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.
HiP-CT позволяет выполнять трехмерное картирование в различных масштабах, позволяя врачам 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 рентгеновского излучения в мире – 100 миллиардов. раз ярче, чем больничный рентген.
Благодаря этому яркому блеску исследователи могут видеть кровеносные сосуды диаметром пять микрон (десятая часть диаметра волоса) в неповрежденном легком человека. Клиническая компьютерная томография позволяет разрешить только кровеносные сосуды, которые примерно в 100 раз больше, около 1 мм в диаметре.
Доктор. Клэр Уолш (UCL Mechanical Engineering) сказала, что "возможность видеть органы в таком масштабе действительно будет революционным для медицинской визуализации. Когда мы начнем связывать наши изображения HiP-CT с клиническими изображениями с помощью методов искусственного интеллекта, мы впервые сможем с высокой точностью подтверждать неоднозначные результаты на клинических изображениях. Для понимания анатомии человека это также очень захватывающий метод, возможность видеть крошечные структуры органов в 3D в их правильном пространственном контексте является ключом к пониманию того, как устроены наши тела 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 капиллярами, которые питают саму ткань легких. Такое перекрестное связывание препятствует правильному насыщению кислородом крови пациента, что ранее предполагалось, но не доказано.
Максимилиан Акерманн, доктор медицины (Университетский медицинский центр Майнца), клинический пользователь этой техники, 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 неадекватно отражают 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 происходит шунтирование между кровеносными сосудами в двух сосудистых системах легкого в легких, поврежденных COVID-19, и какое влияние это оказывает. 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 повышенной чувствительности нового Extremely Brilliant Source в ESRF, ESRF. -EBS. Это позволяет нам видеть в 3D невероятно маленькие сосуды внутри целого человеческого органа, что позволяет нам отличать в 3D кровеносный сосуд от окружающей ткани и даже наблюдать за некоторыми конкретными клетками.
"Это настоящий прорыв, поскольку человеческие органы имеют низкий контраст и их очень сложно детально отобразить с помощью доступных в настоящее время методов. ESRF-EBS позволил нам перейти от разгадки секретов окаменелостей к тому, чтобы увидеть человеческое тело 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 органов человека, запуск которого начинается 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 легкого и биопсия легкого на COVID-19. Атлас будет доступен в Интернете 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 сантиметра до микрона в неповрежденных органах. Клиническая компьютерная томография и МРТ могут быть разрешены с точностью до миллиметра, в то время как гистология (изучение клеток / биопсийных срезов под микроскопом), электронная микроскопия (которая использует электронный луч для создания изображений) и другие аналогичные методы позволяют разрешить структуры с субмикронной точностью. , но только на небольших биоптатах ткани 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 Гейдельберга, 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, предоставляет подробные изображения тканей и клеток, полученных из небольших частей органов. Обычно он ограничен небольшим полем и двумя измерениями. HiP-CT соединяет орган и ткань в масштабе, тесно связывает клинические дисциплины радиологии и патологии и предоставляет ранее невиданные структурные данные о трехмерной архитектуре ткани и паттернах заболеваний."
Авторы надеются, что Атлас человеческих органов в конечном итоге будет содержать библиотеку болезней, поражающих органы в различных масштабах, от 1 до 100 микрон до целых органов, что поможет врачам диагностировать и лечить широкий спектр заболеваний.
Команда также надеется использовать машинное обучение и искусственный интеллект для калибровки клинических изображений КТ и МРТ, улучшая понимание клинической визуализации и обеспечивая более быструю и точную диагностику.
Исследование опубликовано в журнале Nature Methods.