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他们用人类史上最强的X光,告诉我们新冠患者的肺真正伤成了什么样!

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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)

这项技术叫做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进一步。

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射线光束,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。

人类离了解自己更近了一步,多亏了科技的发展啊……

ref:

https://www.nationalgeographic.com/science/article/worlds-brightest-x-rays-reveal-covid-19-damage-to-the-body?utm_source=digg
https://mecheng.ucl.ac.uk/hip-ct/


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