Una nova tecnica di scanning pruduce l'imaghjini cun grande dettagliu chì puderia rivoluzione u studiu di l'anatomia umana.
Quandu Paul Taforo hà vistu i so primi imaghjini sperimentali di e vittime di a luce COVID-19, hà pensatu chì avia fallutu.Paleontologu di furmazione, Taforo hà passatu mesi à travaglià cù squadre in tutta l'Europa per trasfurmà l'acceleratori di particelle in l'Alpi francesi in strumenti rivoluzionarii di scanning medicale.
Era à a fine di maghju 2020, è i scientifichi eranu ansiosi di capisce megliu cumu u COVID-19 distrugge l'organi umani.Taforo hè statu incaricatu di sviluppà un metudu chì puderia usà i raghji X d'alta putenza pruduciutu da l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, Francia.Cum'è un scientist ESRF, hà spintu i limiti di i raghji X à alta risoluzione di fossili di roccia è mummie secche.Avà era terrorizatu da a massa molle è appiccicosa di asciugamani di carta.
L'imaghjini li mostranu più dettagliu cà qualsiasi scansione CT medica ch'elli avianu mai vistu prima, chì li permettenu di superà i lacune stubborn in quantu i scientisti è i medichi visualisanu è capiscenu l'organi umani."In i libri di anatomia, quandu u vede, hè grande scala, hè piccula scala, è sò belli imaghjini disegnati à manu per una ragione: sò interpretazioni artistiche perchè ùn avemu micca imagine", University College London (UCL) ) disse..L'investigatore senior Claire Walsh hà dettu."Per a prima volta pudemu fà a cosa vera".
Taforo è Walsh sò parti di una squadra internaziunale di più di circadori 30 chì anu creatu una nova tecnica di scanning X-ray putente chjamata Tomografia di Contrast di Fase Hierarchica (HiP-CT).Cù ellu, ponu infine passà da un organu umanu cumpletu à una vista allargata di i vini sanguini di u corpu o ancu di cellule individuali.
Stu metudu hè digià furnisce una nova visione di cume COVID-19 dannu è rimodella i vini sanguini in i pulmoni.Ancu se e so prospettive à longu andà sò difficiuli di determinà perchè nunda cum'è HiP-CT ùn hè mai esistitu prima, i circadori entusiasmati da u so putenziale sò entusiastamente entusiastici novi modi per capiscenu a malatia è mape l'anatomia umana cù una mappa topografica più precisa.
UCL cardiologu Andrew Cooke hà dettu: "A maiò parte di a ghjente pò esse surprised chì avemu studiatu l'anatomia di u core per centinaie d'anni, ma ùn ci hè micca cunsensu nantu à a struttura normale di u cori, in particulare u core ... Cellule musculari è cumu si cambia. quandu u core batte ".
"Aghju aspittatu tutta a mo carriera", disse.
A tecnica HiP-CT hà iniziatu quandu dui patologi tedeschi cumpetenu per seguità l'effetti punitivi di u virus SARS-CoV-2 nantu à u corpu umanu.
Danny Jonigk, un patologu toracicu in a Scola Medica di Hannover, è Maximilian Ackermann, un patologu in u Centru Medicu di l'Università di Mainz, eranu in alerta cum'è a notizia di u casu inusual di pneumonia hà cuminciatu à sparghje in Cina.Tramindui avianu sperienza in trattà e cundizioni pulmonari è sapianu subitu chì COVID-19 era inusual.A coppia era particularmente preoccupata di i rapporti di "ipoxia silenziosa" chì manteneva i pazienti COVID-19 svegliu, ma hà causatu i so livelli d'ossigenu in u sangue.
Ackermann è Jonig sospettanu chì SARS-CoV-2 attacca in qualche modu i vini sanguini in i pulmoni.Quandu a malatia si sparse in Germania in marzu 2020, a coppia hà iniziatu l'autopsie nantu à e vittime di COVID-19.Prestu anu pruvatu a so ipotesi vascular injecting resina in campioni di tissuti è dopu dissolvendu u tissutu in l'acidu, lascendu un mudellu precisu di a vasculatura originale.
Utilizendu sta tecnica, Ackermann è Jonigk anu paragunatu i tessuti di e persone chì ùn sò micca morti da COVID-19 à quelli di e persone chì anu fattu.Anu vistu immediatamente chì in e vittime di COVID-19, i più chjuchi vini sanguini in i pulmoni sò stati torciati è ricostruiti.Questi risultati di riferimentu, publicati in linea in maghju 2020, mostranu chì COVID-19 ùn hè micca strettamente una malatia respiratorja, ma piuttostu una malatia vascular chì pò affettà l'organi in tuttu u corpu.
"Se passate per u corpu è allineate tutti i vini sanguini, avete da 60.000 à 70.000 miglia, chì hè duie volte a distanza intornu à l'equatore", disse Ackermann, un patologu di Wuppertal, Germania..Hà aghjustatu chì se solu 1 per centu di sti vini sanguini sò stati attaccati da u virus, u flussu di sangue è a capacità di assorbe l'ossigenu seranu cumprumessi, chì puderia purtà à cunsequenze devastanti per l'urganu sanu.
Una volta chì Jonigk è Ackermann anu realizatu l'impattu di COVID-19 nantu à i vini sanguini, anu capitu chì avianu bisognu di capisce megliu i danni.
Radiografia medica, cum'è CT scans, ponu furnisce viste di l'organi sanu, ma ùn sò micca di risuluzione abbastanza alta.Una biòpsia permette à i scientisti di esaminà campioni di tissuti sottu un microscopiu, ma l'imaghjini risultanti rapprisentanu solu una piccula parte di l'urganu sanu è ùn ponu micca dimustrà cumu si sviluppa COVID-19 in i pulmoni.È a tecnica di resina chì u squadra hà sviluppatu hà bisognu di dissolve u tissutu, chì distrugge a mostra è limita più ricerca.
"À a fine di u ghjornu, [i pulmoni] ricevenu l'ossigenu è u diossidu di carbonu esce, ma per quessa, hà millaie di chilometri di vini sanguini è capillari, spaziati assai sottili ... hè quasi un miraculu ", disse Jonigk, fundatore. investigatore principalu à u Centru di Ricerca Pulmonale Germanu."Allora, cumu pudemu veramente valutà qualcosa di cumplessu cum'è COVID-19 senza distrughje l'organi?"
Jonigk è Ackermann avianu bisognu di qualcosa senza precedente: una seria di raghji X di u stessu organu chì permettenu à i circadori di ingrandà parti di l'urganu à scala cellulare.In marzu di u 2020, u duo tedescu hà cuntattatu u so cullaburatore di longu tempu Peter Lee, un scientist di i materiali è presidente di tecnulugia emergenti in UCL.A specialità di Lee hè u studiu di i materiali biologichi chì utilizanu raghji X putenti, cusì i so pinsamenti si sò immediatamente rivolti à l'Alpi Francesi.
U Centru Europeu di Radiazione di Sincrotrone hè situatu nantu à una pezza triangulare di terra in a parti nord-occidentale di Grenoble, induve dui fiumi si scontranu.L'ughjettu hè un acceleratore di particelle chì manda l'elettroni in orbite circulari di una meza milla longu à quasi a vitezza di a luce.Quandu questi elettroni giranu in cerchi, i magneti putenti in orbita deformanu u flussu di particelle, facendu chì l'elettroni emettenu alcuni di i raghji X più brillanti in u mondu.
Questa radiazione putente permette à l'ESRF di spia l'uggetti nantu à u micrometru o ancu a scala nanometrica.Hè spessu usatu per studià materiali cum'è legami è cumposti, per studià a struttura molekulari di e proteine, è ancu per ricustruisce i fossili antichi senza separà a petra da l'ossu.Ackermann, Jonigk è Lee vulianu usà u strumentu giganti per piglià i raghji X più detallati in u mondu di l'organi umani.
Entra Taforo, chì u travagliu in ESRF hà spintu i limiti di ciò chì u scanning di sincrotronu pò vede.A so impressionante gamma di trucchi avia prima permessu à i scientisti di scrutà l'ova di dinosauri è quasi tagliate mummie aperte, è quasi subitu Taforo hà cunfirmatu chì i sincrotroni puderanu teoricamente scansà bè i lobi pulmonari interi.Ma in fattu, scanning organi umani sanu hè una sfida enormosa.
Da una banda, ci hè u prublema di paraguni.I raghji X standard creanu l'imaghjini basati nantu à a quantità di radiazione chì assorbanu diversi materiali, cù elementi più pesanti chì assorbanu più di quelli più ligeri.I tessuti molli sò principalmente custituiti da elementi ligeri-carbonu, idrogenu, ossigenu, etc.-perciò ùn si prisentanu micca chjaramente in una radiografia medica classica.
Una di e cose grandi di l'ESRF hè chì u so fasciu di raghji X hè assai coerente: a luce viaghja in onde, è in u casu di l'ESRF, tutti i so raghji X cumincianu à a listessa frequenza è allinamentu, oscillante constantemente, cum'è impronte lasciate. da Reik attraversu un giardinu zen.Ma cum'è questi raghji X passanu per l'ughjettu, e sottili differenze in a densità ponu fà chì ogni raghji X si svieghja ligeramente da u percorsu, è a diferenza diventa più faciule da detectà quandu i raghji X si alluntananu più luntanu da l'ughjettu.Queste deviazioni ponu revelà differenze sottili di densità in un oggettu, ancu s'ellu hè custituitu da elementi di luce.
Ma a stabilità hè un altru prublema.Per piglià una seria di raghji allargate, l'urganu deve esse fissatu in a so forma naturali per ùn esse micca curvatu o move più di una millesima di millimetru.Inoltre, i raghji successivi di u stessu organu ùn currispondenu micca.Inutili, però, u corpu pò esse assai flexible.
Lee è a so squadra à l'UCL hà u scopu di cuncepisce cuntenituri chì puderanu resistà à i raghji X di sincrotrone, lasciandu sempre u più onde passanu pussibule.Lee hà ancu trattatu l'urganizazione generale di u prugettu - per esempiu, i dettagli di u trasportu di l'organi umani trà Germania è Francia - è hà assuciatu Walsh, chì hè specializatu in big data biomedica, per aiutà à capisce cumu analizà e scans.Di ritornu in Francia, u travagliu di Taforo includeva a migliurà a prucedura di scansione è capisce cumu per almacenà l'urganu in u containeru chì a squadra di Lee custruia.
Tafforo hà sappiutu chì per chì l'urgani ùn si decomponenu, è l'imaghjini per esse chjaru quant'è pussibule, anu da esse processatu cù parechje parte di l'etanol aqueous.Sapia ancu chì avia bisognu di stabilizzà l'urganu nantu à qualcosa chì currisponde esattamente à a densità di l'urganu.U so pianu era di mette in qualchì modu l'organi in agar riccu di etanolu, una sustanza simile à a gelatina estratta da l'alga.
In ogni casu, u diavulu hè in i dettagli - cum'è in a maiò parte di l'Europa, Taforo hè stuck in casa è chjusu.Allora Taforo trasfirìu a so ricerca in un laboratoriu di casa: hà passatu anni à decoru una antica cucina di taglia media cù stampanti 3D, l'equipaggiu di chimica di basa è l'arnesi utilizati per preparà l'ossi d'animali per a ricerca anatomica.
Taforo hà utilizatu prudutti di a buttrega lucali per capisce cumu fà l'agar.Ellu raccoglie ancu l'acqua di piovana da un tettu chì hà pulitu recentemente per fà l'acqua demineralizzata, un ingredientu standard in e formule d'agar di laboratoriu.Per praticà l'organi di imballaggio in agar, hà pigliatu l'intestini di porcu da un macellu lucale.
Taforo hè stata liberata per vultà à l'ESRF à a mità di maghju per a prima scansione pulmonale di prova di i porchi.Da maghju à ghjugnu, hà preparatu è scansatu u lòbulu di u pulmone sinistru di un omu di 54 anni mortu di COVID-19, chì Ackermann è Jonig anu purtatu da Germania à Grenoble.
"Quandu aghju vistu a prima maghjina, ci era una lettera di scusa in u mo email à tutti quelli chì participanu à u prugettu: avemu fallutu è ùn aghju micca pussutu ottene una scansione di alta qualità", disse."Aghju solu mandatu dui ritratti chì eranu terribili per mè ma grandi per elli".
Per Lee di l'Università di California, Los Angeles, l'imaghjini sò stupendenti: l'imaghjini di l'organi sanu sò simili à i scans CT medichi standard, ma "un milione di volte più informativu".Hè cum'è s'ellu l'espluratori hà studiatu a furesta tutta a so vita, sia volendu sopra a furesta in un aviò jet giganti, sia viaghjà longu u percorsu.Avà sò sopra à u canopy cum'è l'acelli nantu à l'ale.
A squadra hà publicatu a so prima descrizzione completa di l'approcciu HiP-CT in nuvembre 2021, è i circadori anu publicatu ancu dettagli nantu à cume COVID-19 affetta certi tipi di circulazione in i pulmoni.
A scansione hà ancu avutu un benefiziu inesperu: hà aiutatu i circadori à cunvince l'amichi è a famiglia di vaccinà.In i casi severi di COVID-19, parechji vini sanguini in i pulmoni parenu dilatati è gonfi, è in una misura più minima, ponu formate fasci anormali di minusculi vini sanguini.
"Quandu fighjate a struttura di un pulmone da una persona chì hè morta da COVID, ùn pare micca un pulmone - hè un disordine", disse Tafolo.
Hà aghjustatu chì ancu in l'organi sani, i scans anu revelatu caratteristiche anatomiche sottili chì ùn sò mai stati registrati perchè nisun organu umanu era mai statu esaminatu in tali dettagliu.Cù più di $ 1 milione in finanziamentu da l'Iniziativa Chan Zuckerberg (una urganizazione senza prufittu fundata da u CEO di Facebook Mark Zuckerberg è a moglia di Zuckerberg, u mèdicu Priscilla Chan), a squadra HiP-CT hè attualmente criendu ciò chì si chjama un atlas di l'organi umani.
Finu a ora, a squadra hà liberatu scans di cinque organi - u core, u cervellu, i reni, i pulmoni è a spleen - basatu annantu à l'organi donati da Ackermann è Jonigk durante a so autopsia COVID-19 in Germania è l'organu di "cuntrollu" di salute LADAF.Laboratoriu anatomicu di Grenoble.A squadra hà pruduciutu i dati, è ancu i filmi di volu, basatu nantu à e dati chì sò liberamente dispunibili in Internet.L'Atlas di l'Organi Umani si sviluppa rapidamente: altri 30 organi sò stati scanati, è altri 80 sò in diverse tappe di preparazione.Quasi 40 diversi gruppi di ricerca anu cuntattatu a squadra per amparà più nantu à l'approcciu, Li disse.
U cardiologu UCL Cook vede un grande potenziale in l'usu di HiP-CT per capisce l'anatomia basica.U radiologu UCL Joe Jacob, chì hè specializatu in a malatia pulmonaria, hà dettu chì HiP-CT serà "inestimabile per capiscenu a malatia", in particulare in strutture tridimensionali cum'è i vini sanguini.
Ancu l'artisti si sò messi in ligna.Barney Steele di u cullettivu di l'arti esperientiale basatu in Londra Marshmallow Laser Feast dice chì sta investigando attivamente cumu i dati HiP-CT ponu esse esplorati in a realtà virtuale immersiva."Essenzialmente, creemu un viaghju à traversu u corpu umanu", disse.
Ma malgradu tutte e prumesse di HiP-CT, ci sò prublemi seri.Prima, dice Walsh, una scansione HiP-CT genera una "quantità stupente di dati", facilmente un terabyte per organu.Per permette à i clinichi di utilizà sti scans in u mondu reale, i circadori speranu di sviluppà una interfaccia basata in nuvola per navigà, cum'è Google Maps per u corpu umanu.
Anu ancu bisognu di fà più faciule cunvertisce scans in mudelli 3D fattibili.Cum'è tutti i metudi di scansione CT, HiP-CT travaglia pigliendu parechje fette 2D di un oggettu determinatu è impilandoli inseme.Ancu oghje, assai di stu prucessu hè fattu manualmente, soprattuttu quandu scanning tissutu anormali o malatu.Lee è Walsh dicenu chì a priorità di a squadra HiP-CT hè di sviluppà metudi d'apprendimentu automaticu chì ponu fà stu compitu più faciule.
Queste sfide si espansione cum'è l'atlas di l'organi umani si espande è i circadori diventanu più ambiziosi.A squadra HiP-CT usa l'ultimu dispositivu di fasciu ESRF, chjamatu BM18, per cuntinuà à scansà l'organi di u prugettu.U BM18 produce un fasciu di raghji X più grande, chì significa chì a scansione dura menu tempu, è u detector di raghji X BM18 pò esse piazzatu finu à 125 piedi (38 metri) di distanza da l'ughjettu chì hè scansatu, facendu scansà più chjaru.I risultati BM18 sò digià assai boni, dice Taforo, chì hà rescanned alcuni di i mostri originali di l'Atlas di l'Organu Umanu in u novu sistema.
U BM18 pò ancu scansà oggetti assai grande.Cù a nova facilità, a squadra pensa à scansà tuttu u torsu di u corpu umanu in un colpu à a fine di u 2023.
Esplorando l'enorme putenziale di a tecnulugia, Taforo hà dettu: "Semu veramente solu à u principiu".
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