Первый шаг к человеку-невидимке: ученые сделали ткани прозрачными с помощью пищевого красителя

«Мы нанесли желтый краситель, молекулы которого поглощают большую часть света, особенно синего и ультрафиолетового, на кожу, которая является рассеивающей средой. По отдельности эти два вещества препятствуют проникновению большей части света через них. Но когда мы соединили их, нам удалось добиться прозрачности кожи мыши», — объясняет доктор Цзыхао Оу, доцент кафедры физики Техасского университета в Далласе, который является ведущим автором исследования.

«Для тех, кто понимает фундаментальную физику, стоящую за процессом, это объяснимо; но, если вы с ней не знакомы, это покажется фокусом», — говорит Оу.

«Волшебство» происходит потому, что растворение светопоглощающих молекул в воде изменяет показатель преломления раствора — показатель того, как вещество преломляет свет, — таким образом, что он соответствует показателю преломления компонентов тканей, таких как липиды. Ткань, содержащая жидкости и липиды, становится прозрачной при добавлении красителя, потому что преломление света жидкостями совпадает с преломлением света липидами. По сути, молекулы красителя уменьшают степень рассеивания света в тканях кожи, как будто рассеивая туман.

В экспериментах с мышами исследователи втирали воду и раствор красителя в кожу черепа и живота животных. После того, как краситель проникал в кожу, кожа становилась прозрачной и приобретала оранжевый оттенок. Процесс обратим: если смыть остатки красителя, кожа снова становится непрозрачной. Если его не смывали, то эффект длился около 10–20 минут — и кожа возвращалась в исходное состояние. Краситель, проникший в кожу, метаболизируется и выводится с мочой.

«Прозрачность появляется через несколько минут, — говорит Оу. — Это похоже на то, как работает крем или маска для лица: время начала действия зависит от того, насколько быстро молекулы проникают в кожу».

Сквозь прозрачную кожу черепа исследователи наблюдали за кровеносными сосудами на поверхности мозга. В брюшной полости они наблюдали за внутренними органами и перистальтикой — сокращениями мышц, которые перемещают содержимое по пищеварительному тракту.

Технология позволяет сделать ткани прозрачными только на глубину около 3 миллиметров, поэтому в настоящее время ее практическое применение для более толстых тканей и крупных животных ограничено. Исследователи пока не тестировали этот процесс на людях, чья кожа примерно в 10 раз толще мышиной. На данный момент неясно, какая дозировка красителя или метод доставки потребуются для проникновения через всю толщину кожи, объясняет Оу.

При выборе вещества для опытов команда исследовала более 20 различных синтетических красителей, прежде чем остановиться на тартразине, также известном как Yellow №5. Яркий лимонно-желтый краситель часто используется для приготовления чипсов оранжевого или желтого цвета, глазури для конфет и других пищевых продуктов.

Управление по контролю за продуктами и лекарствами США сертифицировало девять красящих добавок, в том числе тартразин, для использования в пищевых продуктах. В ряде европейских стран тартразин был запрещен к использованию в качестве пищевого красителя, но запрет был позже снят. В России тартразин является разрешенной пищевой добавкой, но продукты питания, в которых он присутствует, необходимо снабжать предупредительной надписью, в которой указывается возможное отрицательное влияние на активность и внимание детей. Вещество имеет строгие ограничения на количество, используемое в продуктах, и в редких случаях может вызвать аллергическую реакцию в виде сыпи.

Ученые считают, что поскольку тартразин является пищевым красителем, его можно безопасно использовать на живых мышах. «Важно, чтобы краситель был биосовместимым — безопасным для живых организмов, — говорит Оу. — Кроме того, он очень недорогой и эффективный: его не нужно слишком много для работы».

Метод дает огромное преимущество по сравнению с другими существующими методами придания ткани прозрачности, которые не подходят для живых животных и часто подразумевают использование химикатов для изменения показателя преломления или даже полное удаление фрагментов ткани. Ученые надеются, что методика поспособствует прогрессу биомедицинских исследований и оптической визуализации.

«Оптическое оборудование, такое как микроскоп, напрямую не используется для изучения живых людей или животных, потому что свет не может проходить через живые ткани. Но теперь, когда мы можем сделать ткани прозрачными, это позволит нам увидеть более подробную динамику. Это произведет революцию в существующих оптических исследованиях в биологии», — считает Оу.

«В медицине у нас сейчас есть ультразвук, позволяющий глубже заглянуть внутрь живого тела, — говорит Оу. — Многие медицинские диагностические платформы очень дороги и недоступны широкой аудитории, но платформы, основанные на наших технологиях, такими быть не должны».

Хотя новая техника, названная «оптическое очищение тканей», далека от испытаний на людях, возможно, когда-нибудь она сможет предложить способ просмотра и мониторинга травм или заболеваний без необходимости применения инвазивной хирургии или специализированного оборудования для визуализации. Ученые предполагают, что метод потенциально может помочь в раннем выявлении рака кожи и сделать удаление татуировок с помощью лазера более простым. Оптическое очищение также может сделать вены более заметными для забора крови или введения жидкостей через иглу, особенно у пожилых пациентов с венами, которые трудно обнаружить.

Исследователи подали заявку на патент на эту технологию. Следующие шаги исследования будут включать в себя понимание того, какая дозировка красителя может наилучшим образом работать в тканях человека. Кроме того, исследователи экспериментируют с другими веществами, в том числе с синтетическими, которые могут работать более эффективно, чем тартразин.

Внимание! Эта техника не была протестирована на людях. Красители могут быть вредными. Всегда соблюдайте осторожность с красителями и не употребляйте их непосредственно в пищу, не наносите их на людей или животных и не используйте иным образом не по назначению.