טכניקת סריקה חדשה מייצרת תמונות עם פירוט רב שיכול לחולל מהפכה בחקר האנטומיה האנושית.
כשפול טאפור ראה את התמונות הניסיוניות הראשונות שלו של קורבנות אור COVID-19, הוא חשב שהוא נכשל.פליאונטולוג בהכשרתו, טפורו בילה חודשים בעבודה עם צוותים ברחבי אירופה כדי להפוך מאיצי חלקיקים באלפים הצרפתיים לכלי סריקה רפואיים מהפכניים.
זה היה בסוף מאי 2020, ומדענים היו להוטים להבין טוב יותר כיצד COVID-19 הורס איברים אנושיים.Taforo הוזמנה לפתח שיטה שתוכל להשתמש בקרני הרנטגן בעלות הספק גבוה המיוצרים על ידי מתקן הקרינה של סינכרוטרון אירופי (ESRF) בגרנובל, צרפת.כמדען ESRF, הוא פרץ את הגבולות של צילומי רנטגן ברזולוציה גבוהה של מאובני סלע ומומיות מיובשות.עכשיו הוא נבהל מהמסה הרכה והדביקה של מגבות נייר.
התמונות הראו להם יותר פרטים מכל בדיקת CT רפואית שהם ראו אי פעם, ואיפשרו להם להתגבר על פערים עקשניים באופן שבו מדענים ורופאים מדמיינים ומבינים איברים אנושיים."בספרי לימוד אנטומיה, כשאתה רואה את זה, זה בקנה מידה גדול, זה בקנה מידה קטן, והם תמונות יפות מצוירות ביד מסיבה אחת: הן פרשנויות אמנותיות כי אין לנו תמונות", University College London (UCL ) אמר..כך אמרה החוקרת הבכירה קלייר וולש."בפעם הראשונה אנחנו יכולים לעשות את הדבר האמיתי."
Taforo ו-Walsh הם חלק מצוות בינלאומי של יותר מ-30 חוקרים שיצרו טכניקת סריקת רנטגן חדשה ועוצמתית בשם Hierarchical Phase Contrast Tomography (HiP-CT).בעזרתו הם יכולים סוף סוף לעבור מאיבר אנושי שלם לתצוגה מוגדלת של כלי הדם הזעירים ביותר של הגוף או אפילו תאים בודדים.
שיטה זו כבר מספקת תובנה חדשה לגבי האופן שבו COVID-19 פוגע ומעצב מחדש כלי דם בריאות.למרות שקשה לקבוע את סיכוייו ארוכי הטווח מכיוון ששום דבר כמו HiP-CT לא היה קיים בעבר, חוקרים הנלהבים מהפוטנציאל שלו רואים בהתלהבות דרכים חדשות להבין מחלות ולמפות את האנטומיה האנושית עם מפה טופוגרפית מדויקת יותר.
הקרדיולוג של UCL, אנדרו קוק, אמר: "רוב האנשים עשויים להיות מופתעים מכך שאנו חוקרים את האנטומיה של הלב במשך מאות שנים, אך אין הסכמה על המבנה התקין של הלב, במיוחד הלב... תאי שריר וכיצד הוא משתנה כשהלב פועם".
"חיכיתי כל הקריירה שלי", אמר.
טכניקת ה-Hip-CT החלה כאשר שני פתולוגים גרמנים התחרו כדי לעקוב אחר ההשפעות העונשיות של נגיף ה-SARS-CoV-2 על גוף האדם.
דני יוניגק, פתולוג בית החזה בבית הספר לרפואה בהנובר, ומקסימיליאן אקרמן, פתולוג במרכז הרפואי האוניברסיטאי מיינץ, היו בכוננות גבוהה כשהחדשות על המקרה החריג של דלקת ריאות החלו להתפשט בסין.לשניהם היה ניסיון בטיפול במצבי ריאות וידעו מיד ש-COVID-19 הוא חריג.בני הזוג היו מודאגים במיוחד מדיווחים על "היפוקסיה שקטה" שהשאירה את חולי COVID-19 ערים אך גרמה לרמות החמצן בדמם לצנוח.
אקרמן וג'וניג חושדים ש-SARS-CoV-2 תוקף איכשהו את כלי הדם בריאות.כשהמחלה התפשטה לגרמניה במרץ 2020, בני הזוג החלו בנתיחה של קורבנות COVID-19.עד מהרה הם בדקו את השערת כלי הדם שלהם על ידי הזרקת שרף לדגימות רקמה ולאחר מכן המסת הרקמה בחומצה, והותירו מודל מדויק של כלי הדם המקוריים.
באמצעות טכניקה זו, אקרמן וג'וניג השוו רקמות מאנשים שלא מתו מ-COVID-19 לאלו מאנשים שמתו.הם ראו מיד שאצל הקורבנות של COVID-19, כלי הדם הקטנים ביותר בריאות היו מעוותים ושוחזרו.תוצאות ציון דרך אלו, שפורסמו באינטרנט במאי 2020, מראות ש-COVID-19 אינה מחלה נשימתית בלבד, אלא מחלת כלי דם שעלולה להשפיע על איברים בכל הגוף.
"אם אתה עובר דרך הגוף ומיישר את כל כלי הדם, אתה מקבל 60,000 עד 70,000 מיילים, שהם פי שניים מהמרחק סביב קו המשווה", אמר אקרמן, פתולוג מוופרטל, גרמניה..הוא הוסיף כי אם רק אחוז אחד מכלי הדם הללו יותקפו על ידי הנגיף, זרימת הדם ויכולת ספיגת החמצן תיפגע, מה שעלול להוביל להשלכות הרסניות על האיבר כולו.
ברגע שיוניגק ואקרמן הבינו את ההשפעה של COVID-19 על כלי הדם, הם הבינו שהם צריכים להבין טוב יותר את הנזק.
צילומי רנטגן רפואיים, כגון סריקות CT, יכולים לספק תצוגות של איברים שלמים, אך הם אינם ברזולוציה גבוהה מספיק.ביופסיה מאפשרת למדענים לבחון דגימות רקמה תחת מיקרוסקופ, אך התמונות שהתקבלו מייצגות רק חלק קטן מהאיבר כולו ואינן יכולות להראות כיצד COVID-19 מתפתח בריאות.וטכניקת השרף שפיתח הצוות דורשת המסת הרקמה, מה שהורס את הדגימה ומגביל את המשך המחקר.
"בסופו של יום, [הריאות] מקבלות חמצן ופחמן דו חמצני יוצא החוצה, אבל בשביל זה, יש לו אלפי קילומטרים של כלי דם ונימים, מרווחים מאוד דקים... זה כמעט נס", אמר יוניגק, מייסד. חוקר ראשי במרכז לחקר הריאות הגרמני."אז איך באמת נוכל להעריך משהו מורכב כמו COVID-19 מבלי להרוס איברים?"
יוניגק ואקרמן נזקקו למשהו חסר תקדים: סדרה של צילומי רנטגן של אותו איבר שיאפשרו לחוקרים להגדיל חלקים מהאיבר לקנה מידה תאי.במרץ 2020, הצמד הגרמני יצר קשר עם משתף הפעולה הוותיק שלהם פיטר לי, מדען חומרים ויו"ר טכנולוגיות מתפתחות ב-UCL.המומחיות של לי היא חקר חומרים ביולוגיים באמצעות קרני רנטגן חזקות, ולכן מחשבותיו פנו מיד לאלפים הצרפתיים.
מרכז קרינת סינכרוטרון האירופי ממוקם על חלקת אדמה משולשת בחלק הצפון-מערבי של גרנובל, שם נפגשים שני נהרות.העצם הוא מאיץ חלקיקים ששולח אלקטרונים במסלולים מעגליים באורך של חצי מייל כמעט במהירות האור.כאשר האלקטרונים הללו מסתובבים במעגלים, מגנטים רבי עוצמה במסלול מעוותים את זרם החלקיקים, וגורמים לאלקטרונים לפלוט כמה מקרני הרנטגן הבהירות ביותר בעולם.
קרינה חזקה זו מאפשרת ל-ESRF לרגל אחר עצמים בקנה מידה מיקרומטר או אפילו ננומטר.הוא משמש לעתים קרובות לחקר חומרים כמו סגסוגות וחומרים מרוכבים, לחקר המבנה המולקולרי של חלבונים, ואפילו לשחזור מאובנים עתיקים מבלי להפריד בין אבן לעצם.אקרמן, ג'וניג ולי רצו להשתמש במכשיר הענק כדי לצלם את צילומי הרנטגן המפורטים ביותר בעולם של איברים אנושיים.
היכנסו ל-Taforo, שעבודתו ב-ESRF דחפה את הגבולות של מה שסריקת סינכרוטרונים יכולה לראות.מערך הטריקים המרשים שלה אפשר בעבר למדענים להציץ בתוך ביצי דינוזאורים וכמעט לחתוך מומיות, וכמעט מיד טאפור אישר שסינכרוטרונים יכולים באופן תיאורטי לסרוק היטב אונות ריאה שלמות.אבל למעשה, סריקת איברים אנושיים שלמים היא אתגר עצום.
מצד אחד יש את בעיית ההשוואה.צילומי רנטגן סטנדרטיים יוצרים תמונות על סמך כמות הקרינה שסופגים חומרים שונים, כאשר אלמנטים כבדים יותר סופגים יותר מאשר קלים יותר.רקמות רכות מורכבות בעיקר מיסודות קלים - פחמן, מימן, חמצן וכו' - כך שהן אינן מופיעות בבירור בצילום רנטגן רפואי קלאסי.
אחד הדברים הגדולים ב-ESRF הוא שקרן הרנטגן שלו מאוד קוהרנטית: האור נע בגלים, ובמקרה של ESRF, כל קרני הרנטגן שלו מתחילות באותה תדירות ויישור, מתנודדות כל הזמן, כמו טביעות רגליים שנותרו מאת רייק דרך גן זן.אך כאשר קרני רנטגן אלו עוברות דרך האובייקט, הבדלים עדינים בצפיפות יכולים לגרום לכל צילום רנטגן לסטות מעט מהנתיב, וההבדל הופך קל יותר לזיהוי ככל שקרני הרנטגן מתרחקות מהאובייקט.סטיות אלו יכולות לחשוף הבדלי צפיפות עדינים בתוך עצם, גם אם הוא מורכב מאלמנטים קלים.
אבל יציבות היא בעיה אחרת.על מנת לצלם סדרה של צילומי רנטגן מוגדלים, יש לקבע את האיבר בצורתו הטבעית כך שלא יתכופף או יזוז יותר מאלפית המילימטר.יתר על כן, צילומי רנטגן עוקבים של אותו איבר לא יתאימו זה לזה.מיותר לציין, עם זאת, הגוף יכול להיות מאוד גמיש.
לי והצוות שלו ב-UCL שאפו לעצב מיכלים שיוכלו לעמוד בפני קרני רנטגן סינכרוטרוניים, תוך שהם מעבירים כמה שיותר גלים.לי גם טיפל בארגון הכולל של הפרויקט - למשל, הפרטים של הובלת איברים אנושיים בין גרמניה לצרפת - ושכר את וולש, המתמחה בביג דאטה ביו-רפואי, כדי לעזור להבין כיצד לנתח את הסריקות.בחזרה בצרפת, עבודתו של טאפור כללה שיפור הליך הסריקה והבנת איך לאחסן את האיבר במיכל שצוות לי בנה.
טפורו ידע שכדי שהאיברים לא יתפרקו, והתמונות יהיו ברורות ככל האפשר, יש לעבד אותם עם כמה מנות של אתנול מימי.הוא גם ידע שהוא צריך לייצב את האיבר על משהו שמתאים בדיוק לצפיפות האיבר.התוכנית שלו הייתה להניח איכשהו את האיברים באגר עשיר באתנול, חומר דמוי ג'לי המופק מאצות ים.
עם זאת, השטן נמצא בפרטים - כמו ברוב אירופה, טאפורו תקוע בבית וכלוא.אז טפורו העביר את המחקר שלו למעבדה ביתית: הוא בילה שנים בעיצוב מטבח בגודל בינוני לשעבר עם מדפסות תלת מימד, ציוד כימיה בסיסי וכלים המשמשים להכנת עצמות של בעלי חיים למחקר אנטומי.
Taforo השתמש במוצרים מהמכולת המקומית כדי להבין איך להכין אגר.הוא אפילו אוסף מי סערה מגג שניקה לאחרונה כדי לייצר מים מפורקים, מרכיב סטנדרטי בנוסחאות אגר בדרגת מעבדה.כדי לתרגל אריזת איברים באגר, הוא לקח מעיים של חזירים מבית מטבחיים מקומי.
Taforo קיבל אישור לחזור ל-ESRF באמצע מאי לבדיקת ריאות ראשונה של חזירים.ממאי עד יוני, הוא הכין וסרק את אונת הריאה השמאלית של גבר בן 54 שמת מ-COVID-19, שאקרמן וג'וניג לקחו מגרמניה לגרנובל.
"כשראיתי את התמונה הראשונה, היה מכתב התנצלות בדוא"ל שלי לכל המעורבים בפרויקט: נכשלנו ולא יכולתי לקבל סריקה באיכות גבוהה", אמר."הרגע שלחתי להם שתי תמונות שהיו נוראיות עבורי אבל נהדרות עבורם."
עבור לי מאוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס, התמונות מדהימות: תמונות של איברים שלמים דומות לסריקות CT רפואיות סטנדרטיות, אבל "פי מיליון יותר אינפורמטיביות".זה כאילו החוקר חוקר את היער כל חייו, או טס מעל היער במטוס סילון ענק, או נוסע לאורך השביל.עכשיו הם ממראים מעל החופה כמו ציפורים על כנפיים.
הצוות פרסם את התיאור המלא הראשון שלהם של גישת HiP-CT בנובמבר 2021, והחוקרים גם פרסמו פרטים על האופן שבו COVID-19 משפיע על סוגים מסוימים של זרימת דם בריאות.
לסריקה הייתה גם יתרון בלתי צפוי: היא עזרה לחוקרים לשכנע חברים ובני משפחה להתחסן.במקרים חמורים של COVID-19, כלי דם רבים בריאות נראים מורחבים ונפוחים, ובמידה פחותה עלולות להיווצר צרורות לא תקינים של כלי דם זעירים.
"כשאתה מסתכל על המבנה של ריאה מאדם שמת מ-COVID, זה לא נראה כמו ריאה - זה בלגן", אמר טאפולו.
הוא הוסיף שאפילו באיברים בריאים, הסריקות גילו מאפיינים אנטומיים עדינים שמעולם לא תועדו משום שאף איבר אנושי מעולם לא נבדק בפירוט כזה.עם מימון של למעלה ממיליון דולר מיוזמת צ'אן צוקרברג (ארגון ללא מטרות רווח שהוקם על ידי מנכ"ל פייסבוק מארק צוקרברג ורעייתו של צוקרברג, הרופאה פריסילה צ'אן), צוות HiP-CT יוצר כעת מה שנקרא אטלס של איברים אנושיים.
עד כה, הצוות פרסם סריקות של חמישה איברים - הלב, המוח, הכליות, הריאות והטחול - בהתבסס על האיברים שנתרמו על ידי אקרמן וג'וניג במהלך נתיחת ה-COVID-19 שלהם בגרמניה ואיבר "השליטה" הבריאותי LADAF.מעבדה אנטומית של גרנובל.הצוות הפיק את הנתונים, כמו גם סרטי טיסה, על סמך נתונים הזמינים באופן חופשי באינטרנט.אטלס האיברים האנושיים מתרחב במהירות: עוד 30 איברים נסרקו, ועוד 80 נמצאים בשלבי הכנה שונים.כמעט 40 קבוצות מחקר שונות יצרו קשר עם הצוות כדי ללמוד עוד על הגישה, אמר לי.
הקרדיולוג של UCL קוק רואה פוטנציאל גדול בשימוש ב- HiP-CT להבנת האנטומיה הבסיסית.רדיולוג UCL ג'ו ג'ייקוב, המתמחה במחלות ריאות, אמר כי HiP-CT יהיה "לא יסולא בפז להבנת מחלות", במיוחד במבנים תלת מימדיים כגון כלי דם.
אפילו האמנים נכנסו למאבק.בארני סטיל מקולקטיב האמנות החווייתי המבוסס בלונדון Marshmallow Laser Feast אומר שהוא חוקר באופן פעיל כיצד ניתן לחקור נתוני HiP-CT במציאות מדומה סוחפת."בעצם, אנחנו יוצרים מסע דרך גוף האדם", אמר.
אבל למרות כל ההבטחות של HiP-CT, יש בעיות רציניות.ראשית, אומר וולש, סריקת HiP-CT מייצרת "כמות מדהימה של נתונים", בקלות טרה-בייט לכל איבר.כדי לאפשר לרופאים להשתמש בסריקות אלו בעולם האמיתי, החוקרים מקווים לפתח ממשק מבוסס ענן לניווט בהן, כמו מפות גוגל לגוף האדם.
הם גם היו צריכים להקל על המרת סריקות למודלים תלת-ממדיים ניתנים לעבודה.כמו כל שיטות סריקת ה-CT, HiP-CT פועל על ידי לקיחת פרוסות דו-ממדיות רבות של אובייקט נתון וערימתן יחד.גם כיום, חלק ניכר מתהליך זה נעשה באופן ידני, במיוחד כאשר סורקים רקמות לא תקינות או חולות.לי ו-וולש אומרים שהעדיפות של צוות HiP-CT היא לפתח שיטות למידת מכונה שיכולות להקל על המשימה הזו.
אתגרים אלו יתרחבו ככל שהאטלס של איברים אנושיים יתרחב והחוקרים יהפכו שאפתניים יותר.צוות HiP-CT משתמש במכשיר קרן ESRF העדכני ביותר, בשם BM18, כדי להמשיך לסרוק את איברי הפרויקט.ה-BM18 מייצר קרן רנטגן גדולה יותר, מה שאומר שהסריקה לוקחת פחות זמן, וניתן למקם את גלאי הרנטגן BM18 במרחק של עד 125 רגל (38 מטרים) מהאובייקט הנסרק, מה שהופך אותו לסריקה ברורה יותר.התוצאות של BM18 כבר טובות מאוד, אומר Taforo, שסרק מחדש כמה מדגימות האיברים האנושיים המקוריים של אטלס במערכת החדשה.
ה-BM18 יכול גם לסרוק אובייקטים גדולים מאוד.עם המתקן החדש, הצוות מתכנן לסרוק את כל הגו של גוף האדם במכה אחת עד סוף 2023.
בחקר הפוטנציאל העצום של הטכנולוגיה, אמר Taforo, "אנחנו באמת רק בהתחלה."
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.כל הזכויות שמורות.