Gli scienziati vedono il corpo umano sotto una nuova luce, grazie a una tecnica unica di imaging con sincrotrone.

Supponiamo si voglia esplorare come appare un vero cuore umano, dall’intero organo fino ai più piccoli vasi sanguigni.

Attualmente, per la maggior parte di noi, è impossibile. Un cardiochirurgo potrebbe ottenere immagini radiologiche del cuore di un paziente e ordinare biopsie di volumi specifici.

Ma anche in quel caso, il medico sarà probabilmente frustrato dai limiti dei singoli metodi di imaging. ‎‎ ‎

‎La tomografia computerizzata clinica (TC), che utilizza i raggi X per costruire immagini 3D fetta per fetta, è limitata alla risoluzione millimetrica.

Lo stesso vale per la risonanza magnetica (MRI), che scruta all’interno del corpo utilizzando campi magnetici e onde radio.

La microscopia delle biopsie è solitamente limitata a volumi di dimensioni millimetriche.

Il sogno di vedere un organo – o l’intero corpo umano – con risoluzione di un micron o quasi era fuori questione.‎

‎Non più. Negli ultimi due anni, dozzine di scienziati in Europa sono stati impegnati a compilare le viste 3D più dettagliate di organi reali mai viste.

Come un Google Earth del corpo umano, ‎‎l’Atlante degli organi umani‎‎, come è noto il progetto del team, è sia semplice che sorprendente.

Il suo obiettivo è quello di creare una banca di immagini online liberamente accessibile di organi umani altamente “zoomabili”, rivelando tutto, dalle loro più grandi caratteristiche (sulla scala di centimetri e metri) fino alle strutture su microscala.‎

‎Il progetto ha già portato alla creazione di immagini 3D di polmoni, un cervello, un cuore, un rene, una milza e un fegato.

Entro il 2025 il team di Human Organ Atlas vuole realizzare le immagini di un intero busto umano e, non troppo dop, un intero corpo.

Il lavoro è impressionante sia per gli scienziati che per i non scienziati, tanto che il progetto è finanziato da alcune agenzie di finanziamento di alto profilo nel Regno Unito, nell’UE e negli Stati Uniti. Anche Google si è interessato.‎

‎Uno scienziato che ha collaborato al progetto è ‎‎Danny Jonigk,‎‎ un patologo polmonare presso la Hannover Medical School in Germania.

Si sente come se avesse trascorso tutta la sua carriera facendo ricerche a lume di candela, solo per qualcuno “che improvvisamente accende le luci”.

Poi c’è ‎‎Daniyal Jafree, uno studente di medicina presso l’University College London‎‎ (UCL) nel Regno Unito, che sta facendo un dottorato di ricerca in imaging renale.

Quando ha sentito ciò che veniva sviluppato altrove all’UCL, Jafree non riusciva a crederci. “Ho pensato che suonasse ambizioso”, dice. “Poi ho visto le immagini.”‎

‎Il progetto Human Organ Atlas non sarebbe possibile senza la fisica.

È iniziato presso ‎‎l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)‎‎ di Grenoble, in Francia, che è stata una delle principali sorgenti di luce a raggi X al mondo sin dalla sua apertura più di 30 anni fa.

A differenza dei raggi X erogati da uno scanner TC clinico, i raggi X di sincrotrone hanno un’alta energia e un’elevata coerenza spaziale.

Ciò significa che le loro forme d’onda rimangono in fase l’una con l’altra mentre si propagano, consentendo ai ricercatori di sfruttare piccoli cambiamenti nella fase a raggi X per produrre immagini 3D tomografiche (sezione per sezione) di dettagli e contrasto molto elevati.‎

‎Per molti anni, questa tecnica a raggi X a contrasto di fase ha fornito incredibili ricostruzioni di campioni biologici. Nel 2011, ad esempio, ‎‎lo scienziato della beamline dell’ESRF Paul Tafforeau‎‎ ha contribuito a produrre quella che è ancora la scansione più dettagliata di sempre dell’interno di un cranio di un antenato umano primitivo, ‎‎Australopithecus sediba‎‎. Più recentemente, ha prodotto scansioni di piccoli fossili di dinosauri, antichi denti umani e persino coccodrilli mummificati.‎

‎Poi, nel 2020, sono successe due cose. La prima è stato che l’ESRF ha finito di mettere in servizio una nuova sorgente di “quarta generazione”, rendendolo il laboratorio di sincrotrone più luminoso del mondo.

Più di un decennio nella pianificazione e nella costruzione, ‎‎l’Extremely Brilliant Source (EBS)‎‎ fornisce raggi X che sono 100 volte più luminosi di prima e 100 volte più coerenti nel piano trasversale (orizzontale), rendendoli quasi simili al laser a basse energie.

L’EBS ha fatto miracoli per l’imaging tomografico, consentendo agli utenti di scansionare oggetti più grandi, in modo più dettagliato e a una gamma più ampia di scale.‎

‎Il secondo grande evento del 2020 è stato, ovviamente, la pandemia di COVID-19. Per molti scienziati, la pandemia ha portato la ricerca a un punto fermo. Non per Tafforeau.

Inaspettatamente, ricevette una chiamata da Peter Lee, un regolare utente di tomografia ESRF presso l’UCL, che a sua volta era stato avvicinato da Jonigk.

L’ESRF potrebbe essere d’aiuto, si è chiesto Lee, nella ricostruzione di campioni di tessuto polmonare da persone che erano morte dopo aver preso COVID-19? Era una grande domanda e quasi da un giorno all’altro Tafforeau passò dallo studio di antichi fossili agli organi umani.‎ 

‎”La pandemia di COVID-19 ha cambiato molte cose per molte persone”, ricorda Tafforeau. “Mi sono reso conto che diverse tecniche di imaging che abbiamo originariamente sviluppato per la paleontologia potrebbero aprire l’accesso a un nuovo livello di precisione di imaging su organi umani completi. Poi, mentre sviluppavamo ulteriormente le tecniche, ci siamo resi conto che potrebbe essere un punto di svolta per l’imaging biologico in generale”.‎

‎Rapidamente, Lee ha composto un team internazionale e multidisciplinare per vedere cosa si poteva fare: scienziati di imaging di sincrotrone presso l’UCL e l’ESRF; matematici e informatici presso l’UCL; scienziati medici presso ‎‎la Biobanca di Hannover‎‎, così come le università di Magonza e Heidelberg in Germania.

Man mano che cresceva il potenziale apparente del nuovo imaging tomografico, cresceva anche l’ampiezza della collaborazione: ora comprende più di 50 persone.‎

‎Gli scienziati hanno chiamato la tecnica tomografia gerarchica a contrasto di fase (HiP-CT), grazie alla sua capacità di fornire ricostruzioni 3D di interi organi intatti che possono quindi essere esplorati ovunque fino al livello cellulare.

Di conseguenza, la tecnica colma il divario nelle scale tra TC clinica e risonanza magnetica e microscopia delle biopsie.

Nel novembre 2021 il progetto è stato formalizzato come Atlante degli organi umani, con l’obiettivo di fornire un database di riferimento di immagini per organi accessibile a tutti.‎

Ecco un esempio dell’immagine di un cervello.

‎Con una ‎‎ risoluzione ‎‎di 5 μ‎‎ ‎‎m, le più piccole caratteristiche della materia bianca e grigia entrano in vista; con una risoluzione di 2,5 ‎‎μ‎‎ ‎‎m, si possono distinguere i vasi sanguigni più piccoli.

Si possono vedere anche cellule a forma di piramide, note come neuroni di Purkinje, che sono in gran parte responsabili della funzione motoria umana.

Infine, la vista si ritira e la ricostruzione si trasforma per rappresentare solo i vasi sanguigni. Ora l’incredibile densità e complessità della “vascolarizzazione” del cervello diventano evidenti. Come il sistema che fornisce e riceve l’ossigeno, il glucosio e i rifiuti metabolici, mantiene ognuno di noi vivo e pensante.‎

Allo stato attuale, quasi tutti gli organi dell’atlante sono stati ripresi sulla ‎‎linea di fascio BM05 di lunga data dell’ESRF.‎

Nel dicembre 2021, tuttavia, il team ha acquisito le sue prime immagini HiP-CT a ‎‎BM18‎‎ – una nuova beamline ESRF che è stata progettata per massimizzare i benefici dell’EBS per le immagini microtomografiche di oggetti di grandi dimensioni. Anche se la linea di fascio non sarà pienamente operativa fino alla fine del 2022, alla fine sarà in grado di visualizzare un busto e persino un intero corpo umano. ‎‎ ‎

‎Immaginate un giorno di poter esplorare, in realtà virtuale, corpi umani di tutte le età, background, stati di salute e malattie.

Come sottolinea Lee, il danno causato da nuove malattie potrebbe quindi essere facilmente confrontato con quello delle condizioni esistenti, per indicare possibili metodi noti di trattamento.

Le persone potranno vedere che tipo di processi potrebbero accadere dentro di loro.

Non ci siamo ancora, ma le immagini preliminari hanno già dato qualche indicazione dei benefici della visione dettagliata su larga scala di HiP-CT.

Le ricostruzioni di diversi polmoni da vittime di COVID-19 hanno rivelato danni eterogenei che apparivano su precedenti scansioni TC cliniche semplicemente come una texture sfocata e smerigliata (‎‎Nature Methods‎‎ ‎‎18‎‎ 1532‎‎).

Il risultato è aiutare a determinare se è la connessione del danno polmonare, o l’enorme quantità di esso, che è la causa della morte del virus.‎ 

‎Accanto all’enorme impatto scientifico di questa tecnica di imaging, c’è anche una bellezza intrinseca alle immagini scattate dall’Atlante degli organi umani.

Nel ‎‎dicembre 2021 la rivista ‎‎National Geographic‎‎ ha scelto un’immagine HiP-CT di un polmone come una delle sue immagini scientifiche preferite dell’anno.

Francesco Sette, il fisico che è stato direttore generale dell’ESRF dal 2009, ha persino confrontato l’avanzamento della tecnica con i disegni anatomici di Leonardo da Vinci dei primi anni del 16 ° secolo.‎

‎Quei disegni hanno dato intuizioni senza precedenti sul funzionamento del corpo umano, in particolare la sua biomeccanica.

 

 

Crediti: ESRF/HiP-CT: C L Walsh, P Tafforeau, W L Wagner et al.

Gli scienziati vedono il corpo umano sotto una nuova luce, grazie a una tecnica unica di imaging con sincrotrone.

Supponiamo si voglia esplorare come appare un vero cuore umano, dall’intero organo fino ai più piccoli vasi sanguigni.

Attualmente, per la maggior parte di noi, è impossibile. Un cardiochirurgo potrebbe ottenere immagini radiologiche del cuore di un paziente e ordinare biopsie di volumi specifici.

Ma anche in quel caso, il medico sarà probabilmente frustrato dai limiti dei singoli metodi di imaging. ‎‎ ‎

‎La tomografia computerizzata clinica (TC), che utilizza i raggi X per costruire immagini 3D fetta per fetta, è limitata alla risoluzione millimetrica.

Lo stesso vale per la risonanza magnetica (MRI), che scruta all’interno del corpo utilizzando campi magnetici e onde radio.

La microscopia delle biopsie è solitamente limitata a volumi di dimensioni millimetriche.

Il sogno di vedere un organo – o l’intero corpo umano – con risoluzione di un micron o quasi era fuori questione.‎

‎Non più. Negli ultimi due anni, dozzine di scienziati in Europa sono stati impegnati a compilare le viste 3D più dettagliate di organi reali mai viste.

Come un Google Earth del corpo umano, ‎‎l’Atlante degli organi umani‎‎, come è noto il progetto del team, è sia semplice che sorprendente.

Il suo obiettivo è quello di creare una banca di immagini online liberamente accessibile di organi umani altamente “zoomabili”, rivelando tutto, dalle loro più grandi caratteristiche (sulla scala di centimetri e metri) fino alle strutture su microscala.‎

‎Il progetto ha già portato alla creazione di immagini 3D di polmoni, un cervello, un cuore, un rene, una milza e un fegato.

Entro il 2025 il team di Human Organ Atlas vuole realizzare le immagini di un intero busto umano e, non troppo dop, un intero corpo.

Il lavoro è impressionante sia per gli scienziati che per i non scienziati, tanto che il progetto è finanziato da alcune agenzie di finanziamento di alto profilo nel Regno Unito, nell’UE e negli Stati Uniti. Anche Google si è interessato.‎

‎Uno scienziato che ha collaborato al progetto è ‎‎Danny Jonigk,‎‎ un patologo polmonare presso la Hannover Medical School in Germania.

Si sente come se avesse trascorso tutta la sua carriera facendo ricerche a lume di candela, solo per qualcuno “che improvvisamente accende le luci”.

Poi c’è ‎‎Daniyal Jafree, uno studente di medicina presso l’University College London‎‎ (UCL) nel Regno Unito, che sta facendo un dottorato di ricerca in imaging renale.

Quando ha sentito ciò che veniva sviluppato altrove all’UCL, Jafree non riusciva a crederci. “Ho pensato che suonasse ambizioso”, dice. “Poi ho visto le immagini.”‎

‎Il progetto Human Organ Atlas non sarebbe possibile senza la fisica.

È iniziato presso ‎‎l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)‎‎ di Grenoble, in Francia, che è stata una delle principali sorgenti di luce a raggi X al mondo sin dalla sua apertura più di 30 anni fa.

A differenza dei raggi X erogati da uno scanner TC clinico, i raggi X di sincrotrone hanno un’alta energia e un’elevata coerenza spaziale.

Ciò significa che le loro forme d’onda rimangono in fase l’una con l’altra mentre si propagano, consentendo ai ricercatori di sfruttare piccoli cambiamenti nella fase a raggi X per produrre immagini 3D tomografiche (sezione per sezione) di dettagli e contrasto molto elevati.‎

‎Per molti anni, questa tecnica a raggi X a contrasto di fase ha fornito incredibili ricostruzioni di campioni biologici. Nel 2011, ad esempio, ‎‎lo scienziato della beamline dell’ESRF Paul Tafforeau‎‎ ha contribuito a produrre quella che è ancora la scansione più dettagliata di sempre dell’interno di un cranio di un antenato umano primitivo, ‎‎Australopithecus sediba‎‎. Più recentemente, ha prodotto scansioni di piccoli fossili di dinosauri, antichi denti umani e persino coccodrilli mummificati.‎

‎Poi, nel 2020, sono successe due cose. La prima è stato che l’ESRF ha finito di mettere in servizio una nuova sorgente di “quarta generazione”, rendendolo il laboratorio di sincrotrone più luminoso del mondo.

Più di un decennio nella pianificazione e nella costruzione, ‎‎l’Extremely Brilliant Source (EBS)‎‎ fornisce raggi X che sono 100 volte più luminosi di prima e 100 volte più coerenti nel piano trasversale (orizzontale), rendendoli quasi simili al laser a basse energie.

L’EBS ha fatto miracoli per l’imaging tomografico, consentendo agli utenti di scansionare oggetti più grandi, in modo più dettagliato e a una gamma più ampia di scale.‎

‎Il secondo grande evento del 2020 è stato, ovviamente, la pandemia di COVID-19. Per molti scienziati, la pandemia ha portato la ricerca a un punto fermo. Non per Tafforeau.

Inaspettatamente, ricevette una chiamata da Peter Lee, un regolare utente di tomografia ESRF presso l’UCL, che a sua volta era stato avvicinato da Jonigk.

L’ESRF potrebbe essere d’aiuto, si è chiesto Lee, nella ricostruzione di campioni di tessuto polmonare da persone che erano morte dopo aver preso COVID-19? Era una grande domanda e quasi da un giorno all’altro Tafforeau passò dallo studio di antichi fossili agli organi umani.‎ 

‎”La pandemia di COVID-19 ha cambiato molte cose per molte persone”, ricorda Tafforeau. “Mi sono reso conto che diverse tecniche di imaging che abbiamo originariamente sviluppato per la paleontologia potrebbero aprire l’accesso a un nuovo livello di precisione di imaging su organi umani completi. Poi, mentre sviluppavamo ulteriormente le tecniche, ci siamo resi conto che potrebbe essere un punto di svolta per l’imaging biologico in generale”.‎

‎Rapidamente, Lee ha composto un team internazionale e multidisciplinare per vedere cosa si poteva fare: scienziati di imaging di sincrotrone presso l’UCL e l’ESRF; matematici e informatici presso l’UCL; scienziati medici presso ‎‎la Biobanca di Hannover‎‎, così come le università di Magonza e Heidelberg in Germania.

Man mano che cresceva il potenziale apparente del nuovo imaging tomografico, cresceva anche l’ampiezza della collaborazione: ora comprende più di 50 persone.‎

‎Gli scienziati hanno chiamato la tecnica tomografia gerarchica a contrasto di fase (HiP-CT), grazie alla sua capacità di fornire ricostruzioni 3D di interi organi intatti che possono quindi essere esplorati ovunque fino al livello cellulare.

Di conseguenza, la tecnica colma il divario nelle scale tra TC clinica e risonanza magnetica e microscopia delle biopsie.

Nel novembre 2021 il progetto è stato formalizzato come Atlante degli organi umani, con l’obiettivo di fornire un database di riferimento di immagini per organi accessibile a tutti.‎

Ecco un esempio dell’immagine di un cervello.

‎Con una ‎‎ risoluzione ‎‎di 5 μ‎‎ ‎‎m, le più piccole caratteristiche della materia bianca e grigia entrano in vista; con una risoluzione di 2,5 ‎‎μ‎‎ ‎‎m, si possono distinguere i vasi sanguigni più piccoli.

Si possono vedere anche cellule a forma di piramide, note come neuroni di Purkinje, che sono in gran parte responsabili della funzione motoria umana.

Infine, la vista si ritira e la ricostruzione si trasforma per rappresentare solo i vasi sanguigni. Ora l’incredibile densità e complessità della “vascolarizzazione” del cervello diventano evidenti. Come il sistema che fornisce e riceve l’ossigeno, il glucosio e i rifiuti metabolici, mantiene ognuno di noi vivo e pensante.‎

Allo stato attuale, quasi tutti gli organi dell’atlante sono stati ripresi sulla ‎‎linea di fascio BM05 di lunga data dell’ESRF.‎

Nel dicembre 2021, tuttavia, il team ha acquisito le sue prime immagini HiP-CT a ‎‎BM18‎‎ – una nuova beamline ESRF che è stata progettata per massimizzare i benefici dell’EBS per le immagini microtomografiche di oggetti di grandi dimensioni. Anche se la linea di fascio non sarà pienamente operativa fino alla fine del 2022, alla fine sarà in grado di visualizzare un busto e persino un intero corpo umano. ‎‎ ‎

‎Immaginate un giorno di poter esplorare, in realtà virtuale, corpi umani di tutte le età, background, stati di salute e malattie.

Come sottolinea Lee, il danno causato da nuove malattie potrebbe quindi essere facilmente confrontato con quello delle condizioni esistenti, per indicare possibili metodi noti di trattamento.

Le persone potranno vedere che tipo di processi potrebbero accadere dentro di loro.

Non ci siamo ancora, ma le immagini preliminari hanno già dato qualche indicazione dei benefici della visione dettagliata su larga scala di HiP-CT.

Le ricostruzioni di diversi polmoni da vittime di COVID-19 hanno rivelato danni eterogenei che apparivano su precedenti scansioni TC cliniche semplicemente come una texture sfocata e smerigliata (‎‎Nature Methods‎‎ ‎‎18‎‎ 1532‎‎).

Il risultato è aiutare a determinare se è la connessione del danno polmonare, o l’enorme quantità di esso, che è la causa della morte del virus.‎ 

‎Accanto all’enorme impatto scientifico di questa tecnica di imaging, c’è anche una bellezza intrinseca alle immagini scattate dall’Atlante degli organi umani.

Nel ‎‎dicembre 2021 la rivista ‎‎National Geographic‎‎ ha scelto un’immagine HiP-CT di un polmone come una delle sue immagini scientifiche preferite dell’anno.

Francesco Sette, il fisico che è stato direttore generale dell’ESRF dal 2009, ha persino confrontato l’avanzamento della tecnica con i disegni anatomici di Leonardo da Vinci dei primi anni del 16 ° secolo.‎

‎Quei disegni hanno dato intuizioni senza precedenti sul funzionamento del corpo umano, in particolare la sua biomeccanica.

 

 

Crediti: ESRF/HiP-CT: C L Walsh, P Tafforeau, W L Wagner et al.