Картирование сосудистой сети головного мозга у людей в беспрецедентных масштабах: это чудо было выполнено французской лабораторией физики для медицины в Париже (ESPCI Paris-PSL, Inserm, CNRS). В исследовании, опубликованном на первой странице журнала Nature Biomedical Engineering, исследовательская группа подробно описывает свой метод – ультразвуковую локализационную микроскопию, сочетающую сверхбыструю сонографию и контрастные вещества. Исследователи решили несколько технических проблем, чтобы применить метод к пациентам-людям. Полученные изображения впечатляют и несут огромное количество информации о мозговых кровотоках, а также их динамике. Ультразвуковая локализационная микроскопия открывает новые горизонты для лучшего понимания и более ранней диагностики цереброваскулярных заболеваний, таких как инсульт или аневризма, и нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера.
Кровеносные сосуды головного мозга представляют собой чрезвычайно сложную сеть, которая снабжает нейроны кислородом и питательными веществами. Следовательно, сосудистая активность и нейрональная активность тесно связаны, и сосудистые дисфункции являются основной причиной многих неврологических расстройств. Диагностика и лечение этих заболеваний затруднены из-за отсутствия знаний о функциях мелких кровеносных сосудов из-за ограничений существующих методов цереброваскулярной визуализации. КТ-ангиография (компьютерная томография) или МР-ангиография (магнитный резонанс) в сочетании с введенными контрастными веществами – два наиболее распространенных метода, используемых в больницах. Они захватывают большие артерии в несколько десятых миллиметра в диаметре, но не могут обнаружить капилляры меньшего диаметра. Более того, эти две ангиографии не предоставляют динамической информации в различных пространственных масштабах сосудистой сети. Решение, предложенное лабораторией Physics for Medicine Paris, обещает заполнить этот пробел, предлагая динамические изображения потоков крови по всей сосудистой сети (от более крупных артерий до мелких капилляров) через неинвазивный, неионизирующий, прикроватный и низкий -затратная технология.
Ультразвуковая микроангиография
В течение пятнадцати лет команда Микаэля Тантера разработала сверхбыструю сонографию, методику получения тысяч ультразвуковых изображений в секунду. Вдохновленная оптической микроскопией FPALM (первооткрыватели которых были удостоены Нобелевской премии по химии в 2014 году), команда связала сверхбыструю сонографию с контрастными веществами: микропузырьки из биосовместимого газа, вводимые внутривенно, циркулируют по всей сосудистой сети мозга. Эти пузырьки микронного размера затем визуализируются с помощью ультразвукового зонда, помещенного напротив головы у виска. Определяя положение миллионов микропузырьков в течение нескольких секунд, исследователи могут восстановить анатомию сосудистой сети вплоть до микронного масштаба, одновременно собирая количественную информацию о локальных динамических компонентах кровотока. До сих пор этого никогда не было достигнуто никаким другим неинвазивным методом медицинской визуализации. Этот новый метод получил название ультразвуковой локализационной микроскопии (УЛМ).
Этот метод был проверен в 2015 году на мелких животных, но получение изображений взрослого пациента-человека оставалось серьезной проблемой. Во-первых, ультразвуковой сигнал искажается при прохождении через кость черепа, что приводит к серьезному ухудшению качества изображения. Поэтому во время обработки сигнала применялись методы измерения и последующего исправления этих возмущений для восстановления оптимального качества изображения. Во-вторых, необходимо было разработать алгоритмы коррекции движения, поскольку любое макроскопическое движение мозга препятствует возможности локализации микропузырька с точностью до микрона. Чарли Демене, доцент ESPCI Paris, подробно описывает ключевые моменты своей работы:
"Звезды сошлись, так сказать, чтобы сделать эту мировую премьеру на людях возможной благодаря совместной реализации нескольких методов. Первый метод – это сверхбыстрая визуализация, которая предоставляет огромное количество данных за очень короткое время и позволяет нам различать акустическую сигнатуру каждого отдельного микропузырька. Затем локализация ультразвука отменяет ограничения разрешения, присущие волновой физике: изображение крошечного объекта представляет собой размытое пятно, которое больше, чем реальный объект. Это то, что мы называем пределом пространственного разрешения. Но если этот объект изолирован, мы можем разумно предположить, что его точное местоположение – центр размытого пятна. В нашем случае микропузырьки, циркулирующие в кровотоке, играют роль изолированных объектов и позволяют нам восстановить точное местоположение каждого кровеносного сосуда. Наконец, запись эха каждого микропузырька дает доступ к истории волны, исходящей от этого объекта микронных размеров, и, следовательно, позволяет восстановить то, что произошло во время распространения волны через череп, чтобы исправить ее возмущения."
С помощью этих новых разработок исследователи в Центре клинических неврологий Женевского университета (Швейцария) в сотрудничестве с проф. Фабьен Перрен. Например, у пациента с аневризмой команда смогла зафиксировать мельчайшие детали турбулентного кровотока в области аневризмы, расположенной в глубине в середине мозга.
Мощный инструмент для ведения пациентов
Эти новые возможности визуализации сосудов открывают новые горизонты для лучшего понимания связи между сосудистой сетью головного мозга и заболеваниями головного мозга. Визуализация и количественная оценка мозговых кровообращений, которые до сих пор были невидимы из-за отсутствия достаточного разрешения и чувствительности, могли бы иметь большое влияние, давая новое понимание взаимосвязи между сосудистой и нейрональной активностью и, с клинической точки зрения, предлагая лучшее и более ранняя диагностика цереброваскулярных заболеваний и, следовательно, возможность разработки более эффективных методов лечения.
Ультразвуковая локализационная микроскопия будет широко доступна для пациентов и более проста в использовании клиницистами по сравнению с существующими методами. ультразвуковая технология более экономична, менее громоздка и может использоваться у постели больного.