Тартразин, обычный пищевой краситель, используемый, например, в чипсах Doritos, делает кожу и соединительные ткани временно прозрачными под воздействием красного света, как показало исследование. В частности, краситель позволяет свету проникать внутрь, изменяя коэффициент преломления тканей, причем обратимо и не вызывая повреждений. Это открытие может иметь множество последствий, например, позволит неинвазивно определять местонахождение повреждений или опухолей.
Если к ладони или пальцам поднести зажженный фонарик, свет окрасит их в красновато-оранжевый цвет, но не обнажит мышцы и кости. Это происходит потому, что ткани по-разному рассеивают свет в зависимости от их состава и структуры.
Каждый прозрачный материал имеет коэффициент преломления, который представляет собой соотношение между скоростью света в вакууме и его скоростью при прохождении через материал. Например, свет проходит через воду со скоростью, составляющей три четверти скорости света в вакууме, что дает коэффициент преломления 1,33. Когда он проходит через материалы с разными показателями преломления, он изгибается. Более того, поскольку липиды, составляющие клеточные мембраны, имеют более высокий коэффициент преломления, чем вода, клетки ведут себя как линзы, беспорядочно рассеивая свет во всех направлениях и делая ткани непрозрачными.
Методы, используемые в настоящее время для придания тканям прозрачности, обычно предполагают удаление липидов и оставление только водных гелей, которые позволяют свету проходить через них без рассеивания. Биологические ткани состоят из воды, липидов, белков и многих других компонентов. Однако эти методы инвазивны и разрушают ткани, что не позволяет использовать их на живых животных.
Исследователи из Стэнфордского университета изучили гипотезу о том, что определенные красители, сильно поглощающие свет, могут позволить ему легче проникать в ткани. Вместо того чтобы извлекать липиды, чтобы они соответствовали коэффициенту преломления воды, красители будут увеличивать коэффициент преломления воды, чтобы он соответствовал коэффициенту преломления липидов и других компонентов ткани.
Они обнаружили, что тартразин — оранжевый краситель, одобренный Управлением по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств США (FDA) и широко используемый в различных продуктах питания (чипсы Doritos, напитки SunnyD, конфеты Haribo и т. д.), — изменяет коэффициент преломления воды в тканях до идеального уровня. В одном из экспериментов это соединение сделало ткани мышей прозрачными, не повредив их.
«Если бы мы могли просто наблюдать за тем, что происходит под кожей, вместо того чтобы разрезать ее или использовать радиацию для получения менее четкого изображения, мы могли бы изменить наше восприятие человеческого тела», — объясняет Гуосон Хонг, соавтор исследования, подробно изложенного в Стэнфордском докладе в журнале .
Неинвазивный и обратимый процесс
Обычно краситель делает воду менее прозрачной и пропускает меньше света. Однако тартразин поглощает синий свет и замедляет скорость света в среде, уменьшая разницу в показателях преломления между водой и липидами в ткани. Таким образом, липиды пропускают красные и оранжевые волны без рассеивания, повышая прозрачность тканей для этих цветов.
«Самое удивительное в этом исследовании то, что мы обычно ожидаем, что цветные молекулы сделают вещи менее прозрачными», — объяснил Хонг изданию Guardian. Однако «в нашем эксперименте, когда мы растворяли тартразин в непрозрачном материале, таком как мышцы или кожа, которые обычно рассеивают свет, чем больше тартразина мы добавляли, тем прозрачнее становился материал, но только в красной части светового спектра», — отмечает он.
Чтобы проверить свою гипотезу, команда побрила, а затем пропитала кожу живота, задних конечностей и скальпа усыпленной мыши. Через несколько минут кожа покраснела, указывая на то, что большая часть синего света была поглощена и стала прозрачной для красного света. Таким образом, можно было наблюдать за работой внутренних органов грызуна (печень, сердце, легкие и т.д.) без использования медицинского оборудования.
Нанесение красителя на задние лапы грызуна также позволило нам наблюдать за мышечными волокнами — элементами, которые в настоящее время можно визуализировать только с помощью эндоскопа, вживленного под кожу. Краска, нанесенная на голову, позволила наблюдать кровеносные сосуды и нейроны, расположенные в самых внешних слоях мозга, с помощью метода лазерной точечной контрастной визуализации. Черепа мышей от природы полупрозрачны, поскольку они очень тонкие.
Более того, краситель не изменяет ткани, и процесс полностью обратим. Прозрачность исчезала всего за несколько минут после того, как тартразин смывался водой. Более того, хотя в настоящее время глубина воздействия ограничена примерно 1 сантиметром, с помощью пластырей или инъекций в микроиглы его можно распространить глубже.
Возможность обнаружить опухоли извне
Техника окрашивания, предложенная Хонгом и его командой, имеет свои ограничения. Например, учитывая, что окно поглощения красителя находится между красным и оранжевым, большинство флуоресцентных маркеров не видны. Во-вторых, краситель не соответствует коэффициенту преломления гемоглобина, который отличается от коэффициента преломления воды и липидов. Это означает, что кровь нельзя сделать прозрачной для детального наблюдения определенных структур.
Тем не менее, этот метод открывает множество возможностей для медицины и исследований. Например, она позволит нам наблюдать за динамикой мозга мышей в процессе выполнения ими заданий без использования сложных устройств для визуализации. Кроме того, она могла бы устранить необходимость в инвазивных биопсиях, что позволило бы обнаруживать опухоли снаружи, легче находить вену для внутривенного вливания, повысить точность лазерного удаления татуировок и т.д.
Подпишись: