تكشف ألمع الأشعة السينية في العالم الأضرار التي لحقت بالجسم من COVID-19

تنتج تقنية مسح جديدة صورًا بتفاصيل كبيرة يمكن أن تحدث ثورة في دراسة علم التشريح البشري.
عندما رأى بول تافورو صوره التجريبية الأولى لضحايا ضوء COVID-19 ، اعتقد أنه قد فشل.عالم الحفريات من خلال التدريب ، أمضى تافورو شهورًا 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 COVID-19 للأعضاء البشرية.تم تكليف شركة Taforo بتطوير طريقة يمكن أن تستخدم الأشعة السينية عالية الطاقة التي ينتجها مرفق الإشعاع السنكروتروني الأوروبي (ESRF) في غرونوبل بفرنسا.بصفته عالمًا في ESRF ، فقد دفع حدود الأشعة السينية عالية الدقة للحفريات الصخرية والمومياوات المجففة.الآن كان مرعوبًا من الكتلة الناعمة واللزجة من المناشف الورقية.
وأظهرت لهم الصور تفاصيل أكثر من أي فحص طبي بالأشعة المقطعية رأوه من قبل ، مما سمح لهم بالتغلب على الفجوات العنيدة في كيفية تصور العلماء والأطباء وفهمهم للأعضاء البشرية."في كتب التشريح ، عندما تراها ، فهي كبيرة الحجم ، وهي صغيرة الحجم ، وهي صور جميلة مرسومة باليد لسبب واحد: إنها تفسيرات فنية لأننا لا نملك صورًا ،" كلية لندن الجامعية (UCL) ) قال..قال كبير الباحثين كلير والش."لأول مرة يمكننا فعل الشيء الحقيقي."
يعد Taforo و Walsh جزءًا من فريق دولي يتكون من أكثر من 30 باحثًا ابتكروا تقنية جديدة قوية للمسح بالأشعة السينية تسمى التصوير المقطعي الهرمي (HiP-CT).باستخدامه ، يمكنهم أخيرًا الانتقال من عضو بشري كامل إلى عرض مكبّر لأصغر الأوعية الدموية في الجسم أو حتى الخلايا الفردية.
توفر هذه الطريقة بالفعل نظرة ثاقبة جديدة حول كيفية تلف COVID-19 وإعادة تشكيل الأوعية الدموية في الرئتين.على الرغم من صعوبة تحديد آفاقه على المدى الطويل لأنه لم يكن هناك شيء مثل HiP-CT موجود من قبل ، فإن الباحثين المتحمسين لإمكانياته يتصورون بحماس طرقًا جديدة لفهم المرض ورسم خريطة للتشريح البشري بخريطة طبوغرافية أكثر دقة.
قال أندرو كوك ، اختصاصي أمراض القلب في كلية لندن الجامعية: "قد يفاجأ معظم الناس بأننا ندرس تشريح القلب لمئات السنين ، ولكن لا يوجد إجماع على التركيب الطبيعي للقلب ، وخاصة القلب ... خلايا العضلات وكيف تتغير. عندما يدق القلب ".
قال: "لقد كنت أنتظر حياتي المهنية كلها".
بدأت تقنية HiP-CT عندما تنافس اثنان من علماء الأمراض الألمان لتتبع الآثار العقابية لفيروس SARS-CoV-2 على جسم الإنسان.
كان داني جونيك ، اختصاصي أمراض الصدر في كلية هانوفر الطبية ، وماكسيميليان أكرمان ، أخصائي علم الأمراض في المركز الطبي الجامعي في ماينز ، في حالة تأهب قصوى حيث بدأت أنباء حالة الالتهاب الرئوي غير العادية في الانتشار في الصين.كلاهما كان لديه خبرة في علاج أمراض الرئة وعرف على الفور أن COVID-19 كان غير معتاد.كان الزوجان قلقين بشكل خاص بشأن التقارير عن "نقص الأكسجين الصامت" الذي أبقى مرضى COVID-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.عندما انتشر المرض إلى ألمانيا في مارس 2020 ، بدأ الزوجان في تشريح جثث ضحايا COVID-19.سرعان ما اختبروا فرضيتهم الوعائية عن طريق حقن الراتنج في عينات الأنسجة ثم إذابة الأنسجة في الحمض ، تاركين نموذجًا دقيقًا للأوعية الدموية الأصلية.
باستخدام هذه التقنية ، قارن أكرمان وجونيك أنسجة الأشخاص الذين لم يموتوا بسبب COVID-19 بأنسجة الأشخاص الذين ماتوا.رأوا على الفور أنه في ضحايا COVID-19 ، تم التواء وإعادة بناء الأوعية الدموية الأصغر في الرئتين.تُظهر هذه النتائج البارزة ، التي نُشرت على الإنترنت في مايو 2020 ، أن COVID-19 ليس مرضًا تنفسيًا بشكل صارم ، ولكنه مرض الأوعية الدموية الذي يمكن أن يؤثر على أعضاء في جميع أنحاء الجسم.
قال أكرمان ، أخصائي علم الأمراض من فوبرتال بألمانيا: "إذا مررت عبر الجسم وقمت بمحاذاة جميع الأوعية الدموية ، فستحصل على 60.000 إلى 70.000 ميل ، وهو ضعف المسافة حول خط الاستواء"..وأضاف أنه إذا تعرض 1 في المائة فقط من هذه الأوعية الدموية لهجوم الفيروس ، فإن تدفق الدم والقدرة على امتصاص الأكسجين سيتأثران ، مما قد يؤدي إلى عواقب وخيمة على العضو بأكمله.
بمجرد أن أدرك Jonigk و Ackermann تأثير COVID-19 على الأوعية الدموية ، أدركا أنهما بحاجة إلى فهم الضرر بشكل أفضل.
يمكن أن توفر الأشعة السينية الطبية ، مثل التصوير المقطعي المحوسب ، صورًا لأعضاء كاملة ، لكنها ليست عالية الدقة بدرجة كافية.تسمح الخزعة للعلماء بفحص عينات الأنسجة تحت المجهر ، لكن الصور الناتجة لا تمثل سوى جزء صغير من العضو بأكمله ولا يمكنها إظهار كيفية تطور COVID-19 في الرئتين.وتتطلب تقنية الراتينج التي طورها الفريق إذابة الأنسجة ، مما يدمر العينة ويحد من إجراء المزيد من الأبحاث.
"في نهاية اليوم ، يخرج الأكسجين وثاني أكسيد الكربون من [الرئتين] ، ولكن من أجل ذلك ، لديها آلاف الأميال من الأوعية الدموية والشعيرات الدموية ، متباعدة جدًا ... إنها معجزة تقريبًا" ، قال Jonigk ، مؤسس الباحث الرئيسي في المركز الألماني لأبحاث الرئة."كيف يمكننا حقًا تقييم شيء معقد مثل COVID-19 دون تدمير الأعضاء؟"
احتاج Jonigk و Ackermann إلى شيء غير مسبوق: سلسلة من الأشعة السينية لنفس العضو من شأنها أن تسمح للباحثين بتوسيع أجزاء من العضو إلى النطاق الخلوي.في مارس 2020 ، اتصل الثنائي الألماني بمتعاونهما منذ فترة طويلة Peter Lee ، عالم المواد ورئيس التقنيات الناشئة في UCL.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 رقعة مثلثة من الأرض في الجزء الشمالي الغربي من غرونوبل ، حيث يلتقي نهرين.الجسم عبارة عن معجل جسيمات يرسل الإلكترونات في مدارات دائرية بطول نصف ميل بسرعة الضوء تقريبًا.بينما تدور هذه الإلكترونات في دوائر ، تعمل المغناطيسات القوية في المدار على تشويه تيار الجسيمات ، مما يتسبب في إصدار الإلكترونات لبعض من ألمع الأشعة السينية في العالم.
يسمح هذا الإشعاع القوي لـ ESRF بالتجسس على الأشياء الموجودة على مقياس الميكرومتر أو حتى مقياس النانومتر.غالبًا ما يستخدم لدراسة المواد مثل السبائك والمركبات ، لدراسة التركيب الجزيئي للبروتينات ، وحتى لإعادة بناء الحفريات القديمة دون فصل الحجر عن العظام.أراد أكرمان وجونيك ولي استخدام الأداة العملاقة لأخذ أكثر صور الأشعة السينية تفصيلاً في العالم للأعضاء البشرية.
أدخل Taforo ، الذي دفع عمله في ESRF حدود ما يمكن لمسح السنكروترون رؤيته.وقد سمحت مجموعة الحيل المثيرة للإعجاب للعلماء في السابق بالتحديق داخل بيض الديناصورات وتقريب المومياوات المفتوحة ، وأكد تافورو على الفور تقريبًا أن السنكروترونات يمكنها مسح فصوص الرئة بالكامل نظريًا جيدًا.لكن في الواقع ، يعد فحص أعضاء بشرية بأكملها تحديًا كبيرًا.
من ناحية أخرى ، هناك مشكلة المقارنة.تنشئ الأشعة السينية القياسية صورًا بناءً على مقدار الإشعاع الذي تمتصه المواد المختلفة ، مع امتصاص العناصر الثقيلة أكثر من العناصر الأخف.تتكون الأنسجة الرخوة في الغالب من عناصر ضوئية - كربون ، وهيدروجين ، وأكسجين ، وما إلى ذلك - لذلك لا تظهر بوضوح في الأشعة السينية الطبية التقليدية.
أحد الأشياء الرائعة في ESRF هو أن حزمة الأشعة السينية الخاصة به متماسكة للغاية: ينتقل الضوء في موجات ، وفي حالة ESRF ، تبدأ جميع الأشعة السينية بنفس التردد والمحاذاة ، وتتأرجح باستمرار ، مثل آثار الأقدام المتبقية بواسطة Reik من خلال حديقة zen.ولكن مع مرور هذه الأشعة السينية عبر الجسم ، يمكن أن تؤدي الاختلافات الطفيفة في الكثافة إلى انحراف كل أشعة سينية قليلاً عن المسار ، ويصبح من السهل اكتشاف الاختلاف حيث تتحرك الأشعة السينية بعيدًا عن الجسم.يمكن أن تكشف هذه الانحرافات عن اختلافات دقيقة في الكثافة داخل الكائن ، حتى لو كان مكونًا من عناصر ضوئية.
لكن الاستقرار قضية أخرى.لأخذ سلسلة من الأشعة السينية المتضخمة ، يجب تثبيت العضو في شكله الطبيعي بحيث لا ينحني أو يتحرك أكثر من جزء من ألف من المليمتر.علاوة على ذلك ، فإن الأشعة السينية المتتالية لنفس العضو لن تتطابق مع بعضها البعض.ومع ذلك ، لا داعي للقول إن الجسم يمكن أن يكون مرنًا للغاية.
يهدف لي وفريقه في جامعة كاليفورنيا إلى تصميم حاويات يمكنها تحمل أشعة السنكروترون السينية مع السماح بمرور أكبر عدد ممكن من الموجات.تعامل لي أيضًا مع التنظيم العام للمشروع - على سبيل المثال ، تفاصيل نقل الأعضاء البشرية بين ألمانيا وفرنسا - وعين 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 حتى 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 يتطابق تمامًا مع كثافة العضو.كانت خطته هي وضع الأعضاء بطريقة ما في أجار غني بالإيثانول ، وهي مادة تشبه الهلام تُستخرج من الأعشاب البحرية.
ومع ذلك ، فإن الشيطان يكمن في التفاصيل - كما هو الحال في معظم أنحاء أوروبا ، تافورو عالق في المنزل ومحبس.لذلك نقل تافورو بحثه إلى معمل منزلي: لقد أمضى سنوات في تزيين مطبخ متوسط ​​الحجم سابقًا بطابعات ثلاثية الأبعاد ، ومعدات كيميائية أساسية وأدوات مستخدمة لإعداد عظام الحيوانات لإجراء أبحاث تشريحية.
استخدمت Taforo منتجات من متجر البقالة المحلي لمعرفة كيفية صنع أجار.حتى أنه يجمع مياه الأمطار من سطح قام بتنظيفه مؤخرًا لصنع مياه منزوعة المعادن ، وهو مكون قياسي في تركيبات أجار في المختبر.للتدرب على تعبئة الأعضاء في أجار ، أخذ أمعاء الخنازير من مسلخ محلي.
تم السماح لـ Taforo بالعودة إلى ESRF في منتصف مايو لإجراء أول فحص للرئة من الخنازير.من مايو إلى يونيو ، قام بإعداد وفحص شحمة الرئة اليسرى لرجل يبلغ من العمر 54 عامًا توفي بسبب COVID-19 ، والذي نقله أكرمان وجونيغ من ألمانيا إلى غرونوبل.
قال: "عندما رأيت الصورة الأولى ، كان هناك خطاب اعتذار في رسالتي الإلكترونية إلى جميع المشاركين في المشروع: لقد فشلنا ولم أستطع الحصول على مسح ضوئي عالي الجودة"."لقد أرسلت لهم للتو صورتين كانتا فظيعتين بالنسبة لي لكنهما رائعتان."
بالنسبة إلى لي من جامعة كاليفورنيا ، 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 ، سواء كان يطير فوق الغابة في طائرة نفاثة عملاقة ، أو يسافر على طول الطريق.الآن هم يحلقون فوق المظلة مثل الطيور على الأجنحة.
نشر الفريق أول وصف كامل لنهج HiP-CT في نوفمبر 2021 ، وأصدر الباحثون أيضًا تفاصيل حول كيفية تأثير COVID-19 على أنواع معينة من الدورة الدموية في الرئتين.
كان للفحص أيضًا فائدة غير متوقعة: فقد ساعد الباحثين على إقناع الأصدقاء والعائلة بالتطعيم.في الحالات الشديدة من COVID-19 ، يبدو أن العديد من الأوعية الدموية في الرئتين متوسعة ومنتفخة ، وبدرجة أقل ، قد تتشكل حزم غير طبيعية من الأوعية الدموية الدقيقة.
قال تافولو: "عندما تنظر إلى بنية رئة شخص مات بسبب فيروس كورونا ، فإنها لا تبدو مثل الرئة - إنها فوضى".
وأضاف أنه حتى في الأعضاء السليمة ، كشفت عمليات المسح عن سمات تشريحية دقيقة لم يتم تسجيلها أبدًا لأنه لم يتم فحص أي عضو بشري بمثل هذه التفاصيل.مع تمويل يزيد عن مليون دولار من مبادرة تشان زوكربيرج (منظمة غير ربحية أسسها الرئيس التنفيذي لشركة فيسبوك مارك زوكربيرج وزوجة زوكربيرج والطبيبة بريسيلا تشان) ، يقوم فريق HiP-CT حاليًا بإنشاء ما يسمى أطلس الأعضاء البشرية.
حتى الآن ، أصدر الفريق فحوصات لخمسة أعضاء - القلب ، والدماغ ، والكلى ، والرئتين ، والطحال - بناءً على الأعضاء التي تبرع بها أكرمان وجونيك أثناء تشريح جثة COVID-19 في ألمانيا وعضو "التحكم" الصحي LADAF.مختبر تشريحي غرونوبل.أنتج الفريق البيانات ، وكذلك أفلام الطيران ، 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 التحضير.قال لي إن ما يقرب من 40 مجموعة بحثية مختلفة اتصلت بالفريق لمعرفة المزيد عن النهج.
يرى كوك طبيب القلب بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس إمكانات كبيرة في استخدام HiP-CT لفهم علم التشريح الأساسي.قال جو جاكوب ، أخصائي الأشعة في كلية لندن الجامعية ، والمتخصص في أمراض الرئة ، إن جهاز 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 التي تتخذ من لندن مقراً لها ، إنه يبحث بنشاط في كيفية استكشاف بيانات HiP-CT في واقع افتراضي غامر.قال: "في الأساس ، نحن نخلق رحلة عبر جسم الإنسان".
لكن على الرغم من كل وعود HiP-CT ، هناك مشاكل خطيرة.أولاً ، كما يقول والش ، يولد فحص HiP-CT "كمية هائلة من البيانات" ، بسهولة تيرابايت لكل عضو.للسماح للأطباء باستخدام هذه الفحوصات في العالم الحقيقي ، يأمل الباحثون في تطوير واجهة قائمة على السحابة للتنقل بينها ، مثل خرائط Google لجسم الإنسان.
احتاجوا أيضًا إلى تسهيل تحويل عمليات المسح إلى نماذج ثلاثية الأبعاد قابلة للتطبيق.مثل جميع طرق الفحص بالأشعة المقطعية ، يعمل HiP-CT عن طريق أخذ العديد من الشرائح ثنائية الأبعاد لكائن معين وتجميعها معًا.حتى اليوم ، تتم معظم هذه العملية يدويًا ، خاصةً عند مسح 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.
ستتوسع هذه التحديات مع توسع أطلس الأعضاء البشرية ويصبح الباحثون أكثر طموحًا.يستخدم فريق HiP-CT أحدث جهاز أشعة ESRF ، المسمى BM18 ، لمواصلة فحص أعضاء المشروع.ينتج 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 ضوئيًا ، مما يجعله أكثر وضوحًا.يقول تافورو ، الذي أعاد فحص بعض عينات أطلس الأعضاء البشرية الأصلية في النظام الجديد ، إن نتائج BM18 جيدة جدًا بالفعل.
يمكن لجهاز BM18 أيضًا مسح أجسام كبيرة جدًا.مع المنشأة الجديدة ، يخطط الفريق لمسح جذع الجسم بالكامل بضربة واحدة بحلول نهاية عام 2023.
قال تافورو ، وهو يستكشف الإمكانات الهائلة للتكنولوجيا ، "نحن حقًا في البداية."
© 2015-2022 National Geographic Partners، LLC.كل الحقوق محفوظة.


الوقت ما بعد: 21 أكتوبر - 2022