Ang isang bagong pamamaraan sa pag-scan ay gumagawa ng mga larawang may mahusay na detalye na maaaring baguhin nang lubusan ang pag-aaral ng anatomya ng tao.
Nang makita ni Paul Taforo ang kanyang unang mga pang-eksperimentong larawan ng mga biktima ng liwanag ng COVID-19, naisip niyang nabigo siya.Isang paleontologist sa pamamagitan ng pagsasanay, si Taforo ay gumugol ng mga buwan na nagtatrabaho kasama ang mga koponan sa buong Europa upang gawing mga rebolusyonaryong tool sa pag-scan ng medikal ang mga particle accelerator sa French Alps.
Ito ay sa katapusan ng Mayo 2020, at ang mga siyentipiko ay sabik na mas maunawaan kung paano sinisira ng COVID-19 ang mga organo ng tao.Inatasan si Taforo na bumuo ng isang paraan na maaaring gumamit ng mga high-power na X-ray na ginawa ng European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) sa Grenoble, France.Bilang isang ESRF scientist, itinulak niya ang mga hangganan ng mga high-resolution na x-ray ng mga rock fossil at tuyong mummies.Ngayon ay natakot siya sa malambot at malagkit na masa ng mga tuwalya ng papel.
Ang mga larawan ay nagpakita sa kanila ng higit na detalye kaysa sa anumang medikal na CT scan na nakita nila dati, na nagpapahintulot sa kanila na pagtagumpayan ang mga matigas na agwat sa kung paano nakikita at naiintindihan ng mga siyentipiko at doktor ang mga organo ng tao."Sa anatomy textbooks, kapag nakita mo ito, ito ay malakihan, maliit na sukat, at ang mga ito ay magagandang larawang iginuhit ng kamay para sa isang dahilan: ang mga ito ay mga artistikong interpretasyon dahil wala kaming mga larawan," University College London (UCL). ) sabi..Sinabi ng Senior Researcher na si Claire Walsh."Sa unang pagkakataon magagawa natin ang tunay na bagay."
Ang Taforo at Walsh ay bahagi ng isang internasyonal na koponan ng higit sa 30 mga mananaliksik na lumikha ng isang mahusay na bagong X-ray scanning technique na tinatawag na Hierarchical Phase Contrast Tomography (HiP-CT).Sa pamamagitan nito, sa wakas ay maaari silang pumunta mula sa isang kumpletong organo ng tao sa isang pinalaki na pagtingin sa pinakamaliit na daluyan ng dugo ng katawan o kahit na mga indibidwal na selula.
Ang paraang ito ay nagbibigay na ng bagong insight sa kung paano sinisira at binabago ng COVID-19 ang mga daluyan ng dugo sa baga.Bagama't mahirap matukoy ang mga pangmatagalang prospect nito dahil walang katulad na HiP-CT ang umiral noon, ang mga mananaliksik na nasasabik sa potensyal nito ay masigasig na nag-iisip ng mga bagong paraan upang maunawaan ang sakit at imapa ang anatomy ng tao na may mas tumpak na topographic na mapa.
Sinabi ng cardiologist ng UCL na si Andrew Cooke: "Maaaring magulat ang karamihan sa mga tao na pinag-aaralan natin ang anatomy ng puso sa daan-daang taon, ngunit walang pinagkasunduan sa normal na istraktura ng puso, lalo na ang puso ... Mga selula ng kalamnan at kung paano ito nagbabago. kapag tumibok ang puso."
"Hinihintay ko ang buong karera ko," sabi niya.
Nagsimula ang diskarteng HiP-CT nang maglaban-laban ang dalawang German pathologist para subaybayan ang mga epekto ng parusa ng SARS-CoV-2 virus sa katawan ng tao.
Si Danny Jonigk, isang thoracic pathologist sa Hannover Medical School, at Maximilian Ackermann, isang pathologist sa University Medical Center Mainz, ay nasa mataas na alerto habang ang balita ng hindi pangkaraniwang kaso ng pneumonia ay nagsimulang kumalat sa China.Parehong may karanasan sa paggamot sa mga kondisyon ng baga at alam kaagad na ang COVID-19 ay hindi pangkaraniwan.Ang mag-asawa ay partikular na nag-aalala tungkol sa mga ulat ng "silent hypoxia" na nagpanatiling gising sa mga pasyente ng COVID-19 ngunit naging sanhi ng pagbaba ng kanilang mga antas ng oxygen sa dugo.
Hinala nina Ackermann at Jonig na kahit papaano ay inaatake ng SARS-CoV-2 ang mga daluyan ng dugo sa baga.Nang kumalat ang sakit sa Germany noong Marso 2020, sinimulan ng mag-asawa ang autopsy sa mga biktima ng COVID-19.Sa lalong madaling panahon sinubukan nila ang kanilang vascular hypothesis sa pamamagitan ng pag-iniksyon ng resin sa mga sample ng tissue at pagkatapos ay dissolving ang tissue sa acid, na nag-iiwan ng tumpak na modelo ng orihinal na vasculature.
Gamit ang diskarteng ito, inihambing nina Ackermann at Jonigk ang mga tissue mula sa mga taong hindi namatay mula sa COVID-19 sa mga mula sa mga taong namatay.Agad nilang nakita na sa mga biktima ng COVID-19, ang pinakamaliit na mga daluyan ng dugo sa baga ay pinilipit at muling itinayo.Ang mga palatandaang resulta na ito, na inilathala online noong Mayo 2020, ay nagpapakita na ang COVID-19 ay hindi lamang isang sakit sa paghinga, kundi isang sakit sa vascular na maaaring makaapekto sa mga organo sa buong katawan.
"Kung dadaan ka sa katawan at ihanay ang lahat ng mga daluyan ng dugo, makakakuha ka ng 60,000 hanggang 70,000 milya, na dalawang beses ang distansya sa paligid ng ekwador," sabi ni Ackermann, isang pathologist mula sa Wuppertal, Germany..Idinagdag niya na kung 1 porsiyento lamang ng mga daluyan ng dugo na ito ang inaatake ng virus, ang daloy ng dugo at ang kakayahang sumipsip ng oxygen ay makokompromiso, na maaaring humantong sa mapangwasak na mga kahihinatnan para sa buong organ.
Sa sandaling natanto nina Jonigk at Ackermann ang epekto ng COVID-19 sa mga daluyan ng dugo, natanto nila na kailangan nilang mas maunawaan ang pinsala.
Ang mga medikal na x-ray, tulad ng mga CT scan, ay maaaring magbigay ng mga view ng buong organ, ngunit hindi sila sapat na mataas ang resolution.Ang biopsy ay nagpapahintulot sa mga siyentipiko na suriin ang mga sample ng tissue sa ilalim ng mikroskopyo, ngunit ang mga resultang larawan ay kumakatawan lamang sa isang maliit na bahagi ng buong organ at hindi maaaring ipakita kung paano nagkakaroon ng COVID-19 sa mga baga.At ang pamamaraan ng resin na binuo ng koponan ay nangangailangan ng pag-dissolve ng tissue, na sumisira sa sample at naglilimita sa karagdagang pananaliksik.
"Sa pagtatapos ng araw, ang [mga baga] ay nakakakuha ng oxygen at ang carbon dioxide ay napupunta, ngunit para doon, mayroon itong libu-libong milya ng mga daluyan ng dugo at mga capillary, napaka manipis na espasyo… ito ay halos isang himala," sabi ni Jonigk, tagapagtatag, punong imbestigador sa German Lung Research Center."Kaya paano natin masusuri ang isang bagay na kasing kumplikado ng COVID-19 nang hindi sinisira ang mga organo?"
Sina Jonigk at Ackermann ay nangangailangan ng isang bagay na hindi pa nagagawa: isang serye ng mga x-ray ng parehong organ na magpapahintulot sa mga mananaliksik na palakihin ang mga bahagi ng organ sa cellular scale.Noong Marso 2020, nakipag-ugnayan ang German duo sa kanilang matagal nang collaborator na si Peter Lee, isang materials scientist at chair ng mga umuusbong na teknolohiya sa UCL.Ang espesyalidad ni Lee ay ang pag-aaral ng mga biyolohikal na materyales gamit ang makapangyarihang X-ray, kaya agad na nabaling ang kanyang isip sa French Alps.
Ang European Synchrotron Radiation Center ay matatagpuan sa isang tatsulok na bahagi ng lupain sa hilagang-kanlurang bahagi ng Grenoble, kung saan nagtatagpo ang dalawang ilog.Ang bagay ay isang particle accelerator na nagpapadala ng mga electron sa mga pabilog na orbit na kalahating milya ang haba sa halos bilis ng liwanag.Habang ang mga electron na ito ay umiikot sa mga bilog, ang malalakas na magnet sa orbit ay pumipihit sa daloy ng mga particle, na nagiging sanhi ng mga electron na naglalabas ng ilan sa mga pinakamaliwanag na X-ray sa mundo.
Ang malakas na radiation na ito ay nagpapahintulot sa ESRF na mag-espiya sa mga bagay sa micrometer o kahit nanometer scale.Madalas itong ginagamit upang pag-aralan ang mga materyales tulad ng mga haluang metal at composites, upang pag-aralan ang molekular na istruktura ng mga protina, at maging upang muling buuin ang mga sinaunang fossil nang hindi naghihiwalay ang bato sa buto.Nais ni Ackermann, Jonigk at Lee na gamitin ang higanteng instrumento upang kunin ang pinakadetalyadong x-ray ng mga organo ng tao sa mundo.
Ipasok ang Taforo, na ang trabaho sa ESRF ay nagtulak sa mga hangganan ng kung ano ang nakikita ng synchrotron scanning.Ang kahanga-hangang hanay ng mga trick nito dati ay nagbigay-daan sa mga siyentipiko na sumilip sa loob ng mga itlog ng dinosaur at halos maputol ang mga bukas na mummies, at halos kaagad na kinumpirma ng Taforo na ang mga synchrotron ay maaaring theoretically mai-scan nang mabuti ang buong lung lobes.Ngunit sa katunayan, ang pag-scan sa buong organ ng tao ay isang malaking hamon.
Sa isang banda, may problema sa paghahambing.Ang mga karaniwang x-ray ay gumagawa ng mga larawan batay sa kung gaano karaming radiation ang naa-absorb ng iba't ibang materyales, na may mas mabibigat na elementong sumisipsip ng higit sa mas magaan.Ang mga malambot na tisyu ay kadalasang binubuo ng mga magaan na elemento—carbon, hydrogen, oxygen, atbp—kaya hindi sila malinaw na nagpapakita sa isang klasikong medikal na x-ray.
Ang isa sa mga magagandang bagay tungkol sa ESRF ay ang X-ray beam nito ay napaka-coherent: ang ilaw ay naglalakbay sa mga alon, at sa kaso ng ESRF, ang lahat ng X-ray nito ay nagsisimula sa parehong dalas at pagkakahanay, patuloy na nag-o-oscillating, tulad ng mga bakas ng paa na natitira. ni Reik sa pamamagitan ng isang zen garden.Ngunit habang ang mga X-ray na ito ay dumaan sa bagay, ang mga banayad na pagkakaiba sa density ay maaaring maging sanhi ng bawat X-ray na bahagyang lumihis mula sa landas, at ang pagkakaiba ay nagiging mas madaling makita habang ang mga X-ray ay lumalayo sa bagay.Ang mga paglihis na ito ay maaaring magbunyag ng mga banayad na pagkakaiba sa density sa loob ng isang bagay, kahit na ito ay binubuo ng mga light elements.
Ngunit ang katatagan ay isa pang isyu.Upang makakuha ng isang serye ng mga pinalaki na x-ray, ang organ ay dapat na maayos sa natural na hugis nito upang hindi ito yumuko o lumipat ng higit sa isang ikalibo ng isang milimetro.Bukod dito, ang sunud-sunod na x-ray ng parehong organ ay hindi magtutugma sa isa't isa.Hindi na kailangang sabihin, gayunpaman, ang katawan ay maaaring maging napaka-flexible.
Nilalayon ni Lee at ng kanyang koponan sa UCL na magdisenyo ng mga lalagyan na makatiis sa synchrotron X-ray habang hinahayaan pa rin ang pinakamaraming alon hangga't maaari.Pinangasiwaan din ni Lee ang pangkalahatang organisasyon ng proyekto—halimbawa, ang mga detalye ng pagdadala ng mga organo ng tao sa pagitan ng Germany at France—at kinuha si Walsh, na dalubhasa sa biomedical big data, upang tumulong na malaman kung paano pag-aralan ang mga pag-scan.Bumalik sa France, kasama sa trabaho ni Taforo ang pagpapabuti ng pamamaraan sa pag-scan at pag-iisip kung paano iimbak ang organ sa lalagyan na itinatayo ng koponan ni Lee.
Alam ng Tafforo na upang ang mga organo ay hindi mabulok, at ang mga imahe ay maging malinaw hangga't maaari, dapat silang iproseso na may ilang bahagi ng may tubig na ethanol.Alam din niya na kailangan niyang patatagin ang organ sa isang bagay na eksaktong tumutugma sa density ng organ.Ang kanyang plano ay kahit papaano ay ilagay ang mga organo sa ethanol-rich agar, isang mala-jelly na substance na kinuha mula sa seaweed.
Gayunpaman, ang diyablo ay nasa mga detalye - tulad ng sa karamihan ng Europa, si Taforo ay natigil sa bahay at nakakulong.Kaya't inilipat ni Taforo ang kanyang pananaliksik sa isang lab sa bahay: Gumugol siya ng maraming taon sa pagdekorasyon ng isang dating katamtamang laki ng kusina na may mga 3D na printer, pangunahing kagamitan sa kimika at mga tool na ginagamit upang ihanda ang mga buto ng hayop para sa anatomical na pananaliksik.
Gumamit si Taforo ng mga produkto mula sa lokal na grocery store para malaman kung paano gumawa ng agar.Nag-iipon pa siya ng tubig-bagyo mula sa bubong na nilinis niya kamakailan para gawing demineralized na tubig, isang karaniwang sangkap sa mga formula ng lab-grade agar.Upang magsanay sa pag-iimpake ng mga organo sa agar, kumuha siya ng bituka ng baboy mula sa isang lokal na katayan.
Na-clear si Taforo na bumalik sa ESRF noong kalagitnaan ng Mayo para sa unang pagsubok sa lung scan ng mga baboy.Mula Mayo hanggang Hunyo, inihanda at ini-scan niya ang kaliwang lung lobe ng isang 54-anyos na lalaki na namatay sa COVID-19, na dinala nina Ackermann at Jonig mula Germany patungong Grenoble.
"Nang makita ko ang unang larawan, mayroong liham ng paghingi ng tawad sa aking email sa lahat ng kasangkot sa proyekto: nabigo kami at hindi ako makakuha ng mataas na kalidad na pag-scan," sabi niya."Nagpadala lang ako sa kanila ng dalawang larawan na kakila-kilabot para sa akin ngunit mahusay para sa kanila."
Para kay Lee ng Unibersidad ng California, Los Angeles, ang mga larawan ay napakaganda: ang buong organ na mga imahe ay katulad ng mga karaniwang medikal na CT scan, ngunit "isang milyong beses na mas nakapagtuturo."Para bang pinag-aaralan ng explorer ang kagubatan sa buong buhay niya, alinman sa paglipad sa ibabaw ng kagubatan sa isang higanteng jet plane, o naglalakbay kasama ang trail.Ngayon sila ay pumailanglang sa itaas ng canopy na parang mga ibon sa mga pakpak.
Inilathala ng team ang kanilang unang buong paglalarawan ng diskarte sa HiP-CT noong Nobyembre 2021, at naglabas din ang mga mananaliksik ng mga detalye kung paano nakakaapekto ang COVID-19 sa ilang uri ng sirkulasyon sa baga.
Ang pag-scan ay nagkaroon din ng hindi inaasahang benepisyo: nakatulong ito sa mga mananaliksik na kumbinsihin ang mga kaibigan at pamilya na mabakunahan.Sa malalang kaso ng COVID-19, maraming mga daluyan ng dugo sa baga ang lumalabas na dilat at namamaga, at sa mas mababang antas, maaaring mabuo ang mga abnormal na bundle ng maliliit na daluyan ng dugo.
"Kapag tiningnan mo ang istraktura ng baga mula sa isang taong namatay mula sa COVID, hindi ito mukhang baga - ito ay isang gulo," sabi ni Tafolo.
Idinagdag niya na kahit na sa malusog na mga organo, ang mga pag-scan ay nagsiwalat ng mga banayad na anatomical na tampok na hindi kailanman naitala dahil walang organ ng tao ang napagmasdan nang ganoong detalye.Sa mahigit $1 milyon na pondo mula sa Chan Zuckerberg Initiative (isang non-profit na organisasyon na itinatag ng CEO ng Facebook na si Mark Zuckerberg at asawa ni Zuckerberg, ang manggagamot na si Priscilla Chan), ang HiP-CT team ay kasalukuyang gumagawa ng tinatawag na atlas ng mga organo ng tao.
Sa ngayon, ang koponan ay naglabas ng mga pag-scan ng limang organo - ang puso, utak, bato, baga, at pali - batay sa mga organo na naibigay nina Ackermann at Jonigk sa panahon ng kanilang autopsy sa COVID-19 sa Germany at ang organ na "kontrol" ng kalusugan na LADAF.Anatomical laboratoryo ng Grenoble.Ang koponan ay gumawa ng data, pati na rin ang mga flight film, batay sa data na malayang magagamit sa Internet.Ang Atlas of Human Organs ay mabilis na lumalawak: isa pang 30 organo ang na-scan, at isa pang 80 ay nasa iba't ibang yugto ng paghahanda.Halos 40 iba't ibang grupo ng pananaliksik ang nakipag-ugnayan sa koponan upang matuto nang higit pa tungkol sa diskarte, sinabi ni Li.
Nakikita ng UCL cardiologist na si Cook ang malaking potensyal sa paggamit ng HiP-CT upang maunawaan ang pangunahing anatomy.Ang UCL radiologist na si Joe Jacob, na dalubhasa sa sakit sa baga, ay nagsabi na ang HiP-CT ay magiging "napakahalaga para sa pag-unawa sa sakit," lalo na sa mga three-dimensional na istruktura tulad ng mga daluyan ng dugo.
Maging ang mga artista ay napasama.Sinabi ni Barney Steele ng Experiential art collective na Marshmallow Laser Feast na nakabase sa London na aktibong sinisiyasat niya kung paano ma-explore ang data ng HiP-CT sa nakaka-engganyong virtual reality."Mahalaga, lumilikha kami ng isang paglalakbay sa katawan ng tao," sabi niya.
Ngunit sa kabila ng lahat ng mga pangako ng HiP-CT, may mga seryosong problema.Una, sabi ni Walsh, ang isang HiP-CT scan ay bumubuo ng isang "nakakagulat na dami ng data," na madaling isang terabyte bawat organ.Upang payagan ang mga clinician na gamitin ang mga pag-scan na ito sa totoong mundo, umaasa ang mga mananaliksik na bumuo ng cloud-based na interface para sa pag-navigate sa kanila, gaya ng Google Maps para sa katawan ng tao.
Kinailangan din nilang gawing mas madali ang pag-convert ng mga pag-scan sa mga magagamit na modelong 3D.Tulad ng lahat ng pamamaraan ng CT scan, gumagana ang HiP-CT sa pamamagitan ng pagkuha ng maraming 2D na hiwa ng isang partikular na bagay at pagsasama-samahin ang mga ito.Kahit ngayon, karamihan sa prosesong ito ay ginagawa nang manu-mano, lalo na kapag nag-scan ng abnormal o may sakit na tissue.Sinabi nina Lee at Walsh na ang priyoridad ng koponan ng HiP-CT ay bumuo ng mga pamamaraan sa pag-aaral ng makina na maaaring gawing mas madali ang gawaing ito.
Lalawak ang mga hamong ito habang lumalawak ang atlas ng mga organo ng tao at nagiging mas ambisyoso ang mga mananaliksik.Ginagamit ng HiP-CT team ang pinakabagong ESRF beam device, na pinangalanang BM18, upang ipagpatuloy ang pag-scan sa mga organo ng proyekto.Ang BM18 ay gumagawa ng mas malaking X-ray beam, na nangangahulugan na ang pag-scan ay tumatagal ng mas kaunting oras, at ang BM18 X-ray detector ay maaaring ilagay nang hanggang 125 talampakan (38 metro) ang layo mula sa bagay na ini-scan, na ginagawang mas malinaw ang pag-scan.Ang mga resulta ng BM18 ay napakahusay na, sabi ni Taforo, na muling nag-scan ng ilan sa mga orihinal na sample ng Human Organ Atlas sa bagong sistema.
Ang BM18 ay maaari ding mag-scan ng napakalaking bagay.Sa bagong pasilidad, plano ng team na i-scan ang buong katawan ng tao sa isang iglap sa pagtatapos ng 2023.
Sa pagtuklas sa napakalaking potensyal ng teknolohiya, sinabi ni Taforo, "Talagang nasa simula pa lang tayo."
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Lahat ng karapatan ay nakalaan.