Atlas Narządów Ludzkich (The Human Organ Atlas, HOA) został stworzony z wykorzystaniem zaawansowanej metody obrazowania synchrotronowego. Dzięki temu gromadzi jedne z najdokładniejszych obrazów 3D ludzkich narządów, jakie kiedykolwiek stworzono. Umożliwia naukowcom, lekarzom, nauczycielom, studentom i szerszej publiczności interaktywne „podróże” po narządach takich jak mózg, serce, płuca, nerki i wątroba, zapewniając nowy sposób zrozumienia anatomii człowieka i chorób.

Atlas jest dostępny w znacznie rozszerzonej wersji i można uzyskać do niego dostęp za pośrednictwem standardowej przeglądarki internetowej, bez konieczności instalowania specjalistycznego oprogramowania, pod adresem internetowym. 

Atlas wykorzystuje zaawansowaną metodę obrazowania zwaną Hierarchiczną Tomografią Kontrastowo-Fazową (HiP-CT), opracowaną w Europejskim Synchrotronie (ESRF) w Grenoble we Francji przez międzynarodowy zespół kierowany przez University College London (UCL) w Wielkiej Brytanii. HiP-CT wykorzystuje źródło światła ESRF Extremely Brilliant Source – nową generację synchrotronu – które jest do 100 miliardów razy jaśniejsze niż konwencjonalne tomografy komputerowe w szpitalach. Pozwala to naukowcom na nieniszczące skanowanie całych, nienaruszonych narządów ludzkich, a następnie powiększanie obrazu do rozdzielczości bliskiej komórce (do mniej niż jednego mikrona, czyli 50 razy mniej niż grubość ludzkiego włosa).

Technika ta wypełnia istniejącą w medycynie lukę pomiędzy radiologią a histologią i stanowi znaczący postęp w obrazowaniu biomedycznym.

„Aby stworzyć Atlas Narządów Ludzkich, zgromadziliśmy naukowców i lekarzy z dziewięciu instytutów na całym świecie. Ta grupa stale się rozrasta, pomagając w zdobywaniu nowej wiedzy na temat chorób, od choroby zwyrodnieniowej stawów po choroby serca, i zmieniając sposób, w jaki poznajemy ludzkie ciało” – wskazał Peter Lee, profesor na Wydziale Inżynierii Mechanicznej UCL, główny badacz projektu HOA beamtime.

„Atlas Narządów Ludzkich pokazuje, co nauka zespołowa może osiągnąć w najlepszym wydaniu – rozpoczęliśmy ten projekt z myślą o tym, aby te dane były wykorzystywane przez innych i przyczyniały się do pogłębienia wiedzy na temat fizjologii człowieka. To niesamowite źródło, które będzie się nadal rozwijać. Osobiście jestem niezwykle podekscytowana, widząc, jak społeczność zajmująca się sztuczną inteligencją wykorzystuje HOA w modelach bazowych AI” – powiedziała Claire Walsh, adiunkt na Wydziale Inżynierii Mechanicznej UCL, dyrektor Human Organ Atlas Hub.

Metoda, pierwotnie opracowana podczas pandemii COVID-19, doprowadziła już do publikacji o dużym wpływie i przyczyniła się do postępu naukowego, ujawniając wcześniej niewidoczne mikroskopijne uszkodzenia naczyń w płucach pacjentów zmarłych na COVID-19 lub zmieniając rozumienie zaburzeń kardiologicznych.

Technologia ta została również zastosowana do innych narządów, dostarczając nowych spostrzeżeń na temat złożonych struktur anatomicznych w zdrowiu i chorobie, na przykład patogenezy zaburzeń ginekologicznych.

„Wirtualne, trójwymiarowe dane histologiczne pochodzące z platformy Human Organ Atlas dostarczają nam cennych informacji na temat patogenezy zaburzeń ginekologicznych. Wiedza ta jest kluczowa dla zniwelowania obecnych luk w wiedzy i zniwelowania nierówności płci” – wyjaśniła Judith Huirne, profesor ginekologii w centrum medycznym Amsterdam UMC.

Portal Human Organ Atlas jest efektem ponad pięcioletniej współpracy wielu badaczy, inżynierów, klinicystów i specjalistów ds. infrastruktury, zjednoczonych w ramach Human Organ Atlas Hub, konsorcjum zrzeszającego dziewięć instytutów z Europy i Stanów Zjednoczonych.

„Od początku chcieliśmy, aby te dane były dostępne dla wszystkich i aby zbudować otwartą, wspólną infrastrukturę naukową na skalę globalną – podkreślił Paul Tafforeau, naukowiec z ESRF i pionier techniki obrazowania wykorzystanej do stworzenia Human Organ Atlas. - To źródło wiedzy dla naukowców, lekarzy, edukatorów – ale także dla każdego, kto interesuje się budową ludzkiego ciała”.

„Human Organ Atlas w krótkim czasie stał się złotym standardem w zakresie danych FAIR z synchrotronów i inspiruje inne społeczności do pójścia w jego ślady” – dodał Andy Gotz, kierownik ds. danych w ESRF i koordynator Europejskiego Klastra Otwartej Nauki Fotonów i Neutronów (PANOSC).

Zgodnie z wiedzą zespołu, jest to obecnie zbiór danych 3D o najwyższej rozdzielczości spośród publicznie dostępnych, zawierający nienaruszone narządy ludzkie. Zapewnia obecnie dostęp do 56 narządów, 307 pełnych zbiorów danych 3D od 25 dawców. Można oglądać 11 rodzajów narządów, w tym mózg, serce, płuca, nerki, wątrobę, jelito grube, śledzionę, łożysko, macicę, prostatę i jądra.

Możliwe jest skanowanie wieloskalowe, od obrazów całych narządów do rozdzielczości bliskiej komórce (standardowo do 2 mikrometrów, a w przypadku niektórych narządów nawet do 0,65 mikrometra).

Portal został zaprojektowany tak, aby wykraczał daleko poza specjalistyczne laboratoria badawcze. Każdy zbiór danych może osiągnąć rozmiar setek gigabajtów, a nawet ponad terabajta. Największy (mózg) osiąga 14 TB. Aby dane były dostępne na całym świecie, portal oferuje interaktywną wizualizację opartą na przeglądarce (bez konieczności stosowania specjalnego oprogramowania), możliwość pobierania zbiorów danych w różnych rozdzielczościach, samouczki i narzędzia programowe do analizy. Regularne dodawane są nowe dane.

Oprócz rozwoju badań anatomicznych i biomedycznych, Atlas ma stać się ważnym źródłem dla sztucznej inteligencji. Duże, wysokiej jakości zbiory danych 3D są rzadkością — co ogranicza rozwój zaawansowanych medycznych systemów sztucznej inteligencji. Atlas narządów człowieka zapewnia uporządkowany, hierarchiczny zbiór danych, idealnie nadający się do trenowania modeli uczenia maszynowego w zakresie segmentacji, wykrywania chorób i analizy w superrozdzielczości. Jednocześnie oferuje nowe, potężne możliwości dla edukacji medycznej i publicznego zaangażowania w naukę.

„Studenci mogą badać narządy w 3D, przewijać przekroje anatomiczne i powiększać szczegóły tkanek wewnętrznych. Tworzy to wciągającą, eksploracyjną alternatywę dla klasycznych diagramów anatomicznych, pomagając uczniom w budowaniu lepszego, przestrzennego zrozumienia złożonych struktur. Zarówno dla nauczycieli, jak i studentów, fundamentalnie zmienia naukę anatomii ze statycznego opisu na kierowane, interaktywne odkrywanie” – zaznaczył Alexandre Bellier, adiunkt anatomii, kierownik Jednostki Badań Klinicznych Szpitala Uniwersyteckiego Grenoble Alpes.

Zespół planuje rozszerzyć kolekcję w nadchodzących latach, dodając więcej narządów, próbek i nowych narzędzi, jednocześnie budując otwartą społeczność wokół danych. „Otwieramy nowe okno na wewnętrzną architekturę ludzkiego ciała – podkreślił Paul Taffordeau. - Po 6 latach wysiłków wciąż jesteśmy na początku drogi. Obecnie pracujemy nad izolowanymi organami, ale w przyszłości planujemy opracować technikę umożliwiającą obrazowanie całych ciał ludzkich z rozdzielczością od 10 do 20 razy wyższą niż obecnie. Takie dane mogą zrewolucjonizować sposób, w jaki bada się i rozumie anatomię”.

Paweł Wernicki (PAP)

pmw/ agt/