Un atlas unic al inimii umane: de la celule la organul întreg Understand article

Author(s): Montserrat Capellas Espuny
Translator(s): Mircea Băduț

Textul următor a fost adaptat după un articol din ESRF News.

Inimă de sticlă: o metodă nouă de scanare cu raze X dezvăluie o vedere tridimensională completă a interiorului inimii cu detalii incredibile, fără a necesita vreo tăiere.

Oamenii de știință coordonați de University College London (UCL) și European Synchrotron (ESRF) au obținut, pentru prima oară, imaginile 3D a două inimi umane adulte întregi, una sănătoasă și alta bolnavă, detaliate până la nivel celular (rezoluție micrometrică).[1] Ei au folosit o nouă tehnică cu raze X numită tomografie ierarhică cu contrast de fază (HiP-CT), iar acest nou „atlas al inimii” ar putea duce la aplicări medicale benefice.

Pentru a studia inima umană, cercetătorii folosesc uzual tehnici de imagistică clinică, cum ar fi ultrasunetele, tomografia computerizată (CT) și imagistica prin rezonanță magnetică (RMN). Deși aceste metode sunt eficiente pentru diagnosticarea bolilor cardiovasculare, ele nu dezvăluie modificări structurale amănunțite ale inimii la diferite scări de detaliu. De obicei, pentru o obține o detaliere mai mare este necesară histologia, care implică tăierea în secțiuni a organelor donatoare, pentru a fi vizualizate la microscop. Deși această metodă oferă informații mai detaliate, ea revelează doar caracteristici pe suprafața tăiată, astfel încât anumite aspecte pot fi ratate.

O nouă tehnică de imagistică cu raze X prin sincrotron, numită HiP-CT, depășește aceste limitări, oferind o vedere 3D detaliată a întregii inimi umane.

Analiză multidimensională a inimii umane, în stare de sănătate și în stare de boală, folosind tomografia ierarhică cu contrast de fază (HiP-CT). Video din Ref. [1]

Echipa de cercetare a obținut imaginile a două inimi adulte întregi, una sănătoasă și una bolnavă, folosind tehnica de imagistică HiP-CT la facilitatea BM18 din cadrul ESRF. „BM18 este în prezent singurul loc din lume unde organele umane complete pot fi fotografiate cu un nivel atât de ridicat de contrast, și suntem încă destul de departe de limitele tehnologiei cu fascicol de lumină de aici. Principalul factor limitativ este prelucrarea cantității foarte mari de date produse de HiP-CT”, explică Paul Tafforeau, cercetător la ESRF.

Joseph Brunet, cercetător la UCL, și Hector Dejea I Velardo, cercetător asistent, membri ai proiectului Human Organ Atlas, în timpul experimentelor cu fascicolul de lumină de la BM18, în cadrul ESRF.
© ESRF/Stef Cande

Unul dintre avantajele majore ale acestei tehnici este că realizează o vedere 3D completă a inimii la o rezoluție de 20 de microni, adică de aproximativ 20 de ori mai bună decât rezoluția unui scaner CT clinic. Pentru comparație, grosimea firului de păr uman este de aproximativ 100 de microni.[2] În plus, prin tehnica de la BM18 se poate apoi lărgi imaginea pâna la nivel celular, de 2 microni (deci de 200 de ori mai bine decât prin CT), permițând oamenilor de știință să vadă structurile la nivel celular, și fără a tăia proba. Această tehnică furnizează imagini pentru organe întregi, putând dezvălui detalii și conexiuni care anterior erau necunoscute.

Utilizând o tehnică avansată de sincrotron, numită HiP-CT, cercetătorii au obținut, pentru prima dată, imaginile a două inimi umane la rezoluția de 20 de microni, cu posibilitatea de face zoom până la detalii de 2 microni în imaginea 3D.
Image din Ref. [1]

Deși au mai existat studii cu sincrotron pe făt întreg și pe inimi de animale mici, acestea au fost întotdeauna la o scară mică, de 1 sau 2 cm în diametru. Însă în această nouă cercetare, oamenii de știință au obținut pentru prima oară imagini de inimi adulte de 14 cm în diametru.

Imagistica cu contrast de fază diferă de imagistica convențională cu raze X (care se bazează pe absorbția razelor X) prin utilizarea refracției unor tipuri specifice de raze X care trec prin țesuturi, ci nu pe simpla absorbție de raze X. Rezultă astfel imagini cu contrast și rezoluție mult mai mari, ceea ce este deosebit de benefic pentru vizualizarea țesuturilor moi și a structurilor fine, așa cum se găsesc în inimă, și fără a necesita colorare cu agent de contrast.

Imaginile au dezvăluit detalii despre miocard (celule musculare), valve, artere coronare și despre sistemul de conducere cardiacă (conexiunile bio-electrice care declanșează contracția inimii). „Prima dată când vezi inima cu HiP-CT este destul de surprinzător, pentru că arată clar țesut moale, care de obicei nu este vizibil prin imagistica convențională cu raze X”, ne spune Joseph Brunet, cercetător la UCL și autor corespondent al publicației.

Redări cinematice 3D ale inimii de control (A) și ale inimii bolnave (B). Grăsimea epicardică a fost îndepărtată digital pentru a arăta traseul arterelor coronare majore plus detaliile arterelor mai mici care pătrund în miocard, detalii care de obicei nu sunt observate prin CT clinic.
Imagine adapată după Ref. [1]

Înspre noi tratamente pentru aritmie

O performanță semnificativă a studiului constă în imagistica detaliată a sistemului de conducere cardiacă, sistemul care generează și transmite semnalele bio-electrice care determină acțiunea de pompare a mușchiului inimii. Secționarea virtuală a sistemului de conducere a oferit oamenilor de știință informații despre infiltrarea grăsimii, despre alimentarea vasculară și despre traseele dintre nodurile cardiace și structurile adiacente. Acest nivel de detaliere a întregului sistem de conducere a inimii adulte a fost anterior imposibil.

„Există un potențial enorm pentru a inspira tratamente noi folosind această tehnică”, explică profesorul Perry Elliot, director al Institutului de Științe Cardiovasculare, UCL. Un exemplu în acest sens este aritmia (ritm cardiac neregulat): „Cu tehnologia disponibilă actualmente, este foarte dificil să obținem o interpretare precisă a detaliilor anatomice care stau la baza aritmiei”, adaugă profesorul Andrew Cook, anatomist cardiac la UCL și al doilea autor al lucrării. „Credem că descoperirile noastre vor ajuta cercetătorii să înțeleagă debutul anomaliilor de ritm cardiac și să crească eficacitatea strategiilor de ablație chirurgicală pentru a le vindeca”, spune el. În particular, rezultatele au arătat că oamenii de știință pot să determine diferențe în grosimea țesutului și în straturile de grăsime situate între suprafața exterioară a inimii și sacul protector care înconjoară inima. Aceste informații pot fi relevante atunci când se tratează aritmia.

Pe lângă aritmie, HiP-CT poate face lumină și asupra altor boli cardiovasculare. Astăzi se fac studii anatomice utilizând HiP-CT pentru a investiga defecte cardiace congenitale, cum ar fi boala ventriculului unic. Pentru echipa de cercetare, următorul pas constă în creșterea numărului de probe și în continuarea explorării arhitecturii structurale a inimii, atât în sănătate precum și în boală, cu scopul de a dezvolta strategii inovatoare de diagnostic și tratament.

Această cercetare contribuie la proiectul Human Organ Atlas, proiect care vizează constituirea unei baze de date cu imagini științifice ale tuturor organelor umane (sănătoase și bolnave). Pentru a explora singuri aceste date, vizitați human-organ-atlas.esrf.eu, sau, pentru mai multe informații despre proiectul Human Organ Atlas, consultați mecheng.ucl.ac.uk/HOAHub/ și videoclipurile de la bit.ly/HiP-CT-Heart.

ESRF

© ESRF/ Vuedici

ESRF este cea mai intensă sursă de lumină sincrotron din lume. În fiecare an, 9000 de oameni de știință din 20 de țări partenere și din întreaga lume călătoresc la Grenoble pentru a folosi intensele raze X la cercetări de vârf. Aceste cercetări fundamentale și aplicate contribuie la abordarea complexelor provocări globale cu care se confruntă societatea noastră, precum sănătatea, energia și mediul. Cercetările de la ESRF contribuie și la dezvoltarea de noi tehnologii pentru industrie și la conservarea moștenirii culturale a umanității, luminând calea către un viitor sustenabil și pașnic.

Punctul forte al ESRF este capacitatea sa de a inova, depășind limite și căutând performanțe tot mai mari în beneficiul comunității științifice mondiale. În anul 2020, ESRF a lansat o nouă generație de sincrotron de înaltă energie, Sursa Extrem de Strălucitoare (EBS) a ESRF. Cu sprijinul celor 20 de țări partenere ale ESRF, EBS pune la dispoziția oamenilor de știință noi oportunități pentru a dezvălui structura materialelor și mecanismele vieții, până la rezoluție atomică.

Recunoașteri

Proiectul a fost cofinanțat de Inițiatova Chan-Zuckerberg (CZI). Echipa a fost condusă de UCL și ESRF, în colaborare cu Institutul Wellcome Sanger, Siemens Healthineers, Spitalul Great Ormond Street, Școala Medicală din Hanovra, Univesitatea de Medicină din Aachen, Helios University Clinic Wuppertal, Centrul Medical al Johannes Gutenberg-University Mainz și Laboratorul de Anatomie din Alpii Francezi (LADAF).

References

[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] Grosimea unui fir de păr uman pe un instrument vizual, ca referință pentru dimensiunile diferitelor obiecte: https://scaleofuniverse.com/en/universe/width-of-human-hair

Resources

Institutions

License

CC-BY

Download

Download this article as a PDF