařízení s paprskem ESRF, pojmenované BM18, aby pokračovalo ve skenování orgánů projektu.BM18 produkuje větší rentgenový paprsek, což znamená, že skenování trvá méně času, a rentgenový detektor BM18 lze umístit až 125 stop (38 metrů) od snímaného objektu, takže skenování bude jasnější.Výsledky BM18 jsou již velmi dobré, říká Taforo, který na novém systému znovu naskenoval některé původní vzorky atlasu lidských orgánů.
BM18 dokáže skenovat i velmi velké objekty.S novým zařízením plánuje tým do konce roku 2023 naskenovat celé torzo lidského těla jedním tahem.
Při zkoumání obrovského potenciálu této technologie Taforo řekl: "Jsme opravdu jen na začátku."
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Všechna práva vyhrazena.