1マイクロメートルレベルの解像度を持つ初の人間の臓器の3Dマップ!

まとめ

• 最初の 3D 人間臓器アトラスは、ポータル human-organ-atlas.esrf.fr を通じてオンラインで無料で入手できます。
• このプロジェクトは、UCL (University College London) と ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) の研究者によって開発されました。
• 革新的なイメージング技術 HiP-CT (階層型位相コントラスト断層撮影) を使用します。
• 従来の医療機器よりも1,000億倍明るいESRFシンクロトロンによって生成されるX線を使用します。
• 単一細胞（1 マイクロメートル）のスケールまで「ズーム」する機能により、臓器全体の非破壊スキャンが可能になります。
• これは、新型コロナウイルス感染症、がん、神経変性疾患などの病気を引き起こす構造変化を理解するための貴重なデータを提供します。

Human Organ Atlas とは何ですか? HiP-CT テクノロジーはどのように機能しますか?

ザ 人間の臓器アトラス は、最小 1 マイクロメートルの細胞解像度で人間の臓器全体の 3D スキャンを提供するオープン デジタル データベースです。テクニックを使う 階層的位相コントラスト断層撮影 (HiP-CT) とフランスの ESRF 加速器により、従来の医療用断層撮影法よりも 1,000 億倍強力な X 線による軟組織の非破壊イメージングが可能になります。

デジタル アトラス アーキテクチャと医療画像の問題

最新の臨床画像処理は、基本的な解析の限界に直面しています。磁気共鳴画像法 (MRI) とコンピューター断層撮影法 (CT) は、臓器レベルで優れた画像処理を提供しますが、解像度はミリメートル レベルに制限されています。

対照的に、組織学的検査や電子顕微鏡検査は、マイクロメートルまたはナノメートルレベルで優れた分解能を提供しますが、組織を極小のスライスに破壊的に切断する（生検）必要があるため、脳や肺などの臓器全体を全体的に研究することが不可能になります。

人間の臓器のデジタル アトラス (人間の臓器アトラス) は、ユニバーシティ・カレッジ・ロンドン (UCL) が主導し、欧州放射光施設 (ESRF) が支援する主要な研究機関のパートナーシップであり、まさにこの巨大な規模のギャップを埋めるために来ています。

世界的な科学コミュニティに最近オープンしたオンライン ポータルを通じて、研究者は提供された人間の臓器をそのまま分析し、マクロスケールから個々の細胞に至るまでそのトポロジーを調べることができます。

最先端のテクノロジー: 階層型位相コントラスト断層撮影 (HiP-CT)

この技術的成果の中核となるのは、階層的位相コントラスト断層撮影 (HiP-CT）。高密度物質（骨など）による放射線の吸収に依存する従来の X 線とは異なり、この技術は HiP-CT 屈折に基づいています。 X 線が軟組織を透過すると、速度がわずかに変化し、放射線波に位相変化が生じます。

これらの小さな変化を記録するには、極めて高いコヒーレンスと明るさを備えた光源が必要です。ここで、フランスのグルノーブルにある ESRF (欧州放射光施設) が活躍します。これは、最近 EBS バージョンにアップグレードされた円形粒子加速器です (非常に素晴らしいソース）、世界初の第4世代放射光源となります。

その結果、病院の機械よりも 1,000 億倍明るい X 線ビームが生成されます。この能力により、最初は 20 ～ 25 マイクロメートルの解像度で人間の肺全体の断層撮影が可能になり、臓器全体の 3D マップが作成されます。このシステムは、Google Earth とまったく同じように「ズーム」する機能を提供し、特定の解剖学的領域 (肺胞など) を 1 マイクロメートル (100 万分の 1 メートル) の解像度、つまり単一細胞のレベルで焦点を当てます。

データ管理: ボクセルの計算上の課題

高解像度では、計り知れない量のデータが作成されます。一般的な病院の CT スキャンでは、数百メガバイトのファイルが生成されます。対照的に、ESRF で HiP-CT 技術を使用して単一の臓器をスキャンすると、テラバイト規模の 3D データが生成されます。各画像は数兆個のボクセル (3 次元ピクセル) で構成されています。

Human Organ Atlas プラットフォーム上でこのデータを保存、処理、ホストするには、スーパーコンピューティング構造と、ノイズ除去と 3D 画像再構成のための特殊な機械学習アルゴリズムが必要です。研究者らは、血管、神経ネットワーク、細胞膜を数学的精度で視覚化することで、基本的にこれまでオープンアクセスで公開された中で最も重く、最も詳細なヒト生物学データセットを提供します。

医療への応用と世界的な影響

アトラスは緊急事態として始まりました。パンデミック中、UCL の科学者たちは、SARS-CoV-2 ウイルスが患者の肺の小さな血管（毛細血管）の大規模な凝固と破壊を引き起こす理由を理解する方法を必要としていました。従来の生検では、問題のほんの一部しかわかりませんでした。シンクロトロンを使用して、チームは肺構造の全体的な構造変化の分析に成功しました。

現在、データベースは拡張され、心臓、腎臓、脾臓、脳などの健康な臓器と病気の臓器が含まれるようになりました。これは、比較分析のための貴重なツールを提供します。研究者は、がんが症状が現れる前に臓器の微細構造をどのように変化させるか、アルツハイマー病患者の脳内のニューロンのネットワークがどのように変化するか、心血管疾患が心筋組織にどのような影響を与えるかを観察することができます。

この規模のオープンデータを持つことは、世界中の研究にとって不可欠です。たとえば、ギリシャの研究医療センターは、数億ユーロ相当の粒子加速器に物理的にアクセスすることなく、HiP-CT データを無料でダウンロードし、独自の AI モデルを組織分析に適用できるようになりました。

テックギア提供

ザ 人間の臓器アトラス 計算生物学と材料工学の歴史の断面図です。素粒子物理学 (シンクロトロン) から生物医学イメージングの分野へのノウハウの移転は、ポジティブサイエンスの究極の収束を示しています。

私たちが保持しなければならないのは、知識の民主化のためのツールとしてのプラットフォームの価値です。大規模なオープンソース データセットが利用できるということは、アルゴリズムが AI 今日、医療画像分析の訓練を受けた人々が、ようやく必要な「グラウンドトゥルース」の高解像度データを入手できるようになりました。医療ソフトウェア開発者、大学、医療技術企業の研究開発部門は、最近まで記録することが不可能だった情報に自由にアクセスできるようになりました。将来の病状の診断と標的薬剤の開発は、これらのまさにマイクロアーキテクチャマップに直接基づいて行われることになります。