Ученые Стэнфордского университета создали новый способ сделать ткани человеческого тела прозрачными для видимого света.
Новая технология использует нанесение безопасного красителя, показавшего обратимость при испытаниях на животных. Учёные из Стэнфордского университета опубликовали результаты в журнале Science, где описали свой подход, включающий прогнозирование взаимодействия света с окрашенными биологическими тканями.
Технология может сделать вены более заметными для забора крови, упростить удаление татуировок лазером или помочь в раннем выявлении и лечении рака, — сообщил доцент кафедры материаловедения и инженерии Стэнфордского университета Госонг Хонг, принимавший участие в работе.
Разработчики нового способа прогнозирования взаимодействия света с окрашенными биологическими тканями полагаются на глубокое понимание рассеяния света и процесса преломления. Выяснилось, что красители, эффективно поглощающие свет, могут быть весьма эффективны в направленном рассеивании его через широкий диапазон показателей преломления.
Лазерные методы лечения могут уничтожать опухолевые и предраковые клетки, однако действуют преимущественно поверхностно.
Тартразин, пищевой краситель также известный как FD & C Yellow 5, по прогнозам исследователей должен был стать особенно эффективным красителем. При растворении в воде и впитывании в ткань 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. При нанесении раствора тартразина на кожу головы мышей она становилась прозрачной, что позволяло видеть кровеносные сосуды мозга. Аналогичный результат был получен при нанесении раствора на живот мышей, что позволило наблюдать сокращения кишечника и движения, вызванные сердцебиением и дыханием.
Методика позволила выявить особенности на масштабе микронных единиц и повысить качество микроскопических наблюдений. После удаления красителя ткани быстро восстановили свою обычную непрозрачность. Тартразин, вероятно, не оказывал долговременного воздействия, а возможный избыток выводился вместе с отходами в течение 48 часов.
Исследователи полагают, что применение красителя даст более глубокое знание организмов, полезное как для биологии, так и для медицины. Проект начался как изучение взаимодействия микроволнового излучения с биологическими тканями, но завершился разработкой новой технологии с широким применением в медицине.
Изучая законы физики, исследователи стремятся создать новое направление в науке, сравнивающее красители с биологическими тканями по оптическим характеристикам. Такой подход может открыть дорогу множеству медицинских достижений.
Ведущие исследовательские центры стараются найти оптимальное соотношение, предоставляя доступ к базовым инструментам и экспертизе, одновременно освобождая пространство для новых, более крупных и мощных приборов. Несмотря на то что простая «рабочая лошадка», как эллипсометр, редко становится новостной темой, в нестандартном применении она может иметь решающее значение. Открытый доступ к таким приборам важен для совершения научных открытий, так как их можно использовать по-новому для генерирования фундаментальных идей о явлениях науки.
Как специалист по оптике я поражён тем, сколько получили, эксплуатируя взаимосвязь Крамерса-Кенига. Каждый студент-оптик знает об этом, но 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.