Жаңа сканерлеу әдісі адам анатомиясын зерттеуде төңкеріс жасай алатын егжей-тегжейлі кескіндерді жасайды.
Пол Тафоро өзінің COVID-19 жеңіл құрбандарының алғашқы эксперименталды суреттерін көргенде, ол сәтсіздікке ұшырады деп ойлады.Тәжірибесі бойынша палеонтолог Тафоро Францияның Альпі тауларындағы бөлшектердің үдеткіштерін революциялық медициналық сканерлеу құралына айналдыру үшін Еуропадағы топтармен бірнеше ай жұмыс істеді.
Бұл 2020 жылдың мамыр айының соңында болды және ғалымдар COVID-19 адам ағзаларын қалай бұзатынын жақсырақ түсінуге тырысты.Тафороға Францияның Гренобль қаласындағы Еуропалық синхротрондық сәулелену қондырғысы (ESRF) шығарған жоғары қуатты рентген сәулелерін қолдануға болатын әдісті әзірлеу тапсырылды.ESRF ғалымы ретінде ол тау жыныстарының қалдықтары мен кептірілген мумиялардың жоғары ажыратымдылықтағы рентген сәулелерінің шекарасын итермеледі.Енді ол қағаз сүлгілердің жұмсақ, жабысқақ массасынан қатты қорықты.
Суреттер оларға бұрын көрген кез келген медициналық компьютерлік томографияға қарағанда егжей-тегжейлі көрсетті, бұл оларға ғалымдар мен дәрігерлердің адам мүшелерін қалай елестету және түсінудегі қыңыр олқылықтарды жеңуге мүмкіндік берді.«Анатомия оқулықтарында, сіз оны көргенде, бұл үлкен масштабты, бұл кішігірім масштабты және олар бір себеппен әдемі қолмен салынған кескіндер: олар көркем интерпретациялар, өйткені бізде кескіндер жоқ», - Лондон университетінің колледжі (UCL) ) айтты..Бұл туралы аға ғылыми қызметкер Клэр Уолш мәлімдеді.«Алғаш рет біз нақты нәрсені жасай аламыз».
Тафоро мен Уолш иерархиялық фазалық контрастты томография (HiP-CT) деп аталатын қуатты жаңа рентгендік сканерлеу әдісін жасаған 30-дан астам зерттеушілерден тұратын халықаралық топтың бөлігі.Оның көмегімен олар адамның толық мүшесінен дененің ең кішкентай қан тамырларының немесе тіпті жеке жасушалардың кеңейтілген көрінісіне бара алады.
Бұл әдіс қазірдің өзінде COVID-19 өкпедегі қан тамырларын қалай зақымдайтыны және қалпына келтіретіні туралы жаңа түсінік береді.Оның ұзақ мерзімді перспективаларын анықтау қиын, өйткені HiP-CT сияқты ештеңе бұрын-соңды болмаған, оның әлеуетіне риза болған зерттеушілер ауруды түсінудің және адам анатомиясын дәлірек топографиялық картамен картаға түсірудің жаңа жолдарын ынтамен болжайды.
UCL кардиологы Эндрю Кук былай деді: «Көптеген адамдар жүрек анатомиясын жүздеген жылдар бойы зерттеп келе жатқанымызға таң қалуы мүмкін, бірақ жүректің қалыпты құрылымы, әсіресе жүрек туралы консенсус жоқ ... Бұлшықет жасушалары және оның қалай өзгеретіні туралы. жүрек соққанда».
«Мен бүкіл мансабымды күттім», - деді ол.
HiP-CT әдісі екі неміс патологы SARS-CoV-2 вирусының адам ағзасына жазалау әсерін бақылау үшін жарысқан кезде басталды.
Ганновер медициналық мектебінің кеуде қуысының патологы Дэнни Йонгк пен Майнц университетінің медициналық орталығының патологы Максимилиан Акерманн Қытайда ерекше пневмония оқиғасы туралы жаңалықтар тарала бастаған кезде жоғары дайындықта болды.Екеуінің де өкпе ауруларын емдеу тәжірибесі болды және COVID-19 ерекше екенін бірден білді.Ерлі-зайыптыларды әсіресе COVID-19 пациенттерін сергек ұстаған, бірақ қандағы оттегі деңгейінің төмендеуіне әкелген «тыныш гипоксия» туралы хабарламалар қатты алаңдатты.
Аккерман мен Джониг SARS-CoV-2 қандай да бір жолмен өкпедегі қан тамырларына шабуыл жасайды деп күдіктенеді.Ауру Германияға 2020 жылдың наурыз айында тараған кезде, ерлі-зайыптылар COVID-19 құрбандарына аутопсия жасай бастады.Көп ұзамай олар тін үлгілеріне шайырды енгізу арқылы тамырлы гипотезасын тексерді, содан кейін тіндерді қышқылда ерітіп, бастапқы тамырлардың дәл үлгісін қалдырды.
Осы әдісті қолдана отырып, Аккерман мен Йонгк COVID-19-дан өлмеген адамдардың тіндерін өлген адамдармен салыстырды.Олар COVID-19 құрбандарының өкпедегі ең кішкентай қан тамырларының бұралғанын және қалпына келтірілгенін бірден көрді.Интернетте 2020 жылдың мамыр айында жарияланған бұл маңызды нәтижелер COVID-19 қатаң респираторлық ауру емес, оның бүкіл дене мүшелеріне әсер етуі мүмкін қан тамырлары ауруы екенін көрсетеді.
«Егер сіз денені аралап, барлық қан тамырларын тураласаңыз, сіз 60 000-нан 70 000 мильге дейін аласыз, бұл экватордың айналасындағы қашықтыққа екі есе көп», - деді Вуппертальдан келген патолог Аккерманн, Германия..Ол осы қан тамырларының тек 1 пайызы ғана вирустың шабуылына ұшыраса, қан ағымы мен оттегін сіңіру қабілеті бұзылып, бүкіл орган үшін жойқын зардаптарға әкелуі мүмкін екенін айтты.
Джонигк пен Аккерманн COVID-19-ның қан тамырларына әсерін түсінгеннен кейін, олар зақымдануды жақсы түсіну керек екенін түсінді.
КТ сканерлеу сияқты медициналық рентген сәулелері бүкіл органдардың көрінісін қамтамасыз ете алады, бірақ олар жеткілікті жоғары ажыратымдылыққа ие емес.Биопсия ғалымдарға тін үлгілерін микроскоп астында зерттеуге мүмкіндік береді, бірақ алынған суреттер бүкіл органның аз ғана бөлігін ғана білдіреді және COVID-19 өкпеде қалай дамитынын көрсете алмайды.Команда әзірлеген шайыр техникасы тіндерді ерітуді талап етеді, бұл үлгіні бұзады және одан әрі зерттеулерді шектейді.
«Күннің соңында [өкпелер] оттегін алады және көмірқышқыл газы кетеді, бірақ бұл үшін оның мыңдаған мильдік қан тамырлары мен капиллярлары бар, олар өте жұқа жерде орналасқан ... бұл ғажайып дерлік», - деді Джонигк, негізін қалаушы. неміс өкпені зерттеу орталығының бас зерттеушісі.«Сонымен біз ағзаларды бұзбай, COVID-19 сияқты күрделі нәрсені қалай бағалай аламыз?»
Джонигк пен Аккерманға бұрын-соңды болмаған нәрсе қажет болды: зерттеушілерге органның бөліктерін жасушалық масштабқа дейін үлкейтуге мүмкіндік беретін бір органның рентген сәулелері.2020 жылдың наурыз айында неміс дуэті олардың ұзақ уақыт әріптесі, материалтанушысы және UCL-де дамып келе жатқан технологиялардың төрағасы Питер Лимен байланысқа шықты.Лидің мамандығы - қуатты рентген сәулелерінің көмегімен биологиялық материалдарды зерттеу, сондықтан оның ойлары бірден француз Альпілеріне бұрылды.
Еуропалық синхротрондық сәулелену орталығы Гренобльдің солтүстік-батыс бөлігінде екі өзен түйіскен жердің үшбұрышты жерінде орналасқан.Нысан жарық жылдамдығымен жарты миль ұзындықтағы дөңгелек орбиталарға электрондарды жіберетін бөлшектердің үдеткіші болып табылады.Бұл электрондар шеңбер бойымен айналғанда, орбитадағы күшті магниттер бөлшектер ағынын бұзады, бұл электрондардың әлемдегі ең жарқын рентген сәулелерін шығаруына әкеледі.
Бұл қуатты сәулелену ESRF-ге микрометр немесе тіпті нанометрлік шкаладағы нысандарға тыңшылық жасауға мүмкіндік береді.Ол көбінесе қорытпалар мен композиттер сияқты материалдарды зерттеу үшін, ақуыздардың молекулалық құрылымын зерттеу үшін, тіпті тасты сүйектен ажыратпай, ежелгі қазбаларды қалпына келтіру үшін қолданылады.Аккерманн, Йонгк және Ли алып аспапты адам ағзаларының әлемдегі ең егжей-тегжейлі рентгендік суретін алу үшін пайдаланғысы келді.
ESRF-тегі жұмысы синхротронды сканерлеу көре алатын шекараларды итермелейтін Taforo-ға кіріңіз.Оның әсерлі трюктері бұрын ғалымдарға динозавр жұмыртқаларының ішіне қарап шығуға және ашық мумияларды кесуге дерлік мүмкіндік берді, және Тафоро синхротрондардың теориялық тұрғыдан бүкіл өкпе лобтарын жақсы сканерлей алатынын бірден растады.Бірақ шын мәнінде, бүкіл адам ағзаларын сканерлеу - үлкен қиындық.
Бір жағынан салыстыру мәселесі бар.Стандартты рентген сәулелері әртүрлі материалдардың сәулеленуді қаншалықты сіңіретініне негізделген кескіндерді жасайды, ауыр элементтер жеңілге қарағанда көбірек сіңіреді.Жұмсақ тіндер негізінен жеңіл элементтерден тұрады - көміртегі, сутегі, оттегі және т.б., сондықтан олар классикалық медициналық рентгенде анық көрінбейді.
ESRF туралы керемет нәрселердің бірі - оның рентген сәулесі өте когерентті: жарық толқындармен таралады, ал ESRF жағдайында оның барлық рентгендік сәулелері бірдей жиілікте және теңестіруден басталады, қалған іздер сияқты үнемі тербеледі. Рейк дзен бағы арқылы.Бірақ бұл рентген сәулелері объект арқылы өткенде, тығыздықтағы нәзік айырмашылықтар әрбір рентген сәулесінің жолдан аздап ауытқуына әкелуі мүмкін және рентген сәулелері объектіден алыстаған сайын айырмашылықты анықтау оңайырақ болады.Бұл ауытқулар объектінің ішіндегі нәзік тығыздық айырмашылықтарын көрсете алады, тіпті ол жеңіл элементтерден тұрса да.
Бірақ тұрақтылық басқа мәселе.Бірқатар ұлғайтылған рентген сәулелерін алу үшін органның табиғи пішінінде бекітіліп, ол миллиметрдің мыңнан бір бөлігінен артық майыспайтын немесе қозғалмайтындай болуы керек.Сонымен қатар, бір органның дәйекті рентгендік сәулелері бір-біріне сәйкес келмейді.Дегенмен, дене өте икемді болуы мүмкін екенін айтудың қажеті жоқ.
Ли және оның UCL-дегі командасы синхротрондық рентген сәулелеріне төтеп бере алатын және мүмкіндігінше көп толқындарды өткізетін контейнерлерді жобалауды мақсат етті.Ли сонымен қатар жобаны жалпы ұйымдастырумен айналысты, мысалы, Германия мен Франция арасындағы адам мүшелерін тасымалдау туралы егжей-тегжейлі және сканерлеуді талдауға көмектесу үшін биомедициналық үлкен деректерге маманданған Уолшты жалдады.Францияда Тафороның жұмысына сканерлеу процедурасын жақсарту және Ли командасы салып жатқан контейнерде органды қалай сақтау керектігін анықтау кірді.
Таффоро мүшелер ыдырап кетпеуі үшін және кескіндер мүмкіндігінше анық болуы үшін оларды сулы этанолдың бірнеше порциясымен өңдеу керек екенін білді.Ол сондай-ақ органның тығыздығына дәл сәйкес келетін нәрсеге органды тұрақтандыру керек екенін білді.Оның жоспары қандай да бір жолмен органдарды этанолға бай агарға, теңіз балдырларынан алынған желе тәрізді затқа орналастыру болды.
Дегенмен, шайтан егжей-тегжейлі - Еуропаның көпшілігінде сияқты, Тафоро үйде тұрып, құлыпталады.Осылайша Тафоро өз зерттеулерін үй зертханасына ауыстырды: ол бірнеше жылдар бойы бұрынғы орта өлшемді асүйді 3D принтерлерімен, негізгі химия жабдықтарымен және жануарлар сүйектерін анатомиялық зерттеулерге дайындауға арналған құралдармен безендіруге жұмсады.
Тафоро агарды қалай жасау керектігін анықтау үшін жергілікті азық-түлік дүкенінің өнімдерін пайдаланды.Ол тіпті зертханалық деңгейдегі агар формулаларының стандартты ингредиенті болып табылатын минералсыздандырылған суды жасау үшін жақында тазалаған шатырдан дауыл суын жинайды.Органдарды агарға орау үшін ол жергілікті мал сою алаңынан шошқаның ішегін алды.
Тафоро мамыр айының ортасында шошқалардың алғашқы сынақ өкпе сканерлеуі үшін ESRF-ге оралуға рұқсат алды.Мамырдан маусымға дейін ол Акерман мен Йониг Германиядан Гренобльге алып кеткен COVID-19-дан қайтыс болған 54 жастағы ер адамның сол жақ өкпе бөлігін дайындап, сканерледі.
«Мен бірінші суретті көргенде, менің электрондық поштамда жобаға қатысқандардың барлығынан кешірім сұраған хат болды: біз сәтсіздікке ұшырадық және мен жоғары сапалы сканерлеуді ала алмадым», - деді ол.«Мен оларға мен үшін қорқынышты, бірақ олар үшін керемет екі сурет жібердім».
Лос-Анджелестегі Калифорния университетінің қызметкері Ли үшін суреттер таң қалдырады: бүкіл ағзаның кескіндері стандартты медициналық КТ-ға ұқсайды, бірақ «миллион есе ақпараттандырады».Барлаушы өмір бойы орманды зерттеп, не алып реактивті ұшақпен орманның үстінен ұшып, не соқпақпен саяхаттап өткендей.Енді олар қанат қаққан құстар сияқты шатырдың үстінде қалықтайды.
Команда 2021 жылдың қарашасында HiP-CT әдісінің алғашқы толық сипаттамасын жариялады, сонымен қатар зерттеушілер COVID-19 өкпедегі қан айналымының белгілі бір түрлеріне қалай әсер ететіні туралы мәліметтерді жариялады.
Сканерлеудің күтпеген пайдасы да болды: бұл зерттеушілерге достары мен отбасын вакцинациялауға сендіруге көмектесті.COVID-19 ауыр жағдайларда өкпедегі көптеген қан тамырлары кеңейіп, ісінген болып көрінеді, ал аз дәрежеде ұсақ қан тамырларының қалыптан тыс шоғырлары пайда болуы мүмкін.
«Сіз COVID-тен қайтыс болған адамның өкпесінің құрылымына қарасаңыз, ол өкпеге ұқсамайды - бұл тәртіпсіздік», - деді Тафоло.
Ол тіпті сау мүшелерде де сканерлеу кезінде ешқашан жазылмаған нәзік анатомиялық белгілер анықталғанын айтты, өйткені адамның ешбір мүшесі мұндай егжей-тегжейлі зерттелмеген.Чан Цукерберг бастамасының (Facebook бас директоры Марк Цукерберг пен Цукербергтің әйелі, дәрігер Присцилла Чан негізін қалаған коммерциялық емес ұйым) 1 миллион доллардан астам қаржысы бар HiP-CT тобы қазіргі уақытта адам мүшелерінің атласы деп аталатын нәрсені жасауда.
Осы уақытқа дейін топ Германиядағы COVID-19 аутопсиясы кезінде Акерман мен Йонгк берген мүшелерге және денсаулықты «бақылау» органы LADAF-қа негізделген жүрек, ми, бүйрек, өкпе және көкбауырдың бес органының сканерлеуін шығарды.Гренобльдің анатомиялық зертханасы.Команда Интернетте еркін қол жетімді деректер негізінде деректерді, сондай-ақ ұшу фильмдерін жасады.Адам ағзаларының атласы қарқынды түрде кеңеюде: тағы 30 орган сканерден өтті, тағы 80-і әртүрлі дайындық сатысында.40-қа жуық әртүрлі зерттеу топтары әдіс туралы көбірек білу үшін топпен байланысқа шықты, деді Ли.
UCL кардиологы Кук негізгі анатомияны түсіну үшін HiP-CT пайдаланудың үлкен әлеуетін көреді.Өкпе ауруларына маманданған UCL радиологы Джо Джейкоб HiP-CT әсіресе қан тамырлары сияқты үш өлшемді құрылымдарда «ауруды түсіну үшін баға жетпес» болады деді.
Тіпті әртістер де тартысқа түсті.Лондондағы Marshmallow Laser Feast тәжірибелік өнер ұжымының қызметкері Барни Стил HiP-CT деректерін иммерсивті виртуалды шындықта қалай зерттеуге болатынын белсенді түрде зерттеп жатқанын айтады.«Негізі біз адам денесі арқылы саяхат жасаймыз», - деді ол.
Бірақ HiP-CT барлық уәделеріне қарамастан, күрделі мәселелер бар.Біріншіден, Уолштың айтуынша, HiP-CT сканерлеу «таңқаларлық деректер көлемін», яғни бір органға терабайтты оңай жасайды.Клиниктерге осы сканерлеулерді нақты әлемде пайдалануға мүмкіндік беру үшін зерттеушілер адам ағзасына арналған Google Maps сияқты оларды шарлауға арналған бұлтқа негізделген интерфейсті әзірлеуге үміттенеді.
Олар сондай-ақ сканерлеуді жұмыс істейтін 3D үлгілеріне түрлендіруді жеңілдету керек болды.Барлық компьютерлік томографиялық сканерлеу әдістері сияқты, HiP-CT берілген нысанның көптеген 2D кесінділерін алып, оларды біріктіру арқылы жұмыс істейді.Тіпті бүгінгі күні де бұл процестің көп бөлігі қолмен орындалады, әсіресе қалыптан тыс немесе ауру тіндерді сканерлеу кезінде.Ли мен Уолш HiP-CT командасының басымдылығы бұл тапсырманы жеңілдететін машиналық оқыту әдістерін әзірлеу екенін айтады.
Бұл қиындықтар адам мүшелерінің атласы кеңейіп, зерттеушілердің амбициясы артқан сайын кеңейе береді.HiP-CT тобы жобаның органдарын сканерлеуді жалғастыру үшін BM18 деп аталатын соңғы ESRF сәулелік құрылғысын пайдалануда.BM18 үлкенірек рентген сәулесін шығарады, яғни сканерлеуге аз уақыт кетеді және BM18 рентгендік детектор сканерленетін объектіден 125 фут (38 метр) қашықтықта орналасуы мүмкін, бұл сканерлеуді анық етеді.BM18 нәтижелері қазірдің өзінде өте жақсы, дейді Тафоро, ол жаңа жүйеде Адам ағзалары атласының кейбір түпнұсқа үлгілерін қайта сканерлеген.
BM18 өте үлкен нысандарды да сканерлей алады.Жаңа қондырғының көмегімен команда 2023 жылдың соңына дейін адам денесінің бүкіл денесін бір соққымен сканерлеуді жоспарлап отыр.
Технологияның орасан зор әлеуетін зерттей отырып, Тафоро: «Біз шынымен басындамыз» деді.
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Барлық құқықтар сақталған.