Teknik pemindaian baru menghasilkan gambar dengan sangat detail yang dapat merevolusi studi anatomi manusia.
Ketika Paul Taforo melihat gambar eksperimen pertamanya mengenai korban ringan COVID-19, dia mengira dia telah gagal.Sebagai ahli paleontologi yang terlatih, Taforo menghabiskan waktu berbulan-bulan bekerja dengan tim di seluruh Eropa untuk mengubah akselerator partikel di Pegunungan Alpen Prancis menjadi alat pemindaian medis yang revolusioner.
Saat itu terjadi pada akhir Mei 2020, dan para ilmuwan sangat ingin memahami lebih baik bagaimana COVID-19 menghancurkan organ tubuh manusia.Taforo ditugaskan untuk mengembangkan metode yang dapat menggunakan sinar X berkekuatan tinggi yang diproduksi oleh European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) di Grenoble, Prancis.Sebagai ilmuwan ESRF, ia telah melampaui batas-batas sinar X resolusi tinggi pada fosil batuan dan mumi kering.Sekarang dia takut pada tumpukan kertas tisu yang lembut dan lengket.
Gambar-gambar tersebut menunjukkan mereka lebih detail dibandingkan CT scan medis yang pernah mereka lihat sebelumnya, sehingga memungkinkan mereka mengatasi kesenjangan yang membandel dalam cara para ilmuwan dan dokter memvisualisasikan dan memahami organ manusia.“Dalam buku teks anatomi, ketika Anda melihatnya, skalanya besar, skalanya kecil, dan itu adalah gambar indah yang digambar tangan karena satu alasan: itu adalah interpretasi artistik karena kita tidak memiliki gambar,” University College London (UCL ) dikatakan..Kata Peneliti Senior Claire Walsh.“Untuk pertama kalinya kami dapat melakukan hal yang nyata.”
Taforo dan Walsh adalah bagian dari tim internasional yang terdiri lebih dari 30 peneliti yang telah menciptakan teknik pemindaian sinar-X baru yang canggih yang disebut Hierarchical Phase Contrast Tomography (HiP-CT).Dengan itu, mereka akhirnya dapat beralih dari organ manusia yang lengkap ke tampilan yang lebih besar dari pembuluh darah terkecil di tubuh atau bahkan sel-sel individual.
Metode ini telah memberikan wawasan baru tentang bagaimana COVID-19 merusak dan merombak pembuluh darah di paru-paru.Meskipun prospek jangka panjangnya sulit ditentukan karena HiP-CT belum pernah ada sebelumnya, para peneliti yang antusias dengan potensinya dengan antusias membayangkan cara-cara baru untuk memahami penyakit dan memetakan anatomi manusia dengan peta topografi yang lebih akurat.
Ahli jantung UCL Andrew Cooke berkata: “Kebanyakan orang mungkin terkejut bahwa kami telah mempelajari anatomi jantung selama ratusan tahun, namun tidak ada konsensus mengenai struktur normal jantung, terutama jantung… Sel otot dan bagaimana perubahannya. saat jantung berdetak.”
“Saya telah menunggu sepanjang karier saya,” katanya.
Teknik HiP-CT dimulai ketika dua ahli patologi Jerman berkompetisi untuk melacak dampak buruk virus SARS-CoV-2 pada tubuh manusia.
Danny Jonigk, ahli patologi toraks di Hannover Medical School, dan Maximilian Ackermann, ahli patologi di University Medical Center Mainz, bersiaga tinggi ketika berita tentang kasus pneumonia yang tidak biasa mulai menyebar di Tiongkok.Keduanya memiliki pengalaman menangani penyakit paru-paru dan langsung mengetahui bahwa COVID-19 merupakan hal yang tidak biasa.Pasangan ini sangat prihatin dengan laporan “hipoksia diam-diam” yang membuat pasien COVID-19 tetap terjaga tetapi menyebabkan kadar oksigen darah mereka menurun.
Ackermann dan Jonig menduga SARS-CoV-2 menyerang pembuluh darah di paru-paru.Ketika penyakit ini menyebar ke Jerman pada Maret 2020, pasangan ini mulai melakukan otopsi terhadap korban COVID-19.Mereka segera menguji hipotesis vaskular mereka dengan menyuntikkan resin ke dalam sampel jaringan dan kemudian melarutkan jaringan dalam asam, meninggalkan model pembuluh darah asli yang akurat.
Dengan menggunakan teknik ini, Ackermann dan Jonigk membandingkan jaringan dari orang yang tidak meninggal akibat COVID-19 dengan jaringan dari orang yang meninggal.Mereka segera melihat bahwa pada korban COVID-19, pembuluh darah terkecil di paru-parunya dipelintir dan direkonstruksi.Hasil penting ini, yang dipublikasikan secara online pada bulan Mei 2020, menunjukkan bahwa COVID-19 bukan hanya penyakit pernapasan, melainkan penyakit pembuluh darah yang dapat memengaruhi organ di seluruh tubuh.
“Jika Anda menelusuri tubuh dan menyelaraskan semua pembuluh darah, Anda akan menempuh jarak 60.000 hingga 70.000 mil, yang merupakan dua kali jarak di sekitar khatulistiwa,” kata Ackermann, ahli patologi dari Wuppertal, Jerman..Dia menambahkan, jika hanya 1 persen dari pembuluh darah tersebut yang terserang virus, aliran darah dan kemampuan menyerap oksigen akan terganggu, yang dapat menimbulkan konsekuensi buruk bagi seluruh organ.
Ketika Jonigk dan Ackermann menyadari dampak COVID-19 pada pembuluh darah, mereka menyadari bahwa mereka perlu lebih memahami kerusakannya.
Sinar-X medis, seperti CT scan, dapat memberikan gambaran seluruh organ, namun resolusinya tidak cukup tinggi.Biopsi memungkinkan para ilmuwan memeriksa sampel jaringan di bawah mikroskop, namun gambar yang dihasilkan hanya mewakili sebagian kecil dari keseluruhan organ dan tidak dapat menunjukkan bagaimana COVID-19 berkembang di paru-paru.Dan teknik resin yang dikembangkan tim memerlukan pelarutan jaringan, sehingga menghancurkan sampel dan membatasi penelitian lebih lanjut.
“Pada akhirnya, [paru-paru] mendapatkan oksigen dan karbon dioksida keluar, namun untuk itu, paru-paru memiliki ribuan mil pembuluh darah dan kapiler, dengan jarak yang sangat tipis… ini hampir merupakan keajaiban,” Jonigk, pendiri, mengatakan peneliti utama di Pusat Penelitian Paru-Paru Jerman.“Jadi bagaimana kita bisa mengevaluasi sesuatu yang rumit seperti COVID-19 tanpa merusak organ?”
Jonigk dan Ackermann membutuhkan sesuatu yang belum pernah terjadi sebelumnya: serangkaian sinar X pada organ yang sama yang memungkinkan para peneliti memperbesar bagian organ hingga skala sel.Pada bulan Maret 2020, duo Jerman ini menghubungi kolaborator lama mereka Peter Lee, seorang ilmuwan material dan ketua teknologi baru di UCL.Spesialisasi Lee adalah mempelajari bahan biologis menggunakan sinar-X yang kuat, sehingga pikirannya segera beralih ke Pegunungan Alpen Prancis.
Pusat Radiasi Sinkronisasi Eropa terletak di sebidang tanah berbentuk segitiga di bagian barat laut Grenoble, tempat bertemunya dua sungai.Objek tersebut merupakan akselerator partikel yang mengirimkan elektron dalam orbit melingkar sepanjang setengah mil dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya.Saat elektron-elektron ini berputar dalam lingkaran, magnet kuat di orbit membengkokkan aliran partikel, menyebabkan elektron memancarkan sinar-X paling terang di dunia.
Radiasi yang kuat ini memungkinkan ESRF untuk memata-matai objek pada skala mikrometer atau bahkan nanometer.Ini sering digunakan untuk mempelajari bahan seperti paduan dan komposit, untuk mempelajari struktur molekul protein, dan bahkan untuk merekonstruksi fosil purba tanpa memisahkan batu dari tulang.Ackermann, Jonigk, dan Lee ingin menggunakan instrumen raksasa tersebut untuk mengambil foto rontgen organ manusia paling detail di dunia.
Masukkan Taforo, yang karyanya di ESRF telah mendorong batas-batas apa yang dapat dilihat oleh pemindaian sinkrotron.Rangkaian triknya yang mengesankan sebelumnya memungkinkan para ilmuwan mengintip ke dalam telur dinosaurus dan hampir membelah mumi, dan Taforo segera mengonfirmasi bahwa sinkrotron secara teoritis dapat memindai seluruh lobus paru-paru dengan baik.Namun kenyataannya, memindai seluruh organ tubuh manusia merupakan tantangan besar.
Di satu sisi, ada masalah perbandingan.Sinar-X standar menghasilkan gambar berdasarkan seberapa banyak radiasi yang diserap oleh berbagai bahan, dengan unsur-unsur yang lebih berat menyerap lebih banyak daripada unsur-unsur yang lebih ringan.Jaringan lunak sebagian besar terdiri dari unsur-unsur ringan—karbon, hidrogen, oksigen, dll.—sehingga tidak terlihat jelas pada rontgen medis klasik.
Salah satu keunggulan ESRF adalah pancaran sinar-X-nya sangat koheren: cahaya merambat dalam gelombang, dan dalam kasus ESRF, semua sinar-X-nya bermula pada frekuensi dan kesejajaran yang sama, terus berosilasi, seperti jejak kaki yang tertinggal. oleh Reik melalui taman zen.Namun ketika sinar-X ini melewati objek, perbedaan kepadatan yang tidak kentara dapat menyebabkan setiap sinar-X sedikit menyimpang dari jalurnya, dan perbedaan tersebut menjadi lebih mudah dideteksi ketika sinar-X semakin menjauh dari objek.Penyimpangan ini dapat mengungkapkan perbedaan kepadatan yang halus dalam suatu objek, meskipun objek tersebut terdiri dari elemen ringan.
Namun stabilitas adalah masalah lain.Untuk mengambil serangkaian rontgen yang diperbesar, organ harus dipasang pada bentuk aslinya agar tidak bengkok atau bergerak lebih dari seperseribu milimeter.Selain itu, rontgen yang berurutan pada organ yang sama tidak akan cocok satu sama lain.Namun, tentu saja, tubuh bisa sangat fleksibel.
Lee dan timnya di UCL bertujuan untuk merancang wadah yang dapat menahan sinar X sinkrotron sambil tetap membiarkan gelombang masuk sebanyak mungkin.Lee juga menangani keseluruhan organisasi proyek tersebut—misalnya, rincian pengangkutan organ manusia antara Jerman dan Prancis—dan mempekerjakan Walsh, yang berspesialisasi dalam data besar biomedis, untuk membantu mengetahui cara menganalisis pemindaian.Sekembalinya ke Prancis, pekerjaan Taforo termasuk memperbaiki prosedur pemindaian dan mencari cara untuk menyimpan organ dalam wadah yang sedang dibuat oleh tim Lee.
Tafforo mengetahui bahwa agar organ-organ tersebut tidak membusuk, dan gambarnya menjadi sejelas mungkin, maka harus diolah dengan beberapa porsi etanol berair.Dia juga tahu bahwa dia perlu menstabilkan organ tersebut pada sesuatu yang sama persis dengan kepadatan organ tersebut.Rencananya adalah menempatkan organ-organ tersebut dalam agar-agar kaya etanol, zat seperti jeli yang diekstrak dari rumput laut.
Namun, masalahnya ada pada detailnya – seperti di sebagian besar Eropa, Taforo terjebak di rumah dan dikurung.Jadi Taforo memindahkan penelitiannya ke laboratorium rumah: Dia menghabiskan waktu bertahun-tahun mendekorasi bekas dapur berukuran sedang dengan printer 3D, peralatan kimia dasar, dan peralatan yang digunakan untuk menyiapkan tulang hewan untuk penelitian anatomi.
Taforo menggunakan produk dari toko kelontong setempat untuk mengetahui cara membuat agar-agar.Dia bahkan mengumpulkan air hujan dari atap yang baru saja dia bersihkan untuk membuat air demineralisasi, bahan standar dalam formula agar-agar tingkat laboratorium.Untuk berlatih mengemas organ dalam agar, ia mengambil usus babi dari rumah jagal setempat.
Taforo diizinkan kembali ke ESRF pada pertengahan Mei untuk tes pemindaian paru-paru babi yang pertama.Dari Mei hingga Juni, ia mempersiapkan dan memindai lobus paru kiri seorang pria berusia 54 tahun yang meninggal karena COVID-19, yang dibawa Ackermann dan Jonig dari Jerman ke Grenoble.
“Saat saya melihat gambar pertama, ada surat permintaan maaf di email saya kepada semua orang yang terlibat dalam proyek ini: kami gagal dan saya tidak bisa mendapatkan hasil pindaian berkualitas tinggi,” katanya.“Saya baru saja mengirimi mereka dua gambar yang buruk bagi saya, tetapi bagus bagi mereka.”
Bagi Lee dari University of California, Los Angeles, gambar yang dihasilkan sangat menakjubkan: gambar seluruh organ mirip dengan CT scan medis standar, namun “satu juta kali lebih informatif.”Seolah-olah penjelajah telah mempelajari hutan sepanjang hidupnya, baik terbang di atas hutan dengan pesawat jet raksasa, atau melakukan perjalanan di sepanjang jalan setapak.Sekarang mereka terbang di atas kanopi seperti burung bersayap.
Tim tersebut menerbitkan deskripsi lengkap pertama mereka tentang pendekatan HiP-CT pada November 2021, dan para peneliti juga merilis rincian tentang bagaimana COVID-19 memengaruhi jenis sirkulasi tertentu di paru-paru.
Pemindaian ini juga memberikan manfaat yang tidak terduga: membantu para peneliti meyakinkan teman dan keluarga untuk mendapatkan vaksinasi.Pada kasus COVID-19 yang parah, banyak pembuluh darah di paru-paru tampak melebar dan bengkak, dan pada tingkat lebih rendah, kumpulan pembuluh darah kecil yang tidak normal dapat terbentuk.
“Jika Anda melihat struktur paru-paru seseorang yang meninggal karena COVID, itu tidak terlihat seperti paru-paru – melainkan berantakan,” kata Tafolo.
Dia menambahkan bahwa bahkan pada organ yang sehat, pemindaian tersebut mengungkapkan ciri-ciri anatomi halus yang tidak pernah terekam karena belum pernah ada organ manusia yang diperiksa secara mendetail.Dengan pendanaan lebih dari $1 juta dari Inisiatif Chan Zuckerberg (organisasi nirlaba yang didirikan oleh CEO Facebook Mark Zuckerberg dan istri Zuckerberg, dokter Priscilla Chan), tim HiP-CT saat ini menciptakan apa yang disebut atlas organ manusia.
Sejauh ini, tim tersebut telah merilis pemindaian lima organ – jantung, otak, ginjal, paru-paru, dan limpa – berdasarkan organ yang disumbangkan oleh Ackermann dan Jonigk selama otopsi COVID-19 di Jerman dan organ “pengendali” kesehatan LADAF.Laboratorium anatomi Grenoble.Tim tersebut menghasilkan data, serta film penerbangan, berdasarkan data yang tersedia secara gratis di Internet.Atlas Organ Manusia berkembang pesat: 30 organ lainnya telah dipindai, dan 80 organ lainnya sedang dalam berbagai tahap persiapan.Hampir 40 kelompok penelitian berbeda menghubungi tim tersebut untuk mempelajari lebih lanjut tentang pendekatan ini, kata Li.
Ahli jantung UCL, Cook, melihat potensi besar dalam penggunaan HiP-CT untuk memahami anatomi dasar.Ahli radiologi UCL Joe Jacob, yang berspesialisasi dalam penyakit paru-paru, mengatakan HiP-CT akan “sangat berharga untuk memahami penyakit,” terutama pada struktur tiga dimensi seperti pembuluh darah.
Bahkan para artis pun ikut terlibat.Barney Steele dari kolektif seni eksperimental Marshmallow Laser Feast yang berbasis di London mengatakan dia secara aktif menyelidiki bagaimana data HiP-CT dapat dieksplorasi dalam realitas virtual yang imersif.“Intinya, kami menciptakan perjalanan melalui tubuh manusia,” katanya.
Namun terlepas dari semua janji HiP-CT, terdapat masalah serius.Pertama, kata Walsh, pemindaian HiP-CT menghasilkan “jumlah data yang mencengangkan”, yaitu satu terabyte per organ.Agar dokter dapat menggunakan pemindaian ini di dunia nyata, para peneliti berharap dapat mengembangkan antarmuka berbasis cloud untuk menavigasi pemindaian tersebut, seperti Google Maps untuk tubuh manusia.
Mereka juga perlu mempermudah konversi pindaian menjadi model 3D yang bisa diterapkan.Seperti semua metode CT scan, HiP-CT bekerja dengan mengambil banyak irisan 2D dari objek tertentu dan menumpuknya menjadi satu.Bahkan saat ini, sebagian besar proses ini dilakukan secara manual, terutama saat memindai jaringan abnormal atau berpenyakit.Lee dan Walsh mengatakan prioritas tim HiP-CT adalah mengembangkan metode pembelajaran mesin yang dapat mempermudah tugas ini.
Tantangan-tantangan ini akan semakin besar seiring dengan berkembangnya peta organ manusia dan semakin ambisiusnya para peneliti.Tim HiP-CT menggunakan perangkat sinar ESRF terbaru, bernama BM18, untuk melanjutkan pemindaian organ proyek.BM18 menghasilkan pancaran sinar-X yang lebih besar, yang berarti pemindaian membutuhkan waktu lebih sedikit, dan detektor sinar-X BM18 dapat ditempatkan hingga jarak 125 kaki (38 meter) dari objek yang dipindai, sehingga pemindaian menjadi lebih jelas.Hasil BM18 sudah sangat bagus, kata Taforo, yang telah memindai ulang beberapa sampel asli Atlas Organ Manusia pada sistem baru.
BM18 juga dapat memindai objek berukuran sangat besar.Dengan fasilitas baru tersebut, tim berencana untuk memindai seluruh batang tubuh manusia dalam satu gerakan pada akhir tahun 2023.
Menjelajahi potensi besar dari teknologi ini, Taforo berkata, “Kami sebenarnya baru berada di tahap awal.”
© 2015-2022 Mitra Geografis Nasional, LLC.Seluruh hak cipta.