تنتج تقنية المسح الجديدة صورًا ذات تفاصيل رائعة يمكن أن تحدث ثورة في دراسة التشريح البشري.
عندما رأى بول تافورو صوره التجريبية الأولى لضحايا الضوء من كوفيد-19، اعتقد أنه فشل.بصفته عالم حفريات من خلال التدريب، أمضى تافورو أشهرًا في العمل مع فرق في جميع أنحاء أوروبا لتحويل مسرعات الجسيمات في جبال الألب الفرنسية إلى أدوات مسح طبية ثورية.
كان ذلك في نهاية مايو 2020، وكان العلماء حريصين على فهم أفضل لكيفية تدمير كوفيد-19 للأعضاء البشرية.تم تكليف تافورو بتطوير طريقة يمكنها استخدام الأشعة السينية عالية الطاقة التي ينتجها مرفق الإشعاع السنكروتروني الأوروبي (ESRF) في غرونوبل، فرنسا.وباعتباره عالمًا في ESRF، فقد تجاوز حدود الأشعة السينية عالية الدقة للحفريات الصخرية والمومياوات المجففة.الآن أصبح مرعوبًا من كتلة المناشف الورقية الناعمة واللزجة.
وأظهرت لهم الصور تفاصيل أكثر من أي فحص طبي مقطعي رأوه من قبل، مما سمح لهم بالتغلب على الفجوات العنيدة في كيفية تصور العلماء والأطباء للأعضاء البشرية وفهمها."في كتب علم التشريح، عندما تراها، فهي واسعة النطاق، صغيرة الحجم، وهي صور جميلة مرسومة باليد لسبب واحد: إنها تفسيرات فنية لأننا لا نملك صورًا،" جامعة كلية لندن (UCL) ) قال..وقالت الباحثة الكبيرة كلير والش."لأول مرة يمكننا أن نفعل الشيء الحقيقي."
يعد تافورو وولش جزءًا من فريق دولي يضم أكثر من 30 باحثًا قاموا بإنشاء تقنية قوية جديدة للمسح بالأشعة السينية تسمى التصوير المقطعي ذو الطور الهرمي (HiP-CT).ومن خلاله، يمكنهم أخيرًا الانتقال من عضو بشري كامل إلى رؤية مكبرة لأصغر الأوعية الدموية في الجسم أو حتى الخلايا الفردية.
توفر هذه الطريقة بالفعل رؤية جديدة حول كيفية إتلاف فيروس كورونا وإعادة تشكيل الأوعية الدموية في الرئتين.على الرغم من صعوبة تحديد آفاقه على المدى الطويل لأنه لم يكن هناك شيء مثل HiP-CT من قبل، إلا أن الباحثين المتحمسين لإمكاناته يتصورون بحماس طرقًا جديدة لفهم المرض ورسم خريطة التشريح البشري باستخدام خريطة طبوغرافية أكثر دقة.
وقال أندرو كوك، طبيب القلب في كلية لندن الجامعية: “قد يفاجأ معظم الناس أننا ندرس تشريح القلب منذ مئات السنين، ولكن لا يوجد إجماع على البنية الطبيعية للقلب، وخاصة القلب… خلايا العضلات وكيف تتغير”. عندما ينبض القلب."
وقال: "لقد كنت أنتظر طوال حياتي المهنية".
بدأت تقنية HiP-CT عندما تنافس اثنان من علماء الأمراض الألمان لتتبع الآثار العقابية لفيروس SARS-CoV-2 على جسم الإنسان.
كان داني جونيجك، أخصائي أمراض الصدر في كلية الطب في هانوفر، وماكسيميليان أكرمان، أخصائي علم الأمراض في المركز الطبي الجامعي ماينز، في حالة تأهب قصوى مع بدء انتشار أخبار الحالة غير العادية للالتهاب الرئوي في الصين.كان كلاهما يتمتعان بخبرة في علاج أمراض الرئة وأدركا على الفور أن مرض كوفيد-19 كان أمرًا غير معتاد.كان الزوجان قلقين بشكل خاص بشأن التقارير عن “نقص الأكسجة الصامت” الذي أبقى مرضى كوفيد-19 مستيقظين ولكنه تسبب في انخفاض مستويات الأكسجين في الدم لديهم.
يشتبه أكرمان وجونيغ في أن فيروس SARS-CoV-2 يهاجم بطريقة ما الأوعية الدموية في الرئتين.وعندما انتشر المرض إلى ألمانيا في مارس 2020، بدأ الزوجان في تشريح جثث ضحايا كوفيد-19.وسرعان ما اختبروا فرضيتهم المتعلقة بالأوعية الدموية عن طريق حقن الراتنج في عينات الأنسجة ثم إذابة الأنسجة في الحمض، تاركين نموذجًا دقيقًا للأوعية الدموية الأصلية.
باستخدام هذه التقنية، قارن أكرمان وجونيجيك أنسجة الأشخاص الذين لم يموتوا بسبب كوفيد-19 مع أنسجة الأشخاص الذين ماتوا بسبب كوفيد-19.لقد رأوا على الفور أنه في ضحايا كوفيد-19، كانت أصغر الأوعية الدموية في الرئتين ملتوية وأعيد بناؤها.تُظهر هذه النتائج التاريخية، التي نُشرت عبر الإنترنت في مايو 2020، أن كوفيد-19 ليس مرضًا تنفسيًا بشكل صارم، ولكنه مرض وعائي يمكن أن يؤثر على الأعضاء في جميع أنحاء الجسم.
وقال أكرمان، عالم الأمراض من فوبرتال بألمانيا: "إذا مررت عبر الجسم وقمت بمحاذاة جميع الأوعية الدموية، فستحصل على ما بين 60 ألف إلى 70 ألف ميل، وهو ضعف المسافة حول خط الاستواء"..وأضاف أنه إذا تعرض 1% فقط من هذه الأوعية الدموية لهجوم الفيروس، فإن تدفق الدم والقدرة على امتصاص الأكسجين سيتأثران، مما قد يؤدي إلى عواقب مدمرة على العضو بأكمله.
بمجرد أن أدرك جونيجك وأكرمان تأثير كوفيد-19 على الأوعية الدموية، أدركا أنهما بحاجة إلى فهم الضرر بشكل أفضل.
يمكن للأشعة السينية الطبية، مثل الأشعة المقطعية، أن توفر رؤية للأعضاء بأكملها، ولكنها ليست ذات دقة عالية بما فيه الكفاية.تسمح الخزعة للعلماء بفحص عينات الأنسجة تحت المجهر، لكن الصور الناتجة لا تمثل سوى جزء صغير من العضو بأكمله ولا يمكنها إظهار كيفية تطور كوفيد-19 في الرئتين.وتتطلب تقنية الراتنج التي طورها الفريق إذابة الأنسجة، مما يدمر العينة ويحد من إجراء المزيد من الأبحاث.
قال جونيجك، المؤسس: "في نهاية اليوم، تحصل [الرئتان] على الأكسجين ويخرج ثاني أكسيد الكربون، ولكن لهذا السبب، تحتوي على آلاف الأميال من الأوعية الدموية والشعيرات الدموية، متباعدة بشكل ضئيل جدًا ... إنها تقريبًا معجزة". باحث رئيسي في مركز أبحاث الرئة الألماني."فكيف يمكننا حقًا تقييم شيء معقد مثل كوفيد-19 دون تدمير الأعضاء؟"
احتاج جونيجك وأكرمان إلى شيء غير مسبوق: سلسلة من الأشعة السينية لنفس العضو، مما يسمح للباحثين بتكبير أجزاء من العضو إلى النطاق الخلوي.في مارس 2020، اتصل الثنائي الألماني بمتعاونهما منذ فترة طويلة بيتر لي، عالم المواد ورئيس قسم التقنيات الناشئة في جامعة كاليفورنيا.تخصص لي هو دراسة المواد البيولوجية باستخدام الأشعة السينية القوية، لذلك تحولت أفكاره على الفور إلى جبال الألب الفرنسية.
يقع المركز الأوروبي للإشعاع السنكروتروني على قطعة أرض مثلثة الشكل في الجزء الشمالي الغربي من غرونوبل، حيث يلتقي نهران.والجسم عبارة عن معجل للجسيمات يرسل الإلكترونات في مدارات دائرية يبلغ طولها نصف ميل بسرعة تقارب سرعة الضوء.وبينما تدور هذه الإلكترونات في دوائر، تقوم المغناطيسات القوية الموجودة في المدار بتشويه تيار الجسيمات، مما يتسبب في إصدار الإلكترونات لبعض من ألمع الأشعة السينية في العالم.
يسمح هذا الإشعاع القوي لـ ESRF بالتجسس على الأشياء ذات الميكرومتر أو حتى مقياس النانومتر.غالبًا ما يتم استخدامه لدراسة مواد مثل السبائك والمواد المركبة، لدراسة التركيب الجزيئي للبروتينات، وحتى لإعادة بناء الحفريات القديمة دون فصل الحجر عن العظام.أراد أكرمان وجونيجيك ولي استخدام الأداة العملاقة لالتقاط صور الأشعة السينية الأكثر تفصيلاً في العالم للأعضاء البشرية.
أدخل تافورو، الذي تجاوز عمله في ESRF حدود ما يمكن أن يراه المسح السنكروتروني.وقد سمحت مجموعة حيلها المثيرة للإعجاب في السابق للعلماء بالنظر داخل بيض الديناصورات وتقريبًا إلى قطع المومياوات المفتوحة، وأكد تافورو على الفور تقريبًا أن السنكروترونات يمكنها نظريًا مسح فصوص الرئة بأكملها جيدًا.لكن في الواقع، يعد فحص الأعضاء البشرية بأكملها تحديًا كبيرًا.
فمن ناحية، هناك مشكلة المقارنة.تقوم الأشعة السينية القياسية بإنشاء صور بناءً على مقدار الإشعاع الذي تمتصه المواد المختلفة، حيث تمتص العناصر الأثقل أكثر من العناصر الأخف.تتكون الأنسجة الرخوة في الغالب من عناصر خفيفة مثل الكربون والهيدروجين والأكسجين وما إلى ذلك، لذلك لا تظهر بوضوح في الأشعة السينية الطبية التقليدية.
أحد الأشياء الرائعة في ESRF هو أن شعاع الأشعة السينية الخاص به متماسك للغاية: ينتقل الضوء في موجات، وفي حالة ESRF، تبدأ جميع الأشعة السينية بنفس التردد والمحاذاة، وتتأرجح باستمرار، مثل آثار الأقدام المتبقية بواسطة ريك من خلال حديقة زن.ولكن عندما تمر هذه الأشعة السينية عبر الجسم، فإن الاختلافات الدقيقة في الكثافة يمكن أن تتسبب في انحراف كل أشعة سينية قليلاً عن المسار، ويصبح اكتشاف الفرق أسهل عندما تتحرك الأشعة السينية بعيدًا عن الجسم.يمكن لهذه الانحرافات أن تكشف عن اختلافات دقيقة في الكثافة داخل الجسم، حتى لو كان مكونًا من عناصر ضوئية.
لكن الاستقرار مسألة أخرى.ومن أجل التقاط سلسلة من الأشعة السينية المكبرة، يجب تثبيت العضو في شكله الطبيعي بحيث لا ينحني أو يتحرك أكثر من جزء من الألف من المليمتر.علاوة على ذلك، فإن الأشعة السينية المتتالية لنفس العضو لن تتطابق مع بعضها البعض.وغني عن القول أن الجسم يمكن أن يكون مرنًا جدًا.
كان لي وفريقه في جامعة كاليفورنيا يهدفون إلى تصميم حاويات يمكنها تحمل الأشعة السينية السنكروترونية مع السماح لأكبر عدد ممكن من الموجات بالمرور.كما تولى لي أيضًا التنظيم العام للمشروع - على سبيل المثال، تفاصيل نقل الأعضاء البشرية بين ألمانيا وفرنسا - وقام بتعيين والش، المتخصص في البيانات الطبية الحيوية الضخمة، للمساعدة في معرفة كيفية تحليل عمليات المسح.بالعودة إلى فرنسا، تضمن عمل تافورو تحسين إجراءات المسح ومعرفة كيفية تخزين العضو في الحاوية التي كان فريق لي يبنيها.
عرف تافورو أنه لكي لا تتحلل الأعضاء، وتكون الصور واضحة قدر الإمكان، يجب معالجتها بعدة أجزاء من الإيثانول المائي.كان يعلم أيضًا أنه بحاجة إلى تثبيت العضو على شيء يتوافق تمامًا مع كثافة العضو.كانت خطته تتمثل في وضع الأعضاء بطريقة ما في أجار غني بالإيثانول، وهي مادة تشبه الهلام مستخرجة من الأعشاب البحرية.
ومع ذلك، فإن الشيطان يكمن في التفاصيل - كما هو الحال في معظم أنحاء أوروبا، يظل تافورو عالقًا في المنزل ومحبوسًا.لذلك نقل تافورو أبحاثه إلى معمل منزلي: فقد أمضى سنوات في تزيين مطبخ سابق متوسط ​​الحجم بطابعات ثلاثية الأبعاد ومعدات كيميائية أساسية وأدوات تستخدم لإعداد عظام الحيوانات للأبحاث التشريحية.
استخدم تافورو منتجات من متجر البقالة المحلي لمعرفة كيفية صنع الآجار.حتى أنه يجمع مياه الأمطار من سطح قام بتنظيفه مؤخرًا لصنع مياه منزوعة المعادن، وهي مكون قياسي في تركيبات الآجار المختبرية.ولممارسة تعبئة الأعضاء في الآجار، أخذ أمعاء الخنازير من مسلخ محلي.
تمت الموافقة على عودة تافورو إلى ESRF في منتصف شهر مايو لإجراء أول فحص لرئة الخنازير.وفي الفترة من مايو إلى يونيو، قام بإعداد وفحص الفص الرئوي الأيسر لرجل يبلغ من العمر 54 عامًا توفي بسبب كوفيد-19، والذي أخذه أكرمان وجونيغ من ألمانيا إلى غرونوبل.
وقال: "عندما رأيت الصورة الأولى، كانت هناك رسالة اعتذار في بريدي الإلكتروني لجميع المشاركين في المشروع: لقد فشلنا ولم أتمكن من الحصول على مسح عالي الجودة"."لقد أرسلت لهم للتو صورتين كانتا فظيعتين بالنسبة لي ولكنهما رائعتان بالنسبة لهما."
بالنسبة للي، من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس، فإن الصور مذهلة: صور الأعضاء الكاملة تشبه صور الأشعة المقطعية الطبية القياسية، ولكنها "أكثر إفادة بمليون مرة".يبدو الأمر كما لو أن المستكشف كان يدرس الغابة طوال حياته، إما بالطيران فوق الغابة بطائرة نفاثة عملاقة، أو بالسفر على طول الطريق.الآن يرتفعون فوق المظلة مثل الطيور على أجنحتها.
نشر الفريق أول وصف كامل لنهج HiP-CT في نوفمبر 2021، وأصدر الباحثون أيضًا تفاصيل حول كيفية تأثير كوفيد-19 على أنواع معينة من الدورة الدموية في الرئتين.
كان للفحص أيضًا فائدة غير متوقعة: فقد ساعد الباحثين على إقناع الأصدقاء والعائلة بالحصول على التطعيم.في الحالات الشديدة من كوفيد-19، تبدو العديد من الأوعية الدموية في الرئتين متوسعة ومنتفخة، وبدرجة أقل، قد تتشكل حزم غير طبيعية من الأوعية الدموية الصغيرة.
قال تافولو: “عندما تنظر إلى بنية الرئة لدى شخص مات بسبب كوفيد-19، فإنها لا تبدو كالرئة – إنها فوضى”.
وأضاف أنه حتى في الأعضاء السليمة، كشفت عمليات المسح عن سمات تشريحية دقيقة لم يتم تسجيلها مطلقًا لأنه لم يتم فحص أي عضو بشري بمثل هذه التفاصيل من قبل.بتمويل يزيد عن مليون دولار من مبادرة تشان زوكربيرج (وهي منظمة غير ربحية أسسها الرئيس التنفيذي لشركة فيسبوك مارك زوكربيرج وزوجة زوكربيرج، الطبيبة بريسيلا تشان)، يقوم فريق HiP-CT حاليًا بإنشاء ما يسمى بأطلس الأعضاء البشرية.
حتى الآن، أصدر الفريق فحوصات لخمسة أعضاء - القلب والدماغ والكلى والرئتين والطحال - بناءً على الأعضاء التي تبرع بها أكرمان وجونيجيك أثناء تشريح جثة كوفيد-19 في ألمانيا وعضو "التحكم" الصحي LADAF.المختبر التشريحي في غرونوبل.أنتج الفريق البيانات، بالإضافة إلى أفلام الرحلة، بناءً على البيانات المتاحة مجانًا على الإنترنت.يتوسع أطلس الأعضاء البشرية بسرعة: تم فحص 30 عضوًا آخر، وهناك 80 عضوًا آخر في مراحل مختلفة من الإعداد.وقال لي إن ما يقرب من 40 مجموعة بحثية مختلفة اتصلت بالفريق لمعرفة المزيد عن هذا النهج.
يرى كوك، طبيب القلب في UCL، إمكانية كبيرة في استخدام HiP-CT لفهم علم التشريح الأساسي.وقال جو جاكوب، اختصاصي الأشعة في كلية لندن الجامعية، والمتخصص في أمراض الرئة، إن HiP-CT سيكون "لا يقدر بثمن لفهم المرض"، خاصة في الهياكل ثلاثية الأبعاد مثل الأوعية الدموية.
حتى الفنانين دخلوا في المعركة.يقول بارني ستيل، من مجموعة Marshmallow Laser Feast للفنون التجريبية ومقرها لندن، إنه يبحث بنشاط في كيفية استكشاف بيانات HiP-CT في الواقع الافتراضي الغامر.وقال: "في الأساس، نحن نخلق رحلة عبر جسم الإنسان".
ولكن على الرغم من كل الوعود التي يقدمها HiP-CT، إلا أن هناك مشاكل خطيرة.أولاً، كما يقول والش، يولد فحص HiP-CT "كمية مذهلة من البيانات"، تصل بسهولة إلى تيرابايت لكل عضو.وللسماح للأطباء باستخدام هذه الفحوصات في العالم الحقيقي، يأمل الباحثون في تطوير واجهة سحابية للتنقل فيها، مثل خرائط جوجل لجسم الإنسان.
وكانوا بحاجة أيضًا إلى تسهيل تحويل عمليات المسح إلى نماذج ثلاثية الأبعاد قابلة للتطبيق.مثل جميع طرق التصوير المقطعي المحوسب، يعمل HiP-CT عن طريق أخذ العديد من الشرائح ثنائية الأبعاد لكائن معين وتجميعها معًا.وحتى اليوم، يتم إجراء الكثير من هذه العملية يدويًا، خاصة عند فحص الأنسجة غير الطبيعية أو المريضة.يقول لي وولش إن أولوية فريق HiP-CT هي تطوير أساليب التعلم الآلي التي يمكن أن تجعل هذه المهمة أسهل.
وسوف تتسع هذه التحديات مع اتساع أطلس الأعضاء البشرية وزيادة طموح الباحثين.يستخدم فريق HiP-CT أحدث جهاز شعاع ESRF، المسمى BM18، لمواصلة مسح أعضاء المشروع.ينتج جهاز BM18 شعاعًا أكبر من الأشعة السينية، مما يعني أن المسح يستغرق وقتًا أقل، ويمكن وضع كاشف الأشعة السينية BM18 على مسافة تصل إلى 125 قدمًا (38 مترًا) من الكائن الذي يتم مسحه، مما يجعله مسحًا أكثر وضوحًا.يقول تافورو، الذي أعاد فحص بعض عينات أطلس الأعضاء البشرية الأصلية على النظام الجديد، إن نتائج BM18 جيدة جدًا بالفعل.
يمكن لـ BM18 أيضًا مسح الأجسام الكبيرة جدًا.ومن خلال المنشأة الجديدة، يخطط الفريق لمسح جذع الجسم البشري بالكامل بضربة واحدة بحلول نهاية عام 2023.
وفي معرض استكشاف الإمكانات الهائلة لهذه التكنولوجيا، قال تافورو: "نحن في الحقيقة في البداية فقط".
© 2015-2022 ناشيونال جيوغرافيك بارتنرز، ذ.م.م.كل الحقوق محفوظة.