Ný skönnunartækni framleiðir myndir með miklum smáatriðum sem gætu gjörbylt rannsóknum á líffærafræði mannsins.
Þegar Paul Taforo sá fyrstu tilraunamyndirnar sínar af fórnarlömbum ljósa COVID-19 hélt hann að hann hefði mistekist.Taforo, sem er steingervingafræðingur að mennt, eyddi mánuðum í að vinna með teymum víðs vegar um Evrópu við að breyta öreindahröðlum í frönsku Ölpunum í byltingarkennd læknisskönnunartæki.
Það var í lok maí 2020 og vísindamenn voru fúsir til að skilja betur hvernig COVID-19 eyðileggur líffæri manna.Taforo var falið að þróa aðferð sem gæti notað öfluga röntgengeisla sem framleiddir eru af European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) í Grenoble í Frakklandi.Sem ESRF vísindamaður hefur hann ýtt mörkum háupplausnar röntgengeisla af steingervingum og þurrkuðum múmíum.Nú var hann dauðhræddur við mjúkan, klístraðan massa pappírshandklæða.
Myndirnar sýndu þeim meiri smáatriði en nokkur læknisfræðileg tölvusneiðmynd sem þeir höfðu nokkru sinni séð áður, sem gerði þeim kleift að sigrast á þrjóskum bilum í því hvernig vísindamenn og læknar sjá og skilja líffæri manna.„Í kennslubókum í líffærafræði, þegar þú sérð það, er það í stórum stíl, það er í litlum mæli, og þetta eru fallegar handteiknaðar myndir af einni ástæðu: þær eru listrænar túlkanir vegna þess að við höfum ekki myndir,“ University College London (UCL). ) sagði..Senior vísindamaður Claire Walsh sagði.„Í fyrsta skipti sem við getum gert alvöru.
Taforo og Walsh eru hluti af alþjóðlegu teymi meira en 30 vísindamanna sem hafa búið til öfluga nýja röntgengeislaskönnunartækni sem kallast Hierarchical Phase Contrast Tomography (HiP-CT).Með henni geta þeir loksins farið úr fullkomnu mannslíffæri yfir í stækkað útsýni yfir smæstu æðar líkamans eða jafnvel einstakar frumur.
Þessi aðferð veitir nú þegar nýja innsýn í hvernig COVID-19 skemmir og endurgerir æðar í lungum.Þrátt fyrir að erfitt sé að ákvarða langtímahorfur þess vegna þess að ekkert eins og HiP-CT hefur verið til áður, eru vísindamenn spenntir fyrir möguleikum þess ákaft að sjá fyrir sér nýjar leiðir til að skilja sjúkdóma og kortleggja líffærafræði mannsins með nákvæmara landfræðilegu korti.
Andrew Cooke, hjartalæknir UCL sagði: „Flestir kunna að vera hissa á því að við höfum rannsakað líffærafræði hjartans í mörg hundruð ár, en það er engin samstaða um eðlilega uppbyggingu hjartans, sérstaklega hjartans … Vöðvafrumur og hvernig það breytist þegar hjartað slær."
„Ég hef beðið allan minn feril,“ sagði hann.
HiP-CT tæknin hófst þegar tveir þýskir meinafræðingar kepptust við að fylgjast með refsiáhrifum SARS-CoV-2 veirunnar á mannslíkamann.
Danny Jonigk, brjóstholssjúkdómafræðingur við læknaskólann í Hannover, og Maximilian Ackermann, meinafræðingur við háskólalækningamiðstöðina í Mainz, voru í viðbragðsstöðu þegar fréttir af óvenjulegu tilfelli lungnabólgu fóru að berast í Kína.Báðir höfðu reynslu af meðferð lungnasjúkdóma og vissu strax að COVID-19 var óvenjulegt.Hjónin höfðu sérstakar áhyggjur af fréttum um „þögul súrefnisskort“ sem hélt COVID-19 sjúklingum vöku en varð til þess að súrefnismagn í blóði lækkaði.
Ackermann og Jonig grunar að SARS-CoV-2 ráðist á einhvern hátt á æðar í lungum.Þegar sjúkdómurinn dreifðist til Þýskalands í mars 2020 hófu hjónin krufningu á fórnarlömbum COVID-19.Þeir prófuðu fljótlega tilgátu sína um æðakerfi með því að sprauta plastefni í vefjasýni og leysa síðan vefinn upp í sýru og skildu eftir nákvæmt líkan af upprunalegu æðakerfinu.
Með því að nota þessa tækni báru Ackermann og Jonigk saman vefi frá fólki sem dó ekki af völdum COVID-19 við þá frá fólki sem gerði það.Þeir sáu strax að hjá fórnarlömbum COVID-19 voru minnstu æðar í lungum snúnar og endurbyggðar.Þessar merku niðurstöður, sem birtar voru á netinu í maí 2020, sýna að COVID-19 er ekki eingöngu öndunarfærasjúkdómur, heldur æðasjúkdómur sem getur haft áhrif á líffæri um allan líkamann.
„Ef þú ferð í gegnum líkamann og samstillir allar æðarnar færðu 60.000 til 70.000 mílur, sem er tvöfalt fjarlægðin í kringum miðbaug,“ sagði Ackermann, meinafræðingur frá Wuppertal í Þýskalandi..Hann bætti við að ef aðeins 1 prósent af þessum æðum yrði ráðist af vírusnum myndi blóðflæði og getu til að taka upp súrefni skerðast, sem gæti leitt til hrikalegra afleiðinga fyrir allt líffæri.
Þegar Jonigk og Ackermann áttuðu sig á áhrifum COVID-19 á æðar, áttuðu þeir sig á að þeir þyrftu að skilja betur skaðann.
Læknisfræðileg röntgengeislar, eins og tölvusneiðmyndir, geta veitt heilu líffærin útsýni, en þau eru ekki í nógu mikilli upplausn.Vefjasýni gerir vísindamönnum kleift að skoða vefjasýni í smásjá, en myndirnar sem myndast tákna aðeins lítinn hluta af öllu líffærinu og geta ekki sýnt hvernig COVID-19 þróast í lungum.Og plastefnistæknin sem teymið þróaði krefst þess að vefurinn leysist upp, sem eyðileggur sýnið og takmarkar frekari rannsóknir.
„Í lok dagsins fá [lungun] súrefni og koltvísýringur fer út, en fyrir það hefur það þúsundir kílómetra af æðum og háræðum, mjög þunnt á milli... það er næstum kraftaverk,“ sagði Jonigk, stofnandi, aðalrannsakandi hjá þýsku lungnarannsóknarmiðstöðinni.„Svo hvernig getum við raunverulega metið eitthvað eins flókið og COVID-19 án þess að eyðileggja líffæri?
Jonigk og Ackermann þurftu eitthvað áður óþekkt: röð röntgengeisla af sama líffæri sem myndi gera rannsakendum kleift að stækka hluta líffærisins í frumuskala.Í mars 2020 hafði þýska tvíeykið samband við langvarandi samstarfsmann sinn Peter Lee, efnisfræðing og formann nýrrar tækni við UCL.Sérgrein Lee er rannsókn á líffræðilegum efnum með kraftmiklum röntgengeislum, svo hugsanir hans snerust strax að frönsku Ölpunum.
European Synchrotron Radiation Center er staðsett á þríhyrningslaga landi í norðvesturhluta Grenoble, þar sem tvær ár mætast.Hluturinn er öreindahraðall sem sendir rafeindir í hringlaga brautir um hálfa mílu að lengd á næstum ljóshraða.Þegar þessar rafeindir snúast í hringi, sveigja öflugir seglar á sporbraut straum agna, sem veldur því að rafeindirnar gefa frá sér björtustu röntgengeisla í heimi.
Þessi öfluga geislun gerir ESRF kleift að njósna um hluti á míkrómetra eða jafnvel nanómetra mælikvarða.Það er oft notað til að rannsaka efni eins og málmblöndur og samsett efni, til að rannsaka sameindabyggingu próteina og jafnvel til að endurgera forna steingervinga án þess að skilja stein frá beinum.Ackermann, Jonigk og Lee vildu nota risastóra tækið til að taka ítarlegustu röntgenmyndir heims af líffærum manna.
Sláðu inn Taforo, en starf hans hjá ESRF hefur ýtt mörkum þess sem synchrotron skönnun getur séð.Glæsilegur fjöldi brellna hennar hafði áður gert vísindamönnum kleift að skyggnast inn í egg risaeðlu og næstum því að skera múmíur upp og næstum strax staðfesti Taforo að samstillir gætu fræðilega skannað heilu lungnablöðin vel.En í raun er það mikil áskorun að skanna heilu líffærin.
Annars vegar er það samanburðarvandinn.Staðlaðar röntgengeislar búa til myndir byggðar á því hversu mikla geislun mismunandi efni gleypa, þar sem þyngri frumefni gleypa meira en léttari.Mjúkvefur eru að mestu úr léttum frumefnum—kolefni, vetni, súrefni o.s.frv.—þannig að þeir sjást ekki greinilega á klassískum læknisfræðilegum röntgenmyndum.
Eitt af því frábæra við ESRF er að röntgengeislinn hans er mjög samfelldur: ljós ferðast í bylgjum og þegar um ESRF er að ræða byrja allar röntgengeislar þess á sömu tíðni og röðun, sveiflast stöðugt, eins og fótspor sem eftir eru eftir Reik gegnum zengarð.En þegar þessar röntgengeislar fara í gegnum hlutinn getur lúmskur munur á þéttleika valdið því að hver röntgengeisli víkur aðeins frá brautinni og muninn verður auðveldara að greina eftir því sem röntgengeislarnir færast lengra frá hlutnum.Þessar frávik geta leitt í ljós fíngerðan þéttleikamun innan hlutar, jafnvel þótt hann sé gerður úr léttum frumefnum.
En stöðugleiki er annað mál.Til að taka röð stækkaðra röntgengeisla verður líffærið að vera fest í sínu náttúrulega formi þannig að það beygist ekki eða hreyfist ekki meira en þúsundasta úr millimetra.Þar að auki munu röntgengeislar í röð af sama líffæri ekki passa hver við aðra.Það þarf þó ekki að taka það fram að líkaminn getur verið mjög sveigjanlegur.
Lee og teymi hans hjá UCL stefndu að því að hanna ílát sem gætu staðist röntgengeisla samstilltra en hleypa samt eins mörgum öldum í gegn og mögulegt er.Lee sá einnig um heildarskipulag verkefnisins - til dæmis upplýsingar um flutning mannlegra líffæra milli Þýskalands og Frakklands - og réð Walsh, sem sérhæfir sig í líffræðilegum stórgögnum, til að hjálpa til við að finna út hvernig á að greina skannanir.Til baka í Frakklandi var vinna Taforo meðal annars að bæta skönnunarferlið og finna út hvernig ætti að geyma orgelið í gámnum sem Lee var að byggja.
Tafforo vissi að til þess að líffærin brotnuðu ekki niður og myndirnar yrðu eins skýrar og mögulegt er þarf að vinna þau með nokkrum skömmtum af etanóli í vatni.Hann vissi líka að hann þyrfti að koma líffærinu stöðugt á eitthvað sem passaði nákvæmlega við þéttleika líffærisins.Áætlun hans var að setja líffærin á einhvern hátt í etanólríkan agar, hlauplíkt efni sem unnið er úr þangi.
Hins vegar er djöfullinn í smáatriðunum - eins og í flestum Evrópu er Taforo fastur heima og læstur inni.Þannig að Taforo flutti rannsóknir sínar inn á rannsóknarstofu á heimilinu: Hann eyddi árum í að skreyta fyrrum miðstærð eldhús með þrívíddarprenturum, grunnbúnaði fyrir efnafræði og verkfæri sem notuð voru til að undirbúa dýrabein fyrir líffærarannsóknir.
Taforo notaði vörur frá matvöruversluninni á staðnum til að finna út hvernig á að búa til agar.Hann safnar meira að segja stormvatni af þaki sem hann hreinsaði nýlega til að búa til afsteinað vatn, staðlað innihaldsefni í agarformúlum á rannsóknarstofu.Til að æfa sig í því að pakka líffærum í agar tók hann svínagirni frá sláturhúsi á staðnum.
Taforo fékk leyfi til að fara aftur til ESRF um miðjan maí fyrir fyrstu lungnarannsóknina á svínum.Frá maí til júní undirbjó og skannaði hann vinstri lungnablað 54 ára manns sem lést af völdum COVID-19, sem Ackermann og Jonig fóru með frá Þýskalandi til Grenoble.
„Þegar ég sá fyrstu myndina var afsökunarbréf í tölvupóstinum mínum til allra sem taka þátt í verkefninu: okkur mistókst og ég gat ekki fengið hágæða skönnun,“ sagði hann.„Ég sendi þeim bara tvær myndir sem voru hræðilegar fyrir mig en frábærar fyrir þá.
Fyrir Lee við Kaliforníuháskóla í Los Angeles eru myndirnar töfrandi: myndir af heilum líffærum eru svipaðar venjulegum læknisfræðilegum sneiðmyndatöku, en „milljón sinnum upplýsandi“.Það er eins og landkönnuðurinn hafi rannsakað skóginn allt sitt líf, annað hvort flogið yfir skóginn í risastórri þotu eða ferðast eftir slóðinni.Nú svífa þeir yfir tjaldhiminn eins og fuglar á vængjum.
Liðið birti sína fyrstu heildarlýsingu á HiP-CT nálguninni í nóvember 2021 og rannsakendur gáfu einnig út upplýsingar um hvernig COVID-19 hefur áhrif á ákveðnar tegundir blóðrásar í lungum.
Skönnunin hafði einnig óvæntan ávinning: hún hjálpaði rannsakendum að sannfæra vini og fjölskyldu um að láta bólusetja sig.Í alvarlegum tilvikum COVID-19 virðast margar æðar í lungum víkkaðar og bólgnar og í minna mæli geta myndast óeðlileg búnt af örsmáum æðum.
„Þegar þú horfir á uppbyggingu lungna frá einstaklingi sem lést úr COVID, lítur það ekki út eins og lunga - það er rugl,“ sagði Tafolo.
Hann bætti við að jafnvel í heilbrigðum líffærum leiddu skannanir í ljós fíngerða líffærafræðilega eiginleika sem aldrei voru skráðir vegna þess að ekkert mannlegt líffæri hafði nokkru sinni verið rannsakað í eins smáatriðum.Með yfir 1 milljón dollara í fjármögnun frá Chan Zuckerberg Initiative (non-profit stofnun sem stofnuð var af Facebook forstjóra Mark Zuckerberg og eiginkonu Zuckerberg, lækninum Priscilla Chan), er HiP-CT teymið núna að búa til það sem er kallað atlas yfir mannleg líffæri.
Hingað til hefur teymið gefið út skannanir af fimm líffærum - hjarta, heila, nýrum, lungum og milta - byggt á líffærum sem Ackermann og Jonigk gáfu við COVID-19 krufningu þeirra í Þýskalandi og heilsu "eftirlits" líffærinu LADAF.Líffærafræðileg rannsóknarstofa í Grenoble.Teymið framleiddi gögnin, auk flugkvikmynda, byggða á gögnum sem eru frjálst aðgengileg á netinu.Atlas mannlegra líffæra stækkar hratt: önnur 30 líffæri hafa verið skönnuð og önnur 80 eru á ýmsum stigum undirbúnings.Næstum 40 mismunandi rannsóknarhópar höfðu samband við teymið til að læra meira um nálgunina, sagði Li.
Cook hjartalæknir UCL sér mikla möguleika í því að nota HiP-CT til að skilja grunn líffærafræði.UCL geislafræðingur Joe Jacob, sem sérhæfir sig í lungnasjúkdómum, sagði að HiP-CT væri „ómetanlegt til að skilja sjúkdóma,“ sérstaklega í þrívíddarbyggingum eins og æðum.
Meira að segja listamennirnir lentu í baráttunni.Barney Steele hjá Marshmallow Laser Feast, reynslulistahópi í London, segist vera að rannsaka hvernig hægt sé að kanna HiP-CT gögn í yfirgripsmiklum sýndarveruleika.„Í meginatriðum erum við að búa til ferð í gegnum mannslíkamann,“ sagði hann.
En þrátt fyrir öll loforð HiP-CT eru alvarleg vandamál.Í fyrsta lagi, segir Walsh, myndar HiP-CT skönnun „ótrúlegt magn af gögnum,“ auðveldlega terabæti á hvert líffæri.Til að leyfa læknum að nota þessar skannanir í hinum raunverulega heimi, vonast vísindamennirnir til að þróa skýjabundið viðmót til að sigla um þær, svo sem Google kort fyrir mannslíkamann.
Þeir þurftu líka að gera það auðveldara að breyta skönnunum í framkvæmanlegar þrívíddarlíkön.Eins og allar tölvusneiðmyndaaðferðir virkar HiP-CT með því að taka margar 2D sneiðar af tilteknum hlut og stafla þeim saman.Jafnvel í dag er mikið af þessu ferli gert handvirkt, sérstaklega þegar verið er að skanna óeðlilegan eða sjúkan vef.Lee og Walsh segja að forgangsverkefni HiP-CT teymisins sé að þróa vélanámsaðferðir sem geta auðveldað þetta verkefni.
Þessar áskoranir munu stækka eftir því sem atlas líffæra manna stækkar og vísindamenn verða metnaðarfyllri.HiP-CT teymið notar nýjasta ESRF geislabúnaðinn, sem heitir BM18, til að halda áfram að skanna líffæri verkefnisins.BM18 framleiðir stærri röntgengeisla, sem þýðir að skönnun tekur styttri tíma og BM18 röntgenskynjarann ​​er hægt að setja í allt að 125 feta (38 metra) fjarlægð frá hlutnum sem verið er að skanna, sem gerir skönnunina skýrari.Niðurstöður BM18 eru nú þegar mjög góðar, segir Taforo, sem hefur endurskannað nokkur af upprunalegu Human Organ Atlas sýnunum á nýja kerfinu.
BM18 getur líka skannað mjög stóra hluti.Með nýju aðstöðunni ætlar teymið að skanna allan bol mannslíkamans í einu höggi fyrir árslok 2023.
Með því að kanna gríðarlega möguleika tækninnar sagði Taforo: „Við erum í raun bara á byrjunarstigi.
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Allur réttur áskilinn.