Краситель в чипсах делает мышей прозрачными
Фото: popsci.com
Рентгеновские очки и плащи-невидимки — это вещи из научной фантастики и фэнтези, но иногда наука просто страннее вымысла.
Пищевой краситель, который помогает придать определенным газировкам и закускам их фирменный оранжевый оттенок, делает кожу мыши почти полностью прозрачной в обратимом, потенциально нетоксичном методе исследования, который может преобразовать медицинскую и научную визуализацию. Благодаря противоречивому фундаментальному физическому принципу тартразин, также известный как Yellow 5, может временно сделать биологическую ткань прозрачной для невооруженного глаза, как описано в исследовании , опубликованном 5 сентября в журнале Science.
До сих пор ученые, стоящие за новым открытием, использовали этот метод, чтобы увидеть органы в неповрежденном животе мыши, увидеть пульсирующие сосуды, окружающие череп грызуна, и получить исключительно четкое изображение мышечной ткани через микроскоп. При дальнейшем исследовании безопасности и эффективности этот метод может подстегнуть новые научные открытия, ускорить прогресс микроскопии и улучшить медицинские диагностические стратегии и методы лечения.
«Я сразу же взглянул на это и сказал: «Боже мой, это революция», — говорит Кристофер Роулендс, старший преподаватель и исследователь биофотоники в Имперском колледже Лондона. Роулендс не принимал участия в исследовании, но написал сопроводительную перспективную статью по нему после того, как выступил в качестве рецензента исследования. «В оптике мы тратим ужасно много времени, пытаясь увеличить [насколько хорошо мы можем видеть в ткани] на 20 или 50 процентов. Эти ребята приходят и уничтожают границу в 10 раз». Самые передовые на сегодняшний день методы оптической визуализации (то есть неинвазивные и не зависящие от излучения) могут позволить ученому увидеть пару миллиметров в живой ткани, но новый метод может сделать детали глубиной более сантиметра видимыми невооруженным глазом, говорит Роулендс. «Это не магия, но все равно очень мощно», — добавляет он.
Метод прост. Короче говоря, втирание раствора тартразина в кожу безволосой мыши в течение нескольких минут или использование микроигл позволяет достичь «полной оптической прозрачности в красной области видимого спектра», согласно исследованию. Смойте краситель, и кожа вернется в свое естественное непрозрачное состояние.
«Биологические ткани, такие как кожа, обычно непрозрачны, потому что свет рассеивается, проходя через них», — говорит Госонг Хонг , соавтор исследования и биоинженер Стэнфордского университета. Плоть животных представляет собой матрицу из различных материалов, в основном воды и жиров, и эти два типа соединений преломляют свет под разными углами, объясняет он. Частица света, или фотон, проходящий через ткань в обычных условиях, движется от частицы воды к липидной частице, отскакивая, проходя длинный извилистый путь и часто поглощаясь одной из многочисленных молекул, с которыми сталкивается по пути.
Но краситель тартразин, благодаря своей мощной абсорбции синих длин волн света, изменяет показатель преломления воды, делая его гораздо ближе к показателю преломления жира, говорит Хонг. Это происходит с помощью базового физического принципа, называемого соотношениями Камерса-Кронига , который гласит, что волны (например, волны света, который является и частицей, и волной) являются результатом предсказуемых сигналов. В результате фотон может проходить через кожу почти так же, как если бы ткань была однородной. Он проходит по более короткому пути, избегая всех отскоков и изменений угла, которые увеличивают вероятность поглощения света, в конечном итоге освещая внутренности мыши.
Физические концепции, задействованные в этом процессе, настолько фундаментальны, что «я ругал себя за то, что не подумал об этом», — рассказывает Роулендс Popular Science. «Это один из тех моментов, когда все ослепительно очевидно, но вам нужен кто-то другой, кто скажет вам это первым. Это имеет такой смысл в ретроспективе». Это «триумф фундаментального понимания», добавляет он, который демонстрирует, что происходит, когда глубокое понимание теории сочетается с реальными экспериментами.
Хонг и его коллеги пришли к своему точному методу, моделируя, как различные красители будут изменять путь прохождения света в тканях. Они остановились на Yellow 5 и нескольких других пигментах в качестве кандидатов на улучшение прозрачности. Затем они протестировали его в жидкости, смешанной с частицами кремния, сырой куриной грудке, живых мышах и других образцах тканей мышей, измеряя, насколько быстро и глубоко диспергируется краситель. Они также объединили краситель с другими методами оптической микроскопии, показав, что тартразин можно использовать для улучшения существующих технологий. Наконец, они провели первоначальный анализ токсичности, изучая краткосрочные и долгосрочные эффекты у своих подопытных грызунов и отслеживая, как быстро мыши, по-видимому, выводят краситель из своих систем через мочу и фекалии. Ученые определили, что Yellow 5 проходит через организм в течение 24 часов, вызывает небольшое воспаление или раздражение и показывает «минимальную системную токсичность».
Однако метод пока не идеален и не может, например, сделать невидимой всю живую мышь или немедленно позволить нам увидеть внутреннюю работу человеческого живота. Во-первых, Yellow 5 может проникать в ткани только до определенной глубины, поэтому он не будет столь полезен для визуализации через более толстую, менее проницаемую плоть (например, человеческую) без стратегии целенаправленной доставки и точного понимания того, какая концентрация работает лучше всего. Кроме того, хотя краситель уменьшает рассеяние фотонов, он не устраняет его полностью, отмечает Роулендс. Чем толще ткань, на которой вы его используете, тем темнее и менее четким будет полученное изображение. Наконец, хотя первоначальные оценки токсичности предвещают хорошие результаты, Роулендс не уверен, что тартразин окажется полностью безвредным в долгосрочной перспективе с дополнительными тестами. «Я подозреваю, что сброс такого количества чего-либо в живой организм окажет некоторый существенный эффект», — говорит он.
Хонг также отмечает, что необходимы дополнительные исследования безопасности. «Мы настоятельно не рекомендуем проводить это на коже человека, поскольку токсикология молекул красителя в организме человека, особенно при местном применении, не была полностью изучена», — сказал он Popular Science.
Если краситель Yellow 5 окажется безопасным при местном применении для людей, в конечном итоге его можно будет использовать для самых разных целей, таких как раннее выявление рака кожи, облегчение процесса рутинных заборов крови для людей с трудноразличимыми венами, ускорение лазерного удаления татуировок или усиление фототермического лечения рака, говорит Хонг.
Тем не менее, даже если метод перекуса-красителя останется ограниченным для лабораторных мышей, он предлагает лучшее окно в один из наиболее часто используемых модельных организмов, чем когда-либо прежде. «В краткосрочной перспективе это исследовательский инструмент», — говорит Роулендс, который предвидит большие успехи, которые вскоре последуют из этого открытия: например, оптическая визуализация всего мозга мыши. «Если это не будет статьей [в течение года], я съем свою шляпу».
