Gelbe Farbstofflösung macht Gewebe am lebenden Tier transparent
"Es wird die bisherige optische Forschung in der Biologie völlig revolutionieren"
In einer bahnbrechenden neuen Studie haben Forscher die Haut an den Schädeln und Bäuchen lebender Mäuse durchsichtig gemacht, indem sie eine Mischung aus Wasser und einem gelben Lebensmittelfarbstoff namens Tartrazin auf die betreffenden Stellen auftrugen.
Dr. Zihao Ou, Assistenzprofessor für Physik an der University of Texas in Dallas, hält ein Fläschchen mit dem gelben Lebensmittelfarbstoff Tartrazin in Lösung. In einem in der Zeitschrift "Science" veröffentlichten Artikel berichten Ou und seine Kollegen, dass sie die Haut an Schädel und Bauch von lebenden Mäusen durchsichtig gemacht haben, indem sie eine Mischung aus Wasser und Tartrazin auf diese Bereiche auftrugen.
University of Texas at Dallas
Dr. Zihao Ou, Assistenzprofessor für Physik an der University of Texas in Dallas, ist der Hauptautor der Studie, die in der Printausgabe der Zeitschrift Science vom 6. September veröffentlicht wurde .
Lebendige Haut ist ein streuendes Medium. Wie Nebel streut sie das Licht, weshalb man sie nicht durchschauen kann.
"Wir haben den gelben Farbstoff, ein Molekül, das das meiste Licht absorbiert, insbesondere blaues und ultraviolettes Licht, mit der Haut kombiniert, die ein Streumedium ist. Einzeln betrachtet, lassen diese beiden Dinge das meiste Licht nicht durch. Aber wenn wir sie zusammenbringen, können wir die Transparenz der Mäusehaut erreichen", sagte Ou, der die Studie zusammen mit Kollegen durchführte, während er als Postdoktorand an der Stanford University forschte, bevor er im August an die Fakultät für Naturwissenschaften und Mathematik der UT Dallas kam.
"Für diejenigen, die die grundlegenden physikalischen Zusammenhänge verstehen, macht es Sinn, aber wenn man damit nicht vertraut ist, sieht es wie ein Zaubertrick aus", sagte Ou.
Die "Magie" besteht darin, dass sich durch das Auflösen der lichtabsorbierenden Moleküle in Wasser der Brechungsindex der Lösung - ein Maß für die Art und Weise, wie eine Substanz das Licht beugt - in einer Weise ändert, die dem Brechungsindex von Gewebebestandteilen wie Lipiden entspricht. Im Wesentlichen verringern die Farbstoffmoleküle das Ausmaß, in dem Licht im Hautgewebe gestreut wird, ähnlich wie eine Nebelbank.
In ihren Experimenten mit Mäusen rieben die Forscher die Wasser- und Farbstofflösung auf die Haut von Schädel und Bauch der Tiere. Sobald der Farbstoff vollständig in die Haut eingedrungen war, wurde die Haut transparent. Der Prozess lässt sich durch Abwaschen der Farbstoffreste umkehren. Der in die Haut diffundierte Farbstoff wird verstoffwechselt und über den Urin ausgeschieden.
"Es dauert ein paar Minuten, bis die Transparenz auftritt", so Ou. "Es ist vergleichbar mit der Wirkung einer Gesichtscreme oder -maske: Die benötigte Zeit hängt davon ab, wie schnell die Moleküle in die Haut diffundieren."
Durch die transparente Haut des Schädels konnten die Forscher die Blutgefäße auf der Oberfläche des Gehirns direkt beobachten. Im Bauchraum beobachteten sie die inneren Organe und die Peristaltik, die Muskelkontraktionen, die den Inhalt durch den Verdauungstrakt bewegen.
Die transparenten Bereiche nehmen eine orangene Farbe an, so Ou. Der in der Lösung verwendete Farbstoff ist allgemein als FD&C Yellow #5 bekannt und wird häufig in orange- oder gelbfarbenen Snack-Chips, Süßigkeiten und anderen Lebensmitteln verwendet. Die Food and Drug Administration (FDA) hat neun Farbzusätze - darunter auch Tartrazin - für die Verwendung in Lebensmitteln zugelassen.
"Es ist wichtig, dass der Farbstoff biokompatibel ist, d. h. dass er für lebende Organismen sicher ist", so Ou. "Außerdem ist er sehr kostengünstig und effizient; wir brauchen nicht viel davon, um zu funktionieren.
Die Forscher haben das Verfahren noch nicht an Menschen getestet, deren Haut etwa zehnmal dicker ist als die einer Maus. Zu diesem Zeitpunkt ist noch nicht klar, welche Dosierung des Farbstoffs oder welche Verabreichungsmethode notwendig wäre, um die gesamte Hautdicke zu durchdringen, so Ou.
"In der Humanmedizin können wir derzeit mit Ultraschall tiefer in das Innere des lebenden Körpers blicken", so Ou. "Viele medizinische Diagnoseplattformen sind sehr teuer und für ein breites Publikum unzugänglich, aber Plattformen, die auf unserer Technologie basieren, sollten das nicht sein."
Ou sagte, dass eine der ersten Anwendungen der Technik wahrscheinlich darin bestehen wird, bestehende Forschungsmethoden in der optischen Bildgebung zu verbessern.
"Unsere Forschungsgruppe besteht hauptsächlich aus Akademikern, und als wir die Ergebnisse unserer Experimente sahen, dachten wir zuerst daran, wie dies die biomedizinische Forschung verbessern könnte", sagte er. "Optische Geräte wie Mikroskope werden nicht direkt zur Untersuchung von lebenden Menschen oder Tieren eingesetzt, da Licht nicht durch lebendes Gewebe dringen kann. Aber jetzt, wo wir Gewebe transparent machen können, wird es uns möglich sein, eine detailliertere Dynamik zu untersuchen. Das wird die bisherige optische Forschung in der Biologie völlig revolutionieren".
In seinem neuen Dynamic Bio-imaging Lab an der UTD wird Ou die Forschungen fortsetzen, die er zusammen mit Dr. Guosong Hong, Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen in Stanford und korrespondierender Autor der Studie, begonnen hat. Laut Ou werden die nächsten Forschungsschritte darin bestehen, herauszufinden, welche Dosierung des Farbstoffmoleküls im menschlichen Gewebe am besten funktioniert. Darüber hinaus experimentieren die Forscher mit anderen Molekülen, einschließlich künstlich hergestellter Materialien, die effizienter sein könnten als Tartrazin.
Die Studienautoren aus Stanford, darunter der Mitautor Dr. Mark Brongersma, der Stephen Harris Professor in der Abteilung für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen, wurden durch Zuschüsse von Bundesbehörden wie den National Institutes of Health, der National Science Foundation und dem Air Force Office of Scientific Research finanziert. Als interdisziplinärer Postdoktorand wurde Ou vom Wu Tsai Neuroscience Institute in Stanford unterstützt. Die Forscher haben ein Patent auf die Technologie angemeldet.
Dr. Zihao Ou
Dr. Zihao Ou erwarb einen Bachelor of Science in Physik an der University of Science and Technology of China und einen Doktortitel in Materialwissenschaft und -technik an der University of Illinois Urbana-Champaign. In seiner Doktorarbeit beschäftigte er sich mit der Elektronenmikroskopie, einer bildgebenden Technologie, bei der Elektronenstrahlen anstelle von Licht eingesetzt werden, um hochauflösende, vergrößerte Bilder von biologischen und nichtbiologischen Proben zu erzeugen.
"Ich kenne mich in meinem Fachgebiet sehr gut aus, aber nach meiner Promotion wollte ich etwas tun, das für mehr Menschen von Bedeutung ist, anstatt mich auf die Materialwissenschaft zu beschränken", sagte Ou. "Also beschloss ich, einige biologische Bildgebungsverfahren zu erlernen und meinen Hintergrund in Physik und Materialwissenschaft in die biomedizinische Wissenschaft einzubringen. Als Postdoc glaube ich, dass mein physikalischer Hintergrund eine einzigartige Perspektive für unsere biologische Bildgebungsforschung darstellt."
Ou sagte, er sei an die UT Dallas gekommen, um genau diese interdisziplinäre Erfahrung zu machen.
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Originalveröffentlichung
Zihao Ou, Yi-Shiou Duh, Nicholas J. Rommelfanger, Carl H. C. Keck, Shan Jiang, Kenneth Brinson, Su Zhao, Elizabeth L. Schmidt, Xiang Wu, Fan Yang, Betty Cai, Han Cui, Wei Qi, Shifu Wu, Adarsh Tantry, Richard Roth, Jun Ding, Xiaoke Chen, Julia A. Kaltschmidt, Mark L. Brongersma, Guosong Hong; "Achieving optical transparency in live animals with absorbing molecules"; Science, Volume 385
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