Een nieuwe scantechniek produceert zeer gedetailleerde beelden die een revolutie teweeg 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 gefaald had.Taforo, een paleontoloog van opleiding, werkte maandenlang met teams in heel Europa om deeltjesversnellers in de Franse Alpen om te zetten in revolutionaire medische scantools.
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 zou kunnen maken van de krachtige röntgenstralen die worden 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, kleverige massa keukenpapier.
De beelden toonden meer details dan enige andere medische CT-scan 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, kleinschalig, en het zijn om één reden prachtige handgetekende afbeeldingen: 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 volledig menselijk orgaan naar een vergroot beeld van de kleinste bloedvaten van het lichaam of zelfs individuele cellen gaan.
Deze methode geeft nu al nieuw inzicht in hoe COVID-19 bloedvaten in de longen beschadigt en hervormt.Hoewel de vooruitzichten op de lange termijn moeilijk te bepalen zijn omdat er nog nooit zoiets als HiP-CT heeft bestaan, stellen onderzoekers die enthousiast zijn over het potentieel ervan enthousiast nieuwe manieren voor 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 is geen consensus over de normale structuur van het hart, vooral het hart... Spiercellen en hoe het verandert als het hart klopt.”
"Ik heb mijn hele carrière gewacht", zei hij.
De HiP-CT-techniek begon toen twee Duitse pathologen streden om de bestraffende effecten van het SARS-CoV-2-virus op het menselijk lichaam te volgen.
Danny Jonigk, een thoraxpatholoog aan de medische faculteit van Hannover, en Maximilian Ackermann, een patholoog aan het Universitair Medisch Centrum Mainz, waren zeer alert toen het nieuws over het ongewone 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 meldingen van "stille hypoxie" die COVID-19-patiënten wakker hield, maar ervoor zorgde dat hun bloedzuurstofniveau 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 paar met autopsies op COVID-19-slachtoffers.Ze testten al snel hun vasculaire hypothese door hars in weefselmonsters te injecteren en het weefsel vervolgens op te lossen in zuur, waardoor een nauwkeurig model van het oorspronkelijke vaatstelsel overbleef.
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, online gepubliceerd in mei 2020, tonen aan dat COVID-19 niet strikt een luchtwegaandoening is, maar eerder een vaatziekte die organen in het hele lichaam kan aantasten.
"Als je door het lichaam gaat en alle bloedvaten uitlijnt, krijg je 60.000 tot 70.000 mijl, 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 op te nemen in het gedrang 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 bloedvaten realiseerden, realiseerden ze zich dat ze de schade beter moesten begrijpen.
Medische röntgenfoto's, zoals CT-scans, kunnen volledige organen weergeven, maar de resolutie is niet hoog genoeg.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 ontwikkelde, vereist het oplossen van het weefsel, wat het monster vernietigt en verder onderzoek 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 Lung Research Center."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 konden vergroten tot cellulaire schaal.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 meteen naar de Franse Alpen.
Het European Synchrotron Radiation Centre 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.
Door 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.
Betreed Taforo, wiens werk bij ESRF de grenzen heeft verlegd van wat synchrotronscanning kan zien.De indrukwekkende reeks trucs had wetenschappers eerder in staat gesteld om in dinosauruseieren te kijken en mummies bijna open te snijden, en bijna onmiddellijk bevestigde Taforo dat synchrotrons in theorie hele longkwabben goed kunnen 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 hoeveel straling verschillende materialen absorberen, waarbij zwaardere elementen meer absorberen dan lichtere.Zachte weefsels bestaan ​​meestal uit lichte elementen - koolstof, waterstof, zuurstof, enz. - zodat ze niet duidelijk zichtbaar zijn op een klassieke medische röntgenfoto.
Een van de geweldige dingen van ESRF is dat de röntgenbundel zeer coherent is: licht reist in golven, en in het geval van ESRF beginnen alle röntgenstralen met dezelfde frequentie en uitlijning, voortdurend oscillerend, zoals voetafdrukken achtergelaten door Reik door een zen-tuin.Maar terwijl deze röntgenstralen door het object gaan, kunnen subtiele verschillen in dichtheid ervoor zorgen dat elke röntgenstraal enigszins afwijkt van het pad, en het verschil wordt gemakkelijker te detecteren naarmate de röntgenstralen verder van het object verwijderd raken.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 maken, moet het orgaan in zijn natuurlijke vorm worden gefixeerd, zodat het niet meer dan een duizendste van een millimeter buigt of beweegt.Bovendien zullen opeenvolgende röntgenfoto's van hetzelfde orgaan niet met elkaar overeenkomen.Het behoeft echter geen betoog dat het lichaam zeer flexibel kan zijn.
Lee en zijn team aan de UCL wilden containers ontwerpen die synchrotron-röntgenstralen konden weerstaan ​​en tegelijkertijd zoveel mogelijk golven doorlieten.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 omvatte het werk van Taforo onder meer 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 ervoor te zorgen dat de organen niet ontleden en de beelden zo duidelijk mogelijk zijn, ze moeten 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 die wordt gewonnen uit zeewier.
De duivel zit echter in de details - zoals in het grootste deel van Europa zit Taforo thuis vast 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 van de plaatselijke kruidenierswinkel om erachter te komen hoe je 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 van 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 een verontschuldigingsbrief in mijn e-mail 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 net twee foto's gestuurd die vreselijk voor mij waren, maar geweldig voor hen."
Voor Lee van de Universiteit van Californië, Los Angeles, zijn de beelden verbluffend: beelden van het hele orgaan zijn vergelijkbaar met standaard medische CT-scans, maar "een miljoen keer informatiever".Het is alsof de ontdekkingsreiziger zijn hele leven het bos 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 hun eerste volledige beschrijving van de HiP-CT-benadering in november 2021, 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 kijkt naar de structuur van een long van een persoon die stierf aan COVID, dan lijkt het niet op een long – het is een puinhoop”, zei Tafolo.
Hij voegde eraan toe dat zelfs in gezonde organen de scans subtiele anatomische kenmerken onthulden die nooit werden geregistreerd 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 Zuckerbergs vrouw, arts Priscilla Chan), maakt het HiP-CT-team momenteel 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 – op basis van 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 en vluchtfilmpjes 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 een groot potentieel in het gebruik van HiP-CT om de basisanatomie te begrijpen.UCL-radioloog Joe Jacob, die gespecialiseerd is in longziekte, 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 verkend in meeslepende virtual reality."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 "verbluffende hoeveelheid gegevens", gemakkelijk een terabyte per orgaan.Om clinici in staat te stellen deze scans in de echte wereld te gebruiken, hopen de onderzoekers een cloudgebaseerde interface te ontwikkelen om ze 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-plakjes van een bepaald object te nemen en ze op elkaar te stapelen.Zelfs vandaag de dag wordt veel van dit proces handmatig gedaan, vooral bij het scannen van abnormaal of ziek weefsel.Lee en Walsh zeggen dat de prioriteit van het HiP-CT-team ligt bij het ontwikkelen van methoden voor machinaal leren 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, BM18 genaamd, om door te gaan met het scannen van de organen van het project.De BM18 produceert een grotere röntgenstraal, wat betekent dat het scannen minder tijd kost, en de BM18 röntgendetector kan tot 38 meter van het object dat wordt gescand worden geplaatst, waardoor de scan duidelijker wordt.De BM18-resultaten zijn al erg goed, zegt Taforo, die enkele van de originele Human Organ Atlas-monsters 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 eind 2023 in één klap de hele torso van het menselijk lichaam te scannen.
Taforo onderzocht het enorme potentieel van de technologie en zei: "We staan ​​echt nog maar aan het begin."
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Alle rechten voorbehouden.