Superdetaljerad 3d-lunga – med röntgen stor som ett hus

Med en ny metod har forskare avbildat en hel lunga i 3d, med förstoring ända ned till en mikrometer – litet nog att urskilja individuella celler.

Tekniken är tänkt att brygga gapet mellan medicinsk röntgen (som datortomografi) och mikroskop, eller överblick och detaljsyn – utan att förlora det som ligger däremellan. Det berättar Paul Tafforeau, en av forskarna bakom projektet.

– System som får alla delar av kroppen att hänga ihop återfinns i många olika storleksskalor. Det kan röra sig om en cell som pratar med sin granne, medan det i blodomloppet och nervsystemet kan handla om sammanlänkningar i meterskala. Att ha tillgång till alla skalor låter oss bättre förstå hur förändringar i en av dem påverkar de andra.

Projektet drivs av forskare från University College London och European Synchrotron Radiation Facility, ESRF i Frankrike. Lungan ifråga kommer från en 54-årig man som avlidit till följd av covid-19, och studier av det nya coronaviruset är ett bra exempel på vad tekniken kan användas till.

– För covid-19 finns det gott om observationer med mikroskop och röntgenbilder. Men sjukdomssymtomen är extremt heterogena, och problemet är att vi inte vet varför. Förklaringen kan finnas i skalan mellan mikro och makro, säger Paul Tafforeau.

Principen är densamma som vid annan tredimensionell avbildning: ett objekt fångas på mängder av röntgenbilder i olika vinklar, som därefter sätts ihop till en modell med hjälp av en särskild algoritm.

Skillnaden ligger i röntgenmetoden. De nya bilderna är framtagna med en synkrotron – en partikelaccelerator som bokstavligen tar upp en helt egen cirkelformad byggnad. Tekniken slår vanlig röntgen i hästlängder vad gäller upplösning och kontrast.

Det finns flera synkrotroner i världen, bland annat Max IV utanför Lund, men att avbilda stora objekt som en hel lunga med hög kontrast och precision är bara möjligt med den på ESRF i Frankrike.

– Det är den ljusaste högenergisynkrotronen i världen. Energin är oberoende av ljusstyrkan, och avgör hur mycket materia strålen kan penetrera. Med låg energi kommer man bara några millimeter, medan högre energi kan nå flera decimeter, säger Paul Tafforeau.

Generellt gör hög energi att kontrasten blir lidande. Nyckeln för att komma runt detta är ESRF:s nyligen uppgraderade ljuskälla, EBS (Extremely Brilliant Source), som kostade 150 miljoner euro. Med hög kontrast kan extremt snarlika material ändå urskiljas från varandra på röntgenbilden, tack vare att ljuset får högre koherens (se faktaruta).

Till skillnad från datortomografi eller magnetröntgen överlever inte levande organismer att avbildas i synkrotronen. Därför är 3d-skanningen i dag begränsad till utplockade organ.

Till början av år 2022 ska synkrotronen uppgraderas igen. Den blir då ännu mer kraftfull och kan avbilda större objekt, exempelvis en donerad människokropp.

– Då börjar arbetet med att ta fram det mest detaljerade anatomiska atlasen i världshistorien, som täcker in hela människokroppen ända ned till cellnivå, säger Paul Tafforeau.