Мечты научной фантастики становятся реальностью: ученые сделали прозрачную мышь

Иногда мечты научной фантастики становятся реальностью, даже если для этого нужно время. В этом случае понадобилось 127 лет, чтобы видение британского писателя Герберта Уэллса стало частичной реальностью. В своем романе «Человек-невидимка», опубликованном в 1897 году, Веллс описывает ученого, разрабатывающего сыворотку со, казалось бы, магическим свойством: он делает тело полностью прозрачным. Свет проходит сквозь него, как сквозь кусок стекла. Ученый становится невидимым.

Исследователи во главе с Зихао Усом и Марком Бронгерсмасом из Стэнфордского университета (штат Калифорния, США) еще никого не заставили полностью исчезнуть, но разработали сыворотку, которая делает кожу прозрачной в считанные минуты. Таким образом, ученые получили впечатляющее представление о внутренней части тела живых мышей – невооруженным глазом. Об этом рассказывает Die Zeit.

Особенностью их исследовательской работы, опубликованной в журнале Science, является то, что сыворотка состоит из красителя, растворенного в агарозном геле, который существует уже 140 лет: тартразин, также известный как Е102, придает желто-красноватый цвет, например, ликерам, плавленым. сырам, чипсам и многочисленным сладостям. Тартразин нетоксичный и растворимый в воде. Если смыть пасту с кожи, прозрачность снова исчезает.

Слева: депилированный живот и брюшная полость мыши для обработки пищевым красителем тартразином. Справа: вид кишечника и кровеносных сосудов через прозрачную кожу. Красная окраска на изображении – это не кровь, а краситель тартразин. Фото: Гуосонг Хонг/Стэнфордский университет

Можно также использовать в медицине

Филипп Келлер , нейробиолог из исследовательского кампуса Джанелии в Эшбурне (штат Вирджиния, США), специалист по оптическим методам визуализации, с энтузиазмом относится к новому методу и называет его «научным прорывом».

«Тот факт, что метод можно эффективно использовать в живых организмах, а также он обратен и очень прост в применении, делает его чрезвычайно полезным», — говорит ученый.

Он хочет использовать его для своих исследований в будущем.

Заглядываем внутрь тела мыши вживую: хорошо видны кровеносные сосуды и подвижный кишечник (белая стрелка). Фото: Гуосонг Хонг/Стэнфордский университет

Нейробиолог Али Эртюрк из Центра регенерации тканей им. Гельмгольца в Мюнхене тоже видит прогресс, хотя и не прорыв.

«Посредством этого метода можно работать на живых организмах, что является огромным преимуществом над имеющимися методами. Обычно ткани можно сделать прозрачными только вне тела или после смерти», — говорит он. Обратность прозрачности также позволяет проводить повторные исследования – «это очень важно для долгосрочных наблюдений».

Возможность заглянуть внутрь живых организмов открывает перед исследователями большие возможности – они могут наблюдать за развитием и работой клеток и органов вживую, изучать влияние фармакологических веществ на организм и визуализировать развитие болезней. Такие виды животных, как личинки зебр или нитчатые черви, являются популярными объектами изучения в науке, поскольку их тела обладают естественной прозрачностью. Посредством микроскопа исследователи могут наблюдать за клетками в реальном времени, как они делятся, мигрируют по телу и развиваются в органы.

Новая сыворотка прозрачности от Уса и Бронгерсмас неожиданно расширит этот диапазон. Но это еще не все — существуют также интересные медицинские применения для человека: врачи смогут обнаруживать сломанные кости, разорванные сухожилия, лопнутые кровеносные сосуды или опухоли — по крайней мере, небольшие и расположенные близко к поверхности. Невооруженным глазом, без вспомогательных средств, таких как ультразвук или рентген.

Как ткани становятся прозрачными

За эффектом прозрачности стоит сложная физика: всякий раз, когда лучи света попадают на границу раздела между двумя разными средами – например, при переходе из воды в воздух или из воды в жир – они преломляются или отражаются. Это явление знакомо нам с плавательных бассейнов: если держать палку в воде, она кажется изогнутой. Причина — вода имеет большую оптическую плотность, чем воздух, или, другими словами, ее коэффициент преломления выше. В случае с биологической тканью именно жировые и белковые мембраны клеток тела (высокий показатель преломления), окруженные водной лимфой и кровью (низший показатель преломления), затрудняют или даже полностью блокируют прохождение света. Вот почему ткани кажутся нам цветными или непрозрачными.

Чтобы достичь прозрачности, которую имел в виду писатель Герберт Уэллс для своего невидимого человека, необходимо иметь возможность сблизить показатели преломления двух разных сред и таким образом уменьшить эффект рассеяния света. Уже давно можно сделать биологические ткани прозрачными с помощью различных спиртов, включая глицерин, также известный как антифриз или высококонцентрированные растворы сахара (этот метод называется очищением тканей). Цель состоит в том, чтобы ввести химические вещества в ткань и использовать их для уменьшения показателя преломления клеток. Недостатком этого метода является то, что химические вещества обычно токсичны для организма. Поэтому с помощью методов очищения тканей, обычно используемых на сегодняшний день, можно анализировать ткани только мертвых животных или удалять живые ткани и обрабатывать их химическими веществами в чашке Петри. Еще один недостаток: глицерин и другие вещества также изменяют ткань, например, заставляя ее сжиматься, что может искажать результаты исследований.

Целью Уса и Бронгерсмаса было найти вещество, которое сделает ткань живого животного прозрачным, не причиняя ему вреда. Они выбрали противоположный подход: вместо того, чтобы снижать показатель преломления клеток, они хотели повысить показатель преломления окружающей среды. Чтобы найти подходящее вещество, они просмотрели старые учебники по оптике 1970-1980-х годов и наткнулись на математическое решение: так называемые соотношения Крамерса-Кронига и колебания Лоренца описывают, как электроны и атомы резонируют друг с другом, когда фотоны проходят сквозь молекулы. Это можно использовать для расчета того, какими физическими свойствами должно обладать вещество, чтобы добиться желаемого эффекта.

Вещество, которое помогает сделать кожу прозрачной

С этими математическими и физическими инструментами в кармане ученые отправились на поиски в базах данных. Зихао Усс отобрал несколько кандидатов и заказал несколько красителей, которые тестировали один за другим — сизифов труд. Тест состоял из ломтика тонко нарезанной сырой курицы, которую они посыпали веществами-кандидатами. В какой-то момент, когда они пропитали кусочек курицы раствором тартразина, он фактически стал прозрачным, а сетчатый узор позади него просвечивал сквозь него. Чудодейственная сыворотка была найдена!

Тартразин действительно является красителем. Он выглядит красным, потому что поглощает синий свет. Кажется контринтуитивным, что вещество, окрашивающее все вещи в красный цвет, может сделать кожу прозрачной, и, вероятно, именно поэтому никому не приходило в голову просто испытать ее с 1884 года, когда швейцарский химик впервые изготовил тартразин. Интересный факт: когда Герберт Уэллс писал «Человек-невидимку», чудодейственная сыворотка из его романа уже существовала в принципе.

Так что Усс и его коллеги имели горячего кандидата, но главное испытание было еще впереди: сделать с ее помощью живую мышь прозрачной. Исследователи депилировали мышей, обезболивали их и втирали тартразиновую пасту, растворенную в геле, в желудки спящих животных. Уже через десять минут они увидели потрясающее зрелище.

«Прозрачный живот позволил нам непосредственно наблюдать за кишечником. Печень, тонкий кишечник, аппендикс и мочевой пузырь», – пишут они в журнале Science.

Исследователи смогли увидеть через кожу невооруженным глазом пищеварение вживую — как мышцы кишечника расслабляются и снова сокращаются. Ученые также заглянули в задние лапы и головы животных и смогли увидеть тонкую структуру мышц и кровеносных сосудов в мозге.

Возможна ли «невидимая мышь»?

При поверхностном применении тартразиновый метод позволяет заглянуть в глубь ткани на несколько миллиметров, говорит Зихао Усс. Если вы хотите заглянуть еще глубже, вы можете ввести краситель внутрь ткани.

А что, если последовать примеру Герберта Уэллса? Что если ввести тартразин в кровь мыши? Могли бы мы создать невидимую мышь?

«Это замечательное предложение, но оно может иметь роковые последствия для животного и быть необратимым», — говорит Зихао Усс.

Тартразин также не полностью безвреден. В определенных концентрациях это вещество разрешено Европейским агентством по безопасности пищевых продуктов (Efsa) в качестве пищевого красителя. Однако тартразин может вызвать воспаление и аллергию. По этой причине его использование было строго ограничено в Германии в 1990-х годах, а в Норвегии тартразин даже запрещен.

В принципе, его также можно использовать на людях

Вот почему следует быть особенно осторожными при его использовании на людях, говорит Зихао Усс. Впрочем, он не сомневается, что на людях это будет работать.

Мы еще не тестировали тартразин на человеческих тканях. Кожа человека гораздо толще, чем у мышей, но лежащая в его основе фундаментальная физика та же, и мы уверены, что технология может быть использована и на людях», — говорит ученый. Однако исследователь предостерегает от самостоятельного воспроизведения сыворотки прозрачности в домашних условиях и нанесения ее, например, на кожу.

Нейробиолог Эртюрк также считает, что здесь еще много исследований.

"Нужны дальнейшие исследования токсичности, прежде чем это можно будет использовать на людях", — убежден он. К примеру, мы не знаем, что произойдет, если тартразин попадет в кровь. Эртюрк видит в новой технологии большой потенциал, но не понятно, действительно ли у тартразина какие-то преимущества над устоявшимися технологическими методами визуализации, такими как многофотонная микроскопия, ультразвук или КТ.

Может быть, невидимый человек не придет. Но невидимый палец или ступня – это уже нечто.

Больше новостей читайте на GreenPost.