새로운 스캐닝 기술은 인체 해부학 연구에 혁명을 일으킬 수 있는 매우 상세한 이미지를 생성합니다.
Paul Taforo는 코로나19 빛 희생자들의 첫 번째 실험 이미지를 보았을 때 자신이 실패했다고 생각했습니다.훈련을 받은 고생물학자인 Taforo는 유럽 전역의 팀과 협력하여 프랑스 알프스의 입자 가속기를 혁신적인 의료 스캐닝 도구로 바꾸는 데 몇 달을 보냈습니다.
때는 2020년 5월 말이었고, 과학자들은 코로나19가 어떻게 인간 장기를 파괴하는지 더 잘 이해하고 싶어했습니다.Taforo는 프랑스 그르노블에 있는 유럽 싱크로트론 방사선 시설(ESRF)에서 생산된 고출력 X선을 사용할 수 있는 방법을 개발하라는 의뢰를 받았습니다.ESRF 과학자로서 그는 암석 화석과 건조된 미라에 대한 고해상도 엑스레이의 한계를 확장했습니다.이제 그는 부드럽고 끈적끈적한 종이 타월 덩어리가 겁이 났습니다.
이미지는 이전에 본 어떤 의료용 CT 스캔보다 더 자세한 정보를 보여주어 과학자와 의사가 인간 장기를 시각화하고 이해하는 방법에 대한 완고한 격차를 극복할 수 있게 해주었습니다."해부학 교과서에서 볼 때 큰 규모, 작은 규모로 되어 있는데 한 가지 이유 때문에 손으로 그린 ​​아름다운 이미지입니다. 우리에게는 이미지가 없기 때문에 예술적인 해석입니다." University College London(UCL) ) 말했다..클레어 월시(Claire Walsh) 선임연구원은 이렇게 말했습니다.“처음으로 우리는 진짜 일을 할 수 있게 되었습니다.”
Taforo와 Walsh는 계층적 위상차 단층촬영(HiP-CT)이라는 강력하고 새로운 X선 스캐닝 기술을 개발한 30명 이상의 연구원으로 구성된 국제 팀의 일원입니다.이를 통해 마침내 완전한 인간 기관에서 신체의 가장 작은 혈관이나 개별 세포에 대한 확대된 보기로 이동할 수 있습니다.
이 방법은 이미 코로나19가 폐 혈관을 손상시키고 리모델링하는 방법에 대한 새로운 통찰력을 제공하고 있습니다.HiP-CT와 같은 것이 이전에 존재하지 않았기 때문에 장기적인 전망을 결정하기는 어렵지만, 그 잠재력에 흥분한 연구자들은 질병을 이해하고 보다 정확한 지형 지도를 사용하여 인체 해부학을 매핑하는 새로운 방법을 열정적으로 구상하고 있습니다.
UCL 심장 전문의 앤드류 쿡(Andrew Cooke)은 “대부분의 사람들은 우리가 수백 년 동안 심장의 해부학을 연구해 왔다는 사실에 놀랄 수도 있지만 심장의 정상적인 구조, 특히 심장의 정상적인 구조에 대해서는 합의가 이루어지지 않고 있다… 심장이 뛰는 순간.”
“저는 제 경력 내내 기다려 왔습니다.”라고 그는 말했습니다.
HiP-CT 기술은 두 명의 독일 병리학자가 SARS-CoV-2 바이러스가 인체에 미치는 징벌적 영향을 추적하기 위해 경쟁하면서 시작되었습니다.
하노버 의과대학 흉부병리학자 대니 조니크(Danny Jonigk)와 마인츠 대학병원 병리학자 막시밀리안 애커만(Maximilian Ackermann)은 특이한 폐렴 사례가 중국에서 퍼지기 시작하자 극도의 경계심을 나타냈다.두 사람 모두 폐 질환을 치료한 경험이 있었고 코로나19가 흔하지 않다는 것을 즉시 알았습니다.부부는 특히 코로나19 환자를 잠에서 깨게 하지만 혈중 산소 수치를 급락시키는 '침묵의 저산소증'에 대한 보고를 우려했습니다.
Ackermann과 Jonig는 SARS-CoV-2가 어떻게든 폐의 혈관을 공격한다고 의심합니다.2020년 3월 이 질병이 독일로 확산되자 부부는 코로나19 피해자에 대한 부검을 시작했다.그들은 곧 조직 샘플에 수지를 주입한 다음 조직을 산에 용해시켜 원래 혈관 구조의 정확한 모델을 남겨 혈관 가설을 테스트했습니다.
Ackermann과 Jonigk는 이 기술을 사용하여 COVID-19로 사망하지 않은 사람들의 조직과 사망한 사람들의 조직을 비교했습니다.그들은 코로나19 피해자들의 폐에 있는 가장 작은 혈관이 뒤틀리고 재건되는 것을 즉시 확인했습니다.2020년 5월 온라인에 발표된 이 획기적인 결과는 코로나19가 엄밀히 말하면 호흡기 질환이 아니라 몸 전체의 장기에 영향을 미칠 수 있는 혈관 질환임을 보여줍니다.
독일 부퍼탈 출신의 병리학자 애커만은 “몸 전체를 통과해 모든 혈관을 정렬하면 6만~7만마일에 도달하게 되는데, 이는 적도 주변 거리의 두 배에 해당한다”고 말했다..그는 이 혈관 중 단 1%만 바이러스의 공격을 받으면 혈류와 산소 흡수 능력이 손상되어 장기 전체에 치명적인 결과를 초래할 수 있다고 덧붙였습니다.
Jonigk와 Ackermann은 코로나19가 혈관에 미치는 영향을 깨닫고 나서 그 피해를 더 잘 이해할 필요가 있음을 깨달았습니다.
CT 스캔과 같은 의료용 엑스레이는 전체 장기를 볼 수 있지만 해상도가 충분히 높지 않습니다.생검을 통해 과학자들은 현미경으로 조직 샘플을 검사할 수 있지만, 결과 이미지는 전체 기관의 일부일 뿐이며 폐에서 코로나19가 어떻게 발생하는지 보여줄 수 없습니다.그리고 팀이 개발한 수지 기술은 조직을 용해해야 하므로 샘플을 파괴하고 추가 연구를 제한합니다.
"결국 폐는 산소를 얻고 이산화탄소는 배출됩니다. 하지만 폐에는 수천 마일에 달하는 혈관과 모세혈관이 아주 얇게 간격을 두고 있습니다. 이는 거의 기적에 가깝습니다."라고 설립자인 Jonigk는 말했습니다. 독일 폐 연구 센터의 수석 연구원."그렇다면 장기를 파괴하지 않고 코로나19처럼 복잡한 것을 실제로 평가할 수 있는 방법은 무엇일까요?"
Jonigk와 Ackermann은 전례 없는 것이 필요했습니다. 즉, 연구자들이 기관의 일부를 세포 규모로 확대할 수 있도록 하는 동일한 기관의 일련의 엑스레이가 필요했습니다.2020년 3월, 독일 듀오는 UCL의 재료 과학자이자 신흥 기술 의장인 오랜 협력자 Peter Lee에게 연락했습니다.이씨의 전공은 강력한 엑스레이를 이용한 생체재료 연구였기 때문에 그의 생각은 곧바로 프랑스 알프스로 향했다.
유럽 ​​싱크로트론 방사선 센터는 두 개의 강이 만나는 그르노블 북서부의 삼각형 땅에 위치해 있습니다.그 물체는 전자를 거의 빛의 속도로 0.5마일 길이의 원형 궤도로 보내는 입자 가속기입니다.이러한 전자가 원을 그리며 회전하면 궤도에 있는 강력한 자석이 입자 흐름을 뒤틀어 전자가 세계에서 가장 밝은 X선을 방출하게 됩니다.
이 강력한 방사선을 통해 ESRF는 마이크로미터 또는 나노미터 규모의 물체를 감시할 수 있습니다.합금 및 복합재와 같은 재료를 연구하고, 단백질의 분자 구조를 연구하고, 심지어 돌과 뼈를 분리하지 않고 고대 화석을 재구성하는 데에도 자주 사용됩니다.Ackermann, Jonigk 및 Lee는 거대한 장비를 사용하여 세계에서 가장 상세한 인간 장기 엑스레이를 촬영하기를 원했습니다.
ESRF에서 싱크로트론 스캐닝이 볼 수 있는 범위를 확장한 Taforo를 만나보세요.이전에는 과학자들이 그것의 인상적인 일련의 트릭을 통해 공룡 알 내부를 들여다보고 미라를 거의 절단할 뻔했으며 거의 ​​즉시 Taforo는 싱크로트론이 이론적으로 전체 폐엽을 잘 스캔할 수 있음을 확인했습니다.그러나 실제로 인간의 장기 전체를 ​​스캔하는 것은 엄청난 도전입니다.
한편으로는 비교의 문제가 있습니다.표준 X선은 다양한 물질이 흡수하는 방사선의 양을 기반으로 이미지를 생성하며, 무거운 원소는 가벼운 원소보다 더 많이 흡수합니다.연조직은 대부분 탄소, 수소, 산소 등의 가벼운 원소로 구성되어 있으므로 일반적인 의료용 엑스레이에서는 명확하게 나타나지 않습니다.
ESRF의 가장 큰 장점 중 하나는 X선 빔이 매우 일관적이라는 것입니다. 빛은 파동으로 이동하며, ESRF의 경우 모든 X선은 동일한 주파수와 정렬에서 시작하여 남겨진 발자국처럼 끊임없이 진동합니다. 선 정원을 통해 Reik에 의해.그러나 이러한 X선이 물체를 통과할 때 밀도의 미묘한 차이로 인해 각 X선이 경로에서 약간 벗어날 수 있으며 X선이 물체에서 멀어질수록 차이를 더 쉽게 감지할 수 있습니다.이러한 편차는 물체가 가벼운 요소로 구성되어 있더라도 물체 내의 미묘한 밀도 차이를 드러낼 수 있습니다.
그러나 안정성은 또 다른 문제입니다.일련의 확대 엑스레이를 촬영하려면 장기가 1000분의 1밀리미터 이상 구부러지거나 움직이지 않도록 자연스러운 형태로 고정되어야 합니다.더욱이, 동일한 장기에 대한 연속적인 엑스레이는 서로 일치하지 않습니다.그러나 말할 필요도 없이 신체는 매우 유연할 수 있습니다.
UCL의 Lee와 그의 팀은 싱크로트론 X선을 견딜 수 있으면서도 최대한 많은 파장을 통과시킬 수 있는 용기를 설계하는 것을 목표로 했습니다.또한 Lee는 독일과 프랑스 간의 인체 장기 운송에 대한 세부 사항 등 프로젝트의 전반적인 구성을 담당했으며, 스캔 분석 방법을 파악하는 데 도움을 주기 위해 생물의학 빅데이터 전문가인 Walsh를 고용했습니다.프랑스로 돌아온 Taforo의 작업에는 스캐닝 절차를 개선하고 Lee 팀이 만들고 있던 컨테이너에 오르간을 보관하는 방법을 알아내는 것이 포함되었습니다.
Tafforo는 장기가 분해되지 않고 이미지가 최대한 선명해지기 위해서는 수성 에탄올을 여러 부분으로 처리해야 한다는 것을 알고 있었습니다.그는 또한 기관의 밀도와 정확히 일치하는 장치에서 기관을 안정화해야 한다는 것을 알고 있었습니다.그의 계획은 해초에서 추출한 젤리 같은 물질인 에탄올이 풍부한 한천에 장기를 넣는 것이었습니다.
그러나 악마는 세부 사항에 있습니다. 대부분의 유럽에서와 마찬가지로 Taforo는 집에 갇혀 갇혀 있습니다.그래서 Taforo는 자신의 연구를 홈 랩으로 옮겼습니다. 그는 해부학 연구를 위해 동물 뼈를 준비하는 데 사용되는 3D 프린터, 기본 화학 장비 및 도구를 갖춘 이전 중간 크기의 주방을 장식하는 데 수년을 보냈습니다.
Taforo는 한천을 만드는 방법을 알아내기 위해 지역 식료품점의 제품을 사용했습니다.그는 최근 청소한 지붕에서 빗물을 모아 실험실용 한천 제조법의 표준 성분인 탈염수를 만들기도 합니다.한천에 내장을 포장하는 연습을 하기 위해 그는 지역 도살장에서 돼지 내장을 가져왔습니다.
Taforo는 돼지에 대한 첫 번째 폐 스캔 검사를 위해 5월 중순에 ESRF로 복귀하도록 허가되었습니다.그는 5월부터 6월까지 Ackermann과 Jonig가 독일에서 그르노블로 가져온 코로나19로 사망한 54세 남성의 왼쪽 폐엽을 준비하고 스캔했습니다.
"첫 번째 이미지를 봤을 때 프로젝트에 참여한 모든 사람에게 보낸 이메일에 사과 편지가 들어 있었습니다. 우리는 실패했고 고품질 스캔을 얻을 수 없었습니다."라고 그는 말했습니다."방금 그들에게 나에게는 끔찍했지만 그들에게는 좋은 사진 두 장을 보냈습니다."
캘리포니아 대학교 로스앤젤레스 캠퍼스의 Lee에게 이미지는 놀랍습니다. 전체 장기 이미지는 표준 의료용 CT 스캔과 유사하지만 "수백만 배 더 많은 정보를 제공합니다."마치 탐험가가 거대한 제트기를 타고 숲 위를 날거나, 길을 따라 여행하는 등 평생 동안 숲을 연구해 온 것 같습니다.이제 그들은 날개를 단 새처럼 천개 위로 솟아오릅니다.
팀은 2021년 11월에 HiP-CT 접근 방식에 대한 첫 번째 전체 설명을 발표했으며, 연구원들은 또한 코로나19가 폐의 특정 유형의 순환에 어떤 영향을 미치는지에 대한 세부 정보도 발표했습니다.
이 스캔에는 예상치 못한 이점도 있었습니다. 연구원들이 친구와 가족에게 백신을 접종하도록 설득하는 데 도움이 되었습니다.코로나19의 중증 사례에서는 폐의 많은 혈관이 확장되고 부어오르는 것처럼 보이며, 정도는 덜하지만 비정상적으로 작은 혈관 다발이 형성될 수도 있습니다.
"COVID로 사망한 사람의 폐 구조를 보면 폐처럼 보이지 않고 엉망입니다."라고 Tafolo는 말했습니다.
그는 건강한 장기에서도 스캔 결과 미묘한 해부학적 특징이 드러났는데, 이는 인간의 어떤 장기도 이렇게 자세하게 검사된 적이 없기 때문에 기록되지 않은 것이었습니다.Chan Zuckerberg Initiative(Facebook CEO Mark Zuckerberg와 Zuckerberg의 아내이자 의사인 Priscilla Chan이 설립한 비영리 조직)에서 100만 달러 이상의 자금을 지원받은 HiP-CT 팀은 현재 인간 장기 지도책을 만들고 있습니다.
지금까지 팀은 독일에서 코로나19 부검을 하는 동안 Ackermann과 Jonigk가 기증한 장기와 건강 "통제" 기관 LADAF를 기반으로 심장, 뇌, 신장, 폐, 비장 등 5개 장기의 스캔 결과를 공개했습니다.그르노블의 해부학 실험실.팀은 인터넷에서 무료로 사용할 수 있는 데이터를 기반으로 데이터와 비행 영상을 제작했습니다.인간 장기 지도(Atlas of Human Organs)는 빠르게 확장되고 있습니다. 추가로 30개 장기가 스캔되었으며, 또 다른 80개 장기가 다양한 준비 단계에 있습니다.거의 40개에 달하는 다양한 연구 그룹이 이 접근 방식에 대해 자세히 알아보기 위해 팀에 연락했다고 Li는 말했습니다.
UCL 심장 전문의 Cook은 HiP-CT를 사용하여 기본 해부학을 이해하는 데 큰 잠재력이 있다고 봅니다.폐질환을 전문으로 하는 UCL 방사선 전문의 조 제이콥(Joe Jacob)은 HiP-CT가 특히 혈관과 같은 3차원 구조에서 “질병을 이해하는 데 매우 중요할 것”이라고 말했습니다.
예술가들조차 싸움에 뛰어들었습니다.런던에 본사를 둔 체험 예술 단체인 Marshmallow Laser Feast의 Barney Steele은 몰입형 가상 현실에서 HiP-CT 데이터를 탐색할 수 있는 방법을 적극적으로 조사하고 있다고 말합니다.“본질적으로 우리는 인체를 통한 여행을 만들고 있습니다.”라고 그는 말했습니다.
그러나 HiP-CT의 모든 약속에도 불구하고 심각한 문제가 있습니다.첫째, HiP-CT 스캔은 기관당 쉽게 테라바이트에 해당하는 "엄청난 양의 데이터"를 생성한다고 Walsh는 말합니다.임상의가 실제 세계에서 이러한 스캔을 사용할 수 있도록 연구원들은 인체용 Google 지도와 같이 스캔을 탐색할 수 있는 클라우드 기반 인터페이스를 개발하기를 희망합니다.
또한 스캔을 실행 가능한 3D 모델로 더 쉽게 변환할 수 있어야 했습니다.모든 CT 스캔 방법과 마찬가지로 HiP-CT는 주어진 개체의 많은 2D 슬라이스를 가져와 함께 쌓아서 작동합니다.오늘날에도 이 과정의 대부분은 특히 비정상적이거나 질병이 있는 조직을 스캔할 때 수동으로 수행됩니다.Lee와 Walsh는 HiP-CT 팀의 우선순위는 이 작업을 더 쉽게 만들 수 있는 기계 학습 방법을 개발하는 것이라고 말합니다.
인간 장기의 지도책이 확장되고 연구자들의 야망이 더욱 커짐에 따라 이러한 과제도 확대될 것입니다.HiP-CT 팀은 BM18이라는 최신 ESRF 빔 장치를 사용하여 프로젝트 장기를 계속 스캔하고 있습니다.BM18은 더 큰 X선 빔을 생성하므로 스캔 시간이 단축되고 BM18 X선 검출기는 스캔 대상에서 최대 38미터(125피트) 떨어진 곳에 배치할 수 있어 스캔이 더욱 선명해집니다.새로운 시스템에서 원본 Human Organ Atlas 샘플 중 일부를 다시 스캔한 Taforo는 BM18 결과가 이미 매우 좋다고 말합니다.
BM18은 매우 큰 물체도 스캔할 수 있습니다.연구팀은 새로운 시설을 통해 2023년 말까지 인체 몸통 전체를 단번에 스캔할 계획이다.
기술의 엄청난 잠재력을 탐구하면서 Taforo는 "우리는 이제 시작 단계에 불과합니다"라고 말했습니다.
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