Een nieuwe scantechniek produceert beelden met grote details die een revolutie teweeg zouden kunnen brengen in de studie van de menselijke anatomie.
Toen Paul Taforo zijn eerste experimentele beelden van COVID-19-lichtslachtoffers zag, dacht hij dat hij had gefaald.Taforo is paleontoloog van opleiding en heeft maandenlang met teams in heel Europa gewerkt om deeltjesversnellers in de Franse Alpen om te zetten in revolutionaire medische scanhulpmiddelen.
Het was eind mei 2020 en wetenschappers wilden graag beter begrijpen hoe COVID-19 menselijke organen vernietigt.Taforo kreeg de opdracht om een ​​methode te ontwikkelen die gebruik kon maken van de krachtige röntgenstraling geproduceerd door de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, Frankrijk.Als ESRF-wetenschapper heeft hij de grenzen verlegd van röntgenfoto's met hoge resolutie van rotsfossielen en gedroogde mummies.Nu was hij doodsbang voor de zachte, plakkerige massa papieren handdoeken.
De beelden toonden hen meer details dan welke medische CT-scan dan ook die ze ooit eerder hadden gezien, waardoor ze hardnekkige hiaten konden overbruggen in de manier waarop wetenschappers en artsen menselijke organen visualiseren en begrijpen."Als je het in anatomieboeken ziet, is het grootschalig, het is kleinschalig, en het zijn prachtige handgetekende afbeeldingen om één reden: het zijn artistieke interpretaties omdat we geen afbeeldingen hebben", University College London (UCL ) gezegd..Senior onderzoeker Claire Walsh zei.“Voor het eerst kunnen we het echte werk doen.”
Taforo en Walsh maken deel uit van een internationaal team van meer dan 30 onderzoekers die een krachtige nieuwe röntgenscantechniek hebben ontwikkeld, genaamd Hierarchical Phase Contrast Tomography (HiP-CT).Hiermee kunnen ze eindelijk van een compleet menselijk orgaan naar een vergroot beeld van de kleinste bloedvaten van het lichaam of zelfs individuele cellen gaan.
Deze methode levert nu al nieuw inzicht op in de manier waarop COVID-19 de bloedvaten in de longen beschadigt en remodelleert.Hoewel de vooruitzichten op de lange termijn moeilijk te bepalen zijn omdat er nog nooit zoiets als HiP-CT heeft bestaan, bedenken onderzoekers die enthousiast zijn over het potentieel ervan enthousiast nieuwe manieren om ziekten te begrijpen en de menselijke anatomie in kaart te brengen met een nauwkeurigere topografische kaart.
UCL-cardioloog Andrew Cooke zei: “De meeste mensen zullen misschien verbaasd zijn dat we de anatomie van het hart al honderden jaren bestuderen, maar er bestaat geen consensus over de normale structuur van het hart, vooral het hart … Spiercellen en hoe deze veranderen als het hart klopt.”
"Ik heb mijn hele carrière gewacht", zei hij.
De HiP-CT-techniek begon toen twee Duitse pathologen met elkaar streden om de bestraffende effecten van het SARS-CoV-2-virus op het menselijk lichaam in kaart te brengen.
Danny Jonigk, een thoracale patholoog aan de Medische School van Hannover, en Maximilian Ackermann, een patholoog aan het Universitair Medisch Centrum Mainz, waren zeer alert toen het nieuws over het ongebruikelijke geval van longontsteking zich in China begon te verspreiden.Beiden hadden ervaring met het behandelen van longaandoeningen en wisten meteen dat COVID-19 ongebruikelijk was.Het echtpaar maakte zich vooral zorgen over berichten over ‘stille hypoxie’ die COVID-19-patiënten wakker hield, maar ervoor zorgde dat het zuurstofniveau in hun bloed kelderde.
Ackermann en Jonig vermoeden dat SARS-CoV-2 op de een of andere manier de bloedvaten in de longen aanvalt.Toen de ziekte zich in maart 2020 naar Duitsland verspreidde, begon het echtpaar met autopsies op COVID-19-slachtoffers.Ze testten al snel hun vasculaire hypothese door hars in weefselmonsters te injecteren en het weefsel vervolgens in zuur op te lossen, waardoor een nauwkeurig model van het oorspronkelijke vaatstelsel achterbleef.
Met behulp van deze techniek vergeleken Ackermann en Jonigk weefsels van mensen die niet stierven aan COVID-19 met die van mensen die dat wel deden.Ze zagen meteen dat bij de slachtoffers van COVID-19 de kleinste bloedvaten in de longen verdraaid en gereconstrueerd waren.Deze baanbrekende resultaten, die in mei 2020 online zijn gepubliceerd, laten zien dat COVID-19 niet strikt een ademhalingsziekte is, maar eerder een vaatziekte die organen door het hele lichaam kan aantasten.
“Als je door het lichaam gaat en alle bloedvaten op één lijn brengt, kom je op een afstand van 100.000 tot 120.000 kilometer, wat twee keer de afstand rond de evenaar is”, zegt Ackermann, een patholoog uit Wuppertal, Duitsland..Hij voegde eraan toe dat als slechts 1 procent van deze bloedvaten door het virus zou worden aangevallen, de bloedstroom en het vermogen om zuurstof te absorberen in gevaar zouden komen, wat zou kunnen leiden tot verwoestende gevolgen voor het hele orgaan.
Toen Jonigk en Ackermann zich eenmaal de impact van COVID-19 op de bloedvaten realiseerden, beseften ze dat ze de schade beter moesten begrijpen.
Medische röntgenfoto's, zoals CT-scans, kunnen een beeld geven van hele organen, maar de resolutie is niet voldoende hoog.Met een biopsie kunnen wetenschappers weefselmonsters onder een microscoop onderzoeken, maar de resulterende beelden vertegenwoordigen slechts een klein deel van het hele orgaan en kunnen niet laten zien hoe COVID-19 zich in de longen ontwikkelt.En de harstechniek die het team heeft ontwikkeld, vereist het oplossen van het weefsel, waardoor het monster wordt vernietigd en verder onderzoek wordt beperkt.
“Aan het eind van de dag krijgen [de longen] zuurstof en gaat koolstofdioxide naar buiten, maar daarvoor heeft het duizenden kilometers aan bloedvaten en haarvaten, zeer dun uit elkaar geplaatst… het is bijna een wonder,” zei Jonigk, oprichter hoofdonderzoeker bij het Duitse longonderzoekscentrum.“Dus hoe kunnen we zoiets complex als COVID-19 echt evalueren zonder organen te vernietigen?”
Jonigk en Ackermann hadden iets ongekends nodig: een reeks röntgenfoto's van hetzelfde orgaan waarmee de onderzoekers delen van het orgaan tot cellulaire schaal konden vergroten.In maart 2020 nam het Duitse duo contact op met hun oude medewerker Peter Lee, een materiaalwetenschapper en voorzitter van opkomende technologieën aan de UCL.Lee's specialiteit is de studie van biologische materialen met behulp van krachtige röntgenstralen, dus zijn gedachten gingen onmiddellijk naar de Franse Alpen.
Het Europese Synchrotron Stralingscentrum bevindt zich op een driehoekig stuk land in het noordwestelijke deel van Grenoble, waar twee rivieren samenkomen.Het object is een deeltjesversneller die elektronen in cirkelvormige banen van een halve mijl lang stuurt met bijna de snelheid van het licht.Terwijl deze elektronen in cirkels ronddraaien, vervormen krachtige magneten in een baan de stroom deeltjes, waardoor de elektronen enkele van de helderste röntgenstralen ter wereld uitzenden.
Dankzij deze krachtige straling kan de ESRF objecten op micrometer- of zelfs nanometerschaal bespioneren.Het wordt vaak gebruikt om materialen zoals legeringen en composieten te bestuderen, om de moleculaire structuur van eiwitten te bestuderen en zelfs om oude fossielen te reconstrueren zonder steen van bot te scheiden.Ackermann, Jonigk en Lee wilden het gigantische instrument gebruiken om 's werelds meest gedetailleerde röntgenfoto's van menselijke organen te maken.
Maak kennis met Taforo, wiens werk bij ESRF de grenzen heeft verlegd van wat synchrotronscanning kan zien.Dankzij de indrukwekkende reeks trucs konden wetenschappers voorheen in dinosauruseieren kijken en bijna mummies opensnijden, en bijna onmiddellijk bevestigde Taforo dat synchrotrons theoretisch hele longkwabben goed konden scannen.Maar in feite is het scannen van hele menselijke organen een enorme uitdaging.
Aan de ene kant is er het probleem van de vergelijking.Standaard röntgenstralen creëren beelden op basis van de hoeveelheid straling die verschillende materialen absorberen, waarbij zwaardere elementen meer absorberen dan lichtere.Zachte weefsels bestaan ​​grotendeels uit lichte elementen (koolstof, waterstof, zuurstof, enz.) en zijn dus niet duidelijk zichtbaar op een klassieke medische röntgenfoto.
Een van de geweldige dingen van ESRF is dat de röntgenbundel zeer coherent is: licht plant zich voort in golven, en in het geval van ESRF beginnen alle röntgenstralen met dezelfde frequentie en uitlijning, voortdurend oscillerend, alsof er voetafdrukken achterblijven. van Reik door een zentuin.Maar terwijl deze röntgenstralen door het object gaan, kunnen subtiele verschillen in dichtheid ervoor zorgen dat elke röntgenfoto enigszins afwijkt van het pad, en het verschil wordt gemakkelijker te detecteren naarmate de röntgenstralen zich verder van het object verwijderen.Deze afwijkingen kunnen subtiele dichtheidsverschillen binnen een object onthullen, zelfs als het uit lichte elementen bestaat.
Maar stabiliteit is een ander probleem.Om een ​​reeks vergrote röntgenfoto's te kunnen maken, moet het orgel in zijn natuurlijke vorm worden gefixeerd, zodat het niet meer dan een duizendste millimeter buigt of beweegt.Bovendien zullen opeenvolgende röntgenfoto's van hetzelfde orgaan niet met elkaar overeenkomen.Het is echter onnodig om te zeggen dat het lichaam zeer flexibel kan zijn.
Lee en zijn team bij de UCL wilden containers ontwerpen die synchrotron-röntgenstralen konden weerstaan ​​en toch zoveel mogelijk golven doorlaten.Lee verzorgde ook de algehele organisatie van het project (bijvoorbeeld de details van het transport van menselijke organen tussen Duitsland en Frankrijk) en huurde Walsh in, die gespecialiseerd is in biomedische big data, om te helpen uitzoeken hoe de scans moesten worden geanalyseerd.Terug in Frankrijk bestond Taforo's werk onder meer uit het verbeteren van de scanprocedure en het uitzoeken hoe het orgel moest worden opgeborgen in de container die Lee's team aan het bouwen was.
Tafforo wist dat om de organen niet te laten ontbinden en de beelden zo helder mogelijk te maken, ze moesten worden verwerkt met verschillende porties waterige ethanol.Hij wist ook dat hij het orgel moest stabiliseren op iets dat precies overeenkwam met de dichtheid van het orgel.Zijn plan was om de organen op de een of andere manier in ethanolrijke agar te plaatsen, een geleiachtige substantie gewonnen uit zeewier.
Het venijn zit hem echter in de details – zoals in het grootste deel van Europa zit Taforo thuis en opgesloten.Dus verplaatste Taforo zijn onderzoek naar een thuislaboratorium: hij bracht jaren door met het inrichten van een voormalige middelgrote keuken met 3D-printers, chemische basisapparatuur en gereedschappen die werden gebruikt om dierlijke botten voor te bereiden voor anatomisch onderzoek.
Taforo gebruikte producten uit de plaatselijke supermarkt om erachter te komen hoe hij agar kon maken.Hij verzamelt zelfs regenwater van een dak dat hij onlangs heeft schoongemaakt om gedemineraliseerd water te maken, een standaardingrediënt in agarformules van laboratoriumkwaliteit.Om het verpakken van organen in agar te oefenen, nam hij varkensdarmen mee naar een plaatselijk slachthuis.
Taforo kreeg toestemming om half mei terug te keren naar de ESRF voor de eerste testlongscan van varkens.Van mei tot juni bereidde en scande hij de linkerlongkwab van een 54-jarige man die stierf aan COVID-19, die Ackermann en Jonig van Duitsland naar Grenoble brachten.
"Toen ik de eerste afbeelding zag, zat er in mijn e-mail een verontschuldigingsbrief aan iedereen die bij het project betrokken was: we hebben gefaald en ik kon geen scan van hoge kwaliteit krijgen", zei hij."Ik heb ze zojuist twee foto's gestuurd die verschrikkelijk voor mij waren, maar geweldig voor hen."
Voor Lee van de Universiteit van Californië, Los Angeles zijn de beelden verbluffend: afbeeldingen van hele organen zijn vergelijkbaar met standaard medische CT-scans, maar ‘een miljoen keer informatiever’.Het is alsof de ontdekkingsreiziger het bos zijn hele leven heeft bestudeerd, hetzij door over het bos te vliegen in een gigantisch straalvliegtuig, hetzij langs het pad te reizen.Nu zweven ze boven het bladerdak als vogels op vleugels.
Het team publiceerde in november 2021 hun eerste volledige beschrijving van de HiP-CT-aanpak, en de onderzoekers gaven ook details vrij over hoe COVID-19 bepaalde soorten circulatie in de longen beïnvloedt.
De scan had ook een onverwacht voordeel: het hielp de onderzoekers vrienden en familie te overtuigen zich te laten vaccineren.In ernstige gevallen van COVID-19 lijken veel bloedvaten in de longen verwijd en gezwollen, en in mindere mate kunnen zich abnormale bundels van kleine bloedvaten vormen.
“Als je naar de structuur van een long kijkt van iemand die aan COVID is overleden, lijkt het niet op een long – het is een puinhoop”, zei Tafolo.
Hij voegde eraan toe dat de scans zelfs in gezonde organen subtiele anatomische kenmerken onthulden die nooit werden vastgelegd omdat geen enkel menselijk orgaan ooit zo gedetailleerd was onderzocht.Met meer dan $1 miljoen aan financiering van het Chan Zuckerberg Initiative (een non-profitorganisatie opgericht door Facebook-CEO Mark Zuckerberg en de vrouw van Zuckerberg, arts Priscilla Chan), is het HiP-CT-team momenteel bezig met het creëren van een zogenaamde atlas van menselijke organen.
Tot nu toe heeft het team scans vrijgegeven van vijf organen – het hart, de hersenen, de nieren, de longen en de milt – gebaseerd op de organen die door Ackermann en Jonigk zijn gedoneerd tijdens hun COVID-19-autopsie in Duitsland en het gezondheidscontroleorgaan LADAF.Anatomisch laboratorium van Grenoble.Het team produceerde de gegevens, evenals vluchtfilms, op basis van gegevens die vrij beschikbaar zijn op internet.De Atlas of Human Organs breidt zich snel uit: nog eens 30 organen zijn gescand en nog eens 80 bevinden zich in verschillende stadia van voorbereiding.Bijna 40 verschillende onderzoeksgroepen namen contact op met het team om meer te weten te komen over de aanpak, zei Li.
UCL-cardioloog Cook ziet grote mogelijkheden in het gebruik van HiP-CT om de basisanatomie te begrijpen.UCL-radioloog Joe Jacob, gespecialiseerd in longziekten, zei dat HiP-CT “van onschatbare waarde zal zijn voor het begrijpen van ziekten”, vooral in driedimensionale structuren zoals bloedvaten.
Zelfs de kunstenaars mengden zich in de strijd.Barney Steele van het in Londen gevestigde ervaringskunstcollectief Marshmallow Laser Feast zegt dat hij actief onderzoekt hoe HiP-CT-gegevens kunnen worden onderzocht in meeslepende virtuele realiteit.“In wezen creëren we een reis door het menselijk lichaam”, zei hij.
Maar ondanks alle beloften van HiP-CT zijn er serieuze problemen.Ten eerste, zegt Walsh, genereert een HiP-CT-scan een ‘verbijsterende hoeveelheid gegevens’, gemakkelijk een terabyte per orgaan.Om artsen in staat te stellen deze scans in de echte wereld te gebruiken, hopen de onderzoekers een cloudgebaseerde interface te ontwikkelen om er doorheen te navigeren, zoals Google Maps voor het menselijk lichaam.
Ze moesten het ook gemakkelijker maken om scans om te zetten in werkbare 3D-modellen.Zoals alle CT-scanmethoden werkt HiP-CT door veel 2D-plakken van een bepaald object te nemen en deze op elkaar te stapelen.Zelfs vandaag de dag wordt een groot deel van dit proces handmatig uitgevoerd, vooral bij het scannen van abnormaal of ziek weefsel.Lee en Walsh zeggen dat de prioriteit van het HiP-CT-team het ontwikkelen van machine learning-methoden is die deze taak gemakkelijker kunnen maken.
Deze uitdagingen zullen groter worden naarmate de atlas van menselijke organen groter wordt en onderzoekers ambitieuzer worden.Het HiP-CT-team gebruikt het nieuwste ESRF-straalapparaat, genaamd BM18, om de organen van het project te blijven scannen.De BM18 produceert een grotere röntgenstraal, wat betekent dat scannen minder tijd kost, en de BM18 röntgendetector kan tot 38 meter afstand van het te scannen object worden geplaatst, waardoor de scan duidelijker wordt.De BM18-resultaten zijn al erg goed, zegt Taforo, die enkele originele monsters van de menselijke orgaanatlas opnieuw heeft gescand op het nieuwe systeem.
De BM18 kan ook zeer grote objecten scannen.Met de nieuwe faciliteit is het team van plan om tegen eind 2023 de hele romp van het menselijk lichaam in één klap te scannen.
Taforo onderzocht het enorme potentieel van de technologie en zei: “We staan ​​eigenlijk nog maar aan het begin.”
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Alle rechten voorbehouden.