Șoarecii făcuți transparenți cu un colorant folosit în Doritos

O provocare cheie în imagistica medicală este de a privi dincolo de piele și alte țesuturi care sunt opace pentru a vedea organele și structurile interne. Acesta este motivul pentru care avem nevoie de lucruri precum ultrasonografia, rezonanța magnetică sau raze X. Există agenți chimici de curățare care pot face țesutul transparent, cum ar fi acrilamida sau tetrahidrofuranul, dar nu sunt utilizați aproape niciodată în organismele vii, deoarece sunt fie foarte toxici, fie pot dizolva biomoleculele esențiale.

Dar acum, o echipă de oameni de știință de la Universitatea Stanford a găsit în sfârșit un agent care poate face pielea transparentă în mod reversibil, fără a o deteriora. Acest agent a fost tartrazina, un colorant alimentar popular galben-portocaliu numit FD&C Yellow 5, care este folosit în special pentru colorarea Doritos.

Joacă-te cu lumina

Nu putem vedea prin piele, deoarece este un țesut complex care cuprinde componente pe bază de apă, cum ar fi interiorul celulelor și alte fluide, precum și proteine ​​și lipide. Indicele de refracție este o valoare care indică cât de mult lumina încetinește (în medie, desigur) în timp ce trece printr-un material în comparație cu trecerea printr-un vid. Indicele de refracție al acelor componente apoase este scăzut, în timp ce indicele de refracție al proteinelor și al lipidelor este ridicat. Ca rezultat, lumina care străbate pielea se îndoaie constant, în timp ce trece la nesfârșit granița dintre materialele cu indice de refracție ridicat și scăzut.

Acest lucru împrăștie lumina – odată ce pătrunde în piele, nu se întoarce niciodată. Ceea ce vedem este doar lumina care sare de pe suprafața pielii. Trucul de a face lucrurile transparente constă în principal în uniformizarea indicelui de refracție, astfel încât lumina, sau cel puțin o parte a spectrului, nu se îndoaie tot timpul și nu se împrăștie. Exact aici a intrat colorantul Doritos.

„Cea mai surprinzătoare parte a acestui studiu este că de obicei ne așteptăm ca moleculele de colorant să facă lucrurile mai puțin transparente”, spune Guosong Hong, profesor asistent de știința materialelor și inginerie la Stanford și autor principal al lucrării. „De exemplu, dacă amestecați cerneală albastră în apă, cu cât adăugați mai multă cerneală, cu atât mai puțină lumină poate trece prin apă. Cu toate acestea, în experimentul nostru, atunci când dizolvăm tartrazina într-un material opac, cum ar fi mușchiul sau pielea, care în mod normal împrăștie lumina, cu cât adăugăm mai multă tartrazină, cu atât materialul devine mai limpede. Acest lucru contravine a ceea ce ne așteptăm de obicei cu coloranții.”

Lotiune transparenta

Echipa lui Hong a dizolvat pur și simplu colorantul într-o soluție apoasă și a creat un fel de loțiune care induce transparența. A funcționat, deoarece colorantul a redus diferența de indice de refracție dintre apă și lipide din piele. Apoi echipa a început să-l maseze ușor într-un pic de gel polimeric care a emulat proprietățile de împrăștiere a luminii ale țesutului. De acolo, s-au mutat la pieptul de pui feliat subțire și la șoareci vii.

„Loțiunea de transparență” a avut nevoie de doar câteva minute pentru a începe să funcționeze atunci când este aplicată pe pielea unui șoarece. Masat într-un scalp ras, le permite oamenilor de știință să vadă vasele de sânge cerebrale cu imagini de contrast cu pete laser, o tehnică care necesită în mod normal îndepărtarea scalpului pentru a funcționa. Când este aplicat pe abdomenul șoarecelui, a făcut toate organele interne, inclusiv ficatul, vezica urinară și intestinul subțire, vizibile cu ochiul liber. Tot ceea ce a fost necesar pentru a inversa efectul și a face pielea din nou opaca a fost spălarea lotiunii cu apă.

Au fost însă unele probleme. Una dintre ele a fost că tartrazina a absorbit cea mai mare parte a luminii la lungimi de undă de aproximativ 257 și 428 de nanometri, ceea ce ne permite să vedem nuanțe de violet și albastru. Pe de altă parte, avea o absorbție minimă peste 600 de nanometri, ceea ce însemna că pielea transparentă nuanța totul în roșu. A doua problemă a fost adâncimea de penetrare. Loțiunea a funcționat bine doar în locurile unde pielea era subțire și nu putea pătrunde suficient de adânc acolo unde pielea era mai groasă.

În cele din urmă, formularea sa nu a fost universală. S-a bazat pe găsirea unei substanțe chimice care să se potrivească cu indicele de refracție al lipidelor atunci când sunt dizolvate în apă, dar compoziția exactă a loțiunii a fost determinată prin încercări și erori. Dacă există multe variații de la mouse la mouse, ar putea fi dificil să se vină cu o soluție unică.

Tatuaje și ace

Problema pătrunderii mai adânc în pielea groasă a fost parțial rezolvată făcând aplicarea puțin mai dureroasă. „Folosirea aplicatoarelor de plasture cu microace sau a injecțiilor subcutanate ar putea ajuta la livrarea moleculelor prin straturi mai groase de piele”, explică Hong. Problema nuanței roșii, a sugerat el, ar putea fi rezolvată prin testarea diferiților coloranți. „Cercetarea din laboratorul meu se concentrează în prezent pe identificarea moleculelor cu absorbție puternică în regiunea aproape ultravioletă, minimizând coada spectrală în intervalul vizibil pentru a asigura transparența țesuturilor fără prezența unui ton roșu”, a spus Hong.

„Acest studiu a fost efectuat doar pe animale. Cu toate acestea, dacă aceeași tehnică ar putea fi aplicată oamenilor, ar putea oferi o varietate de beneficii în biologie, diagnosticare și chiar cosmetice”, sugerează Hong. Beneficiile asupra cărora se concentrează includ evaluarea tumorilor adânci fără a se baza pe biopsii, făcând testele de sânge mai puțin stresante, facilitând localizarea venelor și chiar lucruri precum îndepărtarea îmbunătățită a tatuajelor cu laser, permițând pigmentului de sub piele să fie vizat cu precizie.

Dar există o veste proastă. Chiar dacă colorantul FD&C Yellow 5 este disponibil pe scară largă, replicarea rezultatelor lui Hong acasă și crearea singură a loțiunii de transparență nu este cea mai strălucită idee. „Descurajam cu tărie încercarea acestui lucru pe pielea umană, deoarece toxicologia moleculelor de colorant la om, în special atunci când este aplicată local, nu a fost pe deplin evaluată”, spune Hong.

Și, în cele din urmă, s-ar putea să nu funcționeze. „Pielea umană este semnificativ mai groasă decât pielea șoarecelui, stratul cornos, stratul cel mai exterior al epidermei, servind ca o barieră substanțială care împiedică livrarea eficientă a moleculelor în derm”, explică Hong.

Science, 2024. DOI: 10.1126/science.adm6869