Teknika ġdida tal-iskannjar tipproduċi stampi b'dettall kbir li jistgħu jirrevoluzzjonaw l-istudju tal-anatomija tal-bniedem.
Meta Paul Taforo ra l-ewwel immaġini sperimentali tiegħu tal-vittmi ħfief tal-COVID-19, ħaseb li falla.Paleontologu bit-taħriġ, Taforo qatta’ xhur jaħdem ma’ timijiet madwar l-Ewropa biex ibiddel l-aċċeleraturi tal-partiċelli fl-Alpi Franċiżi f’għodod rivoluzzjonarji tal-iskannjar mediku.
Kien fl-aħħar ta 'Mejju 2020, u x-xjenzati kienu ħerqana biex jifhmu aħjar kif COVID-19 jeqred l-organi umani.Taforo ġie kkummissjonat biex jiżviluppa metodu li jista 'juża r-raġġi X ta' qawwa għolja prodotti mill-Faċilità Ewropea għar-Radjazzjoni Sinkrotroni (ESRF) fi Grenoble, Franza.Bħala xjenzat tal-ESRF, huwa mexxa l-konfini tar-raġġi-x b'riżoluzzjoni għolja ta 'fossili tal-blat u mummies imnixxfa.Issa kien imbeżża’ mill-massa ratba u twaħħal ta’ xugamani tal-karti.
L-immaġini wrewhom aktar dettall minn kwalunkwe skan CT mediku li qatt raw qabel, u ppermettilhom jegħlbu lakuni iebsa fil-mod kif ix-xjenzati u t-tobba jivviżwalizzaw u jifhmu l-organi umani."Fil-kotba tal-anatomija, meta taraha, hija fuq skala kbira, hija fuq skala żgħira, u huma stampi sbieħ miġbuda bl-idejn għal raġuni waħda: huma interpretazzjonijiet artistiċi għax m'għandniex immaġini," University College London (UCL) ) qal..Riċerkatur Anzjan Claire Walsh qalet."Għall-ewwel darba nistgħu nagħmlu l-ħaġa reali."
Taforo u Walsh huma parti minn tim internazzjonali ta 'aktar minn 30 riċerkatur li ħolqu teknika ġdida ta' skannjar tar-raġġi X b'saħħitha msejħa Tomografija tal-Kuntrast tal-Fażi Ġerarkika (HiP-CT).Biha, fl-aħħar jistgħu jmorru minn organu uman sħiħ għal dehra mkabbra tal-iżgħar vini tad-demm tal-ġisem jew saħansitra ċelloli individwali.
Dan il-metodu diġà qed jipprovdi ħarsa ġdida dwar kif COVID-19 jagħmel ħsara u jimmodifika l-vini tad-demm fil-pulmuni.Għalkemm il-prospetti fit-tul tiegħu huma diffiċli biex jiġu ddeterminati minħabba li xejn bħal HiP-CT qatt ma kien jeżisti qabel, riċerkaturi eċċitati bil-potenzjal tiegħu qed jipprevedu b'entużjażmu modi ġodda biex jifhmu l-mard u mapep tal-anatomija tal-bniedem b'mappa topografika aktar preċiża.
Il-kardjologu tal-UCL Andrew Cooke qal: “Ħafna nies jistgħu jkunu sorpriżi li ilna nistudjaw l-anatomija tal-qalb għal mijiet ta’ snin, iżda m’hemm l-ebda kunsens dwar l-istruttura normali tal-qalb, speċjalment il-qalb... Iċ-ċelloli tal-muskoli u kif din tinbidel meta tħabbat il-qalb.”
"Jien ilni nistenna l-karriera kollha tiegħi," qal.
It-teknika HiP-CT bdiet meta żewġ patoloġisti Ġermaniżi kkompetew biex isegwu l-effetti punittivi tal-virus SARS-CoV-2 fuq il-ġisem tal-bniedem.
Danny Jonigk, patologu toraċiku fl-Iskola Medika ta’ Hannover, u Maximilian Ackermann, patologu fiċ-Ċentru Mediku tal-Università ta’ Mainz, kienu fuq allert kbir hekk kif l-aħbarijiet tal-każ mhux tas-soltu ta’ pnewmonja bdew jinfirxu fiċ-Ċina.It-tnejn kellhom esperjenza fit-trattament tal-kundizzjonijiet tal-pulmun u kienu jafu minnufih li COVID-19 ma kienx tas-soltu.Il-koppja kienet partikolarment imħassba dwar rapporti ta '"ipoksja siekta" li żammew lill-pazjenti COVID-19 imqajmin iżda kkawżaw li l-livelli ta' ossiġnu fid-demm tagħhom jonqsu.
Ackermann u Jonig jissuspettaw li s-SARS-CoV-2 b'xi mod jattakka l-vini tad-demm fil-pulmuni.Meta l-marda nfirxet fil-Ġermanja f'Marzu 2020, il-koppja bdiet awtopsji fuq il-vittmi tal-COVID-19.Huma malajr ittestjaw l-ipoteżi vaskulari tagħhom billi injettaw reżina f'kampjuni tat-tessuti u mbagħad ħoll it-tessut fl-aċidu, u ħallew mudell preċiż tal-vaskulatura oriġinali.
Bl-użu ta 'din it-teknika, Ackermann u Jonigk qabblu tessuti minn nies li ma mietux minn COVID-19 ma' dawk minn nies li għamlu.Mill-ewwel raw li fil-vittmi tal-COVID-19, l-iżgħar vini tad-demm fil-pulmuni ġew mibrumin u rikostitwiti.Dawn ir-riżultati storiċi, ippubblikati online f'Mejju 2020, juru li COVID-19 mhijiex strettament marda respiratorja, iżda pjuttost marda vaskulari li tista' taffettwa l-organi fil-ġisem kollu.
"Jekk tgħaddi mill-ġisem u tallinja l-vini kollha tad-demm, ikollok 60,000 sa 70,000 mil, li hija d-doppju tad-distanza madwar l-ekwatur," qal Ackermann, patologu minn Wuppertal, il-Ġermanja..Żied jgħid li kieku 1 fil-mija biss ta’ dawn il-vini jkunu attakkati mill-virus, il-fluss tad-demm u l-abbiltà li jassorbu l-ossiġnu jkunu kompromessi, li jistgħu jwasslu għal konsegwenzi devastanti għall-organu kollu.
Ladarba Jonigk u Ackermann rrealizzaw l-impatt tal-COVID-19 fuq il-vini tad-demm, indunaw li kellhom bżonn jifhmu aħjar il-ħsara.
X-rays mediċi, bħal CT scans, jistgħu jipprovdu veduti ta 'organi sħaħ, iżda mhumiex ta' riżoluzzjoni għolja biżżejjed.Bijopsija tippermetti lix-xjenzati jeżaminaw kampjuni tat-tessuti taħt mikroskopju, iżda l-immaġini li jirriżultaw jirrappreżentaw biss parti żgħira mill-organu kollu u ma jistgħux juru kif il-COVID-19 jiżviluppa fil-pulmuni.U t-teknika tar-reżina li żviluppa t-tim teħtieġ li tħoll it-tessut, li teqred il-kampjun u tillimita aktar riċerka.
"Fl-aħħar tal-ġurnata, [il-pulmuni] jieħdu l-ossiġnu u d-dijossidu tal-karbonju joħroġ, iżda għal dan, għandu eluf ta 'mili ta' vini u kapillari, spazjati b'mod irqiq ħafna... huwa kważi miraklu," qal Jonigk, fundatur, investigatur prinċipali fiċ-Ċentru Ġermaniż tar-Riċerka tal-Pulmun."Allura kif nistgħu verament nevalwaw xi ħaġa kumplessa daqs COVID-19 mingħajr ma neqirdu l-organi?"
Jonigk u Ackermann kellhom bżonn xi ħaġa bla preċedent: serje ta 'raġġi-x tal-istess organu li jippermettu lir-riċerkaturi jkabbru partijiet tal-organu għal skala ċellulari.F'Marzu 2020, id-duo Ġermaniż ikkuntattja lill-kollaboratur twil tagħhom Peter Lee, xjenzat tal-materjali u president tat-teknoloġiji emerġenti fl-UCL.L-ispeċjalizzazzjoni ta 'Lee hija l-istudju ta' materjali bijoloġiċi bl-użu ta 'raġġi X qawwija, għalhekk ħsibijietu immedjatament daru lejn l-Alpi Franċiżi.
Iċ-Ċentru Ewropew għar-Radjazzjoni Sinkrotroni jinsab fuq biċċa art trijangolari fil-parti tal-majjistral ta’ Grenoble, fejn jiltaqgħu żewġ xmajjar.L-oġġett huwa aċċeleratur tal-partiċelli li jibgħat elettroni f'orbiti ċirkolari twal nofs mil bi kważi l-veloċità tad-dawl.Hekk kif dawn l-elettroni jduru fiċ-ċrieki, kalamiti qawwija fl-orbita jdawwar il-fluss ta 'partiċelli, u jikkawżaw li l-elettroni jarmu wħud mill-aktar raġġi X brillanti fid-dinja.
Din ir-radjazzjoni qawwija tippermetti lill-ESRF jispija fuq oġġetti fuq skala mikrometru jew saħansitra nanometru.Ħafna drabi tintuża biex tistudja materjali bħal ligi u komposti, biex tistudja l-istruttura molekulari tal-proteini, u anke biex tibni mill-ġdid fossili antiki mingħajr ma tissepara l-ġebel mill-għadam.Ackermann, Jonigk u Lee riedu jużaw l-istrument ġgant biex jieħdu l-aktar raġġi-X dettaljati tad-dinja ta 'organi umani.
Jidħol Taforo, li x-xogħol tiegħu fl-ESRF imbuttat il-konfini ta 'dak li jista' jara l-iskannjar tas-synchrotron.Il-firxa impressjonanti ta 'tricks tagħha qabel kienet ippermettiet lix-xjenzati li jħarsu ġewwa l-bajd tad-dinosawru u kważi jaqtgħu mummies miftuħa, u kważi immedjatament Taforo ikkonferma li s-synchrotrons teoretikament jistgħu jiskennjaw lobi sħaħ tal-pulmun sew.Iżda fil-fatt, l-iskannjar ta 'organi umani sħaħ huwa sfida kbira.
Min-naħa waħda, hemm il-problema tat-tqabbil.Ir-raġġi-x standard joħolqu immaġini bbażati fuq kemm jassorbu radjazzjoni materjali differenti, b'elementi itqal jassorbu aktar minn dawk eħfef.It-tessuti rotob huma l-aktar magħmula minn elementi ħfief—karbonju, idroġenu, ossiġnu, eċċ.—Għalhekk ma jidhrux b'mod ċar fuq x-ray mediku klassiku.
Waħda mill-affarijiet kbar dwar l-ESRF hija li r-raġġ tar-raġġi-X tiegħu huwa koerenti ħafna: id-dawl jivvjaġġa f'mewġ, u fil-każ tal-ESRF, ir-raġġi-X kollha tiegħu jibdew bl-istess frekwenza u allinjament, kontinwament joxxillaw, bħal footprints xellug. minn Reik permezz ta’ ġnien zen.Iżda hekk kif dawn ir-raġġi-X jgħaddu mill-oġġett, differenzi sottili fid-densità jistgħu jikkawżaw li kull raġġi-X tiddevja ftit mill-mogħdija, u d-differenza ssir aktar faċli biex tinstab hekk kif ir-raġġi-X jimxu aktar 'il bogħod mill-oġġett.Dawn id-devjazzjonijiet jistgħu jiżvelaw differenzi sottili ta 'densità fi ħdan oġġett, anki jekk ikun magħmul minn elementi ħfief.
Iżda l-istabbiltà hija kwistjoni oħra.Sabiex tieħu serje ta 'raġġi-x imkabbra, l-organu għandu jkun imwaħħal fil-forma naturali tiegħu sabiex ma jitgħawweġ jew jiċċaqlaq aktar minn elf ta' millimetru.Barra minn hekk, raġġi-x suċċessivi ta 'l-istess organu mhux se jaqblu ma' xulxin.M'hemmx għalfejn ngħidu, madankollu, il-ġisem jista 'jkun flessibbli ħafna.
Lee u t-tim tiegħu fl-UCL kellhom l-għan li jiddisinjaw kontenituri li jistgħu jifilħu r-raġġi-X sinkrotroni filwaqt li xorta jħallu kemm jista 'jkun mewġ.Lee mexxa wkoll l-organizzazzjoni ġenerali tal-proġett—per eżempju, id-dettalji tat-trasport ta 'organi umani bejn il-Ġermanja u Franza—u impjega lil Walsh, li jispeċjalizza fil-big data bijomedika, biex jgħin biex jifhem kif janalizza l-iskans.Lura fi Franza, ix-xogħol ta’ Taforo kien jinkludi t-titjib tal-proċedura ta’ l-iskannjar u li jara kif għandu jaħżen l-organu fil-kontenitur li kien qed jibni t-tim ta’ Lee.
Tafforo kien jaf li sabiex l-organi ma jiddekomponux, u l-immaġini jkunu ċari kemm jista 'jkun, iridu jiġu pproċessati b'diversi porzjonijiet ta' etanol milwiema.Kien jaf ukoll li kellu bżonn jistabbilizza l-organu fuq xi ħaġa li taqbel eżatt mad-densità tal-organu.Il-pjan tiegħu kien li b’xi mod ipoġġi l-organi f’agar b’ħafna etanol, sustanza simili għall-ġelatina estratta mill-alka tal-baħar.
Madankollu, ix-xitan jinsab fid-dettalji - bħal fil-biċċa l-kbira tal-Ewropa, Taforo huwa mwaħħal id-dar u maqful.Allura Taforo mexxa r-riċerka tiegħu f'laboratorju tad-dar: Huwa qatta 'snin iżżejjen kċina ta' daqs medju preċedenti bi printers 3D, tagħmir bażiku tal-kimika u għodod użati biex jipprepara l-għadam tal-annimali għar-riċerka anatomika.
Taforo uża prodotti mill-ħanut tal-grocer lokali biex jifhem kif jagħmel l-agar.Saħansitra jiġbor l-ilma tax-xita minn saqaf li naddaf dan l-aħħar biex jagħmel ilma demineralizzat, ingredjent standard fil-formuli tal-agar tal-laboratorju.Biex jipprattika l-ippakkjar ta 'organi fl-agar, huwa ħa l-imsaren tal-majjal minn biċċerija lokali.
Taforo ġie approvat biex jirritorna fl-ESRF f'nofs Mejju għall-ewwel skan tal-pulmun tat-test tal-ħnieżer.Minn Mejju sa Ġunju, ipprepara u skennja l-lobu tal-pulmun tax-xellug ta’ raġel ta’ 54 sena li miet b’COVID-19, li Ackermann u Jonig ħadu mill-Ġermanja għal Grenoble.
"Meta rajt l-ewwel immaġni, kien hemm ittra ta 'skuża fl-email tiegħi lil kull min kien involut fil-proġett: fallejna u ma stajtx nikseb skan ta' kwalità għolja," qal."Bgħattilhom żewġ stampi li kienu terribbli għalija iżda tajbin għalihom."
Għal Lee tal-Università ta 'Kalifornja, Los Angeles, l-immaġini huma stordament: immaġini ta' organu sħiħ huma simili għal skans CT mediċi standard, iżda "miljun darba aktar informattivi."Huwa bħallikieku l-esploratur ilu jistudja l-foresta ħajtu kollha, jew itir fuq il-foresta f'ajruplan ġgant, jew jivvjaġġa tul it-traċċa.Issa jogħlew 'il fuq mill-kanupew bħal għasafar bil-ġwienaħ.
It-tim ippubblika l-ewwel deskrizzjoni sħiħa tagħhom tal-approċċ HiP-CT f'Novembru 2021, u r-riċerkaturi ħarġu wkoll dettalji dwar kif COVID-19 jaffettwa ċerti tipi ta 'ċirkolazzjoni fil-pulmuni.
L-iskan kellu wkoll benefiċċju mhux mistenni: għen lir-riċerkaturi jikkonvinċu lill-ħbieb u lill-familja biex jitlaqqmu.F'każijiet severi ta 'COVID-19, ħafna vini tad-demm fil-pulmuni jidhru dilatati u minfuħin, u sa ċertu punt, jistgħu jiffurmaw qatet anormali ta' vini żgħar.
"Meta tħares lejn l-istruttura ta 'pulmun minn persuna li mietet minn COVID, ma jidhirx qisu pulmun - huwa mess," qal Tafolo.
Żied jgħid li anke f’organi b’saħħithom, l-iskans żvelaw karatteristiċi anatomiċi sottili li qatt ma ġew irreġistrati minħabba li l-ebda organu uman ma kien qatt eżaminat f’tali dettall.B'aktar minn $1 miljun f'fondi mill-Inizjattiva Chan Zuckerberg (organizzazzjoni mingħajr skop ta' qligħ imwaqqfa mill-Kap Eżekuttiv ta 'Facebook Mark Zuckerberg u l-mara ta' Zuckerberg, it-tabib Priscilla Chan), it-tim HiP-CT bħalissa qed joħloq dak li jissejjaħ atlas ta 'organi umani.
S'issa, it-tim ħareġ skans ta 'ħames organi - il-qalb, il-moħħ, il-kliewi, il-pulmuni u l-milsa - ibbażati fuq l-organi mogħtija minn Ackermann u Jonigk waqt l-awtopsja tagħhom COVID-19 fil-Ġermanja u l-organu ta' "kontroll" tas-saħħa LADAF.Laboratorju anatomiku ta' Grenoble.It-tim ipproduċa d-dejta, kif ukoll films tat-titjir, ibbażati fuq data li hija disponibbli b’mod liberu fuq l-Internet.L-Atlas tal-Organi Umani qed jespandi b'rata mgħaġġla: 30 organu ieħor ġew skennjati, u 80 oħra jinsabu fi stadji varji ta 'preparazzjoni.Kważi 40 grupp ta 'riċerka differenti kkuntattjaw lit-tim biex jitgħallmu aktar dwar l-approċċ, qal Li.
Il-kardjologu tal-UCL Cook jara potenzjal kbir fl-użu tal-HP-CT biex jifhem l-anatomija bażika.Ir-radjologu tal-UCL Joe Jacob, li jispeċjalizza fil-mard tal-pulmun, qal li HiP-CT se tkun "imprezzabbli biex nifhmu l-mard", speċjalment fi strutturi tridimensjonali bħall-vini tad-demm.
Anke l-artisti daħlu fil-ġlieda.Barney Steele tal-kollettiv tal-arti esperenzjali Marshmallow Laser Feast ibbażat f'Londra jgħid li qed jinvestiga b'mod attiv kif id-dejta tal-HP-CT tista' tiġi esplorata f'realtà virtwali immersiva."Essenzjalment, qed noħolqu vjaġġ permezz tal-ġisem tal-bniedem," qal.
Iżda minkejja l-wegħdiet kollha ta 'HP-CT, hemm problemi serji.L-ewwel, jgħid Walsh, scan HiP-CT jiġġenera "ammont xokkanti ta 'dejta," faċilment terabyte għal kull organu.Biex jippermettu lill-kliniċi li jużaw dawn l-iskans fid-dinja reali, ir-riċerkaturi jittamaw li jiżviluppaw interface ibbażat fuq sħab biex jinnavigawhom, bħal Google Maps għall-ġisem tal-bniedem.
Huma kellhom bżonn ukoll li jagħmluha aktar faċli biex jikkonvertu skans f'mudelli 3D li jistgħu jaħdmu.Bħall-metodi kollha ta 'scan CT, HiP-CT jaħdem billi jieħu ħafna slices 2D ta' oġġett partikolari u jimponihom flimkien.Anke llum, ħafna minn dan il-proċess isir manwalment, speċjalment meta tiskennja tessut anormali jew morda.Lee u Walsh jgħidu li l-prijorità tat-tim HiP-CT hija li tiżviluppa metodi ta 'tagħlim bil-magni li jistgħu jagħmlu dan il-kompitu aktar faċli.
Dawn l-isfidi se jespandu hekk kif l-atlas tal-organi umani jespandi u r-riċerkaturi jsiru aktar ambizzjużi.It-tim HiP-CT qed juża l-aħħar apparat tar-raġġ ESRF, jismu BM18, biex ikompli jiskennja l-organi tal-proġett.Il-BM18 jipproduċi raġġ tar-raġġi X akbar, li jfisser li l-iskannjar jieħu inqas ħin, u d-ditekter tar-raġġi X BM18 jista 'jitqiegħed sa 125 pied (38 metru) 'l bogħod mill-oġġett li qed jiġi skannjat, u jagħmilha aktar ċara.Ir-riżultati tal-BM18 huma diġà tajbin ħafna, jgħid Taforo, li skannja mill-ġdid xi wħud mill-kampjuni oriġinali tal-Atlas tal-Organi Umani fuq is-sistema l-ġdida.
Il-BM18 jista 'wkoll jiskennja oġġetti kbar ħafna.Bil-faċilità l-ġdida, it-tim qed jippjana li jiskennja t-torso kollu tal-ġisem tal-bniedem f'daqqa waħda sal-aħħar tal-2023.
Waqt li tesplora l-potenzjal enormi tat-teknoloġija, Taforo qal, "Aħna verament qegħdin fil-bidu."
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Id-drittijiet kollha riżervati.