درخشان ترین اشعه ایکس تا به امروز عروق ریه را نشان می دهد که توسط COVID-19 تغییر یافته است — ScienceDaily

دانشمندان UCL و مرکز تحقیقات سنکروترون اروپا (ESRF) از یک فناوری تصویربرداری انقلابی جدید به نام توموگرافی فازی-کنتراست سلسله مراتبی (HiP-CT) برای اسکن اعضای اهدایی انسان، از جمله ریه های اهداکننده کووید-19 استفاده کردند.

HiP-CT نقشه برداری سه بعدی را در طیف وسیعی از مقیاس ها امکان پذیر می کند و به پزشکان اجازه می دهد تا با تصویربرداری از آن به عنوان یک کل و سپس بزرگنمایی تا سطح سلولی، کل اندام را مانند قبل مشاهده کنند.

این تکنیک از اشعه ایکس ارائه شده توسط سینکروترون اروپایی (یک شتاب دهنده ذرات) در گرنوبل فرانسه استفاده می کند که پس از ارتقای اخیر منبع فوق العاده درخشان (ESRF-EBS)، اکنون درخشان ترین منبع اشعه ایکس در جهان را با 100 میلیارد فراهم می کند. چند برابر پرنورتر از اشعه ایکس بیمارستانی

با توجه به این درخشش شدید، محققان می توانند رگ های خونی به قطر پنج میکرون (یک دهم قطر مو) را در یک ریه دست نخورده انسان مشاهده کنند. سی تی اسکن بالینی تنها رگ های خونی را که حدود 100 برابر بزرگتر هستند و قطر آنها حدود 1 میلی متر است را برطرف می کند.

دکتر کلر والش (مهندسی مکانیک UCL) گفت: “توانایی دیدن اندام ها در مقیاس هایی مانند این واقعاً برای تصویربرداری پزشکی انقلابی خواهد بود. همانطور که ما شروع به پیوند تصاویر HiP-CT خود به تصاویر بالینی از طریق تکنیک های هوش مصنوعی می کنیم، – اولین بار — قادر به تأیید دقیق یافته های مبهم در تصاویر بالینی باشید. برای درک آناتومی انسان این نیز یک تکنیک بسیار هیجان انگیز است، دیدن ساختارهای اندام کوچک به صورت سه بعدی در زمینه فضایی صحیح آنها کلید درک چگونگی بدن ما است. ساختار و نحوه عملکرد آنها.”

با استفاده از HiP-CT، تیم تحقیقاتی که شامل پزشکانی در آلمان و فرانسه است، مشاهده کردند که چگونه عفونت شدید کووید-19 خون را بین دو سیستم مجزا “شنت” می‌کند – مویرگ‌هایی که خون را اکسیژن می‌دهند و آنهایی که خود بافت ریه را تغذیه می‌کنند. . چنین پیوندهای متقابل خون بیمار را از اکسیژن رسانی مناسب که قبلاً فرضیه شده بود اما اثبات نشده بود، متوقف می کند.

دکتر Maximilian Ackermann (مرکز پزشکی دانشگاه ماینز)، کاربر بالینی این روش، گفت: “در مدت کوتاهی پس از شروع همه گیری جهانی، ما نشان دادیم که Covid-19 یک بیماری عروقی سیستمیک با استفاده از روش های هیستوپاتولوژیک (تصویربرداری نوری از بافت) و مولکولی است. با این حال، این تکنیک‌ها به اندازه کافی به میزان تغییرات و لخته شدن در رگ‌های خونی ظریف کل ریه‌ها رسیدگی نمی‌کنند.

دنی جونیگ، پروفسور آسیب شناسی قفسه سینه، (دانشکده پزشکی هانوفر، آلمان) گفت: “با ترکیب روش های مولکولی ما با تصویربرداری چند مقیاسی HiP-CT در ریه های مبتلا به پنومونی COVID-19، ما به درک جدیدی از نحوه شنت بین رگ های خونی در دو عروق ریه دست یافتیم. سیستم‌ها در ریه‌های مجروح Covid-19 رخ می‌دهند و تأثیری که بر سطح اکسیژن در سیستم گردش خون ما می‌گذارد.»

دکتر پل تافورو، دانشمند ارشد در ESRF، گفت: “ایده توسعه این تکنیک جدید HiP-CT پس از آغاز همه‌گیری جهانی، با ترکیب چندین تکنیک که در ESRF برای تصویربرداری از فسیل‌های بزرگ مورد استفاده قرار گرفت، و با استفاده از افزایش یافته به وجود آمد. حساسیت منبع جدید فوق العاده درخشان در ESRF، ESRF-EBS. این به ما امکان می دهد رگ های بسیار کوچک درون یک اندام کامل انسان را به صورت سه بعدی ببینیم، و ما را قادر می سازد یک رگ خونی را به صورت سه بعدی از بافت اطراف تشخیص دهیم و حتی مشاهده کنیم. چند سلول خاص

“این یک پیشرفت واقعی است، زیرا اندام های انسان کنتراست پایینی دارند و بنابراین تصویربرداری با جزئیات با تکنیک های موجود فعلی بسیار دشوار است. ESRF-EBS به ما این امکان را می دهد که از رمزگشایی اسرار فسیل ها به دیدن بدن انسان مانند قبل برویم. “

استفاده از HiP-CT برای ایجاد اطلس اندام انسان

با حمایت Chan Zuckerberg Initiative (CZI)، تیم UCL تحت رهبری UCL از HiP-CT برای تولید اطلس اندام انسان استفاده می کند که امروز راه اندازی می شود. این شش عضو کنترل اهدایی را نشان می دهد: مغز، ریه، قلب، دو کلیه و طحال، و ریه بیمار فوت شده بر اثر کووید-19. همچنین بیوپسی ریه کنترلی و بیوپسی ریه کووید-19 انجام خواهد شد. اطلس به صورت آنلاین برای جراحان، پزشکان و عموم علاقمندان در دسترس خواهد بود.

پروفسور پیتر لی (مهندسی مکانیک UCL) گفت: “اطلس در درک ما از آناتومی انسان، مقیاسی را در بر می گیرد که قبلاً ضعیف کاوش شده بود، که مقیاس سانتی متر به میکرون در اندام های دست نخورده است. اسکن های CT و MRI بالینی می توانند تا پایین تر برطرف شوند. یک میلی متر، در حالی که بافت شناسی (مطالعه سلول ها / برش های بیوپسی در زیر میکروسکوپ)، میکروسکوپ الکترونی (که از پرتو الکترونی برای تولید تصاویر استفاده می کند) و سایر تکنیک های مشابه ساختارها را با دقت زیر میکرون حل می کند، اما فقط در بیوپسی های کوچک بافت از یک اندام. HiP-CT این مقیاس‌ها را به صورت سه‌بعدی پل می‌کند و از کل اندام‌ها تصویربرداری می‌کند تا بینش جدیدی در مورد ساختار بیولوژیکی ما ارائه دهد.”

بینش برای سایر بیماری ها و شرایط

محققان مطمئن هستند که تصویربرداری مقیاسی از کل اندام تا سطح سلولی می تواند بینش بیشتری در مورد بسیاری از بیماری ها مانند سرطان یا بیماری آلزایمر ارائه دهد.

پزشک بالینی ویلی واگنر، رادیولوژیست در بیمارستان دانشگاه هایدلبرگ گفت: “HiP-CT شکاف تصویربرداری گسترده ای را در پزشکی انسانی پر می کند: تصویربرداری بالینی داده های سه بعدی بدن و اندام ها را ارائه می دهد، اما به مقیاس کلی محدود می شود؛ از طرف دیگر هیستوپاتولوژی ارائه می دهد. تصاویر دقیق از بافت ها و سلول های مشتق شده از قطعات کوچک اندام. عموماً به یک میدان کوچک و دو بعدی محدود می شود. HiP-CT پل ارتباطی اندام به مقیاس بافتی است و رشته های بالینی رادیولوژی و آسیب شناسی را محکم به هم مرتبط می کند و ارائه می دهد که قبلاً دیده نشده بود. داده های ساختاری معماری بافت سه بعدی و الگوهای بیماری.”

نویسندگان امیدوارند که اطلس اندام انسان در نهایت دارای کتابخانه ای از بیماری هایی باشد که اندام ها را در مقیاس های مختلف، از 1 تا 100 میکرون تا کل اندام ها، تحت تاثیر قرار می دهد و به پزشکان در تشخیص و درمان طیف وسیعی از بیماری ها کمک می کند.

این تیم همچنین امیدوار است که از یادگیری ماشین و هوش مصنوعی برای کالیبره کردن اسکن‌های CT و MRI بالینی استفاده کند و درک تصویربرداری بالینی را افزایش دهد و امکان تشخیص سریع‌تر و دقیق‌تر را فراهم کند.

این کار توسط Chan Zuckerberg Initiative، ESRF، UK-MRC و آکادمی سلطنتی مهندسی حمایت شد. پشتیبانی اضافی از مرکز آلمان برای تحقیقات ریه (DZL، BREATH)، ERC، ثبت کالبد شکافی COVID-19 آلمان (DeRegCOVID)، INSERM، دانشگاه گرنوبل آلپس، تحقیقات کلیه انگلستان، Rosetrees Trust، Trust Wellcome، GOSH بود. و اداره ثبت کالبد شکافی کووید-19 آلمان.