새로운 스캐닝 기술은 인체 해부학 연구에 혁명을 일으킬 수 있는 매우 상세한 이미지를 생성합니다.
Paul Taforo는 COVID-19 가벼운 희생자의 첫 번째 실험 이미지를 보았을 때 자신이 실패했다고 생각했습니다.교육을 받은 고생물학자인 Taforo는 프랑스 알프스의 입자 가속기를 혁신적인 의료 스캐닝 도구로 바꾸기 위해 유럽 전역의 팀과 몇 달을 보냈습니다.
때는 2020년 5월 말이었고 과학자들은 COVID-19가 인간 장기를 어떻게 파괴하는지 더 잘 이해하고 싶어했습니다.Taforo는 프랑스 그르노블에 있는 유럽 싱크로트론 방사선 시설(ESRF)에서 생성되는 고출력 X-선을 사용할 수 있는 방법을 개발하도록 의뢰되었습니다.ESRF 과학자로서 그는 암석 화석과 건조 미라의 고해상도 X-레이의 경계를 넓혔습니다.이제 그는 부드럽고 끈적한 종이 타월 덩어리를 두려워했습니다.
이미지는 그들이 이전에 본 어떤 의료용 CT 스캔보다 더 자세하게 보여주어 과학자와 의사가 인간 장기를 시각화하고 이해하는 방식의 완강한 격차를 극복할 수 있게 해주었습니다."해부학 교과서에서 볼 때 큰 규모이고 작은 규모이며 한 가지 이유로 손으로 그린 ​​아름다운 이미지입니다. 이미지가 없기 때문에 예술적 해석입니다." University College London(UCL) ) 말했다..Claire Walsh 선임 연구원이 말했습니다."처음으로 우리는 진짜 일을 할 수 있습니다."
Taforo와 Walsh는 HiP-CT(Hierarchical Phase Contrast Tomography)라고 하는 강력하고 새로운 X선 스캐닝 기술을 개발한 30명 이상의 연구원으로 구성된 국제 팀의 일원입니다.그것으로 그들은 마침내 완전한 인간 기관에서 신체의 가장 작은 혈관 또는 심지어 개별 세포의 확대된 보기로 이동할 수 있습니다.
이 방법은 이미 COVID-19가 폐의 혈관을 손상시키고 리모델링하는 방법에 대한 새로운 통찰력을 제공하고 있습니다.HiP-CT와 같은 것이 이전에 존재한 적이 없기 때문에 장기적인 전망을 결정하기는 어렵지만, 그 잠재력에 흥분한 연구자들은 질병을 이해하고 보다 정확한 지형도를 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 왔지만 심장, 특히 심장의 정상적인 구조에 대한 합의가 없다는 사실에 놀랐을 것”이라고 말했다. 심장이 뛸 때."
"나는 내 경력 전체를 기다려왔다"고 말했다.
HiP-CT 기술은 두 명의 독일 병리학자가 인체에 대한 SARS-CoV-2 바이러스의 징벌적 효과를 추적하기 위해 경쟁하면서 시작되었습니다.
Hannover Medical School의 흉부 병리학자인 Danny Jonigk와 University Medical Center Mainz의 병리학자인 Maximilian Ackermann은 특이한 폐렴 사례가 중국에 퍼지기 시작하면서 매우 경계했습니다.둘 다 폐 질환을 치료한 경험이 있었고 COVID-19가 이례적이라는 것을 즉시 알았습니다.부부는 특히 COVID-19 환자를 깨어 있게 하지만 혈중 산소 수치를 급감시키는 "조용한 저산소증" 보고에 대해 우려했습니다.
Ackermann과 Jonig는 SARS-CoV-2가 어떻게든 폐의 혈관을 공격한다고 의심합니다.2020년 3월 질병이 독일로 퍼졌을 때 부부는 COVID-19 희생자에 대한 부검을 시작했습니다.그들은 곧 수지를 조직 샘플에 주입한 다음 조직을 산에 용해시켜 원래 혈관 구조의 정확한 모델을 남겨 혈관 가설을 테스트했습니다.
이 기술을 사용하여 Ackermann과 Jonigk는 COVID-19로 사망하지 않은 사람들의 조직과 사망한 사람들의 조직을 비교했습니다.그들은 COVID-19의 희생자들에게서 폐의 가장 작은 혈관이 꼬이고 재건되는 것을 즉시 보았습니다.2020년 5월 온라인에 발표된 이 획기적인 결과는 COVID-19가 엄밀히 말해 호흡기 질환이 아니라 전신 장기에 영향을 미칠 수 있는 혈관 질환임을 보여줍니다.
독일 부퍼탈의 병리학자인 애커만 박사는 “몸을 관통해 모든 혈관을 정렬하면 적도 둘레 거리의 두 배인 6만~7만 마일이 나온다”고 말했다..그는 이 혈관의 1%만 바이러스의 공격을 받으면 혈류와 산소 흡수 능력이 손상되어 장기 전체에 치명적인 결과를 초래할 수 있다고 덧붙였다.
Jonigk와 Ackermann은 COVID-19가 혈관에 미치는 영향을 깨닫고 나서 손상을 더 잘 이해할 필요가 있음을 깨달았습니다.
CT 스캔과 같은 의료용 X-레이는 전체 장기를 볼 수 있지만 해상도가 충분히 높지 않습니다.생검을 통해 과학자들은 조직 샘플을 현미경으로 검사할 수 있지만 결과 이미지는 전체 장기의 작은 부분만을 나타내며 COVID-19가 폐에서 어떻게 발전하는지 보여줄 수 없습니다.그리고 팀이 개발한 수지 기술은 조직을 용해해야 하므로 샘플을 파괴하고 추가 연구를 제한합니다.
"하루가 끝나면 [폐]는 산소를 얻고 이산화탄소가 배출되지만 수천 마일의 혈관과 모세혈관이 매우 얇습니다. 거의 기적입니다."라고 설립자 Jonigk는 말했습니다. 독일 폐 연구 센터의 수석 연구원."그렇다면 어떻게 장기를 파괴하지 않고 코로나19처럼 복잡한 것을 평가할 수 있을까요?"
Jonigk와 Ackermann은 전례 없는 무언가가 필요했습니다. 연구원들이 장기의 일부를 세포 규모로 확대할 수 있도록 동일한 장기의 일련의 X-레이가 필요했습니다.2020년 3월, 독일 듀오는 오랜 협력자이자 UCL의 신기술 책임자이자 재료 과학자인 Peter Lee에게 연락했습니다.이 교수의 전공은 강력한 X선을 이용한 생체재료 연구이기 때문에 그의 생각은 단번에 프랑스 알프스로 향했다.
유럽 ​​싱크로트론 방사선 센터는 두 개의 강이 만나는 그르노블 북서부의 삼각형 땅에 위치하고 있습니다.물체는 거의 빛의 속도로 0.5마일 길이의 원형 궤도로 전자를 보내는 입자 가속기입니다.이러한 전자가 원을 그리며 회전할 때 궤도에 있는 강력한 자석이 입자 흐름을 휘게 하여 전자가 세계에서 가장 밝은 X선을 방출하도록 합니다.
이 강력한 방사선을 통해 ESRF는 마이크로미터 또는 나노미터 규모의 물체를 감시할 수 있습니다.합금, 합성물 등의 물질 연구, 단백질의 분자 구조 연구, 심지어 뼈와 돌을 분리하지 않고 고대 화석을 재구성하는 데 자주 사용된다.Ackermann, Jonigk 및 Lee는 거대한 장비를 사용하여 세계에서 가장 상세한 인간 장기 X-레이를 촬영하기를 원했습니다.
ESRF에서 일하면서 싱크로트론 스캐닝이 볼 수 있는 범위를 넓힌 Taforo를 입력하십시오.인상적인 일련의 기술 덕분에 과학자들은 이전에 공룡 알 내부를 들여다보고 미라를 거의 절개할 뻔했으며 거의 ​​즉시 Taforo는 싱크로트론이 이론적으로 전체 폐엽을 잘 스캔할 수 있음을 확인했습니다.그러나 실제로 전체 인간 장기를 스캔하는 것은 큰 도전입니다.
한편으로는 비교의 문제가 있다.표준 X-선은 다양한 물질이 흡수하는 방사선의 양에 따라 이미지를 생성하며, 무거운 요소는 가벼운 요소보다 더 많이 흡수합니다.연조직은 대부분 가벼운 원소(탄소, 수소, 산소 등)로 구성되어 있기 때문에 고전적인 의료용 엑스레이에는 명확하게 나타나지 않습니다.
ESRF의 가장 큰 장점 중 하나는 X선 빔이 매우 일관성이 있다는 것입니다. 빛은 파동으로 이동하고 ESRF의 경우 모든 X선은 동일한 주파수와 정렬에서 시작하여 발자국처럼 지속적으로 진동합니다. 선 정원을 통해 Reik에 의해.그러나 이러한 X-선이 물체를 통과함에 따라 밀도의 미묘한 차이로 인해 각 X-선이 경로에서 약간 벗어날 수 있으며 X-선이 물체에서 멀어짐에 따라 차이를 감지하기가 더 쉬워집니다.이러한 편차는 개체가 가벼운 요소로 구성된 경우에도 개체 내의 미묘한 밀도 차이를 나타낼 수 있습니다.
그러나 안정성은 또 다른 문제입니다.확대 엑스레이를 연속 촬영하기 위해서는 장기가 1/1000밀리미터 이상 휘거나 움직이지 않도록 자연스러운 형태로 고정되어야 합니다.더욱이, 동일한 기관의 연속적인 엑스레이는 서로 일치하지 않습니다.그러나 말할 필요도 없이 신체는 매우 유연할 수 있습니다.
Lee와 UCL의 그의 팀은 싱크로트론 X-선을 견딜 수 있으면서도 가능한 한 많은 파동을 통과시킬 수 있는 컨테이너를 설계하는 것을 목표로 했습니다.Lee는 또한 독일과 프랑스 사이의 인간 장기 운송 세부 사항과 같은 프로젝트의 전반적인 구성을 처리하고 스캔 분석 방법을 파악하는 데 도움을 주기 위해 생물 의학 빅 데이터를 전문으로 하는 Walsh를 고용했습니다.프랑스로 돌아가서 Taforo의 작업에는 스캐닝 절차를 개선하고 Lee의 팀이 만들고 있는 컨테이너에 장기를 보관하는 방법을 알아내는 것이 포함되었습니다.
Tafforo는 장기가 분해되지 않고 이미지가 가능한 한 선명해지려면 여러 부분의 수성 에탄올로 처리해야 한다는 것을 알고 있었습니다.그는 또한 장기의 밀도와 정확히 일치하는 무언가로 장기를 안정화해야 한다는 것도 알고 있었습니다.그의 계획은 해초에서 추출한 젤리 같은 물질인 에탄올이 풍부한 한천에 어떻게든 장기를 넣는 것이었습니다.
그러나 악마는 세부 사항에 있습니다. 대부분의 유럽에서와 마찬가지로 Taforo는 집에 갇혀 갇혀 있습니다.그래서 Taforo는 자신의 연구를 가정 연구실로 옮겼습니다. 그는 3D 프린터, 기본 화학 장비 및 해부학 연구를 위해 동물 뼈를 준비하는 데 사용되는 도구로 이전 중간 크기의 주방을 장식하는 데 수년을 보냈습니다.
Taforo는 지역 식료품점의 제품을 사용하여 한천을 만드는 방법을 알아냈습니다.그는 실험실 등급 한천 제조법의 표준 성분인 탈염수를 만들기 위해 최근에 청소한 지붕에서 빗물을 모으기도 합니다.한천에 내장을 포장하는 연습을 하기 위해 그는 지역 도살장에서 돼지 내장을 가져왔습니다.
Taforo는 돼지의 첫 번째 테스트 폐 스캔을 위해 5월 중순에 ESRF로 복귀하도록 승인되었습니다.5월부터 6월까지 그는 Ackermann과 Jonig가 독일에서 Grenoble로 가져간 COVID-19로 사망한 54세 남성의 왼쪽 폐엽을 준비하고 스캔했습니다.
"첫 번째 이미지를 보았을 때 프로젝트에 관련된 모든 사람에게 보낸 이메일에 사과 편지가 있었습니다. 우리는 실패했고 고품질 스캔을 얻을 수 없었습니다."라고 그는 말했습니다.“저에게는 끔찍하지만 그들에게는 좋은 사진 두 장을 방금 보냈습니다.”
로스엔젤레스에 있는 캘리포니아 대학교의 Lee에게 이미지는 놀랍습니다. 전체 장기 이미지는 표준 의료용 CT 스캔과 유사하지만 "100만 배 더 많은 정보를 제공합니다."마치 탐험가가 거대한 제트기를 타고 숲 위를 날거나 오솔길을 따라 여행하면서 평생 숲을 연구해온 것과 같습니다.이제 그들은 날개 달린 새처럼 캐노피 위로 날아갑니다.
팀은 2021년 11월에 HiP-CT 접근법에 대한 첫 번째 전체 설명을 발표했으며 연구원들은 COVID-19가 폐의 특정 유형의 순환에 어떤 영향을 미치는지에 대한 세부 정보도 공개했습니다.
이 스캔은 또한 예상치 못한 이점이 있었습니다. 연구원들이 친구와 가족이 예방 접종을 받도록 설득하는 데 도움이 되었습니다.COVID-19의 중증 사례에서는 폐의 많은 혈관이 확장되고 부은 것처럼 보이며, 정도는 덜하지만 작은 혈관의 비정상적인 다발이 형성될 수 있습니다.
"COVID로 사망한 사람의 폐 구조를 보면 폐처럼 보이지 않습니다. 엉망입니다."라고 Tafolo는 말했습니다.
그는 건강한 장기에서도 스캔 결과 미묘한 해부학적 특징이 드러났는데, 인간 장기가 그렇게 자세하게 검사된 적이 없었기 때문입니다.HiP-CT 팀은 Chan Zuckerberg Initiative(Facebook CEO Mark Zuckerberg와 Zuckerberg의 아내인 의사 Priscilla Chan이 설립한 비영리 단체)로부터 100만 달러 이상의 자금을 지원받아 현재 인간 장기의 지도를 만들고 있습니다.
지금까지 팀은 Ackermann과 Jonigk가 독일에서 COVID-19 부검 중에 기증한 장기와 건강 "통제" 기관인 LADAF를 기반으로 심장, 뇌, 신장, 폐, 비장 등 5개 장기에 대한 스캔을 발표했습니다.그르노블의 해부학 실험실.팀은 인터넷에서 무료로 사용할 수 있는 데이터를 기반으로 데이터와 비행 영상을 제작했습니다.인체 장기 지도는 빠르게 확장되고 있습니다. 또 다른 30개의 장기가 스캔되었으며 다른 80개는 다양한 준비 단계에 있습니다.거의 40개의 서로 다른 연구 그룹이 접근 방식에 대해 자세히 알아보기 위해 팀에 연락했다고 Li는 말했습니다.
UCL 심장전문의 Cook은 HiP-CT를 사용하여 기본 해부학을 이해하는 데 큰 잠재력을 보고 있습니다.폐 질환을 전문으로 하는 UCL 방사선과 의사인 Joe Jacob은 HiP-CT가 특히 혈관과 같은 3차원 구조에서 "질병을 이해하는 데 매우 중요"할 것이라고 말했습니다.
예술가들도 싸움에 끼어들었다.런던에 기반을 둔 체험 예술 집단인 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, Walsh는 HiP-CT 스캔이 "엄청난 양의 데이터"를 생성한다고 말하며, 기관당 쉽게 테라바이트를 생성합니다.임상의가 실제 세계에서 이러한 스캔을 사용할 수 있도록 하기 위해 연구자들은 인체에 대한 Google 지도와 같은 탐색을 위한 클라우드 기반 인터페이스를 개발하기를 희망합니다.
또한 스캔을 실행 가능한 3D 모델로 쉽게 변환할 수 있어야 했습니다.모든 CT 스캔 방법과 마찬가지로 HiP-CT는 주어진 개체의 많은 2D 슬라이스를 가져와 함께 쌓아서 작동합니다.오늘날에도 이 프로세스의 대부분은 특히 비정상적이거나 질병이 있는 조직을 스캔할 때 수동으로 수행됩니다.Lee와 Walsh는 HiP-CT 팀의 우선 순위가 이 작업을 더 쉽게 만들 수 있는 기계 학습 방법을 개발하는 것이라고 말합니다.
이러한 과제는 인간 장기 지도가 확장되고 연구자들이 더 야심차게 됨에 따라 확장될 것입니다.HiP-CT 팀은 BM18이라는 최신 ESRF 빔 장치를 사용하여 프로젝트 장기 스캔을 계속하고 있습니다.BM18은 더 큰 X선 빔을 생성하므로 스캔 시간이 단축되며 BM18 X선 검출기는 스캔 중인 물체에서 최대 125피트(38미터) 떨어진 곳에 배치할 수 있어 더 선명하게 스캔할 수 있습니다.BM18 결과는 이미 매우 훌륭하다고 새로운 시스템에서 원래의 Human Organ Atlas 샘플 중 일부를 재스캔한 Taforo는 말합니다.
BM18은 매우 큰 물체도 스캔할 수 있습니다.새로운 시설을 통해 팀은 2023년 말까지 인체의 몸통 전체를 한 번에 스캔할 계획입니다.
기술의 엄청난 잠재력을 탐구하면서 Taforo는 "우리는 정말 시작에 불과합니다."라고 말했습니다.
© 2015-2022 내셔널 지오그래픽 파트너스, LLC.판권 소유.