新しいスキャン技術により、人体解剖学の研究に革命をもたらす可能性のある非常に詳細な画像が生成されます。
ポール・タフォロは、新型コロナウイルス感染症の光の犠牲者の最初の実験的な画像を見たとき、失敗したと思った。訓練を受けた古生物学者であるタフォロ氏は、フランス アルプスの粒子加速器を革新的な医療スキャン ツールに変えるために、ヨーロッパ中のチームと数か月を費やしました。
それは 2020 年 5 月末のことであり、科学者たちは、新型コロナウイルス感染症がどのように人間の臓器を破壊するのかをより深く理解したいと熱望していました。タフォロは、フランスのグルノーブルにある欧州放射光施設 (ESRF) で生成される高出力 X 線を使用できる方法の開発を依頼されました。ESRF の科学者として、彼は岩石の化石や乾燥したミイラの高解像度 X 線の限界を押し広げてきました。今、彼は柔らかくて粘着性のあるペーパータオルの塊を怖がっていました。
その画像は、これまでに見たどの医療用 CT スキャンよりも詳細に表示され、科学者や医師が人間の臓器を視覚化し、理解する方法における頑固なギャップを克服することができました。「解剖学の教科書を見ると、大きなスケールでも小さなスケールでも、それらは美しい手描きの画像であることがわかります。その理由の 1 つは、画像がないため、芸術的な解釈であるということです。」ユニバーシティ カレッジ ロンドン (UCL) ） 言った。。上級研究員のクレア・ウォルシュ氏はこう語る。「初めて本物を作ることができます。」
タフォロとウォルシュは、階層的位相コントラスト断層撮影 (HiP-CT) と呼ばれる強力な新しい X 線スキャン技術を開発した 30 人以上の研究者からなる国際チームの一員です。これを使用すると、最終的には完全な人間の臓器から、体の最も小さな血管や個々の細胞の拡大図まで表示できるようになります。
この方法はすでに、新型コロナウイルス感染症が肺の血管にどのような損傷を与え、再構築するのかについて新たな洞察をもたらしています。HiP-CT のようなものはこれまでに存在したことがないため、その長期的な見通しを判断することは困難ですが、その可能性に興奮した研究者たちは、病気を理解し、より正確な地形図を使用して人体構造をマッピングするための新しい方法を熱心に構想しています。
UCLの心臓専門医であるアンドリュー・クック氏は、「ほとんどの人は、私たちが何百年も心臓の解剖学を研究してきたことに驚くかもしれないが、心臓、特に心臓の正常な構造についてはコンセンサスが得られていない。筋肉細胞とそれがどのように変化するか」と述べた。心臓が鼓動するとき。」
「私はキャリアを通じてずっと待っていた」と彼は言った。
HiP-CT 技術は、2 人のドイツ人病理学者が SARS-CoV-2 ウイルスの人体に対する懲罰的影響を追跡するために競い合ったときに始まりました。
ハノーバー医科大学の胸部病理学者ダニー・ヨニク氏とマインツ大学医療センターの病理学者マクシミリアン・アッカーマン氏は、中国で異常な肺炎のニュースが広がり始めたため、厳戒態勢を敷いていた。二人とも肺疾患の治療経験があり、新型コロナウイルス感染症が異常なものであることをすぐに理解していました。夫妻は特に、新型コロナウイルス感染症患者の覚醒状態を維持しながら血中酸素濃度の急低下を引き起こす「無症状の低酸素症」の報告を懸念していた。
アッカーマン氏とヨーニグ氏は、SARS-CoV-2が何らかの形で肺の血管を攻撃しているのではないかと疑っている。2020年3月にこの病気がドイツに広がったとき、夫妻は新型コロナウイルス感染症の犠牲者の解剖を始めた。彼らはすぐに、組織サンプルに樹脂を注入し、組織を酸で溶解することで血管仮説を検証し、元の血管構造の正確なモデルを残しました。
アッカーマンとヨニクは、この技術を使用して、新型コロナウイルス感染症で死亡しなかった人の組織と死亡した人の組織を比較した。彼らはすぐに、新型コロナウイルス感染症の犠牲者では肺の最も小さな血管がねじれ、再建されていることに気づきました。2020年5月にオンラインで公開されたこれらの画期的な結果は、新型コロナウイルス感染症（COVID-19）が厳密には呼吸器疾患ではなく、むしろ全身の臓器に影響を与える可能性がある血管疾患であることを示している。
ドイツ、ヴッパータールの病理学者アッカーマン氏は、「体内を巡りすべての血管を整えると、6万～7万マイルの距離が得られる。これは赤道の2倍の距離だ」と述べた。。同氏は、これらの血管のわずか1パーセントがウイルスによって攻撃された場合、血流と酸素吸収能力が損なわれ、臓器全体に壊滅的な結果をもたらす可能性があると付け加えた。
ヨーニク氏とアッカーマン氏は、新型コロナウイルス感染症（COVID-19）が血管に及ぼす影響を認識すると、その損傷をより深く理解する必要があることに気づきました。
CT スキャンなどの医療用 X 線は、臓器全体の画像を提供しますが、解像度は十分に高くありません。生検により、科学者は組織サンプルを顕微鏡で調べることができますが、得られた画像は臓器全体のごく一部にすぎず、新型コロナウイルスが肺でどのように発生するかを示すことはできません。また、チームが開発した樹脂技術では組織を溶解する必要があるため、サンプルが破壊され、さらなる研究が制限されます。
「一日の終わりには、[肺]は酸素を取り込み、二酸化炭素は排出されますが、そのために、肺には何千マイルもの血管と毛細血管が非常に薄く配置されています...これはほとんど奇跡です」と創設者のジョニク氏は語った。ドイツ肺研究センターの主任研究員。「では、臓器を破壊することなく、新型コロナウイルス感染症のような複雑なものを実際に評価するにはどうすればよいのでしょうか?」
ヨーニクとアッカーマンは前例のないものを必要としていました。それは、研究者が臓器の一部を細胞スケールまで拡大できる、同じ臓器の一連の X 線写真です。2020年3月、ドイツ人コンビは長年の共同研究者であり、材料科学者でありUCLの新興技術部門の責任者でもあるピーター・リー氏に連絡を取った。リーの専門は強力な X 線を使用した生物学的物質の研究であるため、彼の考えはすぐにフレンチ アルプスに向かいました。
欧州シンクロトロン放射センターは、グルノーブルの北西部、2 つの川が合流する三角形の土地に位置しています。この物体は、電子をほぼ光速で長さ800メートルの円軌道に送る粒子加速器である。これらの電子が円を描くように回転すると、軌道上の強力な磁石が粒子の流れを歪め、電子が世界で最も明るい X 線の一部を放出します。
この強力な放射線により、ESRF はマイクロメートル、さらにはナノメートルスケールで物体を監視することができます。合金や複合材料などの材料の研究、タンパク質の分子構造の研究、さらには石を骨から分離せずに古代の化石を復元するためによく使用されます。アッカーマン氏、ヨニク氏、リー氏は、この巨大な装置を使って、世界で最も詳細な人間の臓器の X 線写真を撮影したいと考えていました。
ESRF での研究により、シンクロトロン スキャンで観察できるものの限界を押し広げた Taforo 氏が登場します。その驚くべき一連のトリックにより、科学者たちはこれまでに恐竜の卵の中を覗いたり、ミイラをほとんど切り開いたりすることができたが、タフォロ氏はほぼ即座に、シンクロトロンが理論的には肺葉全体をうまくスキャンできることを確認した。しかし実際には、人間の臓器全体をスキャンすることは大きな課題です。
一方で、比較の問題があります。標準的な X 線は、さまざまな物質が吸収する放射線量に基づいて画像を作成します。重い元素は軽いものより多く吸収します。軟組織は主に炭素、水素、酸素などの軽元素で構成されているため、従来の医療用 X 線でははっきりと写りません。
ESRF の優れた点の 1 つは、その X 線ビームが非常にコヒーレントであることです。光は波として伝わり、ESRF の場合、そのすべての X 線は同じ周波数と配列で始まり、残された足跡のように常に振動します。レイクによる禅の庭を通して。しかし、これらの X 線が物体を通過する際、密度の微妙な違いにより各 X 線が経路からわずかに逸脱する可能性があり、X 線が物体から遠ざかるにつれてその違いは検出しやすくなります。これらの偏差により、オブジェクトが軽い要素で構成されている場合でも、オブジェクト内の微妙な密度の違いが明らかになります。
しかし、安定性は別の問題です。一連の拡大X線写真を撮影するには、臓器が1000分の1ミリメートルを超えて曲がったり動いたりしないように、臓器を自然な形状に固定する必要があります。さらに、同じ臓器の連続した X 線写真は互いに一致しません。しかし、言うまでもなく、体は非常に柔軟です。
UCL のリー氏と彼のチームは、できるだけ多くの放射光 X 線を通過させながら、放射光に耐えることができるコンテナを設計することを目指していました。Lee 氏はまた、プロジェクトの全体的な組織化 (たとえば、ドイツとフランス間の人間の臓器輸送の詳細) を担当し、スキャンの分析方法を理解するために生物医学ビッグ データを専門とする Walsh 氏を雇いました。フランスに戻ったタフォロ氏の仕事には、スキャン手順の改善と、リー氏のチームが構築していたコンテナに臓器を保管する方法を考えることが含まれていた。
タフォロ氏は、臓器が腐敗せず、画像をできるだけ鮮明にするには、水性エタノールを数回に分けて処理する必要があることを知っていました。彼はまた、臓器の密度と正確に一致するもので臓器を安定させる必要があることも知っていました。彼の計画は、海藻から抽出されたゼリー状の物質であるエタノールが豊富な寒天に何らかの方法で臓器を置くことでした。
しかし、悪魔は細部に宿ります。ヨーロッパのほとんどの地域と同様に、タフォロさんは家に閉じこもり、閉じ込められています。そこでタフォロ氏は研究を自宅の研究室に移した。彼は何年もかけて、元中規模のキッチンを 3D プリンター、基本的な化学機器、解剖学的研究用に動物の骨を準備するためのツールなどで装飾した。
タフォロさんは地元の食料品店の製品を使って寒天の作り方を考え出しました。彼は、最近掃除した屋根から雨水を集めて、実験室グレードの寒天配合の標準成分である脱塩水を作っています。臓器を寒天に詰める練習をするために、彼は地元の屠殺場から豚の腸を取り出した。
タフォロさんは、ブタの最初の肺スキャン検査のために5月中旬にESRFに戻る許可を得た。5月から6月にかけて、アッカーマン氏とヨーニヒ氏がドイツからグルノーブルに連れて行った、新型コロナウイルス感染症で死亡した54歳の男性の左肺葉を準備してスキャンした。
「最初の画像を見たとき、プロジェクト関係者全員に宛てた電子メールに謝罪文が入っていました。私たちは失敗し、高品質のスキャンを取得できませんでした」と彼は語った。「私にとってはひどい写真でしたが、彼らにとっては素晴らしい写真を 2 枚送りました。」
カリフォルニア大学ロサンゼルス校のリー氏にとって、この画像は驚くべきものであり、臓器全体の画像は標準的な医療用 CT スキャンに似ていますが、「100 万倍も有益」です。それはまるで探検家が巨大なジェット機で森の上空を飛んだり、山道に沿って旅したりして、生涯を通じて森を研究してきたかのようです。今、彼らは翼を持った鳥のように天蓋の上を舞います。
研究チームは、2021年11月にHiP-CTアプローチに関する最初の完全な説明を発表し、研究者らはまた、新型コロナウイルス感染症が肺の特定の種類の循環にどのような影響を与えるかについての詳細も発表した。
このスキャンには予期せぬ利点もありました。研究者らが友人や家族にワクチン接種を受けるよう説得するのに役立ちました。新型コロナウイルス感染症の重症例では、肺の多くの血管が拡張して腫れているように見え、程度は低いですが、小さな血管の異常な束が形成されることがあります。
「新型コロナウイルスで亡くなった人の肺の構造を見ると、肺とは思えません。めちゃくちゃです」とタフォロ氏は語った。
同氏は、健康な臓器であっても、これまで人間の臓器をこれほど詳細に検査したことがなかったため、スキャンによって、記録されることのなかった微妙な解剖学的特徴が明らかになったと付け加えた。チャン・ザッカーバーグ・イニシアティブ（Facebook CEOのマーク・ザッカーバーグとザッカーバーグの妻で医師のプリシラ・チャンによって設立された非営利団体）から100万ドル以上の資金を得て、HiP-CTチームは現在、いわゆる人間の臓器のアトラスを作成している。
これまでのところ、チームはドイツでの新型コロナウイルス感染症の解剖中にアッカーマン氏とヨーニク氏から提供された臓器と健康「管理」臓器LADAFに基づいて、心臓、脳、腎臓、肺、脾臓の5つの臓器のスキャン画像を公開している。グルノーブルの解剖学研究所。チームは、インターネット上で自由に入手できるデータに基づいて、データと飛行映像を作成しました。人間臓器アトラスは急速に拡大しており、さらに 30 の臓器がスキャンされ、さらに 80 の臓器がさまざまな準備段階にあります。リー氏によると、約40のさまざまな研究グループがこのアプローチについて詳しく知るためにチームに連絡を取ったという。
UCL の心臓専門医であるクック氏は、基本的な解剖学的構造を理解するために HiP-CT を使用することに大きな可能性があると考えています。肺疾患を専門とするUCLの放射線科医ジョー・ジェイコブ氏は、HiP-CTは特に血管などの三次元構造において「疾患を理解する上で非常に貴重」になると述べた。
アーティストたちも争いに巻き込まれた。ロンドンを拠点とする体験型アート集団マシュマロ レーザー フィーストのバーニー スティール氏は、没入型仮想現実で HiP-CT データをどのように探索できるかを積極的に研究していると述べています。「本質的に、私たちは人体を通る旅を創造しているのです」と彼は言いました。
しかし、HiP-CT にはさまざまな期待があるにもかかわらず、深刻な問題があります。まず、HiP-CT スキャンでは「驚異的な量のデータ」が生成され、臓器ごとにゆうにテラバイトに達するとウォルシュ氏は言います。臨床医がこれらのスキャンを現実世界で使用できるようにするために、研究者らは、人体用の Google マップなど、スキャンをナビゲートするためのクラウドベースのインターフェイスを開発したいと考えています。
また、スキャンを実行可能な 3D モデルに簡単に変換できるようにする必要もありました。すべての CT スキャン方法と同様に、HiP-CT は、特定のオブジェクトの 2D スライスを多数取得し、それらを積み重ねることによって機能します。現在でも、特に異常な組織や病気の組織をスキャンする場合、このプロセスの多くは手動で行われています。Lee 氏と Walsh 氏は、HiP-CT チームの優先事項は、このタスクを容易にする機械学習手法を開発することであると述べています。
人間の臓器のアトラスが拡大し、研究者がより野心的になるにつれて、これらの課題はさらに拡大するでしょう。HiP-CT チームは、BM18 という最新の ESRF ビーム装置を使用して、プロジェクトの臓器のスキャンを続けています。BM18 はより大きな X 線ビームを生成するため、スキャンにかかる時間が短縮され、BM18 X 線検出器はスキャン対象から最大 125 フィート (38 メートル) 離れたところに設置できるため、より鮮明にスキャンできます。タフォロ氏によると、BM18の結果はすでに非常に良好で、オリジナルのヒト・オルガン・アトラスのサンプルの一部を新しいシステムで再スキャンしたという。
BM18 は非常に大きなオブジェクトもスキャンできます。この新しい施設を利用して、チームは2023年末までに人体の胴体全体を一度にスキャンする予定だ。
タフォロ氏は、このテクノロジーの計り知れない可能性を探りながら、「私たちはまだ始まったばかりです」と語った。
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