یک تکنیک جدید اسکن تصاویری با جزئیات بسیار بالا تولید می کند که می تواند تحولی در مطالعه آناتومی انسان ایجاد کند.
وقتی پل تافورو اولین تصاویر آزمایشی خود از قربانیان نور COVID-19 را دید، فکر کرد که شکست خورده است.تافورو که دیرینه‌شناسی بود، ماه‌ها با تیم‌هایی در سراسر اروپا کار کرد تا شتاب‌دهنده‌های ذرات در کوه‌های آلپ فرانسه را به ابزارهای انقلابی اسکن پزشکی تبدیل کند.
در پایان ماه مه 2020 بود و دانشمندان مشتاق بودند تا درک بهتری از چگونگی تخریب اندام های انسان توسط COVID-19 داشته باشند.تافورو مأمور شد تا روشی را توسعه دهد که بتواند از پرتوهای ایکس پرقدرت تولید شده توسط تأسیسات تابش سنکروترون اروپایی (ESRF) در گرنوبل، فرانسه استفاده کند.به عنوان یک دانشمند ESRF، او مرزهای پرتوهای ایکس با وضوح بالا از فسیل های سنگی و مومیایی های خشک شده را جابجا کرده است.حالا او از توده نرم و چسبناک دستمال کاغذی وحشت داشت.
این تصاویر جزئیات بیشتری را نسبت به هر سی تی اسکن پزشکی که تا به حال دیده بودند به آنها نشان می داد و به آنها اجازه می داد بر شکاف های سرسخت در نحوه تجسم و درک اعضای بدن دانشمندان و پزشکان غلبه کنند.دانشگاه کالج لندن (UCL) «در کتاب‌های درسی آناتومی، وقتی آن را می‌بینید، در مقیاس بزرگ است، در مقیاس کوچک است، و به یک دلیل تصاویر زیبایی هستند که با دست طراحی شده‌اند: آنها تفسیرهای هنری هستند، زیرا ما تصویر نداریم». ) گفت..محقق ارشد کلر والش گفت."برای اولین بار ما می توانیم کار واقعی را انجام دهیم."
تافورو و والش بخشی از یک تیم بین المللی متشکل از 30 محقق هستند که یک تکنیک جدید و قدرتمند اسکن اشعه ایکس به نام توموگرافی کنتراست فاز سلسله مراتبی (HiP-CT) ایجاد کرده اند.با استفاده از آن، آنها در نهایت می توانند از یک اندام کامل انسان به یک نمای بزرگ از کوچکترین رگ های خونی بدن یا حتی سلول های منفرد تبدیل شوند.
این روش در حال حاضر بینش جدیدی در مورد چگونگی آسیب رساندن و بازسازی عروق خونی ریه‌ها توسط کووید-۱۹ ارائه می‌کند.اگرچه تعیین دورنمای بلندمدت آن دشوار است، زیرا هیچ چیز مانند HiP-CT قبلاً وجود نداشته است، محققان هیجان زده از پتانسیل آن مشتاقانه راه‌های جدیدی را برای درک بیماری و ترسیم آناتومی انسان با نقشه توپوگرافی دقیق‌تر تصور می‌کنند.
اندرو کوک، متخصص قلب دانشگاه کالیفرنیا، می‌گوید: «بیشتر مردم ممکن است از اینکه صدها سال است که در حال مطالعه آناتومی قلب بوده‌ایم تعجب می‌کنند، اما هیچ اتفاق نظری در مورد ساختار طبیعی قلب، به ویژه قلب وجود ندارد… سلول‌های ماهیچه‌ای و چگونگی تغییر آن. وقتی قلب می تپد.»
او گفت: "من تمام دوران حرفه ای ام را منتظر بودم."
تکنیک HiP-CT زمانی آغاز شد که دو آسیب شناس آلمانی برای ردیابی اثرات تنبیهی ویروس SARS-CoV-2 بر بدن انسان با هم رقابت کردند.
دنی جونیگ، پاتولوژیست قفسه سینه در دانشکده پزشکی هانوفر، و ماکسیمیلیان آکرمان، آسیب شناس در مرکز پزشکی دانشگاه ماینز، با انتشار اخباری از مورد غیرعادی ذات الریه در چین، در حالت آماده باش قرار گرفتند.هر دو تجربه درمان بیماری‌های ریوی را داشتند و بلافاصله می‌دانستند که COVID-19 غیرعادی است.این زوج به ویژه نگران گزارش‌های مربوط به «هیپوکسی خاموش» بودند که بیماران کووید-19 را بیدار نگه می‌داشت اما باعث کاهش شدید سطح اکسیژن خون آنها شد.
آکرمن و جونیگ مشکوک هستند که SARS-CoV-2 به نحوی به رگ های خونی در ریه ها حمله می کند.هنگامی که بیماری در مارس 2020 به آلمان سرایت کرد، این زوج کالبد شکافی قربانیان COVID-19 را آغاز کردند.آنها به زودی فرضیه عروقی خود را با تزریق رزین به نمونه های بافت و سپس حل کردن بافت در اسید مورد آزمایش قرار دادند و مدلی دقیق از عروق اصلی به جا گذاشتند.
آکرمن و جونیگک با استفاده از این تکنیک، بافت‌های افرادی را که در اثر کووید-19 نمرده‌اند با افرادی که فوت کرده‌اند مقایسه کردند.آنها بلافاصله دیدند که در قربانیان COVID-19، کوچکترین رگ های خونی در ریه ها پیچ خورده و بازسازی شدند.این نتایج برجسته که در ماه مه 2020 به صورت آنلاین منتشر شد، نشان می‌دهد که کووید-19 یک بیماری تنفسی نیست، بلکه یک بیماری عروقی است که می‌تواند اندام‌های سراسر بدن را تحت تأثیر قرار دهد.
آکرمن، پاتولوژیست از ووپرتال آلمان، می گوید: «اگر از بدن عبور کنید و همه رگ های خونی را در یک راستا قرار دهید، 60000 تا 70000 مایل خواهید داشت که دو برابر فاصله دور استوا است..وی افزود: اگر تنها 1 درصد از این رگ‌های خونی مورد حمله ویروس قرار گیرند، جریان خون و توانایی جذب اکسیژن به خطر می‌افتد که می‌تواند عواقب مخربی برای کل اندام داشته باشد.
هنگامی که جونیگ و آکرمن به تأثیر COVID-19 بر رگ های خونی پی بردند، متوجه شدند که باید آسیب را بهتر درک کنند.
اشعه ایکس پزشکی، مانند سی تی اسکن، می تواند نمایی از کل اندام ها را ارائه دهد، اما وضوح آن ها به اندازه کافی بالا نیست.بیوپسی به دانشمندان اجازه می دهد تا نمونه های بافت را زیر میکروسکوپ بررسی کنند، اما تصاویر به دست آمده تنها بخش کوچکی از کل اندام را نشان می دهد و نمی تواند نشان دهد که COVID-19 چگونه در ریه ها ایجاد می شود.و تکنیک رزینی که تیم توسعه داده نیاز به حل کردن بافت دارد که نمونه را از بین می برد و تحقیقات بیشتر را محدود می کند.
جونیگ، موسس، گفت: «در پایان روز، [ریه‌ها] اکسیژن دریافت می‌کنند و دی‌اکسید کربن خارج می‌شود، اما برای این کار، هزاران مایل رگ خونی و مویرگ‌ها دارد، با فاصله بسیار نازک... این تقریباً یک معجزه است». محقق اصلی در مرکز تحقیقات ریه آلمان.«پس چگونه می‌توانیم واقعاً چیزی به پیچیدگی COVID-19 را بدون تخریب اندام‌ها ارزیابی کنیم؟»
جونیگ و آکرمن به چیزی بی‌سابقه نیاز داشتند: مجموعه‌ای از اشعه ایکس از همان اندام که به محققان اجازه می‌دهد بخش‌هایی از اندام را تا مقیاس سلولی بزرگ کنند.در مارس 2020، این دو آلمانی با همکار قدیمی خود پیتر لی، دانشمند مواد و رئیس فناوری های نوظهور در UCL تماس گرفتند.تخصص لی مطالعه مواد بیولوژیکی با استفاده از اشعه ایکس قدرتمند است، بنابراین افکار او بلافاصله به کوه های آلپ فرانسه معطوف شد.
مرکز تشعشع سنکروترون اروپا در زمینی مثلثی شکل در قسمت شمال غربی گرنوبل، جایی که دو رودخانه به هم می رسند، واقع شده است.این جسم شتاب دهنده ذره ای است که الکترون ها را در مدارهای دایره ای به طول نیم مایل با سرعت تقریباً نور می فرستد.همانطور که این الکترون ها به صورت دایره ای می چرخند، آهنرباهای قدرتمند در مدار، جریان ذرات را منحرف می کنند و باعث می شوند که الکترون ها برخی از درخشان ترین پرتوهای ایکس در جهان را ساطع کنند.
این تشعشع قدرتمند به ESRF اجازه می دهد تا از اجسام در مقیاس میکرومتر یا حتی نانومتری جاسوسی کند.اغلب برای مطالعه موادی مانند آلیاژها و کامپوزیت ها، مطالعه ساختار مولکولی پروتئین ها و حتی برای بازسازی فسیل های باستانی بدون جداسازی سنگ از استخوان استفاده می شود.آکرمن، جونیگ و لی می خواستند از این ابزار غول پیکر برای گرفتن دقیق ترین عکس های اشعه ایکس در جهان از اندام های انسان استفاده کنند.
تافورو را وارد کنید، که کارش در ESRF مرزهای آنچه را که اسکن سنکروترون می‌تواند ببیند تغییر داده است.ترفندهای شگفت‌انگیز آن قبلاً به دانشمندان اجازه می‌داد تا درون تخم‌های دایناسور و تقریباً مومیایی‌های باز را برش دهند، و تقریباً بلافاصله تافورو تأیید کرد که سینکروترون‌ها از نظر تئوری می‌توانند کل لوب‌های ریه را به خوبی اسکن کنند.اما در واقع، اسکن کل اعضای بدن یک چالش بزرگ است.
از یک طرف مشکل مقایسه وجود دارد.اشعه ایکس استاندارد تصاویری را بر اساس میزان جذب تابش مواد مختلف ایجاد می‌کند و عناصر سنگین‌تر بیشتر از موارد سبک‌تر جذب می‌کنند.بافت‌های نرم عمدتاً از عناصر سبک- کربن، هیدروژن، اکسیژن و غیره تشکیل شده‌اند، بنابراین در یک عکس‌برداری کلاسیک پزشکی با اشعه ایکس به وضوح دیده نمی‌شوند.
یکی از چیزهای مهم در مورد ESRF این است که پرتو اشعه ایکس آن بسیار منسجم است: نور در امواج حرکت می کند، و در مورد ESRF، تمام پرتوهای ایکس آن با فرکانس و تراز یکسان شروع می شوند و دائماً در نوسان هستند، مانند ردپای باقی مانده. توسط ریک از طریق باغ ذن.اما همانطور که این اشعه ایکس از جسم عبور می کند، تفاوت های ظریف در چگالی می تواند باعث شود که هر پرتو ایکس کمی از مسیر منحرف شود و با دورتر شدن اشعه ایکس از جسم، تشخیص این تفاوت آسان تر می شود.این انحرافات می تواند تفاوت های چگالی ظریف را در یک جسم آشکار کند، حتی اگر از عناصر سبک تشکیل شده باشد.
اما ثبات موضوع دیگری است.برای گرفتن یک سری اشعه ایکس بزرگ شده، اندام باید به شکل طبیعی خود ثابت شود تا بیش از یک هزارم میلی متر خم نشود و حرکت نکند.علاوه بر این، اشعه ایکس متوالی از همان اندام با یکدیگر مطابقت نخواهد داشت.البته نیازی به گفتن نیست که بدن می تواند بسیار انعطاف پذیر باشد.
لی و تیمش در UCL قصد داشتند ظروفی را طراحی کنند که بتواند در مقابل اشعه ایکس سنکروترون مقاومت کند و در عین حال امواج را تا حد امکان از خود عبور دهد.لی همچنین سازماندهی کلی پروژه را بر عهده داشت - به عنوان مثال، جزئیات انتقال اعضای بدن انسان بین آلمان و فرانسه - و والش را که متخصص در داده های بزرگ زیست پزشکی است، استخدام کرد تا در کشف چگونگی تجزیه و تحلیل اسکن ها کمک کند.در فرانسه، کار تافورو شامل بهبود روش اسکن و کشف نحوه نگهداری اندام در ظرفی بود که تیم لی می ساخت.
تافورو می‌دانست که برای اینکه اندام‌ها تجزیه نشوند و تصاویر تا حد امکان واضح باشند، باید با چندین بخش اتانول آبی پردازش شوند.او همچنین می دانست که باید اندام را روی چیزی تثبیت کند که دقیقاً با تراکم اندام مطابقت داشته باشد.برنامه او این بود که اندام ها را به نحوی در آگار غنی از اتانول قرار دهد، ماده ای ژله مانند که از جلبک دریایی استخراج می شود.
با این حال، شیطان در جزئیات است - همانطور که در بیشتر اروپا، تافورو در خانه گیر کرده و حبس شده است.بنابراین تافورو تحقیقات خود را به یک آزمایشگاه خانگی منتقل کرد: او سال‌ها صرف تزئین آشپزخانه‌ای با اندازه متوسط ​​سابق با چاپگرهای سه بعدی، تجهیزات اولیه شیمی و ابزارهایی کرد که برای تهیه استخوان‌های حیوانات برای تحقیقات تشریحی استفاده می‌شد.
تافورو از محصولات خواربارفروشی محلی استفاده کرد تا بفهمد چگونه آگار درست کند.او حتی آب طوفان را از سقفی که اخیراً تمیز کرده است جمع آوری می کند تا آب غیر معدنی، یک ماده استاندارد در فرمول های آگار درجه آزمایشگاهی بسازد.او برای تمرین بسته بندی اندام ها در آگار، روده خوک را از یک کشتارگاه محلی گرفت.
Taforo برای بازگشت به ESRF در اواسط ماه مه برای اولین اسکن ریه آزمایشی خوک ها پاک شد.او از ماه می تا ژوئن، لوب ریه چپ مرد 54 ساله‌ای را که بر اثر کووید-19 درگذشت، تهیه و اسکن کرد، که آکرمن و جونیگ آن را از آلمان به گرنوبل بردند.
او گفت: «وقتی اولین تصویر را دیدم، یک نامه عذرخواهی در ایمیل من به همه کسانی که در پروژه مشارکت داشتند وجود داشت: ما شکست خوردیم و من نتوانستم اسکن با کیفیت بالا دریافت کنم.من فقط دو عکس برای آنها فرستادم که برای من وحشتناک بود اما برای آنها عالی بود."
برای لی از دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس، تصاویر خیره کننده هستند: تصاویر کل اندام شبیه به سی تی اسکن های پزشکی استاندارد هستند، اما "میلیون بار آموزنده تر".گویی کاوشگر در تمام عمرش در حال مطالعه جنگل بوده است، یا با هواپیمای جت غول پیکر بر فراز جنگل پرواز می کند، یا در امتداد مسیر حرکت می کند.اکنون آنها مانند پرندگان بال بر فراز سایبان اوج می گیرند.
این تیم اولین توصیف کامل خود از رویکرد HiP-CT را در نوامبر 2021 منتشر کرد و محققان همچنین جزئیاتی را در مورد چگونگی تأثیر COVID-19 بر انواع خاصی از گردش خون در ریه ها منتشر کردند.
این اسکن همچنین یک مزیت غیرمنتظره داشت: به محققان کمک کرد دوستان و خانواده را متقاعد کنند تا واکسینه شوند.در موارد شدید کووید-19، بسیاری از رگ‌های خونی در ریه‌ها متسع و متورم به نظر می‌رسند و به میزان کمتر، دسته‌های غیرطبیعی از رگ‌های خونی کوچک ممکن است تشکیل شوند.
تافولو گفت: «وقتی به ساختار ریه فردی که در اثر کووید جان باخته است نگاه می‌کنید، به نظر می‌رسد که یک ریه نیست - این یک آشفتگی است.
او افزود که حتی در اندام های سالم، اسکن ها ویژگی های آناتومیکی ظریفی را نشان می دهد که هرگز ثبت نشده است، زیرا هیچ اندام انسانی تا کنون با این جزئیات مورد بررسی قرار نگرفته است.تیم HiP-CT با بیش از یک میلیون دلار بودجه از سوی Chan Zuckerberg Initiative (یک سازمان غیرانتفاعی که توسط مدیرعامل فیس بوک مارک زاکربرگ و همسر زاکربرگ، پزشک پریسیلا چان تأسیس شده است)، در حال حاضر در حال ایجاد چیزی است که به آن اطلس اندام های انسان می گویند.
تاکنون، این تیم اسکن‌هایی از پنج اندام - قلب، مغز، کلیه‌ها، ریه‌ها و طحال- بر اساس اندام‌هایی که آکرمن و جونیگ در طی کالبد شکافی COVID-19 در آلمان و اندام «کنترل» سلامت LADAF اهدا کرده‌اند منتشر کرده‌اند.آزمایشگاه تشریحی گرنوبلاین تیم داده‌ها و همچنین فیلم‌های پرواز را بر اساس داده‌هایی که به‌طور رایگان در اینترنت در دسترس هستند، تولید کردند.اطلس اندام های انسان به سرعت در حال گسترش است: 30 عضو دیگر اسکن شده اند و 80 عضو دیگر در مراحل مختلف آماده سازی هستند.لی گفت، نزدیک به 40 گروه تحقیقاتی مختلف با این تیم تماس گرفتند تا درباره این رویکرد اطلاعات بیشتری کسب کنند.
کوک، متخصص قلب UCL، پتانسیل زیادی در استفاده از HiP-CT برای درک آناتومی اولیه می بیند.رادیولوژیست UCL، جو جاکوب، که در بیماری های ریوی متخصص است، گفت که HiP-CT برای درک بیماری، به ویژه در ساختارهای سه بعدی مانند رگ های خونی، "با ارزش" خواهد بود.
حتی هنرمندان هم وارد میدان شدند.بارنی استیل از گروه هنر تجربی Marshmallow Laser Feast مستقر در لندن می‌گوید که به طور فعال در حال بررسی چگونگی کاوش داده‌های HiP-CT در واقعیت مجازی فراگیر است.او گفت: «در اصل، ما در حال ایجاد یک سفر در بدن انسان هستیم.
اما با وجود تمام وعده های HiP-CT، مشکلات جدی وجود دارد.والش می‌گوید اول، یک اسکن HiP-CT «مقدار خیره‌کننده داده» تولید می‌کند که به راحتی یک ترابایت در هر اندام است.برای اینکه پزشکان بتوانند از این اسکن‌ها در دنیای واقعی استفاده کنند، محققان امیدوارند که یک رابط مبتنی بر ابر برای پیمایش آنها، مانند Google Maps برای بدن انسان، ایجاد کنند.
آنها همچنین نیاز داشتند تا تبدیل اسکن ها به مدل های سه بعدی قابل اجرا را آسان تر کنند.مانند تمام روش‌های سی‌تی اسکن، HiP-CT با گرفتن برش‌های دو بعدی از یک شی معین و چیدن آن‌ها روی هم کار می‌کند.حتی امروزه، بسیاری از این فرآیند به صورت دستی انجام می شود، به خصوص هنگام اسکن بافت غیر طبیعی یا بیمار.لی و والش می‌گویند اولویت تیم HiP-CT توسعه روش‌های یادگیری ماشینی است که می‌تواند این کار را آسان‌تر کند.
این چالش ها با گسترش اطلس اندام های انسان و بلندپروازتر شدن محققان گسترش خواهند یافت.تیم HiP-CT از جدیدترین دستگاه پرتو ESRF به نام BM18 برای ادامه اسکن اندام های پروژه استفاده می کند.BM18 یک پرتو اشعه ایکس بزرگتر تولید می کند، به این معنی که اسکن زمان کمتری می برد، و آشکارساز اشعه ایکس BM18 را می توان تا 125 فوت (38 متر) دورتر از جسم مورد اسکن قرار داد، که اسکن آن را واضح تر می کند.تافورو، که برخی از نمونه های اصلی اطلس اندام انسان را در سیستم جدید اسکن کرده است، می گوید: نتایج BM18 در حال حاضر بسیار خوب است.
BM18 همچنین می تواند اجسام بسیار بزرگ را اسکن کند.با استفاده از امکانات جدید، این تیم قصد دارد تا پایان سال 2023 کل نیم تنه بدن انسان را به صورت یکباره اسکن کند.
تافورو با بررسی پتانسیل عظیم این فناوری گفت: "ما واقعاً در ابتدای راه هستیم."
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.تمامی حقوق محفوظ است.