Unha nova técnica de dixitalización produce imaxes con gran detalle que poderían revolucionar o estudo da anatomía humana.
Cando Paul Taforo viu as súas primeiras imaxes experimentais de vítimas da luz do COVID-19, pensou que fracasara.Paleontólogo de formación, Taforo pasou meses traballando con equipos de toda Europa para converter os aceleradores de partículas dos Alpes franceses en ferramentas de exploración médica revolucionarias.
Foi a finais de maio de 2020, e os científicos estaban ansiosos por comprender mellor como o COVID-19 destrúe os órganos humanos.Taforo recibiu o encargo de desenvolver un método que puidese utilizar os raios X de alta potencia producidos pola Instalación Europea de Radiación de Sincrotrón (ESRF) en Grenoble, Francia.Como científico da ESRF, superou os límites dos raios X de alta resolución de fósiles de rochas e momias secas.Agora estaba aterrorizado coa masa suave e pegajosa de toallas de papel.
As imaxes mostráronlles máis detalles que calquera tomografía computarizada médica que xa viran antes, o que lles permitiu superar as teimosas lagoas na forma en que os científicos e médicos visualizan e comprenden os órganos humanos."Nos libros de texto de anatomía, cando o ves, é a gran escala, é a pequena escala, e son fermosas imaxes debuxadas a man por un motivo: son interpretacións artísticas porque non temos imaxes", University College London (UCL). ) dito..A investigadora sénior Claire Walsh dixo."Por primeira vez podemos facer o real".
Taforo e Walsh forman parte dun equipo internacional de máis de 30 investigadores que crearon unha poderosa nova técnica de exploración de raios X chamada Tomografía de contraste de fase xerárquica (HiP-CT).Con el, finalmente poden pasar dun órgano humano completo a unha visión ampliada dos vasos sanguíneos máis pequenos do corpo ou incluso das células individuais.
Este método xa está a proporcionar unha nova visión de como o COVID-19 dana e remodela os vasos sanguíneos dos pulmóns.Aínda que as súas perspectivas a longo prazo son difíciles de determinar porque nunca antes existiu nada como o HiP-CT, os investigadores entusiasmados polo seu potencial están a visualizar con entusiasmo novas formas de entender a enfermidade e mapear a anatomía humana cun mapa topográfico máis preciso.
O cardiólogo de UCL Andrew Cooke dixo: "A maioría da xente pode sorprenderse de que levamos centos de anos estudando a anatomía do corazón, pero non hai consenso sobre a estrutura normal do corazón, especialmente o corazón... As células musculares e como cambia. cando o corazón late”.
"Estivo esperando toda a miña carreira", dixo.
A técnica HiP-CT comezou cando dous patólogos alemáns competiron para rastrexar os efectos punitivos do virus SARS-CoV-2 no corpo humano.
Danny Jonigk, patólogo torácico da Facultade de Medicina de Hannover, e Maximilian Ackermann, patólogo do Centro Médico Universitario de Mainz, estaban en alerta máxima cando comezaban a espallarse noticias do inusual caso de pneumonía en China.Ambos tiñan experiencia no tratamento de enfermidades pulmonares e souberon de inmediato que a COVID-19 era inusual.A parella estaba especialmente preocupada polos informes de "hipoxia silenciosa" que mantivo espertos aos pacientes con COVID-19 pero que fixo que os seus niveis de osíxeno no sangue caesen en picado.
Ackermann e Jonig sospeitan que o SARS-CoV-2 ataca dalgún xeito os vasos sanguíneos dos pulmóns.Cando a enfermidade se estendeu a Alemaña en marzo de 2020, a parella comezou as autopsias das vítimas de COVID-19.Pronto probaron a súa hipótese vascular inxectando resina en mostras de tecido e despois disolvendo o tecido en ácido, deixando un modelo preciso da vasculatura orixinal.
Usando esta técnica, Ackermann e Jonigk compararon tecidos de persoas que non morreron por COVID-19 cos de persoas que morreron.Inmediatamente viron que nas vítimas de COVID-19, os vasos sanguíneos máis pequenos dos pulmóns foron torcidos e reconstruídos.Estes resultados históricos, publicados en liña en maio de 2020, mostran que a COVID-19 non é estrictamente unha enfermidade respiratoria, senón unha enfermidade vascular que pode afectar órganos de todo o corpo.
"Se atravesas o corpo e aliñas todos os vasos sanguíneos, obténs entre 60.000 e 70.000 millas, o que é o dobre da distancia ao redor do ecuador", dixo Ackermann, un patólogo de Wuppertal, Alemaña..Engadiu que se só o 1 por cento destes vasos sanguíneos fose atacado polo virus, o fluxo sanguíneo e a capacidade de absorber osíxeno veríanse comprometidos, o que podería levar a consecuencias devastadoras para todo o órgano.
Unha vez que Jonigk e Ackermann se decataron do impacto da COVID-19 nos vasos sanguíneos, déronse conta de que necesitaban comprender mellor o dano.
As radiografías médicas, como as tomografías computarizadas, poden proporcionar vistas de órganos enteiros, pero non teñen unha resolución suficientemente alta.Unha biopsia permite aos científicos examinar mostras de tecido baixo un microscopio, pero as imaxes resultantes representan só unha pequena parte de todo o órgano e non poden mostrar como se desenvolve a COVID-19 nos pulmóns.E a técnica de resina que desenvolveu o equipo require disolver o tecido, o que destrúe a mostra e limita a investigación.
"Ao final do día, [os pulmóns] reciben osíxeno e o dióxido de carbono sae, pero para iso, ten miles de quilómetros de vasos sanguíneos e capilares, moi pouco espaciados... é case un milagre", dixo Jonigk, fundador. investigador principal do Centro Alemán de Investigación Pulmón."Entón, como podemos realmente avaliar algo tan complexo como o COVID-19 sen destruír órganos?"
Jonigk e Ackermann necesitaban algo sen precedentes: unha serie de raios X do mesmo órgano que permitise aos investigadores ampliar partes do órgano a escala celular.En marzo de 2020, o dúo alemán contactou co seu colaborador Peter Lee, científico de materiais e catedrático de tecnoloxías emerxentes da UCL.A especialidade de Lee é o estudo de materiais biolóxicos mediante potentes raios X, polo que os seus pensamentos se dirixiron inmediatamente aos Alpes franceses.
O Centro Europeo de Radiación Sincrotrón está situado nunha parcela triangular de terra na parte noroeste de Grenoble, onde se xuntan dous ríos.O obxecto é un acelerador de partículas que envía electróns en órbitas circulares de media milla de lonxitude case á velocidade da luz.Mentres estes electróns xiran en círculos, os poderosos imáns en órbita deforman o fluxo de partículas, o que fai que os electróns emitan algúns dos raios X máis brillantes do mundo.
Esta poderosa radiación permite ao ESRF espiar obxectos a escala micrométrica ou incluso nanométrica.Adoita utilizarse para estudar materiais como aliaxes e compostos, para estudar a estrutura molecular das proteínas e mesmo para reconstruír fósiles antigos sen separar a pedra do óso.Ackermann, Jonigk e Lee querían utilizar o instrumento xigante para tomar as radiografías máis detalladas de órganos humanos do mundo.
Introduce Taforo, cuxo traballo na ESRF superou os límites do que pode ver a exploración de sincrotrón.A súa impresionante variedade de trucos permitira previamente aos científicos mirar dentro dos ovos de dinosauro e case cortar momias abertas, e case de inmediato Taforo confirmou que os sincrotrones podían teoricamente explorar ben lóbulos pulmonares enteiros.Pero, de feito, escanear órganos humanos enteiros é un gran desafío.
Por unha banda, está o problema da comparación.Os raios X estándar crean imaxes baseadas na cantidade de radiación que absorben os distintos materiais, e os elementos máis pesados ​​absorben máis que os máis lixeiros.Os tecidos brandos están formados maioritariamente por elementos lixeiros —carbono, hidróxeno, osíxeno, etc.— polo que non aparecen claramente nunha radiografía médica clásica.
Unha das grandes cousas do ESRF é que o seu feixe de raios X é moi coherente: a luz viaxa en ondas e, no caso do ESRF, todos os seus raios X comezan coa mesma frecuencia e aliñamento, oscilando constantemente, como as pegadas que deixan. por Reik a través dun xardín zen.Pero a medida que estes raios X atravesan o obxecto, as sutís diferenzas de densidade poden facer que cada raio X se desvíe lixeiramente do camiño, e a diferenza faise máis fácil de detectar a medida que os raios X se afastan do obxecto.Estas desviacións poden revelar sutís diferenzas de densidade dentro dun obxecto, aínda que estea formado por elementos lixeiros.
Pero a estabilidade é outra cuestión.Para realizar unha serie de radiografías ampliadas, o órgano debe fixarse ​​na súa forma natural para que non se doble nin se mova máis dunha milésima de milímetro.Ademais, as sucesivas radiografías do mesmo órgano non coincidirán entre si.Non fai falta dicir que o corpo pode ser moi flexible.
Lee e o seu equipo da UCL tiñan como obxectivo deseñar recipientes que puidesen soportar os raios X de sincrotrón mentres deixaban pasar tantas ondas como fose posible.Lee tamén se encargou da organización xeral do proxecto, por exemplo, os detalles do transporte de órganos humanos entre Alemaña e Francia, e contratou a Walsh, especialista en big data biomédica, para que axude a descubrir como analizar as exploracións.De volta en Francia, o traballo de Taforo incluíu mellorar o procedemento de dixitalización e descubrir como almacenar o órgano no recipiente que estaba construíndo o equipo de Lee.
Tafforo sabía que para que os órganos non se descompoñan, e as imaxes fosen o máis claras posible, debían procesarse con varias porcións de etanol acuoso.Tamén sabía que necesitaba estabilizar o órgano en algo que coincida exactamente coa densidade do órgano.O seu plan era colocar dalgún xeito os órganos en agar rico en etanol, unha substancia similar á marmelada extraída das algas.
Non obstante, o demo está nos detalles: como na maior parte de Europa, Taforo está atrapado na casa e encerrado.Entón, Taforo trasladou a súa investigación a un laboratorio doméstico: pasou anos decorando unha antiga cociña de tamaño medio con impresoras 3D, equipos de química básica e ferramentas utilizadas para preparar ósos de animais para a investigación anatómica.
Taforo utilizou produtos do supermercado local para descubrir como facer agar.Incluso recolle augas pluviais dun tellado que limpou recentemente para facer auga desmineralizada, un ingrediente estándar nas fórmulas de agar de laboratorio.Para practicar o empaquetado de órganos en agar, tomou intestinos de porco dun matadoiro local.
Taforo recibiu autorización para regresar ao ESRF a mediados de maio para a primeira proba de exploración pulmonar de porcos.De maio a xuño, preparou e escaneou o lóbulo pulmonar esquerdo dun home de 54 anos que morreu de COVID-19, que Ackermann e Jonig levaron de Alemaña a Grenoble.
"Cando vin a primeira imaxe, había unha carta de desculpas no meu correo electrónico a todos os implicados no proxecto: fallamos e non puiden obter unha dixitalización de alta calidade", dixo."Acabo de enviarlles dúas imaxes que foron terribles para min pero fantásticas para eles".
Para Lee, da Universidade de California, Los Ángeles, as imaxes son abraiantes: as imaxes de órganos enteiros son similares ás tomografías computarizadas médicas estándar, pero "un millón de veces máis informativas".É coma se o explorador estivera estudando o bosque toda a súa vida, ben sobrevoando o bosque nun avión a reacción xigante ou viaxando polo camiño.Agora volan por riba do dosel coma paxaros con ás.
O equipo publicou a súa primeira descrición completa do enfoque HiP-CT en novembro de 2021, e os investigadores tamén publicaron detalles sobre como o COVID-19 afecta a certos tipos de circulación nos pulmóns.
A exploración tamén tivo un beneficio inesperado: axudou aos investigadores a convencer a amigos e familiares de que se vacinasen.Nos casos graves de COVID-19, moitos vasos sanguíneos dos pulmóns aparecen dilatados e inchados e, en menor medida, poden formarse feixes anormais de pequenos vasos sanguíneos.
"Cando miras a estrutura dun pulmón dunha persoa que morreu por COVID, non parece un pulmón, é un desastre", dixo Tafolo.
Engadiu que mesmo en órganos sans, as exploracións revelaron características anatómicas sutís que nunca se rexistraron porque ningún órgano humano fora examinado con tanto detalle.Con máis de 1 millón de dólares en financiamento da Chan Zuckerberg Initiative (unha organización sen ánimo de lucro fundada polo CEO de Facebook Mark Zuckerberg e a esposa de Zuckerberg, a médica Priscilla Chan), o equipo HiP-CT está creando actualmente o que se chama un atlas de órganos humanos.
Ata o momento, o equipo publicou escaneos de cinco órganos -o corazón, o cerebro, os riles, os pulmóns e o bazo- baseados nos órganos doados por Ackermann e Jonigk durante a súa autopsia de COVID-19 en Alemaña e o órgano de "control" da saúde LADAF.Laboratorio de Anatomía de Grenoble.O equipo produciu os datos, así como as películas de voos, baseándose en datos que están dispoñibles gratuitamente en Internet.O Atlas de órganos humanos está a expandirse rapidamente: outros 30 órganos foron escaneados e outros 80 están en varias fases de preparación.Case 40 grupos de investigación diferentes contactaron co equipo para coñecer máis sobre o enfoque, dixo Li.
O cardiólogo da UCL Cook ve un gran potencial no uso de HiP-CT para comprender a anatomía básica.O radiólogo da UCL Joe Jacob, especializado en enfermidades pulmonares, dixo que a HiP-CT será "inestimable para comprender a enfermidade", especialmente en estruturas tridimensionais como os vasos sanguíneos.
Mesmo os artistas entraron na pelexa.Barney Steele, do colectivo de arte experiencial Marshmallow Laser Feast con sede en Londres, di que está a investigar activamente como se poden explorar os datos de HiP-CT na realidade virtual inmersiva."Esencialmente, estamos creando unha viaxe polo corpo humano", dixo.
Pero a pesar de todas as promesas de HiP-CT, hai serios problemas.En primeiro lugar, di Walsh, unha exploración HiP-CT xera unha "cantidade asombrosa de datos", facilmente un terabyte por órgano.Para permitir que os médicos utilicen estas exploracións no mundo real, os investigadores esperan desenvolver unha interface baseada na nube para navegar por elas, como Google Maps para o corpo humano.
Tamén necesitaban facilitar a conversión de dixitalizacións en modelos 3D viables.Como todos os métodos de exploración por tomografía computarizada, HiP-CT funciona tomando moitas porcións 2D dun obxecto determinado e apilándoas.Aínda hoxe, gran parte deste proceso realízase manualmente, especialmente cando se exploran tecidos anormais ou enfermos.Lee e Walsh din que a prioridade do equipo HiP-CT é desenvolver métodos de aprendizaxe automática que poidan facilitar esta tarefa.
Estes desafíos ampliaranse a medida que se expanda o atlas de órganos humanos e os investigadores se fagan máis ambiciosos.O equipo de HiP-CT está a usar o dispositivo de feixe ESRF máis recente, chamado BM18, para continuar escaneando os órganos do proxecto.O BM18 produce un feixe de raios X máis grande, o que significa que a dixitalización leva menos tempo, e o detector de raios X BM18 pódese colocar a unha distancia de ata 38 metros (125 pés) do obxecto que se está a dixitalizar, o que fai que a exploración sexa máis clara.Os resultados do BM18 xa son moi bos, di Taforo, quen volveu escanear algunhas das mostras orixinais do Human Organ Atlas no novo sistema.
O BM18 tamén pode dixitalizar obxectos moi grandes.Coas novas instalacións, o equipo planea escanear todo o torso do corpo humano dunha soa vez para finais de 2023.
Explorando o enorme potencial da tecnoloxía, Taforo dixo: "Realmente estamos só no comezo".
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Todos os dereitos reservados.