Het volgende is aangepast vanuit een ESRF News-artikel.
Hart van glas: een nieuwe röntgenscanmethode onthult een volledig 3D-beeld van de binnenkant van het hart met ongelooflijke details, zonder dat er hoeft te worden gesneden.
Wetenschappers onder leiding van University College London (UCL) en de European Synchrotron (ESRF) hebben voor het eerst twee volledige menselijke volwassen harten in beeld gebracht, één gezond en één ziek, tot op cellulair niveau in 3D.[1] Ze gebruikten een nieuwe röntgentechniek genaamd hiërarchische fasecontrasttomografie (HiP-CT), en deze nieuwe atlas van het hart zou mogelijk tot medische toepassingen kunnen leiden.
Om het menselijk hart te bestuderen, gebruiken onderzoekers doorgaans klinische beeldvormingstechnieken zoals echografie, computertomografie (CT) en magnetische resonantie beeldvorming (MRI). Hoewel deze methoden effectief zijn voor het diagnosticeren van cardiovasculaire ziekten, onthullen ze geen gedetailleerde structurele veranderingen op de verschillende schalen in het hart. Voor een hogere resolutie is histologie vereist, waarbij donororganen in secties worden gesneden om ze onder de microscoop te bekijken. Hoewel deze methode meer gedetailleerde informatie biedt, worden alleen kenmerken op het snijvlak weergegeven, waardoor er mogelijk zaken over het hoofd worden gezien.
Een nieuwe synchrotron-röntgenbeeldvormingstechniek, genaamd HiP-CT, overwint deze beperkingen door een gedetailleerd 3D-beeld te bieden van het gehele volwassen menselijke hart.
Het onderzoeksteam bracht twee volledige harten van volwassenen in beeld, één gezond en één ziek, met behulp van de HiP-CT-beeldvormingstechniek op bundellijn BM18 bij de ESRF. “BM18 is momenteel de enige plek ter wereld waar complete menselijke organen met zo’n hoog contrast in beeld kunnen worden gebracht, en we zijn nog steeds vrij ver verwijderd van de grenzen van de bundellijnmogelijkheden. De belangrijkste beperkende factor is de verwerking van de zeer grote gegevens die door HiP-CT worden geproduceerd”, legt Paul Tafforeau, ESRF-wetenschapper, uit.
Een van de grote voordelen van deze techniek is dat hiermee een volledig 3D-beeld van het hart wordt verkregen met een resolutie van 20 micron, wat een ongeveer 20 keer betere resolutie is dan een klinische CT-scanner. Ter vergelijking: de breedte van een mensenhaar ligt op de schaal van ongeveer 100 micron.[2] Bovendien kan het vervolgens inzoomen tot celniveau op 2 micron (200 keer beter), waardoor wetenschappers structuren op celniveau kunnen zien zonder het weefsel te snijden. Deze techniek brengt hele organen in beeld en onthult details en verbindingen die voorheen onbekend waren.
Hoewel er al eerder synchrotronstudies zijn uitgevoerd op hele foetussen en harten van kleine dieren, zijn deze altijd op kleine schaal uitgevoerd, met een diameter van 1 of 2 cm. In dit nieuwe onderzoek hebben wetenschappers voor het eerst met succes volwassen harten met een diameter van 14 cm in beeld gebracht.
Fasecontrastbeeldvorming verschilt van conventionele röntgenbeeldvorming, die afhankelijk is van röntgenabsorptie, doordat gebruik wordt gemaakt van de breking van specifieke soorten röntgenstralen die door weefsels gaan, in plaats van uitsluitend te vertrouwen op röntgenabsorptie. Het resulteert in beelden met een dramatisch hoger contrast en hogere resolutie, wat vooral gunstig is voor het visualiseren van zachte weefsels en fijne structuren, zoals die in het hart worden aangetroffen, zonder dat kleuring met een contrastmiddel nodig is.
De beelden onthulden details van het myocard (spiercellen), kleppen, kransslagaders en het hartgeleidingssysteem (de elektrische bedrading die hartcontractie veroorzaakt). “De eerste keer dat je het hart ziet met HiP-CT is nogal verrassend, omdat het duidelijk zacht weefsel laat zien dat normaal gesproken niet zichtbaar is bij conventionele röntgenbeelden”, zegt Joseph Brunet, onderzoeker aan de UCL en corresponderend auteur van de publicatie.
Een belangrijke prestatie van het onderzoek is de gedetailleerde beeldvorming van het hartgeleidingssysteem, dat de elektrische signalen genereert en doorgeeft om de pompwerking van de hartspier aansturen. De virtuele doorsnede van het geleidingssysteem voorziet wetenschappers van informatie over vetinfiltratie, vasculaire toevoer en routes tussen de hartknopen en aangrenzende structuren. Dit detailniveau van het gehele volwassen hart geleidingssysteem was voorheen onmogelijk.
“Er is een enorm potentieel om nieuwe behandelingen te inspireren met behulp van deze techniek”, legt professor Perry Elliot uit, directeur van het Institute of Cardiovascular Science van de UCL. Een voorbeeld hiervan is aritmie (onregelmatig ritme): “Met de technologie van vandaag de dag is het erg moeilijk om een nauwkeurige interpretatie te hebben van de anatomie die ten grondslag ligt aan aritmie”, voegt professor Andrew Cook, hart anatoom aan de UCL en tweede auteur van het artikel, toe. “Wij geloven dat onze bevindingen onderzoekers zullen helpen het ontstaan van hartritmestoornissen te begrijpen en ook de effectiviteit van chirurgische ablatiestrategieën om deze te genezen”, zegt hij. De resultaten hebben met name aangetoond dat wetenschappers verschillen kunnen bepalen in de dikte van weefsel en vetlagen die zich bevinden tussen het buitenste oppervlak van het hart en de beschermende zak rond het hart. Deze informatie kan relevant zijn bij de behandeling van aritmie.
Naast aritmie zou HiP-CT ook licht kunnen werpen op andere cardiovasculaire ziekten. Anatomische studies met HiP-CT zijn momenteel gaande om aangeboren hartafwijkingen zoals enkelvoudige ventrikel ziekte te onderzoeken. Voor het team is de volgende stap om het aantal weefsels te vergroten en de structurele architectuur van het hart in zowel gezonde als zieke toestand te blijven onderzoeken. Doel is om innovatieve diagnostische en behandelingsstrategieën te ontwikkelen.
Dit werk draagt bij aan het Human Organ Atlas-project, dat streeft naar het opzetten van een open science-imagedatabase van alle menselijke organen in gezondheid en ziekte. Om deze data zelf te verkennen, bezoek human-organ-atlas.esrf.eu, of voor meer informatie over het Human Organ Atlas-project zie mecheng.ucl.ac.uk/HOAHub/ en video’s op bit.ly/HiP-CT-Heart
De ESRF is ’s werelds helderste synchrotronlichtbron. Elk jaar reizen 9000 wetenschappers uit 20 partnerlanden en van over de hele wereld naar Grenoble om de extreem briljante röntgenstralen te gebruiken voor toonaangevend onderzoek. Dit fundamentele en toegepaste onderzoek draagt bij aan het aanpakken van de complexe wereldwijde uitdagingen waarmee onze samenleving wordt geconfronteerd, zoals gezondheid, energie en het milieu. Het draagt ook bij aan de ontwikkeling van nieuwe technologieën voor de industrie en aan het behoud van het culturele erfgoed van de mensheid, en verlicht de weg naar een duurzame en vreedzame toekomst.
De kracht van de ESRF is haar vermogen om te innoveren, grenzen te verleggen en steeds hogere prestaties te zoeken ten behoeve van de wereldwijde wetenschappelijke gemeenschap. In 2020 lanceerde de ESRF een gloednieuwe generatie synchrotrons met hoge energie, de Extremely Brilliant Source (EBS) van de ESRF. Met de steun van de 20 partnerlanden van de ESRF biedt EBS wetenschappers nieuwe mogelijkheden om de structuur van materialen en de mechanismen van het leven te onthullen, tot op atomaire resolutie.
Het project werd medegefinancierd door het Chan Zuckerberg Initiative (CZI). Het team werd geleid door UCL en de ESRF, in samenwerking met het Wellcome Sanger Institute, Siemens Healthineers, Great Ormond Street Hospital, Hannover Medical School, de Aachen Medical University, de Helios University Clinic Wuppertal, het Universitair Medisch Centrum van de Johannes Gutenberg-Universität Mainz en het Laboratoire d’Anatomie des Alpes Francaises (LADAF).
[1] Brunet J et al. (2024) Multidimensional Analysis of the Adult Human Heart in Health and Disease Using Hierarchical Phase-Contrast Tomography. Radiology 312: 1527–1315. doi: 10.1148/radiol.232731
[2] De breedte van een mensenhaar op een visueel hulpmiddel om een idee te krijgen van de schaal van verschillende objecten: https://scaleofuniverse.com/en/universe/width-of-human-hair
Je zult niet passeren: ontdek hoe het eiwitomhulsel rond een eicel na de bevruchting ‘dichtritst’ om te voorkomen dat er nog meer sperma binnendringt.
