Революционный метод визуализации рассмотрел пораженные COVID-19 сосуды легких

Повреждения мельчайших кровеносных сосудов легких, вызванные COVID-19, удалось зафиксировать с высокой степенью детализации с помощью высокоэнергетического рентгеновского излучения, создаваемого специальным ускорителем частиц.

Ученые из UCL и Европейского исследовательского центра синхротонного излучения (ESRF) в Гренобле, Франция, использовали новую революционную технологию визуализации, называемую иерархической фазово-контрастной томографией (Hierarchical Phase-Contrast Tomography – HiP-CT), для сканирования донорских человеческих органов, включая легкие пациента, умершего от COVID-19.

HiP-CT дает возможность выполнять трехмерное картирование в различных масштабах, позволяя клиницистам по-новому видеть весь орган, сначала визуализируя его в целом, а затем усиливая увеличение до клеточного уровня.

В этом методе используются рентгеновские лучи, создаваемые Европейским синхротроном (ускорителем частиц) в Гренобле, который после недавней модернизации и внедрения технологии сверх-яркого источника излучения Extremely Brilliant Source (ESRF-EBS) теперь является самым ярким источником рентгеновского излучения в мире – в 100 миллиардов раз ярче медицинского рентгена.

Благодаря такой яркости исследователи могут видеть кровеносные сосуды диаметром пять микрон (одна десятая диаметра волоса) в неповрежденном легком человека. Клиническая компьютерная томография позволяет визуализировать только кровеносные сосуды в 100 раз больше – диаметром около 1 мм.

Доктор Клэр Уолш (UCL Mechanical Engineering) сказала, что «способность видеть органы с такой детализацией действительно станет революционной для медицинской визуализации. Когда мы начнем связывать наши изображения HiP-CT с клиническими изображениями с помощью методов искусственного интеллекта, мы впервые сможем очень точно определять причины неоднозначных отклонений на клинических изображениях. Это также очень захватывающий метод визуализации, способствующий более глубокому познанию анатомии человека и дающий возможность видеть в 3D формате мельчайшие структуры органов в их правильном пространственном расположении, что является ключом к пониманию того, как устроены наши тела, как они структурированы, и соответственно, как они функционируют”.

Используя технологию HiP-CT, исследовательская группа, в которую входят врачи из Германии и Франции, увидела, как тяжелая инфекция COVID-19 «перенаправляет» кровь между двумя отдельными системами – капиллярами, которые насыщают кровь кислородом, и сосудами, которые питают саму ткань легких. Такая перекрестная связь препятствует правильному насыщению кислородом крови пациента, о чем ученые догадывались и ранее, но что не было научно доказано.

Доктор Максимилиан Акерманн  (Университетский медицинский центр Майнца), врач-клиницист  и один из пользователей этого метода, сказал: «Вскоре после начала глобальной пандемии мы продемонстрировали, что COVID-19 является системным сосудистым заболеванием, используя для этого гистопатологические (оптическое изображение ткани) и молекулярные методы. Однако эти методы не позволяли определить степень изменений и образования тромбов в тонких кровеносных сосудах легких в целом».

Дэнни Йонигк, профессор патологий грудной клетки (Медицинская школа Ганновера, Германия), сказал: «Объединив наши молекулярные методы с многоуровневой визуализацией HiP-CT для обследования легких, пораженных пневмонией COVID-19, мы получили новое понимание того, как образуется перемычка между кровеносными сосудами двух сосудистых систем легких, пораженных COVID-19, и как это влияет на уровень кислорода в нашей системе кровообращения».

Идея разработать новый метод HiP-CT возникла после начала глобальной пандемии. Для этого ученые объединили в ESRF, ESRF-EBS нескольких методов, которые ранее использовались в ESRF для визуализации крупных окаменелостей, и новый источник рентгеновского излучения сверх-высокой яркости Extremely Brilliant Source. Это позволяет видеть в 3D невероятно мелкие сосуды внутри целого человеческого органа, давая возможность отличать на изображениях кровеносные сосуды от окружающей ткани и даже видеть определенные клетки.

Атлас человеческих органов

Команда ученых под руководством UCL использует HiP-CT для создания Атласа человеческих органов. Он будет включать шесть донорских органов: мозг, легкое, сердце, две почки и селезенку, а также легкое пациента, умершего от COVID-19. Там также будет биопсия контрольного легкого и биопсия легкого, пораженного COVID-19. Атлас будет доступен онлайн для хирургов, клиницистов и других людей, интересующихся этой тематикой.

Атлас охватит ранее недоступный уровень детализации- изображения с  разрешением от сантиметра до микрона в неповрежденных органах. Клинические КТ и МРТ снимки могут иметь разрешение меньше миллиметра, в то время как гистология (исследование клеток / биопсийных срезов под микроскопом), электронная микроскопия (использующая электронный луч для создания изображений) и другие аналогичные методы позволяют увидеть структуры с точностью менее одного микрона, но только на небольших биопсийных образцах ткани органа. HiP-CT объединяет эти масштабы в 3D, позволяя визуализировать целые органы, чтобы по-новому взглянуть на нашу биологическую структуру.

Масштабирование исследований

Исследователи уверены, что масштабирование изображений от целого органа до клеточного уровня может дать дополнительную информацию о многих заболеваниях, таких как рак или болезнь Альцгеймера.

Клиницист Вилли Вагнер, радиолог Университетской больницы в Гейдельберге, сказал, что «HiP-CT восполняет огромный пробел в области визуализации в медицине человека: клиническая визуализация предоставляет трехмерные данные тела и органов, но ограничена крупным масштабом; гистопатология, с другой стороны, дает детальные изображения тканей и клеток, полученных из небольших частей органов. Обычно это ограничивается небольшим полем обзора в двух измерениях. HiP-CT соединяет уровни визуализации органа и ткани, тесно связывая клинические дисциплины радиологии и патологии и предоставляя ранее невиданные структурные данные о трехмерной архитектуре ткани и характере болезней”.

Авторы надеются, что Атлас человеческих органов в дальнейшем будет содержать библиотеку заболеваний, поражающих органы с различными уровнями детализации, от 1 до 100 микрон до масштаба целых органов, что поможет клиницистам диагностировать и лечить широкий спектр заболеваний.

Команда исследователей также надеется использовать машинное обучение и искусственный интеллект для калибровки клинических изображений КТ и МРТ, улучшая понимание клинической визуализации и обеспечивая более быструю и точную диагностику.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Methods.

Оригинал новости можно прочитать здесь