Физики Геттингенского университета вместе с патологами и специалистами в области легких из Медицинского университета Ганновера разработали технику трехмерной визуализации, которая обеспечивает высокое разрешение и трехмерное изображение поврежденной ткани легких после тяжелой формы Covid-19. Используя специальную технику рентгеновской микроскопии, они смогли отобразить изменения, вызванные коронавирусом, в структуре альвеол (крошечные воздушные мешочки в легких) и сосудистой сети. Результаты исследования опубликованы в исследовательском журнале eLife.
При тяжелой болезни Covid-19 исследователи наблюдали значительные изменения в сосудистой сети, воспаление, сгустки крови и “ гиалиновые мембраны ”, которые состоят из белков и мертвых клеток, отложенных на стенках альвеол, которые затрудняют или делают невозможным газообмен. Благодаря новому подходу к визуализации эти изменения могут быть впервые визуализированы в больших объемах ткани без разрезания, окрашивания или повреждения ткани, как в традиционной гистологии. Он особенно хорошо подходит для отслеживания мелких кровеносных сосудов и их ветвей в трех измерениях, локализации клеток иммунной системы, которые задействованы в очагах воспаления, и измерения толщины альвеолярных стенок. Благодаря трехмерной реконструкции данные также могут быть использованы для моделирования газообмена.
"Используя зум-томографию, можно сканировать большие области легочной ткани, залитой воском, что позволяет детально изучить области вокруг воспаления, кровеносных сосудов или бронхов," говорит ведущий автор профессор Тим Салдитт из Института рентгеновской физики Геттингенского университета. Поскольку рентгеновские лучи проникают глубоко в ткани, это позволяет ученым понять связь между микроскопической структурой ткани и более широкой функциональной архитектурой органа. Это важно, например, для визуализации дерева кровеносных сосудов вплоть до мельчайших капилляров.
Авторы предвидят, что этот новый рентгеновский метод станет продолжением традиционной гистологии и гистопатологии, областей исследования, которые восходят к 19 веку, когда оптические микроскопы только стали доступны, и патологи могли, таким образом, разгадать микроскопическое происхождение многих заболеваний. Даже сегодня патологи по-прежнему выполняют одни и те же основные шаги для подготовки и исследования ткани: химическая фиксация, срезы, окрашивание и микроскопия. Однако этого традиционного подхода недостаточно, если требуются трехмерные изображения или если необходимо сканировать, оцифровывать или анализировать большие объемы изображений с помощью компьютерных программ.
Трехмерное изображение хорошо известно из медицинской компьютерной томографии (КТ). Однако разрешение и контраст этого обычного метода недостаточны для обнаружения структуры ткани с клеточным или субклеточным разрешением. Поэтому авторы использовали "фазовый контраст", который использует различные скорости распространения рентгеновских лучей в ткани для создания картины интенсивности на детекторе. Салдитт и его исследовательская группа в Институте рентгеновской физики разработали специальную оптику освещения и алгоритмы для восстановления четких изображений по этим образцам, подход, который они теперь адаптировали для изучения легочной ткани, пораженной тяжелым прогрессированием Covid-19. Команда Геттингена смогла записывать легочную ткань с масштабируемым размером и разрешением, давая как большие обзоры, так и реконструкции крупным планом. В зависимости от настроек их метод может даже дать структурные детали с разрешением ниже разрешения обычной световой микроскопии. Для этого исследователи использовали мощное рентгеновское излучение, генерируемое накопителем PETRAIII немецкого электронного синхротрона (DESY) в Гамбурге.
Как и в случае изобретения современного микроскопа 150 лет назад, значительный прогресс был достигнут благодаря сотрудничеству физиков и исследователей-медиков. Междисциплинарная исследовательская группа надеется, что новый метод поддержит разработку методов лечения, лекарств для предотвращения или облегчения серьезного повреждения легких при Covid-19 или для содействия регенерации и выздоровлению. "Только когда мы сможем ясно увидеть и понять, что происходит на самом деле, мы сможем разработать целевые меры вмешательства и лекарства," добавляет Дэнни Джонигк (Медицинский университет Ганновера), который руководил медицинской частью междисциплинарного исследования.