Téhnik scanning anyar ngahasilkeun gambar kalayan detil anu hébat anu tiasa ngarobih kajian anatomi manusa.
Nalika Paul Taforo ningali gambar ékspérimén munggaran ngeunaan korban cahaya COVID-19, anjeunna panginten anjeunna gagal.Ahli paleontologi ku palatihan, Taforo nyéépkeun sababaraha bulan damel sareng tim di Éropa pikeun ngarobih akselerator partikel di Alps Perancis janten alat scanning médis revolusioner.
Éta dina ahir Mei 2020, sareng para ilmuwan hoyong pisan ngartos kumaha COVID-19 ngancurkeun organ manusa.Taforo ditugaskeun pikeun ngembangkeun metode anu tiasa nganggo sinar-X kakuatan tinggi anu diproduksi ku European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) di Grenoble, Perancis.Salaku élmuwan ESRF, anjeunna parantos ngadorong wates sinar-x resolusi luhur fosil batu sareng mummies garing.Ayeuna anjeunna sieun ku anduk kertas anu lemes sareng caket.
Gambar-gambar nunjukkeun aranjeunna langkung rinci tibatan scan CT médis anu kantos aranjeunna tingali sateuacanna, ngamungkinkeun aranjeunna pikeun ngatasi jurang anu nekad kumaha para ilmuwan sareng dokter ngabayangkeun sareng ngartos organ manusa."Dina buku ajar anatomi, nalika anjeun ningali éta, éta skala ageung, éta skala leutik, sareng aranjeunna gambar anu digambar tangan anu saé pikeun hiji alesan: aranjeunna interpretasi artistik sabab urang henteu gaduh gambar," University College London (UCL). ) ceuk..Panalungtik Senior Claire Walsh ceuk."Pikeun kahiji kalina urang tiasa ngalakukeun hal anu nyata."
Taforo sareng Walsh mangrupikeun bagian tina tim internasional langkung ti 30 peneliti anu parantos nyiptakeun téknik scanning sinar-X énggal anu disebut Hierarchical Phase Contrast Tomography (HiP-CT).Kalayan éta, aranjeunna tungtungna tiasa angkat tina organ manusa anu lengkep ka pandangan anu ngagedekeun pembuluh darah pangleutikna awak atanapi bahkan sél individu.
Métode ieu parantos masihan wawasan énggal ngeunaan kumaha COVID-19 ngarusak sareng ngarobih deui pembuluh darah dina bayah.Sanajan prospek jangka panjang na hese nangtukeun sabab euweuh kawas HiP-CT kantos eksis sateuacan, peneliti gumbira ku poténsi na anu antusias envisioning cara anyar ngartos kasakit jeung peta anatomi manusa kalawan peta topographic leuwih akurat.
Ahli kardiologi UCL Andrew Cooke nyarios: "Seueur jalma heran yén urang parantos diajar anatomi jantung salami ratusan taun, tapi teu aya konsensus ngeunaan struktur normal jantung, khususna jantung ... Sél otot sareng kumaha parobahanana. nalika jantung ketak."
"Kuring parantos ngantosan sadayana karir kuring," saurna.
Téhnik HiP-CT dimimitian nalika dua ahli patologi Jerman bersaing pikeun ngalacak épék hukuman tina virus SARS-CoV-2 dina awak manusa.
Danny Jonigk, ahli patologi thoracic di Hannover Medical School, sareng Maximilian Ackermann, ahli patologi di University Medical Center Mainz, waspada pisan nalika warta ngeunaan kasus pneumonia anu teu biasa mimiti sumebar di China.Duanana ngagaduhan pangalaman ngubaran kaayaan paru-paru sareng langsung terang yén COVID-19 teu biasa.Panganten éta prihatin khususna ngeunaan laporan "hipoksia jempé" anu ngajaga pasien COVID-19 hudang tapi nyababkeun tingkat oksigén getihna turun.
Ackermann sareng Jonig curiga yén SARS-CoV-2 kumaha waé nyerang pembuluh darah dina bayah.Nalika panyakit nyebar ka Jérman dina Maret 2020, pasangan éta ngamimitian autopsi pikeun korban COVID-19.Aranjeunna geura-giru nguji hipotésis vaskular maranéhanana ku injecting résin kana sampel jaringan lajeng ngabubarkeun jaringan dina asam, ninggalkeun model akurat vasculature aslina.
Nganggo téknik ieu, Ackermann sareng Jonigk ngabandingkeun jaringan tina jalma anu henteu maot tina COVID-19 ka jalma anu maot.Aranjeunna langsung ningali yén dina korban COVID-19, pembuluh darah pangleutikna dina bayah dipintal sareng direkonstruksi.Hasil landmark ieu, diterbitkeun sacara online dina Méi 2020, nunjukkeun yén COVID-19 sanés mangrupikeun panyakit engapan, tapi mangrupikeun panyakit vaskular anu tiasa mangaruhan organ sapanjang awak.
"Upami anjeun ngalangkungan awak sareng align sadaya pembuluh darah, anjeun nampi 60,000 dugi ka 70,000 mil, anu dua kali jarakna di sekitar katulistiwa," saur Ackermann, ahli patologi ti Wuppertal, Jérman..Anjeunna nambahan yén lamun ngan 1 persén pembuluh darah ieu diserang ku virus, aliran getih sarta pangabisa pikeun nyerep oksigén bakal compromised, nu bisa ngakibatkeun konsékuansi dahsyat pikeun sakabéh organ.
Sakali Jonigk sareng Ackermann sadar dampak COVID-19 dina pembuluh darah, aranjeunna sadar yén aranjeunna kedah langkung ngartos karusakan.
X-ray médis, sapertos CT scan, tiasa masihan pandangan ka sadaya organ, tapi henteu résolusi anu cukup luhur.Biopsi ngamungkinkeun para ilmuwan pikeun mariksa conto jaringan dina mikroskop, tapi gambar anu hasilna ngan ukur ngagambarkeun sawaréh leutik tina sakumna organ sareng henteu tiasa nunjukkeun kumaha COVID-19 berkembang dina bayah.Jeung téhnik résin tim dimekarkeun merlukeun ngabubarkeun jaringan, nu ngancurkeun sampel sarta ngawatesan panalungtikan salajengna.
"Dina ahir poé, [paru-paru] meunang oksigén sareng karbon dioksida kaluar, tapi pikeun éta, éta ngagaduhan rébuan mil pembuluh darah sareng kapilér, jarakna ipis pisan ... éta ampir mujijat," saur Jonigk, pangadeg. investigator poko di Jerman Lung Panalungtikan Center."Jadi kumaha urang tiasa leres-leres ngevaluasi hal anu kompleks sapertos COVID-19 tanpa ngancurkeun organ?"
Jonigk sareng Ackermann peryogi hal anu teu pernah terjadi: sauntuyan sinar-x tina organ anu sami anu ngamungkinkeun para panalungtik ngagedekeun bagian-bagian organ kana skala sélulér.Dina Maret 2020, duo Jérman ngahubungi kolaborator anu lami Peter Lee, élmuwan bahan sareng korsi téknologi anu muncul di UCL.Kaahlian Lee nyaéta ngulik bahan biologis ngagunakeun sinar-X anu kuat, ku kituna pikiranna langsung ngalih ka Alpen Perancis.
Pusat Radiasi Synchrotron Éropa ayana dina lahan triangular di beulah kalér-kuloneun Grenoble, dimana dua walungan papanggih.Obyék nyaéta akselerator partikel anu ngirimkeun éléktron dina orbit sirkular panjangna satengah mil dina ampir laju cahaya.Nalika éléktron ieu berputar dina bunderan, magnét anu kuat dina orbit ngalungkeun aliran partikel, nyababkeun éléktron mancarkeun sababaraha sinar-X anu paling terang di dunya.
Radiasi anu kuat ieu ngamungkinkeun ESRF nénjo objék dina mikrométer atanapi skala nanometer.Hal ieu mindeng dipaké pikeun diajar bahan kayaning alloy na composites, pikeun neuleuman struktur molekul protéin, komo pikeun ngarekonstruksikeun fosil kuna tanpa misahkeun batu tina tulang.Ackermann, Jonigk sareng Lee hoyong nganggo alat raksasa pikeun nyandak sinar-x anu paling rinci di dunya ngeunaan organ manusa.
Lebetkeun Taforo, anu damel di ESRF parantos nyorong wates-wates anu tiasa ditingali ku synchrotron scanning.Asép Sunandar Sunarya impressive na trik saméméhna geus diwenangkeun élmuwan pikeun peer jero endog dinosaurus sarta ampir motong mummies kabuka, sarta ampir geuwat Taforo dikonfirmasi yén synchrotrons téoritis bisa nyeken sakabéh lobus paru ogé.Tapi kanyataanna, nyeken sadaya organ manusa mangrupikeun tantangan anu ageung.
Di hiji sisi, aya masalah ngabandingkeun.Sinar-X standar nyiptakeun gambar dumasar kana sabaraha radiasi bahan anu béda-béda nyerep, kalayan unsur anu langkung beurat nyerep langkung seueur tibatan anu langkung hampang.Jaringan lemes lolobana diwangun ku unsur-unsur cahaya—karbon, hidrogén, oksigén, jeung sajabana—ngarah teu katémbong jelas dina x-ray médis klasik.
Salah sahiji hal anu hébat ngeunaan ESRF nyaéta sinar X-ray na koheren pisan: cahaya ngarambat dina gelombang, sareng dina kasus ESRF, sadaya sinar-X na dimimitian dina frékuénsi sareng alignment anu sami, terus-terusan osilasi, sapertos tapak suku kénca. ku Reik ngaliwatan taman zen.Tapi sakumaha sinar-X ieu ngaliwatan obyék, béda halus dina dénsitas bisa ngabalukarkeun unggal X-ray rada nyimpang tina jalur, sarta bédana jadi gampang pikeun ngadeteksi salaku sinar-X pindah leuwih jauh ti objék.simpangan ieu bisa nembongkeun béda dénsitas halus dina hiji obyék, sanajan diwangun ku elemen lampu.
Tapi stabilitas mangrupikeun masalah sanés.Pikeun nyandak sauntuyan sinar-x anu digedékeun, organ éta kedah dibenerkeun dina bentuk alamna supados henteu ngabengkokkeun atanapi ngalih langkung ti sapersarébu milimeter.Sumawona, sinar-x berturut-turut tina organ anu sami moal cocog.Gunana pikeun nyebutkeun kitu, awak tiasa pisan fléksibel.
Lee sareng timnya di UCL narékahan pikeun ngarancang wadah anu tiasa tahan sinar-X synchrotron bari tetep ngantepkeun saloba-lobana gelombang.Lee ogé nanganan organisasi sakabéh proyék-contona, rinci transporting organ manusa antara Jerman jeung Perancis-jeung hired Walsh, anu specializes dina data badag biomedis, pikeun mantuan angka kaluar kumaha carana nganalisis scan.Deui di Perancis, karya Taforo kaasup ngaronjatkeun prosedur scanning sarta figuring kaluar kumaha carana nyimpen organ dina wadahna tim Lee urang ngawangun.
Tafforo terang yén supados organ henteu terurai, sareng gambarna sajelas-gancangna, aranjeunna kedah diolah ku sababaraha porsi étanol cai.Anjeunna ogé terang yén anjeunna kedah nyaimbangkeun organ dina hal anu cocog sareng dénsitas organ.Rencanana nyaéta pikeun nempatkeun organ-organ éta dina agar-agar anu beunghar étanol, zat sapertos jeli anu sasari tina juket laut.
Nanging, sétan aya dina detil - sapertos di kalolobaan Éropa, Taforo macét di bumi sareng dikonci.Jadi Taforo dipindahkeun panalungtikan na kana lab imah: Anjeunna spent taun decorating urut dapur tengah-ukuran jeung printer 3D, parabot kimia dasar sarta parabot dipaké pikeun nyiapkeun tulang sato pikeun panalungtikan anatomis.
Taforo ngagunakeun produk ti toko kelontong lokal pikeun terang kumaha carana ngadamel agar.Anjeunna malah ngumpulkeun stormwater tina hateup anjeunna nembe cleaned sangkan cai demineralized, bahan baku dina rumus agar lab-grade.Pikeun latihan ngabungkus organ dina agar, anjeunna nyandak peujit babi ti rumah jagal lokal.
Taforo diberesihan pikeun uih deui ka ESRF dina pertengahan Méi pikeun tés paru-paru munggaran babi.Ti Méi nepi ka Juni, anjeunna nyiapkeun sareng nyeken lobus paru-paru kénca saurang lalaki 54 taun anu maot ku COVID-19, anu dicandak ku Ackermann sareng Jonig ti Jerman ka Grenoble.
"Nalika kuring ningali gambar anu munggaran, aya surat hapunten dina email kuring ka sadayana anu kalibet dina proyék éta: kami gagal sareng kuring henteu tiasa nampi scan kualitas luhur," saurna."Kuring ngan ngirimkeun aranjeunna dua gambar anu pikasieuneun pikeun kuring tapi saé pikeun aranjeunna."
Pikeun Lee ti University of California, Los Angeles, gambar-gambar éta stunning: gambar sakabeh-organ anu sarupa jeung scan CT médis baku, tapi "sajuta kali leuwih informatif."Saolah-olah nu ngajajah geus diajar leuweung sapanjang hirupna, boh ngalayang ngaliwatan leuweung dina pesawat jet raksasa, atawa iinditan sapanjang jalan satapak.Ayeuna maranehna soar luhureun kanopi kawas manuk dina jangjang.
Tim éta nyebarkeun pedaran lengkep munggaran ngeunaan pendekatan HiP-CT dina bulan Nopémber 2021, sareng panaliti ogé ngaluarkeun detil ngeunaan kumaha COVID-19 mangaruhan sababaraha jinis sirkulasi dina paru-paru.
Scan ogé ngagaduhan kauntungan anu teu kaduga: éta ngabantosan panaliti ngayakinkeun babaturan sareng kulawarga pikeun divaksinasi.Dina kasus parna tina COVID-19, seueur pembuluh darah dina paru-paru katingali ngalegaan sareng ngabareuhan, sareng dina tingkat anu langkung handap, kebat abnormal pembuluh darah leutik tiasa kabentuk.
"Nalika anjeun ningali struktur paru-paru tina jalma anu maot tina COVID, éta henteu siga paru-paru - éta kacau," saur Tafolo.
Anjeunna nambahan yén sanajan dina organ anu séhat, scan éta ngungkabkeun fitur anatomis anu halus anu henteu pernah dirékam kusabab teu aya organ manusa anu kantos ditaliti sacara rinci.Kalayan dana langkung ti $1 juta ti Chan Zuckerberg Initiative (organisasi nirlaba anu diadegkeun ku CEO Facebook Mark Zuckerberg sareng pamajikan Zuckerberg, dokter Priscilla Chan), tim HiP-CT ayeuna nyiptakeun naon anu disebut atlas organ manusa.
Sajauh ieu, tim parantos ngaluarkeun scan tina lima organ - jantung, otak, ginjal, paru-paru, sareng limpa - dumasar kana organ anu disumbangkeun ku Ackermann sareng Jonigk salami autopsi COVID-19 di Jerman sareng organ "kontrol" LADAF.Laboratorium anatomi Grenoble.Tim éta ngahasilkeun data, ogé pilem penerbangan, dumasar kana data anu sayogi gratis dina Internét.Atlas Organ Manusa ngembang pesat: 30 organ sanésna parantos diseken, sareng 80 sanésna aya dina sababaraha tahap persiapan.Ampir 40 kelompok panilitian anu béda ngahubungi tim pikeun langkung seueur ngeunaan pendekatan éta, saur Li.
UCL cardiologist Cook ningali poténsi hébat dina ngagunakeun HiP-CT ngartos anatomi dasar.Ahli radiologi UCL Joe Jacob, anu khusus dina panyakit paru-paru, nyatakeun HiP-CT bakal "teu ternilai pikeun ngartos panyakit," khususna dina struktur tilu diménsi sapertos pembuluh darah.
Malah para seniman meunang kana fray.Barney Steele tina koléktif seni experiential berbasis London Marshmallow Laser Feast nyebutkeun anjeunna aktip nalungtik kumaha data HiP-CT bisa digali dina kanyataanana maya immersive."Intina, urang nyiptakeun perjalanan ngalangkungan awak manusa," saurna.
Tapi sanajan sagala janji HiP-CT, aya masalah serius.Kahiji, nyebutkeun Walsh, a HiP-CT scan ngahasilkeun "jumlah staggering data," gampang a terabyte per organ.Pikeun ngidinan clinicians ngagunakeun scan ieu di dunya nyata, peneliti ngaharepkeun pikeun ngembangkeun antarbeungeut dumasar-awan pikeun nganapigasi aranjeunna, kayaning Google Maps pikeun awak manusa.
Éta ogé kedah ngagampangkeun pikeun ngarobih scan kana modél 3D anu tiasa dianggo.Kawas sakabeh metodeu CT scan, HiP-CT jalan ku cara nyokot loba keureut 2D tina hiji obyék dibikeun tur stacking aranjeunna babarengan.Malah kiwari, loba prosés ieu dipigawé sacara manual, utamana lamun scanning jaringan abnormal atawa diseased.Lee sareng Walsh nyatakeun prioritas tim HiP-CT nyaéta pikeun ngembangkeun metode pembelajaran mesin anu tiasa ngagampangkeun tugas ieu.
Tantangan ieu bakal dilegakeun nalika atlas organ manusa ngembang sareng panaliti janten langkung ambisius.Tim HiP-CT ngagunakeun alat sinar ESRF panganyarna, anu dingaranan BM18, pikeun neraskeun nyeken organ proyék.BM18 ngahasilkeun sinar-X nu leuwih gede, nu hartina nyeken butuh waktu kurang, jeung detektor sinar-X BM18 bisa ditempatkeun nepi ka 125 suku (38 méter) jauh ti obyék nu keur discan, sahingga scan leuwih jelas.Hasilna BM18 parantos saé pisan, saur Taforo, anu parantos nyeken deui sababaraha conto Atlas Organ Asasi Manusa asli dina sistem énggal.
BM18 ogé tiasa nyeken objék anu ageung pisan.Kalayan fasilitas énggal, tim ngarencanakeun pikeun nyeken sakumna awak manusa dina hiji waktos dina ahir taun 2023.
Ngajalajah poténsi anu ageung tina téknologi, Taforo nyarios, "Kami leres-leres di awal."
© 2015-2022 National Geographic Mitra, LLC.Sadaya hak disimpen.