Вчені зі Стенфордського університету розробили інноваційний метод, який дозволяє зробити тканини людського тіла прозорими для видимого світла. Цей прорив може спричинити значний прогрес у медичній діагностиці, включаючи виявлення травм, моніторинг розладів травлення та виявлення ракових захворювань.
Нова технологія заснована на місцевому нанесенні безпечного барвника, який виявився оборотним у випробуваннях на тваринах. Дослідники зі Стенфордського університету опублікували результати в журналі Science, де вони описали свій підхід, який включає прогнозування взаємодії світла з пофарбованими біологічними тканинами.
“У перспективі ця технологія може зробити вени помітнішими для забору крові, спростити видалення татуювань за допомогою лазера або допомогти в ранньому виявленні та лікуванні раку”, – сказав доцент кафедри матеріалознавства та інженерії Стенфордського університету Госонг Хонг, який допомагав керувати цією роботою.
Дослідники розробили спосіб прогнозування взаємодії світла з забарвленими біологічними тканинами, який потребує глибокого розуміння розсіювання світла та процесу заломлення. Вони виявили, що барвники, які найбільше ефективно поглинають світло, також можуть бути дуже ефективними в рівномірному напрямку світла через широкий діапазон показників заломлення.
«Наприклад, деякі методи лікування використовують лазери для усунення ракових та передракових клітин, але обмежуються областями поблизу поверхні шкіри. Ця техніка може покращити проникнення методу», – зазначив Хонг.
Одним з барвників, який, за прогнозами дослідників, повинен був виявитися особливо ефективним, виявився тартразин, харчовий барвник, більш відомий як FD & C Yellow 5. розсіювання світла, що забезпечує прозорість.
Дослідники перевірили свої передбачення на тонких скибочках курячої грудки та мишах. Вони виявили, що при нанесенні розчину тартразину на шкіру голови мишей вона стає прозорою, що дає змогу бачити кровоносні судини мозку. Аналогічний результат був отриманий при нанесенні розчину на живіт мишей, що дозволило спостерігати скорочення кишечника та рухи, спричинені серцебиттям та диханням.
Методика дозволила дозволити особливості масштабу мікрометрів і навіть поліпшити мікроскопічні спостереження. Коли барвник був змитий, тканини швидко повернулися до нормальної непрозорості. Тартразин, схоже, у відсутності довгострокових ефектів, а можливий надлишок було виведено з відходами протягом 48 годин.
Дослідники підозрюють, що використання барвника має призвести до ще глибшого розуміння організмів, що матиме значення як біології, так медицини. Проект починався як дослідження взаємодії мікрохвильового випромінювання з біологічними тканинами, але в результаті призвів до розробки нової технології, яка може широке застосування в медицині.
Використовуючи методи, засновані на фундаментальній фізиці, дослідники сподіваються, що їх підхід започаткує новий напрям досліджень зі зіставлення барвників з біологічними тканинами на основі оптичних властивостей, що потенційно може призвести до широкого спектра медичних застосувань.
«Передові дослідні установи постійно прагнуть знайти правильний баланс, надаючи доступ до базових інструментів та експертних знань, одночасно звільняючи місце для нових, більших та потужніших приладів. Хоча така проста “робоча конячка”, як еліпсометр, рідко потрапляє в заголовки, вона, проте, може відіграти вирішальну роль при використанні з нетиповою метою, як у цьому випадку. Відкритий доступ до таких приладів є основним для здійснення новаторських відкриттів, оскільки їх можна використовувати по-новому, щоб генерувати фундаментальні ідеї про наукові явища», — сказав керівник програми NSF Річард Неш, який займається NSF NNCI.
Як фахівець з оптики, я вражений тим, як багато вони отримали, експлуатуючи взаємозв’язок Крамерса-Кеніга. Кожен студент-оптик знає про них, але ця команда використовувала рівняння, щоб з’ясувати, як поглинаючий барвник може зробити шкіру прозорою. Хонгу вдалося зробити крок у сміливому новому напрямку, що є чудовим прикладом того, як фундаментальні знання в галузі оптики можуть бути використані для створення нових технологій, у тому числі в біомедичній галузі», — сказав керівник програми NSF Адам Вакс, який займався роботою Хонга.