Новая техника сканирования позволяет получать изображения с высокой детализацией, которые могут произвести революцию в изучении анатомии человека.
Когда Пол Тафоро увидел свои первые экспериментальные изображения жертв COVID-19, он подумал, что потерпел неудачу.Палеонтолог по образованию, Тафоро провел несколько месяцев, 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 органы человека.Тафоро было поручено разработать метод, в котором можно было бы использовать мощное рентгеновское излучение, производимое Европейским центром синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле, Франция.Как ученый ESRF, он расширил границы рентгеновских снимков высокого разрешения окаменелостей горных пород и высушенных мумий.Теперь он был в ужасе от мягкой, липкой массы бумажных полотенец.
Изображения показали им больше деталей, чем любая медицинская компьютерная томография, которую они когда-либо видели, что позволило им преодолеть упрямые пробелы в том, как ученые и врачи визуализируют и понимают человеческие органы.«Когда вы видите это в учебниках по анатомии, это крупный и мелкий масштаб, и это красивые нарисованные от руки изображения по одной причине: это художественная интерпретация, потому что у нас нет изображений», — Университетский колледж Лондона (UCL). ) сказал..Об этом сообщила старший научный сотрудник Клэр Уолш.«Впервые мы можем делать настоящие вещи».
Тафоро и Уолш являются частью международной группы 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, могут перейти от полного человеческого органа к увеличенному виду мельчайших кровеносных сосудов тела или даже отдельных клеток.
Этот метод уже дает новое представление о том, как COVID-19 повреждает и реконструирует кровеносные сосуды в легких.Хотя его долгосрочные перспективы трудно определить, потому что ничего похожего на HiP-CT никогда не существовало, исследователи, воодушевленные его потенциалом, с энтузиазмом представляют новые способы понимания болезней и картографирования анатомии человека с помощью более точной топографической карты.
Кардиолог UCL Эндрю Кук сказал: «Большинство людей могут быть удивлены тем, что мы изучаем анатомию сердца сотни лет, но нет единого мнения о нормальном строении сердца, особенно сердца… Мышечные клетки и то, как оно меняется когда сердце бьется».
«Я ждал всю свою карьеру, — сказал он.
Техника HiP-CT началась, когда два немецких патологоанатома соревновались в отслеживании карательного воздействия вируса SARS-CoV-2 на организм человека.
Дэнни Йонигк, торакальный патолог из Ганноверской медицинской школы, и Максимилиан Акерманн, патолог из Университетского медицинского центра Майнца, были в состоянии повышенной готовности, когда новости о необычном случае пневмонии начали распространяться в Китае.У обоих был опыт лечения заболеваний легких, и они сразу поняли, что COVID-19 необычен.Пара была особенно обеспокоена сообщениями о «тихой гипоксии», которая не давала спать пациентам с COVID-19, но вызывала резкое падение уровня кислорода в их крови.
Акерманн и Йониг подозревают, что SARS-CoV-2 каким-то образом атакует кровеносные сосуды в легких.Когда в марте 2020 года болезнь распространилась на Германию, пара начала вскрытия жертв COVID-19.Вскоре они проверили свою сосудистую гипотезу, введя смолу в образцы ткани, а затем растворив ткань в кислоте, оставив точную модель исходной сосудистой сети.
Используя эту технику, Акерманн и Йонигк сравнили ткани людей, которые не умерли от COVID-19, с тканями людей, которые умерли.Они сразу увидели, что у пострадавших от COVID-19 мельчайшие кровеносные сосуды в легких были перекручены и перестроены.Эти знаменательные результаты, опубликованные в Интернете в мае 2020 года, показывают, что COVID-19 является не строго респираторным заболеванием, а скорее сосудистым заболеванием, которое может поражать органы по всему телу.
«Если вы пройдете через тело и выровняете все кровеносные сосуды, вы получите 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 только 1 процент этих кровеносных сосудов будет атакован вирусом, кровоток и способность поглощать кислород будут нарушены, что может привести к разрушительным последствиям для всего органа.
Как только Джонигк 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 просмотр целых органов, но они не имеют достаточно высокого разрешения.Биопсия позволяет ученым исследовать образцы тканей под микроскопом, но полученные изображения представляют лишь небольшую часть всего органа и не могут показать, как развивается COVID-19 в легких.А метод смолы, разработанный командой, требует растворения ткани, что разрушает образец и ограничивает дальнейшие исследования.
«В конце дня [легкие] насыщаются кислородом, а углекислый газ выходит, но для этого в нем есть тысячи миль очень тонких кровеносных сосудов и капилляров… это почти чудо», — сказал основатель Йонигк. главный исследователь Немецкого центра исследования легких.«Итак, как мы можем действительно 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 сотрудником Питером Ли, материаловедом и заведующим кафедрой новых технологий в UCL.Специальностью Ли является изучение биологических материалов с помощью мощных рентгеновских лучей, 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 почти со скоростью света.Когда эти электроны вращаются по кругу, мощные магниты на орбите искажают поток частиц, заставляя электроны излучать одни из самых ярких рентгеновских лучей в мире.
Это мощное излучение позволяет ESRF шпионить за объектами в микрометровом или даже нанометровом масштабе.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, Йониг и Ли хотели использовать гигантский инструмент для получения самых подробных в мире рентгеновских снимков органов человека.
Введите 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 вскрывать мумии, и почти сразу же Тафоро подтвердил, что синхротроны теоретически могут хорошо сканировать целые доли легких.Но на самом деле сканирование целых органов человека — огромная проблема.
С одной стороны, есть проблема сравнения.Стандартные рентгеновские снимки 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 его рентгеновский луч очень когерентный: свет распространяется волнами, и в случае ESRF все его рентгеновские лучи начинаются с одной и той же частоты и выравнивания, постоянно колеблясь, как оставленные следы. Рейком через дзен-сад.Но когда эти рентгеновские лучи проходят через объект, тонкие различия в плотности могут привести к тому, что каждый рентгеновский луч немного отклонится от пути, и разницу становится легче обнаружить, когда рентгеновские лучи удаляются от объекта.Эти отклонения могут выявить тонкие различия плотности внутри объекта, даже если он состоит из светлых элементов.
Но стабильность — это другой вопрос.Для того чтобы сделать серию увеличенных рентгеновских снимков, орган необходимо зафиксировать в естественной форме, чтобы он не изгибался и не смещался более чем на тысячную долю миллиметра.Более того, последовательные рентгенограммы одного и того же органа не будут совпадать друг с другом.Излишне говорить, однако, что тело может быть очень гибким.
Ли и его команда из UCL стремились спроектировать контейнеры, которые могли бы противостоять синхротронному рентгеновскому излучению, но при этом пропускать как можно больше волн.Ли также занимался общей организацией проекта — например, деталями перевозки человеческих органов между Германией и Францией — и нанял Уолша, который специализируется на биомедицинских больших данных, чтобы тот помог понять, как анализировать сканы.Вернувшись во Францию, работа Тафоро включала улучшение процедуры сканирования и выяснение того, как хранить орган в контейнере, который строила команда Ли.
Таффоро знал, что для того, чтобы органы не разлагались, а изображения были максимально четкими, их нужно обрабатывать несколькими порциями водного этанола.Он также знал, что ему нужно стабилизировать орган на чем-то, что точно соответствует плотности органа.Его план состоял в том, чтобы каким-то образом поместить органы в богатый этанолом агар — желеобразное вещество, извлеченное 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 понять, как приготовить агар.Он даже собирает ливневую воду с крыши, которую он недавно чистил, чтобы сделать деминерализованную воду, стандартный ингредиент в рецептурах агара лабораторного качества.Чтобы попрактиковаться в упаковке органов в агар, он взял свиные кишки с местной бойни.
Тафоро было разрешено 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 Акерманн 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 качественный скан», — сказал он.«Я только что отправил им две фотографии, которые были ужасны для меня, но великолепны 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».Это как если бы исследователь всю жизнь изучал лес, то пролетая над лесом на гигантском реактивном самолете, то путешествуя по тропе.Теперь они парят над пологом, как птицы на крыльях.
Команда опубликовала свое первое полное описание подхода HiP-CT в ноябре 2021 года, и исследователи также опубликовали подробную информацию о том, как COVID-19 влияет на определенные типы кровообращения в легких.
Сканирование также имело неожиданное преимущество: 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 смотрите 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 регистрировались, потому что ни один человеческий орган никогда не исследовался так подробно.Имея более 1 миллиона долларов финансирования от Инициативы Чана Цукерберга (некоммерческой организации, основанной генеральным директором Facebook Марком Цукербергом и женой Цукерберга, врачом Присциллой Чан), команда HiP-CT в настоящее время создает то, что называется атласом человеческих органов.
На данный момент команда выпустила сканирование пяти органов — сердца, мозга, почек, легких и селезенки — на основе органов, пожертвованных Аккерманом и Йонигком во время их 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 стремительно пополняется: отсканировано еще 30 органов, еще 80 находятся на разных стадиях подготовки.По словам Ли, около 40 различных исследовательских групп связались с командой, чтобы узнать больше об этом подходе.
Кардиолог UCL Кук видит большой потенциал в использовании HiP-CT для понимания базовой анатомии.Рентгенолог UCL Джо Джейкоб, специализирующийся на заболеваниях легких, сказал, что HiP-CT будет «бесценным для понимания болезни», особенно в трехмерных структурах, таких как кровеносные сосуды.
В борьбу вступили даже художники.Барни Стил из лондонского арт-коллектива Marshmallow Laser Feast говорит, что активно исследует, как можно исследовать данные HiP-CT в иммерсивной виртуальной реальности.«По сути, мы создаем путешествие по человеческому телу», — сказал он.
Но, несмотря на все обещания HiP-CT, есть серьезные проблемы.Во-первых, говорит Уолш, сканирование HiP-CT генерирует «ошеломляющее количество данных», легко терабайт на орган.Чтобы позволить клиницистам использовать эти сканы в реальном мире, исследователи надеются разработать облачный интерфейс для навигации по ним, такой как Google Maps для человеческого тела.
Им также нужно 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 упростить эту задачу.
Эти проблемы будут расширяться по мере того, как атлас органов человека расширяется, а исследователи становятся более амбициозными.Команда HiP-CT использует новейшее лучевое устройство ESRF, названное BM18, для продолжения сканирования органов проекта.BM18 производит больший 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 из исходных образцов Атласа органов человека на новой системе.
BM18 также может сканировать очень большие объекты.С помощью нового объекта команда планирует к концу 2023 года просканировать весь торс человеческого тела одним махом.
Изучая огромный потенциал технологии, Тафоро сказал: «На самом деле мы только в начале пути».
© 2015-2022 ООО «Нэшнл Географик Партнерс».Все права защищены.