Uma nova técnica de digitalização produz imagens com grande detalhamento que podem revolucionar o estudo da anatomia humana.
Quando Paul Taforo viu as suas primeiras imagens experimentais de vítimas da luz da COVID-19, pensou que tinha falhado.Paleontólogo de formação, Taforo passou meses a trabalhar com equipas de toda a Europa para transformar aceleradores de partículas nos Alpes franceses em ferramentas revolucionárias de digitalização médica.
Foi no final de maio de 2020 e os cientistas estavam ansiosos para compreender melhor como a COVID-19 destrói órgãos humanos.Taforo foi contratado para desenvolver um método que pudesse usar os raios X de alta potência produzidos pelo European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) em Grenoble, França.Como cientista da ESRF, ele ultrapassou os limites das radiografias de alta resolução de fósseis rochosos e múmias secas.Agora ele estava com medo da massa macia e pegajosa das toalhas de papel.
As imagens mostraram-lhes mais detalhes do que qualquer tomografia computadorizada médica que já tinham visto antes, permitindo-lhes superar lacunas persistentes na forma como os cientistas e médicos visualizam e compreendem os órgãos humanos.“Nos livros didáticos de anatomia, quando você vê, é em grande escala, é em pequena escala, e são belas imagens desenhadas à mão por uma razão: são interpretações artísticas porque não temos imagens”, University College London (UCL ) disse..A pesquisadora sênior Claire Walsh disse.“Pela primeira vez podemos fazer a coisa real.”
Taforo e Walsh fazem parte de uma equipe internacional de mais de 30 pesquisadores que criaram uma nova e poderosa técnica de varredura de raios X chamada Tomografia de Contraste de Fase Hierárquica (HiP-CT).Com ele, eles podem finalmente passar de um órgão humano completo para uma visão ampliada dos menores vasos sanguíneos do corpo ou até mesmo de células individuais.
Este método já está fornecendo novos insights sobre como o COVID-19 danifica e remodela os vasos sanguíneos nos pulmões.Embora as suas perspectivas a longo prazo sejam difíceis de determinar porque nunca existiu nada como o HiP-CT antes, os investigadores entusiasmados com o seu potencial estão a imaginar com entusiasmo novas formas de compreender as doenças e mapear a anatomia humana com um mapa topográfico mais preciso.
O cardiologista da UCL, Andrew Cooke, disse: “A maioria das pessoas pode se surpreender com o fato de estudarmos a anatomia do coração há centenas de anos, mas não há consenso sobre a estrutura normal do coração, especialmente o coração… Células musculares e como elas mudam quando o coração bate.”
“Esperei durante toda a minha carreira”, disse ele.
A técnica HiP-CT começou quando dois patologistas alemães competiram para rastrear os efeitos punitivos do vírus SARS-CoV-2 no corpo humano.
Danny Jonigk, patologista torácico da Escola Médica de Hannover, e Maximilian Ackermann, patologista do Centro Médico Universitário de Mainz, estavam em alerta máximo quando a notícia do caso incomum de pneumonia começou a se espalhar na China.Ambos tinham experiência no tratamento de doenças pulmonares e souberam imediatamente que a COVID-19 era incomum.O casal estava particularmente preocupado com relatos de “hipóxia silenciosa” que manteve os pacientes com COVID-19 acordados, mas fez com que os níveis de oxigênio no sangue despencassem.
Ackermann e Jonig suspeitam que o SARS-CoV-2 de alguma forma ataca os vasos sanguíneos dos pulmões.Quando a doença se espalhou para a Alemanha em março de 2020, o casal iniciou autópsias nas vítimas da COVID-19.Eles logo testaram sua hipótese vascular injetando resina em amostras de tecido e depois dissolvendo o tecido em ácido, deixando um modelo preciso da vasculatura original.
Usando esta técnica, Ackermann e Jonigk compararam tecidos de pessoas que não morreram de COVID-19 com aqueles de pessoas que morreram.Eles imediatamente viram que nas vítimas da COVID-19, os menores vasos sanguíneos dos pulmões foram torcidos e reconstruídos.Estes resultados marcantes, publicados online em maio de 2020, mostram que a COVID-19 não é estritamente uma doença respiratória, mas sim uma doença vascular que pode afetar órgãos de todo o corpo.
“Se você percorrer o corpo e alinhar todos os vasos sanguíneos, terá de 60.000 a 70.000 milhas, o que é o dobro da distância ao redor do equador”, disse Ackermann, patologista de Wuppertal, Alemanha..Ele acrescentou que se apenas 1% desses vasos sanguíneos fossem atacados pelo vírus, o fluxo sanguíneo e a capacidade de absorver oxigênio ficariam comprometidos, o que poderia levar a consequências devastadoras para todo o órgão.
Assim que Jonigk e Ackermann perceberam o impacto da COVID-19 nos vasos sanguíneos, perceberam que precisavam de compreender melhor os danos.
Radiografias médicas, como tomografias computadorizadas, podem fornecer imagens de órgãos inteiros, mas não têm resolução suficiente.Uma biópsia permite aos cientistas examinar amostras de tecido ao microscópio, mas as imagens resultantes representam apenas uma pequena parte de todo o órgão e não podem mostrar como a COVID-19 se desenvolve nos pulmões.E a técnica de resina desenvolvida pela equipe exige a dissolução do tecido, o que destrói a amostra e limita pesquisas futuras.
“No final das contas, [os pulmões] recebem oxigênio e o dióxido de carbono é eliminado, mas, para isso, há milhares de quilômetros de vasos sanguíneos e capilares, muito pouco espaçados... é quase um milagre”, disse Jonigk, fundador. investigador principal do Centro Alemão de Pesquisa Pulmonar.“Então, como podemos realmente avaliar algo tão complexo como a COVID-19 sem destruir órgãos?”
Jonigk e Ackermann precisavam de algo sem precedentes: uma série de radiografias do mesmo órgão que permitisse aos pesquisadores ampliar partes do órgão em escala celular.Em março de 2020, a dupla alemã contatou seu colaborador de longa data Peter Lee, cientista de materiais e presidente de tecnologias emergentes na UCL.A especialidade de Lee é o estudo de materiais biológicos usando poderosos raios X, então seus pensamentos imediatamente se voltaram para os Alpes franceses.
O Centro Europeu de Radiação Síncrotron está localizado em um pedaço triangular de terra na parte noroeste de Grenoble, onde dois rios se encontram.O objeto é um acelerador de partículas que envia elétrons em órbitas circulares de oitocentos metros de comprimento, quase à velocidade da luz.À medida que esses elétrons giram em círculos, poderosos ímãs em órbita distorcem o fluxo de partículas, fazendo com que os elétrons emitam alguns dos raios X mais brilhantes do mundo.
Esta radiação poderosa permite que o ESRF espione objetos na escala micrométrica ou mesmo nanométrica.É frequentemente usado para estudar materiais como ligas e compósitos, para estudar a estrutura molecular de proteínas e até mesmo para reconstruir fósseis antigos sem separar a pedra do osso.Ackermann, Jonigk e Lee queriam usar o instrumento gigante para tirar as radiografias de órgãos humanos mais detalhadas do mundo.
Entra Taforo, cujo trabalho na ESRF ultrapassou os limites do que a varredura síncrotron pode ver.Sua impressionante variedade de truques já havia permitido aos cientistas espiar dentro de ovos de dinossauros e quase abrir múmias, e quase imediatamente Taforo confirmou que os síncrotrons poderiam, teoricamente, escanear bem lobos pulmonares inteiros.Mas, na verdade, escanear órgãos humanos inteiros é um enorme desafio.
Por um lado, existe o problema da comparação.Os raios X padrão criam imagens com base na quantidade de radiação que diferentes materiais absorvem, com elementos mais pesados ​​absorvendo mais do que os mais leves.Os tecidos moles são compostos principalmente de elementos leves – carbono, hidrogênio, oxigênio, etc. – portanto, não aparecem claramente em uma radiografia médica clássica.
Uma das grandes vantagens do ESRF é que seu feixe de raios X é muito coerente: a luz viaja em ondas e, no caso do ESRF, todos os seus raios X começam na mesma frequência e alinhamento, oscilando constantemente, como pegadas deixadas. por Reik através de um jardim zen.Mas à medida que estes raios X passam através do objeto, diferenças subtis na densidade podem fazer com que cada raio X se desvie ligeiramente do trajeto, e a diferença torna-se mais fácil de detetar à medida que os raios X se afastam do objeto.Esses desvios podem revelar diferenças sutis de densidade dentro de um objeto, mesmo que ele seja composto de elementos leves.
Mas a estabilidade é outra questão.Para fazer uma série de radiografias ampliadas, o órgão deve ser fixado em seu formato natural para não dobrar ou se mover mais do que um milésimo de milímetro.Além disso, radiografias sucessivas do mesmo órgão não corresponderão entre si.Escusado será dizer, porém, que o corpo pode ser muito flexível.
Lee e sua equipe na UCL pretendiam projetar contêineres que pudessem resistir aos raios X síncrotron e, ao mesmo tempo, deixar passar o maior número possível de ondas.Lee também cuidou da organização geral do projeto – por exemplo, os detalhes do transporte de órgãos humanos entre a Alemanha e a França – e contratou Walsh, especializado em big data biomédico, para ajudar a descobrir como analisar os exames.De volta à França, o trabalho de Taforo incluiu melhorar o procedimento de digitalização e descobrir como armazenar o órgão no contêiner que a equipe de Lee estava construindo.
Tafforo sabia que para que os órgãos não se decomponham e as imagens fiquem o mais nítidas possível, devem ser processadas com diversas porções de etanol aquoso.Ele também sabia que precisava estabilizar o órgão em algo que correspondesse exatamente à densidade do órgão.Seu plano era colocar de alguma forma os órgãos em ágar rico em etanol, uma substância gelatinosa extraída de algas marinhas.
No entanto, o diabo está nos detalhes – como na maior parte da Europa, Taforo está preso em casa e trancado.Então Taforo transferiu sua pesquisa para um laboratório doméstico: ele passou anos decorando uma antiga cozinha de tamanho médio com impressoras 3D, equipamentos básicos de química e ferramentas usadas para preparar ossos de animais para pesquisas anatômicas.
Taforo usou produtos do supermercado local para descobrir como fazer ágar.Ele até coleta águas pluviais de um telhado que limpou recentemente para produzir água desmineralizada, um ingrediente padrão em fórmulas de ágar de laboratório.Para praticar o empacotamento de órgãos em ágar, ele retirou intestinos de porco de um matadouro local.
Taforo foi autorizado a retornar ao ESRF em meados de maio para o primeiro teste de tomografia pulmonar em porcos.De maio a junho, ele preparou e escaneou o lobo pulmonar esquerdo de um homem de 54 anos que morreu de COVID-19, que Ackermann e Jonig levaram da Alemanha para Grenoble.
“Quando vi a primeira imagem, havia uma carta de desculpas no meu e-mail para todos os envolvidos no projeto: falhamos e não consegui uma digitalização de alta qualidade”, disse ele.“Acabei de enviar a eles duas fotos que foram terríveis para mim, mas ótimas para eles.”
Para Lee, da Universidade da Califórnia, em Los Angeles, as imagens são impressionantes: as imagens de órgãos inteiros são semelhantes às tomografias computadorizadas médicas padrão, mas “um milhão de vezes mais informativas”.É como se o explorador tivesse estudado a floresta durante toda a sua vida, seja sobrevoando a floresta em um avião a jato gigante, ou viajando pela trilha.Agora eles voam acima da copa das árvores como pássaros com asas.
A equipe publicou sua primeira descrição completa da abordagem HiP-CT em novembro de 2021, e os pesquisadores também divulgaram detalhes sobre como o COVID-19 afeta certos tipos de circulação nos pulmões.
O exame também teve um benefício inesperado: ajudou os pesquisadores a convencer amigos e familiares a se vacinarem.Em casos graves de COVID-19, muitos vasos sanguíneos nos pulmões parecem dilatados e inchados e, em menor grau, podem formar-se feixes anormais de pequenos vasos sanguíneos.
“Quando você olha para a estrutura do pulmão de uma pessoa que morreu de COVID, não parece um pulmão – é uma bagunça”, disse Tafolo.
Ele acrescentou que mesmo em órgãos saudáveis, os exames revelaram características anatômicas sutis que nunca foram registradas porque nenhum órgão humano havia sido examinado com tanto detalhe.Com mais de US$ 1 milhão em financiamento da Iniciativa Chan Zuckerberg (uma organização sem fins lucrativos fundada pelo CEO do Facebook, Mark Zuckerberg, e pela esposa de Zuckerberg, a médica Priscilla Chan), a equipe do HiP-CT está atualmente criando o que é chamado de atlas de órgãos humanos.
Até agora, a equipe divulgou exames de cinco órgãos – coração, cérebro, rins, pulmões e baço – com base nos órgãos doados por Ackermann e Jonigk durante a autópsia do COVID-19 na Alemanha e no órgão de “controle” de saúde LADAF.Laboratório anatômico de Grenoble.A equipe produziu os dados, bem como filmes de voo, com base em dados disponíveis gratuitamente na Internet.O Atlas de Órgãos Humanos está em rápida expansão: outros 30 órgãos foram escaneados e outros 80 estão em vários estágios de preparação.Quase 40 grupos de pesquisa diferentes contataram a equipe para saber mais sobre a abordagem, disse Li.
O cardiologista Cook da UCL vê um grande potencial no uso do HiP-CT para entender a anatomia básica.O radiologista da UCL, Joe Jacob, especializado em doenças pulmonares, disse que o HiP-CT será “inestimável para a compreensão das doenças”, especialmente em estruturas tridimensionais, como vasos sanguíneos.
Até os artistas entraram na briga.Barney Steele, do coletivo de arte experiencial Marshmallow Laser Feast, com sede em Londres, diz que está investigando ativamente como os dados do HiP-CT podem ser explorados em realidade virtual imersiva.“Essencialmente, estamos criando uma viagem pelo corpo humano”, disse ele.
Mas apesar de todas as promessas do HiP-CT, existem problemas sérios.Primeiro, diz Walsh, uma varredura HiP-CT gera uma “quantidade impressionante de dados”, facilmente um terabyte por órgão.Para permitir que os médicos utilizem estes exames no mundo real, os investigadores esperam desenvolver uma interface baseada na nuvem para navegar neles, como o Google Maps para o corpo humano.
Eles também precisavam facilitar a conversão de digitalizações em modelos 3D viáveis.Como todos os métodos de tomografia computadorizada, o HiP-CT funciona pegando muitas fatias 2D de um determinado objeto e empilhando-as juntas.Ainda hoje, grande parte desse processo é feito manualmente, especialmente na varredura de tecidos anormais ou doentes.Lee e Walsh dizem que a prioridade da equipe HiP-CT é desenvolver métodos de aprendizado de máquina que possam facilitar essa tarefa.
Estes desafios aumentarão à medida que o atlas de órgãos humanos se expandir e os investigadores se tornarem mais ambiciosos.A equipe do HiP-CT está usando o mais recente dispositivo de feixe ESRF, denominado BM18, para continuar a escanear os órgãos do projeto.O BM18 produz um feixe de raios X maior, o que significa que a digitalização leva menos tempo, e o detector de raios X BM18 pode ser colocado a até 38 metros (125 pés) de distância do objeto que está sendo escaneado, tornando a varredura mais nítida.Os resultados do BM18 já são muito bons, diz Taforo, que digitalizou novamente algumas das amostras originais do Atlas de Órgãos Humanos no novo sistema.
O BM18 também pode digitalizar objetos muito grandes.Com as novas instalações, a equipe planeja escanear todo o torso do corpo humano de uma só vez até o final de 2023.
Explorando o enorme potencial da tecnologia, Taforo disse: “Estamos realmente apenas no começo”.
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