Një teknikë e re skanimi prodhon imazhe me detaje të mëdha që mund të revolucionarizojnë studimin e anatomisë njerëzore.
Kur Paul Taforo pa imazhet e tij të para eksperimentale të viktimave të dritës COVID-19, ai mendoi se kishte dështuar.Një paleontolog i trajnuar, Taforo kaloi muaj duke punuar me ekipe në të gjithë Evropën për t'i kthyer përshpejtuesit e grimcave në Alpet Franceze në mjete revolucionare skanimi mjekësor.
Ishte në fund të majit 2020 dhe shkencëtarët ishin të etur për të kuptuar më mirë se si COVID-19 shkatërron organet e njeriut.Taforo u ngarkua të zhvillonte një metodë që mund të përdorte rrezet X me fuqi të lartë të prodhuara nga Impianti Evropian i Rrezatimit Synchrotron (ESRF) në Grenoble, Francë.Si një shkencëtar i ESRF-së, ai ka shtyrë kufijtë e rrezeve x me rezolucion të lartë të fosileve shkëmbore dhe mumieve të thara.Tani ai ishte i tmerruar nga masa e butë dhe ngjitëse e peshqirëve të letrës.
Imazhet u treguan atyre më shumë detaje se çdo skanim CT mjekësor që kishin parë ndonjëherë më parë, duke i lejuar ata të kapërcejnë boshllëqet kokëfortë në mënyrën se si shkencëtarët dhe mjekët vizualizojnë dhe kuptojnë organet njerëzore."Në tekstet shkollore të anatomisë, kur e shihni, është në shkallë të madhe, është në shkallë të vogël dhe ato janë imazhe të bukura të vizatuara me dorë për një arsye: ato janë interpretime artistike sepse ne nuk kemi imazhe," University College London (UCL). ) tha..Studiuesja e lartë Claire Walsh tha."Për herë të parë ne mund të bëjmë gjënë e vërtetë."
Taforo dhe Walsh janë pjesë e një ekipi ndërkombëtar prej më shumë se 30 studiuesish, të cilët kanë krijuar një teknikë të re të fuqishme të skanimit me rreze X të quajtur Tomografia e Kontrastit në Fazën Hierarkike (HiP-CT).Me të, ata më në fund mund të kalojnë nga një organ i plotë njerëzor në një pamje të zgjeruar të enëve të gjakut më të vogla të trupit apo edhe të qelizave individuale.
Kjo metodë tashmë po ofron një pasqyrë të re se si COVID-19 dëmton dhe rimodelon enët e gjakut në mushkëri.Edhe pse perspektivat e tij afatgjata janë të vështira për t'u përcaktuar sepse asgjë si HiP-CT nuk ka ekzistuar ndonjëherë më parë, studiuesit e ngazëllyer nga potenciali i tij po parashikojnë me entuziazëm mënyra të reja për të kuptuar sëmundjen dhe për të hartuar anatominë njerëzore me një hartë topografike më të saktë.
Kardiologu i UCL Andrew Cooke tha: “Shumica e njerëzve mund të habiten që ne kemi studiuar anatominë e zemrës për qindra vjet, por nuk ka konsensus mbi strukturën normale të zemrës, veçanërisht të zemrës… Qelizat muskulore dhe se si ajo ndryshon kur zemra rreh.”
"Kam pritur gjithë karrierën time," tha ai.
Teknika HiP-CT filloi kur dy patologë gjermanë konkurruan për të gjurmuar efektet ndëshkuese të virusit SARS-CoV-2 në trupin e njeriut.
Danny Jonigk, një patolog i kraharorit në Shkollën Mjekësore të Hanoverit dhe Maximilian Ackermann, një patolog në Qendrën Mjekësore Universitare në Mainz, ishin në gatishmëri të lartë ndërsa lajmet për rastin e pazakontë të pneumonisë filluan të përhapeshin në Kinë.Të dy kishin përvojë në trajtimin e sëmundjeve të mushkërive dhe e dinin menjëherë se COVID-19 ishte e pazakontë.Çifti ishte veçanërisht i shqetësuar për raportet e "hipoksisë së heshtur" që i mbante pacientët me COVID-19 zgjuar, por bëri që nivelet e tyre të oksigjenit në gjak të bien ndjeshëm.
Ackermann dhe Jonig dyshojnë se SARS-CoV-2 sulmon disi enët e gjakut në mushkëri.Kur sëmundja u përhap në Gjermani në Mars 2020, çifti filloi autopsitë e viktimave të COVID-19.Ata së shpejti testuan hipotezën e tyre vaskulare duke injektuar rrëshirë në mostrat e indeve dhe më pas duke e tretur indin në acid, duke lënë një model të saktë të vaskulaturës origjinale.
Duke përdorur këtë teknikë, Ackermann dhe Jonigk krahasuan indet nga njerëzit që nuk vdiqën nga COVID-19 me ato nga njerëzit që vdiqën.Ata panë menjëherë se te viktimat e COVID-19, enët më të vogla të gjakut në mushkëri ishin përdredhur dhe rindërtuar.Këto rezultate historike, të publikuara në internet në maj 2020, tregojnë se COVID-19 nuk është rreptësisht një sëmundje e frymëmarrjes, por më tepër një sëmundje vaskulare që mund të prekë organet në të gjithë trupin.
"Nëse kaloni nëpër trup dhe rreshtoni të gjitha enët e gjakut, ju merrni 60,000 deri në 70,000 milje, që është dyfishi i distancës rreth ekuatorit," tha Ackermann, një patolog nga Wuppertal, Gjermani..Ai shtoi se nëse vetëm 1 për qind e këtyre enëve të gjakut do të sulmoheshin nga virusi, rrjedha e gjakut dhe aftësia për të thithur oksigjenin do të rrezikohej, gjë që mund të çonte në pasoja shkatërruese për të gjithë organin.
Sapo Jonigk dhe Ackermann kuptuan ndikimin e COVID-19 në enët e gjakut, ata kuptuan se duhej të kuptonin më mirë dëmin.
X-rrezet mjekësore, të tilla si skanimet CT, mund të ofrojnë pamje të organeve të tëra, por ato nuk janë me rezolucion mjaft të lartë.Një biopsi i lejon shkencëtarët të ekzaminojnë mostrat e indeve nën një mikroskop, por imazhet që rezultojnë përfaqësojnë vetëm një pjesë të vogël të të gjithë organit dhe nuk mund të tregojnë se si zhvillohet COVID-19 në mushkëri.Dhe teknika e rrëshirës që ekipi zhvilloi kërkon shpërbërjen e indit, i cili shkatërron kampionin dhe kufizon kërkimet e mëtejshme.
“Në fund të ditës, [mushkëritë] marrin oksigjen dhe dioksidi i karbonit del jashtë, por për këtë, ajo ka mijëra milje enë gjaku dhe kapilarë, të ndarë shumë hollë… është pothuajse një mrekulli,” tha Jonigk, themeluesi. hetues kryesor në Qendrën Gjermane të Kërkimeve të Mushkërive."Pra, si mund të vlerësojmë vërtet diçka kaq komplekse sa COVID-19 pa shkatërruar organet?"
Jonigk dhe Ackermann kishin nevojë për diçka të paprecedentë: një seri rrezesh x të të njëjtit organ që do t'i lejonte studiuesit të zgjeronin pjesë të organit në shkallë qelizore.Në mars 2020, dyshja gjermane kontaktoi bashkëpunëtorin e tyre të gjatë Peter Lee, një shkencëtar materialesh dhe kryetar i teknologjive në zhvillim në UCL.Specialiteti i Lee është studimi i materialeve biologjike duke përdorur rreze X të fuqishme, kështu që mendimet e tij u kthyen menjëherë në Alpet Franceze.
Qendra Evropiane e Rrezatimit Synchrotron ndodhet në një copë toke trekëndore në pjesën veriperëndimore të Grenoble, ku takohen dy lumenj.Objekti është një përshpejtues i grimcave që dërgon elektrone në orbita rrethore gjysmë milje të gjatë me gati shpejtësinë e dritës.Ndërsa këto elektrone rrotullohen në rrathë, magnetët e fuqishëm në orbitë shtrembërojnë rrymën e grimcave, duke bërë që elektronet të lëshojnë disa nga rrezet X më të shndritshme në botë.
Ky rrezatim i fuqishëm lejon ESRF të spiunojë objekte në shkallë mikrometër apo edhe nanometër.Shpesh përdoret për të studiuar materiale të tilla si lidhjet dhe përbërjet, për të studiuar strukturën molekulare të proteinave dhe madje edhe për të rindërtuar fosilet e lashta pa ndarë gurin nga kocka.Ackermann, Jonigk dhe Lee donin të përdornin instrumentin gjigant për të marrë rrezet x më të detajuara në botë të organeve njerëzore.
Hyni në Taforo, puna e të cilit në ESRF ka shtyrë kufijtë e asaj që mund të shohë skanimi sinkrotron.Grumbullimi mbresëlënës i trukimeve të tij i kishte lejuar më parë shkencëtarët të shikonin brenda vezëve të dinosaurëve dhe thuajse të prenë mumjet e hapura, dhe pothuajse menjëherë Taforo konfirmoi se sinkrotronet teorikisht mund të skanonin mirë lobet e mushkërive.Por në fakt, skanimi i organeve të tëra njerëzore është një sfidë e madhe.
Nga njëra anë, ekziston problemi i krahasimit.Rrezet x standarde krijojnë imazhe bazuar në sasinë e rrezatimit që thithin materiale të ndryshme, me elementë më të rëndë që thithin më shumë se ato më të lehta.Indet e buta përbëhen kryesisht nga elementë të lehtë—karboni, hidrogjeni, oksigjeni etj.—kështu që ato nuk shfaqen qartë në një radiografi klasike mjekësore.
Një nga gjërat më të mira të ESRF është se rrezja e saj e rrezeve X është shumë koherente: drita udhëton në valë dhe në rastin e ESRF, të gjitha rrezet e saj X fillojnë me të njëjtën frekuencë dhe shtrirje, duke u lëkundur vazhdimisht, si gjurmët e mbetura. nga Reik përmes një kopshti zen.Por ndërsa këto rreze X kalojnë nëpër objekt, ndryshimet delikate në densitet mund të bëjnë që çdo rreze X të devijojë pak nga rruga dhe dallimi bëhet më i lehtë për t'u zbuluar ndërsa rrezet X largohen më larg nga objekti.Këto devijime mund të zbulojnë ndryshime delikate të densitetit brenda një objekti, edhe nëse ai përbëhet nga elementë të lehtë.
Por stabiliteti është një çështje tjetër.Për të marrë një sërë rrezesh të zmadhuara, organi duhet të fiksohet në formën e tij natyrale në mënyrë që të mos përkulet ose të lëvizë më shumë se një e mijëta e milimetrit.Për më tepër, rrezet X të njëpasnjëshme të të njëjtit organ nuk do të përputhen me njëra-tjetrën.Eshtë e panevojshme të thuhet, megjithatë, trupi mund të jetë shumë fleksibël.
Lee dhe ekipi i tij në UCL synuan të projektonin kontejnerë që mund t'i rezistonin rrezeve X sinkrotron, duke lënë ende sa më shumë valë të kalonin.Lee trajtoi gjithashtu organizimin e përgjithshëm të projektit - për shembull, detajet e transportit të organeve njerëzore midis Gjermanisë dhe Francës - dhe punësoi Walsh, i cili është i specializuar në të dhënat e mëdha biomjekësore, për të ndihmuar të kuptojë se si të analizohen skanimet.Në Francë, puna e Taforos përfshinte përmirësimin e procedurës së skanimit dhe gjetjen e mënyrës se si të ruhej organi në kontejnerin që po ndërtonte ekipi i Lee.
Tafforo e dinte që në mënyrë që organet të mos dekompozohen dhe imazhet të jenë sa më të qarta, ato duhet të përpunohen me disa porcione etanol ujor.Ai gjithashtu e dinte se duhej të stabilizonte organin në diçka që përputhej saktësisht me densitetin e organit.Plani i tij ishte të vendoste disi organet në agar të pasur me etanol, një substancë e ngjashme me pelte, e nxjerrë nga alga deti.
Megjithatë, djalli është në detaje – si në pjesën më të madhe të Evropës, Taforo është mbërthyer në shtëpi dhe i mbyllur.Kështu që Taforo e zhvendosi kërkimin e tij në një laborator shtëpiak: Ai kaloi vite duke dekoruar një ish-kuzhinë të mesme me printera 3D, pajisje bazë të kimisë dhe mjete të përdorura për të përgatitur kockat e kafshëve për kërkime anatomike.
Taforo përdori produkte nga dyqani ushqimor lokal për të kuptuar se si të bënte agar.Ai madje mbledh ujërat e stuhisë nga një çati që e pastroi kohët e fundit për të bërë ujë të demineralizuar, një përbërës standard në formulat e agarit të shkallës laboratorike.Për të praktikuar paketimin e organeve në agar, ai mori zorrët e derrit nga një thertore lokale.
Taforo u lejua të kthehej në ESRF në mes të majit për skanimin e parë të mushkërive të derrave.Nga maji deri në qershor, ai përgatiti dhe skanoi lobin e majtë të mushkërisë së një 54-vjeçari që vdiq nga COVID-19, të cilin Ackermann dhe Jonig e çuan nga Gjermania në Grenoble.
“Kur pashë imazhin e parë, kishte një letër faljeje në emailin tim për të gjithë të përfshirë në projekt: ne dështuam dhe nuk mund të bëja një skanim me cilësi të lartë,” tha ai.“Sapo u dërgova atyre dy fotografi që ishin të tmerrshme për mua, por të mrekullueshme për ta.”
Për Lee të Universitetit të Kalifornisë, Los Anxhelos, imazhet janë mahnitëse: imazhet e të gjithë organeve janë të ngjashme me skanimet standarde mjekësore CT, por "një milion herë më informuese".Është sikur eksploruesi të ketë studiuar pyllin gjatë gjithë jetës së tij, ose duke fluturuar mbi pyll me një avion gjigant reaktiv, ose duke udhëtuar përgjatë shtegut.Tani ata fluturojnë mbi tendë si zogj me krahë.
Ekipi publikoi përshkrimin e parë të plotë të qasjes HiP-CT në nëntor 2021, dhe studiuesit publikuan gjithashtu detaje se si COVID-19 ndikon në lloje të caktuara të qarkullimit në mushkëri.
Skanimi pati gjithashtu një përfitim të papritur: i ndihmoi studiuesit të bindin miqtë dhe familjen që të vaksinohen.Në rastet e rënda të COVID-19, shumë enë gjaku në mushkëri duken të zgjeruara dhe të fryra, dhe në një masë më të vogël, mund të formohen tufa anormale të enëve të vogla të gjakut.
“Kur shikoni strukturën e një mushkërie nga një person që vdiq nga COVID, nuk duket si mushkëri – është një rrëmujë”, tha Tafolo.
Ai shtoi se edhe në organe të shëndetshme, skanimet zbuluan tipare delikate anatomike që nuk u regjistruan kurrë, sepse asnjë organ njerëzor nuk ishte ekzaminuar ndonjëherë në detaje të tilla.Me mbi 1 milion dollarë financim nga Iniciativa Chan Zuckerberg (një organizatë jofitimprurëse e themeluar nga CEO i Facebook Mark Zuckerberg dhe gruaja e Zuckerberg, mjekja Priscilla Chan), ekipi HiP-CT aktualisht po krijon atë që quhet atlas i organeve njerëzore.
Deri më tani, ekipi ka lëshuar skanime të pesë organeve - zemrës, trurit, veshkave, mushkërive dhe shpretkës - bazuar në organet e dhuruara nga Ackermann dhe Jonigk gjatë autopsisë së tyre COVID-19 në Gjermani dhe organit të "kontrollit" shëndetësor LADAF.Laboratori anatomik i Grenoble.Ekipi prodhoi të dhënat, si dhe filmat e fluturimit, bazuar në të dhënat që disponohen falas në internet.Atlasi i Organeve të Njeriut po zgjerohet me shpejtësi: 30 organe të tjera janë skanuar dhe 80 të tjerë janë në faza të ndryshme përgatitjeje.Gati 40 grupe të ndryshme kërkimore kontaktuan ekipin për të mësuar më shumë rreth qasjes, tha Li.
Kardiologu i UCL Cook sheh potencial të madh në përdorimin e HiP-CT për të kuptuar anatominë bazë.Radiologu i UCL, Joe Jacob, i specializuar në sëmundjet e mushkërive, tha se HiP-CT do të jetë "i paçmuar për të kuptuar sëmundjen", veçanërisht në strukturat tredimensionale si enët e gjakut.
Edhe artistët u futën në sherr.Barney Steele i kolektivit të artit eksperimental me bazë në Londër Marshmallow Laser Feast thotë se ai po heton në mënyrë aktive se si të dhënat HiP-CT mund të eksplorohen në realitetin zhytës virtual.“Në thelb, ne po krijojmë një udhëtim nëpër trupin e njeriut,” tha ai.
Por pavarësisht të gjitha premtimeve të HiP-CT, ka probleme serioze.Së pari, thotë Walsh, një skanim HiP-CT gjeneron një "sasi marramendëse të dhënash", lehtësisht një terabajt për organ.Për t'i lejuar mjekët të përdorin këto skanime në botën reale, studiuesit shpresojnë të zhvillojnë një ndërfaqe të bazuar në cloud për navigimin e tyre, siç është Google Maps për trupin e njeriut.
Ata gjithashtu duhej ta bënin më të lehtë konvertimin e skanimeve në modele 3D të zbatueshme.Ashtu si të gjitha metodat e skanimit CT, HiP-CT funksionon duke marrë shumë feta 2D të një objekti të caktuar dhe duke i grumbulluar ato së bashku.Edhe sot, pjesa më e madhe e këtij procesi bëhet me dorë, veçanërisht kur skanoni indet jonormale ose të sëmura.Lee dhe Walsh thonë se prioriteti i ekipit HiP-CT është të zhvillojë metoda të mësimit të makinerive që mund ta bëjnë këtë detyrë më të lehtë.
Këto sfida do të zgjerohen ndërsa atlasi i organeve njerëzore zgjerohet dhe studiuesit bëhen më ambicioz.Ekipi HiP-CT po përdor pajisjen më të fundit të rrezeve ESRF, të quajtur BM18, për të vazhduar skanimin e organeve të projektit.BM18 prodhon një rreze më të madhe me rreze X, që do të thotë se skanimi kërkon më pak kohë, dhe detektori me rreze X BM18 mund të vendoset deri në 125 këmbë (38 metra) larg objektit që skanohet, duke e bërë atë më të qartë.Rezultatet e BM18 janë tashmë shumë të mira, thotë Taforo, i cili ka skanuar disa nga mostrat origjinale të Atlasit të Organeve të Njeriut në sistemin e ri.
BM18 gjithashtu mund të skanojë objekte shumë të mëdha.Me objektin e ri, ekipi planifikon të skanojë të gjithë trupin e trupit të njeriut me një goditje deri në fund të vitit 2023.
Duke eksploruar potencialin e madh të teknologjisë, Taforo tha, "Ne jemi vërtet vetëm në fillim".
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Të gjitha të drejtat e rezervuara.