X-ray paling terang di dunia mengungkap kerusakan tubuh akibat COVID-19

Teknik pemindaian baru menghasilkan gambar dengan sangat detail yang dapat merevolusi studi anatomi manusia.
Ketika Paul Taforo melihat gambar eksperimental pertamanya tentang korban ringan COVID-19, dia mengira dia telah gagal.Seorang ahli paleontologi dengan pelatihan, Taforo menghabiskan waktu berbulan-bulan bekerja dengan tim di seluruh Eropa untuk mengubah akselerator partikel di Pegunungan Alpen Prancis menjadi alat pemindaian medis revolusioner.
Itu terjadi pada akhir Mei 2020, dan para ilmuwan sangat ingin memahami bagaimana COVID-19 menghancurkan organ manusia.Taforo ditugaskan untuk mengembangkan metode yang dapat menggunakan sinar-X berkekuatan tinggi yang dihasilkan oleh European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) di Grenoble, Prancis.Sebagai seorang ilmuwan ESRF, dia telah mendorong batas-batas sinar-X beresolusi tinggi dari fosil batuan dan mumi kering.Sekarang dia takut pada tumpukan handuk kertas yang lembut dan lengket.
Gambar-gambar tersebut menunjukkan kepada mereka lebih detail daripada CT scan medis yang pernah mereka lihat sebelumnya, 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 yang digambar dengan tangan yang indah karena satu alasan: itu adalah interpretasi artistik karena kami tidak memiliki gambar,” University College London (UCL ) dikatakan..Kata Peneliti Senior Claire Walsh."Untuk pertama kalinya kita bisa 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 kuat yang disebut Hierarchical Phase Contrast Tomography (HiP-CT).Dengan alat ini, mereka akhirnya dapat beralih dari organ manusia yang lengkap ke tampilan yang diperbesar dari pembuluh darah terkecil di tubuh atau bahkan sel individu.
Metode ini sudah memberikan wawasan baru tentang bagaimana COVID-19 merusak dan membentuk ulang pembuluh darah di paru-paru.Meskipun prospek jangka panjangnya sulit untuk ditentukan karena HiP-CT belum pernah ada sebelumnya, para peneliti yang bersemangat dengan potensinya dengan antusias membayangkan 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, tetapi tidak ada konsensus mengenai struktur normal jantung, terutama jantung… Sel otot dan bagaimana perubahannya saat jantung berdetak.”
"Saya telah menunggu sepanjang karir saya," katanya.
Teknik HiP-CT dimulai ketika dua ahli patologi Jerman bersaing untuk melacak efek hukuman dari virus SARS-CoV-2 pada tubuh manusia.
Danny Jonigk, seorang ahli patologi toraks di Hannover Medical School, dan Maximilian Ackermann, seorang ahli patologi di University Medical Center Mainz, sangat waspada ketika berita tentang kasus pneumonia yang tidak biasa mulai menyebar di China.Keduanya memiliki pengalaman merawat kondisi paru-paru dan langsung tahu bahwa COVID-19 tidak biasa.Pasangan itu sangat prihatin dengan laporan "silent hypoxia" yang membuat pasien COVID-19 tetap terjaga tetapi menyebabkan kadar oksigen dalam darah mereka anjlok.
Ackermann dan Jonig menduga bahwa SARS-CoV-2 entah bagaimana menyerang pembuluh darah di paru-paru.Ketika penyakit itu menyebar ke Jerman pada Maret 2020, pasangan tersebut memulai otopsi pada korban COVID-19.Mereka segera menguji hipotesis vaskular mereka dengan menyuntikkan resin ke dalam sampel jaringan dan kemudian melarutkan jaringan dalam asam, meninggalkan model akurat dari pembuluh darah asli.
Dengan menggunakan teknik ini, Ackermann dan Jonigk membandingkan jaringan dari orang yang tidak meninggal karena COVID-19 dengan jaringan dari orang yang meninggal.Mereka langsung melihat bahwa pada korban COVID-19, pembuluh darah terkecil di paru-paru dipelintir dan direkonstruksi.Hasil penting ini, dipublikasikan secara online pada Mei 2020, menunjukkan bahwa COVID-19 bukanlah penyakit pernapasan semata, melainkan penyakit pembuluh darah yang dapat memengaruhi organ di seluruh tubuh.
"Jika Anda melewati tubuh dan menyelaraskan semua pembuluh darah, Anda menempuh jarak 60.000 hingga 70.000 mil, yang berarti dua kali jarak di sekitar ekuator," kata Ackermann, ahli patologi dari Wuppertal, Jerman..Dia menambahkan bahwa jika hanya 1 persen dari pembuluh darah ini yang diserang oleh virus, aliran darah dan kemampuan menyerap oksigen akan terganggu, yang dapat menyebabkan konsekuensi yang menghancurkan seluruh organ.
Begitu Jonigk dan Ackermann menyadari dampak COVID-19 pada pembuluh darah, mereka menyadari bahwa mereka perlu lebih memahami kerusakannya.
Rontgen medis, seperti CT scan, dapat memberikan gambaran seluruh organ, tetapi resolusinya tidak cukup tinggi.Biopsi memungkinkan para ilmuwan untuk memeriksa sampel jaringan di bawah mikroskop, tetapi 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 membutuhkan pembubaran jaringan, yang menghancurkan sampel dan membatasi penelitian lebih lanjut.
“Pada akhirnya, [paru-paru] mendapatkan oksigen dan karbon dioksida keluar, tetapi untuk itu, paru-paru memiliki ribuan mil pembuluh darah dan kapiler, berjarak sangat tipis… ini hampir merupakan keajaiban,” kata Jonigk, pendiri, peneliti utama di Pusat Penelitian Paru-Paru Jerman.“Jadi bagaimana kita bisa benar-benar mengevaluasi sesuatu yang serumit COVID-19 tanpa merusak organ?”
Jonigk dan Ackermann membutuhkan sesuatu yang belum pernah ada sebelumnya: serangkaian sinar-x dari organ yang sama yang memungkinkan para peneliti memperbesar bagian organ hingga skala seluler.Pada Maret 2020, duo Jerman ini menghubungi kolaborator lama mereka Peter Lee, seorang ilmuwan material dan ketua teknologi baru di UCL.Keistimewaan Lee adalah mempelajari materi biologis menggunakan sinar-X yang kuat, sehingga pikirannya langsung beralih ke Pegunungan Alpen Prancis.
Pusat Radiasi Synchrotron Eropa terletak di sebidang tanah berbentuk segitiga di bagian barat laut Grenoble, tempat dua sungai bertemu.Objek tersebut adalah akselerator partikel yang mengirimkan elektron dalam orbit melingkar sepanjang setengah mil dengan kecepatan hampir sama dengan kecepatan cahaya.Saat elektron-elektron ini berputar dalam lingkaran, magnet yang kuat di orbit melengkungkan aliran partikel, menyebabkan elektron memancarkan beberapa 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 rontgen organ manusia yang paling detail di dunia.
Masukkan Taforo, yang pekerjaannya di ESRF telah mendorong batas dari apa yang dapat dilihat oleh pemindaian sinkrotron.Serangkaian triknya yang mengesankan sebelumnya memungkinkan para ilmuwan untuk mengintip ke dalam telur dinosaurus dan hampir membelah mumi, dan segera Taforo mengkonfirmasi bahwa sinkrotron secara teoritis dapat memindai seluruh lobus paru-paru dengan baik.Namun nyatanya, memindai seluruh organ manusia merupakan tantangan besar.
Di satu sisi, ada masalah perbandingan.Sinar-X standar membuat gambar berdasarkan seberapa banyak radiasi yang diserap oleh berbagai bahan, dengan elemen yang lebih berat menyerap lebih banyak daripada yang lebih ringan.Jaringan lunak sebagian besar terdiri dari elemen ringan—karbon, hidrogen, oksigen, dll.—sehingga tidak terlihat jelas pada sinar-X medis klasik.
Salah satu hal hebat tentang ESRF adalah pancaran sinar-X-nya sangat koheren: cahaya bergerak dalam gelombang, dan dalam kasus ESRF, semua sinar-X-nya dimulai pada frekuensi dan keselarasan yang sama, terus berosilasi, seperti jejak kaki yang tersisa. oleh Reik melalui taman zen.Tetapi ketika sinar-X ini melewati objek, perbedaan kerapatan yang halus dapat menyebabkan setiap sinar-X menyimpang sedikit dari jalurnya, dan perbedaan tersebut menjadi lebih mudah dideteksi ketika sinar-X bergerak lebih jauh dari objek.Penyimpangan ini dapat mengungkapkan perbedaan densitas yang halus di dalam suatu objek, bahkan jika itu terdiri dari elemen ringan.
Tetapi stabilitas adalah masalah lain.Untuk mengambil serangkaian rontgen yang diperbesar, organ harus diperbaiki dalam bentuk aslinya sehingga tidak bengkok atau bergerak lebih dari seperseribu milimeter.Selain itu, rontgen yang berurutan dari organ yang sama tidak akan cocok satu sama lain.Namun, tak perlu dikatakan, tubuh bisa sangat fleksibel.
Lee dan timnya di UCL bertujuan untuk merancang wadah yang dapat menahan sinar-X synchrotron sambil tetap membiarkan gelombang sebanyak mungkin masuk.Lee juga menangani keseluruhan organisasi proyek—misalnya, perincian pengangkutan organ manusia antara Jerman dan Prancis—dan menyewa Walsh, yang berspesialisasi dalam big data biomedis, untuk membantu mengetahui cara menganalisis pemindaian.Kembali ke Prancis, pekerjaan Taforo termasuk meningkatkan prosedur pemindaian dan mencari cara untuk menyimpan organ dalam wadah yang sedang dibangun oleh tim Lee.
Tafforo tahu bahwa agar organ tidak membusuk, dan gambar menjadi sejelas mungkin, organ tersebut harus diproses dengan beberapa porsi etanol encer.Dia juga tahu bahwa dia perlu menstabilkan organ pada sesuatu yang sama persis dengan kepadatan organ.Rencananya adalah entah bagaimana menempatkan organ dalam 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 alat yang digunakan untuk menyiapkan tulang hewan untuk penelitian anatomi.
Taforo menggunakan produk dari toko kelontong lokal 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 tingkat laboratorium.Untuk berlatih mengemas organ dalam agar-agar, dia mengambil usus babi dari rumah jagal setempat.
Taforo diizinkan untuk kembali ke ESRF pada pertengahan Mei untuk tes pertama pemindaian paru-paru babi.Dari Mei hingga Juni, dia 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: kami gagal dan saya tidak bisa mendapatkan pindaian berkualitas tinggi,” katanya."Saya baru saja mengirimi mereka dua gambar yang buruk bagi saya tetapi bagus untuk mereka."
Bagi Lee dari University of California, Los Angeles, gambarnya menakjubkan: gambar seluruh organ serupa dengan CT scan medis standar, tetapi "sejuta 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 dengan sayap.
Tim menerbitkan deskripsi lengkap pertama mereka tentang pendekatan HiP-CT pada November 2021, dan para peneliti juga merilis detail tentang bagaimana COVID-19 memengaruhi jenis sirkulasi tertentu di paru-paru.
Pemindaian juga memiliki manfaat yang tidak terduga: membantu para peneliti meyakinkan teman dan keluarga untuk divaksinasi.Pada kasus COVID-19 yang parah, banyak pembuluh darah di paru-paru tampak melebar dan bengkak, dan pada tingkat yang lebih rendah, kumpulan pembuluh darah kecil yang tidak normal dapat terbentuk.
“Saat Anda melihat struktur paru-paru dari orang yang meninggal karena COVID, itu tidak terlihat seperti paru-paru — berantakan,” kata Tafolo.
Dia menambahkan bahwa bahkan pada organ yang sehat, pindaian mengungkapkan fitur anatomi halus yang tidak pernah tercatat karena tidak ada organ manusia yang pernah diperiksa secara rinci.Dengan dana lebih dari $1 juta dari Chan Zuckerberg Initiative (organisasi nirlaba yang didirikan oleh CEO Facebook Mark Zuckerberg dan istri Zuckerberg, dokter Priscilla Chan), tim HiP-CT saat ini membuat apa yang disebut atlas organ manusia.
Sejauh ini, tim telah merilis pindaian 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 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 yang berbeda menghubungi tim untuk mempelajari lebih lanjut tentang pendekatan tersebut, kata Li.
Kardiolog UCL Cook melihat potensi besar dalam menggunakan 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 dalam struktur tiga dimensi seperti pembuluh darah.
Bahkan para artis ikut campur.Barney Steele dari kolektif seni pengalaman 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 membuat perjalanan melalui tubuh manusia,” katanya.
Namun terlepas dari semua janji HiP-CT, ada masalah serius.Pertama, kata Walsh, pemindaian HiP-CT menghasilkan "jumlah data yang mengejutkan", dengan mudah satu terabyte per organ.Untuk memungkinkan dokter menggunakan pemindaian ini di dunia nyata, para peneliti berharap dapat mengembangkan antarmuka berbasis cloud untuk menavigasinya, 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, banyak dari proses ini dilakukan secara manual, terutama saat memindai jaringan yang tidak normal atau berpenyakit.Lee dan Walsh mengatakan prioritas tim HiP-CT adalah mengembangkan metode pembelajaran mesin yang dapat mempermudah tugas ini.
Tantangan-tantangan ini akan meluas seiring dengan perluasan atlas organ manusia dan para peneliti menjadi lebih ambisius.Tim HiP-CT menggunakan perangkat sinar ESRF terbaru, bernama BM18, untuk melanjutkan pemindaian organ proyek.BM18 menghasilkan berkas sinar-X yang lebih besar, yang berarti pemindaian memakan waktu lebih sedikit, dan detektor sinar-X BM18 dapat ditempatkan hingga 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 Atlas Organ Manusia asli pada sistem baru.
BM18 juga dapat memindai objek yang sangat besar.Dengan fasilitas baru tersebut, tim berencana untuk memindai seluruh torso tubuh manusia dalam satu gerakan pada akhir tahun 2023.
Menjelajahi potensi teknologi yang sangat besar, Taforo berkata, “Kami benar-benar baru di awal.”
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Seluruh hak cipta.


Waktu posting: Okt-21-2022