În cadrul unui nou studiu de pionierat, cercetătorii au făcut transparentă pielea de pe craniul şi abdomenul unor şoareci vii, aplicând pe zonele respective un amestec de apă şi un colorant alimentar obişnuit de culoare galbenă.
Pielea vie, la fel ca ceaţa, împrăştie lumina, motiv pentru care nu se poate vedea prin ea. Cel puţin până la experimentul revoluţionar al oamenilor de ştiinţă de la Stanford, care au reuşit să vadă prin pielea unui şoarece viu până la organele sale interne, prin simpla aplicare a unor molecule obişnuite de absorbţie a luminii.
Pentru această reuşită ei au folosit un colorant aprobat, tartrazina, de culoare galbenă, care se găseşte în mod obişnuit în alimente, printre alte câteva molecule care absorb lumina şi care prezintă efecte similare.
Publicată în revista Science, pe 5 septembrie, cercetarea detaliază modul în care aplicarea unei soluţii de colorant pe pielea unui şoarece într-un laborator a permis cercetătorilor să vadă, cu ochiul liber, prin piele până la organele interne ale animalului, fără a efectua o incizie. Şi, la fel de uşor cum s-a produs transparenţa, aceasta poate fi inversată, spun oamenii de ştiinţă.
„Imediat ce am clătit şi masat pielea cu apă, efectul a fost inversat în câteva minute”, a declarat Guosong Hong, profesor asistent de ştiinţa şi ingineria materialelor şi autor principal al lucrării. „Este un rezultat uimitor”,a precizat acesta într-un comunicat al universităţii.
Prin pielea transparentă a craniului, cercetătorii au observat direct vasele de sânge de pe suprafaţa creierului. În abdomen, ei au observat organele interne şi peristaltismul, contracţiile musculare care mişcă conţinutul (bolul alimentar) prin tractul digestiv, Credit prof. dr. Zihao Ou, septembrie 2024 .
„Am combinat colorantul galben, care este o moleculă ce absoarbe majoritatea luminii, în special lumina albastră şi ultravioletă, cu pielea, care este un mediu de împrăştiere. Individual, aceste două elemente blochează trecerea luminii, dar când le-am pus împreună, am reuşit să obţinem transparenţa pielii de şoarece”, a precizat la rândul său prof. dr. Zihao Ou, care, împreună cu colegii săi, a realizat studiul în timp ce era cercetător postdoctoral la Universitatea Stanford, înainte de a se alătura facultăţii UT Dallas din cadrul Şcolii de Ştiinţe Naturale şi Matematică în august.
„Pentru cei care înţeleg fizica fundamentală din spatele acestui lucru, are sens, dar dacă nu eşti familiarizat cu aceste noţiuni, reuşita arată ca un truc magic”, a glumit Ou.
„Magia” se produce deoarece dizolvarea moleculelor care absorb lumina în apă modifică indicele de refracţie al soluţiei - o măsură a modului în care o substanţă curbează lumina - într-un mod care se potriveşte cu indicele de refracţie al componentelor ţesutului, precum lipidele.
În esenţă, moleculele de colorant reduc gradul în care lumina se împrăştie în ţesutul pielii, ca disiparea unui banc de ceaţă.
Atunci când undele luminoase lovesc pielea, ţesutul le împrăştie, făcând-o să pară opacă şi netransparentă pentru ochi. Acest efect de împrăştiere provine din diferenţa dintre indicii de refracţie ai diferitelor componente ale ţesutului, cum ar fi apa şi lipidele.
Apa are, de obicei, un indice de refracţie mult mai mic decât lipidele în spectrul vizibil, ceea ce face ca lumina vizibilă să se împrăştie atunci când trece prin ţesutul care le conţine pe ambele.
În experimentele lor cu şoareci, cercetătorii au frecat soluţia de apă şi colorant pe pielea craniului şi abdomenului animalelor.
Pielea a devenit roşie, indicând faptul că o mare parte din lumina albastră a fost absorbită datorită prezenţei acestei molecule care absoarbe lumina. Această creştere a absorbţiei a modificat indicele de refracţie al apei la o lungime de undă diferită - în acest caz, roşu. Ca urmare a absorbţiei colorantului, indicele de refracţie al apei se potriveşte cu cel al lipidelor în spectrul roşu, ceea ce duce la reducerea împrăştierii şi face ca pielea să pară mai transparentă la lungimea de undă roşie.
Odată ce colorantul s-a difuzat complet în piele, aceasta a devenit transparentă. Procesul este reversibil prin îndepărtarea prin spălare a colorantului rămas. Colorantul care a difuzat în piele este metabolizat şi excretat prin urină.
„Este nevoie de câteva minute pentru ca transparenţa să apară”, a spus prof. dr. Ou. „Este similar cu modul în care funcţionează o cremă sau o mască facială: Timpul necesar depinde de cât de repede difuzează moleculele în piele”, a explicat cercetătorul american.
Cercetătorii au putut vedea, fără echipament special, organele interne funcţionale, inclusiv ficatul, intestinul subţire, cecumul şi vezica urinară. De asemenea, au putut vizualiza fluxul sanguin din creier şi structurile fine ale fibrelor musculare din membre.
Inima şoarecelui care bătea şi sistemul respirator activ au indicat că transparenţa a fost obţinută cu succes la animalele vii.
În plus, colorantul nu a modificat permanent pielea subiectului, iar transparenţa a dispărut imediat ce colorantul a fost clătit cu apă.
Cercetătorii consideră că aceasta este prima abordare neinvazivă pentru obţinerea vizibilităţii organelor interne vii ale unui şoarece.
„Este important ca colorantul să fie biocompatibil pentru a fi sigur pentru organismele vii. În plus, este foarte ieftin şi eficient; nu avem nevoie de foarte mult din el pentru a funcţiona”, a precizat dr. Ou.
Zonele transparente capătă o culoare portocalie, a explicat dr. Ou. Colorantul utilizat în soluţie este cunoscut sub denumirea de tartrazină roşie - colorantul alimentar FD&C Galben #5 - şi este frecvent utilizat în chipsurile de culoare portocalie sau galbenă, în învelişurile de bomboane şi alte alimente. Administraţia americană pentru alimente şi medicamente (FDA) a certificat nouă aditivi coloranţi - tartrazina fiind unul dintre aceştia - pentru utilizarea în alimente.
Cercetătorii nu au testat încă procesul pe oameni, a căror piele este de aproximativ 10 ori mai groasă decât cea a unui şoarece.
În acest moment, nu este clar ce doză de colorant sau ce metodă de livrare ar fi necesară pentru a penetra întreaga grosime a pielii umane, a precizat dr. Ou.
„În medicina umană, avem în prezent ultrasunete pentru a privi mai adânc în interiorul corpului viu”, a explicat dr. Ou. „Multe platforme de diagnosticare medicală sunt foarte scumpe şi inaccesibile pentru un public larg, dar platformele bazate pe această tehnologia nu ar trebui să fie”, a mai precizat el.
Viitorul potenţial al ţesuturilor transparente
Momentan, studiul a fost efectuat doar pe un animal. Dacă tehnică va putea fi transpusă la oameni, ar putea oferi o serie de beneficii biologice, de diagnosticare şi chiar cosmetice, au precizat autorii studiului.
De exemplu, în loc de biopsii invazive, testarea melanomului ar putea fi efectuată prin observarea directă a ţesutului unei persoane, fără a-l îndepărta. Această abordare ar putea, de asemenea, să înlocuiască unele radiografii şi scanări CT şi să facă prelevările de sânge mai puţin dureroase, ajutându-i pe flebotomişti să găsească cu uşurinţă venele.
Totodată, ar putea îmbunătăţi servicii precum îndepărtarea tatuajelor cu laser, ajutând la concentrarea fasciculelor laser exact acolo unde se află pigmentul sub piele.
„Acest lucru ar putea avea un impact asupra îngrijirii sănătăţii şi ar putea evita ca oamenii să fie supuşi unor tipuri de teste invazive”, a precizat Hong.
„Dacă ne-am putea uita la ceea ce se întâmplă sub piele, în loc să o tăiem sau să folosim radiaţii pentru a obţine o imagine mai puţin clară, am putea schimba modul în care vedem corpul uman”.
De asemenea, una dintre primele aplicaţii ale tehnicii va fi probabil îmbunătăţirea metodelor de cercetare existente în imagistica optică.
„Echipamentul optic, cum ar fi microscopul, nu este utilizat în mod direct pentru a studia oameni sau animale vii, deoarece lumina nu poate trece prin ţesuturile vii, dar acum că putem face ţesutul transparent, ne va permite să observăm o dinamică mai detaliată. Aceasta va revoluţiona complet cercetarea optică existentă în biologie”, a mai precizat dr. Ou.
Această cercetare reprezintă o nouă aplicare a unor ecuaţii vechi de zeci de ani care pot descrie relaţia dintre absorbţie şi indicele de refracţie, denumite relaţiile Kramers-Kronig. În plus faţă de acest colorant alimentar, alte câteva molecule care absorb lumina au demonstrat efecte similare, confirmând astfel caracterul generalizabil al fizicii care stă la baza acestui fenomen.
Experiment pentru acasă
National Science Foundation a creat un exerciţiu pentru adulţii care doresc să încerce experimentul Yellow #5 acasă folosind pui crud. Detaliile şi instrucţiunile pot fi consultate pe acest link.
Foto articol: Prof. dr. Zihao Ou, profesor asistent de fizică la UT Dallas, ţine un flacon de tartrazină, un colorant alimentar galben obişnuit, în soluţie. Într-un articol publicat online pe 5 septembrie în Science, Ou şi colegii săi raportează că au făcut transparentă în siguranţă pielea şoarecilor vii prin aplicarea soluţiei de colorant. Procesul este reversibil. Credit: Dr. Zihao Ou, 6 septembrie 2024.
