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跨学科合作!X射线相衬显微技术为破解新冠病毒感染机制提供新思路

2020-11-04 09:20:36 11


近日,由哥廷根大学(University of Göttingen)的物理学家Tim Salditt教授牵头的研究小组在学术期刊eLife上发表了名为 “3d Virtual Patho-Histology of Lung Tissue from Covid-19 Patients based on Phase Contrast X-ray Tomography”的研究成果。


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该文介绍了一种新的X射线三维成像技术。该研究基于X射线相衬CT,使用了X射线显微镜技术,可对感染了新冠病毒后受损的肺部组织(肺泡和血管结构)进行高分辨成像和三维建模(可视化)。


该项目由来自哥廷根大学的物理学家和汉诺威医学院的病理学家以及肺部专家联合开发。基于这项研究,他们认为可以以多尺度相位对比的X射线断层扫描为工具,来破译Covid-19的病理生理学机制,并助力新冠病毒治疗新方法的研究。


在一些新冠病毒重度感染样本中,研究人员表示能够在血管、炎症部位、血栓和 “玻璃样膜 ”中观察到显著变化。(新冠病毒感染导致肺泡细胞及上皮细胞大量死亡,细胞残片及蛋白在肺泡壁大量堆积,使得肺泡壁增厚,并在其双面形成玻璃样膜hyaline membrane,最终严重阻滞了O2CO2的交换。)而这也是首次在不需要切割,染色或破坏样本的情况下,能够在大块样本组织中观察到这些变化。


自从1895年伦琴发现X射线以来,X射线成像就被广泛应用于临床医学等领域。从传统的X光技术发展而来,CT扫描能够扫描出三维图像,让医生能更加准确地进行诊断。然而,传统的X射线成像一直是依赖于物体不同部位对X射线产生不同程度的吸收衰减,这种传统技术的分辨率和对比度无法探测到细胞或亚细胞的组织结构。

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多尺度X射线断层扫描设置


因此,作者Salditt及他的研究小组使用了 “相衬成像技术”,利用X射线穿过物体产生的相位变化,得到强度差异图,并从中重构出清晰的三维图像,他们现在已经将这种方法应用于研究Covid-19中受感染的肺部组织。

 

*研究人员使用的是位于德国汉堡的德国电子同步加速器研究所DESY 正负电子储存环PETRAIII产生的高强度X射线辐射。PETRA-III能量为6 GeV,流强为100mA。通过采用阻尼扭摆磁铁,发射度可达1 nmrad。PETRA-III在数年内都是世界上基于X射线源的亮度最高的储存环,以至可以用于测量纳米尺寸的微小样本。这种光源可用于研究蛋白质、纳米材料和新型器件。


正如150年前,得益于物理学界和医学界的紧密合作,现代显微技术出现并蓬勃发展,随后被广泛应用于临床医学。当下的跨学科研究团队同样希望能够推动这些新技术在治疗方法及药物开发上的应用,以预防、减轻Covid-19造成的严重肺部损伤,或促进受损组织的再生和恢复。


“只有当我们能够清楚地看到和了解真实情况时,我们才能研发出有针对性的干预措施和药物。”领导这项跨学科负责医学部分的Danny Jonigk(汉诺威医学院)补充道。我们相信随着科学的发展,通过跨学科合作,物理学在医学中将会获得更多的应用,并为医学的发展做出更大贡献。

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