驚⋯人類史上最強X光照出新冠患者們的肺

我們都知道人的肺長什麼樣，但很少有人看過被新冠病毒感染後的肺。下面這張圖，是一名54歲新冠患者的肺。


▲其中，肺泡和呼吸性細支氣管是藍色，開放的血管是紅色，閉塞、被損壞的血管是黃色。

這張圖可以看出新冠病毒對肺部血管造成的損害，類似的圖片我們在網上也看過不少。但有趣的是，這張圖不是電腦繪製的圖畫，也不是模擬的肺模型，而是一個真實的肺。是X光掃描出來的。



人類研究器官和人體組織，已經有上千年的歷史，古代的醫學書有器官的結構圖，現代的科技也可以讓我們清楚看到細胞和微生物。但這裡有一個很反常識的事實：我們人類並不清楚器官具體長什麼樣。



「也許大多數人都會感到驚訝。」倫敦大學的心臟解剖學家安德魯·庫克（Andrew Cook）說，「雖然我們從幾百年前就開始研究心臟結構，但到現在都沒有定論，心臟的正常結構應該是什麼樣。特別是心臟的肌肉細胞，以及它如何隨著心臟跳動而變化。」人類當然有很多漂亮、精細的心臟圖，但是博士後研究員克萊爾·沃爾什（Claire Walsh）說，那些只是藝術創作。



「在解剖學教科書裡，我們能看到很多大比例、小比例的圖。這些都是手繪圖畫是有原因的：因為我們沒有真正的圖片，所以只能用藝術來詮釋。 」之所以出現這種情況，是因為人類技術有限，無法繪製出細胞級別的器官完整圖。像CT、MRI這樣的醫用X射線，可以拍出整個器官的照片，但是它們的分辨率不高。活組織檢查可以讓科學家在顯微鏡下觀察組織樣本，它的分辨率高了，可是圖像只能展現器官的一小部分，無法知道總體的樣子。



形象的講，人類研究器官，就好像自然愛好者探索森林，要麼是乘坐大型噴氣式飛機越過森林上空，要麼是沿著一條林間小路徒步旅行，總體和細節無法兼得。但現在，一種新技術出現了，它可以讓人像鳥一樣，揮動翅膀在森林中翱翔，能俯瞰森林，也能凝視露珠。


（用HiP-CT技術掃描出的94歲女性的左腎，分辨率為25.08微米）

「第一次，我們終於能做出真實的圖片了。」沃爾什激動地說，「我們在醫用CT照片和活檢照片之間搭建了橋樑。」


（克萊爾·沃爾什）

這項技術叫作HiP-CT，一個開創組織學新時代的東西，而它的誕生，是科學家們想研究新冠病毒對人體的危害。2020年，在新冠疫情開始不久，德國漢諾威醫學院的胸外科學家丹尼·喬尼克（Danny Jonigk）和美茵茲大學的病理學家馬克西米里·阿克曼（Maximilian Ackermann）就感到這病毒不同尋常。


（丹尼·喬尼克）

他們二人都有肺病方面的專業知識，很快注意到報導中說，病人存在「隱形缺氧」的現象。「隱形缺氧」是指病人沒有出現呼吸困難的症狀，也沒有明顯不適，但是體內的血氧濃度驟降。因為難以察覺，病人的病情會被耽擱很久，進醫院時常常處於病危狀態。喬尼克和阿克曼懷疑，這是新冠病毒在以某種方式攻擊肺部血管。


（馬克西米里·阿克曼）

2020年3月，病毒在德國蔓延開後，兩人對新冠死者進行屍檢，將他們的肺部組織和普通死者的肺進行對比。兩人很快發現，新冠死者的肺中最細小的血管被扭曲，呈現出不同的樣子。人體內有大量細密的血管系統，哪怕只有1％的血管遭到病毒攻擊，血液流動和吸收氧氣的能力也會受損。


（血管扭曲的部位）

2020年5月，他們在學術期刊上發布結果，說新冠並不是嚴格意義上的呼吸系統疾病，而是一種血管疾病，可能影響全身的器官。


（兩人發表的研究）

在知道病毒影響血管後，兩人想了解這種傷害到底是怎麼樣的，這需要圖片足夠清晰，能放大到細胞的尺度。「雖然肺做的事很簡單，氧氣進，二氧化碳出，但是裡面的血管有幾萬英里長，排列得非常精細，簡直就是奇蹟。」喬尼克說，「所以，我們要怎麼做才能在不破壞器官的情況下，研究像新冠這麼複雜的東西呢？」想來想去，喬尼克和阿克曼想到用X射線。


（HiP-CT技術掃描出的94歲女性腎臟中的血管系統）

他們聯繫了材料學家皮特·李（Peter Lee），他擅長用X射線研究生物材料，很快將他們介紹給歐洲科學家的研究聖殿，歐洲同步輻射所。歐洲同步輻射所，簡稱ESRF，是一個位於法國格勒諾布爾登的大型聯合研究機構。


（歐洲同步輻射所）

每年有8000多名科學家來這裡參觀，進行2000多項實驗，吸引他們來這裡的，是粒子加速器。ESRF的粒子加速器能讓電子以接近光的速度，沿著半英里的圓形軌道運動。當電子一圈圈奔跑時，軌道上強大的磁鐵能使粒子流彎曲，讓這些電子發射出極亮的X射線。


（ESRF裡的加速器軌道）

這種強大的X射線能讓ESRF以微米，甚至納米的分辨率觀測物體。它通常用於研究合金和復合材料，觀察蛋白質的分子結構，以及在不打碎石頭的情況下，研究內部的化石骨骼。喬尼克和阿克曼想用它對人體器官進行世界上最精密的X射線掃描，負責加速器技術的保羅·塔福羅（Paul Tafforeau）說，這應該能做到。


（保羅·塔福羅）

前不久，ESRF完成了對「極端明亮X射線源」（簡稱EBS）的升級，它能射出世界上最亮的X射線，威力是普通醫用X射線的10萬億倍，是上一代X射線源的100倍。EBS能對複雜物體進行原子級別的成像，掃描後生成三維模型，內部的結構一清二楚。


（ESRF的粒子加速器）

普通醫用X射線之所以難以呈現清晰的人體器官，是因為X射線靠不同物質的吸收量來作圖，重的元素吸收得比輕元素多。而人體組織主要由輕元素組織（比如碳、氫、氧），所以很難區分。但EBS沒有這個問題，因為它的射線非常同步，以相同的頻率和對齊方式前進。

當X射線穿過物體時，細微的密度差異會導致射線的路線稍微偏移，在離物體越遠的位置，這種差異就越容易被檢測到。所以，哪怕是輕元素，EBS仍然可以清晰描繪軟組織的內部圖像。


（用HiP-CT技術，在EBS射線源下掃描出來的94歲女性心臟）

唯一的問題，是人體組織很難被固定，如果掃描期間它出現千分之一毫米以上的移動，最終的圖像都可能是錯誤的，因為射線無法對齊。想清楚這些事後，塔福羅開始研究如何把器官固定在容器裡。他在從海藻中提取出一種凝膠，裡面放入大量乙醇，然後從屠宰場找來豬內臟，將它包裹起來。


（保羅·塔福羅）

接著，在多種研究化石的技術之上，他研發出一個叫HiP-CT的掃描技術，這個技術可以掃描整個器官，也可以放大任何感興趣的部位，直到細胞程度。





（用HiP-CT掃描出的大腦可以不斷放大）

去年5月，塔福羅用HiP-CT掃描豬肺，看上去沒有問題。然後，他掃描一名剛剛死於新冠的54歲男子的左肺，把照片發給喬尼克和阿克曼。其實塔福羅是相當忐忑的，他看到第一張人肺圖片後，以為自己失敗了，向整個項目的成員發郵件道歉，說他沒有做出高質量的掃描。「對我來說，那幾張照片很糟糕，但對他們來說卻非常棒！」塔福羅說。



看到照片的李驚嘆了，塔福羅給的是一個肺部的三維圖像，可以任意把自己想看的地方放大，「訊息量是醫學CT的一百萬倍」。HiP-CT技術使人體掃描的分辨率達到25微米，比人的頭髮還細，在選擇要放大的區域後，它還能達到單微米級分辨率，是醫學CT分辨率的100倍！


（可以放大到細胞結構的肺部掃描圖）

「當我們第一次看到圖時，所有人都陷入沉默。」沃爾什說，「之前，沒人看過如此詳細的人體器官圖。」喬尼克和阿克曼非常高興，因為三維圖像顯示肺部的血管出現擴展和腫脹，還形成異常的微型血管束，這對新冠病毒的了解更近一步。這張看上去頗為可怕的圖，也成功讓研究人員說服他們的親友接種疫苗。


（研究員在分析HiP-CT掃出的圖像）

HiP-CT的工作還沒有停止，塔福羅的團隊建立了一個人體器官圖譜計劃，希望將所有器官都掃描一遍，把三維圖像放到雲端，讓所有醫學研究者都可以看。這些圖就相當於人體的谷歌地圖。

目前，團隊已經發布心臟、大腦、腎臟、肺和脾臟的三維圖，完成對另外30種器官的掃描，還有80種器官在排隊等候中。


（HiP-CT掃描出的5種器官）

這項技術對了解疾病相當寶貴，已經有40多個研究小組聯繫他們，希望他們能幫忙掃。HiP-CT團隊還在測試ESRF的最新光束設備，叫BM18，它能產生更大的X射線束，意味著掃描所需的時間更短。BM18的效果也很好，他們計劃在2023年底之前，掃描出整個人體。


（保羅·塔福羅）

原本，人類還需要靠繪畫做出器官結構圖，現在只需要半天時間，就能得到一張真實的器官圖。人類離了解自己更進了一步，多虧了科技的發展。