跨學(xué)科合作！X射線相襯顯微技術(shù)為破解新冠病毒感染機制提供新思路
近日，由哥廷根大學(xué)（University of G?ttingen）的物理學(xué)家Tim Salditt教授牽頭的研究小組在學(xué)術(shù)期刊eLife上發(fā)表了名為 “3d Virtual Patho-Histology of Lung Tissue from Covid-19 Patients based on Phase Contrast X-ray Tomography”的研究成果。
該文介紹了一種新的X射線三維成像技術(shù)。該研究基于X射線相襯CT，使用了X射線顯微鏡技術(shù)，可對感染了新冠病毒后受損的肺部組織（肺泡和血管結(jié)構(gòu)）進行高分辨成像和三維建模（可視化）。
該項目由來自哥廷根大學(xué)的物理學(xué)家和漢諾威醫(yī)學(xué)院的病理學(xué)家以及肺部專家聯(lián)合開發(fā)?；谶@項研究，他們認為可以以多尺度相位對比的X射線斷層掃描為工具，來破譯Covid-19的病理生理學(xué)機制，并助力新冠病毒治療新方法的研究。
在一些新冠病毒重度感染樣本中，研究人員表示能夠在血管、炎癥部位、血栓和 “玻璃樣膜 ”中觀察到顯著變化。（新冠病毒感染導(dǎo)致肺泡細胞及上皮細胞大量死亡，細胞殘片及蛋白在肺泡壁大量堆積，使得肺泡壁增厚，并在其雙面形成玻璃樣膜hyaline membrane，最終嚴重阻滯了O2及CO2的交換。）而這也是首次在不需要切割，染色或破壞樣本的情況下，能夠在大塊樣本組織中觀察到這些變化。
自從1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以來，X射線成像就被廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。從傳統(tǒng)的X光技術(shù)發(fā)展而來，CT掃描能夠掃描出三維圖像，讓醫(yī)生能更加準確地進行診斷。然而，傳統(tǒng)的X射線成像一直是依賴于物體不同部位對X射線產(chǎn)生不同程度的吸收衰減，這種傳統(tǒng)技術(shù)的分辨率和對比度無法探測到細胞或亞細胞的組織結(jié)構(gòu)。
多尺度X射線斷層掃描設(shè)置
因此，作者Salditt及他的研究小組使用了 “相襯成像技術(shù)”，利用X射線穿過物體產(chǎn)生的相位變化，得到強度差異圖，并從中重構(gòu)出清晰的三維圖像，他們現(xiàn)在已經(jīng)將這種方法應(yīng)用于研究Covid-19中受感染的肺部組織。
*研究人員使用的是位于德國漢堡的德國電子同步加速器研究所DESY 正負電子儲存環(huán)PETRAIII產(chǎn)生的高強度X射線輻射。PETRA-III能量為6 GeV，流強為100mA。通過采用阻尼扭擺磁鐵，發(fā)射度可達1 nmrad。PETRA-III在數(shù)年內(nèi)都是世界上基于X射線源的亮度最高的儲存環(huán)，以至可以用于測量納米尺寸的微小樣本。這種光源可用于研究蛋白質(zhì)、納米材料和新型器件。
正如150年前，得益于物理學(xué)界和醫(yī)學(xué)界的緊密合作，現(xiàn)代顯微技術(shù)出現(xiàn)并蓬勃發(fā)展，隨后被廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)。當下的跨學(xué)科研究團隊同樣希望能夠推動這些新技術(shù)在治療方法及藥物開發(fā)上的應(yīng)用，以預(yù)防、減輕Covid-19造成的嚴重肺部損傷，或促進受損組織的再生和恢復(fù)。
“只有當我們能夠清楚地看到和了解真實情況時，我們才能研發(fā)出有針對性的干預(yù)措施和藥物?！鳖I(lǐng)導(dǎo)這項跨學(xué)科負責(zé)醫(yī)學(xué)部分的Danny Jonigk（漢諾威醫(yī)學(xué)院）補充道。我們相信隨著科學(xué)的發(fā)展，通過跨學(xué)科合作，物理學(xué)在醫(yī)學(xué)中將會獲得更多的應(yīng)用，并為醫(yī)學(xué)的發(fā)展做出更大貢獻。