他们用人类史上最强的X光，告诉我们新冠患者的肺伤成了什么样 (发表于4年前)

maohu

原创：英国那些事儿

我们都知道人的肺长什么样，但很少有人看过被新冠病毒感染后的肺。
下面这张图，是一名54岁新冠患者的肺。

其中，肺泡和呼吸性细支气管是蓝色，开放的血管是红色，闭塞、被损坏的血管是黄色。
这张图可以看出新冠病毒对肺部血管造成的损害，类似的图片我们在网上也看过不少。
但有趣的是，这张图不是电脑绘制的图画，也不是模拟的肺模型，而是一个真实的肺。是X光扫描出来的。

这在不久以前，还是不可想象的……

人类研究器官和人体组织，已经有上千年的历史，古代的医学书有器官的结构图，现代的科技也可以让我们清楚看到细胞和微生物。
但这里有一个很反常识的事实：
我们人类并不清楚器官具体长什么样。

“也许大多数人都会感到惊讶。”伦敦大学的心脏解剖学家安德鲁·库克（Andrew Cook）说，“虽然我们从几百年前就开始研究心脏结构，但到现在都没有定论，心脏的正常结构应该是什么样。特别是心脏的肌肉细胞，以及它如何随着心脏跳动而变化。”
人类当然有很多漂亮、精细的心脏图，但是博士后研究员克莱尔·沃尔什（Claire Walsh）说，那些只是艺术创作。

“在解剖学教科书里，我们能看到很多大比例、小比例的图。这些都是手绘图画是有原因的：因为我们没有真正的图片，所以只能用艺术来诠释。”
之所以出现这种情况，是因为人类技术有限，无法绘制出细胞级别的器官完整图。
像CT、MRI这样的医用X射线，可以拍出整个器官的照片，但是它们的分辨率不高。
活组织检查可以让科学家在显微镜下观察组织样本，它的分辨率高了，可是图像只能展现器官的一小部分，无法知道总体的样子。

形象地讲，人类研究器官，就好像自然爱好者探索森林，
要么是乘坐大型喷气式飞机越过森林上空，要么是沿着一条林间小路徒步旅行，总体和细节无法兼得。
但现在，一种新技术出现了，它可以让人像鸟一样，挥动翅膀在森林中翱翔，能俯瞰森林，也能凝视露珠。

（用HiP-CT技术扫描出的94岁女性的左肾，分辨率为25.08微米）

“第一次，我们终于能做出真实的图片了。”沃尔什激动地说，“我们在医用CT照片和活检照片之间搭建了桥梁。”

（克莱尔·沃尔什）

这项技术叫作HiP-CT，一个开创了组织学新时代的东西，
而它的诞生，是科学家们想研究新冠病毒对人体的危害。
2020年，在新冠疫情开始不久，德国汉诺威医学院的胸外科学家丹尼·乔尼克（Danny Jonigk）和美因茨大学的病理学家马克西米里·阿克曼（Maximilian Ackermann）就感到这病毒不同寻常。

（丹尼·乔尼克）

他们二人都有肺病方面的专业知识，很快注意到报道中说，病人存在“隐形缺氧”的现象。
“隐形缺氧”是指病人没有出现呼吸困难的症状，也没有明显不适，但是体内的血氧浓度骤降。因为难以察觉，病人的病情会被耽搁很久，进医院时常常处于病危状态。
乔尼克和阿克曼怀疑，这是新冠病毒在以某种方式攻击肺部血管。

（马克西米里·阿克曼）

2020年3月，病毒在德国蔓延开后，两人对新冠死者进行尸检，将他们的肺部组织和普通死者的肺进行对比。
两人很快发现，新冠死者的肺中最细小的血管被扭曲，呈现出不同的样子。人体内有大量细密的血管系统，哪怕只有1％的血管遭到病毒攻击，血液流动和吸收氧气的能力也会受损。

（血管扭曲的部位）

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2020年5月，他们在学术期刊上发布结果，说新冠并不是严格意义上的呼吸系统疾病，而是一种血管疾病，可能影响全身的器官。

（两人发表的研究）

在知道病毒影响血管后，两人想了解这种伤害到底是怎么样的，这需要图片足够清晰，能放大到细胞的尺度。
“虽然肺做的事很简单，氧气进，二氧化碳出，但是里面的血管有几万英里长，排列得非常精细，简直就是奇迹。”乔尼克说，“所以，我们要怎么做才能在不破坏器官的情况下，研究像新冠这么复杂的东西呢？”
想来想去，乔尼克和阿克曼想到用X射线。

（HiP-CT技术扫描出的94岁女性肾脏中的血管系统）

他们联系了材料学家皮特·李（Peter Lee），他擅长用X射线研究生物材料，很快将他们介绍给欧洲科学家的研究圣殿，欧洲同步辐射所。
欧洲同步辐射所，简称ESRF，是一个位于法国格勒诺布尔登的大型联合研究机构。

（欧洲同步辐射所）

每年有8000多名科学家来这里参观，进行2000多项实验，吸引他们来这里的，是粒子加速器。
ESRF的粒子加速器能让电子以接近光的速度，沿着半英里的圆形轨道运动。
当电子一圈圈奔跑时，轨道上强大的磁铁能使粒子流弯曲，让这些电子发射出极亮的X射线。

（ESRF里的加速器轨道）

这种强大的X射线能让ESRF以微米，甚至纳米的分辨率观测物体。
它通常用于研究合金和复合材料，观察蛋白质的分子结构，以及在不打碎石头的情况下，研究内部的化石骨骼。
乔尼克和阿克曼想用它对人体器官进行世界上最精密的X射线扫描，负责加速器技术的保罗·塔福罗（Paul Tafforeau）说，这应该能做到。

（保罗·塔福罗）

前不久，ESRF完成了对“极端明亮X射线源”（简称EBS）的升级，它能射出世界上最亮的X射线，威力是普通医用X射线的10万亿倍，是上一代X射线源的100倍。
EBS能对复杂物体进行原子级别的成像，扫描后生成三维模型，内部的结构一清二楚。

（ESRF的粒子加速器）

普通医用X射线之所以难以呈现清晰的人体器官，是因为X射线靠不同物质的吸收量来作图，重的元素吸收得比轻元素多。
而人体组织主要由轻元素组织（比如碳、氢、氧），所以很难区分。
但EBS没有这个问题，因为它的射线非常同步，以相同的频率和对齐方式前进。
当X射线穿过物体时，细微的密度差异会导致射线的路线稍微偏移，在离物体越远的位置，这种差异就越容易被检测到。
所以，哪怕是轻元素，EBS仍然可以清晰描绘软组织的内部图像。

（用HiP-CT技术，在EBS射线源下扫描出来的94岁女性心脏）

唯一的问题，是人体组织很难被固定，如果扫描期间它出现千分之一毫米以上的移动，最终的图像都可能是错误的，因为射线无法对齐。
想清楚这些事后，塔福罗开始研究如何把器官固定在容器里。
他在从海藻中提取出一种凝胶，里面放入大量乙醇，然后从屠宰场找来猪内脏，将它包裹起来。

（保罗·塔福罗）

接着，在多种研究化石的技术之上，他研发出一个叫HiP-CT的扫描技术，这个技术可以扫描整个器官，也可以放大任何感兴趣的部位，直到细胞程度。

（用HiP-CT扫描出的大脑可以不断放大）

去年5月，塔福罗用HiP-CT扫描了猪肺，看上去没有问题。
然后，他扫描了一名刚刚死于新冠的54岁男子的左肺，把照片发给乔尼克和阿克曼。
其实塔福罗是相当忐忑的，他看到第一张人肺图片后，以为自己失败了，向整个项目的成员发邮件道歉，说他没有做出高质量的扫描。
“对我来说，那几张照片很糟糕，但对他们来说却非常棒！” 塔福罗说。

看到照片的李惊叹了，塔福罗给的是一个肺部的三维图像，可以任意把自己想看的地方放大，“信息量是医学CT的一百万倍”。

HiP-CT技术使人体扫描的分辨率达到25微米，比人的头发还细，

在选择要放大的区域后，它还能达到单微米级分辨率，是医学CT分辨率的100倍！

（可以放大到细胞结构的肺部扫描图）

“当我们第一次看到图时，所有人都陷入沉默。”沃尔什说，“之前，没人看过如此详细的人体器官图。”

乔尼克和阿克曼非常高兴，因为三维图像显示肺部的血管出现扩展和肿胀，还形成异常的微型血管束，这对新冠病毒的了解更近一步。
这张看上去颇为可怕的图，也成功让研究人员说服他们的亲友接种疫苗。

（研究员在分析HiP-CT扫出的图像）

HiP-CT的工作还没有停止，塔福罗的团队建立了一个人体器官图谱计划，希望将所有器官都扫描一遍，把三维图像放到云端，让所有医学研究者都可以看。这些图就相当于人体的谷歌地图。
目前，团队已经发布了心脏、大脑、肾脏、肺和脾脏的三维图，完成对另外30种器官的扫描，还有80种器官在排队等候中。

（HiP-CT扫描出的5种器官）

这项技术对了解疾病相当宝贵，已经有40多个研究小组联系他们，希望他们能帮忙扫。
HiP-CT团队还在测试ESRF的最新光束设备，叫BM18，它能产生更大的X射线束，意味着扫描所需的时间更短。
BM18的效果也很好，他们计划在2023年底之前，扫描出整个人体。

（保罗·塔福罗）

原本，人类还需要靠绘画做出器官结构图，现在只需要半天时间，就能得到一张真实的器官图。
人类离了解自己更进了一步，多亏了科技的发展啊……