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[Jannis]

100% Kryoprotektion ... also demnächst Hibernation?

 

Nur für die roten Blutzellen... der Rest ist trotzdem Matschepampe  

[Fermentarius]

An das Paper komme ich leider nicht ran, ich habe nur den Abstract. Danach hört sich das an, als hätte die Autoren rote Blutkörperchen in eine Art Kieselalgen verwandelt. Kryoprotektion soll wohl bedeuten, dass man Blutkonserven dann komplett einfrieren kann. Bisher besteht immer die Gefahr, dass sich beim Auftauen Eiskristalle bilden, die dann die Zellen auseinanderreißen. Wie das Siliziumhülle das verhindern soll, ist aus dem Abstract nicht recht zu entnehmen. Die andere Frage ist, ob die Blutzellen durch die Siliziumhülle starrer werden. Sie würden dann Mikrothrombosen verursachen, weil die roten Blutzellen nur die kleinsten Blutgefäße passen, wenn sie sich verformen. Das Problem ist von der Sichelzellanämie bekannt, weil die roten Blutzellen bei dieser Krankheit zu hart sind. Auch bei Long Covid wird diskutiert, ob die roten Blutkörperchen nach der COVID-Infektion eventuell steifer sind und die Durchblutung auf Kapillarebene beeinträchtigen.

Die Silizium-Hülle könnte ähnliche Probleme hervorrufen. Und was passiert mit der Hülle, wenn die Zellen sterben? Löst sie sich zuverlässig auf? Ist sie nierengängig? Löst sie eventuell selbst Immunreaktionen oder allergische Reaktionen hervor?

Im Abstract steht dazu nicht viel, ich will mal sehen, ob ich an das komplette Paper komme.

[Jannis]

Wer hat bisher nicht davon geträumt in einen lebenden und funktionierenden Organismus zu schauen, ganz ohne MRT, CT oder Ultraschall.

 

Einen (überraschend einfachen) ersten Schritt in diese Richtung beschreibt eine Forschergruppe von der Stanford University in Science:

 

Editor’s summary

Optical imaging of biological tissues is hindered by the scattering and, to a lesser extent, absorption of light that limits the penetration depth. Ou et al. addressed this problem through an approach that at first may seem counterintuitive: the introduction of highly absorbing molecules (see the Perspective by Rowlands and Gorecki). The authors show that the addition of common dye molecules that absorb in the near ultraviolet and blue regions improve optical transparency in nearby longer wavelengths. In essence, by causing sharp absorption in the blue region, the refractive index in the red part of the spectrum is increased without increasing absorption. The addition of tartrazine was able to make the skin of a live rodent temporarily transparent. —Marc S. Lavine

Structured Abstract

INTRODUCTION

A challenge in trying to image biological matter is that its complex structure causes opacity because of unwanted light scattering. This scattering results from refractive index mismatches among the components of biological tissues, limiting the penetration depth of optical imaging. The desire to see inside biological tissue and uncover the fundamental processes of life has spurred extensive research into deep-tissue optical imaging methods, such as two-photon microscopy, near-infrared-II fluorescence imaging, and optical tissue clearing. However, these methods either lack sufficient penetration depth and resolution or are unsuitable for living animals. Therefore, the ability to achieve optical transparency in live animals holds promise for transforming many optical imaging techniques.

RATIONALE

We hypothesized that strongly absorbing molecules can achieve optical transparency in live biological tissues. By applying the Lorentz oscillator model for the dielectric properties of tissue components and absorbing molecules, we predicted that dye molecules with sharp absorption resonances in the near-ultraviolet spectrum (300 to 400 nm) and blue region of the visible spectrum (400 to 500 nm) are effective in raising the real part of the refractive index of the aqueous medium at longer wavelengths when dissolved in water, which is in agreement with the Kramers-Kronig relations. As a result, water-soluble dyes can effectively reduce the RI contrast between water and lipids, leading to optical transparency of live biological tissues.

RESULTS

Following our theory, we found that an aqueous solution of a common food color approved by the US Food and Drug Administration, tartrazine, has the effect of reversibly making the skin, muscle, and connective tissues transparent in live rodents. We conducted experiments in both tissue-mimicking scattering hydrogels and ex vivo biological tissues. These tests confirmed the mechanism underlying our observations and showcased the achievable spatial resolution down to the micrometer level through millimeters of scattering medium once transparency is attained. By using absorbing dye molecules, we can transform the typically opaque abdomen of a live mouse into a transparent medium. This “transparent abdomen” allows for direct visualization of fluorescent protein–labeled enteric neurons, capturing their movements that mirror the underlying gut motility in live mice. This enabled us to generate time-evolving maps that depict mouse gut motility and the diversity of movement patterns. To demonstrate the generalizability of this approach, we also applied dye solutions topically to the scalp of a mouse head for visualizing cerebral blood vessels and to the mouse hindlimb for high-resolution microscopic imaging of muscle sarcomeres.

CONCLUSION

Overall, we report the counterintuitive observation that strongly absorbing molecules can achieve optical transparency in live animals. The Lorentz oscillator model, which underlies this unusual observation, predicts that molecules with low resonance frequencies (long absorption wavelengths), sharp absorption peaks, and rich delocalized electrons are more effective candidates at raising the refractive index of the aqueous medium than are conventional optical clearing agents. Our approach also presents opportunities for visualizing the structure, activity, and functions of deep-seated tissues and organs without the need for surgical removal or the replacement of overlying tissues with transparent windows. Some limitations remain for this method, including reduced but not eliminated scattering owing to the challenge of matching refractive indices in heterogeneous tissues and achievable penetration depth depending on the diffusion of absorbing molecules.

 

Übersetzung:

**Zusammenfassung des Herausgebers**

Die optische Bildgebung biologischer Gewebe wird durch die Streuung und, in geringerem Maße, durch die Absorption von Licht behindert, was die Eindringtiefe begrenzt. Ou et al. haben dieses Problem durch einen Ansatz gelöst, der auf den ersten Blick kontraintuitiv erscheinen mag: die Einführung stark absorbierender Moleküle (siehe die Perspektive von Rowlands und Gorecki). Die Autoren zeigen, dass die Zugabe von gewöhnlichen Farbstoffmolekülen, die im nahen Ultraviolett- und Blaulichtbereich absorbieren, die optische Transparenz in benachbarten längeren Wellenlängen verbessert. Im Wesentlichen wird durch die starke Absorption im blauen Bereich der Brechungsindex im roten Teil des Spektrums erhöht, ohne die Absorption zu erhöhen. Die Zugabe von Tartrazin konnte die Haut eines lebenden Nagetiers vorübergehend transparent machen. —Marc S. Lavine

 

**Strukturierte Zusammenfassung**

 

**EINLEITUNG**

Eine Herausforderung bei der Bildgebung biologischer Materie besteht darin, dass ihre komplexe Struktur aufgrund unerwünschter Lichtstreuung Opazität verursacht. Diese Streuung resultiert aus Brechungsindexunterschieden zwischen den Komponenten biologischer Gewebe, was die Eindringtiefe der optischen Bildgebung begrenzt. Der Wunsch, in biologisches Gewebe hineinzusehen und die grundlegenden Lebensprozesse zu entdecken, hat umfangreiche Forschungen zu tiefenoptischen Bildgebungsverfahren wie der Zwei-Photonen-Mikroskopie, der Nahinfrarot-II-Fluoreszenzbildgebung und der optischen Gewebeklarstellung angeregt. Diese Methoden haben jedoch entweder nicht ausreichende Eindringtiefe und Auflösung oder sind für lebende Tiere ungeeignet. Daher verspricht die Fähigkeit, optische Transparenz bei lebenden Tieren zu erreichen, viele optische Bildgebungstechniken zu transformieren.

 

**GRUNDLAGE**

Wir vermuteten, dass stark absorbierende Moleküle optische Transparenz in lebenden biologischen Geweben erreichen können. Durch Anwendung des Lorentz-Oszillatormodells für die dielektrischen Eigenschaften von Gewebekomponenten und absorbierenden Molekülen sagten wir voraus, dass Farbstoffmoleküle mit scharfen Absorptionsresonanzen im nahen Ultraviolettspektrum (300 bis 400 nm) und im blauen Bereich des sichtbaren Spektrums (400 bis 500 nm) wirksam sind, um den realen Teil des Brechungsindex des wässrigen Mediums bei längeren Wellenlängen zu erhöhen, wenn sie in Wasser gelöst sind, was mit den Kramers-Kronig-Beziehungen übereinstimmt. Infolgedessen können wasserlösliche Farbstoffe den RI-Kontrast zwischen Wasser und Lipiden effektiv reduzieren, was zur optischen Transparenz lebender biologischer Gewebe führt.

 

**ERGEBNISSE**

Entsprechend unserer Theorie fanden wir heraus, dass eine wässrige Lösung eines von der US-amerikanischen Food and Drug Administration zugelassenen Lebensmittelfarbstoffs, Tartrazin, die Haut, Muskeln und Bindegewebe lebender Nagetiere reversibel transparent machen kann. Wir führten Experimente sowohl in gewebemimetischen Streuhydrogelen als auch in ex vivo biologischen Geweben durch. Diese Tests bestätigten den Mechanismus, der unseren Beobachtungen zugrunde liegt, und zeigten die erreichbare räumliche Auflösung bis in den Mikrometerbereich durch Millimeter von Streumedium, sobald Transparenz erreicht ist. Durch die Verwendung absorbierender Farbstoffmoleküle können wir den typischerweise undurchsichtigen Bauch eines lebenden Maus in ein transparentes Medium verwandeln. Dieser „transparente Bauch“ ermöglicht die direkte Visualisierung von fluoreszenzmarkierten enterischen Neuronen und die Erfassung ihrer Bewegungen, die die zugrunde liegende Darmmotilität in lebenden Mäusen widerspiegeln. Dies ermöglichte es uns, sich zeitlich entwickelnde Karten zu erstellen, die die Darmmotilität der Maus und die Vielfalt der Bewegungsmuster darstellen. Um die Generalisierbarkeit dieses Ansatzes zu demonstrieren, haben wir auch Farbstofflösungen topisch auf die Kopfhaut eines Mauskopfes aufgetragen, um zerebrale Blutgefäße zu visualisieren, und auf die Hintergliedmaße der Maus für hochauflösende mikroskopische Bildgebung von Muskelsarkomeren.

 

**SCHLUSSFOLGERUNG**

Insgesamt berichten wir über die kontraintuitive Beobachtung, dass stark absorbierende Moleküle optische Transparenz bei lebenden Tieren erreichen können. Das Lorentz-Oszillatormodell, das dieser ungewöhnlichen Beobachtung zugrunde liegt, sagt voraus, dass Moleküle mit niedrigen Resonanzfrequenzen (langen Absorptionswellenlängen), scharfen Absorptionsspitzen und reichlich delokalisierten Elektronen wirksamere Kandidaten zur Erhöhung des Brechungsindex des wässrigen Mediums sind als herkömmliche optische Klärmittel. Unser Ansatz bietet auch Möglichkeiten zur Visualisierung der Struktur, Aktivität und Funktionen tief liegender Gewebe und Organe, ohne dass eine chirurgische Entfernung oder der Ersatz überlagernder Gewebe durch transparente Fenster erforderlich ist. Einige Einschränkungen bestehen weiterhin für diese Methode, einschließlich reduzierter, aber nicht eliminierter Streuung aufgrund der Herausforderung, Brechungsindizes in heterogenen Geweben abzugleichen, und der erreichbaren Eindringtiefe, die von der Diffusion der absorbierenden Moleküle abhängt.

 

Quelle:

Zihao Ou et al. ,Achieving optical transparency in live animals with absorbing molecules. Science 385,eadm6869(2024).DOI:10.1126/science.adm6869, https://www.science....science.adm6869