Eng nei Scannentechnik produzéiert Biller mat groussen Detail, déi d'Studie vun der mënschlecher Anatomie revolutionéiere kënnen.
Wéi de Paul Taforo seng éischt experimentell Biller vu COVID-19 Liicht Affer gesinn huet, huet hie geduecht datt hie gescheitert wier.E Paläontolog duerch Ausbildung, Taforo huet Méint mat Teams uechter Europa geschafft fir Partikelbeschleuniger an de franséischen Alpen zu revolutionäre medizinesche Scannen Tools ze maachen.
Et war Enn Mee 2020, a Wëssenschaftler ware gäeren besser ze verstoen wéi COVID-19 mënschlech Organer zerstéiert.Den Taforo krut den Optrag fir eng Method z'entwéckelen, déi d'High-Power Röntgenstrahlen, déi vun der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) zu Grenoble, Frankräich produzéiert goufen, benotze konnt.Als ESRF Wëssenschaftler huet hien d'Grenze vun héichopléisende Röntgenstrahlen vu Fielsfossilen a gedréchent Mumie gedréckt.Elo war hien erschreckt vun der mëller, plakeg Mass vu Pabeierhandtücher.
D'Biller hunn hinnen méi Detail gewisen wéi all medizinesche CT Scan, deen se jeemools gesinn hunn, wat hinnen erlaabt hunn haartnäckege Lücken ze iwwerwannen wéi d'Wëssenschaftler an d'Dokteren mënschlech Organer visualiséieren a verstoen."An Anatomie Léierbicher, wann Dir et gesitt, ass et grouss Skala, et ass kleng Skala, a si si schéin handgezeechent Biller aus engem Grond: si sinn artistesch Interpretatioune well mir keng Biller hunn," University College London (UCL) ) gesot..Senior Fuerscher Claire Walsh gesot."Fir déi éischte Kéier kënne mir déi richteg Saach maachen."
Taforo a Walsh sinn Deel vun engem internationale Team vu méi wéi 30 Fuerscher, déi eng mächteg nei Röntgenscannungstechnik genannt Hierarchical Phase Contrast Tomography (HiP-CT) erstallt hunn.Domat kënne se endlech vun engem komplette mënschlechen Uergel op eng vergréissert Vue op déi klengste Bluttgefässer vum Kierper oder souguer eenzel Zellen goen.
Dës Method liwwert schonn neien Abléck wéi den COVID-19 Bluttgefässer an de Longen beschiedegt an ëmbaut.Och wa seng laangfristeg Perspektiven schwéier ze bestëmmen sinn, well näischt wéi HiP-CT jeemools existéiert huet, sinn d'Fuerscher begeeschtert vu sengem Potenzial begeeschtert nei Weeër fir Krankheet ze verstoen an d'mënschlech Anatomie mat enger méi genauer topographescher Kaart ze kartéieren.
UCL Kardiolog Andrew Cooke sot: "Déi meescht Leit kënnen iwwerrascht sinn datt mir d'Anatomie vum Häerz fir Honnerte vu Joer studéiert hunn, awer et gëtt kee Konsens iwwer déi normal Struktur vum Häerz, besonnesch d'Häerz ... Muskelzellen a wéi et ännert. wann d'Häerz klappt."
"Ech hu meng ganz Carrière gewaart," sot hien.
D'Hip-CT Technik huet ugefaang wéi zwee däitsch Pathologen sech konkurréiere fir d'Strofeffekter vum SARS-CoV-2 Virus op de mënschleche Kierper ze verfolgen.
Den Danny Jonigk, en thoracesche Patholog an der Hannover Medical School, an de Maximilian Ackermann, e Patholog am University Medical Center Mainz, waren op héijer Alarm wéi d'Noriichte vum ongewéinleche Fall vu Longenentzündung a China ugefaang hunn ze verbreeden.Béid haten Erfahrung mat der Behandlung vu Lungebedéngungen a woussten direkt datt COVID-19 ongewéinlech war.D'Koppel ware besonnesch besuergt iwwer Berichter iwwer "roueg Hypoxie", déi COVID-19 Patienten waakreg gehaalen hunn awer hir Bluttsauerstoffniveauen erofgaangen hunn.
Ackermann an Jonig de Verdacht datt SARS-CoV-2 iergendwéi d'Bluttgefässer an de Longen attackéiert.Wéi d'Krankheet am Mäerz 2020 an Däitschland verbreet huet, hunn d'Koppel Autopsien op COVID-19 Affer ugefaang.Si hu séier hir vaskulär Hypothese getest andeems se Harz an Tissueproben injizéieren an duerno den Tissu an Säure opléisen, wat e genee Modell vun der ursprénglecher Vaskulatur hannerloosst.
Mat dëser Technik hunn den Ackermann an de Jonigk Stoffer vu Leit verglach déi net un COVID-19 gestuerwe sinn mat deenen vu Leit déi dat gemaach hunn.Si hunn direkt gesinn datt an den Affer vum COVID-19 déi klengste Bluttgefässer an de Longen verdréit a rekonstruéiert goufen.Dës landmark Resultater, online am Mee 2020 publizéiert, weisen datt COVID-19 net strikt eng Atmungskrankheet ass, mee éischter eng vaskulär Krankheet déi Organer am ganze Kierper beaflosse kann.
"Wann Dir duerch de Kierper gitt an all d'Bluttgefässer ausriichten, kritt Dir 60.000 bis 70.000 Meilen, dat ass zweemol d'Distanz ronderëm den Equator", sot den Ackermann, e Patholog aus Wuppertal, Däitschland..Hien huet bäigefüügt datt wann nëmmen 1 Prozent vun dëse Bluttgefässer vum Virus attackéiert ginn, de Bluttfluss an d'Fäegkeet fir Sauerstoff ze absorbéieren kompromittéiert ginn, wat zu zerstéierende Konsequenze fir dat ganzt Organ kéint féieren.
Eemol de Jonigk an den Ackermann den Impakt vum COVID-19 op Bluttgefässer realiséiert hunn, hu se gemierkt datt se de Schued besser musse verstoen.
Medizinesch Röntgenstrahlen, wéi CT Scans, kënne Vue op ganz Organer ubidden, awer si sinn net héich genuch Opléisung.Eng Biopsie erlaabt d'Wëssenschaftler Tissueproben ënner engem Mikroskop z'ënnersichen, awer déi resultéierend Biller representéieren nëmmen e klengen Deel vum ganzen Organ a kënnen net weisen wéi COVID-19 sech an de Longen entwéckelt.An d'Harztechnik, déi d'Team entwéckelt huet, erfuerdert d'Opléisung vum Tissu, wat d'Probe zerstéiert a weider Fuerschung limitéiert.
"Um Enn vum Dag kréien [d'Lunge] Sauerstoff a Kuelendioxid geet eraus, awer dofir huet et Dausende vu Meilen vu Bluttgefässer a Kapillaren, ganz dënn opgedeelt ... et ass bal e Wonner," sot de Jonigk, Grënner, Haaptenquêteur am Däitsche Lungefuerschungszentrum."Also wéi kënne mir wierklech eppes esou komplex wéi COVID-19 evaluéieren ouni Organer ze zerstéieren?"
Jonigk an Ackermann brauche eppes eemolegens: eng Serie vu Röntgenstrahlen vum selwechten Uergel, déi d'Fuerscher erlaben Deeler vum Uergel op d'zellulär Skala ze vergréisseren.Am Mäerz 2020 huet den däitschen Duo hire laangjärege Kollaborateur Peter Lee kontaktéiert, e Materialwëssenschaftler a President vun opkomende Technologien op der UCL.Dem Lee seng Spezialitéit ass d'Studie vu biologesche Materialien mat mächtege Röntgenstrahlen, sou datt seng Gedanken direkt op d'franséisch Alpen gedréint hunn.
Den Europäesche Synchrotronenstralungszentrum läit op engem dreieckegen Terrain am nordwestlechen Deel vu Grenobel, wou zwee Flëss sech treffen.Den Objet ass e Partikelbeschleuniger deen Elektronen an kreesfërmeg Bunnen eng hallef Meile laang mat bal der Liichtgeschwindegkeet schéckt.Wéi dës Elektronen a Kreeser dréinen, kräizen mächteg Magnete an der Ëmlafbunn de Stroum vun de Partikelen, wouduerch d'Elektronen e puer vun den hellsten Röntgenstrahlen op der Welt emittéieren.
Dës mächteg Stralung erlaabt den ESRF op Objeten op der Mikrometer oder souguer Nanometer Skala ze spionéieren.Et gëtt dacks benotzt fir Materialien wéi Legierungen a Kompositen ze studéieren, d'molekulare Struktur vu Proteinen ze studéieren, a souguer antike Fossilien ze rekonstruéieren ouni Steen vu Knach ze trennen.Den Ackermann, de Jonigk an de Lee wollten dat riesegt Instrument benotze fir déi detailléiert Röntgenstrahlen op der Welt vu mënschlechen Organer ze huelen.
Gitt Taforo un, deem seng Aarbecht bei ESRF d'Grenze gedréckt huet wat Synchrotron Scannen gesinn.Seng beandrockend Palette vun Tricks haten d'Wëssenschaftler virdru erlaabt an Dinosaurier Eeër ze kucken a bal Mumie opzeschneiden, a bal direkt huet Taforo bestätegt datt Synchrotronen theoretesch ganz Lungeloben gutt scannen.Awer tatsächlech, ganz mënschlech Organer ze scannen ass eng grouss Erausfuerderung.
Op der enger Säit gëtt et de Problem vum Verglach.Standard Röntgenstrahlen kreéieren Biller baséiert op wéi vill Stralung verschidde Materialien absorbéieren, mat méi schwéier Elementer absorbéieren méi wéi méi hell.Soft Stoffer besteet meeschtens aus liichte Elementer - Kuelestoff, Waasserstoff, Sauerstoff, asw.
Ee vun de grousse Saachen iwwer ESRF ass datt säin Röntgenstrahl ganz kohärent ass: Liicht reest a Wellen, an am Fall vun ESRF fänken all seng Röntgenstrahlen mat der selwechter Frequenz an Ausriichtung un, stänneg oszilléierend, wéi Foussofdréck lénks vun Reik duerch eng Zen Gaart.Awer wéi dës Röntgenstrahlen duerch den Objet passéieren, kënnen subtil Dicht Differenzen all Röntgenstrahl liicht vum Wee ofwäichen, an den Ënnerscheed gëtt méi einfach z'entdecken wéi d'Röntgenstrahlen méi wäit vum Objet bewegen.Dës Ofwäichunge kënnen subtile Dichtdifferenzen bannent engem Objet opdecken, och wann et aus liichte Elementer besteet.
Awer Stabilitéit ass en anert Thema.Fir eng Serie vu vergréissert Röntgenstrahlen ze huelen, muss d'Uergel a senger natierlecher Form fixéiert ginn, sou datt et net méi wéi dausendstel Millimeter béien oder beweegt.Ausserdeem wäerte successiv Röntgenstrahlen vum selwechte Organ net matenee passen.Natierlech kann de Kierper awer ganz flexibel sinn.
Lee a seng Equipe um UCL zielt fir Container ze designen, déi Synchrotron Röntgenstrahlen widderstoen konnten a sou vill Wellen wéi méiglech duerchloossen.Lee huet och d'Gesamtorganisatioun vum Projet gehandhabt - zum Beispill d'Detailer vum Transport vu mënschlechen Organer tëscht Däitschland a Frankräich - an huet de Walsh ugestallt, deen op biomedizinesch Big Data spezialiséiert ass, fir erauszefannen wéi d'Scans analyséiert ginn.Zréck a Frankräich huet dem Taforo seng Aarbecht abegraff d'Verbesserung vun der Scanprozedur an erauszefannen wéi d'Uergel am Container gespäichert gëtt, wat dem Lee seng Equipe gebaut huet.
Den Tafforo wousst datt fir datt d'Organer net zersetzen an d'Biller sou kloer wéi méiglech sinn, musse se mat e puer Portioune vu wässerlechen Ethanol veraarbecht ginn.Hie wousst och datt hien d'Uergel muss stabiliséieren op eppes wat genee mat der Dicht vum Uergel entsprécht.Säi Plang war d'Uergel iergendwéi an ethanolräichen Agar ze placéieren, eng jellyähnlech Substanz, déi aus Seewier extrahéiert gëtt.
Wéi och ëmmer, den Däiwel ass an den Detailer - wéi an de meeschte vun Europa ass den Taforo doheem gespaart a gespaart.Also huet den Taforo seng Fuerschung an en Heemlabo geplënnert: Hien huet Joeren eng fréier mëttelgrouss Kichen mat 3D Dréckeren dekoréiert, Basischemieausrüstung an Tools, déi benotzt gi fir Déiereschachen op anatomesch Fuerschung virzebereeden.
Taforo huet Produkter aus der lokaler Epicerie benotzt fir erauszefannen wéi een Agar mécht.Hien sammelt souguer Stuermwasser aus engem Daach, deen hien viru kuerzem gebotzt huet fir demineraliséiert Waasser ze maachen, e Standard Zutat an Labo-Schouljoer Agarformelen.Fir Uergel an Agar ze packen, huet hien Schwäin-Darm aus engem lokalen Schluechthaus geholl.
Taforo gouf geläscht fir Mëtt Mee op d'ESRF zréckzekommen fir den éischten Test Lunge Scan vu Schwäin.Vu Mee bis Juni huet hien déi lénks Lungelobe vun engem 54 Joer ale Mann, deen un COVID-19 gestuerwen ass, virbereet a gescannt, deen den Ackermann an de Jonig aus Däitschland op Grenoble bruecht hunn.
"Wéi ech dat éischt Bild gesinn hunn, gouf et en Entschëllegungsbréif a menger E-Mail un jiddereen, deen um Projet involvéiert ass: mir hunn gescheitert an ech konnt kee qualitativ héichwäerteg Scan kréien," sot hien."Ech hunn hinnen just zwou Biller geschéckt, déi fir mech schrecklech waren, awer super fir si."
Fir Lee vun der University of California, Los Angeles, sinn d'Biller beandrockend: ganz Organ Biller sinn ähnlech wéi Standard medizinesch CT Scans, awer "eng Millioun Mol méi informativ."Et ass wéi wann den Entdecker säi ganzt Liewen de Bësch studéiert huet, entweder an engem risege Jetfliger iwwer de Bësch fléien oder laanscht d'Streck reest.Elo schwiewen se wéi Villercher op Flilleken iwwer de Canopy.
D'Team huet hir éischt voll Beschreiwung vun der HiP-CT Approche am November 2021 publizéiert, an d'Fuerscher hunn och Detailer verëffentlecht wéi COVID-19 verschidden Aarte vu Zirkulatioun an de Longen beaflosst.
De Scan hat och en onerwaarte Virdeel: et huet d'Fuerscher gehollef Frënn a Famill ze iwwerzeegen sech ze impfen.A schwéiere Fäll vu COVID-19, schéngen vill Bluttgefässer an de Longen erweidert a geschwollen, an a mannerem Ausmooss kënnen anormal Bündel vu klenge Bluttgefässer bilden.
"Wann Dir d'Struktur vun enger Lunge vun enger Persoun kuckt, déi un COVID gestuerwen ass, gesäit et net aus wéi eng Lunge - et ass e Mess," sot Tafolo.
Hien huet bäigefüügt datt souguer a gesonden Organer d'Scans subtile anatomesch Fonctiounen opgedeckt hunn, déi ni opgeholl goufen, well kee mënschlecht Uergel jeemools sou detailléiert ënnersicht gouf.Mat iwwer 1 Millioun Dollar u Finanzéierung vun der Chan Zuckerberg Initiative (eng net-profit Organisatioun gegrënnt vum Facebook CEO Mark Zuckerberg an dem Zuckerberg senger Fra, Dokter Priscilla Chan), erstellt d'Hip-CT Team de Moment wat en Atlas vu mënschlechen Organer genannt gëtt.
Bis elo huet d'Team Scans vu fënnef Organer verëffentlecht - d'Häerz, d'Gehir, d'Nieren, d'Lunge, an d'Milz - baséiert op den Organer gespent vun Ackermann a Jonigk wärend hirer COVID-19 Autopsie an Däitschland an dem Gesondheets "Kontroll" Uergel LADAF.Anatomesch Laboratoire vu Grenoble.D'Team huet d'Daten produzéiert, souwéi Fluchfilmer, baséiert op Daten déi fräi um Internet verfügbar sinn.Den Atlas vu mënschlechen Organer erweidert sech séier: weider 30 Organer goufen gescannt, an eng aner 80 sinn a verschiddene Phase vun der Virbereedung.Bal 40 verschidde Fuerschungsgruppen hunn d'Team kontaktéiert fir méi iwwer d'Approche ze léieren, sot Li.
UCL Kardiolog Cook gesäit e grousst Potenzial fir HiP-CT ze benotzen fir d'Basis Anatomie ze verstoen.Den UCL Radiolog Joe Jacob, deen op Lungenerkrankheet spezialiséiert ass, sot, datt HiP-CT "onwäertvoll ass fir Krankheet ze verstoen", besonnesch an dreidimensionalen Strukturen wéi Bluttgefässer.
Och d'Kënschtler sinn an de Sträit komm.De Barney Steele vum London-baséierten Experienzkonschtkollektiv Marshmallow Laser Feast seet datt hien aktiv ënnersicht wéi HiP-CT Daten an immersiv virtuell Realitéit exploréiert kënne ginn."Wesentlech kreéiere mir eng Rees duerch de mënschleche Kierper," sot hien.
Awer trotz all de Versprieche vum HiP-CT ginn et sérieux Problemer.Als éischt, seet de Walsh, en HiP-CT Scan generéiert eng "staggering Quantitéit un Daten", einfach en Terabyte pro Uergel.Fir Kliniker ze erlaben dës Scans an der realer Welt ze benotzen, hoffen d'Fuerscher eng Cloud-baséiert Interface z'entwéckelen fir se ze navigéieren, sou wéi Google Maps fir de mënschleche Kierper.
Si hunn och gebraucht fir et méi einfach ze maachen fir Scans an funktionéierbar 3D Modeller ze konvertéieren.Wéi all CT Scan Methoden, funktionnéiert HiP-CT andeems se vill 2D Scheiwen vun engem bestëmmten Objet huelen an se zesumme stackelen.Och haut gëtt vill vun dësem Prozess manuell gemaach, besonnesch wann Dir anormal oder krank Tissu scannt.Lee a Walsh soen datt d'Prioritéit vum HiP-CT Team ass Maschinn Léiermethoden z'entwéckelen déi dës Aufgab méi einfach maachen.
Dës Erausfuerderunge wäerten erweideren wéi den Atlas vu mënschlechen Organer erweidert a Fuerscher méi ambitiéis ginn.D'Hip-CT Team benotzt de leschten ESRF Beam Apparat, genannt BM18, fir weider d'Organer vum Projet ze scannen.De BM18 produzéiert e gréissere Röntgenstrahl, dat heescht datt d'Scannen manner Zäit dauert, an de BM18 Röntgendetektor ka bis zu 125 Féiss (38 Meter) ewech vum Objet gesat ginn, deen gescannt gëtt, wat et méi kloer mécht.D'BM18 Resultater si scho ganz gutt, seet den Taforo, deen e puer vun den ursprénglechen Human Organ Atlas Proben um neie System nei gescannt huet.
De BM18 kann och ganz grouss Objekter scannen.Mat der neier Ariichtung plangt d'Team de ganzen Torso vum mënschleche Kierper an engem Schlag bis Enn 2023 ze scannen.
Den enorme Potenzial vun der Technologie entdecken, sot Taforo: "Mir si wierklech just um Ufank."
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.All Rechter reservéiert.