Eine der größten Herausforderungen bei der medizinischen Bildgebung besteht darin, durch Haut und anderes undurchsichtiges Gewebe hindurchzusehen, um innere Organe und Strukturen zu sehen. Aus diesem Grund benötigen wir Ultraschall, Magnetresonanz oder Röntgenstrahlen. Es gibt chemische Aufheller, die Gewebe durchsichtig machen können, wie Acrylamid oder Tetrahydrofuran, aber sie werden bei lebenden Organismen fast nie eingesetzt, weil sie entweder hochgiftig sind oder wichtige Biomoleküle auflösen können.
Doch nun hat ein Forscherteam der Stanford University endlich einen Wirkstoff gefunden, der Haut reversibel transparent machen kann, ohne sie zu schädigen. Bei diesem Wirkstoff handelt es sich um Tartrazin, einen beliebten gelb-orangen Lebensmittelfarbstoff namens FD&C Yellow 5, der insbesondere zum Färben von Doritos verwendet wird.
Spiel mit Licht
Wir können nicht durch die Haut sehen, da es sich um ein komplexes Gewebe handelt, das aus wasserbasierten Komponenten wie Zellinnerem und anderen Flüssigkeiten sowie Proteinen und Lipiden besteht. Der Brechungsindex ist ein Wert, der angibt, wie stark Licht beim Durchgang durch ein Material im Vergleich zu einem Durchgang durch ein Vakuum verlangsamt wird (im Durchschnitt natürlich). Der Brechungsindex dieser wasserhaltigen Komponenten ist niedrig, während der Brechungsindex der Proteine und Lipide hoch ist. Infolgedessen wird Licht, das durch die Haut wandert, ständig gebrochen, da es die Grenze zwischen Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex endlos überschreitet.
Dadurch wird das Licht gestreut – wenn es erst einmal in die Haut eingedrungen ist, kommt es nicht mehr zurück. Was wir sehen, ist nur das Licht, das von der Hautoberfläche reflektiert wird. Der Trick, Dinge transparent zu machen, besteht hauptsächlich darin, ihren Brechungsindex einheitlich zu gestalten, damit das Licht oder zumindest ein Teil des Spektrums nicht ständig gebrochen und gestreut wird. Genau hier kam der Farbstoff Doritos ins Spiel.
„Das Überraschendste an dieser Studie ist, dass wir normalerweise erwarten, dass Farbstoffmoleküle Dinge weniger transparent machen“, sagt Guosong Hong, Assistenzprofessor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik in Stanford und Hauptautor der Studie. „Wenn Sie beispielsweise blaue Kugelschreibertinte mit Wasser mischen, kann weniger Licht durch das Wasser dringen, je mehr Tinte Sie hinzufügen. In unserem Experiment jedoch, als wir Tartrazin in einem undurchsichtigen Material wie Muskeln oder Haut auflösten, das normalerweise Licht streut, wurde das Material umso klarer, je mehr Tartrazin wir hinzufügen. Dies widerspricht dem, was wir normalerweise von Farbstoffen erwarten.“
Transparenzlotion
Hongs Team löste den Farbstoff einfach in einer wässrigen Lösung auf und stellte eine Art Transparenz erzeugende Lotion her. Das funktionierte, weil der Farbstoff den Unterschied im Brechungsindex zwischen Wasser und Lipiden in der Haut verringerte. Dann begann das Team, ihn sanft in ein wenig Polymergel einzumassieren, das die lichtstreuenden Eigenschaften von Gewebe nachahmte. Von dort aus gingen sie zu dünn geschnittenen Hühnerbrüsten und lebenden Mäusen über.
Die „Transparenzlotion“ brauchte nur wenige Minuten, um zu wirken, wenn sie auf die Haut einer Maus aufgetragen wurde. In die rasierte Kopfhaut einmassiert, konnten die Wissenschaftler die zerebralen Blutgefäße mit Hilfe der Laser-Speckle-Kontrast-Bildgebung sehen, einer Technik, die normalerweise eine Entfernung der Kopfhaut erfordert. Auf den Bauch der Maus aufgetragen, machte sie alle inneren Organe, einschließlich Leber, Blase und Dünndarm, mit bloßem Auge sichtbar. Um den Effekt umzukehren und die Haut wieder undurchsichtig zu machen, musste die Lotion nur mit Wasser abgewaschen werden.
Es gab jedoch einige Probleme. Eines davon war, dass Tartrazin das meiste Licht bei Wellenlängen zwischen 257 und 428 Nanometer absorbierte, wodurch wir Violett- und Blautöne sehen konnten. Andererseits hatte es eine minimale Absorption über 600 Nanometer, was bedeutete, dass die transparente Haut alles rot färbte. Das zweite Problem war die Eindringtiefe. Die Lotion wirkte nur an Stellen mit dünner Haut gut und konnte an Stellen mit dickerer Haut nicht tief genug eindringen.
Und schließlich war die Rezeptur nicht universell. Man musste eine Chemikalie finden, die den Brechungsindex von Lipiden in Wasser auflöst, aber die genaue Zusammensetzung der Lotion wurde durch Ausprobieren bestimmt. Wenn es von Maus zu Maus viele Unterschiede gibt, könnte es schwierig werden, eine allgemeingültige Lösung zu finden.
Tätowierungen und Nadeln
Das Problem des tieferen Eindringens in dicke Haut konnte teilweise dadurch gelöst werden, dass die Anwendung etwas schmerzhafter gestaltet wurde. „Die Verwendung von Mikronadelpflaster-Applikatoren oder subkutanen Injektionen könnte helfen, die Moleküle durch dickere Hautschichten zu transportieren“, erklärt Hong. Das Problem des Rotstichs, so schlug er vor, könnte durch das Testen verschiedener Farbstoffe gelöst werden. „Die Forschung in meinem Labor konzentriert sich derzeit auf die Identifizierung von Molekülen mit scharfer Absorption im nahen Ultraviolettbereich, wobei das spektrale Auslaufen in den sichtbaren Bereich minimiert wird, um Gewebetransparenz ohne das Vorhandensein eines Rotstichs zu gewährleisten“, sagte Hong.
„Diese Studie wurde bisher nur an Tieren durchgeführt. Wenn dieselbe Technik jedoch auf Menschen angewendet werden könnte, könnte sie eine Reihe von Vorteilen in den Bereichen Biologie, Diagnostik und sogar Kosmetik bieten“, meint Hong. Zu den Vorteilen, auf die er sich konzentriert, gehören die Bewertung tiefsitzender Tumore ohne Biopsien, weniger belastende Blutuntersuchungen durch einfacheres Auffinden der Venen und sogar Dinge wie eine verbesserte Tattooentfernung per Laser durch präzises Anvisieren des Pigments unter der Haut.
Doch es gibt auch schlechte Nachrichten. Obwohl der Farbstoff FD&C Yellow 5 weithin erhältlich ist, ist es nicht die beste Idee, Hongs Ergebnisse zu Hause nachzubilden und die Transparenzlotion selbst herzustellen. „Wir raten dringend davon ab, dies auf der menschlichen Haut zu versuchen, da die Toxizität von Farbstoffmolekülen beim Menschen, insbesondere bei topischer Anwendung, noch nicht vollständig untersucht wurde“, sagt Hong.
Und am Ende könnte es sogar klappen. „Die menschliche Haut ist deutlich dicker als die Haut von Mäusen, wobei die Hornschicht, die äußerste Schicht der Epidermis, als wesentliche Barriere dient, die den effektiven Transport von Molekülen in die Dermis verhindert“, erklärt Hong.
Wissenschaft, 2024. DOI: 10.1126/science.adm6869
