Ученые намазали живот и лапку мыши красителем, который применяется в чипсах и мармеладках. И мышь стала прозрачной! Да, мы в курсе, что Шнобелевские премии уже вручили — но как о таком не написать?
Исследователи из Стэнфордского университета нашли простой способ сделать ткани живого организма прозрачными. Оказалось, что для этого достаточно натереть их пищевым красителем, который применяется в кукурузных чипсах, мармеладных мишках, газировке (например, в «Тархуне») и горчице. Подопытными в эксперименте стали мыши. Научный журналист и автор телеграм-канала «Лайфлонг муки» Илья Кабанов рассказывает, какие цели преследуют ученые этой необычной работой.
Почему наша кожа непрозрачна? Ищем объяснение в бурлящей воде и молоке
Биологам и медикам нужно заглядывать внутрь живых организмов, чтобы лучше понимать происходящие там процессы. Но сделать это очень сложно. Проблема в том, что кожа, как и многие другие ткани, непрозрачна, поскольку состоит из смеси воды, липидов (то есть жиров), белков и других молекул, которые рассеивают свет.
Именно рассеивание света, а не его поглощение окрашенными молекулами (вроде меланина или гемоглобина крови) — главная причина непрозрачности биологических тканей. В этом плане живые организмы похожи на воду с пузырьками: сами по себе вода и воздух прозрачны, но при их смешении — например, в бурном потоке — прозрачность теряется. Тот же эффект отвечает за белый цвет молока: вода и жиры, из которых оно состоит, сами по себе довольно прозрачны, но на границе между водой и капельками жира происходит рассеивание света, что и окрашивает жидкость.
Причина рассеивания в обоих примерах — то, что два вещества, не растворяющихся друг в друге, имеют разные показатели преломления, которые обозначают, как свет проходит через разные материалы или вещества. На месте контакта двух веществ с разными показателями преломления свет меняет направление. Если таких мест контакта много и они имеют сложную форму, материал становится непрозрачным. Жиры и белки в коже имеют больший, чем вода, показатель преломления света, поэтому на месте их контакта и происходит рассеивание. Именно это делает кожу непрозрачной.
Существующие методы визуализации биологических тканей, такие как рентген, компьютерная или магнитно-резонансная томография, принесли, безусловно, неоценимую пользу для исследований, но у них много недостатков. Например, они часто требуют неподвижной фиксации объекта, не позволяют использовать для визуализации флуоресцентные красители или обладают побочными эффектами вроде воздействия радиации. Не говоря о необходимом для процедур громоздком и дорогом оборудовании.
Зачем нужен эксперимент на мышах? Вообще-то, потенциальная польза огромна
Стэнфордская команда предложила новый подход к этой задаче: использовать красители с высоким коэффициентом поглощения света, чтобы сблизить показатели преломления в разных слоях кожи. То есть, по сути, уменьшить рассеивание света в тканях, сделав их прозрачными. Для экспериментов ученые выбрали водный раствор пищевого красителя тартразина (также известного как «желтый № 5» и E102), который нанесли на живот, голову и заднюю лапу живой мыши.
Тартразин хорошо пропускает красный и желтый свет, близкий к цвету кожи, поглощая при этом большую часть света в ближнем ультрафиолетовом и синем спектрах. Кроме того, краситель отлично растворяется только в воде, но не в жирах. Как оказалось, сочетание этих свойств позволяет тартразину избирательно увеличить показатель преломления именно водорастворимой части биологических тканей, приблизив его к жирам, и таким образом радикально снизить рассеивание света в тканях.
В результате исследователи смогли без какого-либо специального оборудования увидеть внутренние органы грызуна: печень, кишечник, мочевой пузырь и кровеносные сосуды. Глубина проникновения составила около трех миллиметров, что пока ограничивает применение технологии для организмов с более толстыми тканями.
Вскоре после того, как экспериментаторы смыли раствор, кожа мышей вновь стала непрозрачной. Когда раствор красителя не смывали с кожи, она возвращалась в нормальное состояние через 10-20 минут, так что метод не вызывает необратимых изменений.
По словам специалиста по биофотонике из Имперского колледжа Лондона Кристофера Роулендса, работа стэнфордских ученых революционна: обычно в оптике исследователи фокусируются на улучшении видимости в тканях на 20–50 процентов, но теперь границы допустимого сдвинулись на порядок.
Если новый метод окажется безопасным для людей, его можно будет применять, например, для раннего выявления рака кожи, упрощения процесса забора крови у пациентов с трудноразличимыми венами и ускорения лазерного удаления татуировок, считают исследователи.
Несмотря на принципиально новый подход с использованием красителей, ученые давно экспериментируют с прозрачностью живых организмов. В частности, немецкие ученые уже несколько лет делают совершенно прозрачных мышей. Для этого они химически удаляют из организма животного все жиры и пигменты. В результате мышь становится похожа на пластиковую игрушку. Все органы и нервы остаются внутри, но они почти невидимы. Результат выглядит даже более впечатляюще, чем частично прозрачные «тартразиновые» мыши, но есть принципиальный минус — работает метод только на мертвых грызунах. Тем не менее исследователи считают, что и в таком виде метод может принести пользу для науки: в прошлом году они показали, как с помощью прозрачных мышей можно отслеживать развитие рака.
Впрочем, существуют и альтернативные способы сделать кожу прозрачной у еще живых организмов, в том числе людей. Правда, для этого нужны инъекции уже прозрачных материалов, например раствора глицерина и фруктозы. Эти молекулы уменьшают рассеивание света, но, как отмечают авторы стэнфордского эксперимента, делают это менее эффективно, чем тартразин.
Илья Кабанов
Фото на обложке: Robert F. Bukaty / AP / Scanpix / LETA