Tartrazyna: Pokrycie myszy popularnym barwnikiem spożywczym sprawia, że ich skóra staje się przezroczysta.
5 wrzesień 2024
Dzięki subtelnemu efektowi żółty pigment obecny w chrupkach Cheetos umożliwia przechodzenie światła bezpośrednio przez tkanki.
Aby zobaczyć, co dzieje się pod skórą, lekarze muszą polegać na szeregu kosztownych technik obrazowania — rentgenie, ultrasonografii, rezonansie magnetycznym, endoskopii itd. Zespół naukowców zajmujących się materiałami odkrył jednak prostszy sposób zaglądania do wnętrza ciała — przynajmniej u myszy. Jak informują dziś w czasopiśmie Science, nałożenie powszechnie stosowanego pigmentu sprawia, że skóra zwierząt staje się tymczasowo przezroczysta, odsłaniając znajdujące się pod nią organy. (A jeśli ktoś wciąż ma apetyt: pigment ten jest jednym z barwników nadających chrupkom Cheetos ich charakterystyczny pomarańczowy kolor).
— To w pewnym sensie marzenie w naszej dziedzinie — mówi Hiroki Ueda, biolog z Uniwersytetu Tokijskiego, który nie brał udziału w badaniach. Choć technika ta jest daleka od zastosowania u ludzi, dodaje, może znaleźć natychmiastowe zastosowanie w badaniach naukowych.
Jak wie każde dziecko, które choć raz przyłożyło dłoń do latarki, światło sprawia, że palce świecą na czerwono, ale nie pozwala zobaczyć wyraźnego obrazu kości, mięśni czy naczyń krwionośnych. Dzieje się tak dlatego, że tkanki rozpraszają światło, przez co nie przechodzi ono prostą drogą od źródła.
To rozpraszanie wynika z faktu, że tkanki biologiczne są mieszaninami różnych materiałów. Każdy materiał przezroczysty ma tzw. współczynnik załamania światła, czyli stosunek prędkości światła w próżni do jego prędkości w danym materiale. W wodzie światło porusza się z prędkością około trzech czwartych tej w próżni, co daje współczynnik załamania równy 1,33. Powietrze ma współczynnik niewiele większy od jeden. Gdy światło przechodzi przez materiały o różnych współczynnikach załamania, jego tor ulega zakrzywieniu. To ta sama zasada, dzięki której soczewki w okularach skupiają światło na siatkówce oka.
W tkankach lipidy budujące błony komórkowe mają współczynnik załamania około 1,4 — wyższy niż otaczająca je woda. W efekcie komórki działają jak mnóstwo losowo ustawionych soczewek, które rozpraszają światło we wszystkich kierunkach. Istniejące metody potrafią uczynić tkanki — a nawet całe myszy — przezroczystymi poprzez usunięcie lipidów i pozostawienie wodnistego żelu, przez który światło przechodzi bez rozpraszania. Ponieważ jednak techniki te niszczą błony komórkowe, nie mogą być stosowane u żywych zwierząt.
Naukowiec zajmujący się materiałami, Guosong Hong z Uniwersytetu Stanforda, wraz ze współpracownikami zaproponował inne rozwiązanie. Zamiast usuwać lipidy, by dopasować współczynnik załamania próbki do wody, postanowili podnieść współczynnik załamania wody w tkance tak, by odpowiadał lipidom i wielu białkom. Obliczyli, że syntetyczny żółty barwnik o nazwie tartrazyna spowalnia światło dokładnie do odpowiedniej prędkości. Tartrazyna jest zatwierdzona przez amerykańską Agencję Żywności i Leków (FDA) i stosowana do barwienia wielu produktów spożywczych, m.in. Doritosów i napojów Kool-Aid, dlatego badacze zakładali, że będzie bezpieczna do użycia w tkankach biologicznych.
Zwykle dodanie barwnika do wody zmniejsza jej przezroczystość. W tym przypadku jednak barwnik jednocześnie pochłania światło niebieskie oraz spowalnia światło w taki sposób, że zmniejsza różnicę współczynników załamania między wodą a lipidami. W efekcie tkanka przepuszcza światło czerwone i pomarańczowe bez rozpraszania, stając się dla tych barw przezroczysta. Woda i lipidy „nadal są chemicznie różne, ale światło tego nie ‘widzi’ i może bardzo łatwo przez nie przenikać” — mówi Hong.
Gdy badacze ogolili myszy i wmasowali barwnik w ich nagą skórę, technika ta w ciągu zaledwie kilku sekund stworzyła pomarańczowo zabarwione, biologiczne „witrażowe okno” do wnętrza zwierząt. Nagle mogli obserwować bicie serca każdej myszy oraz pracę jej układu pokarmowego, przesuwającego pokarm przez jelita.
Za pomocą mikroskopu zespół Honga przyjrzał się także innym tkankom, w tym włóknom mięśniowym w ogolonej nodze myszy — czemuś, co zwykle można zobaczyć jedynie po wszczepieniu endoskopu przez skórę zwierzęcia. Badacze wtarli barwnik nawet w nagą skórę głowy myszy, czyniąc ją przezroczystą. Z pomocą ciemnoczerwonego barwnika fluorescencyjnego mogli obserwować aktywność neuronów w najbardziej zewnętrznych warstwach mózgu. (Czaszki myszy są naturalnie półprzezroczyste, ponieważ są bardzo cienkie). W przyszłości takie „okna” mogłyby pozwolić naukowcom obserwować, co dzieje się w mózgu, gdy mysz zachowuje się normalnie lub wykonuje określone zadania.
Po spłukaniu barwnika wodą naturalny kolor skóry powracał, a myszy żyły bez widocznych skutków ubocznych aż do momentu, gdy kilka tygodni później zostały uśmiercone.
Hong przyznaje, że technika ta wciąż ma swoje ograniczenia. Ponieważ „okna” mają pomarańczowy kolor, większość barwników fluorescencyjnych nie jest przez nie widoczna. Kolejnym problemem jest grubość tkanki. We wstępnych badaniach zespół Honga stwierdził, że wstrzyknięcie tartrazyny pod skórę może umożliwić obserwację głębiej położonych struktur. Wreszcie barwnik nie kompensuje obecności bogatej w żelazo hemoglobiny we krwi ani niektórych białek o współczynnikach załamania innych niż woda i lipidy, przez co te tkanki nie stają się przezroczyste.
Mimo to inni badacze w tej dziedzinie są podekscytowani potencjałem tej techniki. — Uważam to badanie za niezwykle intrygujące — mówi Ali Ertürk, neurobiolog z Uniwersytetu Ludwika i Maksymiliana w Monachium. Zaznacza jednak, że zanim metoda ta mogłaby być stosowana u ludzi lub w medycynie, naukowcy muszą lepiej zrozumieć, w jaki sposób organizm pozbywa się barwnika oraz czy korzyści tej techniki przeważają nad jej ryzykiem w porównaniu z innymi nieinwazyjnymi metodami, takimi jak ultrasonografia.
Hong dodaje, że jego laboratorium obecnie przeszukuje duże biblioteki cząsteczek, aby znaleźć takie, które pochłaniają światło ultrafioletowe, co pozwoliłoby zespołowi zobaczyć szerszy zakres barw pod żywą skórą. — To będzie niezwykle ekscytujące, gdy uda się znaleźć cząsteczki, które można dopasować do różnych zastosowań.
Źródło: Slathering mice in a common food dye turns their skin transparent
Zobacz na: Błąd w oprogramowaniu aparatury FMRI może skutkować podważeniem 15 lat badań nad mózgiem