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人类最强的X光,告诉我们新冠患者的肺长这样!

发布时间: 2022-1-28 09:59| 查看: 3105| 评论: 0|来自: 英国那些事儿

我们都知道人的肺长什么样,但很少有人看过被新冠病毒感染后的肺。

下面这张图,是一名 54 岁死去新冠患者的肺。

其中,肺泡和呼吸性细支气管是蓝色,开放的血管是红色,而新冠后被闭塞和损坏的血管是黄色。

这张图可以最直观的看出新冠病毒对肺部血管造成的损害。

然而,如此细节的看清肺部细节的医学成像图,却是第一次见到。

这张图不是电脑绘制的图画,也不是模拟的肺模型,而是一个真实的肺。是 X 光扫描出来的。

如此细节的 X 光图,这在不久以前,还是不可想象的 ……

人类研究器官和人体组织,已经有上千年的历史,古代的医学书有器官的结构图,现代的科技也可以让我们清楚看到细胞和微生物。

但这里有一个很反常识的事实:

我们人类并不清楚器官具体长什么样。

" 也许大多数人都会感到惊讶。" 伦敦大学的心脏解剖学家安德鲁 · 库克(Andrew Cook)说,"虽然我们从几百年前就开始研究心脏结构,但到现在都没有定论,心脏的正常结构应该是什么样。特别是心脏的肌肉细胞,以及它如何随着心脏跳动而变化。"

人类当然有很多漂亮、精细的心脏图,但是博士后研究员克莱尔 · 沃尔什(Claire Walsh)说,那些只是艺术创作。

" 在解剖学教科书里,我们能看到很多大比例、小比例的图。这些都是手绘图画是有原因的:因为我们没有真正的图片,所以只能用艺术来诠释。"

之所以出现这种情况,是因为人类技术有限,无法绘制出细胞级别的器官完整图。

像 CT、MRI 这样的医用 X 射线,可以对整个器官进行成像拍片,但是它们的分辨率不高。

活组织检查可以让科学家在显微镜下观察组织样本,看清细胞的情况,这样虽然分辨率高了,可只能展现器官的一小部分,无法知道总体的样子。

我们没有办法同时看清器官全貌,又能同时放大出细胞细节。

形象地讲,人类研究器官,就好像自然爱好者探索森林,

要么是乘坐大型喷气式飞机越过森林上空,要么是沿着一条林间小路徒步旅行,总体和细节无法兼得。

但现在,一种新技术出现了,它可以让人像鸟一样,挥动翅膀在森林中翱翔,能俯瞰森林,也能凝视露珠,看清整个器官的情况。

(用 HiP-CT 技术扫描出的 94 岁女性的左肾,分辨率为 25.08 微米)

这项技术叫作 HiP-CT,一个开创了组织学新时代的东西,

而它的诞生,是科学家们想研究新冠病毒对人体的危害。

2020 年,在新冠疫情开始不久,德国汉诺威医学院的胸外科学家丹尼 · 乔尼克(Danny Jonigk)和美因茨大学的病理学家马克西米里 · 阿克曼(Maximilian Ackermann)就感到这病毒不同寻常。

(丹尼 · 乔尼克)

他们二人都有肺病方面的专业知识,很快注意到报道中说,病人存在 " 隐形缺氧 " 的现象。

" 隐形缺氧 " 是指病人没有出现呼吸困难的症状,也没有明显不适,但是体内的血氧浓度骤降。因为难以察觉,病人的病情会被耽搁很久,进医院时常常处于病危状态。

乔尼克和阿克曼怀疑,这是新冠病毒在以某种方式攻击肺部血管。

(马克西米里 · 阿克曼)

2020 年 3 月,病毒在德国蔓延开后,两人对新冠死者进行尸检,将他们的肺部组织和普通死者的肺进行对比。

两人很快发现,新冠死者的肺中最细小的血管被扭曲,呈现出不同的样子。人体内有大量细密的血管系统,哪怕只有 1%的血管遭到病毒攻击,血液流动和吸收氧气的能力也会受损。

(血管扭曲的部位)

2020 年 5 月,他们在学术期刊上发布结果,说新冠并不是严格意义上的呼吸系统疾病,而是一种血管疾病,可能影响全身的器官。

(两人发表的研究)

在知道病毒影响血管后,两人想了解这种伤害到底是怎么样的,这需要图片足够清晰,能放大到细胞的尺度。

" 虽然肺做的事很简单,氧气进,二氧化碳出,但是里面的微细血管有几万英里长,排列得非常精细,简直就是奇迹。" 乔尼克说," 所以,我们要怎么做才能在不破坏器官的情况下,研究像新冠这么复杂的东西呢?"

想来想去,乔尼克和阿克曼想到用 X 射线。

(HiP-CT 技术扫描出的 94 岁女性肾脏中的血管系统)

他们联系了材料学家皮特 · 李(Peter Lee),他擅长用 X 射线研究生物材料,很快将他们介绍给欧洲科学家的研究圣殿,欧洲同步辐射所。

欧洲同步辐射所,简称 ESRF,是一个位于法国格勒诺布尔登的大型联合研究机构。

(欧洲同步辐射所)

每年有 8000 多名科学家来这里参观,进行 2000 多项实验,吸引他们来这里的,是粒子加速器。

ESRF 的粒子加速器能让电子以接近光的速度,沿着半英里的圆形轨道运动。

当电子一圈圈奔跑时,轨道上强大的磁铁能使粒子流弯曲,让这些电子发射出极亮的 X 射线。

(ESRF 里的加速器轨道)

这种强大的 X 射线能让 ESRF 以微米,甚至纳米的分辨率观测物体。

它通常用于研究合金和复合材料,观察蛋白质的分子结构,以及在不打碎石头的情况下,研究内部的化石骨骼。

乔尼克和阿克曼想用它对人体器官进行世界上最精密的 X 射线扫描,负责加速器技术的保罗 · 塔福罗(Paul Tafforeau)说,这应该能做到。

(保罗 · 塔福罗)

前不久,ESRF 完成了对 " 极端明亮 X 射线源 "(简称 EBS)的升级,它能射出世界上最亮的 X 射线,威力是普通医用 X 射线的 10 万亿倍,是上一代 X 射线源的 100 倍。

EBS 能对复杂物体进行原子级别的成像,扫描后生成三维模型,内部的结构一清二楚。

(ESRF 的粒子加速器)

普通医用 X 射线之所以难以呈现清晰的人体器官,是因为 X 射线靠不同物质的吸收量来作图,重的元素吸收得比轻元素多。

而人体组织主要由轻元素组织(比如碳、氢、氧),所以很难区分。

但 EBS 没有这个问题,因为它的射线非常同步,以相同的频率和对齐方式前进。

当 X 射线穿过物体时,细微的密度差异会导致射线的路线稍微偏移,在离物体越远的位置,这种差异就越容易被检测到。

所以,哪怕是轻元素,EBS 仍然可以清晰描绘软组织的内部图像。

(用 HiP-CT 技术,在 EBS 射线源下扫描出来的 94 岁女性心脏)

唯一的问题,是人体组织很难被固定,如果扫描期间它出现千分之一毫米以上的移动,最终的图像都可能是错误的,因为射线无法对齐。

想清楚这些事后,塔福罗开始研究如何把器官固定在容器里。

他在从海藻中提取出一种凝胶,里面放入大量乙醇,然后从屠宰场找来猪内脏,将它包裹起来。

(保罗 · 塔福罗)

接着,在多种研究化石的技术之上,他研发出一个叫 HiP-CT 的扫描技术,这个技术可以扫描整个器官,也可以放大任何感兴趣的部位,直到细胞程度。

(用 HiP-CT 扫描出的大脑可以不断放大)

去年 5 月,塔福罗用 HiP-CT 扫描了猪肺,看上去没有问题。

然后,他扫描了一名刚刚死于新冠的 54 岁男子的左肺,把照片发给乔尼克和阿克曼。

就是文章开头的那一张

看到照片的李惊叹了,塔福罗给的是一个肺部的三维图像,可以任意把自己想看的地方放大," 信息量是医学 CT 的一百万倍 "。

HiP-CT 技术使人体扫描的分辨率达到 25 微米,比人的头发还细,

在选择要放大的区域后,它还能达到单微米级分辨率,是医学 CT 分辨率的 100 倍!

(可以放大到细胞结构的肺部扫描图)

" 当我们第一次看到图时,所有人都陷入沉默。" 沃尔什说," 之前,没人看过如此详细的人体器官图。"

三维图像显示肺部的血管出现扩展和肿胀,还形成异常的微型血管束,这对新冠病毒的了解更近一步。

这张看上去颇为可怕的图,也成功让研究人员说服他们的亲友接种疫苗。

(研究员在分析 HiP-CT 扫出的图像)

HiP-CT 的工作还没有停止,塔福罗的团队建立了一个人体器官图谱计划,希望将所有器官都扫描一遍,把三维图像放到云端,让所有医学研究者都可以看。这些图就相当于人体的谷歌地图。

目前,团队已经发布了心脏、大脑、肾脏、肺和脾脏的三维图,完成对另外 30 种器官的扫描,还有 80 种器官在排队等候中。

(HiP-CT 扫描出的 5 种器官)

这项技术对了解疾病相当宝贵,已经有 40 多个研究小组联系他们,希望他们能帮忙扫。

HiP-CT 团队还在测试 ESRF 的最新光束设备,叫 BM18,它能产生更大的 X 射线束,意味着扫描所需的时间更短。

BM18 的效果也很好,他们计划在 2023 年底之前,扫描出整个人体。

(保罗 · 塔福罗)

原本,人类还需要靠绘画做出器官结构图,现在只需要半天时间,就能得到一张真实的器官图。

人类离了解自己更进了一步,多亏了科技的发展啊 ……

标签: 科技 新冠

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