Nova skana tekniko produktas bildojn kun bonega detalo, kiuj povus revolucii la studon de homa anatomio.
Kiam Paul Taforo vidis siajn unuajn eksperimentajn bildojn de COVID-19-lumaj viktimoj, li pensis, ke li malsukcesis.Paleontologo per trejnado, Taforo pasigis monatojn laborante kun teamoj tra Eŭropo por turni partikloakceleratilojn en la francaj Alpoj en revoluciajn medicinajn skanajn ilojn.
Estis fine de majo 2020, kaj sciencistoj volis pli bone kompreni kiel COVID-19 detruas homajn organojn.Taforo estis komisiita por evoluigi metodon kiu povis uzi la alt-motorajn Rentgenradiojn produktitajn fare de la European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) en Grenoblo, Francio.Kiel ESRF-sciencisto, li puŝis la limojn de alt-rezoluciaj rentgenradioj de rokfosilioj kaj sekigitaj mumioj.Nun li teruris la mola, glueca amaso da papertukoj.
La bildoj montris al ili pli da detaloj ol iu ajn medicina CT-skanado, kiun ili iam vidis, permesante al ili venki obstinajn mankojn en kiel sciencistoj kaj kuracistoj bildigas kaj komprenas homajn organojn."En anatomiaj lernolibroj, kiam oni vidas ĝin, ĝi estas grandskala, ĝi estas malgrandskala, kaj ili estas belaj mane desegnitaj bildoj pro unu kialo: ili estas artaj interpretoj ĉar ni ne havas bildojn," University College London (UCL). ) diris..Ĉefesploristo Claire Walsh diris."Por la unua fojo ni povas fari la veran aferon."
Taforo kaj Walsh estas parto de internacia teamo de pli ol 30 esploristoj, kiuj kreis potencan novan rentgenan skanan teknikon nomatan HiP-CT (HiP-CT).Per ĝi, ili povas finfine iri de kompleta homa organo al pligrandigita vido de la plej etaj sangaj glasoj aŭ eĉ individuaj ĉeloj de la korpo.
Ĉi tiu metodo jam donas novajn sciojn pri kiel COVID-19 damaĝas kaj restrukturas sangajn glasojn en la pulmoj.Kvankam ĝiaj longdaŭraj perspektivoj malfacilas determini ĉar nenio kiel HiP-CT iam ekzistis antaŭe, esploristoj ekscititaj de ĝia potencialo entuziasme antaŭvidas novajn manierojn kompreni malsanon kaj mapi homan anatomion kun pli preciza topografia mapo.
UCL-kardiologo Andrew Cooke diris: "Plej multaj homoj povas esti surprizitaj, ke ni studas la anatomion de la koro dum centoj da jaroj, sed ne ekzistas konsento pri la normala strukturo de la koro, precipe la koro ... Muskolaj ĉeloj kaj kiel ĝi ŝanĝiĝas. kiam la koro batas.”
"Mi atendis mian tutan karieron," li diris.
La HiP-CT-tekniko komenciĝis kiam du germanaj patologiistoj konkuris por spuri la punajn efikojn de la SARS-CoV-2-viruso sur la homa korpo.
Danny Jonigk, toraka patologiisto ĉe la Hannover Medicina Fakultato, kaj Maximilian Ackermann, patologiisto ĉe la Universitata Medicina Centro Majenco, estis en alta alarmo kiam novaĵoj pri la nekutima kazo de pulminflamo komencis disvastiĝi en Ĉinio.Ambaŭ havis sperton pri traktado de pulmaj kondiĉoj kaj tuj sciis, ke COVID-19 estas nekutima.La paro precipe zorgis pri raportoj pri "silenta hipoksio", kiu maldormis pacientojn kun COVID-19 sed kaŭzis, ke iliaj sangaj oksigenaj niveloj falis.
Ackermann kaj Jonig suspektas, ke SARS-CoV-2 iel atakas la sangajn glasojn en la pulmoj.Kiam la malsano disvastiĝis al Germanio en marto 2020, la paro komencis nekropsionojn pri COVID-19-viktimoj.Ili baldaŭ testis sian angian hipotezon injektante rezinon en histoprovaĵojn kaj tiam dissolvante la histon en acido, forlasante precizan modelon de la origina vaskulado.
Uzante ĉi tiun teknikon, Ackermann kaj Jonigk komparis histojn de homoj, kiuj ne mortis pro COVID-19, al tiuj de homoj, kiuj mortis.Ili tuj vidis, ke ĉe la viktimoj de COVID-19, la plej malgrandaj sangaj glasoj en la pulmoj estis torditaj kaj rekonstruitaj.Ĉi tiuj gravaj rezultoj, publikigitaj interrete en majo 2020, montras, ke COVID-19 ne estas strikte spira malsano, sed prefere angia malsano, kiu povas influi organojn tra la korpo.
"Se vi trairas la korpon kaj vicigas ĉiujn sangajn glasojn, vi ricevas 60,000 ĝis 70,000 mejlojn, kio estas duoble la distanco ĉirkaŭ la ekvatoro," diris Ackermann, patologiisto de Wuppertal, Germanio..Li aldonis, ke se nur 1 procento de ĉi tiuj sangaj glasoj estus atakitaj de la viruso, sangofluo kaj la kapablo sorbi oksigenon estus endanĝerigitaj, kio povus konduki al ruinigaj sekvoj por la tuta organo.
Post kiam Jonigk kaj Ackermann rimarkis la efikon de COVID-19 sur sangaj glasoj, ili rimarkis, ke ili bezonas pli bone kompreni la damaĝon.
Medicinaj rentgenradioj, kiel ekzemple CT-skanadoj, povas provizi vidojn de tutaj organoj, sed ili ne estas sufiĉe alta rezolucio.Biopsio permesas al sciencistoj ekzameni histoprovaĵojn sub mikroskopo, sed la rezultaj bildoj reprezentas nur malgrandan parton de la tuta organo kaj ne povas montri kiel COVID-19 evoluas en la pulmoj.Kaj la rezina tekniko, kiun la teamo evoluigis, postulas dissolvi la histon, kiu detruas la specimenon kaj limigas plian esploradon.
"Fine de la tago, [la pulmoj] ricevas oksigenon kaj karbondioksido eliras, sed por tio, ĝi havas milojn da mejloj da sangaj glasoj kaj kapilaroj, tre maldike interspacigitaj ... ĝi estas preskaŭ miraklo," Jonigk, fondinto, diris. ĉefa enketisto ĉe la Germana Pulmo-Esplorcentro."Do kiel ni vere povas taksi ion tiel kompleksan kiel COVID-19 sen detrui organojn?"
Jonigk kaj Ackermann bezonis ion senprecedencan: serion de rentgenradioj de la sama organo, kiu permesus al la esploristoj pligrandigi partojn de la organo al ĉela skalo.En marto 2020, la germana duopo kontaktis sian delongan kunlaboranton Peter Lee, materialsciencisto kaj prezidanto de emerĝantaj teknologioj ĉe UCL.La specialaĵo de Lee estas la studo de biologiaj materialoj uzante potencajn Rentgenradiojn, do liaj pensoj tuj turniĝis al la Francaj Alpoj.
La Eŭropa Sinkrotrona Radiado-Centro situas sur triangula peceto de tero en la nordokcidenta parto de Grenoblo, kie du riveroj renkontiĝas.La objekto estas partikla akcelilo, kiu sendas elektronojn en cirklaj orbitoj duonmejlon longa je preskaŭ la lumrapido.Dum ĉi tiuj elektronoj turniĝas en cirkloj, potencaj magnetoj en orbito deformas la fluon de partikloj, igante la elektronojn elsendi kelkajn el la plej brilaj Rentgenradioj en la mondo.
Tiu potenca radiado permesas al la ESRF spioni objektojn sur la mikrometro aŭ eĉ nanometra skalo.Ĝi estas ofte uzata por studi materialojn kiel alojoj kaj kunmetaĵoj, por studi la molekula strukturon de proteinoj, kaj eĉ por rekonstrui antikvajn fosiliojn sen apartigi ŝtono de osto.Ackermann, Jonigk kaj Lee volis uzi la gigantan instrumenton por preni la plej detalajn rentgenradiojn de la mondo de homaj organoj.
Eniru Taforo, kies laboro ĉe ESRF puŝis la limojn de tio, kion sinkrotrona skanado povas vidi.Ĝia impona aro da trukoj antaŭe permesis al sciencistoj rigardi ene de ovoj de dinosaŭro kaj preskaŭ tranĉi malfermitajn mumiojn, kaj preskaŭ tuj Taforo konfirmis, ke sinkrotronoj teorie povus bone skani tutajn pulmajn lobojn.Sed fakte, skanado de tutaj homaj organoj estas grandega defio.
Unuflanke, estas la problemo de komparo.Normaj rentgenradioj kreas bildojn bazitajn sur kiom da radiado sorbas malsamaj materialoj, kun pli pezaj elementoj absorbantaj pli ol pli malpezaj.Molaj histoj konsistas plejparte el malpezaj elementoj—karbono, hidrogeno, oksigeno, ktp.—do ili ne aperas klare sur klasika medicina rentgenradio.
Unu el la bonegaj aferoj pri ESRF estas ke ĝia Rentgenfota fasko estas tre kohera: lumo vojaĝas en ondoj, kaj en la kazo de ESRF, ĉiuj ĝiaj Rentgenradioj komenciĝas je la sama frekvenco kaj vicigo, konstante oscilante, kiel postsignoj lasitaj. de Reik tra zen-ĝardeno.Sed ĉar tiuj Rentgenradioj pasas tra la objekto, subtilaj diferencoj en denseco povas igi ĉiun Rentgenradion devii iomete de la pado, kaj la diferenco iĝas pli facile detektebla kiam la Rentgenradioj moviĝas pli for de la objekto.Tiuj devioj povas riveli subtilajn densecdiferencojn ene de objekto, eĉ se ĝi konsistas el malpezaj elementoj.
Sed stabileco estas alia afero.Por preni serion de pligrandigitaj radioj, la organo devas esti fiksita en sia natura formo, por ke ĝi ne fleksu aŭ moviĝu pli ol milono de milimetro.Krome, sinsekvaj radioj de la sama organo ne kongruos unu kun la alia.Ne necesas diri, tamen, ke la korpo povas esti tre fleksebla.
Lee kaj lia teamo ĉe UCL celis dizajni ujojn, kiuj povus elteni sinkrotronajn Rentgenradiojn dum ankoraŭ lasante kiel eble plej multajn ondojn.Lee ankaŭ pritraktis la ĝeneralan organizon de la projekto—ekzemple, la detaloj de transportado de homaj organoj inter Germanio kaj Francio—kaj dungis Walsh, kiu specialiĝas pri biomedicinaj grandaj datumoj, por helpi eltrovi kiel analizi la skanaĵojn.Reen en Francio, la laboro de Taforo inkludis plibonigi la skanan proceduron kaj eltrovi kiel stoki la organon en la ujo kiun la teamo de Lee konstruis.
Tafforo sciis, ke por ke la organoj ne malkomponiĝu, kaj la bildoj estu kiel eble plej klaraj, ili devas esti prilaboritaj kun pluraj partoj de akva etanolo.Li ankaŭ sciis, ke li bezonas stabiligi la organon sur io, kiu precize kongruas kun la denseco de la organo.Lia plano estis iel meti la organojn en etanol-riĉan agaron, ĵelecan substancon eltirita el algoj.
Tamen, la diablo estas en la detaloj - kiel en la plej granda parto de Eŭropo, Taforo estas blokita hejme kaj enŝlosita.Do Taforo movis sian esploradon en hejman laboratorion: Li pasigis jarojn ornamante iaman mezgrandan kuirejon per 3D-presiloj, bazaj kemiaj ekipaĵoj kaj iloj uzataj por prepari bestajn ostojn por anatomia esplorado.
Taforo uzis produktojn de la loka nutraĵvendejo por eltrovi kiel fari agaron.Li eĉ kolektas ŝtormakvon de tegmento kiun li ĵus purigis por fari demineraligitan akvon, norman ingrediencon en laboratoriaj agarformuloj.Por ekzerci paki organojn en agaro, li prenis porkan intestojn de loka buĉejo.
Taforo estis rajtigita reveni al la ESRF meze de majo por la unua testa pulmskanado de porkoj.De majo ĝis junio, li preparis kaj skanis la maldekstran pulman lobon de 54-jaraĝa viro kiu mortis pro COVID-19, kiun Ackermann kaj Jonig prenis de Germanio al Grenoblo.
"Kiam mi vidis la unuan bildon, estis pardonpeta letero en mia retpoŝto al ĉiuj implikitaj en la projekto: ni malsukcesis kaj mi ne povis akiri altkvalitan skanadon," li diris."Mi ĵus sendis al ili du bildojn, kiuj estis teruraj por mi sed bonegaj por ili."
Por Lee de la Universitato de Kalifornio, Los-Anĝeleso, la bildoj estas mirindaj: tutaj organaj bildoj similas al normaj medicinaj CT-skanadoj, sed "milionofoje pli informaj."Estas kvazaŭ la esploristo studis la arbaron dum sia tuta vivo, aŭ flugante super la arbaro en giganta jetaviadilo, aŭ vojaĝante laŭ la vojo.Nun ili ŝvebas super la baldakeno kiel birdoj sur flugiloj.
La teamo publikigis sian unuan plenan priskribon de la aliro HiP-CT en novembro 2021, kaj la esploristoj ankaŭ publikigis detalojn pri kiel COVID-19 influas iujn specojn de cirkulado en la pulmoj.
La skanado ankaŭ havis neatenditan avantaĝon: ĝi helpis la esploristojn konvinki amikojn kaj familion vakciniĝi.En severaj kazoj de COVID-19, multaj sangaj glasoj en la pulmoj ŝajnas dilatitaj kaj ŝvelintaj, kaj malpligrade, nenormalaj faskoj de etaj sangaj glasoj povas formiĝi.
"Kiam vi rigardas la strukturon de pulmo de persono kiu mortis pro COVID, ĝi ne aspektas kiel pulmo - ĝi estas malordo," diris Tafolo.
Li aldonis, ke eĉ en sanaj organoj, la skanadoj malkaŝis subtilajn anatomiajn trajtojn, kiuj neniam estis registritaj ĉar neniu homa organo iam estis ekzamenita tiel detale.Kun pli ol $ 1 miliono en financado de la Chan Zuckerberg Initiative (ne-profita organizaĵo fondita de Facebook CEO Mark Zuckerberg kaj la edzino de Zuckerberg, kuracisto Priscilla Chan), la HiP-CT-teamo nuntempe kreas tion, kion oni nomas atlaso de homaj organoj.
Ĝis nun, la teamo publikigis skanaĵojn de kvin organoj - la koro, cerbo, renoj, pulmoj kaj lieno - surbaze de la organoj donacitaj de Ackermann kaj Jonigk dum ilia COVID-19 nekropsio en Germanio kaj la san-kontrola organo LADAF.Anatomia laboratorio de Grenoblo.La teamo produktis la datumojn, same kiel flugfilmojn, surbaze de datumoj kiuj estas libere haveblaj en la Interreto.La Atlaso de Homaj Organoj rapide vastiĝas: pliaj 30 organoj estis skanitaj, kaj aliaj 80 estas en diversaj stadioj de preparado.Li diris, preskaŭ 40 malsamaj esplorgrupoj kontaktis la teamon por lerni pli pri la aliro.
UCL-kardiologo Cook vidas grandan potencialon uzi HiP-CT por kompreni bazan anatomion.UCL-radiologo Joe Jacob, kiu specialiĝas pri pulma malsano, diris, ke HiP-CT estos "valora por kompreni malsanon", precipe en tridimensiaj strukturoj kiel sangaj glasoj.
Eĉ la artistoj eniris en la batalon.Barney Steele de London-bazita sperta arta kolektivo Marshmallow Laser Feast diras, ke li aktive esploras kiel HiP-CT-datumoj povas esti esploritaj en merga virtuala realeco."Esence, ni kreas vojaĝon tra la homa korpo," li diris.
Sed malgraŭ ĉiuj promesoj de HiP-CT, estas gravaj problemoj.Unue, diras Walsh, HiP-CT-skanado generas "misuran kvanton da datumoj", facile terabajton per organo.Por permesi al klinikistoj uzi ĉi tiujn skanaĵojn en la reala mondo, la esploristoj esperas evoluigi nub-bazitan interfacon por navigi ilin, kiel ekzemple Google Maps por la homa korpo.
Ili ankaŭ bezonis faciligi konverti skanaĵojn en realigeblajn 3D modelojn.Kiel ĉiuj CT-skanaj metodoj, HiP-CT funkcias prenante multajn 2D-tranĉaĵojn de donita objekto kaj stakigante ilin kune.Eĉ hodiaŭ, multe de ĉi tiu procezo estas farita permane, precipe dum skanado de eksternorma aŭ malsana histo.Lee kaj Walsh diras, ke la prioritato de la teamo HiP-CT estas evoluigi maŝinlernajn metodojn, kiuj povas faciligi ĉi tiun taskon.
Ĉi tiuj defioj vastiĝos kiam la atlaso de homaj organoj vastiĝos kaj esploristoj iĝos pli ambiciaj.La HiP-CT-teamo uzas la plej novan ESRF-radian aparaton, nomitan BM18, por daŭrigi skanadon de la organoj de la projekto.La BM18 produktas pli grandan Rentgenfotan radion, kio signifas ke skanado prenas malpli da tempo, kaj la BM18 Rentgenfota detektilo povas esti metita ĝis 125 futojn (38 metroj) for de la objekto estanta skanita, igante ĝin skani pli klara.La rezultoj de BM18 jam estas tre bonaj, diras Taforo, kiu resanigis kelkajn el la originalaj specimenoj de Human Organ Atlas sur la nova sistemo.
La BM18 ankaŭ povas skani tre grandajn objektojn.Kun la nova instalaĵo, la teamo planas skani la tutan torson de la homa korpo unuflanke antaŭ la fino de 2023.
Esplorante la enorman potencialon de la teknologio, Taforo diris, "Ni vere estas nur ĉe la komenco."
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Ĉiuj rajtoj rezervitaj.