Una nuova tecnica di scansione produce immagini estremamente dettagliate che potrebbero rivoluzionare lo studio dell'anatomia umana.
Quando Paul Taforo vide le sue prime immagini sperimentali delle vittime della luce del COVID-19, pensò di aver fallito.Paleontologo di formazione, Taforo ha trascorso mesi lavorando con team di tutta Europa per trasformare gli acceleratori di particelle nelle Alpi francesi in rivoluzionari strumenti di scansione medica.
Era la fine di maggio 2020 e gli scienziati erano ansiosi di comprendere meglio come il COVID-19 distrugge gli organi umani.Taforo è stato incaricato di sviluppare un metodo in grado di utilizzare i raggi X ad alta potenza prodotti dall'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) a Grenoble, in Francia.In qualità di scienziato dell'ESRF, ha ampliato i confini dei raggi X ad alta risoluzione di fossili di roccia e mummie essiccate.Adesso era terrorizzato dalla massa morbida e appiccicosa dei tovaglioli di carta.
Le immagini hanno mostrato loro più dettagli di qualsiasi TAC medica che avessero mai visto prima, consentendo loro di superare le lacune ostinate nel modo in cui scienziati e medici visualizzano e comprendono gli organi umani."Nei libri di testo di anatomia, quando lo vedi, è su larga scala, è su piccola scala e sono bellissime immagini disegnate a mano per un motivo: sono interpretazioni artistiche perché non abbiamo immagini", University College London (UCL ) disse..Ha detto la ricercatrice senior Claire Walsh.“Per la prima volta possiamo fare una cosa vera.”
Taforo e Walsh fanno parte di un team internazionale di oltre 30 ricercatori che hanno creato una nuova e potente tecnica di scansione a raggi X chiamata Tomografia Gerarchica a Contrasto di Fase (HiP-CT).Con esso si può finalmente passare dall'organo umano completo alla visione ingrandita dei più piccoli vasi sanguigni del corpo o addirittura delle singole cellule.
Questo metodo sta già fornendo nuove informazioni su come il COVID-19 danneggia e rimodella i vasi sanguigni nei polmoni.Sebbene le sue prospettive a lungo termine siano difficili da determinare perché non è mai esistito prima nulla di simile all’HiP-CT, i ricercatori entusiasti del suo potenziale stanno immaginando con entusiasmo nuovi modi per comprendere le malattie e mappare l’anatomia umana con una mappa topografica più accurata.
Il cardiologo dell’UCL Andrew Cooke ha dichiarato: “La maggior parte delle persone potrebbe essere sorpresa dal fatto che studiamo l’anatomia del cuore da centinaia di anni, ma non c’è consenso sulla normale struttura del cuore, in particolare sul cuore… Le cellule muscolari e come cambiano quando il cuore batte."
"Ho aspettato tutta la mia carriera", ha detto.
La tecnica HiP-CT è iniziata quando due patologi tedeschi hanno gareggiato per monitorare gli effetti punitivi del virus SARS-CoV-2 sul corpo umano.
Danny Jonigk, patologo toracico della Scuola di medicina di Hannover, e Maximilian Ackermann, patologo del Centro medico universitario di Magonza, erano in massima allerta quando la notizia dell'insolito caso di polmonite ha cominciato a diffondersi in Cina.Entrambi avevano esperienza nel trattamento di patologie polmonari e sapevano subito che il COVID-19 era insolito.La coppia era particolarmente preoccupata per le segnalazioni di “ipossia silenziosa” che tenevano svegli i pazienti affetti da COVID-19 ma facevano crollare i livelli di ossigeno nel sangue.
Ackermann e Jonig sospettano che la SARS-CoV-2 attacchi in qualche modo i vasi sanguigni dei polmoni.Quando la malattia si diffuse in Germania nel marzo 2020, la coppia iniziò le autopsie sulle vittime del COVID-19.Ben presto testarono la loro ipotesi vascolare iniettando resina in campioni di tessuto e poi sciogliendo il tessuto in acido, lasciando un modello accurato del sistema vascolare originale.
Usando questa tecnica, Ackermann e Jonigk hanno confrontato i tessuti di persone che non sono morte a causa del COVID-19 con quelli di persone che lo hanno fatto.Hanno subito visto che nelle vittime del Covid-19 i vasi sanguigni più piccoli dei polmoni erano contorti e ricostruiti.Questi risultati fondamentali, pubblicati online nel maggio 2020, mostrano che il COVID-19 non è strettamente una malattia respiratoria, ma piuttosto una malattia vascolare che può colpire gli organi di tutto il corpo.
"Se attraversi il corpo e allinei tutti i vasi sanguigni, percorri da 60.000 a 70.000 miglia, che è il doppio della distanza attorno all'equatore", ha detto Ackermann, un patologo di Wuppertal, in Germania..Ha aggiunto che se solo l’1% di questi vasi sanguigni fosse attaccato dal virus, il flusso sanguigno e la capacità di assorbire l’ossigeno sarebbero compromessi, il che potrebbe portare a conseguenze devastanti per l’intero organo.
Una volta che Jonigk e Ackermann si sono resi conto dell’impatto del COVID-19 sui vasi sanguigni, si sono resi conto che dovevano comprendere meglio il danno.
Le radiografie mediche, come le scansioni TC, possono fornire visualizzazioni di interi organi, ma non hanno una risoluzione sufficientemente elevata.Una biopsia consente agli scienziati di esaminare campioni di tessuto al microscopio, ma le immagini risultanti rappresentano solo una piccola parte dell’intero organo e non possono mostrare come il COVID-19 si sviluppa nei polmoni.E la tecnica della resina sviluppata dal team richiede la dissoluzione del tessuto, che distrugge il campione e limita ulteriori ricerche.
"Alla fine della giornata, [i polmoni] ricevono ossigeno e l'anidride carbonica esce, ma per questo hanno migliaia di chilometri di vasi sanguigni e capillari, molto sottili distanziati... è quasi un miracolo", ha detto Jonigk, fondatore ricercatore principale presso il Centro tedesco di ricerca polmonare.“Allora come possiamo davvero valutare qualcosa di così complesso come il COVID-19 senza distruggere gli organi?”
Jonigk e Ackermann avevano bisogno di qualcosa senza precedenti: una serie di raggi X dello stesso organo che permettesse ai ricercatori di ingrandire parti dell'organo su scala cellulare.Nel marzo 2020, il duo tedesco ha contattato il suo collaboratore di lunga data Peter Lee, scienziato dei materiali e presidente delle tecnologie emergenti presso l'UCL.La specialità di Lee è lo studio dei materiali biologici utilizzando potenti raggi X, quindi i suoi pensieri si sono immediatamente rivolti alle Alpi francesi.
Il Centro europeo delle radiazioni di sincrotrone si trova su un pezzo di terra triangolare nella parte nord-occidentale di Grenoble, dove si incontrano due fiumi.L'oggetto è un acceleratore di particelle che invia elettroni in orbite circolari lunghe mezzo miglio quasi alla velocità della luce.Mentre questi elettroni ruotano in circolo, potenti magneti in orbita deformano il flusso di particelle, facendo sì che gli elettroni emettano alcuni dei raggi X più luminosi del mondo.
Questa potente radiazione consente all'ESRF di spiare oggetti su scala micrometrica o addirittura nanometrica.Viene spesso utilizzato per studiare materiali come leghe e compositi, per studiare la struttura molecolare delle proteine ​​e persino per ricostruire antichi fossili senza separare la pietra dalle ossa.Ackermann, Jonigk e Lee volevano utilizzare lo strumento gigante per eseguire le radiografie degli organi umani più dettagliate al mondo.
Inserisci Taforo, il cui lavoro all'ESRF ha ampliato i confini di ciò che la scansione del sincrotrone può vedere.La sua impressionante serie di trucchi aveva precedentemente permesso agli scienziati di sbirciare all'interno delle uova di dinosauro e di aprire quasi le mummie, e quasi immediatamente Taforo confermò che i sincrotroni potevano teoricamente scansionare bene interi lobi polmonari.Ma in realtà, la scansione di interi organi umani è una sfida enorme.
Da un lato c’è il problema del confronto.I raggi X standard creano immagini in base alla quantità di radiazioni assorbite dai diversi materiali, con gli elementi più pesanti che assorbono più di quelli più leggeri.I tessuti molli sono costituiti principalmente da elementi leggeri - carbonio, idrogeno, ossigeno, ecc. - quindi non si presentano chiaramente su una classica radiografia medica.
Uno degli aspetti positivi dell'ESRF è che il suo fascio di raggi X è molto coerente: la luce viaggia in onde e, nel caso dell'ESRF, tutti i suoi raggi X iniziano con la stessa frequenza e allineamento, oscillando costantemente, come impronte lasciate da Reik attraverso un giardino zen.Ma mentre questi raggi X attraversano l’oggetto, sottili differenze di densità possono far deviare leggermente ciascun raggio X dal percorso e la differenza diventa più facile da rilevare man mano che i raggi X si allontanano dall’oggetto.Queste deviazioni possono rivelare sottili differenze di densità all'interno di un oggetto, anche se è composto da elementi leggeri.
Ma la stabilità è un altro problema.Per poter effettuare una serie di radiografie ingrandite, l'organo deve essere fissato nella sua forma naturale in modo che non si pieghi o si sposti più di un millesimo di millimetro.Inoltre, le radiografie successive dello stesso organo non corrisponderanno tra loro.Inutile dire, tuttavia, che il corpo può essere molto flessibile.
Lee e il suo team dell'UCL miravano a progettare contenitori in grado di resistere ai raggi X del sincrotrone lasciando passare quante più onde possibile.Lee ha anche gestito l’organizzazione generale del progetto – ad esempio, i dettagli del trasporto di organi umani tra Germania e Francia – e ha assunto Walsh, specializzato in big data biomedici, per capire come analizzare le scansioni.Tornato in Francia, il lavoro di Taforo includeva il miglioramento della procedura di scansione e la scoperta di come conservare l'organo nel contenitore che il team di Lee stava costruendo.
Tafforo sapeva che affinché gli organi non si decomponessero e le immagini fossero il più chiare possibile, dovevano essere elaborate con diverse porzioni di etanolo acquoso.Sapeva anche che aveva bisogno di stabilizzare l'organo su qualcosa che corrispondesse esattamente alla densità dell'organo.Il suo piano era quello di collocare in qualche modo gli organi in agar ricco di etanolo, una sostanza gelatinosa estratta dalle alghe.
Tuttavia, il diavolo sta nei dettagli: come nella maggior parte d’Europa, Taforo è bloccato a casa e rinchiuso.Così Taforo ha trasferito la sua ricerca in un laboratorio domestico: ha trascorso anni a decorare un’ex cucina di medie dimensioni con stampanti 3D, attrezzature chimiche di base e strumenti utilizzati per preparare le ossa degli animali per la ricerca anatomica.
Taforo ha utilizzato i prodotti del negozio di alimentari locale per capire come produrre l'agar.Raccoglie persino l'acqua piovana da un tetto che ha recentemente pulito per produrre acqua demineralizzata, un ingrediente standard nelle formule di agar da laboratorio.Per esercitarsi nell'imballaggio degli organi nell'agar, prese gli intestini di maiale da un macello locale.
Taforo è stato autorizzato a ritornare all'ESRF a metà maggio per la prima scansione polmonare di prova dei suini.Da maggio a giugno ha preparato e scansionato il lobo polmonare sinistro di un uomo di 54 anni morto di COVID-19, che Ackermann e Jonig hanno portato dalla Germania a Grenoble.
"Quando ho visto la prima immagine, nella mia e-mail c'era una lettera di scuse indirizzata a tutti coloro che erano coinvolti nel progetto: abbiamo fallito e non sono riuscito a ottenere una scansione di alta qualità", ha affermato."Ho appena inviato loro due foto che sono state terribili per me ma fantastiche per loro."
Per Lee dell’Università della California, a Los Angeles, le immagini sono sorprendenti: le immagini dell’intero organo sono simili alle scansioni TC mediche standard, ma “un milione di volte più informative”.È come se l'esploratore avesse studiato la foresta per tutta la vita, sorvolandola su un gigantesco aereo a reazione o viaggiando lungo il sentiero.Ora volano sopra la volta come uccelli sulle ali.
Il team ha pubblicato la prima descrizione completa dell’approccio HiP-CT nel novembre 2021 e i ricercatori hanno anche pubblicato dettagli su come il COVID-19 influisce su determinati tipi di circolazione nei polmoni.
La scansione ha avuto anche un vantaggio inaspettato: ha aiutato i ricercatori a convincere amici e familiari a vaccinarsi.Nei casi gravi di COVID-19, molti vasi sanguigni nei polmoni appaiono dilatati e gonfiati e, in misura minore, possono formarsi fasci anomali di minuscoli vasi sanguigni.
"Quando guardi la struttura di un polmone di una persona morta di COVID, non sembra un polmone: è un disastro", ha detto Tafolo.
Ha aggiunto che anche negli organi sani, le scansioni hanno rivelato caratteristiche anatomiche sottili che non sono mai state registrate perché nessun organo umano era mai stato esaminato in modo così dettagliato.Con oltre 1 milione di dollari di finanziamenti da parte della Chan Zuckerberg Initiative (un'organizzazione no-profit fondata dal CEO di Facebook Mark Zuckerberg e dalla moglie di Zuckerberg, il medico Priscilla Chan), il team HiP-CT sta attualmente creando quello che viene chiamato un atlante degli organi umani.
Finora, il team ha rilasciato scansioni di cinque organi – cuore, cervello, reni, polmoni e milza – basate sugli organi donati da Ackermann e Jonigk durante l’autopsia COVID-19 in Germania e sull’organo di “controllo” sanitario LADAF.Laboratorio anatomico di Grenoble.Il team ha prodotto i dati, nonché filmati di volo, sulla base di dati liberamente disponibili su Internet.L'Atlante degli organi umani è in rapida espansione: altri 30 organi sono stati scansionati e altri 80 sono a vari stadi di preparazione.Quasi 40 diversi gruppi di ricerca hanno contattato il team per saperne di più sull'approccio, ha detto Li.
Il cardiologo dell'UCL Cook vede un grande potenziale nell'uso della HiP-CT per comprendere l'anatomia di base.Il radiologo dell’UCL Joe Jacob, specializzato in malattie polmonari, ha affermato che l’HiP-CT sarà “inestimabile per comprendere la malattia”, soprattutto nelle strutture tridimensionali come i vasi sanguigni.
Anche gli artisti si sono messi in gioco.Barney Steele del collettivo artistico esperienziale con sede a Londra Marshmallow Laser Feast afferma che sta studiando attivamente come i dati HiP-CT possano essere esplorati nella realtà virtuale immersiva."Essenzialmente, stiamo creando un viaggio attraverso il corpo umano", ha detto.
Ma nonostante tutte le promesse dell’HiP-CT, ci sono seri problemi.Innanzitutto, afferma Walsh, una scansione HiP-CT genera una “quantità sconcertante di dati”, facilmente un terabyte per organo.Per consentire ai medici di utilizzare queste scansioni nel mondo reale, i ricercatori sperano di sviluppare un'interfaccia basata su cloud per la navigazione, come Google Maps per il corpo umano.
Dovevano anche semplificare la conversione delle scansioni in modelli 3D utilizzabili.Come tutti i metodi di scansione TC, HiP-CT funziona prendendo molte sezioni 2D di un dato oggetto e impilandole insieme.Ancora oggi, gran parte di questo processo viene eseguito manualmente, soprattutto durante la scansione di tessuti anomali o malati.Lee e Walsh affermano che la priorità del team HiP-CT è sviluppare metodi di apprendimento automatico che possano semplificare questo compito.
Queste sfide si espanderanno man mano che l’atlante degli organi umani si espanderà e i ricercatori diventeranno più ambiziosi.Il team HiP-CT sta utilizzando l'ultimo dispositivo a fascio ESRF, denominato BM18, per continuare la scansione degli organi del progetto.Il BM18 produce un raggio di raggi X più ampio, il che significa che la scansione richiede meno tempo, e il rilevatore di raggi X BM18 può essere posizionato fino a 38 metri (125 piedi) di distanza dall'oggetto da scansionare, rendendo la scansione più chiara.I risultati del BM18 sono già molto buoni, afferma Taforo, che ha scansionato nuovamente alcuni dei campioni originali dell'Atlante degli organi umani sul nuovo sistema.
Il BM18 può anche scansionare oggetti molto grandi.Con la nuova struttura, il team prevede di scansionare l’intero torso del corpo umano in un colpo solo entro la fine del 2023.
Esplorando l’enorme potenziale della tecnologia, Taforo ha affermato: “Siamo davvero solo all’inizio”.
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