Một kỹ thuật quét mới tạo ra những hình ảnh có độ chi tiết cao có thể cách mạng hóa việc nghiên cứu giải phẫu con người.
Khi Paul Taforo nhìn thấy những hình ảnh thử nghiệm đầu tiên của mình về các nạn nhân nhiễm ánh sáng COVID-19, anh ấy đã nghĩ rằng mình đã thất bại.Là một nhà cổ sinh vật học được đào tạo, Taforo đã dành nhiều tháng làm việc với các nhóm trên khắp châu Âu để biến máy gia tốc hạt ở dãy Alps của Pháp thành công cụ quét y tế mang tính cách mạng.
Đó là vào cuối tháng 5 năm 2020, và các nhà khoa học mong muốn hiểu rõ hơn về cách thức COVID-19 phá hủy các cơ quan nội tạng của con người.Taforo được giao nhiệm vụ phát triển một phương pháp có thể sử dụng tia X công suất cao do Cơ sở bức xạ Synchrotron Châu Âu (ESRF) ở Grenoble, Pháp tạo ra.Với tư cách là một nhà khoa học của ESRF, ông đã vượt qua ranh giới của tia X có độ phân giải cao đối với hóa thạch đá và xác ướp khô.Bây giờ anh rất sợ khối khăn giấy mềm và nhớp nháp.
Các hình ảnh cho thấy chúng chi tiết hơn bất kỳ ảnh chụp CT y tế nào mà chúng từng thấy trước đây, cho phép chúng vượt qua những lỗ hổng cứng đầu trong cách các nhà khoa học và bác sĩ hình dung và hiểu các cơ quan của con người.“Trong sách giáo khoa giải phẫu, khi bạn nhìn thấy nó, nó có quy mô lớn, quy mô nhỏ và chúng là những hình ảnh vẽ tay đẹp mắt vì một lý do: chúng là những diễn giải mang tính nghệ thuật vì chúng ta không có hình ảnh,” Đại học College London (UCL) ) nói..Nhà nghiên cứu cấp cao Claire Walsh cho biết.“Lần đầu tiên chúng ta có thể làm được điều thực sự.”
Taforo và Walsh là thành viên của một nhóm quốc tế gồm hơn 30 nhà nghiên cứu đã tạo ra một kỹ thuật quét tia X mới mạnh mẽ được gọi là Chụp cắt lớp tương phản pha phân cấp (HiP-CT).Với nó, cuối cùng họ có thể đi từ một cơ quan hoàn chỉnh của con người đến một cái nhìn phóng to về các mạch máu nhỏ nhất của cơ thể hoặc thậm chí cả các tế bào riêng lẻ.
Phương pháp này đã cung cấp cái nhìn sâu sắc mới về cách thức Covid-19 gây tổn hại và tái cấu trúc các mạch máu trong phổi.Mặc dù rất khó xác định triển vọng lâu dài của nó vì trước đây chưa từng có thứ gì giống như HiP-CT, nhưng các nhà nghiên cứu hào hứng với tiềm năng của nó đang nhiệt tình hình dung ra những cách mới để hiểu về bệnh tật và lập bản đồ giải phẫu con người bằng bản đồ địa hình chính xác hơn.
Bác sĩ tim mạch Andrew Cooke của UCL cho biết: “Hầu hết mọi người có thể ngạc nhiên rằng chúng tôi đã nghiên cứu giải phẫu của tim trong hàng trăm năm, nhưng vẫn chưa có sự thống nhất về cấu trúc bình thường của tim, đặc biệt là tim… Tế bào cơ và nó thay đổi như thế nào”. khi trái tim đập.”
“Tôi đã chờ đợi cả sự nghiệp của mình,” anh nói.
Kỹ thuật HiP-CT bắt đầu khi hai nhà nghiên cứu bệnh học người Đức cạnh tranh để theo dõi tác động trừng phạt của virus SARS-CoV-2 đối với cơ thể con người.
Danny Jonigk, nhà nghiên cứu bệnh lý lồng ngực tại Trường Y Hannover và Maximilian Ackermann, nhà nghiên cứu bệnh học tại Trung tâm Y tế Đại học Mainz, đã cảnh giác cao độ khi tin tức về trường hợp viêm phổi bất thường bắt đầu lan truyền ở Trung Quốc.Cả hai đều có kinh nghiệm điều trị bệnh phổi và biết ngay rằng Covid-19 là bệnh bất thường.Cặp đôi đặc biệt lo ngại về các báo cáo về tình trạng “thiếu oxy thầm lặng” khiến bệnh nhân COVID-19 tỉnh táo nhưng lại khiến nồng độ oxy trong máu của họ giảm mạnh.
Ackermann và Jonig nghi ngờ rằng SARS-CoV-2 bằng cách nào đó tấn công các mạch máu trong phổi.Khi căn bệnh này lan sang Đức vào tháng 3 năm 2020, cặp đôi đã bắt đầu khám nghiệm tử thi các nạn nhân Covid-19.Họ nhanh chóng kiểm tra giả thuyết mạch máu của mình bằng cách tiêm nhựa vào các mẫu mô và sau đó hòa tan mô đó trong axit, để lại mô hình chính xác của mạch máu ban đầu.
Sử dụng kỹ thuật này, Ackermann và Jonigk đã so sánh mô của những người không chết vì COVID-19 với mô của những người đã chết.Họ ngay lập tức nhận thấy ở các nạn nhân mắc Covid-19, các mạch máu nhỏ nhất trong phổi đều bị xoắn lại và tái tạo.Những kết quả mang tính bước ngoặt này, được công bố trực tuyến vào tháng 5 năm 2020, cho thấy COVID-19 không hẳn là một bệnh về đường hô hấp mà là một bệnh về mạch máu có thể ảnh hưởng đến các cơ quan trên khắp cơ thể.
Ackermann, một nhà nghiên cứu bệnh học đến từ Wuppertal, Đức, cho biết: “Nếu bạn đi khắp cơ thể và căn chỉnh tất cả các mạch máu, bạn sẽ đi được 60.000 đến 70.000 dặm, tức là gấp đôi khoảng cách quanh đường xích đạo”..Ông nói thêm rằng nếu chỉ 1% số mạch máu này bị virus tấn công, lưu lượng máu và khả năng hấp thụ oxy sẽ bị tổn hại, có thể dẫn đến hậu quả tàn khốc cho toàn bộ cơ quan.
Khi Jonigk và Ackermann nhận ra tác động của Covid-19 lên mạch máu, họ nhận ra rằng họ cần hiểu rõ hơn về tổn thương.
Chụp X-quang y tế, chẳng hạn như chụp CT, có thể cung cấp hình ảnh toàn bộ cơ quan nhưng chúng không có độ phân giải đủ cao.Sinh thiết cho phép các nhà khoa học kiểm tra các mẫu mô dưới kính hiển vi, nhưng hình ảnh thu được chỉ thể hiện một phần nhỏ của toàn bộ cơ quan và không thể cho thấy Covid-19 phát triển như thế nào trong phổi.Và kỹ thuật nhựa mà nhóm phát triển đòi hỏi phải hòa tan mô, điều này sẽ phá hủy mẫu và hạn chế nghiên cứu sâu hơn.
Jonigk, người sáng lập, cho biết: “Vào cuối ngày, [phổi] nhận oxy và carbon dioxide thoát ra ngoài, nhưng để làm được điều đó, nó có hàng ngàn dặm mạch máu và mao mạch, có khoảng cách rất mỏng… gần như là một phép lạ,” Jonigk, người sáng lập, cho biết điều tra viên chính tại Trung tâm nghiên cứu phổi Đức.“Vậy làm thế nào chúng ta có thể thực sự đánh giá một thứ phức tạp như Covid-19 mà không phá hủy các cơ quan?”
Jonigk và Ackermann cần một thứ chưa từng có: một loạt tia X của cùng một cơ quan cho phép các nhà nghiên cứu phóng to các bộ phận của cơ quan đó lên quy mô tế bào.Vào tháng 3 năm 2020, bộ đôi người Đức đã liên hệ với cộng tác viên lâu năm của họ là Peter Lee, một nhà khoa học vật liệu và chủ tịch công nghệ mới nổi tại UCL.Chuyên môn của Lee là nghiên cứu các vật liệu sinh học sử dụng tia X cực mạnh nên suy nghĩ của ông ngay lập tức hướng đến dãy Alps của Pháp.
Trung tâm bức xạ Synchrotron châu Âu nằm trên một mảnh đất hình tam giác ở phía tây bắc Grenoble, nơi hai con sông gặp nhau.Vật thể này là một máy gia tốc hạt gửi các electron theo quỹ đạo tròn dài nửa dặm với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng.Khi các electron này quay tròn, các nam châm cực mạnh trên quỹ đạo sẽ làm cong dòng hạt, khiến các electron phát ra một số tia X sáng nhất trên thế giới.
Bức xạ mạnh mẽ này cho phép ESRF theo dõi các vật thể ở quy mô micromet hoặc thậm chí nanomet.Nó thường được sử dụng để nghiên cứu các vật liệu như hợp kim và vật liệu tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc phân tử của protein và thậm chí tái tạo lại các hóa thạch cổ mà không cần tách đá khỏi xương.Ackermann, Jonigk và Lee muốn sử dụng thiết bị khổng lồ này để chụp X-quang các cơ quan cơ thể người một cách chi tiết nhất thế giới.
Enter Taforo, người có công việc tại ESRF đã vượt qua ranh giới của những gì quét synchrotron có thể nhìn thấy.Mảng thủ thuật ấn tượng của nó trước đây đã cho phép các nhà khoa học nhìn vào bên trong trứng khủng long và gần như mổ xẻ xác ướp, và gần như ngay lập tức Taforo xác nhận rằng về mặt lý thuyết, synchrotron có thể quét tốt toàn bộ thùy phổi.Nhưng trên thực tế, việc quét toàn bộ nội tạng của con người là một thách thức rất lớn.
Một mặt, có vấn đề so sánh.Tia X tiêu chuẩn tạo ra hình ảnh dựa trên lượng bức xạ mà các vật liệu khác nhau hấp thụ, trong đó các nguyên tố nặng hấp thụ nhiều hơn các nguyên tố nhẹ hơn.Các mô mềm hầu hết được tạo thành từ các nguyên tố nhẹ—cacbon, hydro, oxy, v.v.—nên chúng không hiển thị rõ ràng trên phim chụp X-quang y tế cổ điển.
Một trong những điều tuyệt vời về ESRF là chùm tia X của nó rất kết hợp: ánh sáng truyền theo sóng và trong trường hợp ESRF, tất cả các tia X của nó bắt đầu ở cùng tần số và hướng thẳng hàng, dao động liên tục, giống như dấu chân để lại. của Reik qua một khu vườn thiền.Nhưng khi những tia X này đi qua vật thể, những khác biệt nhỏ về mật độ có thể làm cho mỗi tia X hơi lệch khỏi đường đi và sự khác biệt đó trở nên dễ phát hiện hơn khi tia X di chuyển ra xa vật thể hơn.Những sai lệch này có thể tiết lộ những khác biệt nhỏ về mật độ bên trong một vật thể, ngay cả khi nó được tạo thành từ các nguyên tố nhẹ.
Nhưng sự ổn định lại là một vấn đề khác.Để chụp được một loạt ảnh X-quang phóng to, cơ quan đó phải được cố định ở hình dạng tự nhiên để nó không bị uốn cong hoặc di chuyển quá một phần nghìn milimét.Hơn nữa, các ảnh chụp X-quang liên tiếp của cùng một cơ quan sẽ không khớp với nhau.Tuy nhiên, không cần phải nói, cơ thể có thể rất linh hoạt.
Lee và nhóm của ông tại UCL nhằm mục đích thiết kế các thùng chứa có thể chịu được tia X synchrotron trong khi vẫn cho càng nhiều sóng đi qua càng tốt.Lee cũng xử lý việc tổ chức tổng thể của dự án – chẳng hạn như chi tiết về vận chuyển nội tạng người giữa Đức và Pháp – và thuê Walsh, người chuyên về dữ liệu lớn y sinh, để giúp tìm ra cách phân tích các bản quét.Trở lại Pháp, công việc của Taforo bao gồm cải tiến quy trình quét và tìm ra cách bảo quản nội tạng trong thùng chứa mà nhóm của Lee đang chế tạo.
Tafforo biết rằng để nội tạng không bị phân hủy và hình ảnh rõ ràng nhất có thể, chúng phải được xử lý bằng nhiều phần dung dịch ethanol.Anh ấy cũng biết rằng anh ấy cần phải ổn định cơ quan trên một thứ gì đó phù hợp chính xác với mật độ của cơ quan đó.Kế hoạch của ông là bằng cách nào đó đặt các cơ quan này vào môi trường thạch giàu ethanol, một chất giống như thạch chiết xuất từ ​​rong biển.
Tuy nhiên, điều ác nằm ở chi tiết – giống như ở hầu hết châu Âu, Taforo bị mắc kẹt ở nhà và bị nhốt.Vì vậy, Taforo đã chuyển nghiên cứu của mình sang phòng thí nghiệm tại nhà: Anh ấy đã dành nhiều năm để trang trí một căn bếp cỡ trung trước đây bằng máy in 3D, thiết bị hóa học cơ bản và các công cụ dùng để chuẩn bị xương động vật cho nghiên cứu giải phẫu.
Taforo đã sử dụng các sản phẩm từ cửa hàng tạp hóa địa phương để tìm ra cách làm thạch.Anh ấy thậm chí còn thu thập nước mưa từ mái nhà mà anh ấy mới dọn dẹp để tạo ra nước khử khoáng, một thành phần tiêu chuẩn trong công thức thạch cấp phòng thí nghiệm.Để thực hành đóng gói nội tạng trong môi trường thạch, anh đã lấy ruột lợn từ một lò mổ địa phương.
Taforo đã được phép quay trở lại ESRF vào giữa tháng 5 để tiến hành quét phổi thử nghiệm đầu tiên cho lợn.Từ tháng 5 đến tháng 6, ông chuẩn bị và chụp cắt lớp thùy phổi trái của một người đàn ông 54 tuổi chết vì COVID-19, được Ackermann và Jonig đưa từ Đức đến Grenoble.
“Khi tôi nhìn thấy hình ảnh đầu tiên, trong email của tôi có một lá thư xin lỗi gửi tới tất cả những người tham gia dự án: chúng tôi đã thất bại và tôi không thể có được bản quét chất lượng cao,” anh nói.“Tôi vừa gửi cho họ hai bức ảnh thật kinh khủng đối với tôi nhưng lại tuyệt vời đối với họ.”
Đối với Lee của Đại học California, Los Angeles, những hình ảnh này thật ấn tượng: hình ảnh toàn bộ cơ quan tương tự như ảnh chụp CT y tế tiêu chuẩn, nhưng “có nhiều thông tin hơn hàng triệu lần”.Điều đó giống như thể nhà thám hiểm đã nghiên cứu khu rừng suốt cuộc đời mình, hoặc bay qua khu rừng trên một chiếc máy bay phản lực khổng lồ, hoặc đi dọc theo con đường mòn.Bây giờ chúng bay vút lên trên tán cây như những chú chim tung cánh.
Nhóm đã công bố mô tả đầy đủ đầu tiên về phương pháp HiP-CT vào tháng 11 năm 2021, đồng thời các nhà nghiên cứu cũng công bố thông tin chi tiết về cách COVID-19 ảnh hưởng đến một số loại tuần hoàn trong phổi.
Việc quét cũng mang lại một lợi ích bất ngờ: nó giúp các nhà nghiên cứu thuyết phục bạn bè và gia đình tiêm vắc-xin.Trong những trường hợp nghiêm trọng của COVID-19, nhiều mạch máu trong phổi có vẻ giãn ra và sưng tấy, đồng thời ở mức độ thấp hơn có thể hình thành các bó mạch máu nhỏ bất thường.
Tafolo nói: “Khi bạn nhìn vào cấu trúc phổi của một người chết vì Covid, nó trông không giống một lá phổi - nó là một mớ hỗn độn”.
Ông nói thêm rằng ngay cả trong các cơ quan khỏe mạnh, quá trình quét cũng tiết lộ những đặc điểm giải phẫu tinh tế chưa từng được ghi lại vì chưa có cơ quan nào của con người từng được kiểm tra chi tiết như vậy.Với hơn 1 triệu USD tài trợ từ Sáng kiến ​​Chan Zuckerberg (một tổ chức phi lợi nhuận được thành lập bởi Giám đốc điều hành Facebook Mark Zuckerberg và vợ của Zuckerberg, bác sĩ Priscilla Chan), nhóm HiP-CT hiện đang tạo ra cái gọi là tập bản đồ các cơ quan cơ thể người.
Cho đến nay, nhóm nghiên cứu đã công bố bản quét của 5 cơ quan – tim, não, thận, phổi và lá lách – dựa trên các cơ quan được Ackermann và Jonigk hiến tặng trong quá trình khám nghiệm tử thi COVID-19 của họ ở Đức và cơ quan “kiểm soát” sức khỏe LADAF.Phòng thí nghiệm giải phẫu GrenobleNhóm đã tạo ra dữ liệu cũng như phim chuyến bay dựa trên dữ liệu có sẵn miễn phí trên Internet.Atlas về các cơ quan của con người đang nhanh chóng mở rộng: 30 cơ quan khác đã được quét và 80 cơ quan khác đang ở các giai đoạn chuẩn bị khác nhau.Li cho biết gần 40 nhóm nghiên cứu khác nhau đã liên hệ với nhóm để tìm hiểu thêm về phương pháp này.
Bác sĩ tim mạch UCL Cook nhận thấy tiềm năng lớn trong việc sử dụng HiP-CT để hiểu giải phẫu cơ bản.Bác sĩ X quang UCL Joe Jacob, chuyên gia về bệnh phổi, cho biết HiP-CT sẽ “vô giá để hiểu về bệnh tật”, đặc biệt là trong các cấu trúc ba chiều như mạch máu.
Ngay cả các nghệ sĩ cũng vào cuộc.Barney Steele của tập thể nghệ thuật trải nghiệm Marshmallow Laser Feast có trụ sở tại London cho biết ông đang tích cực nghiên cứu cách có thể khám phá dữ liệu HiP-CT trong thực tế ảo sống động.Ông nói: “Về cơ bản, chúng tôi đang tạo ra một cuộc hành trình xuyên qua cơ thể con người.
Nhưng bất chấp tất cả những hứa hẹn của HiP-CT, vẫn có những vấn đề nghiêm trọng.Đầu tiên, Walsh cho biết, quét HiP-CT tạo ra “lượng dữ liệu đáng kinh ngạc”, dễ dàng lên tới terabyte cho mỗi cơ quan.Để cho phép các bác sĩ lâm sàng sử dụng những bản quét này trong thế giới thực, các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ phát triển một giao diện dựa trên đám mây để điều hướng chúng, chẳng hạn như Google Maps cho cơ thể con người.
Họ cũng cần làm cho việc chuyển đổi bản quét thành mô hình 3D khả thi trở nên dễ dàng hơn.Giống như tất cả các phương pháp quét CT, HiP-CT hoạt động bằng cách lấy nhiều lát cắt 2D của một đối tượng nhất định và xếp chúng lại với nhau.Thậm chí ngày nay, phần lớn quá trình này được thực hiện thủ công, đặc biệt là khi quét các mô bất thường hoặc bị bệnh.Lee và Walsh cho biết ưu tiên của nhóm HiP-CT là phát triển các phương pháp học máy có thể thực hiện nhiệm vụ này dễ dàng hơn.
Những thách thức này sẽ mở rộng khi tập bản đồ các cơ quan của con người mở rộng và các nhà nghiên cứu trở nên tham vọng hơn.Nhóm HiP-CT đang sử dụng thiết bị chùm tia ESRF mới nhất có tên BM18 để tiếp tục quét các cơ quan của dự án.BM18 tạo ra chùm tia X lớn hơn, có nghĩa là quá trình quét mất ít thời gian hơn và máy dò tia X BM18 có thể được đặt cách đối tượng được quét tới 125 feet (38 mét), giúp quét rõ hơn.Taforo, người đã quét lại một số mẫu Bản đồ Nội tạng Người ban đầu trên hệ thống mới, cho biết kết quả BM18 đã rất tốt.
BM18 cũng có thể quét các vật thể rất lớn.Với cơ sở mới, nhóm nghiên cứu có kế hoạch quét toàn bộ phần thân của cơ thể con người trong một lần vào cuối năm 2023.
Khám phá tiềm năng to lớn của công nghệ, Taforo cho biết: “Chúng tôi thực sự chỉ mới bắt đầu”.
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Đã đăng ký Bản quyền.