Yeni bir tarama tekniği, insan anatomisi çalışmasında devrim yaratabilecek çok detaylı görüntüler üretiyor.
Paul Taforo, COVID-19 hafif kurbanlarının ilk deneysel görüntülerini gördüğünde başarısız olduğunu düşündü.Eğitimli bir paleontolog olan Taforo, Fransız Alpleri'ndeki parçacık hızlandırıcıları devrim niteliğindeki tıbbi tarama araçlarına dönüştürmek için Avrupa'daki ekiplerle aylarca çalıştı.
Mayıs 2020'nin sonlarıydı ve bilim insanları COVID-19'un insan organlarını nasıl yok ettiğini daha iyi anlamak için can atıyorlardı.Taforo, Fransa'nın Grenoble kentindeki Avrupa Senkrotron Radyasyon Tesisi (ESRF) tarafından üretilen yüksek güçlü X-ışınlarını kullanabilecek bir yöntem geliştirmekle görevlendirildi.Bir ESRF bilim adamı olarak, kaya fosillerinin ve kurutulmuş mumyaların yüksek çözünürlüklü röntgenlerinin sınırlarını zorladı.Şimdi yumuşak, yapışkan kağıt havlu yığınından korkuyordu.
Görüntüler onlara daha önce gördükleri herhangi bir tıbbi BT taramasından daha fazla ayrıntı göstererek, bilim adamlarının ve doktorların insan organlarını görselleştirme ve anlama biçimlerindeki inatçı boşlukların üstesinden gelmelerine olanak sağladı.University College London (UCL) "Anatomi ders kitaplarında gördüğünüzde, büyük ölçekli, küçük ölçekli ve elle çizilmiş güzel resimler olmasının bir nedeni var: Sanatsal yorumlar, çünkü bizde resim yok", University College London (UCL) ) söz konusu..Kıdemli Araştırmacı Claire Walsh söyledi."İlk kez gerçek olanı yapabiliyoruz."
Taforo ve Walsh, Hiyerarşik Faz Kontrast Tomografisi (HiP-CT) adı verilen yeni ve güçlü bir X-ışını tarama tekniği yaratan 30'dan fazla araştırmacıdan oluşan uluslararası bir ekibin parçasıdır.Bununla birlikte, nihayet eksiksiz bir insan organından vücudun en küçük kan damarlarının ve hatta tek tek hücrelerinin büyütülmüş bir görünümüne geçebilirler.
Bu yöntem, COVID-19'un akciğerlerdeki kan damarlarına nasıl zarar verdiği ve yeniden şekillendirdiği konusunda şimdiden yeni bilgiler sağlıyor.HiP-CT benzeri bir şey daha önce var olmadığı için uzun vadeli beklentilerini belirlemek zor olsa da, potansiyelinden heyecan duyan araştırmacılar, hastalığı anlamanın ve insan anatomisini daha doğru bir topografik haritayla haritalandırmanın yeni yollarını hevesle tasarlıyorlar.
UCL kardiyoloğu Andrew Cooke şunları söyledi: “Yüzlerce yıldır kalbin anatomisini inceliyor olmamıza çoğu insan şaşırabilir, ancak kalbin, özellikle de kalbin normal yapısı konusunda bir fikir birliği yok... Kas hücreleri ve nasıl değiştiği kalp attığında."
"Tüm kariyerim boyunca bekledim," dedi.
HiP-CT tekniği, iki Alman patoloğun SARS-CoV-2 virüsünün insan vücudu üzerindeki cezalandırıcı etkilerini izlemek için rekabet etmesiyle başladı.
Hannover Tıp Okulu'nda göğüs patoloğu olan Danny Jonigk ve Mainz Üniversitesi Tıp Merkezi'nde patolog olan Maximilian Ackermann, olağandışı pnömoni vakasının Çin'de yayılmaya başlamasıyla yüksek alarm durumuna geçti.Her ikisinin de akciğer hastalıklarını tedavi etme deneyimi vardı ve COVID-19'un olağandışı olduğunu hemen anladılar.Çift, özellikle COVID-19 hastalarını uyanık tutan ancak kan oksijen seviyelerinin düşmesine neden olan "sessiz hipoksi" raporlarından endişeliydi.
Ackermann ve Jonig, SARS-CoV-2'nin bir şekilde akciğerlerdeki kan damarlarına saldırdığından şüpheleniyor.Mart 2020'de hastalık Almanya'ya yayıldığında çift, COVID-19 kurbanlarına otopsi yapmaya başladı.Kısa bir süre sonra doku örneklerine reçine enjekte ederek ve ardından dokuyu asit içinde çözerek orijinal damar sisteminin doğru bir modelini bırakarak vasküler hipotezlerini test ettiler.
Ackermann ve Jonigk, bu tekniği kullanarak COVID-19'dan ölmeyen insanlardan alınan dokuları ölen insanlardan alınan dokularla karşılaştırdı.COVID-19 kurbanlarında akciğerlerdeki en küçük kan damarlarının büküldüğünü ve yeniden yapıldığını hemen gördüler.Mayıs 2020'de çevrimiçi olarak yayınlanan bu dönüm noktası niteliğindeki sonuçlar, COVID-19'un tam anlamıyla bir solunum yolu hastalığı olmadığını, vücuttaki organları etkileyebilen bir damar hastalığı olduğunu göstermektedir.
Almanya, Wuppertal'dan bir patolog olan Ackermann, "Vücuttan geçip tüm kan damarlarını hizalarsanız, 60.000 ila 70.000 mil elde edersiniz, bu da ekvator etrafındaki mesafenin iki katıdır" dedi..Bu kan damarlarının sadece yüzde 1'inin virüs tarafından saldırıya uğraması durumunda kan akışının ve oksijeni emme yeteneğinin tehlikeye gireceğini ve bunun da tüm organ için yıkıcı sonuçlara yol açabileceğini sözlerine ekledi.
Jonigk ve Ackermann, COVID-19'un kan damarları üzerindeki etkisini fark ettiklerinde, hasarı daha iyi anlamaları gerektiğini anladılar.
CT taramaları gibi tıbbi röntgenler tüm organların görüntülerini sağlayabilir, ancak yeterince yüksek çözünürlükte değildirler.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.Ve ekibin geliştirdiği reçine tekniği, numuneyi yok eden ve daha fazla araştırmayı sınırlayan dokunun çözülmesini gerektiriyor.
Kurucu Jonigk, "Günün sonunda [akciğerler] oksijen alır ve karbondioksit dışarı çıkar, ancak bunun için çok ince aralıklı binlerce kilometrelik kan damarları ve kılcal damarları vardır ... bu neredeyse bir mucizedir" dedi. Alman Akciğer Araştırma Merkezi'nde baş araştırmacı."Peki organları yok etmeden COVID-19 kadar karmaşık bir şeyi gerçekten nasıl değerlendirebiliriz?"
Jonigk ve Ackermann benzeri görülmemiş bir şeye ihtiyaç duyuyordu: aynı organın bir dizi röntgeni, araştırmacıların organın bazı kısımlarını hücresel ölçeğe büyütmesine izin verecekti.Mart 2020'de Alman ikili, UCL'de bir malzeme bilimcisi ve gelişen teknolojiler başkanı olan, uzun süredir birlikte çalıştıkları Peter Lee ile temasa geçti.Lee'nin uzmanlığı, güçlü X-ışınları kullanarak biyolojik materyallerin incelenmesidir, bu nedenle düşünceleri hemen Fransız Alpleri'ne döndü.
Avrupa Synchrotron Radyasyon Merkezi, Grenoble'ın kuzeybatı kesiminde, iki nehrin birleştiği yerde üçgen bir arazi parçası üzerinde yer almaktadır.Nesne, elektronları neredeyse ışık hızında yarım mil uzunluğundaki dairesel yörüngelerde gönderen bir parçacık hızlandırıcıdır.Bu elektronlar daireler çizerek dönerken, yörüngedeki güçlü mıknatıslar parçacıkların 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.Genellikle alaşımlar ve kompozitler gibi malzemeleri incelemek, proteinlerin moleküler yapısını incelemek ve hatta taşı kemikten ayırmadan eski fosilleri yeniden oluşturmak için kullanılır.Ackermann, Jonigk ve Lee, insan organlarının dünyanın en ayrıntılı röntgenlerini çekmek için dev aleti kullanmak istediler.
ESRF'deki çalışmaları senkrotron taramasının görebileceği sınırları zorlayan Taforo'ya girin.Etkileyici hileleri daha önce bilim adamlarının dinozor yumurtalarının içine bakmalarına ve neredeyse mumyaları kesmelerine izin vermişti ve Taforo neredeyse anında senkrotronların teorik olarak tüm akciğer loblarını iyi tarayabileceğini doğruladı.Ama aslında, tüm insan organlarını taramak çok büyük bir zorluktur.
Bir yandan karşılaştırma sorunu var.Standart x-ışınları, daha ağır elementlerin daha hafif olanlardan daha fazla emdiği, farklı malzemelerin ne kadar radyasyon emdiğine bağlı olarak görüntüler oluşturur.Yumuşak dokular çoğunlukla hafif elementlerden (karbon, hidrojen, oksijen vb.) oluşur, bu nedenle klasik bir tıbbi röntgen filminde net bir şekilde görünmezler.
ESRF ile ilgili harika şeylerden biri, X-ışın demetinin çok tutarlı olmasıdır: ışık dalgalar halinde hareket eder ve ESRF durumunda, tüm X-ışınları aynı frekansta ve hizada başlar, sürekli salınır, tıpkı ayak izleri gibi Reik tarafından bir zen bahçesinden.Ancak bu X-ışınları nesneden geçerken, yoğunluktaki ince farklar her bir X-ışınının yoldan biraz sapmasına neden olabilir ve X-ışınları nesneden uzaklaştıkça farkın saptanması daha kolay hale gelir.Bu sapmalar, hafif elementlerden yapılmış olsa bile bir nesne içindeki ince yoğunluk farklarını ortaya çıkarabilir.
Ancak 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.Bununla birlikte, vücudun çok esnek olabileceğini söylemeye gerek yok.
Lee ve UCL'deki ekibi, mümkün olduğu kadar çok dalganın geçmesine izin verirken, senkrotron X-ışınlarına dayanabilecek kaplar tasarlamayı amaçladı.Lee ayrıca, örneğin Almanya ile Fransa arasında insan organlarının taşınmasıyla ilgili ayrıntılar gibi projenin genel organizasyonunu üstlendi ve taramaların nasıl analiz edileceğini anlamasına yardımcı olması için biyomedikal büyük veriler konusunda uzman olan Walsh'u işe aldı.Fransa'da Taforo'nun çalışmaları, tarama prosedürünü iyileştirmeyi ve organın Lee'nin ekibinin inşa etmekte olduğu konteynerde nasıl saklanacağını bulmayı içeriyordu.
Tafforo, organların ayrışmaması ve görüntülerin olabildiğince net olması için birkaç porsiyon sulu etanol ile işlenmesi gerektiğini biliyordu.Ayrıca organı, organın yoğunluğuna tam olarak uyan bir şey üzerinde stabilize etmesi gerektiğini de biliyordu.Planı, organları bir şekilde deniz yosunundan çıkarılan jöle benzeri bir madde olan etanol açısından zengin ağara yerleştirmekti.
Ancak, şeytan ayrıntılarda gizlidir - Avrupa'nın çoğunda olduğu gibi, Taforo evde tıkılıp kalmış ve hapsedilmiştir.Böylece Taforo, araştırmasını bir ev laboratuvarına taşıdı: Yıllarca eski bir orta ölçekli mutfağı 3D yazıcılar, temel kimya ekipmanları ve anatomik araştırmalar için hayvan kemiklerini hazırlamak için kullanılan araçlarla dekore etti.
Taforo, agar yapmayı öğrenmek için yerel marketten alınan ürünleri kullandı.Laboratuvar kalitesinde agar formüllerinde standart bir bileşen olan demineralize su yapmak için yakın zamanda temizlediği bir çatıdan yağmur suyunu bile topluyor.Organları agarda paketlemek için yerel bir mezbahadan domuz bağırsağı aldı.
Taforo, domuzların ilk test akciğer taraması için Mayıs ortasında ESRF'ye dönme izni aldı.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 resmi gördüğümde, e-postamda projeye dahil olan herkese bir özür mektubu vardı: Başarısız olduk ve yüksek kaliteli bir tarama alamadım" dedi."Onlara benim için korkunç ama onlar için harika olan iki fotoğraf gönderdim."
Los Angeles, California Üniversitesi'nden Lee için görüntüler çarpıcı: tüm organ görüntüleri standart tıbbi BT taramalarına benziyor, ancak "bir milyon kat daha bilgilendirici."Kaşif sanki hayatı boyunca ormanı inceliyor, ya dev bir jet uçağıyla ormanın üzerinden uçuyor ya da patika boyunca seyahat ediyor.Şimdi kanatlı kuşlar gibi gölgelik üzerinde süzülüyorlar.
Ekip, Kasım 2021'de HiP-CT yaklaşımının ilk tam açıklamasını 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 ailesini aşı olmaya ikna etmesine yardımcı oldu.Şiddetli COVID-19 vakalarında, akciğerlerdeki birçok kan damarı genişlemiş ve şişmiş görünür ve daha az ölçüde, anormal küçük kan damarı demetleri oluşabilir.
Tafolo, "COVID'den ölen bir kişinin akciğerinin yapısına baktığınızda, akciğer gibi görünmüyor - bu bir karmaşa" dedi.
Sağlıklı organlarda bile taramaların, hiçbir insan organı bu kadar ayrıntılı incelenmediği için asla kaydedilmeyen ince anatomik özellikleri ortaya çıkardığını sözlerine ekledi.Chan Zuckerberg Initiative'in (Facebook CEO'su Mark Zuckerberg ve Zuckerberg'in eşi doktor Priscilla Chan tarafından kurulan kar amacı gütmeyen bir kuruluş) sağladığı 1 milyon doların üzerinde finansmanla, HiP-CT ekibi şu anda bir insan organları atlası oluşturuyor.
Ekip şimdiye kadar Ackermann ve Jonigk'in Almanya'daki COVID-19 otopsisi sırasında bağışladığı organlara ve sağlık "kontrol" organı LADAF'a dayanarak kalp, beyin, böbrekler, akciğerler ve dalak olmak üzere beş organın taramalarını yayınladı.Grenoble'ın anatomik laboratuvarı.Ekip, verileri ve uçuş filmlerini internette ücretsiz olarak bulunan verilere dayanarak üretti.İnsan Organları Atlası hızla genişliyor: 30 organ daha tarandı ve 80 organ da çeşitli hazırlık aşamalarında.Li, yaklaşım hakkında daha fazla bilgi edinmek için yaklaşık 40 farklı araştırma grubunun ekiple iletişime geçtiğini söyledi.
UCL kardiyoloğu Cook, temel anatomiyi anlamak için HiP-CT kullanmada büyük bir potansiyel görüyor.Akciğer hastalığında uzmanlaşmış UCL radyoloğu Joe Jacob, HiP-CT'nin özellikle kan damarları gibi üç boyutlu yapılarda "hastalığı anlamak için paha biçilmez" olacağını söyledi.
Sanatçılar bile tartışmaya girdi.Londra merkezli deneyimsel sanat kolektifi Marshmallow Laser Feast'ten Barney Steele, HiP-CT verilerinin sürükleyici sanal gerçeklikte nasıl keşfedilebileceğini aktif olarak araştırdığını söylüyor.“Aslında 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 bir terabayt olmak üzere "şaşırtıcı miktarda veri" üretiyor.Araştırmacılar, klinisyenlerin bu taramaları gerçek dünyada kullanmalarına izin vermek için, insan vücudu için Google Haritalar gibi, bu taramalarda gezinmek için bulut tabanlı bir arayüz geliştirmeyi umuyor.
Ayrıca, taramaları uygulanabilir 3B modellere dönüştürmeyi kolaylaştırmaları gerekiyordu.Tüm BT tarama yöntemleri gibi, HiP-CT de belirli bir nesnenin birçok 2B dilimini alıp bunları bir araya getirerek çalışır.Bugün bile, özellikle anormal veya hastalıklı doku taranırken bu işlemin çoğu manuel olarak yapılmaktadır.Lee ve Walsh, HiP-CT ekibinin önceliğinin bu görevi kolaylaştırabilecek makine öğrenimi yöntemleri geliştirmek olduğunu söylüyor.
İnsan organları atlası genişledikçe ve araştırmacılar daha hırslı hale geldikçe bu zorluklar da genişleyecektir.HiP-CT ekibi, projenin organlarını taramaya devam etmek için BM18 adlı en son ESRF ışın cihazını kullanıyor.BM18 daha büyük bir X-ışını ışını üretir, bu da taramanın daha az zaman alması anlamına gelir ve BM18 X-ışını dedektörü, taranan nesneden 125 fit (38 metre) uzağa yerleştirilebilir ve bu da nesnenin daha net taranmasını sağlar.Orijinal İnsan Organ Atlası örneklerinden bazılarını yeni sistemde yeniden tarayan Taforo, BM18 sonuçlarının şimdiden çok iyi olduğunu söylüyor.
BM18 ayrıca çok büyük nesneleri de tarayabilir.Ekip, yeni tesiste 2023'ün 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.Tüm hakları Saklıdır.