Przezroczyste myszy. Nowa, bezinwazyjna technika pozwala zaglądnąć do wnętrza ciała

Naukowcy opracowali technikę, która sprawia, że skóra staje się przezroczysta. Wykorzystali do tego szeroko stosowany w przemyśle spożywczym żółty barwnik o nazwie tartrazyna. W testach na myszach metoda ta pozwoliła w nieinwazyjny sposób zajrzeć przez tkanki do znajdujących się poniżej struktur, w tym naczyń krwionośnych i narządów wewnętrznych żywych gryzoni.

Technika, która potencjalnie może zrewolucjonizować diagnostykę medyczną i badania biologiczne, została opisana na łamach pisma "Science" (DOI: 10.1126/science.adm6869).

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Technika działa poprzez zmianę sposobu, w jaki tkanki ciała, które są zwykle nieprzezroczyste, oddziałują ze światłem. Tkanki biologiczne są mieszaniną materiałów. Płyny, tłuszcze i białka, z których zbudowane są tkanki, takie jak skóra i mięśnie, mają różne współczynniki refrakcji, czyli załamania światła. Kiedy światło przechodzi przez materiały o różnych współczynnikach załamania światła, jego ścieżka się zagina. To ta sama zasada, która pozwala soczewkom w okularach skupiać światło na siatkówkach.

Składniki, które są w większości zbudowane z wody, mają niskie współczynniki refrakcji. Z kolei lipidy i białka mają wysokie. Tkanki wydają się nieprzezroczyste, ponieważ kontrast między tymi współczynnikami refrakcji powoduje rozproszenie światła. Naukowcy spekulowali, że dodanie barwnika, który silnie pochłania światło, do takich tkanek może zmniejszyć różnicę między współczynnikami refrakcji składników na tyle, że staną się przezroczyste.

Komórki działają jak wiele losowo zorientowanych soczewek, które rozpraszają światło we wszystkich kierunkach. Obecnie istnieją techniki, które mogą sprawić, że tkanki staną się przezroczyste. Polegają na usunięciu z nich lipidów i pozostawienie wodnistego żelu, co pozwoli światłu przejść bez rozpraszania. Jednak techniki te niszczą błony komórkowe, dlatego nie można ich stosować u żywych zwierząt.

W nowych pracach uczeni zastosowali inną koncepcję. Zamiast usuwać lipidy, aby współczynnik załamania światła próbki odpowiadał współczynnikowi wody, podnieśliby współczynnik załamania światła wody w próbce, aby odpowiadał współczynnikowi lipidów i wielu białek.

Zespół naukowców wykorzystał fizykę teoretyczną, aby przewidzieć, w jaki sposób pewne cząsteczki zmienią interakcję tkanek myszy ze światłem. Uczeni skupili się na tartrazynie, znanej też jako żółcień żywnościowa 5 lub E102. Pigment ten używany jest do barwienia produktów spożywczych – napojów, zup, sosów, chipsów, krakersów, płatków czy musztardy. Nadaje im charakterystyczny żółtopomarańczowy kolor.

- Kiedy materiał pochłania dużo światła w jednym kolorze, będzie bardziej załamywał światło w innych kolorach. Gdy tartrazyna jest rozpuszczana w wodzie, sprawia, że ​​woda załamuje światło bardziej jak tłuszcze - mówi współautor badania Guosong Hong, materiałoznawca na Uniwersytecie Stanforda w Kalifornii.

Zwykle dodanie barwnika do wody czyniłoby ją mniej przezroczystą. Ale ponieważ tartrazyna pochłania niebieskie światło i generalnie je spowalnia, aby zmniejszyć niedopasowanie refrakcyjne między wodą a lipidami, tkanka przepuszcza czerwone i pomarańczowe światło bez rozpraszania, dzięki czemu jest przezroczysta dla tych kolorów. - Woda i lipidy nadal różnią się chemicznie, ale światło ich nie widzi i może bardzo łatwo je przeniknąć - mówi Hong.

Naukowcy wykazali zdolność tartrazyny do uczynienia tkanek przezroczystymi najpierw na cienkich kawałkach surowej piersi kurczaka. Następnie wmasowali barwnik w różne obszary skóry ogolonej, żywej myszy. Nałożenie barwnika na skórę głowy pozwoliło zespołowi zbadać drobne zygzaki naczyń krwionośnych. Nałożenie go na brzuch pokazało wyraźny obraz jelit myszy kurczący się podczas trawienia i ujawniło ruchy związane z oddychaniem. Zespół zastosował również roztwór na nodze myszy i był w stanie dostrzec włókna mięśniowe pod skórą.

- 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 u myszy – mówi Zihao Ou z Uniwersytetu w Teksasie w Dallas, głównym autorem badania.

W swoich eksperymentach na myszach naukowcy wcierali wodę i roztwór barwnika w skórę zwierząt. Gdy barwnik całkowicie rozprzestrzenił się w skórze, skóra stawała się przezroczysta. Proces ten można odwrócić zwyczajnie zmywając barwnik, a ta jego część, która rozprzestrzenił się w skórze, jest metabolizowana i wydalana wraz z moczem.

- Pojawienie się przezroczystości zajmuje kilka minut. To podobne do działania kremu do twarzy: czas potrzebny na uzyskanie efektu zależy od tego, jak szybko cząsteczki rozprzestrzenią się w skórze – wyjaśnia Ou.

Technika ta może sprawić, że tkanki będą przezroczyste tylko do głębokości około 3 milimetrów, więc obecnie ma ograniczone zastosowanie praktyczne w przypadku grubszych tkanek i większych zwierząt. Można ją jednak wstrzykiwać głębiej w skórę, co może umożliwić naukowcom zobaczenie głębszych struktur. Jednak metoda ta nie zadziała w przypadku bogatej w żelazo hemoglobiny we krwi i niektórych białek, które mają inne współczynniki refrakcji niż woda i lipidy.

Naukowcy nie przetestowali jeszcze 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 byłyby konieczne, aby przeniknąć ludzką skórę. - W medycynie obecnie mamy ultradźwięki, aby zajrzeć głębiej do żywego ciała. Wiele platform diagnostyki medycznej jest bardzo drogich i niedostępnych dla szerokiej publiczności, ale platforma oparta na naszej technologii powinna być tania i łatwo dostępna – podkreśla Ou.

- Patrząc w przyszłość, ta technologia może sprawić, że żyły będą bardziej widoczne w celu pobrania krwi, uprościć usuwanie tatuaży laserem lub pomóc we wczesnym wykrywaniu i leczeniu nowotworów — zaznacza Hong. - Na przykład niektóre terapie wykorzystują lasery do eliminacji komórek rakowych i przedrakowych, ale są ograniczone do obszarów w pobliżu powierzchni skóry. Ta technika może poprawić penetrację światła – dodaje.

Źródło: Nature, Science, University of Texas at Dallas, National Science Foundation, fot. Wikimedia Commons/ CC BY-SA 2.0/ Rama

Twórz treści i zarabiaj na ich publikacji. Dołącz do WP Kreatora