Òptica: El Laboratori de Bioimatge Dinàmica de Zihao Ou de la University of Texas at Dallas treballa en la intersecció de la biologia, la física i la ciència de materials per a elaborar instruments i tècniques d’obtenció d’imatges intravitals. La pell, primera barrera del sistema immunitari dels mamífers, és alhora el primer obstacle per a l’obtenció d’imatges dinàmiques en organismes vius, però Ou et al. ens mostren en un article a la revista Science com es pot assolir la transparència òptica amb molècules absorbents. Com diu l’editor de Science, Marc S. Levine sembla paradoxal que per augmentar la transparència de la pell, Ou et al. utilitzin pigments fortament opacs. La tartrazina que utilitzen Ou et al. és molt absorbent en la banda de l’ultraviolat proper i en la zona blava de l’espectre visible, però justament per això acaba per millorar la transparència òptica de les zones de la llum visible de major longitud d’ona (del verd al vermell). En efecte la forta absorció en la regió blava de l’espectre condueix a un augment de l’índex refractiu en la regió vermella sense que augmenti l’absorció en aquesta regió. Ou et al. han provat aquesta tècnica en fantasmes de dispersió, en teixit de pit de pollastre mort i en ratolins vius. Els efectes són transitoris amb una reversibilitat que mostra el potencial d’aquesta tècnica en estudis fisiològics.
Ou et al. han assolit la transparència òptica en ratolins vius amb l’ús de molècules altament absorbents. Aquests pigments, dissolts en aigua, poden modificar l’índex refractiu del medi a través de les relacions Kramer-Kronig fins a situar-lo al nivell de components del teixit com els lípids. La tècnica permet la visualització reversible de tot un seguit d’estructures i activitats profundes de l’animal.
L’opacitat de les estructures biològiques complexes
Com més complexa és l’estructura d’un material biològica més notòria es fa la capacitat d’aquest material per dispersar la llum i fer-se opac. Des del punt de mira òptic això es deu al fet que diferents components dels teixits biològics tenen diferents índex refractius. L’aplicació de la microscòpia òptica en histologia, doncs, ha de recórrer a solucions com l’obtenció de talls ultrafins. Existeixen, però, mètodes d’obtenció d’imatges òptiques en teixits vius que aconsegueixen un cert poder de penetració: microscòpia de dos fotons, microscòpia de fluorescència en l’infraroig proper, aclariment òptic de teixit, etc.
El laboratori d’Ou treballa en el desenvolupament de mètodes òptics que maximitzin el poder de penetració en el teixit viu i també la capacitat de resolució espacial i temporal. No és només aconseguir imatge de teixits vius, sinó que tinguin prou qualitat com perquè siguin rellevants per a la neurociència, la biomedicina, etc.
Molècules de forta absorció per assolir la transparència òptica
Per Ou et al. ací no hi ha cap paradoxa. El punt de partida era la hipòtesi que molècules amb una forta capacitat d’absorció poden induir la transparència òptica de teixits biològics vius. Com s’ha dit, l’opacitat dels teixits biològics s’explica per la disparitat en l’índex refractiu dels diferents components. Mitjançant el model oscil·lador de Lorentz, Ou et al. calculen les propietats dielèctriques de components tissulars i de diferents pigments. Troben en aquestes simulacions que una molècula de pigment que tingui una ressonància d’absorció forta en l’ultraviolat proper (longituds d’ona de 300 a 400 nm) i en la regió blava de l’espectre visible (de 400 a 500 nm) podria provocar una elevació de la part real de l’índex refractiu del medi en longituds d’ona superiors. La clau ací es troba en la capacitat de dissoldre el pigment en un medi aquós compatible amb el teixit viu. Matemàticament, l’índex refractiu es pot tractar a través d’una funció complexa, amb una part real i una part imaginària que connecten a través de relacions de Kramers-Kronig. Pigments hidrosolubles, doncs, poden reduir el contrast dels índex refractius de la fase aquosa i de la fase lipídica d’un teixit, i per tant reduir-ne l’opacitat.
La tartrazina
Ou et al. cercaren un pigment que encaixés en aquesta teoria. Havia d’ésser un pigment soluble en aigua. Optaren finalment per la tartrazina, entre d’altre raons perquè és un colorant alimentari aprovat de la US Food and Drug Administration, i que és utilitzat habitualment com a tal per la indústria (en les etiquetes apareix com a E-102).
Ou et al. mostren com la tartrazina té la capacitat de fer transparents la pell, el múscul i els teixits connectius en ratolins vius.
En una primera fase experimental, Ou et al. treballaren en hidrogels dispersants. Aquests hidrogels reprodueixen el comportament òptic de teixits vius. L’addició de tartrazina a l’hidrogel fa que prengui un color ataronjat, però també fa que sigui transparent convertint-se en un ‘fantasma de dispersió’.
En una segona fase experimental, Ou et al. treballen en teixits biològics ex vivo. Amb la tartrazina aconsegueixen disminuir l’opacitat de teixit de pit de pollastre.
Aquests experiments inicials demostraven que si hom aconseguia la transparència a través d’uns mil·límetres de medi dispersador, es podia arribar a una resolució espacial de l’ordre de micròmetres.
Amb la tartrazina aplicada sobre l’abdomen d’un ratolí viu, l’opacitat torna transparència. Aquesta tècnica de transparentació abdominal, combinada amb el marcatge de neurones entèriques amb proteïna fluorescent permet seguir la motilitat intestinal in vivo. D’aquesta manera han pogut generar mapes d’evolució temporal de la motilitat intestinal del ratolí que recullen la diversitat de patrons de moviment.
En una altra sèrie d’experiments apliquen solucions de tartrazina a la pell del crani d’un cap de ratolí. Poden visualitzar això vasos sanguinis cerebrals.
També han aplicat solucions de tartrazina a la pota posterior d’un ratolí arribant a obtindre imatges microscòpiques dels sarcòmers musculars.
Reducció de la dispersió
El model d’oscil·lador de Lorentz prediu que molècules amb baixes freqüències de ressonància (és a dir amb longituds d’ones d’absorció relativament llargues), pics forts d’absorció i riques en electrons deslocalitzats tenen la capacitat d’elevar l’índex refractiu del medi aquós on són dissoltes. En aquest sentit són una alternativa als agents aclaridors òptics convencionals com el glicerol.
La solució de tartrazina permet accedir visualment a l’estructura, activitat i funció de teixits i òrgans profunds, com els budells, els músculs o els vasos sanguinis cerebrals. Són així una alternativa a les tècniques clàssiques basades en la retirada quirúrgica dels teixits intermedis o a la seva substitució per finestres transparents.
Ara bé, les solucions de tartrazina redueixen la dispersió però no l’eliminen. Ou et al. confien en poder millorar la tècnica per aconseguir un millor aparellament dels índexs refractius dels components de teixits heterogenis. La difusió de les molècules absorbents resulta clau per regular la profunditat de penetració necessària per a cada ocasió.
Lligams:
- Achieving optical transparency in live animals with absorbing molecules. Zihao Ou, Yi-Shiou Duh, Nicholas J. Rommelfanger, Carl H. C. Keck, Shan Jiang, Kenneth Brinson Jr, 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. Science 385: 6713 (2024).
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada