Yeni bir tarama tekniği, insan anatomisi çalışmalarında devrim yaratabilecek çok ayrıntılı görüntüler üretiyor.
Paul Taforo, COVID-19 ışık kurbanlarının ilk deneysel görüntülerini gördüğünde başarısız olduğunu düşündü.Paleontolog eğitimi alan Taforo, Fransız Alpleri'ndeki parçacık hızlandırıcılarını devrim niteliğindeki tıbbi tarama araçlarına dönüştürmek için Avrupa çapındaki ekiplerle aylarca çalıştı.
Mayıs 2020'nin sonlarıydı ve bilim insanları, COVID-19'un insan organlarını nasıl yok ettiğini daha iyi anlamak için sabırsızlanıyordu.Taforo, Fransa'nın Grenoble kentindeki Avrupa Sinkrotron Radyasyon Tesisi (ESRF) tarafından üretilen yüksek güçlü X ışınlarını kullanabilecek bir yöntem geliştirmek üzere görevlendirildi.Bir ESRF bilim insanı olarak kaya fosilleri ve kurutulmuş mumyaların yüksek çözünürlüklü röntgen ışınlarının sınırlarını zorladı.Artık yumuşak, yapışkan kağıt havlu yığınından korkuyordu.
Görüntüler onlara daha önce gördükleri herhangi bir tıbbi CT taramasından daha fazla ayrıntı gösterdi ve bilim adamlarının ve doktorların insan organlarını görselleştirme ve anlama konusundaki inatçı boşlukların üstesinden gelmelerine olanak tanıdı.University College London (UCL), "Anatomi ders kitaplarında, onu gördüğünüzde, büyük ölçeklidir, küçük ölçeklidir ve bunlar elle çizilmiş güzel resimlerdir, bunun bir nedeni vardır: bunlar sanatsal yorumlardır çünkü elimizde resim yoktur." University College London (UCL) ) söz konusu..Kıdemli Araştırmacı Claire Walsh şunları söyledi."İlk kez gerçek şeyi yapabiliyoruz."
Taforo ve Walsh, Hiyerarşik Faz Kontrast Tomografi (HiP-CT) adı verilen güçlü yeni bir X-ışını tarama tekniği yaratan 30'dan fazla araştırmacıdan oluşan uluslararası bir ekibin parçası.Bu sayede nihayet tam bir insan organından, vücudun en küçük kan damarlarının ve hatta tek tek hücrelerinin büyütülmüş görüntüsüne geçilebiliyor.
Bu yöntem şimdiden, COVID-19'un akciğerlerdeki kan damarlarına nasıl zarar verdiğine ve onları yeniden şekillendirdiğine dair yeni bilgiler sağlıyor.Daha önce HiP-CT benzeri bir şey bulunmadığından uzun vadeli beklentilerini belirlemek zor olsa da, potansiyelinden heyecan duyan araştırmacılar, hastalığı anlamanın ve insan anatomisini daha doğru bir topografik haritayla haritalamanın yeni yollarını heyecanla hayal ediyorlar.
UCL kardiyoloğu Andrew Cooke şunları söyledi: “Çoğu insan yüzlerce yıldır kalbin anatomisini incelediğimize şaşırabilir ancak kalbin, özellikle de kalbin normal yapısı konusunda bir fikir birliği yok… Kas hücreleri ve nasıl değiştiği kalp attığında."
“Tüm kariyerim boyunca bekliyordum” dedi.
HiP-CT tekniği, iki Alman patologun SARS-CoV-2 virüsünün insan vücudu üzerindeki cezalandırıcı etkilerini izlemek için yarışmasıyla başladı.
Hannover Tıp Fakültesi'nde torasik patolog olan Danny Jonigk ve Mainz Üniversitesi Tıp Merkezi'nde patolog olan Maximilian Ackermann, Çin'de olağandışı zatürre vakasına ilişkin haberler yayılmaya başladığında yüksek alarma geçti.Her ikisinin de akciğer rahatsızlıklarını tedavi etme deneyimi vardı ve COVID-19'un olağandışı olduğunu hemen anladılar.Çift, özellikle Kovid-19 hastalarını uyanık tutan ancak kandaki oksijen seviyelerinin düşmesine neden olan "sessiz hipoksi" raporlarından endişe duyuyordu.
Ackermann ve Jonig, SARS-CoV-2'nin bir şekilde akciğerlerdeki kan damarlarına saldırdığından şüpheleniyor.Mart 2020'de hastalık Almanya'ya yayıldığında çift, Kovid-19 kurbanlarına otopsi yapmaya başladı.Kısa süre sonra doku örneklerine reçine enjekte ederek ve ardından dokuyu asit içinde çözerek orijinal damar yapısının doğru bir modelini bırakarak vasküler hipotezlerini test ettiler.
Ackermann ve Jonigk, bu tekniği kullanarak, COVID-19'dan ölmeyen kişilerin dokularını ölen kişilerin dokularıyla karşılaştırdı.COVID-19 kurbanlarında akciğerlerdeki en küçük kan damarlarının büküldüğünü ve yeniden yapılandırıldığını hemen gördüler.Mayıs 2020'de çevrimiçi olarak yayınlanan bu çığır açıcı sonuçlar, COVID-19'un yalnızca bir solunum yolu hastalığı olmadığını, daha ziyade vücuttaki organları etkileyebilen bir damar hastalığı olduğunu gösteriyor.
Almanya Wuppertal'dan bir patolog olan Ackermann, "Vücudun içinden geçip tüm kan damarlarını hizalarsanız, 60.000 ila 70.000 mil elde edersiniz, bu da ekvatorun etrafındaki mesafenin iki katıdır" dedi..Bu kan damarlarının yalnızca yüzde 1'i virüs tarafından saldırıya uğrarsa, kan akışının ve oksijeni emme yeteneğinin tehlikeye gireceğini ve bunun da tüm organ için yıkıcı sonuçlara yol açabileceğini ekledi.
Jonigk ve Ackermann, COVID-19'un kan damarları üzerindeki etkisini fark ettikten sonra hasarı daha iyi anlamaları gerektiğini fark ettiler.
CT taramaları gibi tıbbi röntgenler tüm organların görüntüsünü sağlayabilir ancak yeterince yüksek çözünürlükte değildir.Biyopsi, bilim adamlarının doku örneklerini mikroskop altında incelemesine olanak tanır, ancak ortaya çıkan görüntüler tüm organın yalnızca küçük bir bölümünü temsil eder ve COVID-19'un akciğerlerde nasıl geliştiğini gösteremez.Ekibin geliştirdiği reçine tekniği ise dokuyu çözmeyi gerektiriyor, bu da numuneyi yok ediyor ve daha fazla araştırmayı sınırlıyor.
Kurucu Jonigk, "Günün sonunda akciğerler oksijen alır ve karbondioksit dışarı atılır, ancak bunun için binlerce kilometrelik kan damarları ve kılcal damarları vardır, çok ince aralıklıdır... bu neredeyse bir mucizedir" dedi. Alman Akciğer Araştırma Merkezi'nin baş araştırmacısı."Peki, organlara zarar vermeden, COVID-19 kadar karmaşık bir şeyi gerçekten nasıl değerlendirebiliriz?"
Jonigk ve Ackermann'ın benzeri görülmemiş bir şeye ihtiyacı vardı: araştırmacıların organın bazı kısımlarını hücresel ölçeğe kadar büyütmesine olanak tanıyacak aynı organın bir dizi röntgeni.Mart 2020'de Alman ikili, uzun süredir birlikte çalıştıkları UCL'de malzeme bilimcisi ve gelişen teknolojiler başkanı Peter Lee ile temasa geçti.Lee'nin uzmanlığı, güçlü X-ışınları kullanarak biyolojik materyallerin incelenmesi olduğundan, düşünceleri hemen Fransız Alplerine döndü.
Avrupa Sinkrotron Radyasyon Merkezi, Grenoble'ın kuzeybatı kesiminde, iki nehrin buluştuğu üçgen bir arazi parçası üzerinde yer almaktadır.Nesne, elektronları yarım mil uzunluğundaki dairesel yörüngelerde neredeyse ışık hızında gönderen bir parçacık hızlandırıcıdır.Bu elektronlar daireler çizerek döndükçe, yörüngedeki güçlü mıknatıslar parçacık akışını çarpıtarak elektronların dünyadaki en parlak X-ışınlarından bazılarını yaymasına neden olur.
Bu güçlü radyasyon, ESRF'nin mikrometre ve hatta nanometre ölçeğindeki nesneleri gözetlemesine olanak tanır.Alaşımlar ve kompozitler gibi malzemeleri incelemek, proteinlerin moleküler yapısını incelemek ve hatta taşı kemikten ayırmadan eski fosilleri yeniden oluşturmak için sıklıkla kullanılır.Ackermann, Jonigk ve Lee, dev cihazı kullanarak insan organlarının dünyanın en ayrıntılı röntgenini çekmek istediler.
ESRF'deki çalışmaları sinkrotron taramasının görebileceklerinin sınırlarını zorlayan Taforo'ya girin.Etkileyici hileler dizisi, daha önce bilim adamlarının dinozor yumurtalarının içine bakmasına ve neredeyse açık mumyaları kesmesine olanak tanımıştı ve Taforo, sinkrotronların teorik olarak akciğer loblarının tamamını teorik olarak iyi bir şekilde tarayabildiğini hemen doğruladı.Ancak aslında insan organlarının tamamını taramak büyük bir zorluktur.
Bir yandan karşılaştırma sorunu var.Standart x-ışınları, farklı malzemelerin ne kadar radyasyon emdiğine bağlı olarak görüntüler oluşturur; daha ağır elementler, daha hafif olanlardan daha fazlasını emer.Yumuşak dokular çoğunlukla hafif elementlerden (karbon, hidrojen, oksijen vb.) oluşur, dolayısıyla klasik tıbbi röntgende net bir şekilde görünmezler.
ESRF ile ilgili en güzel şeylerden biri, X-ışını ışınının çok tutarlı olmasıdır: ışık dalgalar halinde hareket eder ve ESRF durumunda, tüm X-ışınları aynı frekansta ve hizada başlar ve tıpkı bırakılan ayak izleri gibi sürekli salınım yapar. Reik tarafından bir zen bahçesinin içinden.Ancak bu X-ışınları nesnenin içinden geçerken, yoğunluktaki hafif farklılıklar her X-ışınının yoldan biraz sapmasına neden olabilir ve X-ışınları nesneden uzaklaştıkça farkın tespit edilmesi daha kolay hale gelir.Bu sapmalar, hafif elementlerden oluşmuş olsa bile bir nesnenin içindeki ince yoğunluk farklılıklarını ortaya çıkarabilir.
Ama istikrar başka bir konudur.Bir dizi büyütülmüş röntgen çekebilmek için organın, milimetrenin binde birinden fazla bükülmemesi veya hareket etmemesi için doğal şeklinde sabitlenmesi gerekir.Üstelik aynı organın art arda çekilen röntgenleri de birbiriyle eşleşmeyecektir.Ancak vücudun çok esnek olabileceğini söylemeye gerek yok.
Lee ve UCL'deki ekibi, senkrotron X ışınlarına dayanabilen ve aynı zamanda mümkün olduğunca çok sayıda dalganın geçmesine izin veren kaplar tasarlamayı amaçladı.Lee ayrıca projenin genel organizasyonunu da (örneğin, insan organlarının Almanya ile Fransa arasında taşınmasıyla ilgili ayrıntılar) ele aldı ve taramaların nasıl analiz edileceğini bulmasına yardımcı olması için biyomedikal büyük veriler konusunda uzman olan Walsh'u işe aldı.Fransa'da Taforo'nun çalışmaları arasında tarama prosedürünün iyileştirilmesi ve organın Lee'nin ekibinin inşa ettiği konteynerde nasıl saklanacağının bulunması da vardı.
Tafforo, organların ayrışmaması ve görüntülerin olabildiğince net olması için bunların birkaç porsiyon sulu etanol ile işlenmesi gerektiğini biliyordu.Ayrıca organı, yoğunluğuna tam olarak uyan bir şey üzerinde stabilize etmesi gerektiğini de biliyordu.Planı, organları bir şekilde deniz yosunundan elde edilen jöle benzeri bir madde olan etanol açısından zengin agarın içine yerleştirmekti.
Ancak şeytan ayrıntıda gizlidir; Avrupa'nın çoğunda olduğu gibi, Taforo da evde sıkışıp kalmış ve kilit altına alınmıştır.Böylece Taforo araştırmasını bir ev laboratuvarına taşıdı: Eski orta büyüklükteki bir mutfağı 3D yazıcılar, temel kimya ekipmanları ve anatomik araştırmalar için hayvan kemiklerini hazırlamak için kullanılan araçlarla dekore etmek için yıllarını harcadı.
Taforo, agarın nasıl yapılacağını bulmak için yerel marketteki ürünleri kullandı.Hatta laboratuvar sınıfı agar formüllerinde standart bir içerik olan demineralize su yapmak için yakın zamanda temizlediği çatıdan yağmur suyu bile topluyor.Organları agara paketleme alıştırması yapmak için yerel bir mezbahadan domuz bağırsağı aldı.
Taforo'nun, domuzların ilk test akciğer taraması için Mayıs ortasında ESRF'ye dönmesine izin verildi.Mayıs'tan Haziran'a kadar, Ackermann ve Jonig'in Almanya'dan Grenoble'a götürdüğü, COVID-19'dan ölen 54 yaşındaki bir adamın sol akciğer lobunu hazırladı ve taradı.
"İlk görüntüyü gördüğümde e-postamda projeye katılan herkese bir özür mektubu vardı: başarısız olduk ve yüksek kalitede bir tarama yapamadık" dedi."Onlara benim için korkunç ama onlar için harika iki fotoğraf gönderdim."
Los Angeles Kaliforniya Üniversitesi'nden Lee'ye göre görüntüler baş döndürücü: Tüm organ görüntüleri standart tıbbi CT taramalarına benziyor ancak "milyonlarca kat daha bilgilendirici."Sanki kaşif, ya dev bir jet uçağıyla ormanın üzerinde uçarak ya da patika boyunca seyahat ederek tüm hayatı boyunca ormanı inceliyormuş gibidir.Şimdi kanat çırpan kuşlar gibi gölgeliğin üzerinde süzülüyorlar.
Ekip, HiP-CT yaklaşımının ilk tam açıklamasını Kasım 2021'de yayınladı ve araştırmacılar ayrıca COVID-19'un akciğerlerdeki belirli dolaşım türlerini nasıl etkilediğine dair ayrıntıları da yayınladı.
Taramanın beklenmedik bir faydası da oldu: Araştırmacıların arkadaşlarını ve ailelerini aşı olmaya ikna etmelerine yardımcı oldu.Şiddetli COVİD-19 vakalarında akciğerlerdeki birçok kan damarı genişlemiş ve şişmiş görünür ve daha az oranda anormal küçük kan damarı demetleri oluşabilir.
Tafolo, "COVID'den ölen bir kişinin akciğerinin yapısına baktığınızda, akciğere benzemiyor; tam bir karmaşa" dedi.
Sağlıklı organlarda bile taramaların, hiçbir insan organının bu kadar ayrıntılı incelenmemesi nedeniyle hiçbir zaman kaydedilmeyen ince anatomik özellikleri ortaya çıkardığını ekledi.Chan Zuckerberg Girişimi'nden (Facebook CEO'su Mark Zuckerberg ve Zuckerberg'in eşi doktor Priscilla Chan tarafından kurulan kar amacı gütmeyen bir kuruluş) sağlanan 1 milyon doların üzerinde fonla HiP-CT ekibi şu anda insan organları atlası adı verilen şeyi yaratıyor.
Ekip şu ana kadar Ackermann ve Jonigk'in Almanya'daki COVID-19 otopsileri sırasında bağışladığı organlara ve LADAF sağlık "kontrol" organına dayanarak beş organın (kalp, beyin, böbrekler, akciğerler ve dalak) taramalarını yayınladı.Grenoble'ın anatomi laboratuvarı.Ekip, internette ücretsiz olarak bulunabilen verilere dayanarak verileri ve uçuş filmlerini üretti.İnsan Organları Atlası hızla genişliyor: 30 organ daha tarandı ve diğer 80 organ da çeşitli hazırlık aşamalarında.Li, yaklaşık 40 farklı araştırma grubunun yaklaşım hakkında daha fazla bilgi edinmek için ekiple iletişime geçtiğini söyledi.
UCL kardiyolog Cook, temel anatomiyi anlamak için HiP-CT kullanmanın büyük bir potansiyel olduğunu düşünüyor.Akciğer hastalıkları konusunda uzman UCL radyolog Joe Jacob, HiP-CT'nin özellikle kan damarları gibi üç boyutlu yapılarda "hastalığın anlaşılmasında paha biçilemez" olacağını söyledi.
Sanatçılar bile mücadeleye katıldı.Londra merkezli deneyimsel sanat kolektifi Marshmallow Laser Feast'ten Barney Steele, HiP-CT verilerinin sürükleyici sanal gerçeklikte nasıl keşfedilebileceğini aktif olarak araştırdığını söylüyor.“Esasen insan vücudunda bir yolculuk yaratıyoruz” dedi.
Ancak HiP-CT'nin tüm vaatlerine rağmen ciddi sorunlar var.İlk olarak, diyor Walsh, bir HiP-CT taraması organ başına kolayca bir terabaytlık "şaşırtıcı miktarda veri" üretiyor.Klinisyenlerin bu taramaları gerçek dünyada kullanmalarına olanak sağlamak için araştırmacılar, insan vücudu için Google Haritalar gibi, bunlarda gezinmeye yönelik bulut tabanlı bir arayüz geliştirmeyi umuyorlar.
Ayrıca taramaları uygulanabilir 3D modellere dönüştürmeyi kolaylaştırmaları gerekiyordu.Tüm CT tarama yöntemleri gibi HiP-CT de belirli bir nesnenin birçok 2 boyutlu dilimini alıp bunları bir araya getirerek çalışır.Bugün bile bu sürecin çoğu, özellikle anormal veya hastalıklı doku taranırken manuel olarak yapılıyor.Lee ve Walsh, HiP-CT ekibinin önceliğinin bu görevi kolaylaştıracak makine öğrenimi yöntemleri geliştirmek olduğunu söylüyor.
İnsan organları atlası genişledikçe ve araştırmacılar daha hırslı hale geldikçe bu zorluklar da artacaktır.HiP-CT ekibi, projenin organlarını taramaya devam etmek için BM18 adlı en yeni ESRF ışın cihazını kullanıyor.BM18 daha büyük bir X-ışını ışını üretir, bu da taramanın daha az zaman aldığı anlamına gelir ve BM18 X-ışını dedektörü, taranan nesneden 125 fit (38 metre) uzağa yerleştirilebilir ve bu da taramanın daha net olmasını sağlar.Orijinal İnsan Organ Atlası örneklerinden bazılarını yeni sistemde yeniden tarayan Taforo, BM18 sonuçlarının şimdiden çok iyi olduğunu söylüyor.
BM18 aynı zamanda çok büyük nesneleri de tarayabilir.Ekip, yeni tesisle 2023 yılı sonuna kadar insan vücudunun tüm gövdesini tek seferde taramayı planlıyor.
Teknolojinin muazzam potansiyelini keşfeden Taforo, "Gerçekten daha yolun başındayız" dedi.
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Her hakkı saklıdır.