Исследователи из Университетского колледжа Лондона и Европейского центра синхротронного излучения (ESRF) получили беспрецедентно подробные изображения двух целых взрослых человеческих сердец — одного здорового и одного больного. Это стало бесценным источником информации для лучшего понимания сердечно-сосудистых заболеваний.

Исследование, опубликованное в журнале Radiology , представляет собой атлас человеческого сердца , который охватывает анатомическую структуру всего органа до 20 микрометров — половины ширины человеческого волоса. В некоторых областях визуализация была сделана на клеточном уровне.

Атлас будет способствовать ранее невозможным исследованиям как здоровых, так и больных сердец, проясняя анатомические структуры и связи внутри органа, а его потенциальные области применения будут охватывать широкий спектр — от улучшения лечения аритмии до создания более реалистичных моделей для обучения хирургов.

Сердечно-сосудистые заболевания являются основной причиной смертности во всем мире. Ишемическая болезнь сердца, ослабление сердца, вызванное снижением притока крови, стала причиной 8,9 миллиона или 16% смертей во всем мире в 2019 году, и эта цифра выросла более чем на 2 миллиона с 2000 года.

Врачи обычно используют методы визуализации, такие как ультразвук, компьютерная томография и магнитно-резонансная томография, для диагностики сердечно-сосудистых заболеваний , но эти методы не предоставляют подробную структурную информацию о том, что происходит в органе. Чтобы получить более детальное изображение, необходимо разрезать органы на тонкие срезы для сканирования, что значительно ограничивает поле зрения.

В последние годы для разработки новых методов визуализации, которые преодолевают эти ограничения, использовался тип ускорителя частиц, называемый синхротроном. Были опубликованы исследования синхротрона на целых сердцах плода и мелких животных, хотя они всегда проводились в масштабах, намного меньших, чем основные органы взрослого человека.

В этом исследовании ученые из UCL и ESRF использовали рентгеновскую технику, называемую иерархической фазово-контрастной томографией (HiP-CT), для получения изображений двух целых сердец взрослых людей с точностью до 20 микрометров, что позволило получить полное и подробное трехмерное изображение всего органа.

Одно сердце было от 63-летнего белого донора-мужчины без известных сердечных заболеваний (контроль), а другое от 87-летней белой донора-женщины с историей ишемической болезни сердца, гипертонии и мерцательной аритмии. Было бы невозможно визуализировать сердце живого человека таким образом, поскольку доза облучения была бы слишком высокой.

Профессор Питер Ли, старший автор исследования из факультета машиностроения UCL, сказал: «Атлас, который мы создали в этом исследовании, похож на Google Earth для человеческого сердца. Он позволяет нам просматривать весь орган в глобальном масштабе, а затем увеличивать масштаб до уровня улицы, чтобы рассмотреть особенности сердечно-сосудистой системы в беспрецедентных подробностях».

«Одним из главных преимуществ этой технологии является то, что она позволяет получить полное трехмерное изображение органа, что примерно в 25 раз лучше, чем при использовании клинического КТ-сканера. Кроме того, она может увеличивать масштаб до клеточного уровня в выбранных областях, что в 250 раз лучше, чтобы достичь той же детализации, что и при использовании микроскопа, но без разрезания образца».

«Возможность получения изображений целых органов позволяет обнаружить детали и связи, которые ранее были неизвестны».

Кредит: HiP-CT
Подробная визуализация проводящей системы сердца, которая генерирует и передает электрические сигналы , управляющие насосной функцией сердечной мышцы , является одним из примеров того, как это исследование повлияет на сердечно-сосудистую медицину.

Профессор Эндрю Кук, автор исследования и кардиолог из Института сердечно-сосудистых наук UCL, сказал: «С сегодняшними технологиями точная интерпретация анатомии, лежащей в основе таких заболеваний, как аритмия, очень затруднена. Таким образом, существует огромный потенциал для разработки новых методов лечения с использованием продемонстрированной нами здесь техники визуализации».

«Мы считаем, что наши результаты помогут исследователям понять возникновение нарушений сердечного ритма, а также эффективность стратегий абляции для их лечения. Например, теперь у нас есть способ определять различия в толщине слоев ткани и жира, расположенных между внешней поверхностью сердца и защитной оболочкой, окружающей сердце, что может иметь значение при лечении аритмии».

Хотя визуализация двух сердец является важной вехой в сердечно-сосудистой медицине, исследователи говорят, что для получения более достоверного представления о различиях между людьми, принимая во внимание различия в возрасте, поле, этнической принадлежности и прогрессировании заболевания, потребуется получить больше изображений сердец.

Изображения двух сердец были получены на Европейском центре синхротронного излучения, где находится самый яркий в мире источник рентгеновского излучения, расположенный в Гренобле, Франция.

Доктор Джозеф Брюне, первый автор исследования из UCL Mechanical Engineering и приглашенный ученый ESRF, сказал: «Когда вы впервые видите сердце с помощью HiP-CT, это довольно удивительно, поскольку оно четко показывает мягкие ткани, которые обычно не видны при обычной рентгеновской визуализации. Это возможно только благодаря тому, как фазово-контрастные рентгеновские лучи взаимодействуют с этими тканями, а также благодаря высокой энергии, которую ESRF может генерировать для проникновения во весь орган».

Однако это решение не лишено своих проблем. Визуализация каждого сердца сгенерировала 10 терабайт данных, что в 1 миллион раз больше, чем стандартная КТ-сканирование.

Пол Таффоро, автор исследования из ESRF, который изобрел технологию HiP-CT, сказал: «В настоящее время линия передачи пучка ESRF является единственным местом в мире, где можно получить изображения полных органов взрослого человека с таким высоким уровнем контрастности, и мы все еще далеки от пределов этой технологии. Основным ограничивающим фактором является обработка очень больших объемов данных, полученных с помощью HiP-CT».

Эта работа вносит вклад в проект Human Organ Atlas, целью которого является создание открытой научной базы данных изображений всех человеческих органов в состоянии здоровья и болезни. Атлас доступен онлайн.