Istraživači su razvili novi način da vide organe u telu tako što čine tkiva iznad njih transparentnim za vidljivu svetlost. Kontraintuitivni proces – lokalna primena boje bezbedne za hranu – bio je reverzibilan u testovima na životinjama, i na kraju se može primeniti na širok spektar medicinske dijagnostike, od lociranja povreda do praćenja digestivnih poremećaja do identifikacije karcinoma.
Istraživači sa Univerziteta Stanford objavili su istraživanje pod naslovom „Postizanje optičke transparentnosti kod živih životinja sa apsorbujućim molekulima“, u izdanju časopisa Science od 6. septembra 2024. godine.
„U budućnosti, ova tehnologija bi mogla da učini vene vidljivijima za vađenje krvi, da lasersko uklanjanje tetovaža učini jednostavnijim ili da pomogne u ranom otkrivanju i lečenju karcinoma“, rekao je Guosong Hong, docent nauke o materijalima i inženjeringu Univerziteta Stanford, koji je pomogao u vođenju ovog posla.
„Na primer, određene terapije koriste lasere za eliminaciju ćelija raka i prekanceroza, ali su ograničene na područja blizu površine kože. Ova tehnika može da poboljša prodiranje svetlosti.“
Da bi savladali novu tehniku, istraživači su razvili način da predvide kako svetlost reaguje sa obojenim biološkim tkivima.
Ta predviđanja su zahtevala duboko razumevanje rasejanja svetlosti, kao i procesa prelamanja, gde svetlost menja brzinu i savija se dok putuje iz jednog materijala u drugi.
Rasipanje je razlog zbog kojeg ne možemo da vidimo kroz naše telo: masti, tečnosti u ćelijama, proteini i drugi materijali imaju različit indeks prelamanja, svojstvo koje diktira koliko će se svetlosni talas koji dolazi savijati.
U većini tkiva, ti materijali su blisko sabijeni zajedno, tako da različiti indeksi prelamanja uzrokuju raspršivanje svetlosti dok prolazi kroz njih. To je efekat rasejanja koji naše oči tumače kao neprozirne, obojene, biološke materijale.
Istraživači su shvatili da ako žele da biološki materijal učine transparentnim, morali su da pronađu način da upare različite indekse prelamanja kako bi svetlost mogla nesmetano da putuje.
Nadovezujući se na fundamentalne uvide iz oblasti optike, istraživači su shvatili da boje koje su najefikasnije u apsorbovanju svetlosti takođe mogu biti veoma efikasne u ravnomernom usmeravanju svetlosti kroz širok spektar indeksa prelamanja.
Jedna boja za koju su istraživači predvideli da će biti posebno efikasna bila je tartrazin, boja za hranu poznatija kao FD & C Iellov 5. Ispostavilo se da su bile tačne: kada se rastvore u vodi i apsorbuju u tkiva, molekuli tartrazina su savršeno strukturirani tako da odgovaraju prelamanju indeksi i sprečavaju rasipanje svetlosti, što rezultira transparentnošću.
Istraživači su prvo testirali svoja predviđanja sa tankim kriškama pilećih prsa. Kako su se koncentracije tartrazina povećavale, indeks prelamanja tečnosti u mišićnim ćelijama je rastao sve dok nije odgovarao indeksu prelamanja mišićnih proteina – presek je postao providan.
Zatim su istraživači nežno utrljali privremeni rastvor tartrazina na miševe. Prvo su rastvor naneli na kožu glave, čineći kožu providnom da bi se otkrili krvni sudovi koji se protežu kroz mozak. Zatim su rastvor naneli na stomak, koji je izbledeo za nekoliko minuta da bi pokazao kontrakcije creva i pokrete izazvane otkucajima srca i disanjem.
Tehnika je rešila karakteristike na skali od mikrona, pa čak i poboljšala posmatranja mikroskopom. Kada je boja isprana, tkiva su se brzo vratila u normalnu neprozirnost. Čini se da tartrazin nije imao dugoročne efekte, a svaki višak se izlučio u otpad u roku od 48 sati.
Istraživači sumnjaju da bi ubrizgavanje boje trebalo da dovede do još dubljih pogleda unutar organizama, sa implikacijama i na biologiju i medicinu.
Projekat je započeo kao istraga o tome kako mikrotalasno zračenje reaguje sa biološkim tkivima.
Istražujući udžbenike iz optike iz 1970-ih i 1980-ih, istraživači su pronašli dva ključna koncepta: matematičke jednačine nazvane Kramers-Kronigovi odnosi i fenomen koji se zove Lorencova oscilacija, gde elektroni i atomi rezonuju unutar molekula dok fotoni prolaze kroz njih.
Dobro proučavani više od jednog veka, ali nisu primenjeni na medicinu na ovaj način, alati su se pokazali idealnim za predviđanje kako određena boja može povećati indeks prelamanja bioloških tečnosti kako bi savršeno odgovarala okolnim mastima i proteinima.
Diplomirani istraživač Nick Rommelfanger, koji je radio u okviru NSF Graduate Research Fellovship, bio je jedan od prvih koji je shvatio da iste modifikacije koje čine materijale transparentnim za mikrotalasne pećnice mogu biti prilagođene tako da utiču na vidljivi spektar, sa potencijalnom primenom u medicini.
Prelazeći sa teorije na eksperimentisanje, postdoktorski istraživač Zihao Ou – vodeći autor studije – naručio je brojne jake boje i započeo proces pomne procene svake od njih za idealne optičke osobine.
Na kraju, tim je porastao na 21 studenta, saradnika i savetnika, uključujući nekoliko analitičkih sistema.
Jedan koji se pokazao kritičnim bio je decenijama star elipsometar smešten među novijom opremom u zajedničkim objektima na Stenfordu, delu NSF Nacionalne infrastrukture koordinisane nanotehnologije (NNCI).
Elipsometar je alat poznat proizvodnji poluprovodnika, a ne biologiji. Međutim, u prvom mogućem slučaju za medicinu, istraživači su shvatili da je savršeno da se predvide optička svojstva njihovih ciljnih boja.
„Napredni istraživački objekti stalno imaju za cilj postizanje prave ravnoteže pružanjem pristupa osnovnim alatima i stručnosti, dok istovremeno stvaraju prostor za novije, veće i moćnije instrumente“, rekao je službenik NSF programa Richard Nash, koji nadgleda NSF NNCI.
„Iako bi osnovni radni konj, kao što je elipsometar, retko dospeo na naslovne strane, on ipak može da igra ključnu ulogu kada se koristi za atipičnu upotrebu kao što je slučaj ovde. Otvoreni pristup takvim instrumentima je osnova za donošenje revolucionarnih otkrića, jer se ti instrumenti mogu primeniti u nove načine za generisanje fundamentalnih uvida o naučnim fenomenima“.
Sa metodama zasnovanim na fundamentalnoj fizici, istraživači se nadaju da će njihov pristup pokrenuti novu oblast proučavanja koja usklađuje boje sa biološkim tkivima na osnovu optičkih svojstava, što potencijalno dovodi do širokog spektra medicinskih primena.
„Kao stručnjak za optičare, zadivljen sam kako su toliko dobili od iskorišćavanja odnosa Kramers-Konig“, rekao je programski službenik NSF-a Adam Vak, koji je podržao Hongov rad.
„Svaki student optike uči o njima, ali ovaj tim je koristio jednačine da bi otkrio kako jako upijajuća boja može učiniti kožu transparentnom… znanje se može koristiti za stvaranje novih tehnologija, uključujući i biomedicinu.“
