Röntgenbrillen en onzichtbaarheidsmantels zijn zaken van sciencefiction en fantasy, maar soms is wetenschap gewoon vreemder dan fictie. Een voedselkleurstof die bepaalde frisdranken en snacks hun kenmerkende oranje tint geeft, heeft de huid van muizen bijna volledig transparant gemaakt in een omkeerbare, potentieel niet-giftige onderzoeksmethode die de medische en wetenschappelijke beeldvorming zou kunnen transformeren. Vanwege een contra-intuïtief fundamenteel natuurkundig principe kan Tartrazine, ook bekend als Yellow 5, biologisch weefsel tijdelijk transparant maken voor het blote oog, zoals beschreven in een studie die op 5 september in het tijdschrift werd gepubliceerd. Wetenschap.
Tot nu toe hebben de wetenschappers achter de nieuwe ontdekking de methode gebruikt om organen in de buik van een intacte muis te zien, een glimp op te vangen van de pulserende bloedvaten rond de schedel van het knaagdier en een extreem duidelijk beeld te krijgen van spierweefsel door een microscoop. Met verder onderzoek naar de veiligheid en werkzaamheid kan de methode leiden tot nieuwe wetenschappelijke ontdekkingen, microscopie bevorderen en medische diagnostische strategieën en behandelingen verbeteren.
“Ik keek er meteen naar en zei: ‘Goh, dit is revolutionair'”, zegt Christopher Rowlands, hoofddocent en onderzoeker in biofotonica aan het Imperial College London. Rowlands was niet betrokken bij het onderzoek, maar schreef een begeleidend perspectiefartikel nadat hij als recensent voor het onderzoek had opgetreden. “In de optica besteden we veel tijd aan het proberen te vergroten [how well we can see into tissue] met 20 procent of 50 procent. Hier komen deze jongens en ze overschrijden de limiet met een factor 10.” De meest geavanceerde huidige optische beeldvormingstechnieken (dat wil zeggen niet-invasief en niet afhankelijk van straling) kunnen een wetenschapper in staat stellen enkele millimeters in levend weefsel te kijken, maar de nieuwe methode zou details van meer dan een centimeter diep zichtbaar kunnen maken voor het blote oog. , zegt Rowlands. “Het is geen magie, maar het is nog steeds erg krachtig”, voegt hij eraan toe.
De methode is eenvoudig. Kortom, het masseren van een oplossing van tartrazine in de huid van een haarloze muis gedurende enkele minuten of het gebruik van micronaalden bereikte volgens de studie “volledige optische transparantie in het rode gebied van het zichtbare spectrum”. Spoel de kleur weg en de huid keert terug naar zijn natuurlijke, ondoorzichtige staat.
“Biologische weefsels, zoals de huid, zijn meestal niet transparant omdat het licht zich verstrooit als het erdoorheen gaat”, zegt Guosong Hong, een van de senior auteurs van het onderzoek en bio-ingenieur aan de Stanford University. Dierenvlees is een matrix van verschillende materialen, voornamelijk water en vet, en deze twee soorten verbindingen breken licht onder verschillende hoeken, legt hij uit. Een lichtdeeltje, of foton, dat onder normale omstandigheden door weefsel reist, beweegt van een waterdeeltje naar een lipidedeeltje, stuitert rond, neemt een lang, kronkelig pad en wordt vaak geabsorbeerd door een van de vele moleculen waarmee het onderweg in botsing komt.
Maar de tartrazinekleurstof, met zijn sterke absorptie van blauwe golflengten van licht, verandert de brekingsindex van water zodat deze veel dichter bij die van vet ligt, zegt Hong. Dit gebeurt via een fysiek basisprincipe dat Kramers-Kronig-relaties wordt genoemd en dat dicteert dat golven (zoals die van licht – dat zowel een deeltje als een golf is) het resultaat zijn van voorspelbare signalen. Als gevolg hiervan kan het foton door de huid gaan, bijna alsof het weefsel homogeen is. Het duurt een korter pad, waardoor alle stuiter- en hoekveranderingen worden vermeden die de kans op lichtabsorptie vergroten, wat uiteindelijk de binnenkant van de muis verlicht.
De natuurkundige concepten die bij dit proces betrokken zijn, zijn zo fundamenteel dat “ik mezelf voor de gek hield omdat ik er niet aan had gedacht”, zegt Rowlands Populaire wetenschap. “Het is een van die momenten waarop het overduidelijk is, maar je hebt eerst iemand anders nodig om het je te vertellen. Achteraf gezien is het zo logisch.” Het is een “triomf van fundamenteel begrip”, voegt hij eraan toe, en laat zien wat er gebeurt als een diepgaand begrip van de theorie wordt gecombineerd met experimenten in de echte wereld.
Hong en zijn collega’s kwamen tot hun precieze methode door te modelleren hoe verschillende kleuren de manier veranderen waarop licht zich in weefsel voortplant. Ze omvatten Yellow 5 en een handvol andere pigmenten als kandidaten voor het verbeteren van de transparantie. Vervolgens testten ze het in een vloeistof gemengd met silicadeeltjes, rauwe kippenborsten, levende muizen en andere muizenweefselmonsters – waarbij werd gemeten hoe snel en diep de kleurstof zich verspreidde. Ze combineerden de kleurstof verder met andere optische microscopietechnieken, wat aantoonde dat tartrazine kon worden gebruikt om de bestaande technologie te verbeteren. Ten slotte voerden ze een eerste toxiciteitsanalyse uit, waarbij ze keken naar korte- en langetermijneffecten op knaagdieren en volgden ze hoe snel de muizen de kleurstof uit hun systeem verwijderden via urine en ontlasting. De wetenschappers ontdekten dat Geel 5 binnen 24 uur door het lichaam gaat, weinig ontstekingen of irritatie veroorzaakt en ‘minimale systemische toxiciteit’ vertoont.
De methode is echter nog niet perfect en kan bijvoorbeeld niet een hele levende muis onzichtbaar maken of ons onmiddellijk de innerlijke werking van een menselijke buik laten zien. Ten eerste kan Geel 5 slechts zo ver in het weefsel doordringen, dus het zal niet zo nuttig zijn voor beeldvorming door dikker, minder doorlaatbaar vlees (zoals bij mensen) zonder een gerichte toedieningsstrategie en een nauwkeurig afgestemd begrip van welke concentraties het beste werken. Bovendien vermindert kleur de verstrooiing van fotonen, maar elimineert deze niet volledig, merkt Rowlands op. Hoe dikker het weefsel waarop u het gebruikt, hoe donkerder en minder helder het resulterende beeld zal zijn. Ten slotte is Rowlands er niet zo zeker van dat tartrazine op de lange termijn, met aanvullende tests, ook al zijn de eerste schattingen van de toxiciteit veelbelovend. “Ik betwijfel of het plaatsen van die hoeveelheid van wat dan ook in een levend organisme een significant effect zou hebben”, zegt hij.
Hong merkt ook op dat er meer onderzoek nodig is naar veiligheid. “We raden ten zeerste af om dit op de menselijke huid te proberen, omdat de toxicologie van het kleurstofmolecuul bij mensen, vooral wanneer het plaatselijk wordt aangebracht, nog niet volledig is geëvalueerd”, zegt hij. Populaire wetenschap.
Als de gele 5-kleurstof veilig blijkt te zijn voor plaatselijke menselijke toepassing, zou deze uiteindelijk voor verschillende doeleinden kunnen worden gebruikt, zoals de vroege detectie van huidkanker, het vereenvoudigen van het proces van routinematige bloedafnames voor mensen met moeilijk zichtbare aderen, het versnellen van laserbehandelingen. het verwijderen van tatoeages, of het aanjagen van fotothermische behandeling van kanker, zegt Hong. Maar zelfs als de knabbeltechniek toegepast blijft op laboratoriummuizen, biedt deze een beter inzicht in een van de meest gebruikte modelorganismen dan ooit tevoren. “Op de korte termijn is het een onderzoeksinstrument”, zegt Rowlands, die binnenkort grote stappen verwacht met de ontdekking: optische beeldvorming van het hele muizenbrein bijvoorbeeld. ‘Als het geen papier is [within a year]Ik eet mijn hoed op.”