La radiographie la plus brillante au monde révèle des dommages corporels causés par COVID-19

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 qui pourrait utiliser les rayons X de haute puissance produits par l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) à Grenoble, France.En tant que scientifique de l'ESRF, il a repoussé les limites des rayons X à haute résolution de fossiles de roches et de momies séchées.Maintenant, 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", University College London (UCL ) a dit..La chercheuse principale Claire Walsh a déclaré."Pour la première fois, nous pouvons faire la vraie chose."
Taforo et Walsh font partie d'une équipe internationale de plus de 30 chercheurs qui ont créé une nouvelle technique de balayage à rayons X puissante appelée tomographie par contraste de phase hiérarchique (HiP-CT).Avec lui, ils peuvent enfin passer d'un organe humain complet à une vue agrandie des plus petits vaisseaux sanguins du corps ou même des cellules individuelles.
Cette méthode fournit déjà de nouvelles informations sur la façon dont le COVID-19 endommage et remodèle les vaisseaux sanguins dans les poumons.Bien que ses perspectives à long terme soient difficiles à déterminer car rien de tel que le 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.
Le cardiologue de l'UCL, Andrew Cooke, a déclaré: «La plupart des gens peuvent être surpris que nous étudions 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 cela change quand le cœur bat. »
"J'ai attendu toute ma carrière", a-t-il déclaré.
La technique HiP-CT a commencé 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 alerte maximale alors que la nouvelle du cas inhabituel de pneumonie commençait à se propager en Chine.Tous deux avaient de l'expérience dans le traitement des affections pulmonaires et savaient tout de suite que le COVID-19 était inhabituel.Le couple était particulièrement préoccupé par les rapports d '«hypoxie silencieuse» qui maintenaient les patients COVID-19 éveillés mais faisaient 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 dans les poumons.Lorsque la maladie s'est propagée en Allemagne en mars 2020, le couple a commencé 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 de la vascularisation 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 fait.Ils ont immédiatement vu 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 le COVID-19 n'est pas à proprement parler une maladie respiratoire, mais plutôt une maladie vasculaire qui peut affecter les organes de tout le corps.
"Si vous traversez le corps et alignez tous les vaisseaux sanguins, vous obtenez 60 000 à 70 000 miles, soit le double de la distance autour de l'équateur", a déclaré Ackermann, un pathologiste de Wuppertal, en Allemagne..Il a ajouté que si seulement 1% de ces vaisseaux sanguins étaient attaqués par le virus, le flux sanguin et la capacité à absorber l'oxygène seraient compromis, 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 que l'équipe a développée nécessite de dissoudre le tissu, ce qui détruit l'échantillon et limite les recherches ultérieures.
"À la fin de la journée, [les poumons] obtiennent de l'oxygène et du dioxyde de carbone s'en échappe, mais pour cela, il a des milliers de kilomètres de vaisseaux sanguins et de capillaires, très peu 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 d'organes ?"
Jonigk et Ackermann avaient besoin de quelque chose d'inédit : 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 son collaborateur de longue date Peter Lee, scientifique des matériaux et titulaire de la chaire des technologies émergentes à l'UCL.La spécialité de Lee est l'étude des matériaux biologiques à l'aide de rayons X puissants, de sorte que ses pensées se sont immédiatement tournées vers les Alpes françaises.
Le Centre européen de rayonnement synchrotron est situé sur une parcelle de terrain triangulaire au nord-ouest de Grenoble, au confluent de deux rivières.L'objet est un accélérateur de particules qui envoie des électrons sur des orbites circulaires d'un demi-mille de long à presque la vitesse de la lumière.Alors que ces électrons tournent en cercles, de puissants aimants en orbite déforment le flux de particules, provoquant l'émission par les électrons de 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 de l'os.Ackermann, Jonigk et Lee voulaient utiliser l'instrument géant pour prendre les radiographies d'organes humains les plus détaillées au monde.
Voici Taforo, dont le travail à l'ESRF a repoussé les limites de ce que le balayage synchrotron peut voir.Son éventail impressionnant d'astuces avait auparavant permis aux scientifiques de regarder à l'intérieur des œufs de dinosaures et de couper presque des momies ouvertes, et presque immédiatement, Taforo a confirmé que les synchrotrons pouvaient théoriquement bien scanner des lobes pulmonaires entiers.Mais en fait, scanner des organes humains entiers est un énorme défi.
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 plus légers.Les tissus mous sont majoritairement 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 propage par ondes et, dans le cas de l'ESRF, tous ses rayons X commencent à la même fréquence et dans le même alignement, oscillant constamment, comme des empreintes laissées. par Reik à travers un jardin zen.Mais lorsque ces rayons X traversent l'objet, de subtiles différences de densité peuvent faire dévier légèrement chaque rayon X de la trajectoire, et la différence devient plus facile à détecter à mesure que les rayons X s'éloignent de l'objet.Ces déviations peuvent révéler de subtiles différences de densité au sein d'un objet, même s'il est composé 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 ou ne bouge pas de plus d'un millième de millimètre.De plus, les radiographies successives d'un même organe ne correspondront pas.Inutile de dire, cependant, que le corps peut être très flexible.
Lee et son équipe de l'UCL visaient à concevoir des conteneurs capables de résister aux rayons X synchrotron tout en laissant passer autant d'ondes que possible.Lee a également géré 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 les mégadonnées biomédicales, pour aider à comprendre comment analyser les scans.De retour en France, le travail de Taforo consistait à améliorer la procédure de numérisation et à déterminer comment stocker l'organe 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, elles devaient être traitées avec plusieurs portions d'éthanol aqueux.Il savait aussi qu'il avait besoin de stabiliser l'organe sur quelque chose qui correspondait exactement à la densité de l'organe.Son plan était de placer d'une manière ou d'une autre les organes dans de l'agar riche en éthanol, une substance semblable à de la gelée extraite d'algues.
Cependant, le diable est 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 à domicile : 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 comprendre comment faire de l'agar.Il récupère même les eaux pluviales d'un toit qu'il a récemment nettoyé pour fabriquer de l'eau déminéralisée, un ingrédient standard des formules d'agar de qualité laboratoire.Pour s'entraîner à emballer des organes dans de la gélose, il prélève des intestins de porc dans un abattoir local.
Taforo a été autorisé à retourner à l'ESRF à la mi-mai pour le premier test d'analyse pulmonaire de porcs.De mai à juin, il a préparé et scanné le lobe pulmonaire 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 une lettre d'excuses dans mon e-mail à toutes les personnes impliquées dans le projet : nous avons échoué et je n'ai pas pu obtenir une numérisation 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 standard, mais "un million de fois plus informatives".C'est comme si l'explorateur avait étudié la forêt toute sa vie, soit en survolant la forêt dans 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 façon dont 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 leurs amis et leur famille de se faire vacciner.Dans les cas graves de COVID-19, de nombreux vaisseaux sanguins dans les 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 d'un 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 scans 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 la femme 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 - sur la base des organes donnés par Ackermann et Jonigk lors de leur autopsie COVID-19 en Allemagne et de l'organe de «contrôle» de la santé LADAF.Laboratoire d'anatomie de Grenoble.L'équipe a produit les données, ainsi que des films de vol, basés sur des données librement disponibles 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 l'approche, a déclaré Li.
Le cardiologue de l'UCL Cook 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 serait "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 dit 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 de HiP-CT, il y a de sérieux problèmes.Tout d'abord, dit Walsh, un scan HiP-CT génère une "quantité stupéfiante de données", facilement un téraoctet par organe.Pour permettre aux cliniciens d'utiliser ces scans dans le monde réel, les chercheurs espèrent développer une interface basée sur le cloud pour les parcourir, comme 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 ensemble.Même aujourd'hui, une grande partie de ce processus est effectuée manuellement, en particulier lors de la numérisation 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 qui peuvent faciliter cette tâche.
Ces défis prendront de l'ampleur à mesure que l'atlas des organes humains se développera et que les chercheurs deviendront plus ambitieux.L'équipe HiP-CT utilise le dernier appareil à faisceau 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 le balayage prend moins de temps, et le détecteur de rayons X BM18 peut être placé jusqu'à 125 pieds (38 mètres) de l'objet en cours de balayage, ce qui rend le balayage plus clair.Les résultats du BM18 sont déjà très bons, déclare Taforo, qui a renumérisé certains des échantillons originaux de l'Atlas d'organes humains sur le nouveau système.
Le BM18 peut également scanner de très gros objets.Avec la nouvelle installation, l'équipe prévoit de scanner tout le torse du corps 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 vraiment qu'au début."
© 2015-2022 National Geographic Partners, LLC.Tous les droits sont réservés.


Heure de publication : 21 octobre 2022