Mae techneg sganio newydd yn cynhyrchu delweddau manwl iawn a allai chwyldroi'r astudiaeth o anatomeg ddynol.
Pan welodd Paul Taforo ei ddelweddau arbrofol cyntaf o ddioddefwyr golau COVID-19, roedd yn meddwl ei fod wedi methu.Yn paleontolegydd trwy hyfforddiant, treuliodd Taforo fisoedd yn gweithio gyda thimau ledled Ewrop i droi cyflymyddion gronynnau yn Alpau Ffrainc yn offer sganio meddygol chwyldroadol.
Roedd yn ddiwedd mis Mai 2020, ac roedd gwyddonwyr yn awyddus i ddeall yn well sut mae COVID-19 yn dinistrio organau dynol.Comisiynwyd Taforo i ddatblygu dull a allai ddefnyddio'r pelydrau-X pŵer uchel a gynhyrchir gan y Cyfleuster Ymbelydredd Synchrotron Ewropeaidd (ESRF) yn Grenoble, Ffrainc.Fel gwyddonydd ESRF, mae wedi gwthio ffiniau pelydrau-x cydraniad uchel o ffosilau craig a mumïau sych.Nawr roedd wedi dychryn gan y màs meddal, gludiog o dywelion papur.
Dangosodd y delweddau fwy o fanylion iddynt nag unrhyw sgan CT meddygol a welsant erioed o'r blaen, gan ganiatáu iddynt oresgyn bylchau ystyfnig yn y ffordd y mae gwyddonwyr a meddygon yn delweddu ac yn deall organau dynol.“Mewn gwerslyfrau anatomeg, pan fyddwch chi'n ei weld, mae'n raddfa fawr, mae'n raddfa fach, ac maen nhw'n ddelweddau hardd wedi'u tynnu â llaw am un rheswm: maen nhw'n ddehongliadau artistig oherwydd nid oes gennym ni ddelweddau,” Coleg Prifysgol Llundain (UCL) ) Dywedodd..Dywedodd yr Uwch Ymchwilydd Claire Walsh.“Am y tro cyntaf fe allwn ni wneud y peth go iawn.”
Mae Taforo a Walsh yn rhan o dîm rhyngwladol o fwy na 30 o ymchwilwyr sydd wedi creu techneg sganio pelydr-X newydd bwerus o’r enw Hierarchical Phase Contrast Tomography (HiP-CT).Ag ef, gallant o'r diwedd fynd o organ ddynol gyflawn i olygfa fwy o bibellau gwaed lleiaf y corff neu hyd yn oed gelloedd unigol.
Mae'r dull hwn eisoes yn rhoi mewnwelediad newydd i sut mae COVID-19 yn niweidio ac yn ailfodelu pibellau gwaed yn yr ysgyfaint.Er ei bod yn anodd pennu ei ragolygon hirdymor oherwydd nad oes dim byd tebyg i HiP-CT wedi bodoli erioed o'r blaen, mae ymchwilwyr sydd wedi'u cyffroi gan ei botensial yn edrych yn frwd ar ffyrdd newydd o ddeall afiechyd a mapio anatomeg ddynol gyda map topograffig mwy cywir.
Dywedodd y cardiolegydd UCL Andrew Cooke: “Efallai y bydd y rhan fwyaf o bobl yn synnu ein bod wedi bod yn astudio anatomeg y galon ers cannoedd o flynyddoedd, ond nid oes consensws ar strwythur arferol y galon, yn enwedig y galon… Celloedd cyhyrau a sut mae'n newid pan fydd y galon yn curo.”
“Rydw i wedi bod yn aros am fy ngyrfa gyfan,” meddai.
Dechreuodd y dechneg HiP-CT pan gystadlodd dau batholegydd o'r Almaen i olrhain effeithiau cosbol firws SARS-CoV-2 ar y corff dynol.
Roedd Danny Jonigk, patholegydd thorasig yn Ysgol Feddygol Hannover, a Maximilian Ackermann, patholegydd yng Nghanolfan Feddygol y Brifysgol Mainz, yn wyliadwrus iawn wrth i newyddion am yr achos anarferol o niwmonia ddechrau lledaenu yn Tsieina.Roedd gan y ddau brofiad o drin cyflyrau'r ysgyfaint ac yn gwybod ar unwaith bod COVID-19 yn anarferol.Roedd y cwpl yn arbennig o bryderus am adroddiadau o “hypocsia distaw” a oedd yn cadw cleifion COVID-19 yn effro ond wedi achosi i lefelau ocsigen eu gwaed blymio.
Mae Ackermann a Jonig yn amau ​​​​bod SARS-CoV-2 rywsut yn ymosod ar y pibellau gwaed yn yr ysgyfaint.Pan ledodd y clefyd i'r Almaen ym mis Mawrth 2020, dechreuodd y cwpl awtopsïau ar ddioddefwyr COVID-19.Buan iawn y gwnaethant brofi eu rhagdybiaeth fasgwlaidd trwy chwistrellu resin i samplau meinwe ac yna hydoddi'r meinwe mewn asid, gan adael model cywir o'r fasgwleiddiad gwreiddiol.
Gan ddefnyddio'r dechneg hon, cymharodd Ackermann a Jonigk feinweoedd gan bobl na fu farw o COVID-19 â rhai gan bobl a wnaeth.Gwelsant ar unwaith, yn ddioddefwyr COVID-19, fod y pibellau gwaed lleiaf yn yr ysgyfaint yn cael eu troelli a'u hailadeiladu.Mae'r canlyniadau pwysig hyn, a gyhoeddwyd ar-lein ym mis Mai 2020, yn dangos nad yw COVID-19 yn glefyd anadlol mewn gwirionedd, ond yn hytrach yn glefyd fasgwlaidd a all effeithio ar organau ledled y corff.
“Os ewch chi trwy’r corff ac alinio’r holl bibellau gwaed, fe gewch 60,000 i 70,000 o filltiroedd, sydd ddwywaith y pellter o amgylch y cyhydedd,” meddai Ackermann, patholegydd o Wuppertal, yr Almaen..Ychwanegodd pe bai'r firws yn ymosod ar 1 y cant yn unig o'r pibellau gwaed hyn, byddai llif y gwaed a'r gallu i amsugno ocsigen yn cael eu peryglu, a allai arwain at ganlyniadau dinistriol i'r organ gyfan.
Unwaith y sylweddolodd Jonigk ac Ackermann effaith COVID-19 ar bibellau gwaed, fe wnaethant sylweddoli bod angen iddynt ddeall y difrod yn well.
Gall pelydrau-x meddygol, megis sganiau CT, roi golygfeydd o organau cyfan, ond nid ydynt yn ddigon eglur.Mae biopsi yn caniatáu i wyddonwyr archwilio samplau meinwe o dan ficrosgop, ond dim ond rhan fach o'r organ gyfan y mae'r delweddau canlyniadol yn eu cynrychioli ac ni allant ddangos sut mae COVID-19 yn datblygu yn yr ysgyfaint.Ac mae'r dechneg resin a ddatblygodd y tîm yn gofyn am hydoddi'r meinwe, sy'n dinistrio'r sampl ac yn cyfyngu ar ymchwil pellach.
“Ar ddiwedd y dydd, mae [yr ysgyfaint] yn cael ocsigen ac mae carbon deuocsid yn mynd allan, ond ar gyfer hynny, mae ganddo filoedd o filltiroedd o bibellau gwaed a chapilarïau, wedi'u gwasgaru'n denau iawn ... mae bron yn wyrth,” meddai Jonigk, sylfaenydd prif ymchwilydd yng Nghanolfan Ymchwil yr Ysgyfaint yr Almaen.“Felly sut allwn ni wir werthuso rhywbeth mor gymhleth â COVID-19 heb ddinistrio organau?”
Roedd angen rhywbeth digynsail ar Jonigk ac Ackermann: cyfres o belydrau-x o'r un organ a fyddai'n caniatáu i'r ymchwilwyr ehangu rhannau o'r organ i raddfa gellog.Ym mis Mawrth 2020, cysylltodd y ddeuawd o'r Almaen â'u cydweithredwr amser hir Peter Lee, gwyddonydd deunyddiau a chadeirydd technolegau sy'n dod i'r amlwg yn UCL.Arbenigedd Lee yw astudio deunyddiau biolegol gan ddefnyddio pelydrau-X pwerus, felly trodd ei feddyliau ar unwaith at yr Alpau Ffrengig.
Mae Canolfan Ymbelydredd Synchrotron Ewropeaidd wedi'i lleoli ar ddarn trionglog o dir yn rhan ogledd-orllewinol Grenoble, lle mae dwy afon yn cwrdd.Cyflymydd gronynnau yw'r gwrthrych sy'n anfon electronau mewn orbitau crwn hanner milltir o hyd ar fuanedd golau bron.Wrth i'r electronau hyn droelli mewn cylchoedd, mae magnetau pwerus mewn orbit yn ystof y llif o ronynnau, gan achosi'r electronau i allyrru rhai o'r pelydrau-X disgleiriaf yn y byd.
Mae'r ymbelydredd pwerus hwn yn caniatáu i'r ESRF sbïo ar wrthrychau ar y raddfa micromedr neu hyd yn oed nanomedr.Fe'i defnyddir yn aml i astudio deunyddiau megis aloion a chyfansoddion, i astudio strwythur moleciwlaidd proteinau, a hyd yn oed i ail-greu ffosilau hynafol heb wahanu carreg oddi wrth asgwrn.Roedd Ackermann, Jonigk a Lee eisiau defnyddio'r offeryn anferth i gymryd pelydrau-x mwyaf manwl y byd o organau dynol.
Enter Taforo, y mae ei waith yn ESRF wedi gwthio ffiniau'r hyn y gall sganio synchrotron ei weld.Roedd ei amrywiaeth drawiadol o driciau yn flaenorol wedi caniatáu i wyddonwyr edrych y tu mewn i wyau deinosoriaid a bron â thorri mymis agored, a bron ar unwaith cadarnhaodd Taforo y gallai synchrotronau sganio llabedau ysgyfaint cyfan yn dda yn ddamcaniaethol.Ond mewn gwirionedd, mae sganio organau dynol cyfan yn her enfawr.
Ar y naill law, mae problem cymharu.Mae pelydrau-x safonol yn creu delweddau yn seiliedig ar faint o ymbelydredd y mae gwahanol ddeunyddiau yn ei amsugno, gydag elfennau trymach yn amsugno mwy na rhai ysgafnach.Mae meinweoedd meddal yn cynnwys elfennau ysgafn yn bennaf - carbon, hydrogen, ocsigen, ac ati - felly nid ydynt yn ymddangos yn glir ar belydr-x meddygol clasurol.
Un o'r pethau gwych am ESRF yw bod ei belydr-X yn gydlynol iawn: mae golau'n teithio mewn tonnau, ac yn achos ESRF, mae ei holl belydrau X yn dechrau ar yr un amledd ac aliniad, gan osgiliad yn gyson, fel olion traed ar ôl. gan Reik trwy ardd zen.Ond wrth i'r pelydrau-X hyn fynd trwy'r gwrthrych, gall gwahaniaethau cynnil mewn dwysedd achosi i bob pelydr-X wyro ychydig o'r llwybr, a daw'n haws canfod y gwahaniaeth wrth i'r pelydrau-X symud ymhellach oddi wrth y gwrthrych.Gall y gwyriadau hyn ddatgelu gwahaniaethau dwysedd cynnil o fewn gwrthrych, hyd yn oed os yw'n cynnwys elfennau golau.
Ond mater arall yw sefydlogrwydd.Er mwyn cymryd cyfres o belydrau-x chwyddedig, rhaid gosod yr organ yn ei siâp naturiol fel nad yw'n plygu neu'n symud mwy na milfed rhan o filimedr.Ar ben hynny, ni fydd pelydrau-x olynol o'r un organ yn cyd-fynd â'i gilydd.Afraid dweud, fodd bynnag, gall y corff fod yn hyblyg iawn.
Nod Lee a'i dîm yn UCL oedd dylunio cynwysyddion a allai wrthsefyll pelydrau-X synchrotron tra'n dal i adael cymaint o donnau drwodd â phosibl.Ymdriniodd Lee hefyd â threfniadaeth gyffredinol y prosiect - er enghraifft, manylion cludo organau dynol rhwng yr Almaen a Ffrainc - a chyflogodd Walsh, sy'n arbenigo mewn data mawr biofeddygol, i helpu i ddarganfod sut i ddadansoddi'r sganiau.Yn ôl yn Ffrainc, roedd gwaith Taforo yn cynnwys gwella'r weithdrefn sganio a darganfod sut i storio'r organ yn y cynhwysydd yr oedd tîm Lee yn ei adeiladu.
Roedd Tafforo yn gwybod, er mwyn i'r organau beidio â dadelfennu, ac i'r delweddau fod mor glir â phosibl, rhaid eu prosesu â sawl dogn o ethanol dyfrllyd.Gwyddai hefyd fod angen iddo sefydlogi'r organ ar rywbeth a oedd yn cyfateb yn union i ddwysedd yr organ.Ei gynllun oedd gosod yr organau mewn agar llawn ethanol, sylwedd tebyg i jeli a dynnwyd o wymon.
Fodd bynnag, mae'r diafol yn y manylion - fel yn y rhan fwyaf o Ewrop, mae Taforo yn sownd gartref ac dan glo.Felly symudodd Taforo ei ymchwil i labordy cartref: Treuliodd flynyddoedd yn addurno cyn gegin ganolig gydag argraffwyr 3D, offer cemeg sylfaenol ac offer a ddefnyddir i baratoi esgyrn anifeiliaid ar gyfer ymchwil anatomegol.
Defnyddiodd Taforo gynhyrchion o'r siop groser leol i ddarganfod sut i wneud agar.Mae hyd yn oed yn casglu dŵr storm o do a lanhaodd yn ddiweddar i wneud dŵr wedi'i ddadfwyneiddio, cynhwysyn safonol mewn fformiwlâu agar gradd labordy.Er mwyn ymarfer pacio organau mewn agar, cymerodd coluddion moch o ladd-dy lleol.
Cliriwyd Taforo i ddychwelyd i'r ESRF ganol mis Mai ar gyfer y sgan ysgyfaint prawf cyntaf o foch.Rhwng mis Mai a mis Mehefin, paratôdd a sganiodd llabed ysgyfaint chwith dyn 54 oed a fu farw o COVID-19, a gymerodd Ackermann a Jonig o'r Almaen i Grenoble.
“Pan welais i’r ddelwedd gyntaf, roedd llythyr ymddiheuriad yn fy e-bost at bawb oedd yn ymwneud â’r prosiect: fe fethon ni a doeddwn i ddim yn gallu cael sgan o ansawdd uchel,” meddai.“Fe wnes i anfon dau lun atyn nhw oedd yn ofnadwy i mi ond yn wych iddyn nhw.”
I Lee o Brifysgol California, Los Angeles, mae'r delweddau'n syfrdanol: mae delweddau organ gyfan yn debyg i sganiau CT meddygol safonol, ond "miliwn gwaith yn fwy addysgiadol."Mae fel petai’r fforiwr wedi bod yn astudio’r goedwig ar hyd ei oes, naill ai’n hedfan dros y goedwig mewn awyren jet enfawr, neu’n teithio ar hyd y llwybr.Nawr maen nhw'n esgyn uwchben y canopi fel adar ar adenydd.
Cyhoeddodd y tîm eu disgrifiad llawn cyntaf o ddull HiP-CT ym mis Tachwedd 2021, a rhyddhaodd yr ymchwilwyr fanylion hefyd ar sut mae COVID-19 yn effeithio ar rai mathau o gylchrediad yn yr ysgyfaint.
Roedd gan y sgan fudd annisgwyl hefyd: fe helpodd yr ymchwilwyr i ddarbwyllo ffrindiau a theulu i gael eu brechu.Mewn achosion difrifol o COVID-19, mae llawer o bibellau gwaed yn yr ysgyfaint yn ymddangos yn ymledu ac wedi chwyddo, ac i raddau llai, gall bwndeli annormal o bibellau gwaed bach ffurfio.
“Pan edrychwch ar strwythur ysgyfaint gan berson a fu farw o COVID, nid yw’n edrych fel ysgyfaint - mae’n llanast,” meddai Tafolo.
Ychwanegodd hyd yn oed mewn organau iach, bod y sganiau wedi datgelu nodweddion anatomegol cynnil na chawsant eu cofnodi erioed oherwydd nad oedd unrhyw organ ddynol erioed wedi'i harchwilio mor fanwl.Gyda dros $1 miliwn o gyllid gan Fenter Chan Zuckerberg (mudiad dielw a sefydlwyd gan Brif Swyddog Gweithredol Facebook Mark Zuckerberg a gwraig Zuckerberg, y meddyg Priscilla Chan), mae tîm HiP-CT ar hyn o bryd yn creu'r hyn a elwir yn atlas o organau dynol.
Hyd yn hyn, mae’r tîm wedi rhyddhau sganiau o bum organ - y galon, yr ymennydd, yr arennau, yr ysgyfaint, a’r ddueg - yn seiliedig ar yr organau a roddwyd gan Ackermann a Jonigk yn ystod eu awtopsi COVID-19 yn yr Almaen a’r organ “rheoli” iechyd LADAF.Labordy anatomegol o Grenoble.Cynhyrchodd y tîm y data, yn ogystal â ffilmiau hedfan, yn seiliedig ar ddata sydd ar gael am ddim ar y Rhyngrwyd.Mae Atlas Organau Dynol yn ehangu'n gyflym: mae 30 o organau eraill wedi'u sganio, ac mae 80 arall ar wahanol gamau o'u paratoi.Cysylltodd bron i 40 o wahanol grwpiau ymchwil â’r tîm i ddysgu mwy am y dull, meddai Li.
Mae cardiolegydd UCL Cook yn gweld potensial mawr wrth ddefnyddio HiP-CT i ddeall anatomeg sylfaenol.Dywedodd radiolegydd UCL Joe Jacob, sy’n arbenigo mewn clefyd yr ysgyfaint, y bydd HiP-CT yn “amhrisiadwy ar gyfer deall afiechyd,” yn enwedig mewn strwythurau tri dimensiwn fel pibellau gwaed.
Aeth hyd yn oed yr artistiaid i'r ffrae.Dywed Barney Steele o gwmni celf arbrofol Marshmallow Laser Feast yn Llundain ei fod wrthi’n ymchwilio i sut y gellir archwilio data HiP-CT mewn rhith-realiti trochi.“Yn y bôn, rydyn ni’n creu taith trwy’r corff dynol,” meddai.
Ond er gwaethaf holl addewidion HiP-CT, mae problemau difrifol.Yn gyntaf, meddai Walsh, mae sgan HiP-CT yn cynhyrchu “swm syfrdanol o ddata,” yn hawdd terabyte fesul organ.Er mwyn caniatáu i glinigwyr ddefnyddio'r sganiau hyn yn y byd go iawn, mae'r ymchwilwyr yn gobeithio datblygu rhyngwyneb cwmwl ar gyfer eu llywio, megis Google Maps ar gyfer y corff dynol.
Roedd angen iddynt hefyd ei gwneud yn haws trosi sganiau yn fodelau 3D ymarferol.Fel pob dull sganio CT, mae HiP-CT yn gweithio trwy gymryd llawer o dafelli 2D o wrthrych penodol a'u pentyrru gyda'i gilydd.Hyd yn oed heddiw, mae llawer o'r broses hon yn cael ei gwneud â llaw, yn enwedig wrth sganio meinwe annormal neu afiach.Dywed Lee a Walsh mai blaenoriaeth tîm HiP-CT yw datblygu dulliau dysgu peirianyddol a all wneud y dasg hon yn haws.
Bydd yr heriau hyn yn ehangu wrth i'r atlas o organau dynol ehangu ac wrth i ymchwilwyr ddod yn fwy uchelgeisiol.Mae tîm HiP-CT yn defnyddio'r ddyfais pelydr ESRF ddiweddaraf, o'r enw BM18, i barhau i sganio organau'r prosiect.Mae'r BM18 yn cynhyrchu pelydr-X mwy, sy'n golygu bod sganio yn cymryd llai o amser, a gellir gosod y synhwyrydd pelydr-X BM18 hyd at 125 troedfedd (38 metr) i ffwrdd o'r gwrthrych sy'n cael ei sganio, gan ei wneud yn sganio'n gliriach.Mae canlyniadau BM18 eisoes yn dda iawn, meddai Taforo, sydd wedi ailsganio rhai o'r samplau Atlas Organ Dynol gwreiddiol ar y system newydd.
Gall y BM18 hefyd sganio gwrthrychau mawr iawn.Gyda'r cyfleuster newydd, mae'r tîm yn bwriadu sganio torso cyfan y corff dynol mewn un swoop cwympo erbyn diwedd 2023.
Wrth archwilio potensial enfawr y dechnoleg, dywedodd Taforo, “Dim ond y dechrau ydyn ni mewn gwirionedd.”
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Cedwir pob hawl.