Naukowcy opracowali technikę nadawania przezroczystości skórze żywych myszy za pomocą żółtego barwnika zwanego tartrazyną, powszechnie występującego w przekąskach i cukierkach.
Metoda ta ujawnia znajdujące się pod nią naczynia krwionośne i narządy, potencjalnie rewolucjonizując diagnostykę medyczną i badania biologiczne, czyniąc tkanki ludzkie przezroczystymi, co umożliwia głębszy, tańszy i bardziej dostępny wgląd.
W nowym, pionierskim badaniu naukowcy sprawili, że skóra czaszek i brzuchów żywych myszy stała się przezroczysta, nakładając na te obszary mieszaninę wody i popularnego żółtego barwnika spożywczego zwanego tartrazyną.
Dr Zihao Ou, adiunkt fizyki na Uniwersytecie Teksasu w Dallas, jest głównym autorem badania opublikowanego w drukowanym numerze czasopisma z 6 września Nauka.
Żywa skóra jest ośrodkiem rozpraszającym. Podobnie jak mgła rozprasza światło, dlatego nie można przez nią przejść.
Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda opracowali sposób na nadanie skórze i innym tkankom przezroczystości za pomocą prostego barwnika spożywczego. Jest to odwracalna technika, która może zrewolucjonizować medycynę wewnętrzną. Na tym klipie cienkie plasterki piersi kurczaka stają się przezroczyste po wystawieniu na działanie barwnika FD & C Yellow 5. Źródło: US National Science Foundation
Mechanika za przejrzystością
„Połączyliśmy żółty barwnik, będący cząsteczką pochłaniającą większość światła, zwłaszcza niebieskiego i ultrafioletowego, ze skórą, która jest ośrodkiem rozpraszającym. Indywidualnie te dwie rzeczy blokują przedostawanie się przez nie większości światła. Ale kiedy je połączyliśmy, udało nam się uzyskać przezroczystość skóry myszy” – powiedział Ou, który wraz z kolegami przeprowadził badanie w czasie, gdy był pracownikiem naukowym ze stopniem doktora na Uniwersytecie Stanforda, zanim dołączył do wydziału UT Dallas w School of Natural Nauki i matematyka w sierpniu.
„Dla tych, którzy rozumieją podstawową fizykę, która się za tym kryje, ma to sens; ale jeśli nie jesteś z tym zaznajomiony, wygląda to na magiczną sztuczkę” – powiedział Ou.
„Magia” dzieje się, ponieważ rozpuszczenie cząsteczek pochłaniających światło w wodzie zmienia współczynnik załamania światła roztworu – miarę sposobu, w jaki substancja załamuje światło – w sposób odpowiadający współczynnikowi załamania składników tkanki, takich jak lipidy. Zasadniczo cząsteczki barwnika zmniejszają stopień rozpraszania światła w tkance skóry, niczym rozpraszanie mgły.
Praktyczne zastosowanie i obserwacje
Podczas eksperymentów na myszach naukowcy nacierali skórę czaszek i odwłoków wodą i roztworem barwnika. Gdy barwnik całkowicie wniknie w skórę, skóra staje się przezroczysta. Proces jest odwracalny poprzez zmycie pozostałości barwnika. Barwnik, który przedostał się do skóry, jest metabolizowany i wydalany z moczem.
„Pojawienie się przezroczystości zajmuje kilka minut” – powiedział Ou. „Działa to podobnie do działania kremu lub maski do twarzy: potrzebny czas zależy od tego, jak szybko cząsteczki dyfundują w skórę”.
Przez przezroczystą skórę czaszki badacze bezpośrednio obserwowali naczynia krwionośne na powierzchni mózgu. W jamie brzusznej zaobserwowali narządy wewnętrzne i perystaltykę, czyli skurcze mięśni, które przemieszczają treść przez przewód pokarmowy.
Implikacje dla medycyny ludzkiej i badań
Ou powiedział, że przezroczyste obszary przybierają pomarańczowy kolor. Barwnik zastosowany w roztworze jest powszechnie znany jako FD&C Yellow #5 i jest często stosowany w pomarańczowych lub żółtych chipsach przekąskowych, polewie do cukierków i innych produktach spożywczych. Agencja ds. Żywności i Leków certyfikuje dziewięć dodatków barwiących – jednym z nich jest tartrazyna – do stosowania w żywności.
„Ważne jest, aby barwnik był biokompatybilny – bezpieczny dla organizmów żywych” – powiedział Ou. „Ponadto jest bardzo niedrogi i wydajny; nie potrzebujemy go zbyt wiele, aby zadziałał”.
Naukowcy nie testowali jeszcze tego procesu na ludziach, których skóra jest około 10 razy grubsza niż skóra myszy. W tej chwili nie jest jasne, jaka dawka barwnika lub metoda podawania byłaby konieczna, aby przeniknąć przez całą grubość, powiedział Ou.
„W medycynie ludzkiej dysponujemy obecnie ultradźwiękami, które pozwalają zajrzeć głębiej do żywego organizmu” – powiedział Ou. „Wiele platform diagnostyki medycznej jest bardzo drogich i niedostępnych dla szerokiego grona odbiorców, ale platformy oparte na naszej technologii nie powinny takie być”.
Perspektywy na przyszłość w badaniach biomedycznych
Ou powiedział, że jednym z pierwszych zastosowań tej techniki będzie prawdopodobnie udoskonalenie istniejących metod badawczych w obrazowaniu optycznym.
„Nasza grupa badawcza składa się głównie z naukowców, więc jedną z pierwszych rzeczy, o których pomyśleliśmy, gdy zobaczyliśmy wyniki naszych eksperymentów, było to, w jaki sposób mogłoby to ulepszyć badania biomedyczne” – powiedział. „Sprzęt optyczny, taki jak mikroskop, nie jest bezpośrednio używany do badania żywych ludzi i zwierząt, ponieważ światło nie może przejść przez żywą tkankę. Ale teraz, gdy możemy uczynić tkankę przezroczystą, pozwoli nam to przyjrzeć się bardziej szczegółowej dynamice. Całkowicie zrewolucjonizuje istniejące badania optyczne w biologii.”
W swoim nowym laboratorium dynamicznego bioobrazowania na UTD Ou będzie kontynuował badania rozpoczęte pod okiem dr Guosong Hong, adiunkta nauk o materiałach i inżynierii na Uniwersytecie Stanforda oraz współautora badania. Ou powiedziała, że kolejne etapy badań obejmą zrozumienie, jaka dawka cząsteczki barwnika może najlepiej działać w tkance ludzkiej. Ponadto naukowcy eksperymentują z innymi cząsteczkami, w tym materiałami inżynieryjnymi, które mogłyby działać wydajniej niż tartrazyna.
Autorzy badania ze Stanford, w tym współautor korespondujący dr Mark Brongersma, profesor Stephena Harrisa na Wydziale Nauki i Inżynierii Materiałowej, byli finansowani z grantów agencji federalnych, w tym Narodowe Instytuty ZdrowiaNarodową Fundację Nauki i Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych. Jako interdyscyplinarny stypendysta ze stopniem doktora Ou korzystał ze wsparcia Instytutu Neuronauki Wu Tsai na Uniwersytecie Stanforda. Naukowcy złożyli wniosek o patent na tę technologię.
Doktor Zihao Ou
Dr Zihao Ou uzyskał tytuł licencjata w dziedzinie fizyki na Uniwersytecie Nauki i Technologii w Chinach oraz doktorat w dziedzinie inżynierii materiałowej i inżynierii na Uniwersytecie Illinois Urbana-Champaign. Jego badania doktoranckie skupiały się na mikroskopii elektronowej – technologii obrazowania wykorzystującej wiązki elektronów zamiast światła do tworzenia powiększonych obrazów o wysokiej rozdzielczości próbek biologicznych i niebiologicznych.
„Znam swoją dziedzinę bardzo dobrze, ale po ukończeniu doktoratu chciałem zrobić coś, co miałoby większy wpływ na większą liczbę osób, zamiast ograniczać się do materiałoznawstwa” – powiedział Ou. „Postanowiłem więc nauczyć się kilku technik obrazowania biologicznego i przenieść swoje doświadczenie z fizyki i inżynierii materiałowej do nauk biomedycznych. Jako postdoc uważam, że moje doświadczenie w naukach fizycznych wniosło wyjątkową perspektywę do naszych badań w zakresie obrazowania biologicznego”.
Ou powiedział, że przyjechał do UT Dallas po to samo interdyscyplinarne doświadczenie.
Odniesienie: „Osiąganie przezroczystości optycznej u żywych zwierząt za pomocą cząsteczek absorbujących” 5 września 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adm6869
