Учёные из Стэнфордского университета разработали инновационный метод, позволяющий сделать ткани человеческого тела прозрачными для видимого света. Этот прорыв может привести к значительному прогрессу в медицинской диагностике, включая обнаружение травм, мониторинг расстройств пищеварения и выявление раковых заболеваний.
Новая технология основана на местном нанесении безопасного красителя, который оказался обратимым в испытаниях на животных. Исследователи из Стэнфордского университета опубликовали результаты в журнале Science, где они описали свой подход, который включает в себя прогнозирование взаимодействия света с окрашенными биологическими тканями.
«В перспективе эта технология может сделать вены более заметными для забора 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.
Исследователи разработали способ прогнозирования взаимодействия света с окрашенными биологическими тканями, который требует глубокого понимания рассеяния света и процесса преломления. Они обнаружили, что красители, которые наиболее эффективно поглощают свет, также могут быть весьма эффективными в равномерном направлении света через широкий диапазон показателей преломления.
«Например, некоторые методы лечения используют лазеры для устранения раковых и предраковых клеток, но ограничиваются областями вблизи поверхности кожи. Эта техника может улучшить проникновение метода», — отметил Хонг.
Одним из красителей, который, по прогнозам исследователей, должен был оказаться особенно эффективным, оказался тартразин, пищевой краситель, более известный как FD & C Yellow 5. При растворении в воде и впитывании в ткани молекулы тартразина идеально структурируются, чтобы соответствовать показателям преломления и предотвращать рассеивание света, что обеспечивает прозрачность.
Исследователи проверили свои предсказания на тонких ломтиках куриной грудки и мышах. Они обнаружили, что при нанесении раствора тартразина на кожу головы мышей она становится прозрачной, что позволяет видеть кровеносные сосуды . Аналогичный результат был получен при нанесении раствора на живот мышей, что позволило наблюдать сокращения кишечника и движения, вызванные сердцебиением и дыханием.
Методика позволила разрешить особенности в масштабе микрометров и даже улучшить микроскопические наблюдения. Когда краситель был смыт, ткани быстро вернулись к нормальной «непрозрачности». Тартразин, похоже, не имел долгосрочных эффектов, а возможный избыток был выведен с отходами в течение 48 часов.
Исследователи подозревают, что использование красителя должно привести к ещё более глубокому пониманию организмов, что будет иметь значение как для биологии, так и для медицины. Проект начинался как исследование взаимодействия микроволнового излучения с биологическими тканями, но в итоге привёл к разработке новой технологии, которая может иметь широкое применение в медицине.
Используя методы, основанные на фундаментальной физике, исследователи надеются, что их подход положит начало новому направлению исследований по сопоставлению красителей с биологическими тканями на основе оптических свойств, что потенциально может привести к широкому спектру медицинских применений.
«Передовые исследовательские учреждения постоянно стремятся найти правильный баланс, предоставляя доступ к базовым инструментам и экспертным знаниям, одновременно освобождая место для новых, более крупных и мощных приборов. Хотя такая простая "рабочая лошадка", как эллипсометр, редко попадает в заголовки, она, тем не менее, может сыграть решающую роль при использовании в нетипичных целях, как в данном случае. Открытый доступ к таким приборам является основополагающим для совершения новаторских открытий, поскольку их можно использовать по-новому, чтобы генерировать фундаментальные идеи о научных явлениях», — сказал руководитель программы NSF Ричард Нэш, курирующий NSF NNCI.
«Как специалист по оптике, я поражён тем, как много они получили, эксплуатируя взаимосвязь Крамерса-Кенига. Каждый студент-оптик знает о них, но эта команда использовала уравнения, чтобы выяснить, как сильно поглощающий краситель может сделать кожу прозрачной. Хонгу удалось сделать шаг в смелом новом направлении, что является прекрасным примером того, как фундаментальные знания в области оптики могут быть использованы для создания новых технологий, в том числе в биомедицине», — сказал руководитель программы NSF Адам Вакс, который курировал работу Хонга.
