Jedną z trudności podczas próby obrazowania tkanki biologicznej za pomocą technik optycznych jest rozpraszanie światła przez tkankę, co czyni ją nieprzezroczystą. Rozpraszanie to występuje, ponieważ składniki tkanki, takie jak woda i lipidy, mają różne współczynniki załamania światła, co ogranicza głębokość, na jaką światło może przenikać. W doświadczeniu przeprowadzonym przez zespół badawczy kierowany przez dr. Zihao Ou, dr. Marka Brongersmę i prof. Guosong Honga wykorzystano popularny barwnik spożywczy – tartrazynę – która ma żółto-czerwony kolor. Wcierano ją w brzuch, skórę głowy i kończyny tylne żywych myszy. Absorbując światło w niebieskiej części widma, barwnik zmienił współczynnik załamania światła wody w obszarach przy długościach fal czerwonego światła tak, że był on bardziej zbliżony do współczynnika lipidów w tej części widma. Skutecznie zmniejszyło to kontrast współczynnika załamania światła między wodą a lipidami i pozwoliło tkance biologicznej wydawać się bardziej przezroczystą przy tej długości fali, choć zabarwioną na czerwono. W ten sposób naukowcy byli w stanie wizualizować narządy wewnętrzne, takie jak wątroba, jelito cienkie i pęcherz moczowy, przez skórę, bez konieczności przeprowadzania operacji. Byli nawet w stanie obserwować neurony jelitowe znakowane białkiem fluorescencyjnym w jamie brzusznej i monitorować ruchy tych komórek nerwowych. Umożliwiło im to wygenerowanie map pokazujących różne wzorce ruchu w jelitach podczas trawienia. Byli również w stanie zobaczyć przepływ krwi w mózgach gryzoni i drobną strukturę włókien sarkomerowych mięśni w ich tylnych kończynach. Metoda jest prosta – skóra staje się przezroczysta w ciągu zaledwie kilku minut, a efekt można odwrócić, po prostu spłukując barwnik.

Jak dotąd to badanie „optycznego oczyszczania” zostało przeprowadzone tylko na zwierzętach, ale jeśli zostanie rozszerzone na ludzi, może przynieść wiele korzyści w biologii, diagnostyce, a nawet kosmetyce. Rzeczywiście, technika ta może sprawić, że niektóre rodzaje inwazyjnych biopsji przejdą do historii. – Na przykład lekarze mogliby być w stanie zdiagnozować głęboko osadzone guzy, po prostu badając tkankę danej osoby bez konieczności inwazyjnego usuwania chirurgicznego. Potencjalnie może to sprawić, że pobieranie krwi będzie mniej bolesne, pomagając łatwo zlokalizować żyły pod skórą, a także może usprawnić procedury, takie jak laserowe usuwanie tatuaży, umożliwiając bardziej precyzyjne celowanie w pigment pod skórą. Gdybyśmy mogli po prostu spojrzeć na to, co dzieje się pod skórą, zamiast ją przecinać lub używać promieniowania, aby uzyskać niezbyt wyraźny wygląd, moglibyśmy zmienić sposób, w jaki postrzegamy ludzkie ciało – wyjaśnia prof. Hong.

Współpraca naukowców rozpoczęła się od przypadkowej rozmowy, którą Hong odbył z Brongersmą w kawiarni na kampusie Stanforda latem 2021 r. – Laboratorium Marka specjalizuje się w nanofotonice, podczas gdy moje laboratorium koncentruje się na nowych strategiach poprawy obrazowania głębokich tkanek aktywności neuronalnej i dostarczania światła do optogenetyki. W tym czasie jeden z moich doktorantów, Nick Rommelfanger, pracował nad zastosowaniem relacji Kramersa-Kroniga do badania interakcji mikrofalowo-mózgowych. W międzyczasie mój postdoc Zihao Ou systematycznie badał różne cząsteczki barwników, aby zrozumieć ich interakcje ze światłem – opowiada prof. Hong. Tartrazyna okazała się głównym kandydatem. Barwnik ten wykazywał intensywną absorpcję w widmie bliskim ultrafioletowi/niebieskiemu (a tym samym silne wzmocnienie współczynnika załamania światła w widmie czerwonym), minimalną absorpcję powyżej 600 nm, wysoką rozpuszczalność w wodzie i doskonałą biokompatybilność, ponieważ jest to barwnik spożywczy zatwierdzony przez FD&C (Federal Food, Drug, and Cosmetic Act, FFDCA, FDCA, FD&C – akt prawny uchwalony przez Kongres Stanów Zjednoczonych w 1938 r. dający Agencji Żywności i Leków prawo nadzorowania bezpieczeństwa żywności, leków i kosmetyków).

– Zdaliśmy sobie sprawę, że relacje Kramersa-Kroniga można zastosować do absorpcji rezonansowej cząsteczek barwnika, co skłoniło mnie do zapytania Marka o możliwość dopasowania współczynnika załamania światła w tkankach biologicznych w celu zmniejszenia rozpraszania światła. W ciągu ostatnich trzech lat oba nasze laboratoria przeprowadziły wiele owocnych dyskusji, a ekscytujące wyniki znacznie przekroczyły nasze początkowe oczekiwania – wyjaśnia prof. Hong. Naukowcy twierdzą, że obecnie koncentrują się na identyfikacji innych cząsteczek barwnika o większej skuteczności w osiąganiu przezroczystości tkanek. Ponadto badają metody endogennej ekspresji intensywnie pochłaniających cząsteczek przez komórki, umożliwiając genetycznie zakodowaną przezroczystość tkanek u żywych zwierząt.