Human Organ Atlas: Ο πρώτος τρισδιάστατος χάρτης ανθρώπινων οργάνων με ανάλυση επιπέδου 1 μικρομέτρου!

Σύνοψη

• Διαθέσιμος δωρεάν στο διαδίκτυο ο πρώτος τρισδιάστατος Άτλαντας Ανθρώπινων Οργάνων (Human Organ Atlas), μέσω της πύλης human-organ-atlas.esrf.fr.
• Το έργο αναπτύχθηκε από ερευνητές του UCL (University College London) και του ESRF (European Synchrotron Radiation Facility).
• Χρησιμοποιεί την καινοτόμο τεχνική απεικόνισης HiP-CT (Hierarchical Phase-Contrast Tomography).
• Αξιοποιεί ακτίνες Χ παραγόμενες από το σύγχροτρον του ESRF, οι οποίες είναι 100 δισεκατομμύρια φορές πιο φωτεινές από τον συμβατικό ιατρικό εξοπλισμό.
• Επιτρέπει τη μη καταστροφική σάρωση ολόκληρων οργάνων, με δυνατότητα «ζουμ» έως την κλίμακα του μεμονωμένου κυττάρου (1 μικρόμετρο).
• Προσφέρει πολύτιμα δεδομένα για την κατανόηση δομικών αλλοιώσεων που προκαλούν ασθένειες όπως ο COVID-19, ο καρκίνος και οι νευροεκφυλιστικές παθήσεις.

Τι είναι ο Human Organ Atlas και πώς λειτουργεί η τεχνολογία HiP-CT;

Ο Human Organ Atlas είναι μια ανοιχτή ψηφιακή βάση δεδομένων που παρέχει τρισδιάστατες σαρώσεις ολόκληρων ανθρώπινων οργάνων σε κυτταρική ανάλυση έως 1 μικρόμετρο. Αξιοποιώντας την τεχνική Hierarchical Phase-Contrast Tomography (HiP-CT) και τον επιταχυντή ESRF στη Γαλλία, επιτρέπει τη μη καταστροφική απεικόνιση μαλακών ιστών με ακτίνες Χ 100 δισεκατομμύρια φορές ισχυρότερες από τις κλασικές ιατρικές τομογραφίες.

Η αρχιτεκτονική του ψηφιακού άτλαντα και το πρόβλημα της ιατρικής απεικόνισης

Η σύγχρονη κλινική απεικόνιση αντιμετωπίζει έναν θεμελιώδη περιορισμό ανάλυσης. Οι μαγνητικές τομογραφίες (MRI) και οι αξονικές τομογραφίες (CT) προσφέρουν εξαιρετική εικόνα σε επίπεδο οργάνου, αλλά η ανάλυσή τους περιορίζεται στο επίπεδο του χιλιοστού. 

Αντίθετα, οι ιστολογικές εξετάσεις και το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο παρέχουν εξαιρετική ανάλυση σε επίπεδο μικρομέτρου ή νανομέτρου, αλλά απαιτούν την καταστροφική κοπή των ιστών σε απειροελάχιστες φέτες (βιοψία), γεγονός που καθιστά αδύνατη τη μελέτη ενός ολόκληρου οργάνου, όπως ο εγκέφαλος ή ο πνεύμονας, στο σύνολό του.

Ο ψηφιακός άτλαντας ανθρώπινων οργάνων (Human Organ Atlas), μια σύμπραξη κορυφαίων ερευνητικών ιδρυμάτων με επικεφαλής το University College London (UCL) και την υποστήριξη του European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), έρχεται να γεφυρώσει ακριβώς αυτό το τεράστιο κενό κλίμακας. 

Μέσω της διαδικτυακής πύλης που άνοιξε πρόσφατα τις πύλες της για την παγκόσμια επιστημονική κοινότητα, ερευνητές μπορούν να αναλύσουν ανέπαφα ολόκληρα δωρηθέντα ανθρώπινα όργανα, εξετάζοντας την τοπολογία τους από τη μακρο-κλίμακα έως το μεμονωμένο κύτταρο.

Η τεχνολογία αιχμής: Hierarchical Phase-Contrast Tomography (HiP-CT)

Στον πυρήνα αυτού του τεχνολογικού επιτεύγματος βρίσκεται η τεχνική της Ιεραρχικής Τομογραφίας Αντίθεσης Φάσης (HiP-CT). Σε αντίθεση με τις συμβατικές ακτίνες Χ που βασίζονται στην απορρόφηση της ακτινοβολίας από τα πυκνά υλικά (όπως τα οστά), η τεχνική HiP-CT βασίζεται στη διάθλαση. Όταν οι ακτίνες Χ διαπερνούν τους μαλακούς ιστούς, η ταχύτητά τους μεταβάλλεται ελάχιστα, δημιουργώντας μια αλλαγή φάσης στο κύμα της ακτινοβολίας.

Για να καταγραφούν αυτές οι μικροσκοπικές μεταβολές, απαιτείται μια πηγή φωτός με ακραία συνοχή και φωτεινότητα. Εδώ αναλαμβάνει δράση το ESRF (Ευρωπαϊκή Εγκατάσταση Ακτινοβολίας Σύγχροτρον) στην Γκρενόμπλ της Γαλλίας. Πρόκειται για έναν κυκλικό επιταχυντή σωματιδίων που πρόσφατα αναβαθμίστηκε στην έκδοση EBS (Extremely Brilliant Source), καθιστώντας τον την πρώτη πηγή ακτινοβολίας σύγχροτρον τέταρτης γενιάς στον κόσμο.

Το αποτέλεσμα είναι η παραγωγή μιας δέσμης ακτινών Χ 100 δισεκατομμύρια φορές πιο φωτεινής από αυτή ενός μηχανήματος νοσοκομείου. Αυτή η ισχύς επιτρέπει την τομογραφία ενός ολόκληρου ανθρώπινου πνεύμονα αρχικά με ανάλυση 20-25 μικρομέτρων, δημιουργώντας έναν 3D χάρτη όλου του οργάνου. Στη συνέχεια, το σύστημα προσφέρει τη δυνατότητα λειτουργίας "zoom", όπως ακριβώς το Google Earth, εστιάζοντας σε συγκεκριμένες ανατομικές περιοχές (π.χ. πνευμονικές κυψελίδες) με ανάλυση 1 μικρομέτρου (ένα εκατομμυριοστό του μέτρου), δηλαδή σε επίπεδο μεμονωμένου κυττάρου.

Διαχείριση δεδομένων: Η υπολογιστική πρόκληση των Voxel

Η υψηλή ανάλυση δημιουργεί ένα ανυπολόγιστο όγκο δεδομένων. Μια τυπική σάρωση CT νοσοκομείου παράγει αρχεία μερικών εκατοντάδων megabytes. Αντίθετα, η σάρωση ενός και μόνο οργάνου με την τεχνική HiP-CT στο ESRF παράγει terabytes τρισδιάστατων δεδομένων. Κάθε εικόνα συντίθεται από τρισεκατομμύρια voxels (τρισδιάστατα pixels).

Η αποθήκευση, επεξεργασία και φιλοξενία αυτών των δεδομένων στην πλατφόρμα Human Organ Atlas απαιτεί υπερυπολογιστικές δομές και εξειδικευμένους αλγορίθμους μηχανικής μάθησης για την αποθορυβοποίηση και την τρισδιάστατη ανακατασκευή της εικόνας. Οπτικοποιώντας τα αιμοφόρα αγγεία, τα δίκτυα νευρώνων και τις κυτταρικές μεμβράνες με μαθηματική ακρίβεια, οι ερευνητές προσφέρουν στην ουσία το βαρύτερο και πιο αναλυτικό dataset ανθρώπινης βιολογίας που έχει δημοσιευθεί ποτέ με ελεύθερη πρόσβαση.

Ιατρικές εφαρμογές και παγκόσμιος αντίκτυπος

Ο Άτλαντας ξεκίνησε ως μια επείγουσα ανάγκη. Κατά τη διάρκεια της πανδημίας, οι επιστήμονες του UCL χρειάζονταν έναν τρόπο να κατανοήσουν γιατί ο ιός SARS-CoV-2 προκαλούσε εκτεταμένη θρόμβωση και καταστροφή των μικροσκοπικών αιμοφόρων αγγείων (τριχοειδών) στους πνεύμονες των ασθενών. Οι συμβατικές βιοψίες έδειχναν μόνο ένα μικρό τμήμα του προβλήματος. Χρησιμοποιώντας το σύγχροτρον, η ομάδα ανέλυσε με επιτυχία τη συνολική δομική αλλοίωση της αρχιτεκτονικής του πνεύμονα.

Η βάση δεδομένων έχει πλέον επεκταθεί περιλαμβάνοντας υγιή και νοσούντα όργανα, όπως καρδιές, νεφρά, σπλήνες και εγκεφάλους. Αυτό παρέχει ένα ανεκτίμητο εργαλείο συγκριτικής ανάλυσης. Οι ερευνητές μπορούν να παρατηρήσουν πώς ο καρκίνος αλλοιώνει τη μικροαρχιτεκτονική ενός οργάνου πριν την εμφάνιση συμπτωμάτων, πώς μεταβάλλεται το δίκτυο νευρώνων στον εγκέφαλο ασθενών με Αλτσχάιμερ, ή πώς οι καρδιαγγειακές παθήσεις επηρεάζουν τον μυϊκό ιστό της καρδιάς.

Η ύπαρξη ανοιχτών δεδομένων τέτοιας κλίμακας είναι ζωτικής σημασίας για την έρευνα παγκοσμίως. Ένα ερευνητικό ιατρικό κέντρο στην Ελλάδα, για παράδειγμα, μπορεί πλέον να κατεβάσει δωρεάν τα δεδομένα του HiP-CT και να εφαρμόσει τα δικά του μοντέλα τεχνητής νοημοσύνης για την ανάλυση των ιστών, χωρίς να χρειάζεται φυσική πρόσβαση σε έναν επιταχυντή σωματιδίων αξίας εκατοντάδων εκατομμυρίων ευρώ.

Με τη ματιά του Techgear

Ο Human Organ Atlas είναι μια τομή στην ιστορία της υπολογιστικής βιολογίας και της μηχανικής των υλικών. Η μεταφορά τεχνογνωσίας από τη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων (σύγχροτρον) στον χώρο της βιοϊατρικής απεικόνισης αποδεικνύει την απόλυτη σύγκλιση των θετικών επιστημών.

Αυτό που οφείλουμε να συγκρατήσουμε είναι η αξία της πλατφόρμας ως ένα εργαλείο εκδημοκρατισμού της γνώσης. Η διάθεση τεράστιων datasets ανοιχτού κώδικα σημαίνει ότι οι αλγόριθμοι AI που εκπαιδεύονται σήμερα στην ανάλυση ιατρικών εικόνων, αποκτούν επιτέλους τα "ground truth" δεδομένα υψηλής ανάλυσης που χρειάζονται. Οι developers ιατρικού λογισμικού, τα πανεπιστήμια και τα τμήματα R&D των εταιρειών τεχνολογίας υγείας αποκτούν δωρεάν πρόσβαση σε πληροφορία που μέχρι χθες ήταν αδύνατο να καταγραφεί. Η μελλοντική διάγνωση παθολογιών και η στοχευμένη ανάπτυξη φαρμάκων θα βασιστεί άμεσα σε αυτούς ακριβώς τους χάρτες μικρο-αρχιτεκτονικής.