บาคาร่าเว็บตรง จากทั้งอวัยวะสู่ความละเอียดระดับเซลล์: ภาพเอ็กซ์เรย์ซิงโครตรอนเผยให้เห็นความเสียหายของปอดจาก COVID-19

บาคาร่าเว็บตรง ความสามารถในการสร้างภาพเนื้อเยื่อของมนุษย์ในขนาดตั้งแต่อวัยวะที่ไม่บุบสลายไปจนถึงเซลล์แต่ละเซลล์เป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจสุขภาพและโรคของเราให้ก้าวหน้า เพื่อตอบสนองความท้าทายนี้ ความร่วมมือด้านการวิจัยของยุโรปได้พัฒนาเทคโนโลยีการถ่ายภาพแบบใหม่ที่เรียกว่าการตรวจเอกซเรย์แบบเฟสคอนทราสต์แบบลำดับชั้น ( HiP-CT ) 

โดยใช้รังสีเอกซ์จากแหล่งกำเนิดแสงจ้าสุดขีด 

EBS เป็นแหล่งกำเนิดซิงโครตรอนพลังงานสูงรุ่นแรก (6 GeV) รุ่นที่สี่ โดยให้แหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ที่สว่างที่สุดในโลก โดยมีความเชื่อมโยงกันเชิงพื้นที่เพื่อแก้ไขคอนทราสต์ของความหนาแน่นจางๆ ที่ความละเอียดสูง การใช้ EBS ทำให้ HiP-CT สามารถทำการสแกน 3 มิติโดยไม่ทำลายอวัยวะของมนุษย์ทั้งหมด แล้วซูมลงไปที่ระดับเซลล์

Claire Walsh ผู้เขียนคนแรก จาก University College London กล่าวว่า “ความสามารถในการมองเห็นอวัยวะต่างๆ ในระดับเช่นนี้จะเป็นการปฏิวัติวงการภาพทางการแพทย์จริงๆ “เมื่อเราเริ่มเชื่อมโยงภาพ HiP-CT ของเรากับภาพทางคลินิกผ่านเทคนิค AI เราจะสามารถตรวจสอบการค้นพบที่คลุมเครือในภาพทางคลินิกได้อย่างแม่นยำเป็นครั้งแรก สำหรับการทำความเข้าใจกายวิภาคของมนุษย์ นี่เป็นเทคนิคที่น่าตื่นเต้นมากเช่นกัน การที่สามารถมองเห็นโครงสร้างอวัยวะเล็กๆ ในแบบ 3 มิติในบริบทเชิงพื้นที่ที่ถูกต้องได้นั้นเป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจว่าร่างกายของเรามีโครงสร้างอย่างไรและทำงานอย่างไร”

Walsh และเพื่อนร่วมงานได้ใช้เทคนิคการตรวจเอกซเรย์ด้วยเอกซ์เรย์ซิงโครตรอนแบบใหม่ในการสแกนอวัยวะของมนุษย์ที่ได้รับบริจาค รวมถึงปอดจากผู้บริจาค COVID-19 โดยรายงานการค้นพบของพวกเขาในNature Methods

การสแกนความละเอียดสูง

นักวิจัยได้พัฒนาวิธีการเตรียมตัวอย่าง การสแกน และสร้างใหม่ที่จำเป็นสำหรับ HiP-CT โดยใช้ลำแสงทดสอบ EBS, BM05 พวกเขาออกแบบเรขาคณิตการสแกนที่ลดปริมาณตัวอย่าง (เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายของเนื้อเยื่อ) ปรับช่วงไดนามิกของเครื่องตรวจจับให้เหมาะสม ลดสิ่งประดิษฐ์ และยับยั้งการแข็งตัวของลำแสง

สำหรับการถ่ายภาพ อวัยวะจะได้รับการแก้ไข ขาดน้ำบางส่วนและทำให้เสถียรในวุ้นเอธานอลในขวดโหล ทีมงานได้บันทึกการสแกนอ้างอิงของโถบรรจุวุ้น-เอธานอลซึ่งติดตั้งอยู่ด้านบนของตัวอย่างเพื่อให้เป็นพื้นหลังที่สามารถลบออกได้ระหว่างการสร้างภาพขึ้นใหม่ กระบวนการนี้ขจัดความแปรผันของพื้นหลังความถี่ต่ำและเปิดใช้งานการสร้างใหม่ในพื้นที่นอกแกนที่รุนแรง

เอ็กซ์เรย์ซิงโครตรอนของอวัยวะมนุษย์กายวิภาคถึงเซลล์: การถ่ายภาพเอ็กซ์เรย์ซิงโครตรอนของอวัยวะมนุษย์ การสแกน HiP-CT จะดำเนินการตามลำดับชั้น โดยทั่วไปแล้วจะเริ่มที่ 25 ไมโครเมตร/ว็อกเซลทั่วทั้งอวัยวะ จากนั้นตามด้วยภาพขยายของปริมาณที่สนใจ (VOI) ที่เลือกที่ 6.5 และ 1.3–2.5 ไมโครเมตร/ว็อกเซล ทีมงานประเมินประสิทธิภาพของเทคนิค HiP-CT โดยการสแกนปอดของมนุษย์ที่ไม่บุบสลาย ความละเอียดของภาพโดยประมาณคือ 72±3.4, 18.3±0.6 และ 10.4±0.17 µm สำหรับภาพที่บันทึกที่ 25, 6.5 และ 2.5 µm/voxel ตามลำดับ

เพื่อประเมินความสม่ำเสมอของการสแกนที่ความลึกและระยะทางต่างๆ จากศูนย์กลางอวัยวะ นักวิจัยได้วิเคราะห์ภาพของ VOI ความละเอียดสูงสองภาพ พวกเขาพบความแตกต่างน้อยที่สุดในด้านความเข้มเฉลี่ยหรือคุณภาพของภาพระหว่างทั้งสอง ซึ่งแนะนำว่า HiP-CT สามารถสแกนความละเอียดสูงได้ในทุกบริเวณของปอดด้วยคุณภาพที่สม่ำเสมอ

ต่อมา พวกเขาถ่ายภาพอวัยวะที่รับบริจาคมาทั้ง 5 ชิ้น 

ได้แก่ สมอง ปอด หัวใจ ไต และม้าม โดยทำ HiP-CT ที่ 25 ไมโครเมตร/ว็อกเซลเพื่อให้ภาพรวมโครงสร้างของแต่ละอวัยวะ ตามด้วยการสแกน VOI ที่เลือกที่มีความละเอียดสูงหลายครั้ง การสแกนขนาด 25 µm/voxel ระบุลักษณะเฉพาะของ macroscopic เช่น lobules ในปอด และห้องทั้งสี่ของหัวใจและหลอดเลือดหัวใจที่เกี่ยวข้องอย่างชัดเจน

การสแกนที่มีความละเอียดสูงขึ้นทำให้มองเห็นหน่วยการทำงานในอวัยวะต่างๆ ได้สำเร็จ เช่นเดียวกับการถ่ายภาพเซลล์เฉพาะทางบางชนิด ตัวอย่างเช่น ในสมอง HiP-CT เผยให้เห็นชั้นของซีรีเบลลัมและเซลล์ Purkinje แต่ละเซลล์ ภาพปอดแสดงให้เห็นผนังกั้นผนังกั้นโพรงจมูกและผนังกั้นผนังกั้นช่องจมูก เช่นเดียวกับหลอดลมที่ปลายแขนและวัตถุขนาดเซลล์ที่สว่างซึ่งระบุว่าเป็นปอดบวมและ/หรือมาโครฟาจแบบถุงลม ภาพของหัวใจแสดงให้เห็นการรวมกลุ่มของเส้นใยกล้ามเนื้อหัวใจที่ประกอบด้วยเซลล์คาร์ดิโอไมโอไซต์แต่ละส่วน ในขณะที่ท่อเยื่อบุผิวปรากฏชัดในไต และเยื่อสีแดงและสีขาวมองเห็นได้ในม้าม

ความเสียหายของปอดที่เกี่ยวข้องกับ COVID-19

ทีมยังใช้ HiP-CT เพื่อตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในเนื้อเยื่อปอดของผู้ป่วยที่เสียชีวิตจากโรคระบบทางเดินหายใจเฉียบพลันที่เกี่ยวข้องกับ COVID-19 ชิ้นปอดที่ถ่ายภาพที่ 25 ไมโครเมตร/ว็อกเซลมีบริเวณที่มีความเข้มสูงในขอบปอด ซึ่งสอดคล้องกับผลการตรวจทางรังสีวิทยาทางคลินิก

ความเสียหายของปอดที่เกี่ยวข้องกับ COVID-19

มุมมองโดยละเอียด: ภาพ HiP-CT ของกลีบปอดที่ไม่บุบสลายของเหยื่อโควิด-19 แสดงหลอดเลือดเปิด (สีแดง) หลอดเลือดอุดตัน (สีเหลือง) และน่านฟ้า (สีฟ้า) (มารยาท: Paul Tafforeau)

การสแกน VOI ที่ 6 μm/voxel เผยให้เห็นความเสียหายของเนื้อเยื่อต่างกัน โดยที่ pulmonary lobules บางส่วนมีการเสื่อมสภาพมากกว่าส่วนอื่นๆ ทีมงานทำภาพขยายที่สูงขึ้นของ lobule ที่ได้รับผลกระทบมากขึ้นที่ 2 μm/ต่อ voxel การสแกนเผยให้เห็นว่าการติดเชื้อไวรัสโควิด-19 รุนแรงเพียงใดสร้างรูปแบบหลอดเลือดที่ดีที่สุดในปอด ทำให้เลือดไหลผ่านระหว่างเส้นเลือดฝอยที่ส่งออกซิเจนไปยังทั้งร่างกายและหลอดเลือดที่เลี้ยงเนื้อเยื่อปอดด้วยตัวมันเอง การเชื่อมโยงข้ามนี้ช่วยป้องกันไม่ให้เลือดของผู้ป่วยได้รับออกซิเจนอย่างเหมาะสม ซึ่งเป็นกระบวนการที่เคยถูกตั้งสมมติฐานไว้ก่อนหน้านี้แต่ไม่ได้รับการพิสูจน์

“ด้วยการผสมผสานวิธีการทางโมเลกุลของเราเข้ากับการถ่ายภาพหลายขนาดด้วย HiP-CT ในปอดที่ได้รับผลกระทบจากโรคปอดบวมจากไวรัสโควิด-19 เราจึงได้รับความเข้าใจใหม่ว่าหลอดเลือดในระบบหลอดเลือดทั้งสองของปอดแยกจากกันอย่างไรในปอดที่ได้รับบาดเจ็บจากโควิด-19 และผลกระทบ มันมีระดับออกซิเจนในระบบไหลเวียนโลหิต” Danny Jonigk จากHannover Medical Schoolอธิบาย บาคาร่าเว็บตรง