新しいスキャン技術は、人間の解剖学の研究に革命を起こす可能性のある非常に詳細な画像を生成します.
ポール・タフォロは、COVID-19 の軽い犠牲者の最初の実験的画像を見たとき、失敗したと思いました。訓練を受けた古生物学者である Taforo 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、科学者たちは COVID-19 が人間の臓器をどのように破壊するかをよりよく理解したいと熱望していました。Taforo は、フランスのグルノーブルにある欧州シンクロトロン放射光施設 (ESRF) によって生成された高出力 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、彼は岩の化石と乾燥したミイラの高解像度 X 線の限界を押し広げました。今、彼はペーパータオルの柔らかくべたべたした塊を恐れていました.
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て理解する方法の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てみると、大縮尺も小縮尺もあり、美しい手描きの画像である理由の 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・ウォルシュは言った。「初めて本物を作ることができます。」
Taforo と Walsh は、階層型位相コントラスト断層撮影法 (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。これにより、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、最終的に見ることができます。
この方法は、COVID-19 がどのように肺の血管を損傷し、再構築するかについての新しい洞察をすでに提供しています。HiP-CT のようなものはこれまで存在しなかったため、その長期的な見通しを決定することは困難ですが、その可能性に興奮している研究者は、病気を理解し、より正確な地形図を使用して人体解剖学をマッピングする新しい方法を熱心に構想しています。
UCL の心臓専門医アンドリュー・クック氏は次のように述べています。心臓が鼓動するとき。」
「私は自分のキャリア全体を待っていました」と彼は言いました。
HiP-CT 技術は、2 人のドイツの病理学者が、SARS-CoV-2 ウイルスの人体への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であるダニー・ヨニグクとマインツ大学医療センターの病理学者であるマキシミリアン・アッカーマンは、中国で肺炎の異常な症例が広まり始めたため、厳戒態勢にあった。どちらも肺疾患の治療経験があり、COVID-19 が珍しいことをすぐに知っていました。カップルは、COVID-19 患者を目覚めさせ続け、血中酸素レベルを急激に低下させた「サイレント低酸素症」の報告について特に懸念していました。
Ackermann と Jonig 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考えています。2020 年 3 月にこの病気がドイツに広がったとき、夫婦は COVID-19 の犠牲者の検死を開始しました。彼らはすぐに、樹脂を組織サンプルに注入し、組織を酸で溶解して、元の血管系の正確なモデルを残すことにより、血管仮説をテストしました。
この手法を使用して、Ackermann と Jonigk は、COVID-19 で死亡しなかった人々の組織と死亡した人々の組織を比較しました。彼らはすぐに、COVID-19 の犠牲者では、肺の最小の血管がねじれて再構築されていることを確認しました。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、COVID-19 が厳密には呼吸器疾患ではなく、全身の臓器に影響を与える血管疾患であることを示しています。
「体を通り抜けてすべての血管を整列させると、60,000 ～ 70,000 マイルになります。これは、赤道を一周する距離の 2 倍です」と、ドイツのヴッパータールの病理学者である Ackermann 氏は述べています。.彼は、これらの血管のわずか 1% がウイルスによって攻撃された場合、血流と酸素を吸収する能力が損なわれ、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ました.
Jonigk と Ackermann は、COVID-19 が血管に与える影響を認識した後、その損傷をよりよく理解する必要があることに気付きました。
CT スキャンなどの医療用 X 線は、臓器全体の画像を提供できますが、解像度が十分ではありません。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を表しており、COVID-19 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] は酸素を受け取り、二酸化炭素は排出されますが、そのためには何千マイルもの血管と毛細血管が非常に細い間隔で配置されています。これはほとんど奇跡です」と創設者の Jonigk 氏は言いました。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、COVID-19 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でしょうか?」
Jonigk と Ackermann は前例のないものを必要としていました。研究者が臓器の一部を細胞スケールに拡大できるようにする、同じ臓器の一連の X 線です。2020 年 3 月、ドイツのデュオは、長年の共同研究者であり、材料科学者であり、UCL の新興技術の議長である Peter Lee に連絡を取りました。強力なX線を使った生体物質の研究が専門の李さんは、すぐにフランスアルプスに思いを馳せた。
欧州シンクロトロン放射センターは、2 つの川が合流するグルノーブルの北西部にある三角形の土地にあります。この物体は、長さ 800 m の円形軌道で電子をほぼ光速で送る粒子加速器です。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ゆがめ、電子が世界で最も明るい X 線を放出します。
この強力な放射により、ESRF はマイクロメートルまたはナノメートル スケールでオブジェクトをスパイできます。合金や複合材などの材料の研究、タンパク質の分子構造の研究、骨から石を分離せずに古代の化石を再構築するためにもよく使用されます。Ackermann、Jonigk、および Lee は、この巨大な装置を使用して、世界で最も詳細な人間の臓器の X 線写真を撮り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 スキャニングで見えるものの限界を押し上げた Taforo を入力してください。その見事な一連のトリックにより、以前は科学者が恐竜の卵の内部を覗き込み、ミイラをほぼ切り開くことができましたが、タフォロは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すぐに確認しました。しかし実際には、人間の臓器全体をスキャンすることは非常に困難です。
一方では、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の量に基づいて画像を作成し、重い元素は軽い元素よりも多く吸収します。軟部組織は、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 線でははっきりとは見えません。
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。光は波で移動します。ESRF の場合、すべての X 線は同じ周波数と配置で始まり、足跡のように絶えず振動します。禅の庭を通ってReikによって。しかし、これらの X 線が物体を通過するとき、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、違いを検出しやすくなります。これらの偏差は、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を明らかにする可能性があります。
しかし、安定性は別の問題です。一連の拡大された X 線を撮影するには、1000 分の 1 ミリを超えて曲がったり動いたりしないように、臓器を自然な形に固定する必要があります。さらに、同じ臓器の連続する X 線は互いに一致しません。言うまでもなく、体は非常に柔軟です。
Lee 氏と UCL の彼のチームは、シンクロトロン X 線に耐えながら、可能な限り多くの波を通過させるコンテナの設計を目指しました。リーはまた、プロジェクトの全体的な構成 (たとえば、ドイツとフランス間の人間の臓器の輸送の詳細) を処理し、生物医学のビッグデータを専門とするウォルシュを雇って、スキャンを分析する方法を見つけ出しました。フランスに戻って、タフォロの仕事には、スキャン手順の改善と、リー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出すことが含まれていました.
Tafforo は、臓器が腐敗しないように、また画像をできるだけ鮮明にするために、水性エタノールで数回処理する必要があることを知っていました。彼はまた、オルガンの密度と正確に一致する何かでオルガン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臓器を配置することでした.
しかし、悪魔は細部に潜んでいます。ヨーロッパのほとんどの地域と同様に、タフォロは家に閉じこもり、閉じ込められています。タフォロ氏は研究をホームラボに移し、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、解剖学的研究のために動物の骨を準備するためのツールで飾りました。
Taforo は地元の食料品店の製品を使用して、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処方の標準的な成分である脱塩水を作ります.臓器を寒天に詰める練習をするために、彼は地元の食肉処理場から豚の腸を取り出しました。
Taforo は、豚の最初の肺スキャンのテストのために 5 月中旬に ESRF に戻ることが許可されました。5 月から 6 月にかけて、彼は COVID-19 で亡くなった 54 歳の男性の左肺葉を準備してスキャンし、アッカーマンとジョニグはそれをドイツからグルノーブルに持って行きました。
「最初の画像を見たとき、プロジェクトに関係するすべての人に宛てた電子メールに謝罪の手紙がありました。失敗したため、高品質のスキャンを取得できませんでした」と彼は言いました。「私にとってはひどいものでしたが、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 Lee 氏にとって、画像は驚くべきものです。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 万倍の情報が得られます」。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、トレイルに沿って移動したりして、一生森を研究してきたかのようです。今、彼らは翼に乗った鳥のようにキャノピーの上を舞い上がります。
チームは 2021 年 11 月に HiP-CT アプローチの最初の完全な説明を発表し、研究者は COVID-19 が肺の特定のタイプの循環にどのように影響するかについての詳細も発表しました。
スキャンには予想外の利点もありました。研究者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。COVID-19 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。
「COVIDで亡くなった人の肺の構造を見ると、肺のようには見えません。混乱しています」とタフォロは言いました.
彼は、健康な臓器であっても、これほど詳細に検査された人間の臓器はこれまでにないため、記録されたことのない微妙な解剖学的特徴がスキャンによって明らかになったと付け加えました。Chan Zuckerberg Initiative (Facebook CEO Mark Zuckerberg と Zuckerberg の妻で医師の Priscilla Chan 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調達した HiP-CT チームは、現在、ヒト臓器のアトラスと呼ばれるものを作成しています。
これまでのところ、チームは心臓、脳、腎臓、肺、脾臓の 5 つの臓器のスキャンをリリースしました。これらは、ドイツでの COVID-19 剖検中に Ackermann と Jonigk によって提供された臓器と、健康「管理」臓器 LADAF に基づいています。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、データとフライト フィルムを作成しました。人間の臓器のアトラスは急速に拡大しています。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。Li 氏によると、40 近くの異なる研究グループが、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りました。
UCL の心臓専門医であるクック氏は、HiP-CT を使用して基本的な解剖学を理解することに大きな可能性を見出しています。肺疾患を専門とする UCL の放射線科医である Joe Jacob 氏は、HiP-CT は、特に血管などの 3 次元構造において、「疾患を理解する上で非常に貴重」であると述べています。
アーティストでさえ争いに巻き込まれました。ロンドンを拠点とする体験型アート集団 Marshmallow Laser Feast の Barney Steele 氏は、没入型の仮想現実で HiP-CT データを調査する方法を積極的に調査していると述べています。「本質的に、私たちは人体を通して旅をしています」と彼は言いました。
しかし、HiP-CT のあらゆる可能性にもかかわらず、深刻な問題があります。まず、Walsh 氏によると、HiP-CT スキャンは「驚異的な量のデータ」を生成し、臓器あたり 1 テラバイトにもなります。臨床医がこれらのスキャンを現実の世界で使用できるようにするために、研究者は人体用の 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多くの 2D スライスを取得し、それらを積み重ねることによって機能します。今日でも、特に異常組織や病変組織をスキャンする場合は、このプロセスの多くが手作業で行われています。Lee と Walsh は、HiP-CT チームの優先事項は、この作業を容易にする機械学習方法を開発することだと言います。
これらの課題は、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拡大します。HiP-CT チームは、BM18 という名前の最新の 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ます。BM18 X 線検出器は、スキャン対象から最大 38 メートル離して配置できるため、スキャンがより鮮明になります。BM18 の結果はすでに非常に良好であると Taforo 氏は述べています。Taforo 氏は、新しいシステムで元の人体臓器アトラス サンプルの一部を再スキャンしました。
BM18 は非常に大きな対象物もスキャンできます。新しい施設では、チームは 2023 年末までに人体の胴体全体を一気にスキャンすることを計画しています。
タフォロ氏は、このテクノロジーの大きな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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