Исследователи из Стэнфордского университета представили революционную методику, позволяющую сделать человеческие ткани прозрачными для видимого спектра света. Эта инновация может значительно улучшить диагностику в медицине, включая идентификацию травм, мониторинг пищеварительной системы и обнаружение раковых опухолей.
Технология основывается на локальном применении безопасного красителя, который показал обратимые свойства в экспериментах на животных. Исследования, опубликованные в журнале Science, описывают подход, включающий прогнозирование взаимодействия света с окрашенными биологическими тканями.
«Перспективы этой технологии включают улучшение видимости вен для взятия крови, упрощение удаления татуировок лазером и содействие раннему обнаружению и лечению рака», — заявил доцент кафедры материаловедения и инженерии Стэнфордского университета Госонг Хонг, участвовавший в руководстве проектом.
Учёные разработали метод предсказания взаимодействия света с окрашенными биологическими тканями, требующий глубокого понимания светорассеяния и преломления. Они обнаружили, что красители, наиболее эффективно поглощающие свет, могут одинаково успешно направлять свет через разнообразные показатели преломления.
«Некоторые методы лечения используют лазеры для уничтожения раковых и предраковых клеток, но они ограничены поверхностными областями кожи. Наша техника может улучшить проникновение света», — отметил Хонг.
Одним из красителей, показавших высокую эффективность, оказался тартразин, известный как пищевой краситель FD & C Yellow 5. Растворённый в воде и поглощённый в ткани, тартразин идеально структурируется, адаптируясь к показателям преломления и предотвращая рассеивание света, что обеспечивает прозрачность тканей.
В экспериментах с тонкими срезами куриной грудки и мышами, нанесение раствора тартразина на кожу головы мышей привело к её прозрачности, позволяя видеть кровеносные сосуды мозга. Аналогичные результаты были достигнуты при нанесении раствора на живот мышей, что позволило наблюдать работу кишечника и движения, вызванные сердцебиением и дыханием.
Методика позволила добиться микрометровой точности разрешения и улучшения микроскопических наблюдений. Спустя время, после смывания красителя, ткани быстро возвращались в своё обычное состояние непрозрачности. Тартразин не демонстрировал долгосрочных эффектов и удалялся из организма в течение 48 часов.
Исследователи считают, что применение этого красителя предоставит более глубокое понимание биологических организмов, что важно для биологии и медицины. Изначально проект исследовал взаимодействие микроволнового излучения с биологическими тканями, но привел к разработке новой технологии с широким набором медицинских приложений.
Опираясь на фундаментальные принципы физики, учёные надеются, что их метод откроет новые горизонты в исследованиях взаимодействия красителей с биологическими тканями, что может привести к широкому спектру медицинских нововведений.
«Научные учреждения стремятся балансировать между обеспечением доступа к базовым инструментам и открытием пространства для новых, более мощных приборов. Простой эллипсометр редко привлекает внимание, но его использование в новых направлениях может привести к прорывным открытиям», — сказал Ричард Нэш, руководитель программы NSF, курирующий NSF NNCI.
«Как специалист по оптике, я впечатлён тем, как исследователи эффективно использовали теорему Крамерса-Кенига. Каждый студент-оптик знает о ней, но эта команда применила уравнения, чтобы показать, как сильно поглощающий краситель может сделать кожу прозрачной. Хонгу удалось начать новую смелую научную ветвь, что демонстрирует, как фундаментальные знания об оптике могут быть использованы для разработки новых медицинских технологий», — отметил Адам Вакс, курирующий работу Хонга.
Источник: iXBT
