Исследователи разработали новый способ видеть органы внутри тела, делая вышележащие ткани прозрачными для видимого света. Парадоксальный процесс — местное нанесение безопасных для пищевых продуктов красителей - был обратим в тестах на животных и в конечном итоге может быть применен для широкого спектра медицинской диагностики, от выявления повреждений до мониторинга расстройств пищеварения и выявления раковых заболеваний.
Исследователи из Стэнфордского университета опубликовали исследование под названием "Достижение оптической прозрачности у живых животных с помощью поглощающих молекул" в журнале Science от 6 сентября 2024 года.
"В перспективе эта технология может сделать вены более заметными для взятия крови, упростить удаление татуировок с помощью лазера или помочь в раннем выявлении и лечении рака", - сказал доцент кафедры материаловедения и инженерии Стэнфордского университета Госонг Хонг, который помогал руководить этой работой.
"Например, в некоторых методах лечения используются лазеры для удаления раковых и предраковых клеток, но они ограничены областями, расположенными вблизи поверхности кожи. Этот метод может улучшить проникновение света".
Осветляющее решение
Чтобы освоить новую технику, исследователи разработали способ предсказать, как свет взаимодействует с окрашенными биологическими тканями.
Эти предсказания требовали глубокого понимания рассеяния света, а также процесса преломления, при котором свет меняет скорость и изгибается при переходе из одного материала в другой.
Рассеяние - это причина, по которой мы не можем видеть сквозь наше тело: жиры, жидкости внутри клеток, белки и другие материалы обладают разным показателем преломления, свойством, которое определяет, насколько сильно будет изгибаться входящая световая волна.
В большинстве тканей эти материалы плотно прилегают друг к другу, поэтому различные показатели преломления приводят к рассеянию света при его прохождении. Именно эффект рассеяния воспринимается нашими глазами как непрозрачность окрашенных биологических материалов.
Исследователи поняли, что если они хотят сделать биологический материал прозрачным, то должны найти способ согласовать различные показатели преломления, чтобы свет мог беспрепятственно проходить сквозь него.
Опираясь на фундаментальные знания в области оптики, исследователи пришли к выводу, что красители, которые наиболее эффективно поглощают свет, могут также быть очень эффективными в равномерном направлении света в широком диапазоне показателей преломления.
Одним из красителей, который, по прогнозам исследователей, будет особенно эффективным, был тартразин, пищевой краситель, более известный как FD & C Yellow 5. Оказывается, они были правы: при растворении в воде и всасывании в ткани молекулы тартразина приобретают идеальную структуру, соответствующую показателям преломления, и предотвращают рассеяние света, что приводит к прозрачности.
Исследователи сначала проверили свои прогнозы на тонких ломтиках куриной грудки. По мере увеличения концентрации тартразина показатель преломления жидкости в мышечных клетках повышался до тех пор, пока не сравнялся с показателем преломления мышечных белков — ломтик становился прозрачным.
Затем исследователи осторожно нанесли на мышей временный раствор тартразина. Сначала они нанесли раствор на кожу головы, чтобы сделать кожу прозрачной и показать кровеносные сосуды, пересекающие мозг. Затем они нанесли раствор на брюшную полость, который через несколько минут исчез, демонстрируя сокращения кишечника и движения, вызванные сердцебиением и дыханием.
С помощью этого метода можно было различать детали в масштабе микрон и даже наблюдать под микроскопом. Когда краситель был смыт, к тканям быстро вернулась нормальная непрозрачность. Тартразин, по-видимому, не оказывал долгосрочного воздействия, и его избыток выводился с отходами в течение 48 часов.
Исследователи подозревают, что введение красителя должно привести к еще более глубокому изучению организмов, что может иметь значение как для биологии, так и для медицины.
Старые формулы открывают новые возможности в медицине
Проект начинался как исследование того, как микроволновое излучение взаимодействует с биологическими тканями.
Изучая учебники по оптике 1970-х и 1980-х годов, исследователи обнаружили два ключевых понятия: математические уравнения, называемые соотношениями Крамерса-Кронига, и явление, называемое колебаниями Лоренца, при котором электроны и атомы резонируют внутри молекул при прохождении через них фотонов.
Хорошо изученные на протяжении более ста лет, но не применяемые в медицине таким образом, эти инструменты оказались идеальными для прогнозирования того, как тот или иной краситель может повысить показатель преломления биологических жидкостей, чтобы они идеально сочетались с окружающими жирами и белками.
Аспирант-исследователь Ник Роммельфангер, работающий в рамках стипендии NSF для научных исследований, был одним из первых, кто осознал, что те же модификации, которые делают материалы прозрачными для микроволн, могут быть адаптированы для воздействия на видимый спектр, что потенциально может найти применение в медицине.
Молекула среди многих других.
Перейдя от теории к экспериментам, научный сотрудник Цзыхао Оу, ведущий автор исследования, заказал несколько стойких красителей и начал процесс тщательной оценки каждого из них на предмет идеальных оптических свойств.
В конечном счете, команда выросла до 21 студента, сотрудников и консультантов, задействовав несколько аналитических систем.
Одной из наиболее важных систем оказался эллипсометр десятилетней давности, расположенный среди новейшего оборудования в Stanford Nano Shared Facilities, являющейся частью Национальной координируемой инфраструктуры нанотехнологий NSF (NNCI).
Эллипсометр - это инструмент, используемый в производстве полупроводников, а не в биологии. Однако, возможно, впервые в медицине исследователи поняли, что он идеально подходит для прогнозирования оптических свойств целевых красителей.
"Передовые исследовательские центры постоянно стремятся найти правильный баланс, предоставляя доступ к базовым инструментам и опыту, одновременно освобождая место для более новых, крупных и мощных приборов", - сказал программный директор NSF Ричард Нэш, который курирует NNCI NSF.
"Хотя такая базовая рабочая лошадка, как эллипсометр, редко попадает в заголовки газет, она, тем не менее, может сыграть решающую роль при использовании в нетипичных целях, как в данном случае. Открытый доступ к таким приборам является основой для совершения новаторских открытий, поскольку эти инструменты могут быть использованы по-новому для получения фундаментального представления о научных явлениях".
Исследователи надеются, что благодаря методам, основанным на фундаментальной физике, их подход откроет новую область исследований по подбору красителей для биологических тканей на основе оптических свойств, что потенциально приведет к широкому спектру медицинских применений.
"Как специалист по оптике, я поражен тем, как много они получили, используя отношения Крамерса и Кенига", - сказал руководитель программы NSF Адам Вакс, который поддерживал работу Хонга.
"Каждый студент-оптик знает о них, но эта команда использовала уравнения, чтобы выяснить, как сильно впитывающийся краситель может сделать кожу прозрачной. ... Хонг смог сделать шаг в новом смелом направлении, что стало прекрасным примером того, как фундаментальные знания в области оптики могут быть использованы для создания новых технологий, в том числе в биомедицине".
