Ущерб, нанесенный COVID-19 мельчайшим кровеносным сосудам легких, был тщательно зафиксирован с помощью высокоэнергетического рентгеновского излучения, испускаемого специальным ускорителем частиц.
Ученые из UCL и Европейского центра синхротронных исследований (ESRF) использовали новую революционную технологию визуализации, называемую иерархической фазово-контрастной томографией (HiP-CT), для сканирования пожертвованных человеческих органов , включая легкие от донора COVID-19, пишет Medical Xpress.
HiP-CT обеспечивает трехмерное картирование в различных масштабах, позволяя клиницистам видеть весь орган как никогда раньше, визуализируя его как единое целое, а затем увеличивая масштаб до клеточного уровня.
В этом методе используются рентгеновские лучи, поставляемые Европейским синхротроном (ускорителем частиц) в Гренобле, Франция, который после недавней модернизации чрезвычайно блестящего источника (ESRF-EBS) теперь обеспечивает самый яркий источник рентгеновских лучей в мире - 100 миллиардов раз ярче больничного рентгена.
Благодаря этому яркому сиянию исследователи могут видеть кровеносные сосуды диаметром пять микрон (десятая часть диаметра волоса) в неповрежденном легком человека. Клиническая компьютерная томография позволяет выявлять только кровеносные сосуды, которые примерно в 100 раз больше и имеют диаметр около 1 мм.
Доктор Клэр Уолш (UCL Mechanical Engineering) сказала, что «способность видеть органы в таких масштабах будет действительно революционной для медицинской визуализации . Когда мы начнем связывать наши изображения HiP-CT с клиническими изображениями с помощью методов искусственного интеллекта, мы будем - для в первый раз - уметь очень точно подтверждать неоднозначные результаты на клинических изображениях. Для понимания анатомии человека это также очень увлекательный метод, возможность видеть крошечные структуры органов в 3D в их правильном пространственном контексте является ключом к пониманию того, как устроены наши тела. структурированы и как они поэтому функционируют".
Используя HiP-CT, исследовательская группа, в которую входят врачи из Германии и Франции, увидела, как тяжелая инфекция COVID-19 «шунтирует» кровь между двумя отдельными системами - капиллярами, которые насыщают кровь кислородом, и теми, которые питают ткань легких. Такое сшивание препятствует правильному насыщению кислородом крови пациента, что ранее предполагалось, но не доказано.
Максимилиан Акерманн, доктор медицинских наук (Университетский медицинский центр Майнца), клинический пользователь этого метода, сказал: «Вскоре после начала глобальной пандемии мы продемонстрировали, что COVID-19 является системным сосудистым заболеванием, используя гистопатологические (оптическое изображение ткани) и молекулярные методы. Однако эти методы не позволили адекватно оценить степень изменений и свертывания в тонких кровеносных сосудах целых легких ».
Дэнни Йонигк, профессор торакальной патологии (Ганноверская медицинская школа, Германия) сказал: «Объединив наши молекулярные методы с многомасштабной визуализацией HiP-CT в легких, пораженных пневмонией COVID-19, мы получили новое понимание того, как шунтирование между кровеносными сосудами в Две сосудистые системы легких возникают в легких, пораженных COVID-19, и их влияние на уровень кислорода в нашей системе кровообращения».
Доктор Пол Таффоро, ведущий научный сотрудник ESRF, сказал: «Идея разработать эту новую технику HiP-CT возникла после начала глобальной пандемии путем объединения нескольких методов, которые использовались в ESRF для изображения крупных окаменелостей, и использования повышенная чувствительность нового источника Extremely Brilliant Source в ESRF, ESRF-EBS. Это позволяет нам видеть в 3D невероятно маленькие сосуды в целостном человеческом органе, позволяя нам в 3D отличать кровеносный сосуд от окружающей ткани и даже понаблюдайте за некоторыми конкретными клетками.
«Это настоящий прорыв, поскольку человеческие органы имеют низкую контрастность и поэтому их очень сложно детально отобразить с помощью доступных в настоящее время методов. ESRF-EBS позволил нам перейти от разгадки секретов окаменелостей к изучению человеческого тела, как никогда раньше".
Использование HiP-CT для создания Атласа человеческих органов
При поддержке Инициативы Чана Цукерберга (CZI) команда под руководством UCL использует HiP-CT для создания Атласа человеческих органов, который запускается сегодня. Здесь будут отображены шесть переданных органов управления: мозг, легкое, сердце, две почки и селезенка, а также легкое пациента, умершего от COVID-19. Также будет проведена контрольная биопсия легких и биопсия легких на COVID-19. Атлас будет доступен в режиме онлайн для хирургов, клиницистов и заинтересованной общественности.Руководитель проекта профессор Питер Ли (UCL Mechanical Engineering) сказал: «Атлас охватывает ранее плохо изученную шкалу в нашем понимании анатомии человека, которая представляет собой шкалу от сантиметров до микронов в неповрежденных органах. Клинические КТ- и МРТ-сканирование могут быть ниже миллиметра, в то время как гистология (изучение клеток / биопсийных срезов под микроскопом), электронная микроскопия (которая использует электронный луч для генерации изображений) и другие аналогичные методы разрешают структуры с субмикронной точностью, но только на небольших биоптатах ткани из органа HiP-CT объединяет эти чешуйки в 3D, визуализируя целые органы, чтобы по-новому взглянуть на нашу биологическую структуру ».
Информация о других заболеваниях и состояниях
Исследователи уверены, что масштабирующая визуализация от всего органа до клеточного уровня может дать дополнительную информацию о многих заболеваниях, таких как рак или болезнь Альцгеймера.Клиницист Вилли Вагнер, радиолог университетской больницы в Гейдельберге, сказал, что «HiP-CT заполняет огромный пробел в области визуализации в медицине человека: клиническая визуализация предоставляет трехмерные данные тела и органов, но ограничена в крупном масштабе; гистопатология, с другой стороны, обеспечивает подробные изображения тканей и клеток, полученных из небольших частей органов. Обычно это ограничивается небольшим полем и двумя измерениями. HiP-CT соединяет орган с тканевым масштабом, тесно связывает клинические дисциплины радиологии и патологии и обеспечивает невиданное ранее структурные данные о трехмерной архитектуре ткани и паттернах болезней".
Авторы надеются, что Атлас человеческих органов в конечном итоге будет содержать библиотеку заболеваний, поражающих органы в различных масштабах, от 1 до 100 микрон до целых органов, что поможет клиницистам диагностировать и лечить широкий спектр заболеваний.
Команда также надеется использовать машинное обучение и искусственный интеллект для калибровки клинических снимков КТ и МРТ, улучшая понимание клинической визуализации и обеспечивая более быструю и точную диагностику.
Исследование опубликовано в журнале Nature Methods .
