Nach dem Auftragen wird die Haut transparent und die Blutgefäße und Muskeln sind deutlich sichtbar...

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Guo Fei (Yantai-Universität)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Entwicklungen in Spitzenwissenschaft und -technologie zu verstehen, hat das Spitzenwissenschafts- und -technologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Hilfe beim Verstehen führender wissenschaftlicher Zeitschriften“ veröffentlicht, in der herausragende Artikel aus maßgeblichen Zeitschriften ausgewählt und so schnell wie möglich in einfacher Sprache interpretiert werden. Erweitern wir unseren wissenschaftlichen Horizont und genießen wir den Spaß an der Wissenschaft durch das Fenster der Top-Zeitschriften.

Vor nicht allzu langer Zeit trugen Wissenschaftler in einem Labor der Stanford University vorsichtig eine hellgelbe Lösung auf die Haut von Versuchsmäusen auf. Schon nach wenigen Minuten bot sich ein unglaubliches Bild: Die Haut der Maus wurde allmählich durchsichtig, und das schlagende Herz und die sich windenden Eingeweide im Körperinneren waren deutlich zu erkennen. Noch erstaunlicher ist, dass die Haut nach dem Abspülen der Lösung mit klarem Wasser wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehrte.

Diese bahnbrechende Entdeckung wurde am 6. September 2024 in der renommierten Fachzeitschrift Science veröffentlicht und sorgte in der weltweiten Wissenschaftsgemeinschaft sofort für Aufsehen. Diese Entdeckung erinnert an H.G. Wells‘ Science-Fiction-Roman „Der Unsichtbare“ aus dem Jahr 1897. Und was noch wichtiger ist: Es eröffnet ein völlig neues Feld der Biowissenschaftsforschung.

Die Wechselwirkung zwischen Licht und Haut kann sie „transparent“ machen

(Bildquelle: Referenz 1)

Außergewöhnliche Entdeckungen in gewöhnlicher Materie

Diese magische Substanz, die biologisches Gewebe durchsichtig machen kann, ist eigentlich ein Lebensmittelfarbstoff, der in unserem täglichen Leben allgegenwärtig ist: Zitronengelb. Dieser Lebensmittelzusatzstoff verleiht vielen Lebensmitteln, Getränken und sogar Kosmetika und Alltagsgegenständen leuchtende Farben. Wer hätte gedacht, dass dieses gewöhnliche Pigmentmolekül ein so außergewöhnliches Geheimnis birgt?

Als erstes Versuchsobjekt diente den Wissenschaftlern eine gewöhnliche Hühnerbrust. Als sie zitronengelbe Lösungen unterschiedlicher Konzentration auf dünne Hähnchenbrustscheiben träufelten, trat eine wundersame Veränderung ein: Als die Lösung eindrang, wurden die ursprünglich undurchsichtigen Fleischscheiben nach und nach durchsichtig und die Schrift darunter war deutlich sichtbar. Der anfängliche Erfolg des Experiments gab dem Forschungsteam großes Vertrauen und legte den Grundstein für nachfolgende In-vivo-Experimente.

Dünn geschnittenes Hähnchen mit Farbstoff behandelt

(Bildquelle: Referenz 1)

Noch spannender waren die folgenden In-vivo-Experimente. Als die zitronengelbe Lösung auf den Kopf der Maus aufgetragen wurde, war das kreuz und quer verlaufende Netzwerk von Blutgefäßen auf der Oberfläche des Gehirns deutlich sichtbar und die Wissenschaftler konnten den Blutfluss in den Blutgefäßen direkt beobachten. beim Auftragen auf den Bauch war die Peristaltik der inneren Organe deutlich sichtbar, und sogar die Kontraktion des Darms war zu erkennen; Bei der Anwendung an den Gliedmaßen konnte sogar die Feinstruktur der Muskelfasern beobachtet werden. Diese beispiellose Art der Beobachtung lässt die Wissenschaftler scheinbar ein Paar Röntgenaugen gewonnen haben.

Die Bauchhaut von Mäusen wird nach der Lösungsbehandlung durchsichtig

(Bildquelle: Referenz 1)

Das Überraschendste ist, dass dieser Transparenzeffekt vollständig reversibel ist. Nach dem Abwaschen der Farbe mit klarem Wasser nimmt das Gewebe innerhalb kurzer Zeit wieder seinen ursprünglichen Zustand an. Die Studie ergab außerdem, dass der im Gewebe verbleibende Farbstoff innerhalb von 48 Stunden auf natürliche Weise durch den Stoffwechsel aus dem Körper ausgeschieden wird, was bedeutet, dass diese Technologie eine extrem hohe Biosicherheit aufweist. Diese Kontrollierbarkeit und Sicherheit ist bei keiner bisherigen Technologie zur Steigerung der organisatorischen Transparenz zu finden.

Warum hat ein winziger Tropfen Zitronengelb eine solche magische Kraft?

Warum ist die Haut undurchsichtig? Dies beginnt mit dem Verhalten des Lichts. Unser Hautgewebe ist mit verschiedenen Bestandteilen wie Wasser, Fett und Eiweiß gefüllt, die wie unzählige kleine, ineinander liegende Linsen wirken, und jeder Bestandteil bricht das Licht in unterschiedlichem Maße. Wenn Licht versucht, durch die Haut zu dringen, wird es an der Verbindungsstelle dieser verschiedenen „Linsen“ gebrochen und gestreut, wodurch die Haut letztendlich undurchsichtig erscheint.

Die Magie dieser neuen Technologie beruht auf der Kramers-Kronig-Beziehung, einem vor hundert Jahren entdeckten physikalischen Gesetz: Wenn eine Substanz bei einer bestimmten Wellenlänge des Lichts eine starke Absorption aufweist, kann sie das Brechungsverhalten von Licht anderer Wellenlängen beeinflussen.

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass zitronengelbe Moleküle blaues Licht stark absorbieren und die Fähigkeit besitzen, den Brechungsindex wässriger Lösungen anzupassen. Wenn sich Tartrazin im Wasser des Gewebes auflöst, kann es den Brechungsindex des Wassers geschickt an den Brechungsindex des umgebenden Fetts und Proteins anpassen.

Dadurch kann das Licht ungehindert durch das Gewebe dringen, als würde es durch ein massives Stück Glas hindurchtreten. Dieser geniale Mechanismus aus der Physik hat nach hundert Jahren endlich revolutionäre Anwendung im Bereich der Biowissenschaften gefunden.

Schematische Darstellung des Prinzips der Durchsichtigkeit von Mäusehaut

(Bildquelle: Referenz 1)

Bahnbrechender technologischer Durchbruch

Was diese Entdeckung so wichtig macht, ist die Tatsache, dass sie unsere Sicht auf das Leben völlig verändert. Wenn Wissenschaftler bisher das Innere eines Organismus untersuchen wollten, mussten sie entweder eine Operation durchführen, bei der das Gewebe aufgeschnitten wurde, oder auf teure medizinische Geräte wie Röntgenstrahlen und MRTs zurückgreifen. Selbst bestehende Techniken zur Gewebereinigung erfordern häufig die Verwendung hoher Konzentrationen chemischer Reagenzien wie Glycerin, Zucker oder saurer Lösungen. Diese Methoden verursachen entweder Zelldehydration und Entzündungen oder können nur bei toten Proben angewendet werden und ermöglichen keine Beobachtung dynamischer Prozesse in vivo.

Diese neue Technologie auf Basis von Zitronengelb ist wie die Installation eines magischen Fensters zum Leben. Es ist nicht nur sicher und reversibel, sondern auch einfach zu bedienen und kostengünstig. Am wichtigsten ist jedoch, dass wir damit die dynamischen Veränderungen im Inneren lebender Organismen direkt beobachten können, ohne deren Lebensaktivitäten zu beeinträchtigen. Es ist, als hätten wir das Leben früher nur durch Momentaufnahmen verstanden, heute können wir uns aber eine lebendige Dokumentation ansehen. Für diese Technologie sind keine komplexen Geräte erforderlich, sondern nur ein gewöhnlicher Lebensmittelfarbstoff. Sie ermöglicht es uns, Lebensphänomene zu erkennen, die zuvor nur schwer zu beobachten waren.

Unbegrenzte Möglichkeiten für die Zukunft

Die Entdeckung dieser Technologie ist wie das Öffnen einer Tür zur Zukunft. Im Bereich der Grundlagenforschung wird es Wissenschaftlern helfen, verschiedene Prozesse in lebenden Organismen besser zu verstehen. Beispielsweise können Forscher die Aktivität von Neuronen direkt beobachten, um zu verstehen, wie das Gehirn Informationen verarbeitet. Sie können die Bildung und das Wachstum von Blutgefäßen beobachten, um den Metastasierungsmechanismus von Krebs zu untersuchen. Sie können sogar die Bewegung von Immunzellen verfolgen und so Aufschluss darüber geben, wie das Immunsystem Krankheiten bekämpft.

Wenn sich die Wirksamkeit dieser neuen Technologie beim Menschen erweist, könnte sie auch in menschlichen Händen ähnliche Effekte zeigen.

(Bildnachweis: Keyi ‚Onyx‘ Li/US National Science Foundation)

Im Hinblick auf medizinische Anwendungen sind die Aussichten dieser Technologie sogar noch spannender. Es könnte Ärzten dabei helfen, intravenöse Injektionen präziser zu platzieren, da die Lage der Blutgefäße deutlich sichtbar wäre. Es könnte die Präzision minimalinvasiver Operationen verbessern, da Ärzte tiefliegendes Gewebe direkt sehen könnten. Und es könnte sogar neue Methoden für die Frühdiagnose und Behandlung von Krebs liefern, weil sich krankhafte Gewebeveränderungen leichter erkennen lassen.

Diese Technologie könnte auch im Bereich der Arzneimittelforschung und -entwicklung revolutionäre Veränderungen mit sich bringen. Forscher können die Verteilung und Wirkung von Medikamenten im lebenden Körper direkt beobachten und verstehen, wie sich Medikamente auf verschiedene Organe auswirken, was den Entwicklungsprozess neuer Medikamente erheblich beschleunigen wird. Darüber hinaus kann diese Technologie auch im Bereich der Biotechnik eingesetzt werden, um Wissenschaftlern bei der Entwicklung besserer Produkte für die Gewebezüchtung zu helfen.

Die Zukunft ist rosig, aber der Weg könnte noch lang sein

Natürlich müssen noch viele Herausforderungen bewältigt werden, bevor diese Technologie auf den menschlichen Körper angewendet werden kann. Die menschliche Haut ist viel dicker als die von Mäusen, etwa zehnmal dicker, was bedeutet, dass wirksamere Methoden zur Farbstoffpenetration erforscht werden müssen. Obwohl die Sicherheit von Tartrazin als Lebensmittelzusatzstoff erwiesen ist, bedarf seine Sicherheit bei der Anwendung zur Hautreinigung weiterer Forschung. Darüber hinaus muss die Wirksamkeit der Transparenzbildung bei hartem Gewebe wie Knochen weiter erforscht werden und es muss untersucht werden, ob die Transparenz tieferer Gewebe erreicht werden kann.

So wie die physikalischen Gesetze von vor einem Jahrhundert heute neue Anwendung finden, zeigt sich die Magie der Wissenschaft oft an unerwarteten Orten. In gewisser Weise verwirklicht diese Technologie einen Science-Fiction-Traum. Vielleicht können Ärzte durch dieses „Fenster des Lebens“ in naher Zukunft verschiedene Krankheiten besser verstehen und behandeln. Darüber hinaus können Wissenschaftler damit weitere Geheimnisse des Lebens lüften.

Quellen:

1.ZIHAO OU et. al., Erreichen optischer Transparenz bei lebenden Tieren mit absorbierenden Molekülen