Una nueva técnica de escaneo produce imágenes con gran detalle que podría revolucionar el estudio de la anatomía humana.
Cuando Paul Taforo vio sus primeras imágenes experimentales de víctimas de la luz del COVID-19, pensó que había fracasado.Taforo, paleontólogo de formación, pasó meses trabajando con equipos de toda Europa para convertir los aceleradores de partículas de los Alpes franceses en revolucionarias herramientas de escaneo médico.
Era a finales de mayo de 2020 y los científicos estaban ansiosos por comprender mejor cómo el COVID-19 destruye los órganos humanos.A Taforo se le encargó desarrollar un método que pudiera utilizar los rayos X de alta potencia producidos por la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF) en Grenoble, Francia.Como científico del ESRF, ha superado los límites de los rayos X de alta resolución de fósiles de rocas y momias secas.Ahora estaba aterrorizado por la masa suave y pegajosa de toallas de papel.
Las imágenes les mostraron más detalles que cualquier tomografía computarizada médica que hubieran visto antes, lo que les permitió superar lagunas persistentes en la forma en que los científicos y médicos visualizan y comprenden los órganos humanos.“En los libros de texto de anatomía, cuando lo ves, es a gran escala, a pequeña escala, y son hermosas imágenes dibujadas a mano por una razón: son interpretaciones artísticas porque no tenemos imágenes”, dijo University College London (UCL ) dicho..Dijo la investigadora principal Claire Walsh."Por primera vez podemos hacer algo real".
Taforo y Walsh son parte de un equipo internacional de más de 30 investigadores que han creado una nueva y poderosa técnica de escaneo de rayos X llamada Tomografía de contraste de fase jerárquica (HiP-CT).Con él, finalmente se puede pasar de un órgano humano completo a una vista ampliada de los vasos sanguíneos más pequeños del cuerpo o incluso de células individuales.
Este método ya está proporcionando nuevos conocimientos sobre cómo la COVID-19 daña y remodela los vasos sanguíneos de los pulmones.Aunque sus perspectivas a largo plazo son difíciles de determinar porque nunca antes ha existido nada como HiP-CT, los investigadores entusiasmados por su potencial están imaginando con entusiasmo nuevas formas de comprender las enfermedades y mapear la anatomía humana con un mapa topográfico más preciso.
El cardiólogo de la UCL, Andrew Cooke, dijo: "La mayoría de la gente puede sorprenderse de que hayamos estado estudiando la anatomía del corazón durante cientos de años, pero no hay consenso sobre la estructura normal del corazón, especialmente el corazón... Las células musculares y cómo cambia". cuando el corazón late”.
"He estado esperando toda mi carrera", dijo.
La técnica HiP-CT comenzó cuando dos patólogos alemanes compitieron para rastrear los efectos punitivos del virus SARS-CoV-2 en el cuerpo humano.
Danny Jonigk, patólogo torácico de la Facultad de Medicina de Hannover, y Maximilian Ackermann, patólogo del Centro Médico Universitario de Mainz, estaban en alerta máxima cuando la noticia del inusual caso de neumonía comenzó a difundirse en China.Ambos tenían experiencia en el tratamiento de afecciones pulmonares y supieron de inmediato que el COVID-19 era inusual.La pareja estaba particularmente preocupada por los informes de “hipoxia silenciosa” que mantenía despiertos a los pacientes con COVID-19 pero provocaba que sus niveles de oxígeno en sangre cayeran en picado.
Ackermann y Jonig sospechan que el SARS-CoV-2 ataca de alguna manera los vasos sanguíneos de los pulmones.Cuando la enfermedad se extendió a Alemania en marzo de 2020, la pareja comenzó a realizar autopsias a las víctimas de COVID-19.Pronto probaron su hipótesis vascular inyectando resina en muestras de tejido y luego disolviendo el tejido en ácido, dejando un modelo preciso de la vasculatura original.
Utilizando esta técnica, Ackermann y Jonigk compararon tejidos de personas que no murieron a causa de COVID-19 con los de personas que sí murieron.Inmediatamente vieron que en las víctimas de COVID-19, los vasos sanguíneos más pequeños de los pulmones estaban torcidos y reconstruidos.Estos resultados históricos, publicados en línea en mayo de 2020, muestran que la COVID-19 no es estrictamente una enfermedad respiratoria, sino más bien una enfermedad vascular que puede afectar órganos de todo el cuerpo.
"Si recorre el cuerpo y alinea todos los vasos sanguíneos, obtiene entre 60.000 y 70.000 millas, que es el doble de la distancia alrededor del ecuador", dijo Ackermann, un patólogo de Wuppertal, Alemania..Añadió que si solo el 1 por ciento de estos vasos sanguíneos fueran atacados por el virus, el flujo sanguíneo y la capacidad de absorber oxígeno se verían comprometidos, lo que podría tener consecuencias devastadoras para todo el órgano.
Una vez que Jonigk y Ackermann se dieron cuenta del impacto de la COVID-19 en los vasos sanguíneos, se dieron cuenta de que necesitaban comprender mejor el daño.
Las radiografías médicas, como las tomografías computarizadas, pueden proporcionar vistas de órganos completos, pero no tienen una resolución suficientemente alta.Una biopsia permite a los científicos examinar muestras de tejido bajo un microscopio, pero las imágenes resultantes representan sólo una pequeña parte de todo el órgano y no pueden mostrar cómo se desarrolla el COVID-19 en los pulmones.Y la técnica de resina que desarrolló el equipo requiere disolver el tejido, lo que destruye la muestra y limita futuras investigaciones.
"Al final del día, [los pulmones] reciben oxígeno y el dióxido de carbono sale, pero para eso, tiene miles de kilómetros de vasos sanguíneos y capilares, muy poco espaciados... es casi un milagro", dijo Jonigk, fundador. Investigador principal del Centro Alemán de Investigación Pulmonar.“Entonces, ¿cómo podemos realmente evaluar algo tan complejo como el COVID-19 sin destruir órganos?”
Jonigk y Ackermann necesitaban algo sin precedentes: una serie de rayos X del mismo órgano que permitiera a los investigadores ampliar partes del órgano a escala celular.En marzo de 2020, el dúo alemán se puso en contacto con su colaborador de toda la vida, Peter Lee, científico de materiales y catedrático de tecnologías emergentes en la UCL.La especialidad de Lee es el estudio de materiales biológicos utilizando potentes rayos X, por lo que inmediatamente pensó en los Alpes franceses.
El Centro Europeo de Radiación Sincrotrón está situado en un terreno triangular en la parte noroeste de Grenoble, donde confluyen dos ríos.El objeto es un acelerador de partículas que envía electrones en órbitas circulares de media milla de largo a casi la velocidad de la luz.A medida que estos electrones giran en círculos, poderosos imanes en órbita deforman la corriente de partículas, lo que hace que los electrones emitan algunos de los rayos X más brillantes del mundo.
Esta poderosa radiación permite al ESRF espiar objetos en la escala micrométrica o incluso nanométrica.A menudo se utiliza para estudiar materiales como aleaciones y compuestos, para estudiar la estructura molecular de las proteínas e incluso para reconstruir fósiles antiguos sin separar la piedra del hueso.Ackermann, Jonigk y Lee querían utilizar el instrumento gigante para tomar las radiografías de órganos humanos más detalladas del mundo.
Ingrese Taforo, cuyo trabajo en ESRF ha superado los límites de lo que puede ver el escaneo sincrotrón.Su impresionante variedad de trucos había permitido anteriormente a los científicos mirar dentro de huevos de dinosaurio y casi abrir momias, y casi de inmediato Taforo confirmó que, en teoría, los sincrotrones podían escanear bien lóbulos pulmonares completos.Pero, de hecho, escanear órganos humanos completos es un gran desafío.
Por un lado, está el problema de la comparación.Los rayos X estándar crean imágenes basadas en la cantidad de radiación que absorben los diferentes materiales, y los elementos más pesados ​​absorben más que los más ligeros.Los tejidos blandos están compuestos principalmente de elementos ligeros (carbono, hidrógeno, oxígeno, etc.), por lo que no se muestran claramente en una radiografía médica clásica.
Una de las mejores cosas del ESRF es que su haz de rayos X es muy coherente: la luz viaja en ondas y, en el caso del ESRF, todos sus rayos X comienzan con la misma frecuencia y alineación, oscilando constantemente, como huellas dejadas. de Reik a través de un jardín zen.Pero a medida que estos rayos X atraviesan el objeto, diferencias sutiles en la densidad pueden hacer que cada rayo X se desvíe ligeramente de su trayectoria, y la diferencia se vuelve más fácil de detectar a medida que los rayos X se alejan del objeto.Estas desviaciones pueden revelar sutiles diferencias de densidad dentro de un objeto, incluso si está formado por elementos ligeros.
Pero la estabilidad es otra cuestión.Para tomar una serie de radiografías ampliadas, el órgano debe fijarse en su forma natural para que no se doble ni se mueva más de una milésima de milímetro.Además, las radiografías sucesivas del mismo órgano no coincidirán entre sí.Sin embargo, no hace falta decir que el cuerpo puede ser muy flexible.
Lee y su equipo de la UCL pretendían diseñar contenedores que pudieran resistir los rayos X sincrotrón y al mismo tiempo dejar pasar tantas ondas como fuera posible.Lee también se encargó de la organización general del proyecto (por ejemplo, los detalles del transporte de órganos humanos entre Alemania y Francia) y contrató a Walsh, que se especializa en big data biomédicos, para ayudar a descubrir cómo analizar los escaneos.De vuelta en Francia, el trabajo de Taforo incluyó mejorar el procedimiento de escaneo y descubrir cómo almacenar el órgano en el contenedor que estaba construyendo el equipo de Lee.
Tafforo sabía que para que los órganos no se descompusieran y las imágenes fueran lo más claras posible, debían procesarse con varias porciones de etanol acuoso.También sabía que necesitaba estabilizar el órgano en algo que coincidiera exactamente con la densidad del órgano.Su plan era colocar de alguna manera los órganos en agar rico en etanol, una sustancia gelatinosa extraída de algas marinas.
Sin embargo, el diablo está en los detalles: como en la mayor parte de Europa, Taforo está atrapado en casa y encerrado.Entonces Taforo trasladó su investigación a un laboratorio doméstico: pasó años decorando una antigua cocina de tamaño mediano con impresoras 3D, equipos químicos básicos y herramientas utilizadas para preparar huesos de animales para investigaciones anatómicas.
Taforo utilizó productos del supermercado local para descubrir cómo hacer agar.Incluso recoge aguas pluviales de un tejado que limpió recientemente para producir agua desmineralizada, un ingrediente estándar en las fórmulas de agar de laboratorio.Para practicar el envasado de órganos en agar, tomó intestinos de cerdo de un matadero local.
Taforo recibió autorización para regresar al ESRF a mediados de mayo para la primera prueba de exploración pulmonar en cerdos.De mayo a junio preparó y escaneó el lóbulo pulmonar izquierdo de un hombre de 54 años que murió de COVID-19, que Ackermann y Jonig llevaron de Alemania a Grenoble.
"Cuando vi la primera imagen, había una carta de disculpa en mi correo electrónico para todos los involucrados en el proyecto: fallamos y no pude obtener un escaneo de alta calidad", dijo.“Acabo de enviarles dos fotografías que fueron terribles para mí pero geniales para ellos”.
Para Lee, de la Universidad de California en Los Ángeles, las imágenes son sorprendentes: las imágenes de todo el órgano son similares a las tomografías computarizadas médicas estándar, pero “un millón de veces más informativas”.Es como si el explorador hubiera estado estudiando el bosque toda su vida, ya sea volando sobre el bosque en un avión gigante o viajando por el sendero.Ahora se elevan sobre el dosel como pájaros con alas.
El equipo publicó su primera descripción completa del enfoque HiP-CT en noviembre de 2021, y los investigadores también publicaron detalles sobre cómo el COVID-19 afecta ciertos tipos de circulación en los pulmones.
La exploración también tuvo un beneficio inesperado: ayudó a los investigadores a convencer a amigos y familiares para que se vacunaran.En casos graves de COVID-19, muchos vasos sanguíneos de los pulmones aparecen dilatados e hinchados y, en menor medida, se pueden formar haces anormales de pequeños vasos sanguíneos.
"Cuando miras la estructura del pulmón de una persona que murió de COVID, no parece un pulmón, es un desastre", dijo Tafolo.
Añadió que incluso en órganos sanos, las exploraciones revelaron características anatómicas sutiles que nunca fueron registradas porque ningún órgano humano había sido examinado con tanto detalle.Con más de un millón de dólares de financiación de la Iniciativa Chan Zuckerberg (una organización sin fines de lucro fundada por el director ejecutivo de Facebook, Mark Zuckerberg, y la esposa de Zuckerberg, la médica Priscilla Chan), el equipo de HiP-CT está creando actualmente lo que se llama un atlas de órganos humanos.
Hasta ahora, el equipo ha publicado escaneos de cinco órganos (el corazón, el cerebro, los riñones, los pulmones y el bazo) basados ​​en los órganos donados por Ackermann y Jonigk durante su autopsia de COVID-19 en Alemania y el órgano de “control” de salud LADAF.Laboratorio anatómico de Grenoble.El equipo produjo los datos, así como las películas de vuelo, basándose en datos que están disponibles gratuitamente en Internet.El Atlas de órganos humanos se está ampliando rápidamente: se han escaneado otros 30 órganos y otros 80 se encuentran en distintas fases de preparación.Casi 40 grupos de investigación diferentes se pusieron en contacto con el equipo para aprender más sobre el enfoque, dijo Li.
Cook, cardiólogo de la UCL, ve un gran potencial en el uso de HiP-CT para comprender la anatomía básica.El radiólogo de la UCL Joe Jacob, que se especializa en enfermedades pulmonares, dijo que HiP-CT será "invaluable para comprender la enfermedad", especialmente en estructuras tridimensionales como los vasos sanguíneos.
Incluso los artistas entraron en liza.Barney Steele, del colectivo de arte experiencial Marshmallow Laser Feast, con sede en Londres, dice que está investigando activamente cómo se pueden explorar los datos de HiP-CT en una realidad virtual inmersiva."Básicamente, estamos creando un viaje a través del cuerpo humano", dijo.
Pero a pesar de todas las promesas de HiP-CT, existen serios problemas.En primer lugar, dice Walsh, una exploración HiP-CT genera una "cantidad asombrosa de datos", fácilmente un terabyte por órgano.Para permitir a los médicos utilizar estos escaneos en el mundo real, los investigadores esperan desarrollar una interfaz basada en la nube para navegar por ellos, como Google Maps para el cuerpo humano.
También necesitaban facilitar la conversión de escaneos en modelos 3D viables.Como todos los métodos de exploración por tomografía computarizada, HiP-CT funciona tomando muchos cortes 2D de un objeto determinado y apilándolos.Incluso hoy en día, gran parte de este proceso se realiza manualmente, especialmente cuando se escanea tejido anormal o enfermo.Lee y Walsh dicen que la prioridad del equipo de HiP-CT es desarrollar métodos de aprendizaje automático que puedan facilitar esta tarea.
Estos desafíos se ampliarán a medida que se amplíe el atlas de órganos humanos y los investigadores se vuelvan más ambiciosos.El equipo de HiP-CT está utilizando el último dispositivo de haz ESRF, llamado BM18, para continuar escaneando los órganos del proyecto.El BM18 produce un haz de rayos X más grande, lo que significa que el escaneo lleva menos tiempo, y el detector de rayos X BM18 se puede colocar hasta 125 pies (38 metros) de distancia del objeto que se escanea, lo que hace que el escaneo sea más claro.Los resultados del BM18 ya son muy buenos, afirma Taforo, que ha vuelto a escanear algunas de las muestras originales del Human Organ Atlas en el nuevo sistema.
El BM18 también puede escanear objetos muy grandes.Con la nueva instalación, el equipo planea escanear todo el torso del cuerpo humano de una sola vez para finales de 2023.
Al explorar el enorme potencial de la tecnología, Taforo dijo: "Realmente estamos sólo en el comienzo".
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