Neue Technik macht Haut unsichtbar

Forscher haben eine neue Methode entwickelt, um Organe im Körper sichtbar zu machen, indem sie darüber liegendes Gewebe für sichtbares Licht transparent machen. Der kontraintuitive Prozess – eine lokale Anwendung von lebensmittelechtem Farbstoff – war in Tests mit Tieren reversibel und könnte letztendlich für eine breite Palette medizinischer Diagnosen von Nutzen sein, von der Ortung von Verletzungen über die Überwachung von Verdauungsstörungen bis hin zur Erkennung von Krebs.

Forscher der Stanford University veröffentlichten Forschungmit dem Titel „Erreichen optischer Transparenz bei lebenden Tieren durch absorbierende Moleküle“ in der Ausgabe vom 6. September 2024 von Wissenschaft.

„In Zukunft könnte diese Technologie die Sichtbarkeit von Venen bei der Blutabnahme verbessern, die Entfernung von Tätowierungen per Laser vereinfachen oder bei der Früherkennung und Behandlung von Krebs helfen“, sagt Guosong Hong, Assistenzprofessor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Stanford University und Mitleiter dieser Arbeiten.

„Bei bestimmten Therapien werden beispielsweise Laser eingesetzt, um Krebszellen und Krebsvorstufen zu eliminieren, allerdings nur auf Bereiche nahe der Hautoberfläche. Mit dieser Technik lässt sich die Lichtdurchdringung möglicherweise verbessern.“

Eine aufschlussreiche Lösung

Um die neue Technik zu meistern, entwickelten die Forscher eine Methode zur Vorhersage der Wechselwirkung von Licht mit gefärbtem biologischem Gewebe.

Diese Vorhersagen erforderten ein tiefes Verständnis der Lichtstreuung sowie des Prozesses der Lichtbrechung, bei dem sich die Geschwindigkeit des Lichts ändert und es beim Übergang von einem Material in ein anderes krümmt.

Streuung ist der Grund, warum wir nicht durch unseren Körper sehen können: Fette, Zellflüssigkeiten, Proteine ​​und andere Materialien haben jeweils einen anderen Brechungsindex, eine Eigenschaft, die bestimmt, wie stark sich eine eingehende Lichtwelle biegt.

In den meisten Geweben sind diese Materialien dicht beieinander, sodass die unterschiedlichen Brechungsindizes dazu führen, dass das Licht beim Durchgang gestreut wird. Es ist der Streueffekt, den unsere Augen als undurchsichtige, farbige, biologische Materialien interpretieren.

Den Forschern wurde klar, dass sie, wenn sie biologisches Material transparent machen wollten, einen Weg finden mussten, die unterschiedlichen Brechungsindizes so anzupassen, dass das Licht ungehindert hindurchdringen konnte.

Aufbauend auf grundlegenden Erkenntnissen aus dem Bereich der Optik stellten die Forscher fest, dass Farbstoffe, die Licht am effektivsten absorbieren, auch hochwirksam darin sein können, Licht gleichmäßig durch einen weiten Bereich von Brechungsindizes zu leiten.

Die Forscher sagten voraus, dass ein Farbstoff besonders wirksam sein würde: Tartrazin, ein Lebensmittelfarbstoff, der besser unter der Bezeichnung FD & C Yellow 5 bekannt ist. Und wie sich herausstellte, lagen sie damit richtig: Wenn Tartrazinmoleküle in Wasser aufgelöst und vom Gewebe absorbiert werden, sind sie perfekt strukturiert, um den Brechungsindex anzupassen und die Lichtstreuung zu verhindern, was zu Transparenz führt.

Die Forscher testeten ihre Vorhersagen zunächst mit dünnen Hähnchenbrustscheiben. Mit zunehmender Tartrazinkonzentration stieg der Brechungsindex der Flüssigkeit in den Muskelzellen, bis er dem Brechungsindex der Muskelproteine ​​entsprach – die Scheibe wurde durchsichtig.

Anschließend rieben die Forscher Mäuse vorsichtig mit einer temporären Tartrazinlösung ein. Zuerst trugen sie die Lösung auf die Kopfhaut auf, wodurch die Haut transparent wurde und die Blutgefäße sichtbar wurden, die das Gehirn durchziehen. Als nächstes trugen sie die Lösung auf den Bauch auf, wo sie innerhalb weniger Minuten verblasste und Kontraktionen des Darms sowie durch Herzschlag und Atmung verursachte Bewegungen sichtbar wurden.

Die Technik ermöglichte es, Strukturen im Mikrometerbereich aufzulösen und sogar die Mikroskopbeobachtung zu verbessern. Nach dem Abspülen des Farbstoffs kehrte die Opazität des Gewebes schnell zurück. Das Tartrazin schien keine Langzeitwirkungen zu haben, und überschüssiges Tartrazin wurde innerhalb von 48 Stunden ausgeschieden.

Die Forscher vermuten, dass die Injektion des Farbstoffs noch tiefere Einblicke in das Innere von Organismen ermöglichen dürfte, was sowohl für die Biologie als auch für die Medizin von Bedeutung sein dürfte.

Alte Formeln eröffnen neue Einblicke in die Medizin

Das Projekt begann als Untersuchung der Wechselwirkung von Mikrowellenstrahlung mit biologischem Gewebe.

Bei der Untersuchung von Optiklehrbüchern aus den 1970er und 1980er Jahren stießen die Forscher auf zwei Schlüsselkonzepte: mathematische Gleichungen mit der Bezeichnung Kramers-Kronig-Relationen und ein Phänomen namens Lorentz-Schwingung, bei der Elektronen und Atome innerhalb von Molekülen in Resonanz geraten, wenn Photonen hindurchgehen.

Diese Werkzeuge wurden über mehr als ein Jahrhundert hinweg intensiv untersucht, jedoch noch nie auf diese Weise in der Medizin angewandt. Sie erwiesen sich jedoch als ideal, um vorherzusagen, wie ein bestimmter Farbstoff den Brechungsindex biologischer Flüssigkeiten erhöhen kann, um ihn perfekt an die umgebenden Fette und Proteine ​​anzupassen.

Der im Rahmen eines NSF Graduate Research Fellowship tätige Doktorand Nick Rommelfanger war einer der ersten, der erkannte, dass dieselben Modifikationen, die Materialien für Mikrowellen durchlässig machen, auch auf das sichtbare Spektrum angewendet werden können, was potenzielle Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin bietet.

Ein Molekül unter vielen

Beim Übergang von der Theorie zum Experiment bestellte der Postdoktorand Zihao Ou – der Hauptautor der Studie – eine Reihe starker Farbstoffe und begann mit der sorgfältigen Prüfung jedes einzelnen davon auf optimale optische Eigenschaften.

Schließlich wuchs das Team auf 21 Studenten, Mitarbeiter und Berater an und beteiligte sich an mehreren Analysesystemen.

Als entscheidend erwies sich dabei ein Jahrzehnte altes Ellipsometer, das zwischen neueren Geräten in den Stanford Nano Shared Facilities, einem Teil der NSF National Nanotechnology Coordinated Infrastructure (NNCI), untergebracht war.

Das Ellipsometer ist ein Werkzeug, das man aus der Halbleiterherstellung kennt, nicht aus der Biologie. Die Forscher stellten jedoch fest, dass es sich perfekt dazu eignete, die optischen Eigenschaften ihrer Zielfarbstoffe vorherzusagen – möglicherweise erstmals in der Medizin.

„Einrichtungen für moderne Forschung streben ständig danach, die richtige Balance zu finden, indem sie Zugang zu grundlegenden Werkzeugen und Fachwissen bieten und gleichzeitig Platz für neuere, größere und leistungsfähigere Instrumente schaffen“, sagte Richard Nash, Programmbeauftragter der NSF und Leiter des NSF NNCI.

„Obwohl ein so einfaches Arbeitsgerät wie ein Ellipsometer selten Schlagzeilen machen würde, kann es dennoch eine entscheidende Rolle spielen, wenn es für untypische Zwecke wie in diesem Fall eingesetzt wird. Der offene Zugang zu solchen Instrumenten ist grundlegend für bahnbrechende Entdeckungen, da diese Instrumente auf neue Weise eingesetzt werden können, um grundlegende Erkenntnisse über wissenschaftliche Phänomene zu gewinnen.“

Die Forscher hoffen, dass ihr Ansatz mit Methoden aus der Grundlagenphysik den Weg für ein neues Forschungsgebiet ebnen wird, in dem es darum geht, Farbstoffe auf der Grundlage optischer Eigenschaften an biologisches Gewebe anzupassen, was möglicherweise zu einem breiten Spektrum medizinischer Anwendungen führen könnte.

„Als Optiker bin ich erstaunt darüber, wie viel sie durch die Ausnutzung der Beziehung zwischen Kramers und Konig erreichen konnten“, sagte der Programmbeauftragte der NSF, Adam Wax, der Hongs Arbeit unterstützt hat.

„Jeder Optikstudent lernt etwas darüber, aber dieses Team hat die Gleichungen verwendet, um herauszufinden, wie ein stark absorbierender Farbstoff Haut transparent machen kann. … Hong konnte einen mutigen neuen Weg einschlagen, ein großartiges Beispiel dafür, wie grundlegendes Wissen über Optik genutzt werden kann, um neue Technologien zu schaffen, auch in der Biomedizin.“