Чтобы увидеть, что происходит под кожей, врачи полагаются на целый ряд дорогостоящих методов визуализации — рентген, ультразвук, магнитно-резонансную томографию, эндоскопию и т. д. Однако группа ученых-материаловедов нашла более простой способ заглянуть внутрь тела — по крайней мере, мышей. Нанесение обычного пигмента делает кожу животных временно прозрачной, сообщают исследователи в Science, открывая органы под ней. (И на всякий случай, если у вас все еще есть аппетит: этот пигмент — один из тех, которые используются для придания закуске Cheetos ее отличительного оранжевого цвета.)
«Это своего рода мечта в нашей области», — говорит Хироки Уэда, биолог из Токийского университета, который не принимал участия в работе. Хотя эта технология далека от готовности к использованию на людях, он говорит, что она может найти немедленное применение в исследованиях.
Как знает любой ребенок, который когда-либо держал руку над фонариком, свет заставляет ваши пальцы светиться красным, но не дает четкого изображения костей, мышц и кровеносных сосудов внутри. Это потому, что ткань рассеивает свет, так что он не светит прямо из фонарика.
Это рассеивание возникает из-за того, что биологические ткани представляют собой смеси материалов. Каждый прозрачный материал имеет так называемый показатель преломления, который является отношением скорости света в вакууме к скорости света в материале. Свет проходит через воду со скоростью, составляющей три четверти его скорости в вакууме, делая показатель преломления воды 1,33. Воздух имеет показатель преломления немного выше единицы. Когда свет проходит через материалы с разными показателями преломления, его путь изгибается. Это тот же принцип, который позволяет линзам в ваших очках фокусировать свет на сетчатке.
В тканях липиды, из которых состоят клеточные мембраны, имеют показатель преломления около 1,4, что выше, чем у окружающей воды. Таким образом, клетки действуют как множество хаотично ориентированных линз, рассеивающих свет во всех направлениях. Существующие методы могут сделать ткани — и даже целых мышей — прозрачными, удаляя липиды и оставляя водянистый гель, позволяющий свету проходить без рассеивания. Но поскольку эти методы разрушают клеточные мембраны, их нельзя применять к живым животным.
Ученый-материаловед Госон Хонг из Стэнфордского университета и его коллеги выдвинули другую идею. Вместо того чтобы удалять липиды, чтобы сделать показатель преломления образца таким же, как у воды, они повысили показатель преломления воды в образце, чтобы он соответствовал показателю преломления липидов и многих белков. Они подсчитали, что желтый синтетический краситель под названием тартразин замедлит свет до нужной скорости. Тартразин одобрен Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США и используется для окрашивания ряда продуктов, включая Doritos и Kool-Aid, поэтому исследователи ожидали, что его можно будет безопасно использовать в биологических тканях.
Обычно добавление цвета к воде делает ее менее прозрачной. Но поскольку краситель поглощает синий свет и замедляет свет, чтобы уменьшить несоответствие преломления между водой и липидами, ткань пропускает красный и оранжевый свет без рассеивания, что делает ее прозрачной для этих цветов. Вода и липиды «все еще химически различны, но свет их не видит и может очень легко проникнуть», говорит Хонг.
Когда исследователи побрили мышей и втирали краситель в их голую кожу, эта техника заняла всего несколько секунд, чтобы создать оранжевое биологическое витражное окно во внутренности животных. Внезапно они смогли наблюдать, как бьется сердце каждого животного, а его желудочно-кишечная система проталкивает пищу через кишечник.
Используя микроскоп, команда Хонга также рассмотрела другие ткани, включая мышечные волокна в бритой ноге мыши, что обычно можно увидеть только путем имплантации эндоскопа через кожу животного. Они даже втирали краситель в голую кожу головы мыши, чтобы сделать ее прозрачной. С помощью темно-красного флуоресцентного красителя исследователи смогли увидеть нейроны, активирующиеся в самых внешних слоях мозга. (Черепа мышей от природы полупрозрачны, потому что они очень тонкие.) В конечном итоге такие окна могли бы позволить исследователям наблюдать за тем, что делает мозг, пока мышь ведет себя как обычно или выполняет задачи.
После того как исследователи смыли краситель водой, естественный цвет кожи вернулся, и мыши жили без видимых побочных эффектов, пока их не умертвили несколько недель спустя.
Хонг говорит, что у этой техники все еще есть ограничения. Поскольку окна оранжевые, большинство флуоресцентных красителей не будут видны через них. Еще одна проблема — толщина ткани. В предварительных исследованиях команда Хонга обнаружила, что инъекция тартразина под кожу может позволить исследователям увидеть более глубокие структуры. Наконец, краситель не компенсирует богатый железом гемоглобин в крови и определенные белки, которые имеют другие показатели преломления, чем вода и липиды, поэтому эти ткани не становятся прозрачными из-за красителя.
Тем не менее, другие исследователи в этой области воодушевлены потенциалом этой технологии. «Я нахожу это исследование интригующим», — говорит Али Эртюрк, нейробиолог из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана. Однако, по его словам, прежде чем эту технологию можно будет использовать на людях или в качестве части медицины, исследователям необходимо лучше понять, как организм избавляется от красителя и перевешивают ли преимущества этой технологии ее риск по сравнению с другими неинвазивными методами, такими как ультразвук.
Хонг говорит, что его лаборатория сейчас изучает большие библиотеки молекул, чтобы определить те, которые будут поглощать ультрафиолетовый свет, что позволит команде увидеть более широкий спектр цветов под живой кожей. «Будет очень интересно найти молекулы, которые можно будет адаптировать для различных применений».
