Une nouvelle technique de numérisation produit des images très détaillées qui pourraient révolutionner l’étude de l’anatomie humaine.
Lorsque Paul Taforo a vu ses premières images expérimentales de victimes légères du COVID-19, il a pensé qu’il avait échoué.Paléontologue de formation, Taforo a passé des mois à travailler avec des équipes à travers l’Europe pour transformer les accélérateurs de particules des Alpes françaises en outils d’analyse médicale révolutionnaires.
C’était fin mai 2020 et les scientifiques étaient impatients de mieux comprendre comment le COVID-19 détruit les organes humains.Taforo a été chargé de développer une méthode capable d'utiliser les rayons X de haute puissance produits par l'Installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF) à Grenoble, en France.En tant que scientifique de l'ESRF, il a repoussé les limites des radiographies à haute résolution de fossiles rocheux et de momies séchées.À présent, il était terrifié par la masse molle et collante des serviettes en papier.
Les images leur ont montré plus de détails que n'importe quel scanner médical qu'ils avaient jamais vu auparavant, leur permettant de surmonter les lacunes tenaces dans la façon dont les scientifiques et les médecins visualisent et comprennent les organes humains."Dans les manuels d'anatomie, quand vous le voyez, c'est à grande échelle, c'est à petite échelle, et ce sont de belles images dessinées à la main pour une raison : ce sont des interprétations artistiques parce que nous n'avons pas d'images", a déclaré l'University College London (UCL). ) dit..» a déclaré la chercheuse principale Claire Walsh."Pour la première fois, nous pouvons faire quelque chose de réel."
Taforo et Walsh font partie d'une équipe internationale de plus de 30 chercheurs qui ont créé une nouvelle technique puissante de numérisation aux rayons X appelée tomographie à contraste de phase hiérarchique (HiP-CT).Grâce à lui, ils peuvent enfin passer d'un organe humain complet à une vue agrandie des plus petits vaisseaux sanguins du corps, voire des cellules individuelles.
Cette méthode fournit déjà de nouvelles informations sur la manière dont le COVID-19 endommage et remodèle les vaisseaux sanguins des poumons.Bien que ses perspectives à long terme soient difficiles à déterminer car rien de comparable à HiP-CT n’a jamais existé auparavant, les chercheurs enthousiasmés par son potentiel envisagent avec enthousiasme de nouvelles façons de comprendre la maladie et de cartographier l’anatomie humaine avec une carte topographique plus précise.
Andrew Cooke, cardiologue à l'UCL, a déclaré : « La plupart des gens peuvent être surpris que nous étudiions l'anatomie du cœur depuis des centaines d'années, mais il n'y a pas de consensus sur la structure normale du cœur, en particulier le cœur… Les cellules musculaires et comment elles changent. quand le cœur bat. »
"J'ai attendu toute ma carrière", a-t-il déclaré.
La technique HiP-CT a vu le jour lorsque deux pathologistes allemands se sont affrontés pour suivre les effets punitifs du virus SARS-CoV-2 sur le corps humain.
Danny Jonigk, pathologiste thoracique à la faculté de médecine de Hanovre, et Maximilian Ackermann, pathologiste au centre médical universitaire de Mayence, étaient en état d'alerte alors que la nouvelle d'un cas inhabituel de pneumonie commençait à se propager en Chine.Tous deux avaient de l’expérience dans le traitement des maladies pulmonaires et savaient tout de suite que le COVID-19 était inhabituel.Le couple était particulièrement préoccupé par les informations faisant état d’une « hypoxie silencieuse » qui maintenait les patients atteints du COVID-19 éveillés mais faisait chuter leur taux d’oxygène dans le sang.
Ackermann et Jonig soupçonnent que le SRAS-CoV-2 attaque d’une manière ou d’une autre les vaisseaux sanguins des poumons.Lorsque la maladie s’est propagée en Allemagne en mars 2020, le couple a commencé à pratiquer des autopsies sur les victimes du COVID-19.Ils ont rapidement testé leur hypothèse vasculaire en injectant de la résine dans des échantillons de tissus, puis en dissolvant le tissu dans de l'acide, laissant un modèle précis du système vasculaire d'origine.
En utilisant cette technique, Ackermann et Jonigk ont ​​comparé les tissus de personnes qui ne sont pas mortes du COVID-19 à ceux de personnes qui l’ont été.Ils ont immédiatement constaté que chez les victimes du COVID-19, les plus petits vaisseaux sanguins des poumons étaient tordus et reconstruits.Ces résultats marquants, publiés en ligne en mai 2020, montrent que la COVID-19 n’est pas strictement une maladie respiratoire, mais plutôt une maladie vasculaire pouvant toucher les organes de tout le corps.
"Si vous parcourez le corps et alignez tous les vaisseaux sanguins, vous parcourez entre 60 000 et 70 000 milles, soit deux fois la distance autour de l'équateur", a déclaré Ackermann, un pathologiste de Wuppertal, en Allemagne..Il a ajouté que si seulement 1 pour cent de ces vaisseaux sanguins étaient attaqués par le virus, la circulation sanguine et la capacité à absorber l’oxygène seraient compromises, ce qui pourrait avoir des conséquences dévastatrices pour l’ensemble de l’organe.
Une fois que Jonigk et Ackermann ont réalisé l’impact du COVID-19 sur les vaisseaux sanguins, ils ont réalisé qu’ils devaient mieux comprendre les dommages.
Les radiographies médicales, telles que les tomodensitogrammes, peuvent fournir des vues d’organes entiers, mais leur résolution n’est pas suffisamment élevée.Une biopsie permet aux scientifiques d’examiner des échantillons de tissus au microscope, mais les images obtenues ne représentent qu’une petite partie de l’organe entier et ne peuvent pas montrer comment le COVID-19 se développe dans les poumons.Et la technique de résine développée par l’équipe nécessite la dissolution du tissu, ce qui détruit l’échantillon et limite les recherches ultérieures.
"En fin de compte, [les poumons] reçoivent de l'oxygène et le dioxyde de carbone est éliminé, mais pour cela, ils disposent de milliers de kilomètres de vaisseaux sanguins et de capillaires, très finement espacés... c'est presque un miracle", a déclaré Jonigk, fondateur. chercheur principal au Centre allemand de recherche pulmonaire.« Alors, comment pouvons-nous vraiment évaluer quelque chose d’aussi complexe que le COVID-19 sans détruire les organes ?
Jonigk et Ackermann avaient besoin de quelque chose sans précédent : une série de radiographies du même organe qui permettrait aux chercheurs d'agrandir des parties de l'organe à l'échelle cellulaire.En mars 2020, le duo allemand a contacté leur collaborateur de longue date Peter Lee, scientifique des matériaux et président des technologies émergentes à l'UCL.La spécialité de Lee étant l'étude des matériaux biologiques à l'aide de rayons X puissants, ses pensées se sont immédiatement tournées vers les Alpes françaises.
Le Centre européen de rayonnement synchrotron est situé sur un terrain triangulaire au nord-ouest de Grenoble, à la croisée de deux rivières.L'objet est un accélérateur de particules qui envoie des électrons sur des orbites circulaires d'un demi-mile de long à une vitesse proche de celle de la lumière.Lorsque ces électrons tournent en rond, de puissants aimants en orbite déforment le flux de particules, ce qui amène les électrons à émettre certains des rayons X les plus brillants au monde.
Ce puissant rayonnement permet à l’ESRF d’espionner des objets à l’échelle micrométrique voire nanométrique.Il est souvent utilisé pour étudier des matériaux tels que les alliages et les composites, pour étudier la structure moléculaire des protéines et même pour reconstruire d'anciens fossiles sans séparer la pierre des os.Ackermann, Jonigk et Lee voulaient utiliser cet instrument géant pour prendre les radiographies d'organes humains les plus détaillées au monde.
Entrez Taforo, dont les travaux à l'ESRF ont repoussé les limites de ce que le balayage synchrotron peut voir.Sa gamme impressionnante d'astuces avait déjà permis aux scientifiques de scruter l'intérieur des œufs de dinosaures et de presque ouvrir des momies, et presque immédiatement, Taforo a confirmé que les synchrotrons pouvaient théoriquement bien scanner des lobes pulmonaires entiers.Mais en réalité, scanner des organes humains entiers constitue un défi de taille.
D’une part, il y a le problème de la comparaison.Les rayons X standard créent des images basées sur la quantité de rayonnement absorbée par différents matériaux, les éléments plus lourds absorbant plus que les éléments plus légers.Les tissus mous sont principalement constitués d’éléments légers – carbone, hydrogène, oxygène, etc. – et n’apparaissent donc pas clairement sur une radiographie médicale classique.
L'un des avantages de l'ESRF est que son faisceau de rayons X est très cohérent : la lumière se déplace par ondes, et dans le cas de l'ESRF, tous ses rayons X démarrent à la même fréquence et dans le même alignement, oscillant constamment, comme des empreintes laissées. par Reik à travers un jardin zen.Mais à mesure que ces rayons X traversent l’objet, de subtiles différences de densité peuvent entraîner une légère déviation de chaque rayon X par rapport à sa trajectoire, et la différence devient plus facile à détecter à mesure que les rayons X s’éloignent de l’objet.Ces écarts peuvent révéler de subtiles différences de densité au sein d’un objet, même s’il est constitué d’éléments légers.
Mais la stabilité est un autre problème.Afin de prendre une série de radiographies agrandies, l'organe doit être fixé dans sa forme naturelle afin qu'il ne se plie pas ou ne bouge pas de plus d'un millième de millimètre.De plus, les radiographies successives d’un même organe ne se correspondent pas.Il va sans dire que le corps peut être très flexible.
Lee et son équipe de l'UCL avaient pour objectif de concevoir des conteneurs capables de résister aux rayons X du synchrotron tout en laissant passer autant d'ondes que possible.Lee s'est également occupé de l'organisation globale du projet (par exemple, les détails du transport d'organes humains entre l'Allemagne et la France) et a embauché Walsh, spécialisé dans le big data biomédical, pour l'aider à comprendre comment analyser les scans.De retour en France, le travail de Taforo consistait notamment à améliorer la procédure de numérisation et à déterminer comment stocker l'orgue dans le conteneur que l'équipe de Lee était en train de construire.
Tafforo savait que pour que les organes ne se décomposent pas et que les images soient aussi claires que possible, ils devaient être traités avec plusieurs portions d'éthanol aqueux.Il savait également qu'il devait stabiliser l'organe sur quelque chose qui correspondait exactement à la densité de l'organe.Son plan était de placer les organes dans une gélose riche en éthanol, une substance gélatineuse extraite des algues.
Cependant, le diable se cache dans les détails : comme dans la plupart des pays d’Europe, Taforo est coincé chez lui et enfermé.Taforo a donc transféré ses recherches dans un laboratoire domestique : il a passé des années à décorer une ancienne cuisine de taille moyenne avec des imprimantes 3D, des équipements de chimie de base et des outils utilisés pour préparer les os d'animaux pour la recherche anatomique.
Taforo a utilisé des produits de l'épicerie locale pour découvrir comment fabriquer de la gélose.Il récupère même les eaux pluviales d'un toit qu'il a récemment nettoyé pour produire de l'eau déminéralisée, un ingrédient standard dans les formules de gélose de qualité laboratoire.Pour s’entraîner à conditionner ses organes dans de la gélose, il a prélevé des intestins de porc dans un abattoir local.
Taforo a été autorisé à retourner à l'ESRF à la mi-mai pour le premier examen pulmonaire d'essai sur des porcs.De mai à juin, il a préparé et scanné le lobe du poumon gauche d’un homme de 54 ans décédé du COVID-19, qu’Ackermann et Jonig ont emmené d’Allemagne à Grenoble.
"Quand j'ai vu la première image, il y avait dans mon courrier électronique une lettre d'excuses adressée à toutes les personnes impliquées dans le projet : nous avons échoué et je n'ai pas pu obtenir un scan de haute qualité", a-t-il déclaré."Je viens de leur envoyer deux photos qui étaient terribles pour moi mais géniales pour eux."
Pour Lee de l’Université de Californie à Los Angeles, les images sont époustouflantes : les images d’organes entiers sont similaires aux tomodensitogrammes médicaux standards, mais « un million de fois plus informatifs ».C'est comme si l'explorateur avait étudié la forêt toute sa vie, soit en la survolant à bord d'un avion à réaction géant, soit en parcourant le sentier.Maintenant, ils planent au-dessus de la canopée comme des oiseaux sur des ailes.
L’équipe a publié sa première description complète de l’approche HiP-CT en novembre 2021, et les chercheurs ont également publié des détails sur la manière dont le COVID-19 affecte certains types de circulation dans les poumons.
L’analyse a également eu un avantage inattendu : elle a aidé les chercheurs à convaincre les amis et la famille de se faire vacciner.Dans les cas graves de COVID-19, de nombreux vaisseaux sanguins des poumons semblent dilatés et gonflés et, dans une moindre mesure, des faisceaux anormaux de minuscules vaisseaux sanguins peuvent se former.
"Quand vous regardez la structure du poumon d'une personne décédée du COVID, cela ne ressemble pas à un poumon, c'est un gâchis", a déclaré Tafolo.
Il a ajouté que même dans les organes sains, les analyses ont révélé des caractéristiques anatomiques subtiles qui n'ont jamais été enregistrées car aucun organe humain n'avait jamais été examiné avec autant de détails.Avec plus d'un million de dollars de financement de la Chan Zuckerberg Initiative (une organisation à but non lucratif fondée par le PDG de Facebook, Mark Zuckerberg, et l'épouse de Zuckerberg, la médecin Priscilla Chan), l'équipe HiP-CT crée actuellement ce qu'on appelle un atlas des organes humains.
Jusqu’à présent, l’équipe a publié des analyses de cinq organes – le cœur, le cerveau, les reins, les poumons et la rate – basées sur les organes donnés par Ackermann et Jonigk lors de leur autopsie du COVID-19 en Allemagne et de l’organe de « contrôle » sanitaire LADAF.Laboratoire d'anatomie de Grenoble.L'équipe a produit les données, ainsi que des films de vol, sur la base de données disponibles gratuitement sur Internet.L'Atlas des organes humains se développe rapidement : 30 autres organes ont été scannés et 80 autres sont à divers stades de préparation.Près de 40 groupes de recherche différents ont contacté l'équipe pour en savoir plus sur cette approche, a déclaré Li.
Cook, cardiologue à l'UCL, voit un grand potentiel dans l'utilisation du HiP-CT pour comprendre l'anatomie de base.Le radiologue de l'UCL, Joe Jacob, spécialisé dans les maladies pulmonaires, a déclaré que le HiP-CT sera « inestimable pour comprendre la maladie », en particulier dans les structures tridimensionnelles telles que les vaisseaux sanguins.
Même les artistes sont entrés dans la mêlée.Barney Steele du collectif d'art expérientiel basé à Londres Marshmallow Laser Feast affirme qu'il étudie activement comment les données HiP-CT peuvent être explorées dans la réalité virtuelle immersive.« Essentiellement, nous créons un voyage à travers le corps humain », a-t-il déclaré.
Mais malgré toutes les promesses du HiP-CT, de sérieux problèmes subsistent.Premièrement, dit Walsh, un scan HiP-CT génère une « quantité stupéfiante de données », facilement un téraoctet par organe.Pour permettre aux cliniciens d'utiliser ces analyses dans le monde réel, les chercheurs espèrent développer une interface basée sur le cloud pour y naviguer, telle que Google Maps pour le corps humain.
Ils devaient également faciliter la conversion des numérisations en modèles 3D exploitables.Comme toutes les méthodes de tomodensitométrie, HiP-CT fonctionne en prenant de nombreuses tranches 2D d'un objet donné et en les empilant.Même aujourd’hui, une grande partie de ce processus est effectuée manuellement, notamment lors de l’analyse de tissus anormaux ou malades.Lee et Walsh affirment que la priorité de l'équipe HiP-CT est de développer des méthodes d'apprentissage automatique susceptibles de faciliter cette tâche.
Ces défis s’accentueront à mesure que l’atlas des organes humains s’étoffera et que les chercheurs deviendront plus ambitieux.L'équipe HiP-CT utilise le dernier appareil à faisceau de l'ESRF, nommé BM18, pour continuer à scanner les organes du projet.Le BM18 produit un faisceau de rayons X plus grand, ce qui signifie que l'analyse prend moins de temps, et le détecteur de rayons X BM18 peut être placé jusqu'à 125 pieds (38 mètres) de l'objet à analyser, ce qui rend l'analyse plus claire.Les résultats du BM18 sont déjà très bons, déclare Taforo, qui a réanalysé certains des échantillons originaux de l'Atlas des organes humains sur le nouveau système.
Le BM18 peut également numériser des objets très volumineux.Avec cette nouvelle installation, l’équipe prévoit de scanner l’intégralité du torse humain d’un seul coup d’ici la fin de 2023.
Explorant l'énorme potentiel de la technologie, Taforo a déclaré : « Nous n'en sommes qu'au début. »
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