นักวิทยาศาสตร์จาก UCL และ European Synchrotron Research Facility (ESRF) ใช้เทคโนโลยีการถ่ายภาพแบบใหม่ที่เรียกว่า Hierarchical Phase-Contrast Tomography (HiP-CT) เพื่อสแกนอวัยวะของมนุษย์ที่ได้รับบริจาค รวมถึงปอดจากผู้บริจาค Covid-19

HiP-CT ช่วยให้สามารถทำแผนที่ 3 มิติได้ในหลายระดับ ทำให้แพทย์สามารถดูอวัยวะทั้งหมดได้อย่างที่ไม่เคยมีมาก่อนด้วยการถ่ายภาพอวัยวะโดยรวมแล้วซูมลงไปที่ระดับเซลล์

เทคนิคนี้ใช้รังสีเอกซ์ที่จัดหาโดย European Synchrotron (เครื่องเร่งอนุภาค) ในเมือง Grenoble ประเทศฝรั่งเศส ซึ่งภายหลังการอัปเกรด Extreme Brilliant Source ล่าสุด (ESRF-EBS) ได้ให้แหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ที่สว่างที่สุดในโลกที่ 100 พันล้าน สว่างกว่า X-ray ของโรงพยาบาลหลายเท่า

เนื่องจากความเฉลียวฉลาดที่เข้มข้นนี้ นักวิจัยจึงสามารถตรวจดูหลอดเลือดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 ไมครอน (หนึ่งในสิบของเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นผม) ในปอดของมนุษย์ที่ไม่บุบสลาย การสแกน CT ทางคลินิกจะแก้ไขเฉพาะหลอดเลือดที่มีขนาดใหญ่กว่าประมาณ 100 เท่า โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1 มม.

ดร.แคลร์ วอลช์ (UCL Mechanical Engineering) กล่าวว่า "ความสามารถในการมองเห็นอวัยวะข้ามตาชั่งเช่นนี้จะเป็นการปฏิวัติวงการภาพทางการแพทย์อย่างแท้จริง เมื่อเราเริ่มเชื่อมโยงภาพ HiP-CT กับภาพทางคลินิกด้วยเทคนิค AI เราจะ -- สำหรับ เป็นครั้งแรก -- สามารถตรวจสอบการค้นพบที่คลุมเครือได้อย่างแม่นยำในภาพทางคลินิก นอกจากนี้ การทำความเข้าใจกายวิภาคของมนุษย์ยังเป็นเทคนิคที่น่าตื่นเต้นอีกด้วย การที่สามารถมองเห็นโครงสร้างอวัยวะเล็กๆ ในแบบ 3 มิติในบริบทเชิงพื้นที่ที่ถูกต้องเป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจว่าร่างกายของเราเป็นอย่างไร มีโครงสร้างและวิธีการทำงาน”

ทีมวิจัยที่ใช้ HiP-CT ซึ่งรวมถึงแพทย์ในเยอรมนีและฝรั่งเศส ได้เห็นว่าการติดเชื้อโควิด-19 รุนแรงแค่ไหน "แบ่ง" เลือดระหว่างสองระบบที่แยกจากกัน นั่นคือเส้นเลือดฝอยที่ให้ออกซิเจนในเลือดและหลอดเลือดที่เลี้ยงเนื้อเยื่อปอดเอง . การเชื่อมโยงข้ามดังกล่าวจะหยุดเลือดของผู้ป่วยจากการได้รับออกซิเจนอย่างเหมาะสม ซึ่งก่อนหน้านี้มีการตั้งสมมติฐานแต่ไม่ได้รับการพิสูจน์

แพทยศาสตรบัณฑิต Maximilian Ackermann (University Medical Center Mainz) ผู้ใช้เทคนิคทางคลินิกกล่าวว่า: "ไม่นานหลังจากการระบาดทั่วโลกเริ่มต้นขึ้น เราได้แสดงให้เห็นว่า Covid-19 เป็นโรคเกี่ยวกับหลอดเลือดอย่างเป็นระบบโดยใช้การตรวจชิ้นเนื้อ (การถ่ายภาพด้วยแสงของเนื้อเยื่อ) และวิธีการทางโมเลกุล อย่างไรก็ตาม เทคนิคเหล่านี้ไม่ได้กล่าวถึงขอบเขตของการเปลี่ยนแปลงและการแข็งตัวของเลือดในหลอดเลือดที่ดีของปอดทั้งหมด”

Danny Jonigkศาสตราจารย์วิชาพยาธิวิทยาทรวงอก (Hannover Medical School, Germany) กล่าวว่า "การรวมวิธีการระดับโมเลกุลของเราเข้ากับการถ่ายภาพหลายขนาดด้วย HiP-CT ในปอดที่ได้รับผลกระทบจากโรคปอดบวมจาก COVID-19 เราจึงได้รับความเข้าใจใหม่ว่าหลอดเลือดใน ระบบหลอดเลือดทั้งสองของปอดเกิดขึ้นในปอดที่ได้รับบาดเจ็บจากโควิด-19 และผลกระทบที่มีต่อระดับออกซิเจนในระบบไหลเวียนโลหิตของเรา”

ดร.พอล แทฟโฟโร หัวหน้านักวิทยาศาสตร์ของ ESRF กล่าวว่า "แนวคิดในการพัฒนาเทคนิค HiP-CT ใหม่นี้เกิดขึ้นหลังจากการเริ่มต้นของการระบาดใหญ่ทั่วโลก โดยผสมผสานเทคนิคต่างๆ ที่ใช้ใน ESRF เพื่อสร้างภาพฟอสซิลขนาดใหญ่ ความไวของ Extreme Brilliant Source ใหม่ที่ ESRF, ESRF-EBS ซึ่งช่วยให้เรามองเห็นเส้นเลือดขนาดเล็กอย่างเหลือเชื่อภายในอวัยวะของมนุษย์ทั้งหมดในรูปแบบ 3 มิติ ทำให้เราสามารถแยกแยะความแตกต่างของหลอดเลือด 3 มิติจากเนื้อเยื่อรอบข้างและแม้กระทั่งการสังเกต เซลล์บางชนิดโดยเฉพาะ

"นี่เป็นความก้าวหน้าอย่างแท้จริง เนื่องจากอวัยวะของมนุษย์มีคอนทราสต์ต่ำและยากต่อการมองเห็นในรายละเอียดด้วยเทคนิคที่มีอยู่ในปัจจุบัน ESRF-EBS ทำให้เราเปลี่ยนจากการถอดรหัสความลับของฟอสซิลไปสู่การมองเห็นร่างกายมนุษย์อย่างที่ไม่เคยเป็นมาก่อน ."

การใช้ HiP-CT เพื่อสร้าง Human Organ Atlas

ด้วยการสนับสนุนจาก Chan Zuckerberg Initiative (CZI) ทีมงานที่นำโดย UCL กำลังใช้ HiP-CT ในการผลิต Human Organ Atlas ซึ่งเปิดตัวในวันนี้ ซึ่งจะแสดงอวัยวะควบคุมที่ได้รับบริจาค 6 ชิ้น ได้แก่ สมอง ปอด หัวใจ ไต 2 ข้างและม้าม 1 ตัว และปอดของผู้ป่วยที่เสียชีวิตจากโควิด-19 นอกจากนี้ยังมีการตรวจชิ้นเนื้อปอดเพื่อควบคุมและการตรวจชิ้นเนื้อปอดจากโควิด-19 Atlas จะเปิดให้บริการทางออนไลน์สำหรับศัลยแพทย์ แพทย์ และผู้สนใจทั่วไป

ศาสตราจารย์ปีเตอร์ ลี หัวหน้าโครงการ (UCL Mechanical Engineering) กล่าวว่า "Atlas ขยายขอบเขตการทำความเข้าใจเกี่ยวกับกายวิภาคของมนุษย์ที่เราสำรวจมาก่อนหน้านี้ได้ไม่ดี ซึ่งเป็นขนาดเซนติเมตรถึงไมครอนในอวัยวะที่ไม่บุบสลาย การสแกน CT และ MRI ทางคลินิกสามารถแก้ไขได้ด้านล่าง มิลลิเมตร ในขณะที่จุลกายวิภาค (ศึกษาเซลล์ / ชิ้นชิ้นเนื้อภายใต้กล้องจุลทรรศน์) กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (ซึ่งใช้ลำแสงอิเล็กตรอนเพื่อสร้างภาพ) และเทคนิคอื่นที่คล้ายคลึงกันแก้ไขโครงสร้างที่มีความแม่นยำระดับต่ำกว่าไมครอน แต่เฉพาะในเนื้อเยื่อชิ้นเล็ก ๆ จากอวัยวะ . HiP-CT เชื่อมโยงเครื่องชั่งเหล่านี้ในรูปแบบ 3 มิติ โดยสร้างภาพอวัยวะทั้งหมดเพื่อให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่ๆ เกี่ยวกับองค์ประกอบทางชีววิทยาของเรา"

ข้อมูลเชิงลึกสำหรับโรคและเงื่อนไขอื่น ๆ

นักวิจัยมั่นใจว่าการถ่ายภาพด้วยการขยายขนาดจากอวัยวะทั้งหมดจนถึงระดับเซลล์สามารถให้ข้อมูลเชิงลึกเพิ่มเติมเกี่ยวกับโรคต่างๆ เช่น มะเร็งหรือโรคอัลไซเมอร์

แพทย์ Willi Wagner นักรังสีวิทยาที่โรงพยาบาลมหาวิทยาลัยในไฮเดลเบิร์กกล่าวว่า "HiP-CT กำลังเติมช่องว่างการถ่ายภาพขนาดใหญ่ในการแพทย์ของมนุษย์: การถ่ายภาพทางคลินิกให้ข้อมูล 3 มิติของร่างกายและอวัยวะ แต่ถูก จำกัด ไว้ที่ระดับรวม ในทางกลับกันจุลพยาธิวิทยาให้ ภาพรายละเอียดเนื้อเยื่อและเซลล์ที่ได้จากอวัยวะชิ้นเล็ก ๆ โดยทั่วไปแล้วจะจำกัดอยู่ที่ช่องเล็กและสองมิติ HiP-CT กำลังเชื่อมโยงอวัยวะกับขนาดเนื้อเยื่อโดยเชื่อมโยงสาขาวิชารังสีวิทยาและพยาธิวิทยาทางคลินิกอย่างแน่นหนาและให้ภาพที่ไม่เคยเห็นมาก่อน ข้อมูลโครงสร้างของสถาปัตยกรรมเนื้อเยื่อ 3 มิติและรูปแบบโรค"

ผู้เขียนหวังว่า Human Organ Atlas จะมีห้องสมุดของโรคต่างๆ ที่ส่งผลต่ออวัยวะในระดับต่างๆ ตั้งแต่ 1 ถึง 100 ไมครอนไปจนถึงอวัยวะทั้งหมด เพื่อช่วยแพทย์ในการวินิจฉัยและรักษาโรคต่างๆ

ทีมงานยังหวังว่าจะใช้การเรียนรู้ของเครื่องและปัญญาประดิษฐ์ในการปรับเทียบการสแกน CT และ MRI ทางคลินิก ช่วยเพิ่มความเข้าใจในการถ่ายภาพทางคลินิก และช่วยให้วินิจฉัยได้เร็วและแม่นยำยิ่งขึ้น

งานนี้ได้รับการสนับสนุนจาก Chan Zuckerberg Initiative, ESRF, UK-MRC และ Royal Academy of Engineering การสนับสนุนเพิ่มเติมมาจากศูนย์วิจัยปอดแห่งเยอรมนี (DZL, BREATH), ERC, สำนักทะเบียนการชันสูตรพลิกศพของ COVID-19 ของเยอรมัน (DeRegCOVID), INSERM, University of Grenoble Alpes, Kidney Research UK, Rosetrees Trust, Wellcome Trust, GOSH และสำนักทะเบียนการชันสูตรพลิกศพของ COVID-19 ของเยอรมนี