محققان دانشگاه استنفورد روش جدیدی را برای دیدن اندام‌های درونی بدن با شفاف کردن بافت‌های پوشاننده در برابر نور مرئی و استفاده از رنگ خوراکی کشف کرده‌اند.
به گزارش تکناک، دانشمندان با استفاده از رنگ خوراکی ایمن یک تکنیک پیشگامانه ایجاد کردند تا بافت‌های حیوانی را شفاف کنند و دید اندام‌های داخلی را افزایش دهند.این روش نتایج امیدوارکننده‌ای را در آزمون‌های نظری و عملی از خود نشان داده است.
این فرایند غیرمستقیم در آزمایش روی حیوانات برگشت‌پذیر بود و در نهایت ممکن است برای طیف گسترده‌ای از تشخیص‌های پزشکی، از مکان‌یابی آسیب‌ها تا نظارت بر اختلالات گوارشی و شناسایی سرطان‌ها، اعمال شود.
محققان دانشگاه استنفورد تحقیقی با نام «دستیابی به شفافیت نوری در حیوانات زنده با مولکول‌های جذب‌کننده» را در مجله Science منتشر کردند.
گوسونگ هونگ، یکی از محققان اصلی این مطالعه گفت: «در آینده این فناوری می‌تواند رگ‌ها را برای کشیدن خون قابل مشاهده‌تر کند، پاک کردن خالکوبی با لیزر را ساده‌تر نماید، یا به تشخیص و درمان زودهنگام سرطان‌ها کمک کند.»
به عنوان مثال، برخی از درمان‌ها از لیزر برای از بین بردن سلول‌های سرطانی و پیش سرطانی استفاده می‌کنند، اما محدود به نواحی نزدیک به سطح پوست هستند. این تکنیک ممکن است بتواند این نفوذ نور را بهبود بخشد.
فهرست مطالب
یک راه‌حل روشنی بخش
برای تسلط در روش جدید، محققان راهی برای پیش‌بینی شیوه تعامل نور با بافت‌های بیولوژیکی رنگ‌شده ایجاد کردند.
این پیش‌بینی‌ها نیاز به درک عمیقی از پراکندگی نور، همچنین فرایند شکست داشت، جایی که نور با حرکت از یک ماده به ماده دیگر به سرعت تغییر می‌کند و خم می‌شود.
پراکندگی نور دلیلی است که ما نمی‌توانیم داخل بدن خود را ببینیم، چرا که چربی‌ها، مایعات درون سلول‌ها، پروتئین‌ها و مواد دیگر هر کدام دارای ضریب شکست متفاوتی هستند و این خاصیت تعیین می‌کند که یک موج نوری ورودی در چه حد خم می‌شود.
در بیشتر بافت‌ها، این مواد به هم فشرده می‌شوند، بنابراین ضریب‌های شکست متنوع باعث می‌شود نور هنگام عبور از آن پراکنده شود.
این اثر پراکندگی نور است که چشمان ما آن را به عنوان مواد مات، رنگی و بیولوژیکی تعبیر می‌کند.
محققان متوجه شدند که اگر می‌خواهند مواد بیولوژیکی را شفاف کنند، باید راهی برای مطابقت با ضرایب انکسار مختلف بیابند تا نور بتواند بدون مانع حرکت کند.
پیشرفت با رنگ خوراکی تارترازین
با تکیه بر بینش‌های بنیادی از حوزه چشم‌پزشکی، محققان دریافتند رنگ‌هایی که مؤثرترین رنگ‌ها در جذب نور هستند، می‌توانند در هدایت یکنواخت نور از طریق طیف وسیعی از ضریب‌های شکست نیز بسیار مؤثر باشند.
یکی از رنگ‌هایی که محققان پیش‌بینی می‌کردند که به طور ویژه مؤثر باشد، تارترازین بود که رنگ خوراکی است و بیشتر با نام FD & C Yellow 5 شناخته می‌شود.
مولکول‌های تارترازین وقتی در آب حل و در بافت‌ها جذب می‌شوند، ساختاری دارند تا با ضریب‌های شکست مطابقت داشته باشند و از پراکندگی نور جلوگیری و در نتیجه شفافیت ایجاد کنند.
از تئوری تا عمل
محققان ابتدا پیش‌بینی‌های خود را با برش‌های نازک سینه مرغ آزمایش کردند.
با افزایش غلظت تارترازین، ضریب شکست مایع درون سلول‌های عضلانی افزایش می‌یابد تا زمانی که با ضریب شکست پروتئین‌های عضلانی مطابقت داشته باشد، یعنی برش شفاف شود.
سپس محققان به آرامی محلول رنگ خوراکی تارترازین را روی موش‌ها مالیدند.
ابتدا محلول را روی پوست سر موش قرار دادند و پوست را شفاف کردند تا رگ‌های خونی متقاطع مغز را آشکار کنند.
سپس محلول را روی شکم موش قرار دادند که در مدت چند دقیقه محو شد تا انقباضات روده و حرکات ناشی از ضربان قلب و تنفس را نشان دهد.
این تکنیک ویژگی‌ها را در مقیاس میکرون حل کرد و حتی مشاهدات میکروسکوپی را افزایش داد.
هنگامی که رنگ شسته شد، بافت‌ها به سرعت به حالت کدر طبیعی بازگشتند.
به نظر نمی‌رسد که تارترازین اثرات طولانی مدت داشته باشد و هر مقدار اضافی در طی 48 ساعت در مواد زائد دفع می‌شود.
محققان گمان می‌کنند که تزریق رنگ باید به دیدگاه‌های عمیق‌تری در درون موجودات منجر شود، که پیامدهایی هم برای زیست‌شناسی و هم برای پزشکی دارد.
فرمول‌های قدیمی باعث ارائه دیدگاه‌های جدید پزشکی
این پروژه با حمایت طیف وسیعی از کمک‌های مالی فدرال و بخش خصوصی، به عنوان تحقیقی در مورد چگونگی تعامل تشعشعات مایکروویو با بافت‌های بیولوژیکی آغاز شد.
با کاوش در کتاب‌های درسی چشم‌پزشکی از دهه‌های 1970 و 1980، محققان دو مفهوم کلیدی پیدا کردند.
معادلات ریاضی به نام روابط کرامرز-کرونیگ و پدیده‌ای به نام نوسان لورنتس که در آن الکترون‌ها و اتم‌ها در مولکول‌ها با عبور فوتون‌ها طنین‌انداز می‌شوند.
این ابزارها برای بیش از یک قرن به خوبی مطالعه شده بودند، اما برای استفاده از این روش در پزشکی به کار نرفته بودند.
این ابزارها برای پیش‌بینی اینکه چگونه یک رنگ خاص می‌تواند ضریب شکست مایعات بیولوژیکی را برای تطابق کامل با چربی‌ها و پروتئین‌های اطراف افزایش دهد، ایدئال بودند.
محققی به نام نیک روملفانگر، یکی از اولین افرادی بود که متوجه شد همان تغییراتی که باعث شفافیت مواد در امواج مایکروویو می‌شود، می‌توانند برای تأثیرگذاری بر طیف مرئی با کاربردهای بالقوه در پزشکی، طراحی شوند.
استفاده از تجهیزات قدیمی برای اکتشافات جدید
در حال گذار از تئوری به آزمایش، محققی به نام ژیاو او که نویسنده اصلی مطالعه است، تعدادی رنگ خوراکی قوی سفارش داد و فرایند ارزیابی دقیق هر کدام را برای خواص نوری ایدئال آغاز کرد.
یکی از مواردی که ثابت شد، بیضی‌سنج چند دهه‌ای است که در میان تجهیزات جدیدتر در تأسیسات مشترک نانوی دانشگاه استنفورد قرار گرفته بود.
بیضی‌سنج ابزاری است که برای تولید نیمه‌رساناها آشنا است و در زیست‌شناسی به کار نمی‌رود.
با وجود این، در اولین مورد ممکن برای پزشکی، محققان کشف کردند که بیضی‌سنج برای پیش‌بینی خواص نوری رنگ‌های مورد نظر آنها عالی است.
ریچارد نش، یکی از محققان این مطالعه بیان کرد: «امکانات تحقیقاتی پیشرفته به طور دائم با فراهم کردن دسترسی به ابزارهای اساسی و تخصص و در عین حال فضاسازی برای ابزار دقیق‌تر، بزرگ‌تر و قوی‌تر، به دنبال ایجاد تعادل مناسب هستند.»
وی تأکید کرد: «دسترسی آزاد به ابزار دقیقی مانند بیضی‌سنج برای دستیابی به اکتشافات پیشگامانه اساسی است، چرا که این ابزارها می‌توانند به روش‌های جدیدی برای ایجاد بینش‌های اساسی در مورد پدیده‌های علمی به کار گرفته شوند.»
با روش‌هایی که در فیزیک بنیادی پایه‌گذاری شده‌اند، محققان امیدوار هستند رویکرد آنها زمینه جدیدی از مطالعه تطبیق رنگ‌ها با بافت‌های بیولوژیکی بر اساس خواص نوری را راه‌اندازی کند، که به طور بالقوه باعث طیف گسترده‌ای از کاربردهای پزشکی می‌شود.
