Eine neue Scantechnik erzeugt Bilder mit großer Detailgenauigkeit, die das Studium der menschlichen Anatomie revolutionieren könnten.
Als Paul Taforo seine ersten experimentellen Bilder von COVID-19-Lichtopfern sah, dachte er, er hätte versagt.Als ausgebildeter Paläontologe arbeitete Taforo monatelang mit Teams in ganz Europa daran, Teilchenbeschleuniger in den französischen Alpen in revolutionäre medizinische Scan-Tools umzuwandeln.
Es war Ende Mai 2020 und Wissenschaftler wollten unbedingt besser verstehen, wie COVID-19 menschliche Organe zerstört.Taforo wurde beauftragt, eine Methode zu entwickeln, die die leistungsstarken Röntgenstrahlen nutzen könnte, die von der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, Frankreich, erzeugt werden.Als ESRF-Wissenschaftler hat er die Grenzen hochauflösender Röntgenaufnahmen von Gesteinsfossilien und getrockneten Mumien erweitert.Jetzt hatte er schreckliche Angst vor der weichen, klebrigen Masse an Papierhandtüchern.
Die Bilder zeigten ihnen mehr Details als jeder medizinische CT-Scan, den sie jemals zuvor gesehen hatten, und ermöglichten es ihnen, hartnäckige Lücken in der Art und Weise zu schließen, wie Wissenschaftler und Ärzte menschliche Organe visualisieren und verstehen.„In Anatomie-Lehrbüchern sieht man, dass es große und kleine Bilder gibt, und aus einem Grund sind es wunderschöne handgezeichnete Bilder: Es handelt sich um künstlerische Interpretationen, weil wir keine Bilder haben“, so das University College London (UCL ) sagte..sagte die leitende Forscherin Claire Walsh.„Zum ersten Mal können wir das Echte machen.“
Taforo und Walsh sind Teil eines internationalen Teams von mehr als 30 Forschern, die eine leistungsstarke neue Röntgenscantechnik namens Hierarchical Phase Contrast Tomography (HiP-CT) entwickelt haben.Damit können sie endlich von einem vollständigen menschlichen Organ zu einer vergrößerten Ansicht der kleinsten Blutgefäße oder sogar einzelner Zellen des Körpers übergehen.
Diese Methode liefert bereits neue Erkenntnisse darüber, wie COVID-19 die Blutgefäße in der Lunge schädigt und umgestaltet.Auch wenn die langfristigen Aussichten schwer abzuschätzen sind, da es noch nie zuvor eine vergleichbare HiP-CT gegeben hat, träumen Forscher, die von ihrem Potenzial begeistert sind, voller Begeisterung über neue Wege, um Krankheiten zu verstehen und die menschliche Anatomie anhand einer genaueren topografischen Karte abzubilden.
Der UCL-Kardiologe Andrew Cooke sagte: „Die meisten Menschen mögen überrascht sein, dass wir die Anatomie des Herzens seit Hunderten von Jahren studieren, aber es besteht kein Konsens über die normale Struktur des Herzens, insbesondere der Herzmuskelzellen und wie sie sich verändern.“ wenn das Herz schlägt.“
„Ich habe meine ganze Karriere darauf gewartet“, sagte er.
Die HiP-CT-Technik entstand, als zwei deutsche Pathologen gegeneinander antraten, um die schädlichen Auswirkungen des SARS-CoV-2-Virus auf den menschlichen Körper aufzuspüren.
Danny Jonigk, Thoraxpathologe an der Medizinischen Hochschule Hannover, und Maximilian Ackermann, Pathologe an der Universitätsmedizin Mainz, waren in höchster Alarmbereitschaft, als sich in China die Nachricht über den ungewöhnlichen Fall einer Lungenentzündung zu verbreiten begann.Beide hatten Erfahrung in der Behandlung von Lungenerkrankungen und wussten sofort, dass COVID-19 ungewöhnlich war.Das Paar war besonders besorgt über Berichte über „stille Hypoxie“, die COVID-19-Patienten wach hielt, aber zu einem Absinken ihres Blutsauerstoffgehalts führte.
Ackermann und Jonig vermuten, dass SARS-CoV-2 irgendwie die Blutgefäße in der Lunge angreift.Als sich die Krankheit im März 2020 nach Deutschland ausbreitete, begann das Paar mit Autopsien an COVID-19-Opfern.Bald testeten sie ihre Gefäßhypothese, indem sie Harz in Gewebeproben injizierten und das Gewebe dann in Säure auflösten, wodurch ein genaues Modell des ursprünglichen Gefäßsystems entstand.
Mit dieser Technik verglichen Ackermann und Jonigk Gewebe von Menschen, die nicht an COVID-19 gestorben waren, mit denen von Menschen, die an COVID-19 gestorben waren.Sie sahen sofort, dass bei den Opfern von COVID-19 die kleinsten Blutgefäße in der Lunge verdreht und rekonstruiert waren.Diese bahnbrechenden Ergebnisse, die im Mai 2020 online veröffentlicht wurden, zeigen, dass es sich bei COVID-19 nicht unbedingt um eine Atemwegserkrankung handelt, sondern vielmehr um eine Gefäßerkrankung, die Organe im gesamten Körper beeinträchtigen kann.
„Wenn man durch den Körper geht und alle Blutgefäße ausrichtet, kommt man auf 60.000 bis 70.000 Meilen, was der doppelten Distanz um den Äquator entspricht“, sagte Ackermann, ein Pathologe aus Wuppertal, Deutschland..Er fügte hinzu, dass, wenn nur 1 Prozent dieser Blutgefäße vom Virus befallen würden, die Durchblutung und die Fähigkeit zur Sauerstoffaufnahme beeinträchtigt würden, was verheerende Folgen für das gesamte Organ haben könnte.
Als Jonigk und Ackermann die Auswirkungen von COVID-19 auf die Blutgefäße erkannten, wurde ihnen klar, dass sie den Schaden besser verstehen mussten.
Medizinische Röntgenaufnahmen, wie zum Beispiel CT-Scans, können Ansichten ganzer Organe liefern, ihre Auflösung ist jedoch nicht hoch genug.Eine Biopsie ermöglicht es Wissenschaftlern, Gewebeproben unter dem Mikroskop zu untersuchen, die resultierenden Bilder stellen jedoch nur einen kleinen Teil des gesamten Organs dar und können nicht zeigen, wie sich COVID-19 in der Lunge entwickelt.Und die vom Team entwickelte Harztechnik erfordert das Auflösen des Gewebes, wodurch die Probe zerstört wird und die weitere Forschung eingeschränkt wird.
„Am Ende des Tages bekommt [die Lunge] Sauerstoff und Kohlendioxid geht raus, aber dafür gibt es Tausende von Kilometern Blutgefäße und Kapillaren, die sehr dünn beabstandet sind … es ist fast ein Wunder“, sagte Jonigk, Gründer Leitender Forscher am Deutschen Lungenforschungszentrum.„Wie können wir also etwas so Komplexes wie COVID-19 wirklich bewerten, ohne Organe zu zerstören?“
Jonigk und Ackermann brauchten etwas Beispielloses: eine Reihe von Röntgenaufnahmen desselben Organs, die es den Forschern ermöglichen würden, Teile des Organs auf zelluläre Ebene zu vergrößern.Im März 2020 kontaktierte das deutsche Duo seinen langjährigen Mitarbeiter Peter Lee, einen Materialwissenschaftler und Lehrstuhlinhaber für neue Technologien am UCL.Lees Spezialität ist die Untersuchung biologischer Materialien mithilfe leistungsstarker Röntgenstrahlen, daher wandten sich seine Gedanken sofort den französischen Alpen zu.
Das Europäische Synchrotronstrahlungszentrum liegt auf einem dreieckigen Stück Land im nordwestlichen Teil von Grenoble, wo zwei Flüsse zusammenfließen.Das Objekt ist ein Teilchenbeschleuniger, der Elektronen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf Kreisbahnen von einer Länge von einer halben Meile schickt.Während sich diese Elektronen im Kreis drehen, verzerren starke Magnete in der Umlaufbahn den Teilchenstrom, wodurch die Elektronen einige der hellsten Röntgenstrahlen der Welt aussenden.
Diese starke Strahlung ermöglicht es dem ESRF, Objekte im Mikrometer- oder sogar Nanometerbereich auszuspionieren.Es wird häufig verwendet, um Materialien wie Legierungen und Verbundwerkstoffe zu untersuchen, die molekulare Struktur von Proteinen zu untersuchen und sogar alte Fossilien zu rekonstruieren, ohne Stein von Knochen zu trennen.Ackermann, Jonigk und Lee wollten mit dem Rieseninstrument die weltweit detailliertesten Röntgenaufnahmen menschlicher Organe machen.
Da kommt Taforo ins Spiel, dessen Arbeit am ESRF die Grenzen dessen verschoben hat, was Synchrotron-Scanning sehen kann.Seine beeindruckende Vielfalt an Tricks hatte es Wissenschaftlern zuvor ermöglicht, in Dinosauriereier zu blicken und Mumien beinahe aufzuschneiden, und fast sofort bestätigte Taforo, dass Synchrotrons theoretisch ganze Lungenlappen gut scannen könnten.Tatsächlich ist das Scannen ganzer menschlicher Organe jedoch eine große Herausforderung.
Einerseits besteht das Problem des Vergleichs.Standard-Röntgenstrahlen erstellen Bilder basierend darauf, wie viel Strahlung verschiedene Materialien absorbieren, wobei schwerere Elemente mehr absorbieren als leichtere.Weichgewebe besteht größtenteils aus leichten Elementen – Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff usw. – und ist daher auf einem klassischen medizinischen Röntgenbild nicht deutlich zu erkennen.
Eines der großartigen Dinge an ESRF ist, dass sein Röntgenstrahl sehr kohärent ist: Licht breitet sich in Wellen aus, und im Fall von ESRF beginnen alle Röntgenstrahlen mit der gleichen Frequenz und Ausrichtung und oszillieren ständig, wie hinterlassene Fußabdrücke von Reik durch einen Zen-Garten.Wenn diese Röntgenstrahlen jedoch das Objekt durchdringen, können geringfügige Unterschiede in der Dichte dazu führen, dass jeder Röntgenstrahl leicht vom Pfad abweicht, und der Unterschied lässt sich leichter erkennen, je weiter sich die Röntgenstrahlen vom Objekt entfernen.Diese Abweichungen können subtile Dichteunterschiede innerhalb eines Objekts offenbaren, selbst wenn es aus leichten Elementen besteht.
Aber Stabilität ist ein anderes Problem.Um eine Reihe vergrößerter Röntgenaufnahmen anzufertigen, muss das Organ in seiner natürlichen Form fixiert werden, sodass es sich nicht mehr als einen Tausendstel Millimeter verbiegt oder bewegt.Darüber hinaus stimmen aufeinanderfolgende Röntgenaufnahmen desselben Organs nicht überein.Es versteht sich jedoch von selbst, dass der Körper sehr flexibel sein kann.
Lee und sein Team am UCL wollten Behälter entwerfen, die Synchrotron-Röntgenstrahlen standhalten und dennoch so viele Wellen wie möglich durchlassen.Lee kümmerte sich auch um die Gesamtorganisation des Projekts – zum Beispiel um die Einzelheiten des Transports menschlicher Organe zwischen Deutschland und Frankreich – und beauftragte Walsh, einen Spezialisten für biomedizinische Big Data, mit der Analyse der Scans.Zurück in Frankreich arbeitete Taforo unter anderem daran, das Scanverfahren zu verbessern und herauszufinden, wie die Orgel in dem Container aufbewahrt werden sollte, den Lees Team baute.
Tafforo wusste, dass die Organe mit mehreren Portionen wässrigem Ethanol verarbeitet werden mussten, damit sie nicht zerfielen und die Bilder so klar wie möglich waren.Er wusste auch, dass er die Orgel auf etwas stabilisieren musste, das genau der Dichte der Orgel entsprach.Sein Plan bestand darin, die Organe irgendwie in ethanolreiches Agar zu legen, eine geleeartige Substanz, die aus Seetang gewonnen wird.
Der Teufel steckt jedoch im Detail – wie in den meisten Teilen Europas sitzt Taforo zu Hause fest und ist eingesperrt.Also verlegte Taforo seine Forschung in ein Heimlabor: Er verbrachte Jahre damit, eine ehemalige mittelgroße Küche mit 3D-Druckern, grundlegender Chemieausrüstung und Werkzeugen zur Vorbereitung von Tierknochen für anatomische Forschungen auszustatten.
Taforo nutzte Produkte aus dem örtlichen Lebensmittelgeschäft, um herauszufinden, wie man Agar herstellt.Er sammelt sogar Regenwasser von einem Dach, das er kürzlich gereinigt hat, um entmineralisiertes Wasser herzustellen, eine Standardzutat in Agarformeln in Laborqualität.Um das Verpacken von Organen in Agar zu üben, nahm er Schweinedärme aus einem örtlichen Schlachthof.
Taforo erhielt die Erlaubnis, Mitte Mai zum ersten Test-Lungenscan von Schweinen zum ESRF zurückzukehren.Von Mai bis Juni präparierte und scannte er den linken Lungenlappen eines 54-jährigen Mannes, der an COVID-19 gestorben war und den Ackermann und Jonig von Deutschland nach Grenoble mitgenommen hatten.
„Als ich das erste Bild sah, enthielt meine E-Mail ein Entschuldigungsschreiben an alle Projektbeteiligten: Wir sind gescheitert und ich konnte keinen qualitativ hochwertigen Scan erhalten“, sagte er.„Ich habe ihnen gerade zwei Bilder geschickt, die für mich schrecklich, aber großartig für sie waren.“
Für Lee von der University of California in Los Angeles sind die Bilder atemberaubend: Bilder ganzer Organe ähneln herkömmlichen medizinischen CT-Scans, sind aber „eine Million Mal informativer“.Es ist, als ob der Entdecker den Wald sein ganzes Leben lang erforscht hätte, entweder indem er in einem riesigen Düsenflugzeug über den Wald geflogen wäre oder den Wanderweg entlang gereist wäre.Jetzt schweben sie wie Vögel auf Flügeln über dem Blätterdach.
Im November 2021 veröffentlichte das Team seine erste vollständige Beschreibung des HiP-CT-Ansatzes, außerdem veröffentlichten die Forscher Einzelheiten darüber, wie sich COVID-19 auf bestimmte Arten der Lungenzirkulation auswirkt.
Der Scan hatte auch einen unerwarteten Vorteil: Er half den Forschern, Freunde und Familie davon zu überzeugen, sich impfen zu lassen.In schweren Fällen von COVID-19 erscheinen viele Blutgefäße in der Lunge erweitert und geschwollen, und in geringerem Maße können sich abnormale Bündel winziger Blutgefäße bilden.
„Wenn man sich die Struktur einer Lunge einer an COVID gestorbenen Person ansieht, sieht sie nicht wie eine Lunge aus – sie ist ein Chaos“, sagte Tafolo.
Er fügte hinzu, dass die Scans selbst bei gesunden Organen subtile anatomische Merkmale offenbarten, die nie erfasst wurden, da noch nie ein menschliches Organ so detailliert untersucht worden sei.Mit einer Finanzierung von über einer Million US-Dollar von der Chan Zuckerberg Initiative (einer gemeinnützigen Organisation, die von Facebook-CEO Mark Zuckerberg und Zuckerbergs Frau, der Ärztin Priscilla Chan, gegründet wurde) erstellt das HiP-CT-Team derzeit einen sogenannten Atlas menschlicher Organe.
Bisher hat das Team Scans von fünf Organen veröffentlicht – Herz, Gehirn, Nieren, Lunge und Milz – basierend auf den Organen, die Ackermann und Jonigk während ihrer COVID-19-Autopsie in Deutschland gespendet hatten, und dem Gesundheitskontrollorgan LADAF.Anatomisches Labor von Grenoble.Das Team erstellte die Daten sowie Flugfilme auf Basis von Daten, die im Internet frei verfügbar sind.Der Atlas menschlicher Organe wächst rasant: Weitere 30 Organe wurden gescannt und weitere 80 befinden sich in verschiedenen Vorbereitungsstadien.Fast 40 verschiedene Forschungsgruppen kontaktierten das Team, um mehr über den Ansatz zu erfahren, sagte Li.
UCL-Kardiologe Cook sieht großes Potenzial in der Verwendung von HiP-CT zum Verständnis der grundlegenden Anatomie.Der UCL-Radiologe Joe Jacob, der auf Lungenerkrankungen spezialisiert ist, sagte, HiP-CT werde „von unschätzbarem Wert für das Verständnis von Krankheiten“ sein, insbesondere bei dreidimensionalen Strukturen wie Blutgefäßen.
Sogar die Künstler mischten sich ein.Barney Steele vom Londoner Erlebniskunstkollektiv Marshmallow Laser Feast sagt, er erforsche aktiv, wie HiP-CT-Daten in der immersiven virtuellen Realität erkundet werden können.„Im Wesentlichen schaffen wir eine Reise durch den menschlichen Körper“, sagte er.
Doch trotz aller Versprechen der HiP-CT gibt es ernsthafte Probleme.Erstens, sagt Walsh, erzeugt ein HiP-CT-Scan eine „erstaunliche Datenmenge“, leicht ein Terabyte pro Organ.Damit Ärzte diese Scans in der realen Welt nutzen können, hoffen die Forscher, eine cloudbasierte Schnittstelle für die Navigation zu entwickeln, beispielsweise Google Maps für den menschlichen Körper.
Außerdem musste es einfacher werden, Scans in bearbeitbare 3D-Modelle umzuwandeln.Wie alle CT-Scanmethoden funktioniert HiP-CT, indem viele 2D-Schnitte eines bestimmten Objekts aufgenommen und gestapelt werden.Noch heute wird ein Großteil dieses Prozesses manuell durchgeführt, insbesondere beim Scannen von abnormalem oder erkranktem Gewebe.Laut Lee und Walsh liegt die Priorität des HiP-CT-Teams in der Entwicklung maschineller Lernmethoden, die diese Aufgabe erleichtern können.
Diese Herausforderungen werden zunehmen, wenn der Atlas der menschlichen Organe wächst und die Forscher ehrgeiziger werden.Das HiP-CT-Team verwendet das neueste ESRF-Strahlgerät namens BM18, um die Organe des Projekts weiterhin zu scannen.Der BM18 erzeugt einen größeren Röntgenstrahl, was bedeutet, dass das Scannen weniger Zeit in Anspruch nimmt, und der BM18-Röntgendetektor kann bis zu 125 Fuß (38 Meter) vom zu scannenden Objekt entfernt platziert werden, wodurch das Scannen klarer wird.Die BM18-Ergebnisse seien bereits sehr gut, sagt Taforo, der einige der ursprünglichen Proben des menschlichen Organatlas mit dem neuen System erneut gescannt hat.
Der BM18 kann auch sehr große Objekte scannen.Mit der neuen Anlage will das Team bis Ende 2023 den gesamten Rumpf des menschlichen Körpers auf einen Schlag scannen.
Taforo untersuchte das enorme Potenzial der Technologie und sagte: „Wir stehen wirklich erst am Anfang.“
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