Logran hacer transparentes piel y órganos de ratones vivos con el colorante de los «Doritos»
Usando colorantes alimentarios comunes, las investigadoras han logrado hacer que la piel y los músculos se vuelvan transparentes de manera segura y reversible. Podría aplicarse a una amplia gama de diagnósticos médicos, desde la localización de lesiones hasta la identificación de cánceres, y el borrado de tatuajes con láser.
Por el National Scientific and Technical Research Council
En esta ilustración se puede apreciar el efecto de transparencia del tejido y cómo podría aparecer si se probara con humanos en el futuro. Cortesía: Keyi "Onyx" Li/U.S. National Science Foundation
Unos investigadores han desarrollado una nueva forma de ver los órganos de un cuerpo haciendo que los tejidos suprayacentes sean transparentes a la luz visible.
Este proceso contraintuitivo —una aplicación tópica de un colorante inocuo presente en los alimentos— fue reversible en ensayos con animales, y, en última instancia, podría aplicarse a una amplia gama de diagnósticos médicos, desde la localización de lesiones hasta el seguimiento de trastornos digestivos o la identificación de cánceres, según aseguran en la revista Science investigadores de la Universidad de Stanford, en Estados Unidos.
«De cara al futuro, esta tecnología podría hacer más visibles los vasos sanguíneos para la extracción de sangre, facilitar la eliminación de tatuajes con láser o contribuir a la detección precoz y el tratamiento del cáncer —afirma Guosong Hong, profesor adjunto de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Stanford y colaborador en la dirección de este trabajo. Y añade—: Por ejemplo, algunas terapias utilizan láseres para eliminar las células cancerosas y precancerosas, pero se limitan a las zonas cercanas a la superficie de la piel. Esta técnica podría mejorar la penetración de la luz″.
Una solución iluminadora
Para dominar la nueva técnica, los investigadores desarrollaron una forma de predecir cómo interactúa la luz con los tejidos biológicos teñidos. Esas predicciones requerían un profundo conocimiento de la dispersión de la luz, así como del proceso de refracción, en el que la luz cambia de velocidad y se curva al pasar de un material a otro.
La dispersión es la razón por la que no podemos ver a través de nuestro cuerpo: las grasas, los fluidos celulares, las proteínas y otros materiales tienen un índice de refracción diferente, una propiedad que determina el grado de curvatura de una onda luminosa.
Ilustración de los tejidos de la piel que se vuelven transparentes después de la saturación por FD & C Yellow 5. Crédito: Keyi "Onyx" Li
En la mayoría de los tejidos, esos materiales están estrechamente compactados, por lo que los distintos índices de refracción hacen que la luz se disperse al atravesarlos. Es el efecto de dispersión que nuestros ojos interpretan como materiales biológicos opacos y coloreados.
Los investigadores se dieron cuenta de que, si querían hacer transparente un material biológico, tenían que encontrar la forma de igualar los distintos índices de refracción para que la luz pudiera atravesarlo sin obstáculos.
Basándose en conocimientos fundamentales del campo de la óptica, los investigadores se dieron cuenta de que los tintes más eficaces para absorber la luz también podían serlo para dirigirla uniformemente a través de una amplia gama de índices de refracción.
El colorante alimentario que tiñe los Doritos
Un colorante que los investigadores predijeron que sería especialmente eficaz era la tartrazina, el colorante alimentario más comúnmente conocido como FD & C Yellow 5 y que da color, por ejemplo, a los famosos Doritos. Al disolverse en agua y ser absorbida por los tejidos, las moléculas de tartrazina están perfectamente estructuradas para ajustarse a los índices de refracción e impedir la dispersión de la luz, lo que se traduce en transparencia.
Los investigadores probaron primero sus predicciones con finas lonchas de pechuga de pollo. A medida que aumentaban las concentraciones de tartrazina, el índice de refracción del fluido dentro de las células musculares aumentaba hasta igualar el índice de refracción de las proteínas musculares: la loncha se volvía transparente.
A continuación, los investigadores frotaron suavemente una solución temporal de tartrazina en ratones. En primer lugar, aplicaron la solución al cuero cabelludo, e hizo que la piel se volviera transparente para revelar los vasos sanguíneos que cruzan el cerebro. A continuación, aplicaron la solución al abdomen, que se desvaneció en cuestión de minutos para mostrar las contracciones del intestino y los movimientos provocados por los latidos del corazón y la respiración.
De fácil eliminación
La técnica resolvía características a escala de micras, e incluso mejoraba las observaciones al microscopio. Cuando se enjuagó el tinte, los tejidos recuperaron rápidamente su opacidad normal. La tartrazina no parecía tener efectos a largo plazo, y cualquier exceso se excretaba con los residuos en 48 horas.
Los investigadores sospechan que inyectando el colorante se podrían obtener imágenes aún más profundas de los organismos, con implicaciones tanto para la biología como para la medicina.
El proyecto, financiado con subvenciones federales y privadas, comenzó como una investigación sobre la interacción de la radiación de microondas con los tejidos biológicos.
Al explorar los libros de texto de óptica de los años 70 y 80, los investigadores descubrieron dos conceptos clave: unas ecuaciones matemáticas llamadas relaciones de Kramers-Kronig y un fenómeno conocido como oscilación de Lorentz, en el que electrones y átomos resuenan dentro de las moléculas al paso de los fotones.
Una molécula entre muchas
Estas herramientas, bien estudiadas desde hace más de un siglo, pero no aplicadas de este modo a la medicina, resultaron ideales para predecir cómo un determinado colorante puede elevar el índice de refracción de los fluidos biológicos hasta igualarlo perfectamente al de las grasas y proteínas circundantes.
El investigador Nick Rommelfanger, que trabaja con una beca de investigación de la NSF, fue uno de los primeros en darse cuenta de que las mismas modificaciones que hacen que los materiales sean transparentes a las microondas podrían adaptarse para incidir en el espectro visible, con posibles aplicaciones en medicina.
Pasando de la teoría a la experimentación, el investigador postdoctoral Zihao Ou —autor principal del estudio— encargó una serie de tintes potentes y comenzó el proceso de evaluar meticulosamente cada uno de ellos para determinar sus propiedades ópticas ideales.
Al final, el equipo se amplió a veintiún estudiantes, colaboradores y asesores, con la participación de varios sistemas analíticos.
Uno de los que resultó fundamental fue un elipsómetro de décadas de antigüedad ubicado entre los equipos más modernos de las Stanford Nano Shared Facilities, que forman parte de la NSF National Nanotechnology Coordinated Infrastructure (NNCI). El elipsómetro es una herramienta habitual en la fabricación de semiconductores, no en biología. Sin embargo, en una posible primicia para la medicina, los investigadores se dieron cuenta de que era perfecto para predecir las propiedades ópticas de los tintes seleccionados.
«Las instalaciones de investigación avanzada tratan constantemente de encontrar el equilibrio adecuado, facilitando el acceso a herramientas y conocimientos básicos y dejando espacio para instrumentos más nuevos, más grandes y más potentes», afirma Richard Nash, responsable de programas de la NSF.
Aunque un instrumento básico como un elipsómetro no suele aparecer en los titulares, puede desempeñar un papel crucial cuando se utiliza para fines atípicos, como en este caso. «El acceso abierto a este tipo de instrumentos es fundamental para realizar descubrimientos revolucionarios, ya que pueden utilizarse de nuevas formas para generar conocimientos fundamentales sobre los fenómenos científicos», comenta Nash.
Con métodos basados en la física fundamental, los investigadores esperan que su método abra un nuevo campo de estudio que relacione los tintes con los tejidos biológicos en función de sus propiedades ópticas, lo que podría dar lugar a una amplia gama de aplicaciones médicas. ▪️
Información facilitada por el National Scientific and Technical Research Council -Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Producciones
Fuente: Zihao Ou et al. Achieving optical transparency in live animals with absorbing molecules. Science (2024). DOI: 10.1126/science.adm6869
