Două inimi umane adulte întregi, una sănătoasă şi una bolnavă, au fost scanate de către cercetătorii de la University College din Londra (UCL) şi Laboratorul european de radiaţii sincrotronice (ESRF), obţinând detalii fără precedent ce oferă o resursă inestimabilă pentru o mai bună înţelegere a bolilor cardiovasculare.
O lucrare publicată marţi, în revista Radiology, cuprinde un atlas al inimii umane care surprinde structura anatomică a întregului organ până la 20 de microni - jumătate din lăţimea unui fir de păr uman. În anumite zone, imagistica a fost realizată până la nivel celular.
Atlasul va facilita cercetările imposibil de realizat până acum atât în cazul inimilor sănătoase, cât şi al celor bolnave, clarificând structurile anatomice şi conexiunile din interiorul organului, cu potenţiale aplicaţii care variază de la îmbunătăţirea tratamentului pentru aritmie la crearea unor modele mai realiste pentru formarea chirurgicală.
Bolile cardiovasculare reprezintă cea mai mare cauză de mortalitate la nivel mondial.
Cardiopatia ischemică, o slăbire a inimii cauzată de reducerea fluxului sanguin, a fost singura responsabilă pentru 8,9 milioane sau 16% din decesele la nivel global în 2019, o cifră care a crescut cu peste 2 milioane din 2000.
Clinicienii folosesc de obicei tehnici imagistice precum ultrasunetele, tomografia computerizată şi imagistica prin rezonanţă magnetică (RMN) pentru a diagnostica bolile cardiovasculare, dar aceste tehnici nu oferă informaţii structurale detaliate despre ceea ce se întâmplă într-un organ.
Pentru a obţine o imagine mai detaliată, este necesar ca organele să fie disecate în secţiuni subţiri pentru a fi scanate, ceea ce limitează semnificativ câmpul vizual.
În ultimii ani, un tip de accelerator de particule numit sincrotron a fost utilizat pentru a dezvolta noi tehnici de imagistică care depăşesc aceste limitări.
Au fost publicate studii sincrotronice asupra inimilor fetale întregi şi ale animalelor mici, deşi acestea au fost întotdeauna la scări mult mai mici decât organele adulte majore.
În acest studiu, oamenii de ştiinţă de la UCL şi ESRF au utilizat o tehnică cu raze X numită tomografie cu contrast de fază ierarhic (HiP-CT) pentru a vizualiza două inimi umane adulte întregi la o scară de 20 micrometri, oferind o imagine 3D completă şi detaliată a întregului organ.
Una dintre inimi provenea de la un donator de sex masculin alb, în vârstă de 63 de ani, fără boli cardiace cunoscute (controlul), iar cealaltă provenea de la o donatoare de sex feminin albă, în vârstă de 87 de ani, cu antecedente de cardiopatie ischemică, hipertensiune arterială şi fibrilaţie atrială.
Nu ar fi fost posibil să se realizeze astfel o imagine a inimii unei persoane vii, deoarece doza de radiaţii ar fi prea mare.
„Atlasul pe care l-am creat în acest studiu este ca şi cum am avea Google Earth pentru inima umană. Ne permite să vizualizăm întregul organ la scară globală, apoi să facem zoom la nivelul străzilor pentru a examina caracteristicile cardiovasculare cu un nivel de detaliu fără precedent", a declarat într-un comunicat profesorul Peter Lee, autor principal al studiului de la UCL Mechanical Engineering.
Unul dintre avantajele majore ale acestei tehnici este că realizează o vizualizare 3D completă a organului care este de aproximativ 25 de ori mai bună decât un scaner CT clinic. În plus, poate face zoom la nivel celular în zone selectate, ceea ce este de 250 de ori mai bine, pentru a obţine aceleaşi detalii ca şi cum am folosi un microscop, dar fără a felia mostra, a precizat cercetătorul.
Capacitatea de a vizualiza astfel organe întregi dezvăluie detalii şi conexiuni care erau necunoscute anterior.
Credit: HiP-CT
Imagistica detaliată a sistemului de conducere cardiac, care generează şi transmite semnalele electrice ce determină acţiunea de pompare a muşchiului inimii, este un exemplu al modului în care studiul va avea un impact asupra medicinei cardiovasculare.
„Cu tehnologia actuală, o interpretare precisă a anatomiei care stă la baza unor afecţiuni precum aritmia este foarte dificilă. Deci, există un potenţial enorm de a inspira noi tratamente folosind tehnica de imagistică pe care am demonstrat-o aici. Credem că aceste descoperir vor ajuta comunitatea ştiinşifică să înţeleagă apariţia anomaliilor ritmului cardiac şi, de asemenea, eficacitatea strategiilor de ablaţie pentru vindecarea acestora. De exemplu, avem acum o modalitate de a determina diferenţele în grosimea straturilor de ţesut şi de grăsime situate între suprafaţa exterioară a inimii şi sacul protector care o înconjoară, ceea ce ar putea fi relevant în tratarea aritmiei”, a explicat profesorul Andrew Cook, de la Institutul de Ştiinţe Cardiovasculare UCL, un autor al studiului şi un specialist în anatomia cardiacă.
Deşi imagistica celor două inimi reprezintă o etapă importantă pentru medicina cardiovasculară, cercetătorii afirmă că va fi necesar să se realizeze imagistica mai multor inimi pentru a obţine o imagine mai solidă a variaţiei între indivizi, ţinând seama de diferenţele de vârstă, sex, etnie şi progresia bolii.
Cele două inimi au fost scanate imagistic la Laboratorul european de radiaţii sincrotronice, care găzduieşte cea mai strălucitoare sursă de raze X din lume, situată în Grenoble, Franţa.
„Prima dată când vedeziinima cu HiP-CT este destul de surprinzător, deoarece arată clar ţesutul moale care nu este vizibil în mod obişnuit cu imagistica convenţională cu raze X. Acest lucru este posibil numai datorită modului în care razele X cu contrast de fază interacţionează cu aceste ţesuturi, precum şi datorită energiei ridicate pe care ESRF o poate genera pentru a penetra întregul organ”, a explicat dr. Joseph Brunet, primul autor al studiului de la UCL Mechanical Engineering şi cercetător invitat la ESRF.
Această rezoluţie nu este, totuşi, lipsită de provocări. Imaginarea pentru fiecare inimă a generat 10 terabytes de date, de 1 milion de ori mai mult decât o scanare CT standard.
Instalaţia beamline a ESRF este în prezent singurul loc din lume în care pot fi scanate imagistic organe umane adulte complete cu un nivel de contrast atât de ridicat
„Suntem încă destul de departe de limitele tehnologiei, spune Paul Tafforeau, unul dintre autorii studiului de la ESRF, care a inventat tehnica HiP-CT. Potrivit acestuia, principalul factor limitativ este prelucrarea datelor foarte mari produse de HiP-CT.
Această lucrare contribuie la proiectul Human Organ Atlas (Atlasul Organelor Umane), care îşi propune să creeze o bază de date ştiinţifică deschisă, care să cuprindă imagini ale tuturor organelor umane în stare de sănătate şi boală.
Atlasul este disponibil online.
Foto: Reprezentarea inimii sănătoase, cu vasculatura externă şi fibrele musculare. Credit: Siemens Healthineers 2024; Date UCL conduse de ESRF Beamtime 1290. Colegiul Universitar din Londra.
