Używając popularnego barwnika spożywczego, badacze bezpiecznie i odwracalnie przywracają przezroczystość skóry i mięśni.
Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda opracowali przełomową technikę wykorzystującą barwnik bezpieczny dla żywności, aby nadać tkankom zwierzęcym przezroczystość, zwiększając widoczność narządów wewnętrznych. Innowacja ta ma potencjalne zastosowania, od diagnostyki medycznej po leczenie nowotworów i wykazała obiecujące wyniki zarówno w testach teoretycznych, jak i praktycznych.
Zaprezentowano nową, przełomową technikę obrazowania
Naukowcy opracowali nowy sposób oglądania narządów w ciele, czyniąc leżące nad nimi tkanki przezroczystymi dla światła widzialnego.
Sprzeczny z intuicją proces – miejscowe zastosowanie barwnika bezpiecznego dla żywności – był odwracalny w testach na zwierzętach i ostatecznie może mieć zastosowanie w szerokim zakresie diagnostyki medycznej, od lokalizacji urazów, przez monitorowanie zaburzeń trawiennych, aż po identyfikację nowotworów.
Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda opublikowali badanie „Osiąganie przezroczystości optycznej u żywych zwierząt z cząsteczkami absorbującymi” w numerze czasopisma z 6 września 2024 r. Nauka.
„Patrząc w przyszłość, technologia ta może sprawić, że żyły będą bardziej widoczne podczas pobierania krwi, laserowe usuwanie tatuaży stanie się prostsze lub pomoże we wczesnym wykrywaniu i leczeniu nowotworów” – powiedział adiunkt nauk o materiałach i inżynierii na Uniwersytecie Stanforda Guosong Hong , stypendysta amerykańskiej Narodowej Fundacji Nauki CAREER, który pomógł kierować tą pracą. „Na przykład niektóre terapie wykorzystują lasery do eliminacji komórek nowotworowych i przedrakowych, ale ograniczają się do obszarów w pobliżu powierzchni skóry. Ta technika może poprawić penetrację światła.
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
Rozświetlające rozwiązanie
Aby opanować nową technikę, naukowcy opracowali sposób przewidywania interakcji światła z zabarwionymi tkankami biologicznymi.
Przewidywania te wymagały głębokiego zrozumienia rozpraszania światła, a także procesu załamania światła, podczas którego światło zmienia prędkość i załamuje się, przemieszczając się z jednego materiału do drugiego.
Rozpraszanie jest powodem, dla którego nie możemy widzieć przez nasze ciało: tłuszcze, płyny w komórkach, białka i inne materiały mają inny współczynnik załamania światła, właściwość, która decyduje o tym, jak mocno załamie się przychodząca fala świetlna.
W większości tkanek materiały te są ściśle ze sobą zagęszczone, więc zróżnicowane współczynniki załamania światła powodują rozpraszanie światła podczas jego przejścia. Jest to efekt rozproszenia, który nasze oczy interpretują jako nieprzezroczysty, kolorowy materiał biologiczny.
Naukowcy zdali sobie sprawę, że jeśli chcą uczynić materiał biologiczny przezroczystym, muszą znaleźć sposób na dopasowanie różnych współczynników załamania światła, aby światło mogło przepływać bez przeszkód.
Przełom dzięki tartrazynie
Opierając się na podstawowych spostrzeżeniach z dziedziny optyki, naukowcy zdali sobie sprawę, że barwniki, które najskuteczniej absorbują światło, mogą być również bardzo skuteczne w równomiernym kierowaniu światła w szerokim zakresie współczynników załamania światła.
Jednym z barwników, który według przewidywań naukowców będzie szczególnie skuteczny, była tartrazyna, barwnik spożywczy bardziej znany jako FD & C Yellow 5. Okazuje się, że mieli rację: po rozpuszczeniu w wodzie i wchłonięciu przez tkanki cząsteczki tartrazyny mają doskonałą strukturę pasującą do współczynnika załamania światła indeksy i zapobiegają rozpraszaniu światła, co zapewnia przezroczystość.
Od teorii do praktyki
Naukowcy najpierw sprawdzili swoje przewidywania na cienkich plasterkach piersi kurczaka. Wraz ze wzrostem stężenia tartrazyny współczynnik załamania światła płynu w komórkach mięśniowych wzrastał, aż dorównał współczynnikowi załamania białek mięśniowych – plaster stał się przezroczysty.
Następnie badacze delikatnie natarli myszy tymczasowym roztworem tartrazyny. Najpierw nałożyli roztwór na skórę głowy, nadając jej przezroczystość, odsłaniając naczynia krwionośne przecinające mózg. Następnie nałożyli roztwór na brzuch, który w ciągu kilku minut zanikł, ukazując skurcze jelit i ruchy spowodowane biciem serca i oddychaniem.
Technika ta pozwoliła na rozróżnienie cech w skali mikronów, a nawet usprawniła obserwacje mikroskopowe. Po spłukaniu barwnika tkanki szybko powróciły do normalnego zmętnienia. Nie wydaje się, aby tartrazyna miała długotrwałe skutki, a nadmiar był wydalany ze śmieciami w ciągu 48 godzin.
Naukowcy podejrzewają, że wstrzyknięcie barwnika powinno prowadzić do jeszcze głębszego spojrzenia na organizmy, co będzie miało konsekwencje zarówno dla biologii, jak i medycyny.
Stare formuły otwierają nowe okno na medycynę
Projekt, wspierany przez szereg dotacji federalnych i prywatnych, rozpoczął się od badania interakcji promieniowania mikrofalowego z tkankami biologicznymi.
Przeglądając podręczniki do optyki z lat 70. i 80. XX wieku, badacze odkryli dwie kluczowe koncepcje: równania matematyczne zwane Kramers-Kronig relacje i zjawisko tzw Oscylacja Lorentzagdzie elektrony i atomy rezonują w cząsteczkach podczas przechodzenia fotonów.
Narzędzia te, dobrze badane przez ponad sto lat, ale nie stosowane w ten sposób w medycynie, okazały się idealne do przewidywania, w jaki sposób dany barwnik może podnieść współczynnik załamania światła płynów biologicznych, aby idealnie dopasować się do otaczających tłuszczów i białek.
Absolwent Nick Rommelfanger, pracujący w ramach stypendium NSF Graduate Research Fellowship, jako jeden z pierwszych zdał sobie sprawę, że te same modyfikacje, które sprawiają, że materiały stają się przezroczyste dla mikrofal, można dostosować tak, aby wpływały na widmo widzialne, co może mieć potencjalne zastosowania w medycynie.
Animacja przedstawiająca efekt przezroczystości tkanki i jego wygląd, jeśli w przyszłości zostaną przetestowane na ludziach. Druga część animacji pokazuje, jak fotony oddziałują z tkankami na poziomie komórkowym, zarówno z nasyceniem FD i C Yellow 5, jak i bez niego. Źródło: Keyi „Onyx” Li/Amerykańska Narodowa Fundacja Nauki
Wykorzystanie starego sprzętu do nowych odkryć
Przechodząc od teorii do eksperymentów, doktorant Zihao Ou – główny autor badania – zamówił kilka silnych barwników i rozpoczął proces szczegółowej oceny każdego z nich pod kątem idealnych właściwości optycznych.
Ostatecznie zespół powiększył się do 21 studentów, współpracowników i doradców korzystających z kilku systemów analitycznych.
Jednym z nich okazał się krytyczny elipsometr sprzed kilkudziesięciu lat umieszczony w nowszym sprzęcie w Stanford Nano Shared Facilities, będącym częścią krajowej skoordynowanej infrastruktury nanotechnologicznej (NNCI) NSF. Elipsometr to narzędzie znane z produkcji półprzewodników, a nie z biologii. Jednak po raz pierwszy w medycynie naukowcy zdali sobie sprawę, że przewidywanie właściwości optycznych docelowych barwników jest doskonałym rozwiązaniem.
„Zaawansowane ośrodki badawcze nieustannie dążą do znalezienia właściwej równowagi, zapewniając dostęp do podstawowych narzędzi i wiedzy specjalistycznej, jednocześnie tworząc przestrzeń dla nowszego, większego i potężniejszego instrumentarium” – powiedział specjalista programowy NSF Richard Nash, który nadzoruje NSF NNCI. ″Choć podstawowy element roboczy, taki jak elipsometr, rzadko trafiałby na pierwsze strony gazet, może jednak odegrać kluczową rolę, jeśli zostanie zastosowany do nietypowych zastosowań, jak w tym przypadku. Otwarty dostęp do takiego instrumentarium ma fundamentalne znaczenie dla dokonywania przełomowych odkryć, ponieważ instrumenty te można wykorzystać na nowe sposoby w celu uzyskania podstawowych informacji na temat zjawisk naukowych”.
Naukowcy mają nadzieję, że dzięki metodom opartym na fizyce podstawowej otworzy nową dziedzinę badań dopasowujących barwniki do tkanek biologicznych w oparciu o właściwości optyczne, co potencjalnie doprowadzi do szerokiego zakresu zastosowań medycznych.
„Jako specjalista od optyki jestem zdumiony, jak wiele udało im się osiągnąć dzięki wykorzystaniu relacji Kramers-Konig” – powiedział Adam Wax, specjalista programowy NSF, który wspierał pracę Honga. „Dowiaduje się o nich każdy student optyki, ale ten zespół wykorzystał równania, aby dowiedzieć się, w jaki sposób silnie absorbujący barwnik może sprawić, że skóra stanie się przezroczysta. Korzystając z grantu NSF EAGER, Hong mógł obrać nowy, odważny kierunek, co stanowi doskonały przykład wykorzystania podstawowej wiedzy z zakresu optyki do tworzenia nowych technologii, w tym w biomedycynie”.
Instrumentalne wsparcie NSF
„Wsparcie NSF odegrało zasadniczą rolę w powodzeniu tych prac” – dodał Hong. „Nagroda NSF CAREER była moim pierwszym poważnym finansowaniem i otrzymałam ją w szczególnie trudnym momencie, w najciemniejszych momentach pandemii. Moje laboratorium stanęło przed poważnymi trudnościami w generowaniu danych z powodu przestoju, a nagroda była dla mnie istotną odskocznią, która umożliwiła mi realizację niektórych z naszych najbardziej ekscytujących i innowacyjnych projektów – w tym badań, których kulminacją było to Nauka papier. Elastyczność i zachęta płynące z nagród NSF odegrały kluczową rolę w utrzymaniu mnie na właściwej drodze i zapewniły mi swobodę odkrywania nowych i niezbadanych terytoriów w mojej dziedzinie.”.
Uwaga: technika opisana powyżej nie była testowana na ludziach. Barwniki mogą być szkodliwe. Zawsze należy zachować ostrożność w przypadku barwników i nie należy ich bezpośrednio spożywać, stosować u ludzi lub zwierząt ani nie stosować w inny sposób niezgodnie z przeznaczeniem.
Więcej informacji na temat tego badania:
Odniesienie: „Osiąganie przejrzystości optycznej u żywych zwierząt z cząsteczkami absorbującymi” autorstwa Zihao Ou, Yi-Shiou Duh, Nicholas J. Rommelfanger, Carl HC Keck, Shan Jiang, Kenneth Brinson Jr, Su Zhao, Elizabeth L. Schmidt, Xiang Wu, Fan Yang , Betty Cai, Han Cui, Wei Qi, Shifu Wu, Adarsh Tantry, Richard Roth, Jun Ding, Xiaoke Chen, Julia A. Kaltschmidt, Mark L. Brongersma i Guosong Hong, 6 września 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adm6869
Badanie to zostało wsparte grantami NSF NNCI 1542152 (NNCI), CAREER 2045120, EAGER 2217582 i GRFP 1656518. Oprócz NSF wśród fundatorów wspierających badanie Stanforda znaleźli się USA Narodowe Instytuty ZdrowiaBiuro Badań Naukowych Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych, program długoterminowej edukacji i szkoleń zdrowotnych armii amerykańskiej oraz szereg prywatnych fundacji i instytucji.
