En ny skanningsteknik producerar bilder med stor detaljrikedom som kan revolutionera studiet av människans anatomi.
När Paul Taforo såg sina första experimentella bilder av COVID-19-ljusoffer trodde han att han hade misslyckats.Taforo, som är utbildad paleontolog, arbetade i månader med team över hela Europa för att förvandla partikelacceleratorer i de franska alperna till revolutionerande medicinska skanningsverktyg.
Det var i slutet av maj 2020, och forskare var ivriga att bättre förstå hur covid-19 förstör mänskliga organ.Taforo fick i uppdrag att utveckla en metod som kunde använda de högeffektsröntgenstrålar som produceras av European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Grenoble, Frankrike.Som ESRF-forskare har han tänjt på gränserna för högupplösta röntgenbilder av stenfossiler och torkade mumier.Nu var han livrädd för den mjuka, klibbiga massan av pappershanddukar.
Bilderna visade dem mer detaljer än någon medicinsk datortomografi de någonsin sett tidigare, vilket gjorde att de kunde övervinna envisa luckor i hur forskare och läkare visualiserar och förstår mänskliga organ."I anatomiläroböcker, när du ser det, är det storskaligt, det är småskaligt, och de är vackra handritade bilder av en anledning: de är konstnärliga tolkningar eftersom vi inte har bilder," University College London (UCL) ) sa..Seniorforskaren Claire Walsh sa."För första gången kan vi göra den riktiga varan."
Taforo och Walsh är en del av ett internationellt team av mer än 30 forskare som har skapat en kraftfull ny röntgenskanningsteknik som kallas Hierarchical Phase Contrast Tomography (HiP-CT).Med den kan de äntligen gå från ett komplett mänskligt organ till en förstorad bild av kroppens minsta blodkärl eller till och med enskilda celler.
Denna metod ger redan ny insikt i hur COVID-19 skadar och omformar blodkärl i lungorna.Även om dess långsiktiga utsikter är svåra att avgöra eftersom inget liknande HiP-CT någonsin har funnits tidigare, föreställer sig forskare som är glada över dess potential entusiastiskt nya sätt att förstå sjukdomar och kartlägga mänsklig anatomi med en mer exakt topografisk karta.
UCL-kardiolog Andrew Cooke sa: "De flesta människor kan bli förvånade över att vi har studerat hjärtats anatomi i hundratals år, men det finns ingen konsensus om hjärtats normala struktur, särskilt hjärtat ... Muskelceller och hur det förändras när hjärtat slår."
"Jag har väntat hela min karriär", sa han.
HiP-CT-tekniken började när två tyska patologer tävlade om att spåra de straffande effekterna av SARS-CoV-2-viruset på människokroppen.
Danny Jonigk, thoraxpatolog vid Hannover Medical School, och Maximilian Ackermann, patolog vid University Medical Center Mainz, var i hög beredskap när nyheterna om det ovanliga fallet av lunginflammation började spridas i Kina.Båda hade erfarenhet av att behandla lungtillstånd och visste direkt att covid-19 var ovanligt.Paret var särskilt oroade över rapporter om "tyst hypoxi" som höll covid-19-patienter vakna men fick deras blods syrenivåer att sjunka.
Ackermann och Jonig misstänker att SARS-CoV-2 på något sätt angriper blodkärlen i lungorna.När sjukdomen spred sig till Tyskland i mars 2020 påbörjade paret obduktioner av COVID-19-offer.De testade snart sin vaskulära hypotes genom att injicera harts i vävnadsprover och sedan lösa upp vävnaden i syra, vilket lämnade en exakt modell av den ursprungliga vaskulaturen.
Med den här tekniken jämförde Ackermann och Jonigk vävnader från människor som inte dog av covid-19 med vävnader från människor som dog.De såg omedelbart att de minsta blodkärlen i lungorna vreds och rekonstruerades hos offren för COVID-19.Dessa landmärkeresultat, publicerade online i maj 2020, visar att COVID-19 inte strikt är en luftvägssjukdom, utan snarare en kärlsjukdom som kan påverka organ i hela kroppen.
"Om du går igenom kroppen och riktar in alla blodkärl får du 60 000 till 70 000 miles, vilket är två gånger avståndet runt ekvatorn", säger Ackermann, en patolog från Wuppertal, Tyskland..Han tillade att om bara 1 procent av dessa blodkärl attackerades av viruset, skulle blodflödet och förmågan att absorbera syre äventyras, vilket kan leda till förödande konsekvenser för hela organet.
När Jonigk och Ackermann insåg effekten av covid-19 på blodkärlen insåg de att de behövde förstå skadan bättre.
Medicinska röntgenbilder, såsom datortomografi, kan ge vyer av hela organ, men de har inte tillräckligt hög upplösning.En biopsi tillåter forskare att undersöka vävnadsprover under ett mikroskop, men de resulterande bilderna representerar bara en liten del av hela organet och kan inte visa hur covid-19 utvecklas i lungorna.Och hartstekniken som teamet utvecklade kräver att vävnaden löses upp, vilket förstör provet och begränsar ytterligare forskning.
"I slutet av dagen får [lungorna] syre och koldioxid slocknar, men för det har den tusentals miles av blodkärl och kapillärer, mycket tunt fördelade ... det är nästan ett mirakel," sa Jonigk, grundare, huvudforskare vid German Lung Research Center."Så hur kan vi verkligen utvärdera något så komplext som COVID-19 utan att förstöra organ?"
Jonigk och Ackermann behövde något aldrig tidigare skådat: en serie röntgenbilder av samma organ som skulle göra det möjligt för forskarna att förstora delar av organet till cellskala.I mars 2020 kontaktade den tyska duon sin mångårige samarbetspartner Peter Lee, en materialvetare och ordförande för framväxande teknologier vid UCL.Lees specialitet är studiet av biologiska material med hjälp av kraftfulla röntgenstrålar, så hans tankar vände sig omedelbart till de franska alperna.
European Synchrotron Radiation Centre ligger på en triangulär mark i den nordvästra delen av Grenoble, där två floder möts.Objektet är en partikelaccelerator som skickar elektroner i cirkulära banor en halv mil långa med nästan ljusets hastighet.När dessa elektroner snurrar i cirklar, förvränger kraftfulla magneter i omloppsbana strömmen av partiklar, vilket gör att elektronerna sänder ut några av de ljusaste röntgenstrålarna i världen.
Denna kraftfulla strålning gör att ESRF kan spionera på föremål på mikrometer- eller till och med nanometerskala.Det används ofta för att studera material som legeringar och kompositer, för att studera proteiners molekylära struktur och till och med för att rekonstruera uråldriga fossiler utan att separera sten från ben.Ackermann, Jonigk och Lee ville använda det gigantiska instrumentet för att ta världens mest detaljerade röntgenbilder av mänskliga organ.
Ange Taforo, vars arbete på ESRF har flyttat gränserna för vad synkrotronskanning kan se.Dess imponerande utbud av trick hade tidigare gjort det möjligt för forskare att titta in i dinosaurieägg och nästan skära upp mumier, och nästan omedelbart bekräftade Taforo att synkrotroner teoretiskt kunde skanna hela lunglober bra.Men i själva verket är det en enorm utmaning att skanna hela mänskliga organ.
Å ena sidan finns det jämförelseproblem.Standardröntgen skapar bilder baserat på hur mycket strålning olika material absorberar, med tyngre element som absorberar mer än lättare.Mjuka vävnader består mestadels av lätta element - kol, väte, syre, etc. - så de syns inte tydligt på en klassisk medicinsk röntgen.
En av de fantastiska sakerna med ESRF är att dess röntgenstråle är väldigt koherent: ljus färdas i vågor, och i fallet med ESRF börjar alla dess röntgenstrålar med samma frekvens och inriktning, ständigt oscillerande, som fotspår kvar av Reik genom en zenträdgård.Men när dessa röntgenstrålar passerar genom objektet kan subtila skillnader i densitet göra att varje röntgenstrålning avviker något från banan, och skillnaden blir lättare att upptäcka när röntgenstrålarna rör sig längre bort från objektet.Dessa avvikelser kan avslöja subtila densitetsskillnader inom ett objekt, även om det består av lätta element.
Men stabilitet är en annan fråga.För att kunna ta en serie förstorade röntgenbilder måste organet fixeras i sin naturliga form så att det inte böjs eller rör sig mer än en tusendels millimeter.Dessutom kommer successiva röntgenbilder av samma organ inte att matcha varandra.Det behöver inte sägas att kroppen kan vara väldigt flexibel.
Lee och hans team vid UCL hade som mål att designa behållare som kunde motstå synkrotronröntgenstrålar samtidigt som de släpper igenom så många vågor som möjligt.Lee hanterade också den övergripande organisationen av projektet – till exempel detaljerna kring transport av mänskliga organ mellan Tyskland och Frankrike – och anlitade Walsh, som specialiserat sig på biomedicinsk stordata, för att hjälpa till att ta reda på hur man analyserar skanningarna.Tillbaka i Frankrike inkluderade Taforos arbete att förbättra skanningsproceduren och ta reda på hur man förvarar orgeln i behållaren som Lees team byggde.
Tafforo visste att för att organen inte ska sönderfalla, och bilderna ska vara så tydliga som möjligt, måste de bearbetas med flera portioner vattenhaltig etanol.Han visste också att han behövde stabilisera organet på något som exakt matchade organets densitet.Hans plan var att på något sätt placera organen i etanolrik agar, en geléliknande substans utvunnen ur tång.
Djävulen sitter dock i detaljerna – som i större delen av Europa är Taforo fast hemma och inlåst.Så Taforo flyttade sin forskning till ett hemlabb: Han tillbringade flera år med att dekorera ett tidigare medelstort kök med 3D-skrivare, grundläggande kemiutrustning och verktyg som användes för att förbereda djurben för anatomisk forskning.
Taforo använde produkter från den lokala mataffären för att komma på hur man gör agar.Han samlar till och med dagvatten från ett tak som han nyligen rengjort för att göra avmineraliserat vatten, en standardingrediens i agarformler av labbkvalitet.För att öva på att packa organ i agar tog han svintarm från ett lokalt slakteri.
Taforo godkändes för att återvända till ESRF i mitten av maj för den första testlungskanningen av grisar.Från maj till juni förberedde och skannade han den vänstra lungloben på en 54-årig man som dog av covid-19, som Ackermann och Jonig tog från Tyskland till Grenoble.
"När jag såg den första bilden fanns det ett ursäktbrev i mitt e-postmeddelande till alla som var involverade i projektet: vi misslyckades och jag kunde inte få en högkvalitativ skanning", sa han."Jag skickade precis två bilder till dem som var hemska för mig men bra för dem."
För Lee vid University of California, Los Angeles, är bilderna fantastiska: bilder av hela organ liknar vanliga medicinska CT-skanningar, men "en miljon gånger mer informativa."Det är som om upptäcktsresanden har studerat skogen hela sitt liv, antingen flygit över skogen i ett gigantiskt jetplan eller färdats längs leden.Nu svävar de ovanför taket som fåglar på vingar.
Teamet publicerade sin första fullständiga beskrivning av HiP-CT-metoden i november 2021, och forskarna släppte också detaljer om hur COVID-19 påverkar vissa typer av cirkulation i lungorna.
Skanningen hade också en oväntad fördel: den hjälpte forskarna att övertyga vänner och familj att vaccinera sig.I allvarliga fall av covid-19 verkar många blodkärl i lungorna vidgade och svullna, och i mindre utsträckning kan onormala buntar av små blodkärl bildas.
"När du tittar på strukturen av en lunga från en person som dog av COVID, ser den inte ut som en lunga - det är en röra," sa Tafolo.
Han tillade att även i friska organ avslöjade skanningarna subtila anatomiska egenskaper som aldrig registrerades eftersom inget mänskligt organ någonsin hade undersökts så detaljerat.Med över 1 miljon dollar i finansiering från Chan Zuckerberg Initiative (en ideell organisation grundad av Facebooks vd Mark Zuckerberg och Zuckerbergs fru, läkaren Priscilla Chan), skapar HiP-CT-teamet för närvarande vad som kallas en atlas över mänskliga organ.
Hittills har teamet släppt skanningar av fem organ – hjärtat, hjärnan, njurarna, lungorna och mjälten – baserat på de organ som donerats av Ackermann och Jonigk under deras obduktion av covid-19 i Tyskland och hälsokontrollorganet LADAF.Anatomiskt laboratorium i Grenoble.Teamet producerade data, såväl som flygfilmer, baserat på data som är fritt tillgänglig på Internet.Atlas of Human Organs expanderar snabbt: ytterligare 30 organ har skannats och ytterligare 80 befinner sig i olika stadier av förberedelser.Nästan 40 olika forskargrupper kontaktade teamet för att lära sig mer om tillvägagångssättet, sa Li.
UCL-kardiolog Cook ser stor potential i att använda HiP-CT för att förstå grundläggande anatomi.UCL-radiologen Joe Jacob, som är specialiserad på lungsjukdomar, sa att HiP-CT kommer att vara "ovärderligt för att förstå sjukdomar", särskilt i tredimensionella strukturer som blodkärl.
Även artisterna hamnade i striden.Barney Steele från London-baserade upplevelsebaserade konstkollektivet Marshmallow Laser Feast säger att han aktivt undersöker hur HiP-CT-data kan utforskas i uppslukande virtuell verklighet."I huvudsak skapar vi en resa genom människokroppen," sa han.
Men trots alla löften om HiP-CT finns det allvarliga problem.För det första, säger Walsh, genererar en HiP-CT-skanning en "häpnadsväckande mängd data", lätt en terabyte per organ.För att kliniker ska kunna använda dessa skanningar i den verkliga världen hoppas forskarna kunna utveckla ett molnbaserat gränssnitt för att navigera i dem, till exempel Google Maps för människokroppen.
De behövde också göra det lättare att konvertera skanningar till fungerande 3D-modeller.Liksom alla CT-skanningsmetoder fungerar HiP-CT genom att ta många 2D-skivor av ett givet objekt och stapla dem tillsammans.Än idag görs mycket av denna process manuellt, speciellt när man skannar onormal eller sjuk vävnad.Lee och Walsh säger att HiP-CT-teamets prioritet är att utveckla metoder för maskininlärning som kan göra denna uppgift enklare.
Dessa utmaningar kommer att växa i takt med att atlasen över mänskliga organ expanderar och forskarna blir mer ambitiösa.HiP-CT-teamet använder den senaste ESRF-stråleenheten, som heter BM18, för att fortsätta skanna projektets organ.BM18 producerar en större röntgenstråle, vilket innebär att skanningen tar kortare tid, och BM18 röntgendetektorn kan placeras upp till 125 fot (38 meter) från objektet som ska skannas, vilket gör den tydligare.BM18-resultaten är redan mycket bra, säger Taforo, som har skannat om några av de ursprungliga Human Organ Atlas-proverna på det nya systemet.
BM18 kan även skanna mycket stora föremål.Med den nya anläggningen planerar teamet att skanna hela bålen på människokroppen i ett svep i slutet av 2023.
Taforo undersökte teknikens enorma potential och sa: "Vi är egentligen bara i början."
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Alla rättigheter förbehållna.