Raios-x ultra detalhados revelam impacto da covid-19 em órgãos

Quando Paul Tafforeau viu os primeiros exames experimentais do pulmão de uma vítima da covid-19, ele pensou que tivesse errado. Paleontólogo de formação, Tafforeau trabalhava com uma equipe espalhada pela Europa há meses para transformar um acelerador de partículas nos Alpes franceses em uma revolucionária ferramenta de diagnósticos médicos.

Era final de maio de 2020 e os cientistas estavam ansiosos para ver observar como os órgãos humanos eram tomados pela covid-19. Tafforeau tinha sido encarregado de desenvolver uma técnica que fizesse uso dos poderosos raios-x gerados na Instalação Europeia de Radiação Síncrotra (ESRF, na sigla em inglês) em Grenoble, França. Como cientista da equipe ESRF, ele revolucionou o campo produzindo raios-x de alta resolução de fósseis duros como rocha e de múmias desidratadas. Agora, um pedaço de tecido macio e molenga o deixava preocupado.

Mas quando seus colegas viram pela primeira vez o resultado dos exames de pulmão, eles sentiram outra coisa: admiração.

As imagens apresentavam detalhes mais ricos do que qualquer tomografia médica que eles já tinham visto, permitindo preencher uma lacuna sobre como cientistas e médicos podem visualizar – e entender – órgãos humanos. “Nos livros de anatomia, quando você vê, existe a grande escala e uma menor, todas são belas imagens desenhadas à mão por um motivo: são interpretações artísticas, porque não temos imagens para isso” diz Claire Walsh, pós-doutoranda sênior da University College London (UCL). “Pela primeira vez, podemos fazer a coisa real.”

Tafforeau e Walsh fazem parte de uma equipe internacional de mais de 30 pesquisadores que criou um novo e poderoso tipo de exame de raios-x chamado tomografia de contraste de fase hierárquica (HiP-CT). Com ele, podem finalmente passar de um órgão humano completo para uma visão ampliada dos menores vasos sanguíneos do corpo e até células individuais.

A técnica já fornece novos entendimentos sobre como a covid-19 danifica e remodela os vasos sanguíneos dos pulmões. Embora seu  uso no longo prazo seja difícil de prever, porque nada como HiP-CT já existiu antes, pesquisadores estão animados com o potencial e sonham com entusiasmo com novas maneiras de entender doenças e mapear com mais rigor os terrenos da anatomia humana.

“O que talvez seja uma surpresa para a maioria das pessoas é que estudamos o coração anatomicamente há centenas de anos”, diz o anatomista cardíaco da UCL Andrew Cook, “mas não há um consenso sobre a estrutura normal do coração, particularmente de células musculares e como isso muda à medida que o coração bate”.

Uma técnica como a que o HiP-CT promete, diz ele, é algo que “esperei durante toda a minha carreira”.

Como surgiu a tomografia de contraste de fase hierárquica (HiP-CT)

A técnica HiP-CT começou quando dois patologistas alemães correram para rastrear os efeitos perversos do vírus Sars-CoV-2 em todo o corpo humano.

Assim que as notícias de casos incomuns de pneumonia começaram a aparecer na China, Danny Jonigk – patologista de doenças torácicas da Escola de Medicina de Hannover – e Maximilian Ackermann, patologista do Centro Universitário de Medicina de Mainz, ficaram em alerta máximo. Ambos tinham experiência em doenças pulmonares e imediatamente souberam que a covid-19 era incomum. Os dois estavam especialmente preocupados com relatos de uma “hipóxia silenciosa” que deixava pacientes com covid-19 acordados, mas fazia com que seus níveis de oxigênio no sangue caíssem.

Ackermann e Jonigk suspeitavam que o Sars-CoV-2 estivesse, de alguma forma, atacando vasos sanguíneos dos pulmões. À medida que a doença se espalhava pela Alemanha em março de 2020, a dupla começou a realizar autópsias de vítimas da covid-19. Eles logo testaram a hipótese sobre os vasos sanguíneos injetando amostras de tecido com resina e depois dissolvendo os tecidos em ácido, o que resultou em moldes fiéis da vasculatura original.

Usando essa técnica, Ackermann e Jonigk compararam os tecidos de pessoas que não morreram de covid-19 com as que morreram. Eles imediatamente viram que, entre as vítimas da covid-19, os menores vasos sanguíneos dos pulmões foram distorcidos e remodelados. Esses resultados marcantes, publicados online em maio de 2020, mostraram que a covid-19 não era estritamente uma doença respiratória, mas vascular – e que poderia afetar órgãos de todo o corpo.

“Se você passar pelo corpo humano e colocar todos os vasos sanguíneos em uma linha, chegará [de 96.000] a 112.000 quilômetros, o dobro da distância ao redor do Equador”, diz Ackermann, que também é patologista em Wuppertal, nas clínicas Helios, na Alemanha. Se apenas um por cento desses vasos sanguíneos for atacado por um vírus, acrescenta ele, o fluxo do sangue e a capacidade de absorver oxigênio podem ser prejudicados, com consequências potencialmente devastadoras em órgãos inteiros.

Assim que reconheceram os efeitos vasculares da covid-19, Jonigk e Ackermann perceberam que precisavam observar os danos em mais detalhes.

Raios-x médicos, como tomografias computadorizadas, podem fornecer uma visão de um órgão inteiro, mas não têm resolução alta o suficiente. As biópsias podem permitir que os cientistas estudem amostras de tecido no microscópio, mas as imagens resultantes são apenas pequenos pedaços de um órgão inteiro e não podem mostrar como a covid-19 progride no pulmão como um todo. E a técnica de resina da equipe exigia a dissolução de tecido, o que destrói a amostra e limita estudos adicionais.

“No final das contas, o pulmão é oxigênio para dentro, dióxido de carbono para fora – mas, para fazer isso, ele tem milhares e milhares de quilômetros de vasos sanguíneos e capilares que são tão finos e organizados… é quase um milagre”, diz Jonigk, o investigador principal e fundador do Centro Alemão de Pesquisa do Pulmão. “Então, como poderíamos realmente avaliar algo tão complexo quanto a covid-19 sem destruir o órgão?”

Jonigk e Ackermann precisavam de algo inédito: uma série de raios-x, todos feitos no mesmo órgão, que permitiriam aos pesquisadores ampliar partes do órgão até a escala celular. Em março de 2020, a dupla alemã entrou em contato com um colaborador de longa data, Peter Lee, cientista de materiais e presidente de tecnologias emergentes da UCL. A especialidade de Lee é estudar materiais biológicos com poderosos raios-x – por isso ele acabou chegando nos Alpes franceses.

Como funciona a técnica que potencializa os raios-x

A Instalação Europeia de Radiação Síncrotron fica no canto noroeste de Grenoble, em um terreno triangular onde dois rios se encontram. A instalação é um acelerador de partículas que faz os elétrons viajarem quase à velocidade da luz em um caminho circular de 800 metros de comprimento. À medida que esses elétrons giram e giram, ímãs poderosos ao longo do caminho dobram o fluxo de partículas, o que faz com que os elétrons emitam os raios-x mais brilhantes do mundo.

Essa poderosa radiação permite que o ESRF perscrute objetos na escala de micrômetros, até mesmo nanômetros. Ele é frequentemente usado para estudar materiais como ligas e compósitos, verificar as estruturas moleculares de proteínas e até reconstruir fósseis antigos sem ter que separar a rocha de um osso. Ackermann, Jonigk e Lee queriam usar esse enorme instrumento para realizar obter imagens por raios-x mais detalhas de um órgão humano.

Então chamaram Tafforeau, cujo trabalho no ESRF estendeu os limites do que o imageamento por síncrotron pode mostrar. Entre seus feitos, ele permitiu que cientistas espiassem dentro de ovos de dinossauros e praticamente desembrulhassem múmias. Quase imediatamente após receber o chamado, Tafforeau confirmou que o síncrotron poderia, em teoria, fazer uma boa imagem de um lobo pulmonar inteiro. Imagear um órgão humano inteiro, no entanto, era um enorme desafio.

Por um lado, há a questão do contraste. Os raios-x padrão fazem imagens com base na quantidade de radiação absorvida por diferentes materiais – elementos mais pesados absorvem mais raios do que os mais leves. Os tecidos moles são feitos principalmente de elementos leves – carbono, hidrogênio, oxigênio e assim por diante – e é por isso que eles não aparecem claramente em um raio-x médico comum.

Um dos grandes benefícios da ESRF é que seus feixes de raios-x são muito organizados: a luz se move em ondas e, no caso do ESRF, os raios-x começam todos com a mesma frequência e alinhamento, ondulando em uníssono como as marcas deixadas para trás por um rastelo em um jardim zen oriental. Mas, à medida que esses raios-x atravessam  um objeto, diferenças sutis na densidade podem fazer com que o caminho de cada raio-x se desvie ligeiramente, uma diferença que fica mais detectável quanto mais longe os raios-x se propagam quando saem do objeto. Esses desvios podem revelar pequenas diferenças de densidade dentro de um objeto, mesmo que ele seja composto por elementos leves.

Mas a estabilidade é outro desafio. Para obter uma série de raios-x ampliados, um determinado órgão teria que ser imobilizado em sua forma natural para não se flexionar ou mudar de posição em até um milésimo de milímetro. Mais do que isso, e sucessivas varreduras de raios-x no mesmo órgão não se alinhariam. É desnecessário dizer, porém, que os órgãos podem ser bastante flexíveis.

Lee e sua equipe na UCL correram para criar recipientes que pudessem suportar os raios-x do síncrotron, mas também deixar passar o maior número possível de ondas. Lee também fez malabarismos com a organização geral do projeto – como os pontos mais delicados de envio de órgãos humanos entre a Alemanha e a França – e recrutou Walsh, especializada em grandes conjuntos de dados biomédicos, para ajudar a descobrir como analisar os exames. De volta à França, os trabalhos de Tafforeau incluíam refinar o procedimento de escaneamento e descobrir como manter os órgãos ainda dentro dos recipientes que a equipe de Lee estava construindo.

Para prevenir que os órgãos se decomponham e tornar os exames mais precisos possível, Tafforeau sabia que eles precisariam ser tratados com várias rodadas de soluções de etanol-água. Ele também sabia que precisava estabilizar os órgãos em algo que correspondesse exatamente à densidade dos órgãos. Seu plano de trabalho era, de alguma forma, incorporar os órgãos em um ágar rico em etanol, uma substância gelatinosa derivada de algas marinhas.

Mas o diabo mora nos detalhes – e Tafforeau, como grande parte da Europa, estava preso em casa, confinado. Então, Tafforeau transferiu a pesquisa para seu laboratório doméstico: uma antiga cozinha secundária que ele passou anos decorando com impressoras 3D, equipamentos básicos de química e ferramentas usadas para preparar esqueletos de animais para estudos anatômicos.

Tafforeau usou suprimentos de uma mercearia local para descobrir como fazer seu ágar. Ele até coletou o escoamento da água da chuva de seu telhado recentemente limpo para obter água desmineralizada, ingrediente padrão em receitas de ágar de laboratório . Para testar o recipiente com os órgãos em ágar, ele arrumou vísceras de porco em um matadouro local.

Tafforeau obteve permissão para retornar ao ESRF em meados de maio para realizar os primeiros imageamentos de teste com o pulmão de um porco. Em junho, ele preparou e imageou o lobo esquerdo do pulmão de um homem de 54 anos, morto por covid-19, enviado para Grenoble por Ackermann e Jonigk da Alemanha.

“Quando vi a primeira imagem, no e-mail que enviei para todas as pessoas do projeto, pedi desculpas: falhamos, não consegui digitalizações de alta qualidade”, diz ele. “Enviei duas fotos que, para mim, foram ruins, mas para eles foram excelentes.”

Para Lee, da UCL, as imagens eram inspiradoras: uma visão geral do órgão, como uma tomografia computadorizada médica padrão, mas “com um milhão de vezes de informação”. Era como se os pesquisadores tivessem passado a vida estudando uma floresta apenas por sobrevoos distantes em grandes ou caminhando por uma única trilha. Agora, podiam sobrevoar o dossel da floresta de perto, como pássaros.

“A primeira vez que vimos a resolução intermediária… Foi tipo, um silêncio”, diz Walsh.

Futuros desafios para o HiP-CT

A equipe publicou a primeira descrição completa do método HiP-CT  em novembro de 2021, e os pesquisadores também publicaram uma visão detalhada de como a covid-19 afeta certos tipos de circulação sanguínea nos pulmões.

Os exames também renderam um bônus inesperado: ajudaram os pesquisadores a convencer amigos e parentes a se vacinarem. Em casos graves de covid-19, muitos dos vasos sanguíneos dos pulmões parecem dilatados e inchados e, em escalas menores, formam-se feixes anormais de minúsculos vasos sanguíneos.

“Quando você vê a estrutura dos pulmões de pessoas que morrem de covid, não parecem pulmões – é uma grande bagunça”, diz Tafforeau.

Mesmo em órgãos saudáveis, ele acrescenta, os exames revelaram características anatômicas sutis que nunca haviam sido documentadas porque ninguém jamais tinha visto um órgão humano com esse nível de detalhes. Com mais de um milhão de dólares em financiamento da Chan Zuckerberg Initiative – uma organização sem fins lucrativos fundada pelo CEO do Facebook, Mark Zuckerberg, e pela médica Priscilla Chan, esposa de Zuckerberg – a equipe HiP-CT agora está criando o chamado Atlas dos Órgãos Humanos.

Até agora, o grupo divulgou imagens de cinco tipos de órgãos – coração, cérebro, rins, pulmões e baço – com base em autópsias feitas por Ackermann e Jonigk na Alemanha em órgãos com covid-19 que foram doados e órgãos saudáveis de “controle” do Ladaf, um laboratório de anatomia com sede em Grenoble. A equipe disponibilizou os dados, e vídeos com base nos dados, gratuitamente online.

O Atlas dos Órgãos Humanos está crescendo rapidamente: outros 30 órgãos já foram escaneados e outros 80 estão em vários estágios de preparação. Lee diz que cerca de 40 grupos de pesquisa diferentes entraram em contato com a equipe para saber mais sobre o método.

Cook, especialista em coração da UCL, vê um enorme potencial no uso do HiP-CT para estudar anatomia básica. E Joe Jacob, um radiologista da UCL especializado em doenças pulmonares, diz que o HiP-CT será “inestimável para entender doenças”, especialmente em estruturas 3D, como vasos sanguíneos.

Até artistas estão entrando na briga. Barney Steel, do coletivo de arte experimental Marshmallow Laser Feast, com sede em Londres, diz que pesquisa como explorar dados HiP-CT em realidade virtual imersiva. “Estamos basicamente criando viagens pelo corpo humano”, diz ele.

Mas, para todas as promessas do HiP-CT, também existem desafios consideráveis. Primeiro, diz Walsh, o imageamento por HiP-CT gera uma “quantidade assustadora de dados”: são vários terabytes por cada órgão. Para os médicos fazerem uso real desses imageamentos, os pesquisadores esperam desenvolver uma interface baseada em nuvem para navegá-las, como um Google Maps para o corpo humano.

Eles também precisam transformar as digitalizações em modelos 3D viáveis com maior facilidade. Como todas as técnicas de tomografia computadorizada, o HiP-CT funciona fazendo muitas fatias 2D de um determinado objeto e empilhando-as. Ainda hoje, grande parte desse processo é manual, especialmente para exames de tecidos anormais ou doentes. Lee e Walsh dizem que uma das principais prioridades da equipe HiP-CT é desenvolver técnicas de machine learning que possam aliviar essa carga.

Quanto mais o Atlas e as ambições dos pesquisadores crescem, mais desafios devem aparecer. A equipe do HiP-CT está usando a mais nova máquina de feixes do ESRF, chamada BM18, para continuar digitalizando os órgãos do projeto. O BM18 produz um feixe de raios-x muito maior, o que significa que as varreduras levam menos tempo, e o detector de raios-x do BM18 pode ser colocado a até 38 metros de distância do objeto que está sendo digitalizado, o que torna as imagens muito mais nítidas. Os resultados do BM18 já são tão bons, diz Tafforeau, que ele redigitalizou algumas das amostras originais do Atlas dos Órgãos Humanos no novo sistema.

O BM18 também tem espaço para escanear objetos muito grandes. Graças às novas instalações, a visão da equipe é escanear um torso inteiro de um corpo humano de uma só vez até o final de 2023.

Ao explorar o imenso potencial dessa técnica, Tafforeau diz: “estamos realmente no começo”.