Forskere ved University of Iowa skaber model for en mystisk region.
Midt i det usædvanligt tætte netværk af stier i en pattedyrslunge er en fælles destination. Der fører enhver vej til en blind vej, der kaldes pulmonal acinus. Dette sted ligner en flok druer bundet til en stilk (acinus betyder "bær" på latin).
Det billede, der er afbildet her, viser en muses lungeacini, terminalerne, hvor gasser og blod blandes i en lunge, og hvis funktion forbliver et mysterium. Foto med tilladelse fra Dragos Vasilescu, University of Iowa og University of British Columbia. Billedkredit: Dragos Vasilescu / University of Iowa, University of British Columbia.
Forskere har kæmpet for at forstå mere specifikt, hvad der sker i dette mikroskopiske, labyrintiske kryds mellem gyder og blindgader. For at finde ud af det skabte et forskerteam ledet af University of Iowa den mest detaljerede, tredimensionelle gengivelse af pulmonal acinus. Den edb-model, der stammer fra mus, efterligner trofast hver vending og drejning i dette område, herunder længden, retningen og vinklerne på luftvejsgrene, der fører til de vigtige luftsække, der kaldes alveoli.
"Billeddannelses- og billedanalysemetoder, der er beskrevet her, sørger for grenmorfometri på det akinariske niveau, som ikke tidligere har været tilgængeligt," skriver forskerne i papiret, der blev offentliggjort denne uge i den online tidlige udgave af Proceedings of the National Academy of Sciences.
Modellen er vigtig, fordi den kan hjælpe forskere med at forstå, hvor og hvordan lungesygdomme opstår, samt den rolle, pulmonal acinus spiller i levering af lægemidler, såsom dem, der ofte administreres sammen med inhalatorer.
Videoen viser billeddannelsen af et afsnit af en muselung. Når billedet roterer, vises flere åndedrætsgrene (bronchioles) sammen med tre acini (gule, grønne og orange klynger). Blodkarene, der fodrer acini, tilsættes derefter med arterierne vist i blåt og venerne i rødt.
”Disse metoder giver os mulighed for at forstå, hvor lungesygdommen begynder, og hvordan den skrider frem,” siger Eric Hoffman, professor i afdelingerne for radiologi, medicin og biomedicinsk teknik ved UI og tilsvarende forfatter på papiret. ”Hvordan kommer gasser og inhalerede stoffer der, og akkumuleres de i en eller anden acinus? Hvordan hvirver de rundt og rydder ud? Vi har bare ikke en fuldstændig forståelse af, hvordan det sker. ”
Som et eksempel sagde Hoffman, at modellen kunne bruges til at bestemme, hvordan rygning-induceret emfysem stammer. ”Det er for nylig blevet antaget, at det begynder med tabet af perifere luftveje snarere end lunge-luftsækkene,” siger han og citerer løbende forskning fra James Hogg ved University of British Columbia, som ikke var involveret i denne undersøgelse. Det kunne også kaste lys og føre til en mere effektiv behandling af kronisk obstruktiv lungesygdom, som forårsager irreversibel skade på lungen, siger Dragos Vasilescu, førsteforfatter på papiret, der baserede sin speciale på forskningen, mens han var kandidatstuderende ved UI.
I årevis var det bedste, som pionererne i lungeanatomi, som den co-korresponderende forfatter Ewald Weibel, professor emeritus for anatomi ved Universitetet i Bern, kunne gøre for at studere specifikke områder af en lunge, at foretage målinger i to dimensioner eller oprette 3D-afstøbninger af en lunges luftrum. Teknikkerne, selv om de gav de tidligste indsigt i en lunges makeup og funktion, havde deres begrænsninger. For det første gentog de ikke direkte en lunges struktur i det virkelige liv, og de kunne ikke formidle, hvordan forskellige dele fungerer sammen som en helhed. Alligevel har fremskridt inden for billeddannelse og beregning gjort det muligt for forskere at undersøge mere, hvordan gasser og andre inhalerede stoffer fungerer i lungens længste fordybninger.
I denne undersøgelse arbejdede teamet med 22 lunge-acini, der blev udrullet fra unge og gamle mus. Derefter indstillede de til at "rekonstruere" acini-baseret på mikrokomputeret tomografiafbildning af scannede lunger i mus og ekstraheret fra dem. De udtrukne lunger blev konserveret på en måde, der holdt anatomien intakt - inklusive de små luftrum, der kræves for en vellykket billeddannelse. Fra det tidspunkt kunne forskerne måle en acinus, estimere antallet af acini for hver muselunge og endda tælle alveolerne og måle deres overfladeareal.
Muselungen i sin struktur og funktion ligner bemærkelsesværdigt den menneskelige lunge. Det betyder, at forskere kan ændre en muses genetik og se, hvordan disse ændringer påvirker lungens perifere struktur og dens ydeevne.
Allerede fandt forskerne i den aktuelle undersøgelse, at musealveoli stiger i antal længe i løbet af de to uger, som mindst en tidligere undersøgelse havde indikeret. Hoffman tilføjer, at en separat undersøgelse er nødvendig for at afgøre, om mennesker også øger antallet af luftsække forbi en bestemt, forudbestemt alder.
Forskerne sigter derefter efter at bruge modellen til mere fuldstændigt at forstå, hvordan gasser interagerer med blodbanen i acini og alveolerne.
”Vores billeddannelses- og billedanalysemetoder muliggør nye måder at undersøge lungens struktur og kan nu bruges til yderligere at undersøge den normale sund-lungeanatomi hos mennesker og bruges til at visualisere og vurdere de patologiske ændringer i dyremodeller af specifikke strukturelle sygdomme, ”Siger Vasilescu, som er postdoktorisk forsker ved University of British Columbia.
Via University of Iowa