W pionierskim nowym badaniu naukowcy sprawili, że skóra na czaszkach i brzuchach żywych myszy stała się przezroczysta poprzez nałożenie na te obszary mieszanki wody i powszechnie występującego żółtego barwnika spożywczego o nazwie tartrazyna.
Dr Zihao Ou, adiunkt fizyki na Uniwersytecie Teksańskim w Dallas, jest głównym autorem badania, którego wyniki opublikowano w wydaniu papierowym czasopisma Science z 6 września.
Żywa skóra jest rozpraszającym medium. Podobnie jak mgła rozprasza światło, dlatego nie można jej zobaczyć.
„Połączyliśmy żółty barwnik, który jest cząsteczką pochłaniającą większość światła, zwłaszcza niebieskiego i ultrafioletowego, ze skórą, która jest ośrodkiem rozpraszającym. Pojedynczo te dwie rzeczy blokują większość światła przed przedostaniem się przez nie. Ale kiedy połączyliśmy je razem, udało nam się uzyskać przezroczystość skóry myszy” — powiedział Ou, który wraz z kolegami przeprowadził badanie, będąc badaczem podoktoranckim na Uniwersytecie Stanforda, zanim dołączył do wydziału UT Dallas w School of Natural Sciences and Mathematics w sierpniu.
„Dla tych, którzy rozumieją podstawowe prawa fizyki, na których się to opiera, ma to sens; jeśli jednak ktoś nie jest z tym zaznajomiony, wygląda to jak sztuczka magiczna” – powiedział Ou.
„Magia” dzieje się, ponieważ rozpuszczenie cząsteczek absorbujących światło w wodzie zmienia współczynnik załamania światła roztworu – miarę sposobu, w jaki substancja zgina światło – w sposób, który odpowiada współczynnikowi załamania światła składników tkanki, takich jak lipidy. W istocie cząsteczki barwnika zmniejszają stopień, w jakim światło rozprasza się w tkance skóry, jak rozpraszając mgłę.
W swoich eksperymentach na myszach naukowcy wcierali wodę i roztwór barwnika w skórę czaszek i odwłoków zwierząt. Gdy barwnik całkowicie wniknął w skórę, skóra stała się przezroczysta. Proces ten jest odwracalny poprzez zmycie resztek barwnika. Barwnik, który wniknął w skórę, jest metabolizowany i wydalany z moczem.
„Pojawienie się przejrzystości zajmuje kilka minut” – powiedział Ou. „To podobne do działania kremu lub maski na twarz: czas potrzebny na to zależy od tego, jak szybko cząsteczki dyfundują w skórę”.
Przez przezroczystą skórę czaszki badacze bezpośrednio obserwowali naczynia krwionośne na powierzchni mózgu. W jamie brzusznej obserwowali narządy wewnętrzne i perystaltykę, skurcze mięśni, które przesuwają zawartość przez przewód pokarmowy.
Przezroczyste obszary przyjmują pomarańczowy kolor, powiedział Ou. Barwnik używany w roztworze jest powszechnie znany jako FD&C Yellow #5 i jest często używany w pomarańczowych lub żółtych chipsach, polewach cukierkowych i innych produktach spożywczych. Agencja ds. Żywności i Leków certyfikuje dziewięć dodatków koloryzujących – jednym z nich jest tartrazyna – do stosowania w żywności.
„Ważne jest, aby barwnik był biokompatybilny – był bezpieczny dla organizmów żywych” – powiedział Ou. „Ponadto jest bardzo niedrogi i wydajny; nie potrzebujemy go dużo, aby zadziałał”.
Naukowcy nie przetestowali jeszcze tego procesu na ludziach, których skóra jest około 10 razy grubsza niż u myszy. W tej chwili nie jest jasne, jaka dawka barwnika lub metoda podawania byłyby konieczne, aby przeniknąć całą grubość, powiedział Ou.
„W medycynie ludzkiej obecnie mamy ultradźwięki, aby zajrzeć głębiej do żywego ciała” – powiedział Ou. „Wiele platform diagnostyki medycznej jest bardzo drogich i niedostępnych dla szerokiej publiczności, ale platformy oparte na naszej technologii nie powinny takie być”.
Ou powiedział, że jednym z pierwszych zastosowań tej techniki będzie prawdopodobnie udoskonalenie istniejących metod badawczych w dziedzinie obrazowania optycznego.
„Nasza grupa badawcza składa się głównie z naukowców, więc jedną z pierwszych rzeczy, o których pomyśleliśmy, gdy zobaczyliśmy wyniki naszych eksperymentów, było to, jak to może poprawić badania biomedyczne” — powiedział. „Sprzęt optyczny, taki jak mikroskop, nie jest bezpośrednio używany do badania żywych ludzi lub zwierząt, ponieważ światło nie może przejść przez żywą tkankę. Ale teraz, gdy możemy sprawić, że tkanka będzie przezroczysta, pozwoli nam to przyjrzeć się bardziej szczegółowej dynamice. To całkowicie zrewolucjonizuje istniejące badania optyczne w biologii”.
W swoim nowym Dynamic Bio-imaging Lab na UTD Ou będzie kontynuował badania, które rozpoczął z dr Guosong Hong, adiunktem nauk materiałowych i inżynierii na Uniwersytecie Stanforda i autorem korespondencyjnym badania. Ou powiedział, że kolejne kroki w badaniach będą obejmować 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 korespondencyjny dr Mark Brongersma, profesor Stephen Harris w Department of Materials Science and Engineering, otrzymali dofinansowanie z grantów agencji federalnych, w tym National Institutes of Health, National Science Foundation i Air Force Office of Scientific Research. Jako interdyscyplinarny stypendysta podoktorancki Ou otrzymał wsparcie od Wu Tsai Neuroscience Institute na Uniwersytecie Stanforda. Naukowcy złożyli wniosek patentowy na tę technologię.