Một kỹ thuật quét mới tạo ra hình ảnh với độ chi tiết cao có thể cách mạng hóa nghiên cứu về giải phẫu người.
Khi Paul Taforo nhìn thấy những hình ảnh thử nghiệm đầu tiên của mình về các nạn nhân nhẹ của COVID-19, anh ấy 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 núi 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 rất mong muốn hiểu rõ hơn về cách thức COVID-19 phá hủy các cơ quan 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 Máy đồng bộ Châu Âu (ESRF) ở Grenoble, Pháp sản xuất.Là một nhà khoa học ESRF, anh ấy 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 khiếp sợ khối khăn giấy mềm và nhớp nháp.
Những hình ảnh cho họ thấy chi tiết hơn bất kỳ hình ảnh chụp CT y tế nào mà họ từng thấy trước đây, cho phép họ khắc phục 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 tỷ lệ lớn, tỷ lệ nhỏ và chúng là những hình ảnh vẽ tay tuyệt đẹp vì một lý do: chúng là những diễn giải nghệ thuật vì chúng tôi 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 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 theo 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 các tế bào riêng lẻ.
Phương pháp này đã cung cấp cái nhìn sâu sắc mới về cách COVID-19 gây tổn hại và tu sửa các mạch máu trong phổi.Mặc dù triển vọng dài hạn của nó rất khó xác định vì chưa từng có thứ gì giống như HiP-CT tồn tại trước đây, nhưng các nhà nghiên cứu hào hứng với tiềm năng của nó đang nhiệt tình hình dung ra những cách mới để hiểu bệnh và lập bản đồ giải phẫu 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 về giải phẫu tim hàng trăm năm nay, nhưng không có sự đồng thuận về cấu trúc bình thường của tim, đặc biệt là tim… Các tế bào cơ và cách nó thay đổi 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 các tác động trừng phạt của vi rút SARS-CoV-2 đối với cơ thể con người.
Danny Jonigk, nhà nghiên cứu bệnh học lồng ngực tại Trường Y khoa 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 các bệnh về phổi và biết ngay rằng COVID-19 là bất thường.Cặp đôi đặc biệt lo ngại về các báo cáo về tình trạng “thiếu oxy thầm lặng” khiến bệnh nhân COVID-19 vẫn tỉnh táo nhưng lại khiến lượng 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 dịch bệnh lan sang Đức vào tháng 3/2020, cặp đôi bắt đầu khám nghiệm tử thi 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 trong axit, để lại một 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 thấy ngay rằng ở các nạn nhân của COVID-19, các mạch máu nhỏ nhất trong phổi đã bị xoắn 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 hoàn toàn 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 từ Wuppertal, Đức cho biết: “Nếu bạn đi khắp cơ thể và sắp xếp tất cả các mạch máu, bạn sẽ có được 60.000 đến 70.000 dặm, tức là gấp đôi khoảng cách quanh đường xích đạo..Ông nói thêm rằng chỉ cần 1% mạch máu này bị virus tấn công, lưu lượng máu và khả năng hấp thụ oxy sẽ bị tổn hại, điều này có thể dẫn đến hậu quả tàn khốc cho toàn bộ cơ quan.
Khi Jonigk và Ackermann nhận ra tác động của COVID-19 đối với các mạch máu, họ nhận ra rằng họ cần hiểu rõ hơn về tác hại.
Chụp X-quang y tế, chẳng hạn như chụp CT, có thể cung cấp hình ảnh của toàn bộ các 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 đại diện cho 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 thêm.
“Vào cuối ngày, [phổi] nhận được oxy và carbon dioxide thải ra ngoài, nhưng để làm được điều đó, nó có hàng nghìn dặm mạch máu và mao mạch, cách nhau rất mỏng… đó gần như là một phép màu,” Jonigk, người sáng lập, cho biết điều tra viên chính tại Trung tâm Nghiên cứu Phổi Đức.“Vậy làm thế nào chúng ta thực sự có thể đánh giá một thứ phức tạp như COVID-19 mà không phá hủy nội tạng?”
Jonigk và Ackermann cần một thứ chưa từng có: một loạt tia X của cùng một cơ quan sẽ cho phép các nhà nghiên cứu phóng to các bộ phận của cơ quan 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 là chủ tịch phụ trách các công nghệ mới nổi tại UCL.Chuyên môn của Lee là nghiên cứu các vật liệu sinh học sử dụng tia X mạnh, vì vậy suy nghĩ của anh ngay lập tức chuyển sang dãy núi Alps của Pháp.
Trung tâm Bức xạ Synchrotron Châu Âu nằm trên một mảnh đất hình tam giác ở phía tây bắc của 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 theo vòng tròn, các nam châm 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 để tái tạo lại các hóa thạch cổ đại mà không cần tách đá ra khỏi xương.Ackermann, Jonigk và Lee muốn sử dụng thiết bị khổng lồ này để chụp các bộ phận cơ thể người bằng tia X chi tiết nhất trên thế giới.
Nhập Taforo, người có công việc tại ESRF đã vượt qua ranh giới của những gì quét synchrotron có thể nhìn thấy.Hàng loạt mánh khóe ấn tượng của nó trước đây đã cho phép các nhà khoa học nhìn vào bên trong trứng khủng long và suýt mổ xác 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, quét toàn bộ nội tạng 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, với các nguyên tố nặng hấp thụ nhiều hơn các nguyên tố nhẹ hơn.Các mô mềm chủ yếu được tạo thành từ các nguyên tố nhẹ—cacbon, hydro, oxy, v.v.—vì vậy 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 của 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 bởi Reik thông qua một khu vườn thiền.Nhưng khi các tia X này đi qua vật thể, sự khác biệt tinh tế về mật độ có thể khiến mỗi tia X hơi lệch khỏi đường đi và sự khác biệt trở nên dễ phát hiện hơn khi tia X di chuyển ra xa vật thể hơn.Những sai lệch này có thể tiết lộ sự khác biệt về mật độ tinh tế bên trong một vật thể, ngay cả khi nó được tạo thành từ các nguyên tố ánh sáng.
Nhưng sự ổn định là một vấn đề khác.Để chụp một loạt tia X phóng to, cơ quan này 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 lần 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 nhắm đến việc thiết kế các thùng chứa có thể chịu được tia X synchrotron trong khi vẫn cho nhiều sóng xuyên qua nhất có thể.Lee cũng xử lý tổ chức tổng thể của dự án — ví dụ, chi tiết 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 thiện 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 các cơ quan không bị phân hủy và hình ảnh rõ ràng nhất có thể, chúng phải được xử lý bằng một số phần dung dịch nước ethanol.Anh ấy cũng biết rằng anh ấy cần ổn định cơ quan trên một thứ gì đó phù hợp chính xác với mật độ của cơ quan.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 được chiết xuất từ ​​rong biển.
Tuy nhiên, ma quỷ nằm trong các chi tiết – như ở hầu hết châu Âu, Taforo bị mắc kẹt ở nhà và bị nhốt.Vì vậy, Taforo đã chuyển nghiên cứu của mình vào phòng thí nghiệm tại nhà: Ông 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 được sử dụng 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 một mái nhà mà anh ấy mới dọn dẹp để tạo ra nước khử khoáng, một thành phần tiêu chuẩn trong các công thức thạch cấp phòng thí nghiệm.Để thực hành đóng gói nội tạng trong thạch, anh lấy ruột lợn từ một lò mổ địa phương.
Taforo đã được phép quay trở lại ESRF vào giữa tháng 5 để chụp phổi thử nghiệm đầu tiên cho lợn.Từ tháng 5 đến tháng 6, anh ấy chuẩn bị và quét thùy phổi trái của một người đàn ông 54 tuổi chết vì COVID-19, mà Ackermann và Jonig đã đưa từ Đức đến Grenoble.
“Khi tôi nhìn thấy hình ảnh đầu tiên, có một lá thư xin lỗi trong email của tôi gửi tới những người tham gia dự án: chúng tôi đã thất bại và tôi không thể có được bản quét chất lượng cao,” anh ấy nói.“Tôi vừa gửi cho họ hai bức ảnh mà đối với tôi thì rất tệ nhưng lại rất tuyệt đối với họ.”
Đối với Lee của Đại học California, Los Angeles, những hình ảnh này thật tuyệt vời: hình ảnh toàn bộ cơ quan tương tự như chụp CT y tế tiêu chuẩn, nhưng “nhiều thông tin hơn gấp triệu lần”.Như thể nhà thám hiểm đã nghiên cứu khu rừng cả đời, 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 trên vòm 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 và 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 có một lợi ích bất ngờ: nó giúp các nhà nghiên cứu thuyết phục bạn bè và gia đình đi tiêm phòng.Trong các trường hợp nghiêm trọng của COVID-19, nhiều mạch máu trong phổi có vẻ giãn ra và sưng lên, và ở mức độ nhẹ hơn, các bó mạch máu nhỏ bất thường có thể hình thành.
Tafolo nói: “Khi bạn nhìn vào cấu trúc của phổi của một người chết vì COVID, nó trông không giống phổi - nó là một mớ hỗn độn.
Ông nói thêm rằng ngay cả trong các cơ quan khỏe mạnh, các bản quét cho thấy các đặc điểm giải phẫu tinh vi chưa từng được ghi lại vì chưa từng có cơ quan nào của con người được kiểm tra chi tiết như vậy.Với hơn 1 triệu đô la 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 thứ được gọi là bản đồ các cơ quan của con người.
Cho đến nay, nhóm đã công bố bản quét của 5 cơ quan — tim, não, thận, phổi và lá lách — dựa trên các cơ quan do 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 của Grenoble.Nhóm đã sản xuất dữ liệu, cũng như phim chuyến bay, dựa trên dữ liệu có sẵn miễn phí trên Internet.Atlas về các bộ phận cơ thể người đang được mở rộng nhanh chóng: 30 bộ phận khác đã được quét và 80 bộ phận 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 của UCL Cook nhận thấy tiềm năng to lớn trong việc sử dụng HiP-CT để hiểu về giải phẫu cơ bản.Bác sĩ X quang Joe Jacob của UCL, người chuyên về bệnh phổi, cho biết HiP-CT sẽ “có giá trị trong việc hiểu bệnh”, 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 tìm hiểu cách dữ liệu HiP-CT có thể được khám phá trong thực tế ảo nhập vai.Ông nói: “Về cơ bản, chúng tôi đang tạo ra một hành trình xuyên suốt cơ thể con người.
Nhưng bất chấp tất cả những lời hứa của HiP-CT, có những vấn đề nghiêm trọng.Đầu tiên, Walsh nói, quét HiP-CT tạo ra “lượng dữ liệu đáng kinh ngạc”, dễ dàng là terabyte cho mỗi cơ quan.Để cho phép các bác sĩ lâm sàng sử dụng các 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 người.
Họ cũng cần làm cho việc chuyển đổi các bản quét thành các mô hình 3D khả thi 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 bệnh hoặc bất thường.Lee và Walsh cho biết ưu tiên của nhóm HiP-CT là phát triển các phương pháp học máy có thể giúp nhiệm vụ này trở nên 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 tia ESRF mới nhất, có tên là BM18, để tiếp tục quét các cơ quan của dự án.BM18 tạo ra chùm tia X lớn hơn, nghĩa là quá trình quét mất ít thời gian hơn và máy dò tia X BM18 có thể được đặt cách vật thể được quét tới 125 feet (38 mét), giúp quá trình quét rõ ràng hơn.Taforo, người đã quét lại một số mẫu Human Organ Atlas 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 có kế hoạch quét toàn bộ phần thân của cơ thể người trong một lần quét 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.