Το πρώτο βήμα για να γίνουν οι άνθρωποι «αόρατοι»;

Ερευνητές ανέπτυξαν έναν νέο τρόπο να βλέπουν τα όργανα μέσα σε ένα σώμα, καθιστώντας τους υπερκείμενους ιστούς διαφανείς στο ορατό φως.

Η παράδοξη αυτή διαδικασία, που γίνεται με την τοπική εφαρμογή μιας βαφής ασφαλούς για κατανάλωση, ήταν αναστρέψιμη σε πειράματα με ζώα και μπορεί τελικά να εφαρμοστεί σε ένα ευρύ φάσμα ιατρικών διαγνωστικών, από τον εντοπισμό τραυματισμών έως την παρακολούθηση πεπτικών διαταραχών και εντοπισμού καρκίνων.

Οι ερευνητές του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ δημοσίευσαν την έρευνα «Επίτευξη ζωντανής οπτικής διαφάνειας σε ζώα με περιορισμένα μόρια» στο τεύχος της 6ης Σεπτεμβρίου 2024 του επιστημονικού περιοδικού Science .

«Στο μέλλον, αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε να κάνει τις φλέβες πιο ορατές για τη λήψη αίματος, να διευκολύνει την αφαίρεση τατουάζ με λέιζερ ή να βοηθήσει στην πρώτη ανίχνευση και θεραπεία καρκίνων», δήλωσε ο επίκουρος καθηγητής επιστήμης των υλικών και μηχανικής στο Στάνφορντ, Guosong Hong, υποψήφιος για το βραβείο CAREER του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών των ΗΠΑ, που ηγήθηκε αυτής της έρευνας. «Για παράδειγμα, ορισμένες θεραπείες ειδικών λέιζερ για την εξέταση καρκινικών και προκαρκινικών κυττάρων, αλλά περιορίζονται σε περιοχές κοντά στην επιφάνεια του δέρματος. Αυτή η τεχνική μπορεί να βελτιώσει τη διείσδυση του φωτός».

Μια φωτεινή λύση

Για να κατανοήσουν τη νέα τεχνική, οι ερευνητές ανέπτυξαν έναν τρόπο να προβλέπουν πώς το φως αλληλεπιδρά με βαμμένους βιολογικούς ιστούς.

Αυτές οι προβλέψεις απαιτούσαν βαθιά κατανόηση της σκέδασης του φωτός, καθώς και της διαδικασίας διάθλασης, όπου το φως αλλάζει ταχύτητα και κατεύθυνση καθώς ταξιδεύει από ένα υλικό σε άλλο.

Η σκέδαση είναι ο λόγος για τον οποίο δεν μπορούμε να δούμε μέσα από το σώμα μας: τα λιπαρά, τα υγρά μέσα στα κύτταρα, οι πρωτεΐνες και άλλα υλικά έχουν διαφορετικό δείκτη διάθλασης, μια ιδιότητα που καθορίζει πόσο έντονα θα αλλάξει την κατεύθυνση στο εισερχόμενο φως.

Στους περισσότερους ιστούς, αυτά τα υλικά είναι στενά συνδεδεμένα, με αποτέλεσμα οι διαφορετικοί δείκτες διάθλασης να προκαλέσουν σκέδαση του φωτός καθώς περνά μέσα από αυτά. Η σκέδαση αυτή κάνει το μάτι μας να αντιλαμβάνεται τα βιολογικά υλικά ως αδιαφανή και έγχρωμα.

Οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι, αν περνούσαν να κάνουν το βιολογικό υλικό, έπρεπε να βρουν έναν τρόπο να εξισώσουν τους διαφορετικούς δείκτες διάθλασης, ώστε το φως να μπορεί να ανεμπόδιστο.

Μια ανακάλυψη με χρήση Τατραζίνης

Εκμεταλλευόμενοι βασικές αρχές της οπτικής, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι οι βαφές που είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικές στην απορρόφηση φωτός μπορούν επίσης να είναι πολύ αποτελεσματικές στην κατεύθυνση του φωτός με τρόπο που να διατηρεί την ομοιομορφία σε ένα ευρύ φάσμα δεικτών διάθλασης.

Μια βαφή που οι ερευνητές πρόβλεψαν ότι ήταν πολύ αποτελεσματική ήταν η τατραζίνη, η οποία ήταν γνωστή και ως κίτρινη χρωστική τροφίμων FD & C Yellow 5. Η πρόβλεψή τους ήταν σωστή: όταν διαλύθηκε στο νερό και δεν είχε απορροφηθεί στους ιστούς, τα μύρια της τατραζίνης ήταν ιδανικά δομημένα για να εξισώνουν τους δείκτες διάθλασης και να εμποδίζουν τη σκέψη του φωτός, με αποτέλεσμα τη διαφάνεια.

Από τη θεωρία στην πράξη

Οι ερευνητές πρώτα δοκίμασαν τις προβλέψεις τους με λεπτές φέτες στήθους κοτόπουλου. Καθώς οι συγκεντρώσεις της τατραζίνης αυξάνονταν, ο δείκτης διάθλασης του υγρού εντός των μυϊκών κυττάρων αυξανόταν μέχρι να εξισωθεί με τον δείκτη διάθλασης των πρωτεϊνών των μυών – και η φέτα έγινε διαφανής.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές εφάρμοσαν προσεκτικά ένα προσωρινό διάλυμα τατραζίνης σε ποντίκια. Αρχικά, τοποθέτησαν το φάρμακο στο τριχωτό της κεφαλής, καθιστώντας το δέρμα διαφανές και αποκαλύπτοντας τα αιμοφόρα αγγεία στον εγκέφαλο. Στη συνέχεια, τοποθέτησαν το διάλυμα στην κοιλιά, η οποία έγινε διαφανής μέσα σε λίγα λεπτά, αποκαλύπτοντας τις συσπάσεις του εντέρου και τις κινήσεις από τους καρδιακούς και αναπνευστικούς παλμούς.

Η τεχνική αυτή έλυσε χαρακτηριστικά σε κλίμακα μικρομέτρων και βελτίωσε ακόμη και τις παρατηρήσεις με το μικροσκόπιο. Όταν η βαφή ξεπλενόταν, οι ιστοί επανέρχονταν γρήγορα στην κανονική τους αδιαφάνεια. Η τατραζίνη δεν φάνηκε να μακροπρόθεσμες και το πλεόνασμα αποβλήθηκε σε 48 ώρες.

Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η έγχυση της βαφής θα μπορούσε να οδηγήσει σε ακόμη βαθύτερες προβολές μέσα σε οργανισμούς, με πιθανές εφαρμογές τόσο στη βιολογία όσο και στην ιατρική.

Παλιοί τύποι ανοίγουν νέους ορίζοντες στην Ιατρική

Υποστηριζόμενο από μια σειρά κρατικών και ιδιωτικών επιχορηγήσεων, το έργο ξεκίνησε ως έρευνα για το πώς η μικροκυματική ακτινοβολία αλληλεπιδρά με τους βιολογικούς ιστούς.

Εξετάζοντας βιβλία οπτικής της δεκαετίας του 1970 και του 1980, οι ερευνητές ανακάλυψαν δύο βασικές έννοιες: τις μαθηματικές εξισώσεις Kramers-Kronig και ένα φαινόμενο που ονομάζεται ταλάντωση Lorentz, όπου τα ηλεκτρόνια και τα άτομα αντηχούν μέσα στα μόρια καθώς τα φωτόνια διέρχονται.

Μελετημένα περισσότερο από έναν αιώνα, αλλά μη βιολογικά προϊόντα με αυτόν τον τρόπο στην ιατρική, αυτά τα εργαλεία αποδείχθηκαν ιδανικά για την πρόβλεψή του πώς μια δεδομένη βαφή μπορεί να αυξήσει τον δείκτη διάθλασης των υγρών ώστε να ταιριάζει απόλυτα με τα γύρω λίπη και πρωτεΐνες.

Ο ερευνητής Nick Rommelfanger, με υποτροφία NSF Graduate Research Fellowship, ήταν ένας από τους πρώτους που συνειδητοποίησαν ότι οι ίδιες τροποποιήσεις που κάνουν τα υλικά διαφανή στα μικροκύματα θα μπορούσαν να προσαρμοστούν ώστε να επηρεάσουν το ορατό φάσμα, με πιθανές εφαρμογές στην ιατρική.

Αξιοποιώντας τον παλιό εξοπλισμό για νέες ανακαλύψεις

Μεταβαίνοντας από τη θεωρία στην πειραματική έρευνα, ο μεταδιδακτορικός ερευνητής Zihao Ou — κύριος συγγραφέας της μελέτης — προμηθεύτηκε πολλές ισχυρές χρωστικές ουσίες και ξεκίνησε τη διαδικασία να αξιολογήσει μια προσεκτικά την κάθε για να εντοπίσει τις ιδανικές οπτικές της εταιρείας.

Τελικά, η ομάδα επεκτάθηκε σε 21 άτομα, συμπεριλαμβάνοντας φοιτητές, συνεργάτες και συμβούλους, και χρησιμοποίησε διάφορους αναλυτές

Ένα από αυτά, που αποδείχθηκε κρίσιμο, ήταν ένα ελλειψόμετρο δεκαετιών, το οποίο βρισκόταν ανάμεσα σε πιο σύγχρονο εξοπλισμό στις Κοινές Εγκαταστάσεις Νανοτεχνολογίας του Πανεπιστημίου Στάνφορντ, μέρος της Εθνικής Υποδομής Νανοτεχνολογίας που συντονίζεται από το NSF (Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών). Το ελλειψόμετρο είναι ένα εργαλείο συνήθως γνωστό στη βιομηχανία ημιαγωγών, όχι στη βιολογία. Ωστόσο, οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι ήταν ιδανικό για να προβλέψουν τις οπτικές δοκιμές των στόχων τους, τις χρωστικές ουσίες, κάνοντας πιθανόν μια πρωτιά στην ιατρική. Η ευελιξία και η ενθάρρυνση που παρείχαν οι επιχορηγήσεις του NSF ήταν καθοριστικής σημασίας για την παραμονή μου στην πορεία και επέτρεψαν την ελευθερία να εξερευνήσω νέες και άγνωστες περισσότερες.

«Οι προηγμένες ερευνητικές προσπαθούν συνεχώς να επιτύχουν τη σωστή ισορροπία, παρέχοντας πρόσβαση σε βασικά εργαλεία και τεχνογνωσία, ενώ κάνουν χώρο για νέες, μεγαλύτερες και πιο ισχυρές συσκευές», δήλωσε ο Υπεύθυνος Προγράμματος του NSF, Richard Nash, που επιβλέπει το NSF NNCI. «Ένα βασικό εργαλείο όπως το ελλειψ σπάνια γίνεται πρώτο θέμα, μπορεί ωστόσο να παίξει έναν κρίσιμο ρόλο όταν χρησιμοποιείται για άτυπες εφαρμογές, όπως σε αυτήν την περίπτωση. Η ανοιχτή πρόσβαση σε τέτοιο εξοπλισμό είναι θεμελιώδης για τη δημιουργία καινοτόμων προβλημάτων, καθώς αυτά τα όργανα μπορούν να χρησιμοποιηθούν με νέους τρόπους για την εξαγωγή θεμελιωδών πληροφοριών σχετικά με τα επιστημονικά φαινόμενα.»

Με τις βασικές μεθόδους στη θεμελιώδη φυσική, οι ερευνητές ελπίζουν ότι η προσέγγισή τους θα εγκαινιάσει ένα νέο πεδίο μελέτης που ταιριάζει σε χρωστικές ουσίες με βιολογικούς ιστούς, βασιζόμενο σε οπτικές συσκευές, και πιθανώς θα μπορούσε να είναι μια ευρυζωνική γκάμα ιατρικώ.

«Ως ειδικός στα οπτικά, με εντυπωσίασε το πώς κατάφερνε να αξιοποιήσει τόσο πολύ τη σχέση Kramers-Konig,» δήλωσε ο Υπεύθυνος Προγράμματος του NSF, Adam Wax, ο οποίος έχει στηρίξει την έρευνα του Hong. ″Κάθε φοιτητής οπτικών μαθαίνει για αυτές, αλλά αυτή η ομάδα χρησιμοποίησε τις εξισώσεις για να καταλάβει πώς μια ισχυρή χρωστική μπορεί να κάνει το δέρμα διαφανές. Με μια επιχορήγηση του EAGER του NSF, ο Hong μπόρεσε να κινηθεί σε μια νέα τολμηρή, ένα εξαιρετικό παράδειγμα του, πώς οι βασικές οπτικές γνώσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία νέων τεχνολογιών, συμπεριλαμβανομένων αυτών στη βιοϊατρική.″

Καθοριστική υποστήριξη από το NSF

″Η υποστήριξη του NSF έπαιξε καθοριστικό ρόλο στην επιτυχία αυτής της δουλειάς,″ πρόσθεσε ο Hong. «Η επιχορήγηση CAREER του NSF ήταν η πρώτη μου μεγάλη χρηματοδότηση και ήρθε σε μια ιδιαίτερα δύσκολη στιγμή, κατά τη διάρκεια των πιο σκοτεινών στιγμών της πανδημίας. Το εργαστήριό μου αντιμετώπισε σημαντικές δυσκολίες στην παραγωγή δεδομένων λόγω της διακοπής, και η επιχορήγηση που οδήγησε σε ένα ζωτικό εφαλτήριο, επιτρέποντάς μου να ακολουθήσω μερικά από τα πιο συναρπαστικά και καινοτόμα μας πρότζεκτ – συμπεριλαμβανομένης της έρευνας που οδήγησε στη δημοσίευση στο Science. Η ευελιξία και η ενθάρρυνση από τις επιχορηγήσεις του NSF ήταν καθοριστικές για τη διατήρηση της πορείας μου και μου επέτρεψαν την ελευθερία να εξερευνήσω νέες και ανεξερεύνητες περιοχές στον τομέα μου», συμπλήρωσε.

Αυτή η ανακάλυψη άνοιξε αναμφισβήτητα νέες δυνατότητες στη βιολογική έρευνα και την ιατρική απεικόνιση.

Ο Τίμοθι Χερν, Ερευνητής Βιοπληροφορικής στο βρετανικό Πανεπιστήμιο Άνγκλια Ράσκιν, εξηγεί ακριβώς αυτό, δηλαδή, πως κατάφεραν οι επιστήμονες να το κάνουν αυτό, αλλά και αν μπορεί να οδηγήσει στο να γίνουν οι άνθρωποι αόρατοι;

Όταν κοιτάμε αντικείμενα, το φως αντανακλάται από αυτά, επιτρέποντας στα μάτια μας να δουν σχήματα και χρώματα. Ωστόσο, ο ζωντανός ιστός όπως το δέρμα συμπεριφέρεται διαφορετικά επειδή αποτελείται από πράγματα όπως νερό, πρωτεΐνες και λιπίδια (λίπη), τα οποία κάμπτουν το φως σε διαφορετικές γωνίες. Αυτό σημαίνει ότι το φως διασκορπίζεται από το δέρμα, γεγονός που περιορίζει το πόσο βαθιά μπορούμε να δούμε στο σώμα χωρίς επεμβατική χειρουργική επέμβαση.

«Για να προσπαθήσουν να ξεπεράσουν αυτό το πρόβλημα» λέει ο Χερν, «οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει πιο εξελιγμένες τεχνικές απεικόνισης με την πάροδο των ετών, όπως το μικροσπόπιο δύο φωτονίων και οι συσκευές απεικόνισης φθορισμού εγγύς υπερύθρου. Αλλά συχνά απαιτούν επιβλαβείς χημικές ουσίες ή λειτουργούν μόνο σε νεκρούς ιστούς. Αντίθετα, ο στόχος ήταν να βρεθεί ένας τρόπος για την επίτευξη διαφάνειας στους ζωντανούς οργανισμούς με ασφάλεια» λέει ο Χερν σε άρθρο του στο The Conversation.