A kutatók felfedezték, hogyan tehetik átlátszóvá a bőrszöveteket
A tudósok egy közönséges élelmiszerfestéket és egy innovatív megközelítést alkalmazva képesek átmenetileg átlátszóvá tenni élő egerek testrészeit. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy invazív műtét nélkül bepillantást nyerjenek az állatok testének belső működésébe.
A Science legújabb számában közzétett felfedezés messzemenő hatással lehet az orvosbiológiai kutatásra és a komplex biológiai rendszerek tanulmányozására.
„Azok, akik értik a jelenség mögött álló alapvető fizikát, megértik a felfedezés értelmét és értékét, mások számára viszont ez egy bűvésztrükknek tűnhet” – mondta Dr. Zihao Ou, a dallasi Texasi Egyetem fizika tanszékének adjunktusa és a tanulmány vezető szerzője egy nyilatkozatban.
Az optikai képalkotás a modern biológia és orvostudomány kritikus eszköze, amely lehetővé teszi a kutatók számára az élő szervezetek valós idejű tanulmányozását. A biológiai szövetek természetes átlátszatlansága azonban jelentős kihívást jelent a tudósok számára, akik a test mélyén lévő struktúrák megfigyelésére törekszenek.
A hagyományos optikai képalkotó módszereket gyakran gátolja a fényszórás és a fényelnyelés, ez pedig korlátozza az elérhető képek mélységét és tisztaságát.
A Dr. Ou által vezetett új kutatás célja, hogy a biológiai szövetek átlátszóvá tételére szolgáló új technika kifejlesztésével leküzdjék ezt az akadályt.
Eddig is folytattak kutatásokat ezen a téren
„A törekvés, hogy belelássunk a biológiai szövetek belsejébe és feltárjuk az élet alapvető folyamatait, kiterjedt kutatásokat ösztönzött a mélyszövet optikai képalkotó módszerek, például a kétfoton-mikroszkópia, a közeli infravörös-II fluoreszcencia képalkotás és az optikai szövettisztítás terén” – írták a kutatók. „Ezek a módszerek azonban vagy nem rendelkeznek megfelelő behatolási mélységgel és felbontással, vagy nem alkalmazhatók élő állatok esetében”.
A kutatók meglepően egyszerű megoldást találtak ki: egy gyakori sárga ételfestéket, a tartrazint használták.
Az Egyesült Államok Élelmiszer- és Gyógyszerügyi Hivatala által jóváhagyott tartrazin széles körben használatos a mindennapi termékekben, az édességektől az üdítőitalokig. A kutatás során azonban egészen más célra használták a szakemberek.
A kutatócsoport megállapította, hogy vízben feloldva ez a festék szelektíven képes elnyelni a fényt a látható spektrum kék tartományában. Ez az abszorpció hatékonyan megváltoztatja a vizes közeg törésmutatóját, növelve az átlátszóságot a spektrum vörös részében.
„A sárga festéket (amely elnyeli a legtöbb fényt, különösen a kék és az ultraibolya fényt) kombináltuk a bőrrel, amely szóró közeg” – magyarázta Dr. Ou. „Külön-külön ez a két dolog blokkolja a fény nagyobb részét az átjutásban. Amikor pedig összeillesztettük őket, képesek voltunk elérni az egér bőrének átlátszóságát”.
Dr. Zihao Ou, az UT Dallas fizika adjunktusa egy üvegcsét tart a kezében, amelyben a sárga ételfesték, a tartrazin van feloldva. (A kép forrása: University of Texas at Dallas)
A tanulmány elméleti kerete a Lorentz-oszcillátor-modellre támaszkodik, amely a fizikában jól ismert fogalom, és amely leírja, hogyan lép kölcsönhatásba a fény az anyaggal.
A kutatók úgy gondolták, hogy e modellt alkalmazása mellett bizonyos festékmolekulák fokozhatják az átlátszóságot a biológiai szövetekben. A kísérleti eredmények megerősítették ezt a feltevést, és kimutatták, hogy a tartrazin képes átmenetileg átlátszóvá tenni élő egerek bőrét, izmait és kötőszöveteit.
Egy kísérletsorozat során tartrazin hatóanyagot juttattak néhány élő egér hasára és koponyájára, ezzel sikeresen átlátszóvá tették ezeket a területeket. Ez az áttörés lehetővé tette a szakemberek számára, hogy valós időben megfigyelhessék a szövetek mélyén lévő fluoreszcens jelölésű sejteket és struktúrákat.
Az egyik legizgalmasabb alkalmazás az egerek bélrendszeri neuronjainak vizualizálása volt. A kutatók láthatták az idegsejtek mozgását, amint azok tükrözik a bélmozgást, így valós idejű térképeket hozva létre a gyomor-bélrendszeri aktivitásról.
Bizonyították a technika sokoldalúságát
A tanulmány bizonyította a technika sokoldalúságát. A festékoldatot az egér testének más részeire is alkalmazták. A kutatók a fejbőrön az agyi erek láthatóvá tételére, a hátsó végtagokon pedig az izomrostok nagy felbontású képalkotása céljából alkalmazták az oldatot.
A festék minden esetben lehetővé tette, hogy a jellemzően átlátszatlan szöveteken keresztül példátlan tisztasággal és részletességgel lehessen átlátni.
A folyamat könnyen visszafordítható a maradék festék lemosásával, míg a bőrbe diffundált festékanyag metabolizálódik és természetes módon kiválasztódik a vizelettel.
„Mindössze néhány percre van szükség ahhoz, hogy a bőr átlátszóvá váljon” – magyarázta Dr. Ou. „Hasonlóan működik, mint egy arckrém vagy maszk: a szükséges idő attól függ, hogy a molekulák milyen gyorsan diffundálnak a bőrbe.”
Kép forrása: Dr. Zihao Ou.
E kutatás következményei óriásiak. A szövetek átláthatóvá tétele az orvosbiológiai kutatás számos területét forradalmasíthatja. Lehetővé tenné a tudósok számára, hogy olyan összetett szöveti struktúrákat, mint az agy és az érrendszer olyan módon tanulmányozhassák, ami eddig soha nem volt lehetséges.
Ráadásul az élő bőr átlátszóvá tételéhez használt biokompatibilis festék biztonságos, megfizethető és hatékony optikai képalkotási eljárást tesz lehetővé.
„Az emberi gyógyászat jelenleg arra ad lehetőséget, hogy ultrahang segítségével tekintsünk mélyebbre az élő testben” – jegyezte meg Dr. Ou. „Sok orvosi diagnosztikai platform nagyon drága és a széles közönség számára elérhetetlen, de a mi technológiánkon alapuló platformoknak nem kellene annak lenniük.”
Az eljárás emberekre is alkalmazható
A technika adaptálható más állatokra és persze az emberre is, bár a nagyobb a méretű szervezet esetében sokkal több kutatásra van szükség a biztonságosság és a hatékonyság értékeléséhez.
A kutatók azonban megjegyzik megközelítésük bizonyos korlátait is. Bár a festék a fényszórás csökkentésével javítja az átlátszóságot, azt nem szünteti meg teljesen. A technika hatékonysága a festék szöveten belüli diffúziójától is függ, ami a szövet típusától és sűrűségétől függően változhat.
A kutatók arra is rámutatnak, hogy az emberi bőr körülbelül tízszer vastagabb, mint az egéré, így bizonytalan, hogy milyen festékadagolásra vagy adagolási módszerre lenne szükség az emberi bőr átlátszóságának eléréséhez.
A technika forradalmasíthatja az orvosbiológiai képalkotást
E kihívások ellenére a tanulmány szerzői optimistán tekintenek a jövőbe. Úgy vélik, hogy a technika további finomításai (beleértve a különböző festékek és beviteli módszerek használatát) fokozhatják a technika alkalmazhatóságát és hatékonyságát.
A jövőbeli kutatások során azt is megvizsgálhatják, hogy ezt a módszert más fejlett képalkotási technikákkal kombinálva hogyan nyerhetnének mélyebb betekintést a biológiai rendszerekbe.
Végül az élő egerek bőrének átlátszóvá tételével a kutatók új módszert mutattak be az élő szövetek rejtett titkainak feltárására. „Bár még sok munka vár ránk, a technika lehetséges alkalmazásai forradalmasíthatják az orvosbiológiai képalkotást.”
„Kísérleteink eredményeit látva az volt az egyik első gondolatunk, hogy ez hogyan javíthatja az orvosbiológiai kutatást” – mondta Dr. Ou. „Az optikai berendezéseket (például a mikroszkópot) nem használják közvetlenül élő emberek vagy állatok tanulmányozására, mivel a fény nem tud áthatolni az élő szöveteken. De az, hogy képesek vagyunk a szöveteket átlátszóvá tenni, lehetővé teszi számunkra, hogy részletesebb dinamikát vizsgáljunk”.
„Ez forradalmasítja a biológia terén végzett jelenlegi optikai kutatásokat.”