Una nova tècnica d'escaneig produeix imatges amb gran detall que podrien revolucionar l'estudi de l'anatomia humana.
Quan Paul Taforo va veure les seves primeres imatges experimentals de víctimes de la llum COVID-19, va pensar que havia fracassat.Paleontòleg de formació, Taforo va passar mesos treballant amb equips d'arreu d'Europa per convertir els acceleradors de partícules dels Alps francesos en eines d'exploració mèdica revolucionàries.
Va ser a finals de maig de 2020 i els científics estaven ansiosos per entendre millor com la COVID-19 destrueix els òrgans humans.Taforo va rebre l'encàrrec de desenvolupar un mètode que pogués utilitzar els raigs X d'alta potència produïts per l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) a Grenoble, França.Com a científic de l'ESRF, ha superat els límits dels raigs X d'alta resolució de fòssils de roca i mòmies seques.Ara estava aterrit davant la massa suau i enganxosa de tovalloles de paper.
Les imatges els van mostrar més detalls que qualsevol TC mèdica que haguessin vist mai abans, cosa que els va permetre superar els buits obstinats en com els científics i els metges visualitzen i entenen els òrgans humans."En els llibres de text d'anatomia, quan ho veus, és a gran escala, és a petita escala i són belles imatges dibuixades a mà per una raó: són interpretacions artístiques perquè no tenim imatges", University College London (UCL). ) dit..Va dir la investigadora sènior Claire Walsh."Per primera vegada podem fer la realitat".
Taforo i Walsh formen part d'un equip internacional de més de 30 investigadors que han creat una nova i potent tècnica d'exploració de raigs X anomenada Tomografia de contrast de fase jeràrquica (HiP-CT).Amb ell, finalment poden passar d'un òrgan humà complet a una visió ampliada dels vasos sanguinis més petits del cos o fins i tot de cèl·lules individuals.
Aquest mètode ja proporciona una nova visió de com la COVID-19 danya i remodela els vasos sanguinis dels pulmons.Tot i que les seves perspectives a llarg termini són difícils de determinar perquè no hi ha hagut mai res com HiP-CT, els investigadors entusiasmats pel seu potencial estan imaginant amb entusiasme noves maneres d'entendre la malaltia i mapejar l'anatomia humana amb un mapa topogràfic més precís.
El cardiòleg de la UCL, Andrew Cooke, va dir: "La majoria de la gent es pot sorprendre que hem estat estudiant l'anatomia del cor durant centenars d'anys, però no hi ha consens sobre l'estructura normal del cor, especialment el cor... Les cèl·lules musculars i com canvia. quan el cor batega”.
"He estat esperant tota la meva carrera", va dir.
La tècnica HiP-CT va començar quan dos patòlegs alemanys van competir per fer un seguiment dels efectes punitius del virus SARS-CoV-2 al cos humà.
Danny Jonigk, patòleg toràcic de la Facultat de Medicina de Hannover, i Maximilian Ackermann, patòleg del Centre Mèdic de la Universitat de Mainz, estaven en alerta quan començaven a difondre's a la Xina les notícies del cas inusual de pneumònia.Tots dos tenien experiència en el tractament de malalties pulmonars i van saber de seguida que la COVID-19 era inusual.La parella estava especialment preocupada pels informes d'"hipòxia silenciosa" que va mantenir desperts els pacients amb COVID-19, però va provocar que els seus nivells d'oxigen en sang caiguessin en picat.
Ackermann i Jonig sospiten que el SARS-CoV-2 d'alguna manera ataca els vasos sanguinis dels pulmons.Quan la malaltia es va estendre a Alemanya el març de 2020, la parella va començar les autòpsies a les víctimes de la COVID-19.Aviat van provar la seva hipòtesi vascular injectant resina a mostres de teixit i després dissolent el teixit en àcid, deixant un model precís de la vasculatura original.
Mitjançant aquesta tècnica, Ackermann i Jonigk van comparar teixits de persones que no van morir per COVID-19 amb els de persones que ho van fer.Immediatament van veure que en les víctimes de la COVID-19, els vasos sanguinis més petits dels pulmons es van torçar i reconstruir.Aquests resultats històrics, publicats en línia el maig de 2020, mostren que la COVID-19 no és estrictament una malaltia respiratòria, sinó una malaltia vascular que pot afectar òrgans de tot el cos.
"Si passeu pel cos i alineeu tots els vasos sanguinis, obteniu entre 60.000 i 70.000 milles, que és el doble de la distància al voltant de l'equador", va dir Ackermann, patòleg de Wuppertal, Alemanya..Va afegir que si només l'1 per cent d'aquests vasos sanguinis fos atacat pel virus, el flux sanguini i la capacitat d'absorbir oxigen es veurien compromesos, cosa que podria tenir conseqüències devastadores per a tot l'òrgan.
Un cop Jonigk i Ackermann es van adonar de l'impacte de la COVID-19 en els vasos sanguinis, es van adonar que havien d'entendre millor el dany.
Les radiografies mèdiques, com ara la tomografia computada, poden proporcionar vistes d'òrgans sencers, però no tenen una resolució prou alta.Una biòpsia permet als científics examinar mostres de teixit sota un microscopi, però les imatges resultants representen només una petita part de tot l'òrgan i no poden mostrar com es desenvolupa la COVID-19 als pulmons.I la tècnica de resina que va desenvolupar l'equip requereix dissoldre el teixit, cosa que destrueix la mostra i limita la investigació posterior.
"Al final del dia, [els pulmons] reben oxigen i el diòxid de carboni surt, però per això, té milers de quilòmetres de vasos sanguinis i capil·lars, molt poc espaiats... és gairebé un miracle", va dir Jonigk, fundador, investigador principal del German Lung Research Center."Llavors, com podem avaluar realment una cosa tan complexa com la COVID-19 sense destruir òrgans?"
Jonigk i Ackermann necessitaven alguna cosa sense precedents: una sèrie de raigs X del mateix òrgan que permetessin als investigadors ampliar parts de l'òrgan a escala cel·lular.El març de 2020, el duet alemany es va posar en contacte amb el seu col·laborador de llarga data Peter Lee, científic de materials i president de tecnologies emergents a la UCL.L'especialitat de Lee és l'estudi de materials biològics mitjançant potents raigs X, de manera que els seus pensaments es van dirigir immediatament als Alps francesos.
El Centre Europeu de Radiació de Sincrotró es troba en un tros de terra triangular a la part nord-oest de Grenoble, on es troben dos rius.L'objecte és un accelerador de partícules que envia electrons en òrbites circulars de mitja milla de llargada a gairebé la velocitat de la llum.A mesura que aquests electrons giren en cercles, els potents imants en òrbita deformen el flux de partícules, fent que els electrons emetin alguns dels raigs X més brillants del món.
Aquesta potent radiació permet que l'ESRF espiï objectes a escala micròmetre o fins i tot nanòmetre.Sovint s'utilitza per estudiar materials com ara aliatges i compostos, per estudiar l'estructura molecular de proteïnes i fins i tot per reconstruir fòssils antics sense separar la pedra de l'os.Ackermann, Jonigk i Lee volien utilitzar l'instrument gegant per prendre les radiografies d'òrgans humans més detallades del món.
Introduïu Taforo, el treball del qual a l'ESRF ha superat els límits del que pot veure l'exploració de sincrotró.La seva impressionant varietat de trucs havia permès anteriorment als científics mirar dins dels ous de dinosaure i gairebé tallar mòmies obertes, i gairebé immediatament Taforo va confirmar que els sincrotrons podien escanejar bé els lòbuls pulmonars sencers.Però, de fet, escanejar òrgans humans sencers és un gran repte.
D'una banda, hi ha el problema de la comparació.Els raigs X estàndard creen imatges basades en la quantitat de radiació que absorbeixen els diferents materials, amb els elements més pesats que absorbeixen més que els més lleugers.Els teixits tous estan formats majoritàriament per elements lleugers —carboni, hidrogen, oxigen, etc.—, de manera que no apareixen clarament en una radiografia mèdica clàssica.
Una de les grans coses de l'ESRF és que el seu feix de raigs X és molt coherent: la llum viatja en ones i, en el cas de l'ESRF, tots els seus raigs X comencen a la mateixa freqüència i alineació, oscil·lant constantment, com les petjades que queden. de Reik a través d'un jardí zen.Però a mesura que aquests raigs X travessen l'objecte, les diferències subtils de densitat poden fer que cada raig X es desviï lleugerament del camí, i la diferència es fa més fàcil de detectar a mesura que els raigs X s'allunyen més de l'objecte.Aquestes desviacions poden revelar diferències subtils de densitat dins d'un objecte, fins i tot si està format per elements lleugers.
Però l'estabilitat és un altre tema.Per poder fer una sèrie de radiografies augmentades, l'òrgan s'ha de fixar en la seva forma natural perquè no es doblegui ni es mogui més d'una mil·lèsima part de mil·límetre.A més, les radiografies successives del mateix òrgan no coincidiran entre si.No cal dir, però, que el cos pot ser molt flexible.
Lee i el seu equip de la UCL pretenien dissenyar contenidors que poguessin suportar els raigs X de sincrotró tot deixant passar tantes ones com fos possible.Lee també es va ocupar de l'organització general del projecte, per exemple, els detalls del transport d'òrgans humans entre Alemanya i França, i va contractar Walsh, especialitzat en grans dades biomèdiques, per ajudar a esbrinar com analitzar les exploracions.De tornada a França, el treball de Taforo va incloure millorar el procediment d'escaneig i esbrinar com emmagatzemar l'òrgan al contenidor que l'equip de Lee estava construint.
Tafforo sabia que perquè els òrgans no es descomposéssin i les imatges fossin el més clares possible, s'havien de processar amb diverses porcions d'etanol aquós.També sabia que necessitava estabilitzar l'òrgan en alguna cosa que coincideixi exactament amb la densitat de l'òrgan.El seu pla era col·locar d'alguna manera els òrgans en agar ric en etanol, una substància semblant a la gelatina extreta de les algues.
Tanmateix, el diable està en els detalls: com a la major part d'Europa, Taforo està tancat a casa i tancat.Així que Taforo va traslladar la seva investigació a un laboratori domèstic: va passar anys decorant una antiga cuina de mida mitjana amb impressores 3D, equips bàsics de química i eines utilitzades per preparar ossos d'animals per a la investigació anatòmica.
Taforo va utilitzar productes de la botiga de queviures local per esbrinar com fer agar.Fins i tot recull aigües pluvials d'un sostre que va netejar recentment per fer aigua desmineralitzada, un ingredient estàndard en les fórmules d'agar de laboratori.Per practicar l'embalatge d'òrgans en agar, va agafar intestins de porc d'un escorxador local.
Taforo va ser autoritzat per tornar a l'ESRF a mitjans de maig per a la primera exploració pulmonar de prova de porcs.De maig a juny, va preparar i escanejar el lòbul pulmonar esquerre d'un home de 54 anys que va morir de COVID-19, que Ackermann i Jonig van portar des d'Alemanya a Grenoble.
"Quan vaig veure la primera imatge, hi havia una carta de disculpes al meu correu electrònic a tots els implicats en el projecte: vam fallar i no vaig poder obtenir un escaneig d'alta qualitat", va dir."Acabo d'enviar-los dues fotos que eren terribles per a mi, però genials per a ells".
Per a Lee, de la Universitat de Califòrnia, Los Angeles, les imatges són impressionants: les imatges d'òrgans sencers són similars a les exploracions TC mèdiques estàndard, però "un milió de vegades més informatives".És com si l'explorador hagués estat estudiant el bosc tota la seva vida, ja sigui sobrevolant el bosc en un avió gegant, o viatjant per la pista.Ara s'eleven per sobre del dosser com ocells amb ales.
L'equip va publicar la seva primera descripció completa de l'enfocament HiP-CT el novembre de 2021, i els investigadors també van publicar detalls sobre com el COVID-19 afecta certs tipus de circulació als pulmons.
L'exploració també va tenir un benefici inesperat: va ajudar els investigadors a convèncer amics i familiars perquè es vacunessin.En casos greus de COVID-19, molts vasos sanguinis dels pulmons semblen dilatats i inflats i, en menor mesura, es poden formar paquets anormals de petits vasos sanguinis.
"Quan mireu l'estructura d'un pulmó d'una persona que va morir per COVID, no sembla un pulmó, és un desastre", va dir Tafolo.
Va afegir que fins i tot en òrgans sans, les exploracions van revelar trets anatòmics subtils que mai es van registrar perquè mai s'havia examinat cap òrgan humà amb tant detall.Amb més d'un milió de dòlars en finançament de la Chan Zuckerberg Initiative (una organització sense ànim de lucre fundada pel CEO de Facebook Mark Zuckerberg i la dona de Zuckerberg, la metgessa Priscilla Chan), l'equip HiP-CT està creant actualment el que s'anomena un atles d'òrgans humans.
Fins ara, l'equip ha publicat exploracions de cinc òrgans (el cor, el cervell, els ronyons, els pulmons i la melsa) basats en els òrgans donats per Ackermann i Jonigk durant la seva autòpsia de COVID-19 a Alemanya i l'òrgan de "control" sanitari LADAF.Laboratori anatòmic de Grenoble.L'equip va produir les dades, així com les pel·lícules de vol, a partir de dades que estan disponibles gratuïtament a Internet.L'Atles d'òrgans humans s'està expandint ràpidament: s'han explorat 30 òrgans més i 80 més es troben en diferents etapes de preparació.Gairebé 40 grups de recerca diferents van contactar amb l'equip per obtenir més informació sobre l'enfocament, va dir Li.
El cardiòleg de la UCL Cook veu un gran potencial en utilitzar HiP-CT per entendre l'anatomia bàsica.El radiòleg de la UCL Joe Jacob, especialitzat en malalties pulmonars, va dir que HiP-CT serà "inestimable per entendre la malaltia", especialment en estructures tridimensionals com els vasos sanguinis.
Fins i tot els artistes van entrar en la baralla.Barney Steele, del col·lectiu d'art vivencial Marshmallow Laser Feast de Londres, diu que està investigant activament com es poden explorar les dades d'HiP-CT a la realitat virtual immersiva."Essencialment, estem creant un viatge pel cos humà", va dir.
Però malgrat totes les promeses de HiP-CT, hi ha problemes greus.En primer lloc, diu Walsh, una exploració HiP-CT genera una "quantitat sorprenent de dades", fàcilment un terabyte per òrgan.Per permetre als metges utilitzar aquestes exploracions al món real, els investigadors esperen desenvolupar una interfície basada en núvol per navegar-hi, com ara Google Maps per al cos humà.
També havien de facilitar la conversió de les exploracions en models 3D viables.Com tots els mètodes d'exploració de TC, HiP-CT funciona agafant moltes rodanxes 2D d'un objecte determinat i apilant-les.Encara avui, gran part d'aquest procés es fa manualment, especialment quan s'escanegen teixits anormals o malalts.Lee i Walsh diuen que la prioritat de l'equip HiP-CT és desenvolupar mètodes d'aprenentatge automàtic que puguin facilitar aquesta tasca.
Aquests reptes s'ampliaran a mesura que s'ampliï l'atles d'òrgans humans i els investigadors siguin més ambiciosos.L'equip HiP-CT està utilitzant l'últim dispositiu de feix ESRF, anomenat BM18, per continuar escanejant els òrgans del projecte.El BM18 produeix un feix de raigs X més gran, el que significa que l'escaneig triga menys temps, i el detector de raigs X BM18 es pot col·locar fins a 125 peus (38 metres) de distància de l'objecte que s'està escanejant, fent-lo escanejar més clar.Els resultats del BM18 ja són molt bons, diu Taforo, que ha tornat a escanejar algunes de les mostres originals de l'Atles d'òrgans humans al nou sistema.
El BM18 també pot escanejar objectes molt grans.Amb la nova instal·lació, l'equip té previst escanejar tot el tors del cos humà d'un sol cop a finals de 2023.
Explorant l'enorme potencial de la tecnologia, Taforo va dir: "Estem realment al començament".
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Tots els drets reservats.