Мрії наукової фантастики стають реальністю: науковці зробили прозору мишу

Іноді мрії наукової фантастики стають реальністю, навіть якщо для цього потрібен час. У цьому випадку знадобилося 127 років, аби бачення британського письменника Герберта Веллса стало частковою реальністю. У своєму романі «Людина-невидимка», опублікованому в 1897 році, Веллс описує науковця, який розробляє сироватку зі, здавалося б, магічною властивістю: вона робить тіло повністю прозорим. Світло проходить крізь нього, як крізь шматок скла. Науковець стає невидимим.

Дослідники на чолі з Зіхао Усом та Марком Бронгерсмасом зі Стенфордського університету (штат Каліфорнія, США) ще нікого не змусили повністю зникнути, але розробили сироватку, яка робить шкіру прозорою за лічені хвилини. Таким чином, науковці отримали вражаюче уявлення про внутрішню частину тіла живих мишей — неозброєним оком. Про це розповідає Die Zeit.

Особливістю їхньої дослідницької роботи, яка була опублікована в журналі Science, є те, що сироватка складається з барвника, розчиненого в агарозному гелі, який існує вже 140 років: тартразин, також відомий як Е102, надає жовто-червонуватого кольору, наприклад, лікерам, плавленим сирам, чипсам і численним солодощам. Тартразин нетоксичний і розчинний у воді. Якщо пасту змити зі шкіри, прозорість знову зникає.

Можна також використовувати в медицині

Філіп Келлер, нейробіолог з дослідницького кампусу Джанелії в Ешбурні (штат Вірджинія, США), фахівець з оптичних методів візуалізації, з ентузіазмом ставиться до нового методу і називає його «науковим проривом».

«Той факт, що метод можна ефективно використовувати в живих організмах, а також він є зворотним і дуже простим у застосуванні, робить його надзвичайно корисним», — говорить науковець.

Він хоче використовувати його для власних досліджень у майбутньому.

Нейробіолог Алі Ертюрк із Центру регенерації тканин ім. Гельмгольца в Мюнхені також бачить прогрес, хоча і не прорив.

«За допомогою цього методу можна працювати на живих організмах, що є величезною перевагою над наявними методами. Зазвичай тканини можна зробити прозорими лише поза тілом або після смерті», — говорить він. Зворотність прозорості також дозволяє проводити повторні дослідження — «це дуже важливо для довгострокових спостережень».

Можливість зазирнути всередину живих організмів відкриває перед дослідниками великі можливості — вони можуть спостерігати за розвитком і роботою клітин і органів наживо, вивчати вплив фармакологічних речовин на організм і візуалізувати розвиток хвороб. Такі види тварин, як личинки зебр або нитчасті черви, є популярними об'єктами вивчення в науці, оскільки їхні тіла мають природну прозорість. За допомогою мікроскопа дослідники можуть спостерігати за клітинами в реальному часі, як вони діляться, мігрують по тілу і розвиваються в органи.

Нова сироватка прозорості від Уса та Бронгерсмаса несподівано розширить цей діапазон. Але це ще не все — існують також цікаві медичні застосування для людини: лікарі зможуть виявляти зламані кістки, розірвані сухожилля, лопнуті кровоносні судини чи навіть пухлини — принаймні невеликі й розташовані близько до поверхні. Неозброєним оком, без допоміжних засобів, як-от ультразвук чи рентген.

Як тканини стають прозорими

За ефектом прозорості стоїть складна фізика: щоразу, коли промені світла потрапляють на межу розділу між двома різними середовищами — наприклад, при переході з води в повітря чи з води в жир — вони заломлюються або відбиваються. Це явище знайоме нам із плавальних басейнів: якщо тримати палицю у воді, вона здається зігнутою. Причина — вода має більшу оптичну щільність, ніж повітря, або, інакше кажучи, її коефіцієнт заломлення вищий. У випадку з біологічною тканиною саме жирові та білкові мембрани клітин тіла (високий показник заломлення), оточені водною лімфою та кров'ю (нижчий показник заломлення), ускладнюють або навіть повністю блокують проходження світла. Ось чому тканини здаються нам кольоровими чи непрозорими.

Аби досягти прозорості, яку мав на увазі письменник Герберт Веллс для своєї невидимої людини, необхідно мати можливість зблизити показники заломлення двох різних середовищ і таким чином зменшити ефект розсіювання світла. Вже давно можна зробити біологічні тканини прозорими за допомогою різних спиртів, включаючи гліцерин, також відомий як антифриз, або висококонцентровані розчини цукру (цей метод називається очищенням тканин). Мета полягає в тому, щоб увести хімічні речовини в тканину й використовувати їх для зменшення показника заломлення клітин. Недоліком цього методу є те, що хімічні речовини зазвичай токсичні для організму. Тому за допомогою методів очищення тканин, які зазвичай використовуються на сьогодні, можна аналізувати тканини лише мертвих тварин або видаляти живі тканини й обробляти їх хімічними речовинами в чашці Петрі. Ще один недолік: гліцерин та інші речовини також змінюють тканину, наприклад, змушуючи її стискатися, що може спотворювати результати досліджень.

Метою Уса та Бронгерсмаса було знайти речовину, яка зробить тканину живої тварини прозорою, не завдаючи їй шкоди. Вони обрали протилежний підхід: замість того, щоби знижувати показник заломлення клітин, вони хотіли підвищити показник заломлення навколишнього водного середовища. Щоби знайти відповідну речовину, вони переглянули старі підручники з оптики 1970-1980-х років і натрапили на математичне рішення: так звані співвідношення Крамерса-Кроніга і коливання Лоренца описують, як електрони й атоми резонують один з одним, коли фотони проходять крізь молекули. Це можна використати для розрахунку того, якими фізичними властивостями повинна володіти речовина, щоб досягти бажаного ефекту.

Речовина, яка допомагає зробити шкіру прозорою

З цими математичними та фізичними інструментами в кишені науковці вирушили на пошуки в базах даних. Зіхао Ус відібрав кілька кандидатів і замовив кілька барвників, які тестував один за одним — сізіфова праця. Тест складався зі скибочки тонко нарізаної сирої курки, яку вони посипали речовинами-кандидатами. У якийсь момент, коли вони просочили шматочок курки розчином тартразину, він фактично став прозорим, а сітчастий візерунок позаду нього просвічувався крізь нього. Чудодійна сироватка була знайдена!

Тартразин насправді є барвником. Він виглядає червоним, бо поглинає синє світло. Здається контрінтуїтивним, що речовина, яка забарвлює всі речі в червоний колір, може зробити шкіру прозорою, й, імовірно, саме тому нікому не спадало на думку просто випробувати її з 1884 року, коли швейцарський хімік уперше виготовив тартразин. Цікавий факт: коли Герберт Уеллс писав «Людину-невидимку», чудодійна сироватка з його роману вже існувала в принципі.

Тож Ус і його колеги мали гарячого кандидата, але головне випробування було ще попереду: зробити з її допомогою живу мишу прозорою. Дослідники депілювали мишей, знеболювали їх і втирали тартразинову пасту, розчинену в гелі, в шлунки сплячих тварин. Вже через десять хвилин вони побачили вражаюче видовище.

«Прозорий живіт дозволив нам безпосередньо спостерігати за кишківником. Печінка, тонкий кишківник, апендикс і сечовий міхур», — пишуть вони в журналі Science.

Дослідники змогли побачити через шкіру неозброєним оком травлення наживо — як м'язи кишківника розслабляються і знову скорочуються. Науковці також заглянули в задні лапи й голови тварин і змогли побачити тонку структуру м'язів і кровоносних судин у мозку.

Чи можлива «невидима миша»?

При поверхневому застосуванні тартразиновий метод дозволяє зазирнути вглиб тканини на кілька міліметрів, каже Зіхао Ус. Якщо ви хочете зазирнути ще глибше, ви також можете ввести барвник всередину тканини.

А що, якщо піти за прикладом Герберта Уеллса? Що, якщо ввести тартразин у кров миші? Чи могли б ми створити невидиму мишу?

«Це чудова пропозиція, але вона може мати фатальні наслідки для тварини і бути незворотною», — каже Зіхао Ус.

Тартразин також не є повністю нешкідливим. У певних концентраціях ця речовина дозволена Європейським агентством з безпеки харчових продуктів (Efsa) як харчовий барвник. Однак тартразин може викликати запалення й алергію. З цієї причини його використання було суворо обмежено в Німеччині в 1990-х роках, а в Норвегії тартразин навіть заборонений.

В принципі, його також можна використовувати на людях

Ось чому слід бути особливо обережними при його використанні на людях, каже Зіхао Ус. Утім, він не сумнівається, що на людях це працюватиме.

«Ми ще не тестували тартразин на людських тканинах. Шкіра людини набагато товстіша, ніж у мишей, але фундаментальна фізика, що лежить в її основі, та сама, і ми впевнені, що технологія може бути використана і на людях», — говорить науковець. Однак дослідник застерігає від самостійного відтворення сироватки прозорості в домашніх умовах і нанесення її, наприклад, на шкіру.

Нейробіолог Ертюрк також вважає, що тут ще багато досліджень.

«Потрібні подальші дослідження токсичності, перш ніж це можна буде використовувати на людях», — переконаний він. Наприклад, ми не знаємо, що станеться, якщо тартразин потрапить у кров. Ертюрк вбачає в новій технології великий потенціал, але не зрозуміло, чи дійсно тартразин має якісь переваги над усталеними технологічними методами візуалізації, такими як багатофотонна мікроскопія, ультразвук або КТ.

Можливо, невидима людина не прийде. Але невидимий палець чи ступня — це вже щось.

Більше новин читайте на GreenPost.