Teknik pengimbasan baharu menghasilkan imej dengan terperinci yang boleh merevolusikan kajian anatomi manusia.
Apabila Paul Taforo melihat imej eksperimen pertamanya tentang mangsa cahaya COVID-19, dia fikir dia telah gagal.Seorang ahli paleontologi melalui latihan, Taforo menghabiskan masa berbulan-bulan bekerja dengan pasukan di seluruh Eropah untuk menjadikan pemecut zarah di Pergunungan Alps Perancis menjadi alat pengimbasan perubatan revolusioner.
Ia adalah pada penghujung Mei 2020, dan saintis tidak sabar-sabar untuk memahami dengan lebih baik cara COVID-19 memusnahkan organ manusia.Taforo telah ditugaskan untuk membangunkan kaedah yang boleh menggunakan sinar-X berkuasa tinggi yang dihasilkan oleh European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) di Grenoble, Perancis.Sebagai saintis ESRF, beliau telah menolak sempadan x-ray resolusi tinggi fosil batu dan mumia kering.Sekarang dia takut dengan jisim tuala kertas yang lembut dan melekit.
Imej-imej itu menunjukkan mereka lebih terperinci daripada mana-mana imbasan CT perubatan yang pernah mereka lihat sebelum ini, membolehkan mereka mengatasi jurang degil dalam cara para saintis dan doktor memvisualisasikan dan memahami organ manusia."Dalam buku teks anatomi, apabila anda melihatnya, ia berskala besar, ia berskala kecil, dan ia adalah imej yang dilukis dengan tangan yang cantik kerana satu sebab: ia adalah tafsiran artistik kerana kami tidak mempunyai imej," University College London (UCL). ) berkata..Penyelidik Kanan Claire Walsh berkata."Buat pertama kali kami boleh melakukan perkara sebenar."
Taforo dan Walsh adalah sebahagian daripada pasukan antarabangsa lebih daripada 30 penyelidik yang telah mencipta teknik pengimbasan sinar-X baharu yang berkuasa dipanggil Hierarchical Phase Contrast Tomography (HiP-CT).Dengan itu, mereka akhirnya boleh pergi dari organ manusia yang lengkap kepada pandangan yang diperbesarkan saluran darah terkecil badan atau sel individu.
Kaedah ini sudah memberikan cerapan baharu tentang cara COVID-19 merosakkan dan mengubah suai saluran darah dalam paru-paru.Walaupun prospek jangka panjangnya sukar ditentukan kerana tiada seperti HiP-CT yang pernah wujud sebelum ini, penyelidik teruja dengan potensinya sedang bersemangat membayangkan cara baharu untuk memahami penyakit dan memetakan anatomi manusia dengan peta topografi yang lebih tepat.
Pakar kardiologi UCL Andrew Cooke berkata: "Kebanyakan orang mungkin terkejut bahawa kita telah mengkaji anatomi jantung selama beratus-ratus tahun, tetapi tidak ada konsensus mengenai struktur normal jantung, terutamanya jantung ... Sel-sel otot dan bagaimana ia berubah. apabila jantung berdegup.”
“Saya telah menunggu sepanjang kerjaya saya,” katanya.
Teknik HiP-CT bermula apabila dua pakar patologi Jerman bersaing untuk mengesan kesan hukuman virus SARS-CoV-2 pada tubuh manusia.
Danny Jonigk, pakar patologi toraks di Sekolah Perubatan Hannover, dan Maximilian Ackermann, pakar patologi di Pusat Perubatan Universiti Mainz, berada dalam keadaan berjaga-jaga apabila berita mengenai kes radang paru-paru yang luar biasa mula tersebar di China.Kedua-duanya mempunyai pengalaman merawat keadaan paru-paru dan segera mengetahui bahawa COVID-19 adalah luar biasa.Pasangan itu amat bimbang tentang laporan "hipoksia senyap" yang menyebabkan pesakit COVID-19 terjaga tetapi menyebabkan paras oksigen darah mereka menjunam.
Ackermann dan Jonig mengesyaki bahawa SARS-CoV-2 entah bagaimana menyerang saluran darah di dalam paru-paru.Apabila penyakit itu merebak ke Jerman pada Mac 2020, pasangan itu memulakan bedah siasat ke atas mangsa COVID-19.Mereka tidak lama lagi menguji hipotesis vaskular mereka dengan menyuntik resin ke dalam sampel tisu dan kemudian melarutkan tisu dalam asid, meninggalkan model yang tepat bagi vasculature asal.
Dengan menggunakan teknik ini, Ackermann dan Jonigk membandingkan tisu daripada orang yang tidak mati akibat COVID-19 dengan tisu daripada orang yang meninggal dunia.Mereka segera melihat bahawa pada mangsa COVID-19, saluran darah terkecil dalam paru-paru telah dipintal dan dibina semula.Keputusan penting ini, yang diterbitkan dalam talian pada Mei 2020, menunjukkan bahawa COVID-19 bukanlah penyakit pernafasan semata-mata, sebaliknya penyakit vaskular yang boleh menjejaskan organ di seluruh badan.
"Jika anda melalui badan dan menyelaraskan semua saluran darah, anda mendapat 60,000 hingga 70,000 batu, iaitu dua kali jarak di sekitar khatulistiwa," kata Ackermann, ahli patologi dari Wuppertal, Jerman..Beliau menambah bahawa jika hanya 1 peratus daripada saluran darah ini diserang oleh virus, aliran darah dan keupayaan untuk menyerap oksigen akan terjejas, yang boleh membawa kepada akibat yang dahsyat untuk keseluruhan organ.
Sebaik sahaja Jonigk dan Ackermann menyedari kesan COVID-19 pada saluran darah, mereka menyedari bahawa mereka perlu memahami dengan lebih baik kerosakan itu.
X-ray perubatan, seperti imbasan CT, boleh memberikan pandangan keseluruhan organ, tetapi ia tidak mempunyai resolusi yang cukup tinggi.Biopsi membolehkan saintis memeriksa sampel tisu di bawah mikroskop, tetapi imej yang terhasil hanya mewakili sebahagian kecil daripada keseluruhan organ dan tidak dapat menunjukkan cara COVID-19 berkembang di dalam paru-paru.Dan teknik resin yang dibangunkan oleh pasukan memerlukan pembubaran tisu, yang memusnahkan sampel dan mengehadkan penyelidikan lanjut.
"Pada penghujung hari, [paru-paru] mendapat oksigen dan karbon dioksida keluar, tetapi untuk itu, ia mempunyai beribu-ribu batu saluran darah dan kapilari, jarak yang sangat nipis... ia hampir satu keajaiban," kata Jonigk, pengasas. penyiasat utama di Pusat Penyelidikan Paru-paru Jerman."Jadi bagaimana kita boleh benar-benar menilai sesuatu yang kompleks seperti COVID-19 tanpa memusnahkan organ?"
Jonigk dan Ackermann memerlukan sesuatu yang tidak pernah berlaku sebelum ini: satu siri x-ray organ yang sama yang akan membolehkan penyelidik membesarkan bahagian organ kepada skala selular.Pada Mac 2020, pasangan Jerman itu menghubungi kolaborator lama mereka Peter Lee, seorang saintis bahan dan pengerusi teknologi baru muncul di UCL.Keistimewaan Lee ialah kajian bahan biologi menggunakan sinar-X yang berkuasa, jadi pemikirannya segera beralih ke Pergunungan Alps Perancis.
Pusat Sinaran Synchrotron Eropah terletak di atas tanah berbentuk segi tiga di bahagian barat laut Grenoble, di mana dua sungai bertemu.Objek adalah pemecut zarah yang menghantar elektron dalam orbit bulat setengah batu panjang pada hampir kelajuan cahaya.Apabila elektron ini berputar dalam bulatan, magnet berkuasa di orbit meledingkan aliran zarah, menyebabkan elektron memancarkan beberapa sinaran X paling terang di dunia.
Sinaran berkuasa ini membolehkan ESRF mengintip objek pada mikrometer atau skala nanometer.Ia sering digunakan untuk mengkaji bahan seperti aloi dan komposit, untuk mengkaji struktur molekul protein, dan juga untuk membina semula fosil purba tanpa memisahkan batu daripada tulang.Ackermann, Jonigk dan Lee mahu menggunakan instrumen gergasi itu untuk mengambil x-ray paling terperinci di dunia bagi organ manusia.
Masukkan Taforo, yang kerjanya di ESRF telah menolak sempadan perkara yang boleh dilihat oleh pengimbasan synchrotron.Pelbagai helahnya yang mengagumkan sebelum ini telah membolehkan saintis mengintip ke dalam telur dinosaur dan hampir memotong mumia terbuka, dan hampir serta-merta Taforo mengesahkan bahawa synchrotron secara teorinya boleh mengimbas keseluruhan lobus paru-paru dengan baik.Tetapi sebenarnya, mengimbas seluruh organ manusia adalah satu cabaran yang besar.
Di satu pihak, terdapat masalah perbandingan.X-ray standard mencipta imej berdasarkan jumlah sinaran bahan yang berbeza menyerap, dengan unsur yang lebih berat menyerap lebih banyak daripada yang lebih ringan.Tisu lembut kebanyakannya terdiri daripada unsur ringan—karbon, hidrogen, oksigen, dsb—jadi ia tidak kelihatan dengan jelas pada x-ray perubatan klasik.
Salah satu perkara hebat tentang ESRF ialah pancaran sinar-Xnya sangat koheren: cahaya bergerak dalam gelombang, dan dalam kes ESRF, semua sinar-Xnya bermula pada frekuensi dan penjajaran yang sama, sentiasa berayun, seperti tapak kaki yang ditinggalkan. oleh Reik melalui taman zen.Tetapi apabila sinar-X ini melalui objek, perbezaan ketumpatan yang halus boleh menyebabkan setiap sinar-X menyimpang sedikit dari laluan, dan perbezaan itu menjadi lebih mudah untuk dikesan apabila sinar-X bergerak lebih jauh dari objek.Penyimpangan ini boleh mendedahkan perbezaan ketumpatan halus dalam objek, walaupun ia terdiri daripada unsur cahaya.
Tetapi kestabilan adalah isu lain.Untuk mengambil satu siri x-ray yang diperbesarkan, organ itu mesti diperbaiki dalam bentuk semula jadinya supaya ia tidak membengkok atau bergerak lebih daripada seperseribu milimeter.Lebih-lebih lagi, x-ray berturut-turut organ yang sama tidak akan sepadan antara satu sama lain.Walau bagaimanapun, tidak perlu dikatakan, badan boleh menjadi sangat fleksibel.
Lee dan pasukannya di UCL menyasarkan untuk mereka bentuk bekas yang boleh menahan sinar-X synchrotron sambil membiarkan sebanyak mungkin gelombang melaluinya.Lee juga mengendalikan keseluruhan organisasi projek itu—contohnya, butiran mengangkut organ manusia antara Jerman dan Perancis—dan mengupah Walsh, yang pakar dalam data besar bioperubatan, untuk membantu memikirkan cara menganalisis imbasan.Kembali ke Perancis, kerja Taforo termasuk menambah baik prosedur pengimbasan dan memikirkan cara menyimpan organ dalam bekas yang sedang dibina oleh pasukan Lee.
Tafforo tahu bahawa agar organ tidak terurai, dan imej menjadi sejelas mungkin, ia mesti diproses dengan beberapa bahagian etanol berair.Dia juga tahu bahawa dia perlu menstabilkan organ pada sesuatu yang betul-betul sepadan dengan ketumpatan organ itu.Rancangannya adalah untuk meletakkan organ dalam agar-agar yang kaya dengan etanol, bahan seperti jeli yang diekstrak daripada rumpai laut.
Walau bagaimanapun, syaitan adalah dalam butiran - seperti di kebanyakan Eropah, Taforo terperangkap di rumah dan dikurung.Jadi Taforo memindahkan penyelidikannya ke makmal rumah: Dia menghabiskan bertahun-tahun menghiasi bekas dapur bersaiz sederhana dengan pencetak 3D, peralatan kimia asas dan alat yang digunakan untuk menyediakan tulang haiwan untuk penyelidikan anatomi.
Taforo menggunakan produk dari kedai runcit tempatan untuk mengetahui cara membuat agar-agar.Dia juga mengumpul air ribut dari bumbung yang dia bersihkan baru-baru ini untuk membuat air demineral, bahan standard dalam formula agar gred makmal.Untuk berlatih membungkus organ dalam agar, dia mengambil usus babi dari pusat penyembelihan tempatan.
Taforo dibenarkan kembali ke ESRF pada pertengahan Mei untuk ujian imbasan paru-paru pertama babi.Dari Mei hingga Jun, dia menyediakan dan mengimbas lobus paru-paru kiri seorang lelaki berusia 54 tahun yang meninggal dunia akibat COVID-19, yang dibawa oleh Ackermann dan Jonig dari Jerman ke Grenoble.
"Apabila saya melihat imej pertama, terdapat surat permohonan maaf dalam e-mel saya kepada semua orang yang terlibat dalam projek itu: kami gagal dan saya tidak boleh mendapatkan imbasan berkualiti tinggi," katanya."Saya hanya menghantar dua gambar yang mengerikan untuk saya tetapi bagus untuk mereka."
Bagi Lee dari University of California, Los Angeles, imej itu menakjubkan: imej keseluruhan organ serupa dengan imbasan CT perubatan standard, tetapi "sejuta kali lebih bermaklumat."Seolah-olah penjelajah telah mengkaji hutan sepanjang hidupnya, sama ada terbang di atas hutan dengan pesawat jet gergasi, atau mengembara di sepanjang denai.Sekarang mereka terbang di atas kanopi seperti burung di sayap.
Pasukan itu menerbitkan penerangan penuh pertama mereka tentang pendekatan HiP-CT pada November 2021, dan penyelidik juga mengeluarkan butiran tentang cara COVID-19 mempengaruhi jenis peredaran tertentu dalam paru-paru.
Imbasan itu juga mempunyai faedah yang tidak dijangka: ia membantu para penyelidik meyakinkan rakan dan keluarga untuk mendapatkan vaksin.Dalam kes COVID-19 yang teruk, banyak saluran darah dalam paru-paru kelihatan mengembang dan membengkak, dan pada tahap yang lebih rendah, kumpulan salur darah kecil yang tidak normal mungkin terbentuk.
"Apabila anda melihat struktur paru-paru daripada seseorang yang meninggal dunia akibat COVID, ia tidak kelihatan seperti paru-paru - ia kucar-kacir," kata Tafolo.
Tambahnya, walaupun dalam organ yang sihat, imbasan mendedahkan ciri-ciri anatomi halus yang tidak pernah direkodkan kerana tiada organ manusia pernah diperiksa secara terperinci.Dengan lebih $1 juta dalam pembiayaan daripada Chan Zuckerberg Initiative (sebuah organisasi bukan untung yang diasaskan oleh Ketua Pegawai Eksekutif Facebook Mark Zuckerberg dan isteri Zuckerberg, doktor Priscilla Chan), pasukan HiP-CT kini sedang mencipta apa yang dipanggil atlas organ manusia.
Setakat ini, pasukan itu telah mengeluarkan imbasan lima organ — jantung, otak, buah pinggang, paru-paru dan limpa — berdasarkan organ yang didermakan oleh Ackermann dan Jonigk semasa bedah siasat COVID-19 mereka di Jerman dan organ “kawalan” kesihatan LADAF.Makmal anatomi Grenoble.Pasukan itu menghasilkan data, serta filem penerbangan, berdasarkan data yang tersedia secara percuma di Internet.Atlas Organ Manusia berkembang pesat: 30 organ lagi telah diimbas, dan 80 lagi berada pada pelbagai peringkat penyediaan.Hampir 40 kumpulan penyelidikan yang berbeza menghubungi pasukan itu untuk mengetahui lebih lanjut mengenai pendekatan itu, kata Li.
Pakar kardiologi UCL Cook melihat potensi besar dalam menggunakan HiP-CT untuk memahami anatomi asas.Pakar radiologi UCL Joe Jacob, yang pakar dalam penyakit paru-paru, berkata HiP-CT akan menjadi "tidak ternilai untuk memahami penyakit," terutamanya dalam struktur tiga dimensi seperti saluran darah.
Malah para artis turut terlibat dalam pergaduhan.Barney Steele dari Marshmallow Laser Feast kolektif seni pengalaman yang berpangkalan di London berkata dia sedang menyiasat secara aktif bagaimana data HiP-CT boleh diterokai dalam realiti maya yang mengasyikkan."Pada asasnya, kami mencipta perjalanan melalui tubuh manusia," katanya.
Tetapi di sebalik semua janji HiP-CT, terdapat masalah yang serius.Pertama, kata Walsh, imbasan HiP-CT menjana "jumlah data yang mengejutkan," dengan mudah satu terabait setiap organ.Untuk membolehkan doktor menggunakan imbasan ini di dunia nyata, para penyelidik berharap untuk membangunkan antara muka berasaskan awan untuk menavigasinya, seperti Peta Google untuk tubuh manusia.
Mereka juga perlu memudahkan untuk menukar imbasan kepada model 3D yang boleh dilaksanakan.Seperti semua kaedah imbasan CT, HiP-CT berfungsi dengan mengambil banyak kepingan 2D objek tertentu dan menyusunnya bersama-sama.Malah pada hari ini, kebanyakan proses ini dilakukan secara manual, terutamanya apabila mengimbas tisu yang tidak normal atau berpenyakit.Lee dan Walsh berkata keutamaan pasukan HiP-CT adalah untuk membangunkan kaedah pembelajaran mesin yang boleh memudahkan tugas ini.
Cabaran ini akan berkembang apabila atlas organ manusia berkembang dan penyelidik menjadi lebih bercita-cita tinggi.Pasukan HiP-CT menggunakan peranti pancaran ESRF terbaharu, bernama BM18, untuk terus mengimbas organ projek.BM18 menghasilkan pancaran X-ray yang lebih besar, yang bermaksud pengimbasan mengambil masa yang lebih singkat, dan pengesan X-ray BM18 boleh diletakkan sehingga 125 kaki (38 meter) dari objek yang diimbas, menjadikannya lebih jelas.Keputusan BM18 sudah sangat baik, kata Taforo, yang telah mengimbas semula beberapa sampel Atlas Organ Manusia asal pada sistem baharu itu.
BM18 juga boleh mengimbas objek yang sangat besar.Dengan kemudahan baharu itu, pasukan itu merancang untuk mengimbas seluruh batang tubuh manusia dalam satu gerakan pada penghujung tahun 2023.
Meneroka potensi besar teknologi, Taforo berkata, "Kami benar-benar baru pada permulaan."
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Hak cipta terpelihara.