Новая техника сканирования позволяет получать изображения с высокой детализацией, которые могут совершить революцию в изучении анатомии человека.
Когда Пол Тафоро увидел свои первые экспериментальные изображения жертв света от COVID-19, он подумал, что потерпел неудачу.Палеонтолог по образованию, Тафоро провел месяцы, работая с командами по всей Европе, чтобы превратить ускорители частиц во французских Альпах в революционные инструменты медицинского сканирования.
Это было в конце мая 2020 года, и ученые стремились лучше понять, как COVID-19 разрушает человеческие органы.Тафоро было поручено разработать метод, который мог бы использовать мощные рентгеновские лучи, производимые Европейской лабораторией синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле, Франция.Будучи учёным ESRF, он раздвинул границы возможностей рентгеновских снимков горных окаменелостей и высушенных мумий с высоким разрешением.Теперь его ужасала мягкая, липкая масса бумажных полотенец.
Изображения показали им больше деталей, чем любая медицинская компьютерная томография, которую они когда-либо видели раньше, что позволило им преодолеть стойкие пробелы в том, как ученые и врачи визуализируют и понимают человеческие органы.«Когда вы видите это в учебниках по анатомии, это большие и маленькие изображения, и это красивые нарисованные от руки изображения по одной причине: это художественные интерпретации, потому что у нас нет изображений», — Университетский колледж Лондона (UCL). ) сказал..Об этом сообщила старший научный сотрудник Клэр Уолш.«Впервые мы можем сделать настоящую вещь».
Тафоро и Уолш входят в международную команду, состоящую из более чем 30 исследователей, которые создали новую мощную технику рентгеновского сканирования под названием иерархическая фазово-контрастная томография (HiP-CT).С его помощью они наконец смогут перейти от целого человеческого органа к увеличенному изображению мельчайших кровеносных сосудов или даже отдельных клеток тела.
Этот метод уже дает новое представление о том, как COVID-19 повреждает и реконструирует кровеносные сосуды в легких.Хотя его долгосрочные перспективы трудно определить, поскольку ничего подобного HiP-CT никогда раньше не существовало, исследователи, воодушевленные его потенциалом, с энтузиазмом рассматривают новые способы понимания болезней и картирования анатомии человека с помощью более точной топографической карты.
Кардиолог UCL Эндрю Кук сказал: «Большинство людей могут быть удивлены тем, что мы изучаем анатомию сердца на протяжении сотен лет, но нет единого мнения о нормальной структуре сердца, особенно сердца… Мышечные клетки и то, как она меняется когда сердце бьется».
«Я ждал всю свою карьеру», — сказал он.
Технология HiP-CT началась, когда два немецких патологоанатома соревновались в отслеживании карательного воздействия вируса SARS-CoV-2 на организм человека.
Дэнни Йонигк, торакальный патолог Ганноверской медицинской школы, и Максимилиан Акерманн, патолог Университетского медицинского центра Майнца, были в состоянии повышенной готовности, поскольку новости о необычном случае пневмонии начали распространяться в Китае.Оба имели опыт лечения заболеваний легких и сразу поняли, что COVID-19 — это необычно.Супруги были особенно обеспокоены сообщениями о «тихой гипоксии», из-за которой пациенты с Covid-19 не могли уснуть, но вызывали резкое падение уровня кислорода в их крови.
Акерманн и Йониг подозревают, что SARS-CoV-2 каким-то образом поражает кровеносные сосуды легких.Когда в марте 2020 года болезнь распространилась на Германию, пара начала вскрытие жертв Covid-19.Вскоре они проверили свою сосудистую гипотезу, введя смолу в образцы тканей, а затем растворив ткань в кислоте, получив точную модель исходной сосудистой сети.
Используя этот метод, Аккерманн и Йонигк сравнили ткани людей, которые не умерли от COVID-19, с тканями людей, которые умерли.Они сразу увидели, что у жертв Covid-19 мельчайшие кровеносные сосуды в легких перекручены и реконструированы.Эти знаменательные результаты, опубликованные в Интернете в мае 2020 года, показывают, что COVID-19 — это не строго респираторное заболевание, а скорее сосудистое заболевание, которое может поражать органы по всему телу.
«Если вы пройдете через тело и выровняете все кровеносные сосуды, вы получите расстояние от 60 000 до 70 000 миль, что в два раза больше расстояния вокруг экватора», — сказал Акерманн, патологоанатом из Вупперталя, Германия..Он добавил, что если вирус поразит только 1 процент этих кровеносных сосудов, кровоток и способность поглощать кислород будут нарушены, что может привести к разрушительным последствиям для всего органа.
Как только Йонигк и Акерманн осознали влияние COVID-19 на кровеносные сосуды, они поняли, что им необходимо лучше понять ущерб.
Медицинские рентгеновские снимки, такие как компьютерная томография, могут обеспечить изображение целых органов, но они не имеют достаточно высокого разрешения.Биопсия позволяет ученым исследовать образцы тканей под микроскопом, но полученные изображения представляют собой лишь небольшую часть всего органа и не могут показать, как COVID-19 развивается в легких.А метод смолы, разработанный командой, требует растворения ткани, что разрушает образец и ограничивает дальнейшие исследования.
«В конце концов, [легкие] получают кислород, а углекислый газ выходит, но для этого в них есть тысячи миль кровеносных сосудов и капилляров, расположенных очень тонко… это почти чудо», — сказал Джонигк, основатель компании. главный исследователь Немецкого исследовательского центра легких.«Так как же мы действительно можем оценить что-то столь сложное, как Covid-19, не разрушая органы?»
Джонигку и Акерманну нужно было нечто беспрецедентное: серия рентгеновских снимков одного и того же органа, которая позволила бы исследователям увеличить части органа до клеточного масштаба.В марте 2020 года немецкий дуэт связался со своим давним коллегой Питером Ли, ученым-материаловедом и заведующим кафедрой новых технологий в UCL.Специальность Ли — исследование биологических материалов с помощью мощного рентгеновского излучения, поэтому его мысли сразу же обратились к французским Альпам.
Европейский центр синхротронного излучения расположен на треугольном участке земли в северо-западной части Гренобля, где встречаются две реки.Объект представляет собой ускоритель частиц, который отправляет электроны по круговым орбитам длиной в полмили со скоростью, близкой к скорости света.Когда эти электроны вращаются по кругу, мощные магниты на орбите искажают поток частиц, заставляя электроны испускать одни из самых ярких рентгеновских лучей в мире.
Это мощное излучение позволяет ESRF шпионить за объектами микрометрового или даже нанометрового масштаба.Его часто используют для изучения таких материалов, как сплавы и композиты, для изучения молекулярной структуры белков и даже для реконструкции древних окаменелостей без отделения камня от кости.Акерманн, Джонигк и Ли хотели использовать гигантский инструмент для получения самых подробных в мире рентгеновских снимков человеческих органов.
Взгляните на Тафоро, чья работа в ESRF раздвинула границы того, что может видеть синхротронное сканирование.Его впечатляющий набор трюков ранее позволял ученым заглядывать внутрь яиц динозавров и почти сразу же вскрывать мумии, и почти сразу же Тафоро подтвердил, что синхротроны теоретически могут хорошо сканировать целые доли легких.Но на самом деле сканирование органов человека целиком — огромная задача.
С одной стороны, существует проблема сравнения.Стандартные рентгеновские лучи создают изображения на основе того, сколько излучения поглощают различные материалы, причем более тяжелые элементы поглощают больше, чем более легкие.Мягкие ткани в основном состоят из легких элементов — углерода, водорода, кислорода и т. д. — поэтому они не видны четко на классическом медицинском рентгеновском снимке.
Одна из замечательных особенностей ESRF заключается в том, что ее рентгеновский луч очень когерентен: свет распространяется волнами, а в случае ESRF все рентгеновские лучи начинаются с одинаковой частоты и направления, постоянно колеблясь, как оставленные следы. Рейком через сад дзен.Но когда эти рентгеновские лучи проходят через объект, небольшие различия в плотности могут привести к небольшому отклонению каждого рентгеновского луча от траектории, и разницу становится легче обнаружить по мере удаления рентгеновских лучей от объекта.Эти отклонения могут выявить тонкие различия в плотности внутри объекта, даже если он состоит из легких элементов.
Но стабильность – это другой вопрос.Для того чтобы сделать серию увеличенных рентгеновских снимков, орган необходимо зафиксировать в естественной форме так, чтобы он не изгибался и не перемещался более чем на тысячную долю миллиметра.Более того, последовательные рентгеновские снимки одного и того же органа не будут совпадать друг с другом.Излишне говорить, что тело может быть очень гибким.
Ли и его команда из UCL стремились разработать контейнеры, которые могли бы противостоять синхротронному рентгеновскому излучению, но при этом пропускали бы как можно больше волн.Ли также занимался общей организацией проекта (например, деталями транспортировки человеческих органов между Германией и Францией) и нанял Уолша, который специализируется на больших биомедицинских данных, чтобы тот помог разобраться, как анализировать результаты сканирования.Вернувшись во Францию, работа Тафоро включала усовершенствование процедуры сканирования и выяснение того, как хранить орган в контейнере, который строила команда Ли.
Таффоро знал, что для того, чтобы органы не разложились, а изображения были максимально четкими, их необходимо обработать несколькими порциями водного этанола.Он также знал, что ему нужно стабилизировать орган на чем-то, что точно соответствовало бы плотности органа.Его план состоял в том, чтобы каким-то образом поместить органы в агар, богатый этанолом, желеобразное вещество, полученное из морских водорослей.
Однако дьявол кроется в деталях – как и в большинстве стран Европы, Тафоро застрял дома и заперт.Поэтому Тафоро перенес свои исследования в домашнюю лабораторию: он провел годы, украшая бывшую кухню среднего размера 3D-принтерами, базовым химическим оборудованием и инструментами, используемыми для подготовки костей животных для анатомических исследований.
Тафоро использовал продукты из местного продуктового магазина, чтобы придумать, как приготовить агар.Он даже собирает ливневые воды с крыши, которую недавно чистил, чтобы получить деминерализованную воду — стандартный ингредиент в рецептурах агара лабораторного качества.Чтобы попрактиковаться в упаковке органов в агар, он взял свиные кишки с местной бойни.
Тафоро разрешили вернуться в ESRF в середине мая для первого тестового сканирования легких свиней.С мая по июнь он подготовил и отсканировал левую долю легкого 54-летнего мужчины, умершего от COVID-19, которую Аккерманн и Йониг привезли из Германии в Гренобль.
«Когда я увидел первое изображение, в моем электронном письме было письмо с извинениями всем, кто участвовал в проекте: мы потерпели неудачу, и я не смог получить высококачественный скан», — сказал он.«Я только что отправил им две фотографии, которые были ужасны для меня, но хороши для них».
Для Ли из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе изображения ошеломляют: изображения всего органа аналогичны стандартным медицинским компьютерным томограммам, но «в миллион раз более информативны».Будто исследователь всю жизнь изучал лес, то летая над лесом на гигантском реактивном самолете, то путешествуя по тропе.Теперь они парят над кроной, как птицы на крыльях.
Команда опубликовала свое первое полное описание подхода HiP-CT в ноябре 2021 года, а также исследователи опубликовали подробную информацию о том, как COVID-19 влияет на определенные типы кровообращения в легких.
Сканирование также принесло неожиданную пользу: оно помогло исследователям убедить друзей и семью пройти вакцинацию.В тяжелых случаях COVID-19 многие кровеносные сосуды в легких кажутся расширенными и опухшими, и в меньшей степени могут образовываться аномальные пучки крошечных кровеносных сосудов.
«Когда вы посмотрите на структуру легкого человека, умершего от COVID, оно не похоже на легкое — это беспорядок», — сказал Тафоло.
Он добавил, что даже в здоровых органах сканирование выявило тонкие анатомические особенности, которые никогда не были зафиксированы, поскольку ни один человеческий орган никогда не исследовался так подробно.Благодаря финансированию в размере более 1 миллиона долларов от Chan Zuckerberg Initiative (некоммерческая организация, основанная генеральным директором Facebook Марком Цукербергом и женой Цукерберга, врачом Присциллой Чан), команда HiP-CT в настоящее время создает так называемый атлас человеческих органов.
На данный момент команда опубликовала сканы пяти органов — сердца, мозга, почек, легких и селезенки — на основе органов, пожертвованных Аккерманном и Йонигком во время вскрытия COVID-19 в Германии, и органа «контроля» здоровья LADAF.Анатомическая лаборатория Гренобля.Команда подготовила данные, а также фильмы о полетах на основе данных, которые находятся в свободном доступе в Интернете.Атлас органов человека быстро расширяется: отсканировано еще 30 органов, еще 80 находятся на разных стадиях подготовки.По словам Ли, с командой связались около 40 различных исследовательских групп, чтобы узнать больше об этом подходе.
Кардиолог UCL Кук видит большой потенциал в использовании HiP-CT для понимания базовой анатомии.Радиолог UCL Джо Джейкоб, специализирующийся на заболеваниях легких, сказал, что HiP-CT будет «неоценимым для понимания болезней», особенно в трехмерных структурах, таких как кровеносные сосуды.
В драку вступили даже художники.Барни Стил из лондонского коллектива экспериментального искусства Marshmallow Laser Feast говорит, что он активно исследует, как данные HiP-CT можно исследовать в иммерсивной виртуальной реальности.«По сути, мы совершаем путешествие по человеческому телу», — сказал он.
Но, несмотря на все обещания HiP-CT, существуют серьезные проблемы.Во-первых, говорит Уолш, HiP-CT-сканирование генерирует «ошеломляющее количество данных» — около терабайта на орган.Чтобы позволить врачам использовать эти снимки в реальном мире, исследователи надеются разработать облачный интерфейс для навигации по ним, такой как Google Maps для человеческого тела.
Им также необходимо было упростить преобразование сканов в работоспособные 3D-модели.Как и все методы компьютерной томографии, HiP-CT работает, беря множество 2D-срезов данного объекта и складывая их вместе.Даже сегодня большая часть этого процесса выполняется вручную, особенно при сканировании аномальных или больных тканей.Ли и Уолш говорят, что приоритетом команды HiP-CT является разработка методов машинного обучения, которые могут облегчить эту задачу.
Эти проблемы будут расширяться по мере расширения атласа человеческих органов и повышения амбициозности исследователей.Команда HiP-CT использует новейшее лучевое устройство ESRF под названием BM18 для продолжения сканирования органов в рамках проекта.BM18 производит более крупный рентгеновский луч, что означает, что сканирование занимает меньше времени, а рентгеновский детектор BM18 можно разместить на расстоянии до 125 футов (38 метров) от сканируемого объекта, что делает его сканирование более четким.Результаты BM18 уже очень хорошие, говорит Тафоро, который повторно отсканировал некоторые исходные образцы Атласа человеческих органов в новой системе.
BM18 также может сканировать очень большие объекты.С помощью нового объекта команда планирует просканировать весь туловище человека одним махом к концу 2023 года.
Исследуя огромный потенциал этой технологии, Тафоро сказал: «На самом деле мы только в начале пути».
© 2015-2022 ООО «Нэшнл Географик Партнерс».Все права защищены.