Физики и биологи из США сделали кожу живых мышей прозрачной при помощи раствора красителя тартразина в воде. Его сильно поглощающие свет молекулы изменяли показатель преломления раствора, что приводило к уменьшению контраста в показателях преломления между водой и липидами, обратимо делая биологические живые ткани прозрачными. Среди прочего, ученым удалось сделать прозрачным живот живой мыши, что позволило напрямую наблюдать за внутренними органами, говорится в статье опубликованной в журнале Science.
Одна из важнейших задач в биологии и медицине — заглянуть внутрь биологических тканей для исследования фундаментальных процессов, происходящих в живом организме. Однако в оптическом диапазоне глубина проникновения изображения крайне ограничена из-за сложности биологических структур, вызывающих нежелательное рассеяние света. Ученые пытались решить эту проблему различными методами, например, при помощи двухфотонной микроскопии, флуоресцентной визуализации в ближнем инфракрасном диапазоне или оптического просветления тканей. Однако эти методы либо не обладают достаточной глубиной проникновения и разрешением, либо не подходят для живых животных.
Группа ученых под руководством Хуна Госуна (Guosong Hong) из Стэнфордского университета смогла сделать биологические ткани живых мышей прозрачными. Исследователи обнаружили, что с этой задачей справляются растворы молекул с высоким коэффициентом поглощения света, например, водный раствор пищевого красителя тартразина.
Чтобы объяснить контринтуитивное открытие, ученые применили модель Лоренца диэлектрических свойств вещества, представляя молекулы тартразина и других молекул с высоким поглощением света в виде осцилляторов Лоренца. Такой подход показал, что эти осцилляторы с острыми резонансами поглощения видимого света — в диапазоне длин волн от 400 до 700 нанометров — эффективно увеличивают действительную часть показателя преломления в красном и инфракрасном диапазоне, когда они растворены в воде. Это оказалось в полном соответствии с соотношениями Крамерса — Кронига, описывающими интегральную связь между действительной и мнимой частями комплексной функции отклика физической системы. В результате водорастворимые красители в видимом спектре могут эффективно снижать контрастность показателей преломления между водой и липидами, что приводит к оптической прозрачности живых биологических тканей.
Чтобы проверить способ на практике, ученые нанесли раствор тартразина на выбритую кожу головы живой мыши и использовали лазерную спекл-контрастную визуализацию, чтобы рассмотреть кровеносные сосуды в головном мозге. Такая процедура обычно требует удаления кожи головы из-за ее непрозрачности, а обычная визуализация выбритой головы мыши не выявила никаких интересных особенностей, зато после нанесения раствора сосуды стали видны. Аналогично ученые показали возможность применения раствора для визуализации органов в брюшной полости мыши. Прозрачный живот мыши позволил им напрямую наблюдать за внутренними органами, включая печень, тонкую кишку, слепую кишку и мочевой пузырь, при этом не потребовалось никакое дополнительное оборудование. Кроме того, авторы отмечают, что эффект полностью обратим — достаточно смыть водой нанесенный раствор.
По словам ученых, несмотря на видимую эффективность нового метода, при его применении могут возникать некоторые сложности. В частности, для разных биологических тканей приходится тщательно подбирать нужную концентрацию тартразина. Впрочем, при помощи разработанной физической модели ученые надеются подобрать и более эффективные молекулы, чем тартразин.
Есть животные, которые умеют становиться прозрачными и без посторонней помощи. Например, так делают стеклянные лягушки.