In nije skennentechnyk produseart ôfbyldings mei grutte detail dy't de stúdzje fan minsklike anatomy revolúsjonearje kinne.
Doe't Paul Taforo syn earste eksperimintele bylden seach fan COVID-19 ljochtslachtoffers, tocht hy dat hy mislearre.In paleontolooch fan training, Taforo wurke moannen mei teams yn hiel Jeropa om dieltsjeversnellers yn 'e Frânske Alpen te feroarjen yn revolúsjonêre medyske scan-ark.
It wie ein maaie 2020, en wittenskippers wiene entûsjast om better te begripen hoe't COVID-19 minsklike organen ferneatiget.Taforo krige de opdracht om in metoade te ûntwikkeljen dy't de hege krêftige röntgenstralen brûke koe produsearre troch de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) yn Grenoble, Frankryk.As ESRF-wittenskipper hat hy de grinzen fan hege resolúsje röntgenfoto's fan rotsfossylen en droege mummies ferlege.No wie er kjel fan de sêfte, kleverige massa papieren handoeken.
De bylden lieten se mear detail sjen dan elke medyske CT-scan dy't se oait earder hienen sjoen, wêrtroch't se koppige gatten kinne oerwinne yn hoe't wittenskippers en dokters minsklike organen visualisearje en begripe."Yn anatomy-learboeken, as jo it sjogge, is it grutskalich, it is lytsskaal, en it binne prachtige mei de hân tekene bylden foar ien reden: se binne artistike ynterpretaasjes, om't wy gjin ôfbyldings hawwe," University College London (UCL) ) sei..Senior ûndersiker Claire Walsh sei."Foar it earst kinne wy ​​it echte ding dwaan."
Taforo en Walsh meitsje diel út fan in ynternasjonaal team fan mear as 30 ûndersikers dy't in krêftige nije röntgenscantechnyk hawwe makke neamd Hierarchical Phase Contrast Tomography (HiP-CT).Dêrmei kinne se úteinlik gean fan in folslein minsklik oargel nei in fergrutte sicht op de lytste bloedfetten fan it lichem of sels yndividuele sellen.
Dizze metoade leveret al nij ynsjoch yn hoe't COVID-19 bloedfetten yn 'e longen skeat en ferbouwt.Hoewol't har perspektyf op lange termyn lestich te bepalen is, om't neat as HiP-CT ea earder bestien hat, sjogge ûndersikers optein troch har potensjeel entûsjast nije manieren foar om sykte te begripen en minsklike anatomy yn kaart te bringen mei in krekter topografyske kaart.
UCL-kardiolooch Andrew Cooke sei: "De measte minsken kinne ferrast wurde dat wy de anatomy fan it hert al hûnderten jierren hawwe bestudearre, mar d'r is gjin konsensus oer de normale struktuer fan it hert, benammen it hert ... Spiersellen en hoe't it feroaret as it hert kloppet."
"Ik haw myn hiele karriêre wachte," sei er.
De HiP-CT-technyk begon doe't twa Dútske patologen konkurrearren om de straffende effekten fan it SARS-CoV-2-firus op it minsklik lichem te folgjen.
Danny Jonigk, in torakale patolooch oan 'e Hannover Medical School, en Maximilian Ackermann, in patolooch by it University Medical Center Mainz, wiene op hege warskôging doe't nijs oer it ûngewoane gefal fan longûntstekking begon te fersprieden yn Sina.Beide hiene ûnderfining mei it behanneljen fan longomstannichheden en wisten fuort dat COVID-19 ûngewoan wie.It pear wie benammen soargen oer rapporten fan "stille hypoxia" dy't COVID-19-pasjinten wekker hâlde, mar feroarsake har bloedsoerstofnivo's om te sakjen.
Ackermann en Jonig fermoedzje dat SARS-CoV-2 op ien of oare manier de bloedfetten yn 'e longen oanfalt.Doe't de sykte yn maart 2020 nei Dútslân ferspriede, begon it pear autopsieën op COVID-19-slachtoffers.Se testen al gau har vaskulêre hypoteze troch hars yn weefselmonsters te ynjeksje en it weefsel dan yn soer op te lossen, wêrtroch in krekt model fan 'e orizjinele vasculature efterlitten.
Mei dizze technyk fergelike Ackermann en Jonigk weefsels fan minsken dy't net stoaren oan COVID-19 mei dy fan minsken dy't dat diene.Se seagen fuortendaliks dat yn 'e slachtoffers fan COVID-19 de lytste bloedfetten yn' e longen waarden ferdraaid en rekonstruearre.Dizze landmarkresultaten, online publisearre yn maaie 2020, litte sjen dat COVID-19 net strikt in respiratory disease is, mar in vaskulêre sykte dy't organen troch it lichem kin beynfloedzje.
"As jo ​​​​troch it lichem gean en alle bloedfetten rjochtsje, krije jo 60.000 oant 70.000 kilometer, dat is twa kear de ôfstân om de evener hinne," sei Ackermann, in patolooch út Wuppertal, Dútslân..Hy foege ta dat as mar 1 prosint fan dizze bloedfetten oanfallen wurde troch it firus, de bloedstream en it fermogen om soerstof op te nimmen soe kompromitteare wurde, wat kin liede ta ferneatigjende gefolgen foar it hiele oargel.
Sadree't Jonigk en Ackermann de ynfloed fan COVID-19 op bloedfetten realisearre, realisearren se dat se de skea better moatte begripe.
Medyske x-rays, lykas CT-scans, kinne werjeften fan hiele organen leverje, mar se binne net fan heech genôch resolúsje.In biopsie lit wittenskippers weefselmonsters ûnder in mikroskoop ûndersykje, mar de resultearjende bylden fertsjinwurdigje mar in lyts diel fan it heule oargel en kinne net sjen litte hoe't COVID-19 yn 'e longen ûntwikkelt.En de harstechnyk dy't it team ûntwikkele, fereasket it oplossen fan it weefsel, wat de stekproef ferneatiget en fierder ûndersyk beheint.
"Oan 'e ein fan' e dei krije [de longen] soerstof en koaldiokside giet út, mar dêrfoar hat it tûzenen kilometers fan bloedfetten en kapillaren, heul tinne ôfstân ... it is hast in wûnder," sei Jonigk, oprjochter, haadûndersiker by it German Lung Research Center."Dat hoe kinne wy ​​​​wat sa kompleks as COVID-19 wirklik evaluearje sûnder organen te ferneatigjen?"
Jonigk en Ackermann hiene wat ûnfoarsjoen nedich: in searje röntgenfoto's fan itselde oargel wêrmei de ûndersikers dielen fan it oargel kinne fergrutsje nei sellulêre skaal.Yn maart 2020 naam it Dútske duo kontakt op mei har lange meiwurker Peter Lee, in materiaalwittenskipper en foarsitter fan opkommende technologyen by UCL.Lee's spesjaliteit is de stúdzje fan biologyske materialen mei help fan krêftige röntgenstralen, sadat syn gedachten fuortendaliks nei de Frânske Alpen kearden.
It European Synchrotron Radiation Centre leit op in trijehoekich stik lân yn it noardwestlike diel fan Grenoble, dêr't twa rivieren gearkomme.It objekt is in partikelversneller dy't elektroanen stjoert yn sirkelfoarmige banen in heale kilometer lang mei hast de snelheid fan ljocht.As dizze elektroanen yn sirkels draaie, ferneatigje krêftige magneten yn 'e baan de stream fan dieltsjes, wêrtroch't de elektroanen guon fan' e helderste röntgenstralen yn 'e wrâld útstjitte.
Dizze krêftige strieling lit de ESRF objekten op 'e mikrometer of sels nanometer skaal bispiede.It wurdt faak brûkt om materialen te studearjen lykas alloys en kompositen, om de molekulêre struktuer fan aaiwiten te studearjen, en sels om âlde fossilen te rekonstruearjen sûnder stien fan bonken te skieden.Ackermann, Jonigk en Lee woene it gigantyske ynstrumint brûke om de meast detaillearre röntgenfoto's fan 'e wrâld fan minsklike organen te nimmen.
Fier Taforo yn, waans wurk by ESRF de grinzen hat skood fan wat synchrotron-scannen sjen kinne.Syn yndrukwekkende array fan trúkjes hie earder tastien wittenskippers te peer binnen dinosaurus aaien en hast iepen snije mummies, en hast fuortendaliks Taforo befêstige dat synchrotrons koenen teoretysk scan hiele longlobben goed.Mar yn feite is it scannen fan hiele minsklike organen in enoarme útdaging.
Oan 'e iene kant is d'r it probleem fan ferliking.Standert x-rays meitsje ôfbyldings basearre op hoefolle strieling ferskate materialen absorbearje, mei swierdere eleminten dy't mear absorbearje dan lichtere.Sêfte weefsels binne meast opboud út ljochte eleminten - koalstof, wetterstof, soerstof, ensfh - sadat se net sjen litte dúdlik op in klassike medyske x-ray.
Ien fan 'e grutte dingen oer ESRF is dat syn röntgenstraal heul gearhingjend is: ljocht reizget yn golven, en yn it gefal fan ESRF begjinne al har röntgenstralen op deselde frekwinsje en ôfstimming, konstant oscillerend, lykas fuotprinten oerbleaun troch Reik troch in zen tún.Mar as dizze röntgenstralen troch it objekt passe, kinne subtile ferskillen yn tichtens elke röntgenstraal in bytsje ôfwike fan it paad, en it ferskil wurdt makliker te ûntdekken as de röntgenstralen fierder fuortgean fan it objekt.Dizze ôfwikingen kinne subtile tichtensferskillen binnen in objekt sjen litte, sels as it bestiet út ljochte eleminten.
Mar stabiliteit is in oar probleem.Om in rige fan fergrutte röntgenfoto's te nimmen, moat it oargel yn syn natuerlike foarm fêstmakke wurde, sadat it net mear as tûzenste fan in milimeter bûgt of bewegt.Boppedat sille opienfolgjende x-rays fan itselde oargel net oerienkomme mei elkoar.Unmooglik om te sizzen, lykwols, kin it lichem tige fleksibel wêze.
Lee en syn team by UCL wiene fan doel om konteners te ûntwerpen dy't synchrotron-röntgenstralen kinne wjerstean, wylst se noch safolle mooglik weagen trochlitte.Lee behannele ek de algemiene organisaasje fan it projekt - bygelyks de details fan it ferfier fan minsklike organen tusken Dútslân en Frankryk - en hierde Walsh, dy't spesjalisearre is yn biomedyske grutte gegevens, om te helpen út te finen hoe't jo de scans analysearje kinne.Werom yn Frankryk omfette Taforo's wurk it ferbetterjen fan 'e scanproseduere en útfine hoe't it oargel yn' e kontener dy't Lee's team boude, opslaan.
Tafforo wist dat om de organen net te ûntbinen, en de bylden sa dúdlik mooglik te wêzen, se moatte wurde ferwurke mei ferskate dielen fan wetterige ethanol.Hy wist ek dat er it oargel stabilisearje moast op eat dat krekt oerienkomt mei de tichtheid fan it oargel.Syn plan wie om de organen op ien of oare manier yn ethanol-rike agar te pleatsen, in jelly-achtige stof dy't út seewier wûn is.
De duvel sit lykwols yn 'e details - lykas yn it grutste part fan Jeropa sit Taforo thús fêst en opsletten.Dat Taforo ferhuze syn ûndersyk nei in hûslaboratoarium: Hy brocht jierren troch mei it fersierjen fan in eardere middelgrutte keuken mei 3D-printers, basale skiekunde-apparatuer en ark brûkt om dierbonken foar anatomysk ûndersyk te meitsjen.
Taforo brûkte produkten fan 'e pleatslike bakkerij om út te finen hoe't jo agar meitsje kinne.Hy sammelet sels stoarmwetter fan in dak dat hy koartlyn skjinmakke hat om gedemineraliseerd wetter te meitsjen, in standert yngrediïnt yn lab-grade agarformules.Om te oefenjen mei it ynpakken fan organen yn agar, naam er pigdarmen fan in pleatslik slachthûs.
Taforo waard frijlitten om mids maaie werom te gean nei de ESRF foar de earste test longscan fan bargen.Fan maaie oant juny makke en scande hy de linker longlob fan in 54-jierrige man dy't stoar oan COVID-19, dy't Ackermann en Jonig fan Dútslân nei Grenoble namen.
"Doe't ik de earste ôfbylding seach, stie der in ekskúsbrief yn myn e-post oan elkenien dy't belutsen wie by it projekt: wy mislearre en ik koe gjin scan fan hege kwaliteit krije," sei er."Ik stjoerde har krekt twa foto's dy't ferskriklik foar my wiene, mar geweldich foar har."
Foar Lee fan 'e Universiteit fan Kalifornje, Los Angeles, binne de bylden prachtich: bylden fan hiele oargel binne fergelykber mei standert medyske CT-scans, mar "in miljoen kear ynformatyf."It is as hat de ûntdekkingsreizger syn hiele libben it bosk bestudearre, óf oer it bosk fleanend yn in gigantysk strielfleantúch, óf reizget oer it spoar.No sweve se boppe de luifel as fûgels op wjukken.
It team publisearre har earste folsleine beskriuwing fan 'e HiP-CT-oanpak yn novimber 2021, en de ûndersikers publisearren ek details oer hoe't COVID-19 beynfloedet bepaalde soarten sirkulaasje yn 'e longen.
De scan hie ek in ûnferwachte foardiel: it holp de ûndersikers freonen en famylje te oertsjûgjen om yninting te krijen.Yn slimme gefallen fan COVID-19 ferskine in protte bloedfetten yn 'e longen dilatearre en swollen, en yn mindere mjitte kinne abnormale bondels fan lytse bloedfetten foarmje.
"As jo ​​​​nei de struktuer fan in long sjogge fan in persoan dy't stoar oan COVID, liket it net op in long - it is in puinhoop," sei Tafolo.
Hy foege ta dat sels yn sûne organen de scans subtile anatomyske skaaimerken iepenbiere dy't noait waarden opnommen, om't gjin minsklik oargel ea yn sa'n detail ûndersocht wie.Mei mear dan $ 1 miljoen yn finansiering fan it Chan Zuckerberg Initiative (in non-profit organisaasje oprjochte troch Facebook CEO Mark Zuckerberg en Zuckerberg syn frou, dokter Priscilla Chan), is it HiP-CT-team op it stuit it meitsjen fan wat in atlas fan minsklike organen neamd wurdt.
Oant no hat it team scans frijlitten fan fiif organen - it hert, harsens, nieren, longen en milt - basearre op de organen skonken troch Ackermann en Jonigk tidens har COVID-19 autopsie yn Dútslân en it sûnens "kontrôle" oargel LADAF.Anatomysk laboratoarium fan Grenoble.It team produsearre de gegevens, lykas flechtfilms, basearre op gegevens dy't frij beskikber binne op it ynternet.De Atlas of Human Organs wreidet hurd út: nochris 30 organen binne skansearre, en nochris 80 binne yn ferskate stadia fan tarieding.Hast 40 ferskillende ûndersyksgroepen kontakten it team om mear te learen oer de oanpak, sei Li.
UCL-kardiolooch Cook sjocht grut potensjeel yn it brûken fan HiP-CT om basisanatomy te begripen.UCL radiolooch Joe Jacob, dy't spesjalisearre is yn longsykte, sei HiP-CT sil "ûnskatber wêze foar it begripen fan sykte," foaral yn trijediminsjonale struktueren lykas bloedfetten.
Sels de keunstners kamen yn 'e striid.Barney Steele fan it London-basearre eksperimintele keunstkollektyf Marshmallow Laser Feast seit dat hy aktyf ûndersiket hoe't HiP-CT-gegevens kinne wurde ferkend yn immersive firtuele realiteit."Yn essinsje meitsje wy in reis troch it minsklik lichem," sei hy.
Mar nettsjinsteande alle beloften fan HiP-CT, binne d'r serieuze problemen.Earst, seit Walsh, genereart in HiP-CT-scan in "ferbjustere hoemannichte gegevens," maklik in terabyte per oargel.Om kliïnten dizze scans yn 'e echte wrâld te brûken, hoopje de ûndersikers in wolkbasearre interface te ûntwikkeljen foar it navigearjen fan har, lykas Google Maps foar it minsklik lichem.
Se moasten it ek makliker meitsje om scans te konvertearjen yn wurkbere 3D-modellen.Lykas alle metoaden foar CT-scan, wurket HiP-CT troch in protte 2D-snijen fan in opjûn foarwerp te nimmen en se tegearre te stapeljen.Sels hjoed wurdt in protte fan dit proses mei de hân dien, benammen by it scannen fan abnormaal of sike weefsel.Lee en Walsh sizze dat de prioriteit fan it HiP-CT-team is om metoaden foar masine-learen te ûntwikkeljen dy't dizze taak makliker meitsje kinne.
Dizze útdagings sille útwreidzje as de atlas fan minsklike organen útwreidet en ûndersikers ambisjeuzer wurde.It HiP-CT-team brûkt it lêste ESRF-beam-apparaat, neamd BM18, om troch te gean mei it scannen fan de organen fan it projekt.De BM18 produseart in gruttere röntgenstraal, wat betsjut dat it scannen minder tiid nimt, en de BM18 röntgendetektor kin wurde pleatst oant 125 feet (38 meter) fuort fan it objekt dat wurdt skend, wêrtroch it dúdliker wurdt scan.De BM18-resultaten binne al heul goed, seit Taforo, dy't guon fan 'e orizjinele Human Organ Atlas-samples op it nije systeem opnij scand hat.
De BM18 kin ek tige grutte objekten scannen.Mei de nije foarsjenning is it team fan plan om de hiele romp fan it minsklik lichem yn ien slach te scannen oant ein 2023.
Troch it enoarme potensjeel fan 'e technology te ûndersiikjen, sei Taforo: "Wy binne echt gewoan oan it begjin."
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Alle rjochten foarbehâlden.