Mbinu mpya ya skanning hutoa picha zenye maelezo mengi ambayo yanaweza kuleta mapinduzi katika uchunguzi wa anatomia ya binadamu.
Wakati Paul Taforo aliona picha zake za kwanza za majaribio za waathiriwa wa mwanga wa COVID-19, alidhani ameshindwa.Mwanapaleontolojia kwa mafunzo, Taforo alitumia miezi kadhaa kufanya kazi na timu kote Ulaya kubadilisha viongeza kasi vya chembe katika Milima ya Alps ya Ufaransa kuwa zana za kimapinduzi za kuchanganua matibabu.
Ilikuwa mwishoni mwa Mei 2020, na wanasayansi walikuwa na hamu ya kuelewa vyema jinsi COVID-19 inavyoharibu viungo vya binadamu.Taforo iliagizwa kubuni mbinu inayoweza kutumia X-rays yenye nguvu ya juu inayotolewa na Kituo cha Mionzi cha Uropa cha Synchrotron Radiation Facility (ESRF) huko Grenoble, Ufaransa.Kama mwanasayansi wa ESRF, amevuka mipaka ya eksirei zenye azimio la juu za visukuku vya miamba na majimaji yaliyokaushwa.Sasa alikuwa na hofu ya molekuli laini, nata ya taulo za karatasi.
Picha hizo zilionyesha maelezo zaidi kuliko CT scan yoyote ya kimatibabu waliyowahi kuona hapo awali, na kuwaruhusu kushinda mapengo magumu katika jinsi wanasayansi na madaktari wanavyoona na kuelewa viungo vya binadamu."Katika vitabu vya kiada vya anatomia, unapoiona, ni ya kiwango kikubwa, ni ya kiwango kidogo, na ni picha nzuri zilizochorwa kwa mkono kwa sababu moja: ni tafsiri za kisanii kwa sababu hatuna picha," Chuo Kikuu cha London London (UCL). ) sema..Mtafiti Mkuu Claire Walsh alisema."Kwa mara ya kwanza tunaweza kufanya jambo halisi."
Taforo na Walsh ni sehemu ya timu ya kimataifa ya zaidi ya watafiti 30 ambao wameunda mbinu mpya yenye nguvu ya kuchanganua X-ray inayoitwa Hierarchical Phase Contrast Tomography (HiP-CT).Pamoja nayo, wanaweza hatimaye kutoka kwa chombo kamili cha binadamu hadi mtazamo uliopanuliwa wa mishipa midogo ya damu ya mwili au hata seli za kibinafsi.
Njia hii tayari inatoa maarifa mapya kuhusu jinsi COVID-19 inavyoharibu na kurekebisha mishipa ya damu kwenye mapafu.Ingawa matarajio yake ya muda mrefu ni vigumu kubainisha kwa sababu hakuna kitu kama HiP-CT ambacho hakijawahi kuwepo hapo awali, watafiti wanaofurahishwa na uwezo wake wanatazamia kwa shauku njia mpya za kuelewa magonjwa na ramani ya anatomi ya binadamu kwa ramani sahihi zaidi ya topografia.
Mtaalamu wa magonjwa ya moyo katika UCL Andrew Cooke alisema: “Watu wengi wanaweza kushangaa kwamba tumekuwa tukichunguza anatomy ya moyo kwa mamia ya miaka, lakini hakuna makubaliano juu ya muundo wa kawaida wa moyo, hasa moyo … seli za misuli na jinsi inavyobadilika. moyo unapopiga.”
"Nimekuwa nikingojea kazi yangu yote," alisema.
Mbinu ya HiP-CT ilianza wakati wanapatholojia wawili wa Ujerumani waliposhindana kufuatilia athari za adhabu za virusi vya SARS-CoV-2 kwenye mwili wa binadamu.
Danny Jonigk, daktari wa magonjwa ya kifua katika Shule ya Matibabu ya Hannover, na Maximilian Ackermann, mtaalamu wa magonjwa katika Kituo cha Matibabu cha Chuo Kikuu cha Mainz, walikuwa katika hali ya tahadhari wakati habari za kisa kisicho cha kawaida cha nimonia zilipoanza kuenea nchini China.Wote wawili walikuwa na uzoefu wa kutibu hali ya mapafu na walijua mara moja kwamba COVID-19 haikuwa ya kawaida.Wenzi hao walikuwa na wasiwasi sana juu ya ripoti za "hypoxia ya kimya" ambayo iliwaweka wagonjwa wa COVID-19 macho lakini kusababisha viwango vyao vya oksijeni kwenye damu kushuka.
Ackermann na Jonig wanashuku kwamba SARS-CoV-2 kwa namna fulani hushambulia mishipa ya damu kwenye mapafu.Wakati ugonjwa huo ulienea hadi Ujerumani mnamo Machi 2020, wenzi hao walianza uchunguzi wa wahasiriwa wa COVID-19.Hivi karibuni walijaribu hypothesis yao ya mishipa kwa kuingiza resini kwenye sampuli za tishu na kisha kufuta tishu katika asidi, na kuacha mfano sahihi wa vasculature ya awali.
Kwa kutumia mbinu hii, Ackermann na Jonigk walilinganisha tishu kutoka kwa watu ambao hawakufa kutokana na COVID-19 na zile za watu waliokufa.Mara moja waliona kuwa katika wahasiriwa wa COVID-19, mishipa midogo ya damu kwenye mapafu ilijipinda na kutengenezwa upya.Matokeo haya muhimu, yaliyochapishwa mtandaoni mnamo Mei 2020, yanaonyesha kuwa COVID-19 sio ugonjwa wa kupumua tu, bali ni ugonjwa wa mishipa ambao unaweza kuathiri viungo vya mwili wote.
"Ukipitia kwenye mwili na kusawazisha mishipa yote ya damu, unapata maili 60,000 hadi 70,000, ambayo ni umbali wa mara mbili kuzunguka ikweta," alisema Ackermann, mwanapatholojia kutoka Wuppertal, Ujerumani..Aliongeza kuwa ikiwa ni asilimia 1 tu ya mishipa hiyo ya damu ikishambuliwa na virusi hivyo, mzunguko wa damu na uwezo wa kunyonya oksijeni utaharibika, jambo ambalo linaweza kusababisha madhara makubwa kwa kiungo chote.
Mara tu Jonigk na Ackermann walipogundua athari za COVID-19 kwenye mishipa ya damu, waligundua kuwa walihitaji kuelewa uharibifu huo vyema.
X-rays ya kimatibabu, kama vile CT scan, inaweza kutoa maoni ya viungo vyote, lakini si ya azimio la juu vya kutosha.Biopsy inaruhusu wanasayansi kuchunguza sampuli za tishu chini ya darubini, lakini picha zinazotokana zinawakilisha sehemu ndogo tu ya kiungo kizima na haziwezi kuonyesha jinsi COVID-19 inavyokua kwenye mapafu.Na mbinu ya resin ambayo timu ilitengeneza inahitaji kuyeyusha tishu, ambayo huharibu sampuli na kuzuia utafiti zaidi.
"Mwisho wa siku, [mapafu] hupata oksijeni na kaboni dioksidi hutoka, lakini kwa hilo, ina maelfu ya maili ya mishipa ya damu na kapilari, iliyo na nafasi nyembamba sana ... karibu ni muujiza," Jonigk, mwanzilishi, alisema. mpelelezi mkuu katika Kituo cha Utafiti wa Mapafu cha Ujerumani."Kwa hivyo tunawezaje kutathmini kitu ngumu kama COVID-19 bila kuharibu viungo?"
Jonigk na Ackermann walihitaji kitu ambacho hakijawahi kushuhudiwa: msururu wa miale ya eksirei ya chombo kimoja ambayo ingewaruhusu watafiti kupanua sehemu za chombo hadi kiwango cha seli.Mnamo Machi 2020, wawili hao wa Ujerumani waliwasiliana na mshiriki wao wa muda mrefu Peter Lee, mwanasayansi wa nyenzo na mwenyekiti wa teknolojia zinazoibuka katika UCL.Umaalumu wa Lee ni utafiti wa vifaa vya kibaolojia kwa kutumia X-rays yenye nguvu, hivyo mawazo yake mara moja yakageuka kwenye Alps ya Kifaransa.
Kituo cha Mionzi ya Synchrotron ya Ulaya iko kwenye sehemu ya pembe tatu ya ardhi katika sehemu ya kaskazini-magharibi ya Grenoble, ambapo mito miwili inakutana.Kitu ni kiongeza kasi cha chembe ambacho hutuma elektroni katika mizunguko ya duara yenye urefu wa nusu maili kwa karibu kasi ya mwanga.Elektroni hizi zinapozunguka katika miduara, sumaku zenye nguvu katika obiti hukunja mkondo wa chembe, na kusababisha elektroni kutoa baadhi ya miale angavu zaidi duniani.
Mionzi hii yenye nguvu inaruhusu ESRF kupeleleza vitu kwenye mikromita au hata kipimo cha nanometa.Mara nyingi hutumiwa kusoma nyenzo kama vile aloi na composites, kusoma muundo wa molekuli ya protini, na hata kuunda upya visukuku vya zamani bila kutenganisha jiwe kutoka kwa mfupa.Ackermann, Jonigk na Lee walitaka kutumia chombo hicho kikubwa kupiga picha za eksirei za viungo vya binadamu.
Ingiza Taforo, ambayo kazi yake katika ESRF imevuka mipaka ya kile ambacho utambazaji wa synchrotron unaweza kuona.Mbinu zake nyingi za kuvutia hapo awali zilikuwa zimewaruhusu wanasayansi kutazama ndani ya mayai ya dinosaur na karibu kukata miziki wazi, na mara moja Taforo alithibitisha kwamba synchrotrons inaweza kinadharia kuchanganua tundu zima la mapafu vizuri.Lakini kwa kweli, skanning viungo vyote vya binadamu ni changamoto kubwa.
Kwa upande mmoja, kuna shida ya kulinganisha.Mionzi ya eksirei ya kawaida huunda picha kulingana na ni kiasi gani cha mionzi inayofyonza vifaa mbalimbali, huku vipengele vizito zaidi vinavyofyonza zaidi ya vile vyepesi.Tishu laini mara nyingi huundwa na vipengee vyepesi—kaboni, hidrojeni, oksijeni, n.k—kwa hivyo hazionekani wazi kwenye eksirei ya kimatibabu.
Mojawapo ya mambo makuu kuhusu ESRF ni kwamba miale yake ya X-ray inashikamana sana: mwanga husafiri katika mawimbi, na kwa upande wa ESRF, X-rays zake zote huanza kwa masafa sawa na mpangilio, ikizunguka kila wakati, kama nyayo zilizoachwa. na Reik kupitia bustani ya zen.Lakini miale hii ya X inapopita kwenye kitu, tofauti ndogo ndogo za msongamano zinaweza kusababisha kila X-ray kupotoka kidogo kutoka kwa njia, na tofauti hiyo inakuwa rahisi kugundua kadiri miale ya X inasonga mbali zaidi na kitu.Mikengeuko hii inaweza kufichua tofauti ndogo ndogo za msongamano ndani ya kitu, hata kama kimeundwa na vipengele vya mwanga.
Lakini utulivu ni suala jingine.Ili kuchukua mfululizo wa x-rays iliyopanuliwa, chombo lazima kiweke katika umbo lake la asili ili kisipige au kusonga zaidi ya elfu moja ya millimeter.Zaidi ya hayo, x-rays zinazofuatana za chombo kimoja hazitafanana.Bila kusema, hata hivyo, mwili unaweza kubadilika sana.
Lee na timu yake katika UCL walilenga kubuni vyombo ambavyo vinaweza kustahimili miale ya X-ray huku bado vikiruhusu mawimbi mengi kupita iwezekanavyo.Lee pia alishughulikia shirika zima la mradi—kwa mfano, maelezo ya kusafirisha viungo vya binadamu kati ya Ujerumani na Ufaransa—na kuajiri Walsh, ambaye ni mtaalamu wa data kubwa ya matibabu, kusaidia kufahamu jinsi ya kuchanganua skanisho.Huko Ufaransa, kazi ya Taforo ilijumuisha kuboresha utaratibu wa kuchanganua na kufikiria jinsi ya kuhifadhi kiungo kwenye kontena ambalo timu ya Lee ilikuwa ikijenga.
Tafforo alijua kwamba ili viungo visiharibike, na picha ziwe wazi iwezekanavyo, lazima zifanyike na sehemu kadhaa za ethanol yenye maji.Alijua pia kuwa alihitaji kukiweka sawa chombo hicho kwenye kitu ambacho kililingana kabisa na msongamano wa chombo.Mpango wake ulikuwa kwa namna fulani kuweka viungo katika agar-tajiri ya ethanol, dutu kama jeli iliyotolewa kutoka kwa mwani.
Walakini, shetani yuko katika maelezo - kama katika sehemu nyingi za Uropa, Taforo imekwama nyumbani na imefungwa.Kwa hivyo Taforo alihamisha utafiti wake katika maabara ya nyumbani: Alitumia miaka kupamba jiko la zamani la ukubwa wa kati na vichapishaji vya 3D, vifaa vya msingi vya kemia na zana zilizotumiwa kuandaa mifupa ya wanyama kwa utafiti wa anatomiki.
Taforo alitumia bidhaa kutoka kwa duka la ndani kubaini jinsi ya kutengeneza agari.Yeye hata hukusanya maji ya dhoruba kutoka kwa paa aliyosafisha hivi majuzi ili kutengeneza maji yasiyo na madini, kiungo cha kawaida katika fomula za agar za kiwango cha maabara.Ili kufanya mazoezi ya kufunga viungo katika agar, alichukua matumbo ya nguruwe kutoka kwa kichinjio cha ndani.
Taforo aliruhusiwa kurejea ESRF katikati ya Mei kwa uchunguzi wa kwanza wa uchunguzi wa mapafu ya nguruwe.Kuanzia Mei hadi Juni, alitayarisha na kukagua tundu la pafu la kushoto la mzee wa miaka 54 ambaye alikufa kwa COVID-19, ambayo Ackermann na Jonig waliichukua kutoka Ujerumani hadi Grenoble.
"Nilipoona picha ya kwanza, kulikuwa na barua ya msamaha katika barua pepe yangu kwa kila mtu aliyehusika katika mradi huo: tulishindwa na sikuweza kupata uchunguzi wa hali ya juu," alisema."Nimewatumia picha mbili ambazo zilikuwa mbaya kwangu lakini nzuri kwao."
Kwa Lee wa Chuo Kikuu cha California, Los Angeles, picha hizo ni za kustaajabisha: picha za kiungo kizima ni sawa na uchunguzi wa kawaida wa CT, lakini "huarifu zaidi mara milioni."Ni kana kwamba mvumbuzi amekuwa akichunguza msitu maisha yake yote, ama akiruka juu ya msitu kwa ndege kubwa ya ndege, au akisafiri kando ya njia.Sasa wanapaa juu ya dari kama ndege juu ya mbawa.
Timu ilichapisha maelezo yao ya kwanza kamili ya mbinu ya HiP-CT mnamo Novemba 2021, na watafiti pia walitoa maelezo kuhusu jinsi COVID-19 inavyoathiri aina fulani za mzunguko kwenye mapafu.
Uchanganuzi huo pia ulikuwa na faida isiyotarajiwa: ilisaidia watafiti kuwashawishi marafiki na familia kupata chanjo.Katika visa vikali vya COVID-19, mishipa mingi ya damu kwenye mapafu huonekana kuwa imepanuka na kuvimba, na kwa kiasi kidogo, vifurushi visivyo vya kawaida vya mishipa midogo ya damu vinaweza kuunda.
"Unapoangalia muundo wa mapafu kutoka kwa mtu aliyekufa kutokana na COVID, haionekani kama mapafu - ni fujo," Tafolo alisema.
Aliongeza kuwa hata katika viungo vyenye afya, skanisho hizo zilifichua vipengele vya siri vya anatomia ambavyo havijarekodiwa kwa sababu hakuna kiungo cha binadamu kilichowahi kuchunguzwa kwa undani namna hiyo.Kwa ufadhili wa zaidi ya dola milioni moja kutoka kwa Chan Zuckerberg Initiative (shirika lisilo la faida lililoanzishwa na Mkurugenzi Mtendaji wa Facebook Mark Zuckerberg na mke wa Zuckerberg, daktari Priscilla Chan), timu ya HiP-CT kwa sasa inaunda kile kinachoitwa atlasi ya viungo vya binadamu.
Kufikia sasa, timu imetoa uchunguzi wa viungo vitano - moyo, ubongo, figo, mapafu na wengu - kulingana na viungo vilivyotolewa na Ackermann na Jonigk wakati wa uchunguzi wao wa COVID-19 nchini Ujerumani na chombo cha "kudhibiti" cha afya LADAF.Maabara ya anatomiki ya Grenoble.Timu ilitoa data, pamoja na filamu za ndege, kulingana na data ambayo inapatikana bila malipo kwenye Mtandao.Atlasi ya viungo vya binadamu inapanuka kwa kasi: viungo vingine 30 vimechanganuliwa, na vingine 80 viko katika hatua mbalimbali za maandalizi.Karibu vikundi 40 tofauti vya utafiti viliwasiliana na timu ili kujifunza zaidi juu ya mbinu hiyo, Li alisema.
Daktari wa magonjwa ya moyo wa UCL Cook anaona uwezekano mkubwa wa kutumia HiP-CT kuelewa anatomia msingi.Mtaalamu wa radiolojia wa UCL Joe Jacob, ambaye ni mtaalamu wa magonjwa ya mapafu, alisema HiP-CT itakuwa "muhimu sana kwa kuelewa ugonjwa," hasa katika miundo ya pande tatu kama vile mishipa ya damu.
Hata wasanii waliingia kwenye vita.Barney Steele wa kikundi cha sanaa cha uzoefu cha Marshmallow Laser Feast chenye makao yake London anasema anachunguza kwa dhati jinsi data ya HiP-CT inaweza kuchunguzwa katika uhalisia pepe wa ajabu."Kimsingi, tunaunda safari kupitia mwili wa mwanadamu," alisema.
Lakini pamoja na ahadi zote za HiP-CT, kuna matatizo makubwa.Kwanza, anasema Walsh, uchunguzi wa HiP-CT huzalisha "kiasi cha kushangaza cha data," kwa urahisi terabyte kwa kila kiungo.Ili kuruhusu matabibu kutumia uchunguzi huu katika ulimwengu halisi, watafiti wanatumai kutengeneza kiolesura kinachotegemea wingu kwa ajili ya kuzielekeza, kama vile Ramani za Google kwa ajili ya mwili wa binadamu.
Pia zilihitaji kurahisisha kubadilisha skanning kuwa miundo ya 3D inayoweza kutekelezeka.Kama mbinu zote za CT scan, HiP-CT hufanya kazi kwa kuchukua vipande vingi vya 2D vya kitu fulani na kuvipanga pamoja.Hata leo, mengi ya mchakato huu unafanywa kwa mikono, hasa wakati wa skanning tishu zisizo za kawaida au za ugonjwa.Lee na Walsh wanasema kipaumbele cha timu ya HiP-CT ni kubuni mbinu za kujifunza kwa mashine ambazo zinaweza kurahisisha kazi hii.
Changamoto hizi zitapanuka kadiri atlasi ya viungo vya binadamu inavyopanuka na watafiti wanavyozidi kutamani.Timu ya HiP-CT inatumia kifaa kipya cha kisasa cha ESRF, kinachoitwa BM18, ili kuendelea kuchanganua viungo vya mradi.BM18 hutoa boriti kubwa zaidi ya X-ray, ambayo inamaanisha kuwa utambazaji huchukua muda mfupi, na kigunduzi cha X-ray cha BM18 kinaweza kuwekwa hadi futi 125 (mita 38) kutoka kwa kitu kinachochanganuliwa, na kuifanya scana iwe wazi zaidi.Matokeo ya BM18 tayari ni mazuri sana, anasema Taforo, ambaye amechanganua upya baadhi ya sampuli za Atlasi za Organ Organ kwenye mfumo mpya.
BM18 pia inaweza kukagua vitu vikubwa sana.Pamoja na kituo hicho kipya, timu inapanga kuchambua kiwiliwili kizima cha mwili wa binadamu kwa mkupuo mmoja ifikapo mwisho wa 2023.
Kuchunguza uwezo mkubwa wa teknolojia, Taforo alisema, "Kwa kweli tuko mwanzoni."
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Haki zote zimehifadhiwa.