Un colorante amarillo hace transparentes a animales vivos

Mediante la aplicación tópica a un ratón vivo de un colorante alimentario común –la tartrazina–, que absorbe fuertemente la luz, investigadores de la Universidad de Stanford (EE UU) han conseguido hacer transparentes sus tejidos.

Así han podido observar los vasos sanguíneos del cuero cabelludo y superficie del cerebro, el movimiento de los órganos situados bajo la piel del abdomen y las diminutas unidades contráctiles del músculo en funcionamiento. Los detalles se publican esta semana en la revista Science.

A través de la piel transparente del ratón se han podido ver los vasos sanguíneos del cuero cabelludo y el movimiento de los órganos del abdomen

El colorante empleado disuelto en agua (conocido como FD&C Yellow 5 en Estados Unidos, amarillo 5 en Hispanoamérica y aditivo E 102 en la Unión Europea) se utiliza a menudo en las patatas fritas de aperitivo, las coberturas de caramelos y otros alimentos de color naranja o amarillento.

El investigador Zihao Ou sostiene un vial con el colorante alimentario amarillo tartrazina en solución. / University of Texas at Dallas

Los autores han combinado este colorante, que absorbe la mayor parte de la luz azul y ultravioleta, con un medio de dispersión de la luz como es la piel. Por separado, estos dos componentes bloquean la mayoría de los rayos lumínicos, pero al juntarlos se logra la transparencia del tejido externo que cubre el animal.

La piel se volvió transparente tras aplicar el colorante tartrazina disuelto en agua, un proceso reversible y seguro

“El tejido biológico es una compleja combinación de agua (con bajo índice de refracción) y biomoléculas como lípidos y proteínas (que tienen alto índice de refracción); y al igual que ocurre con una mezcla de agua y aceite, la luz se dispersa en todas las direcciones al propagarse por el tejido, lo que provoca opacidad óptica”, explica a SINC el autor principal, Zihao Ou, que desde Stanford se acaba de incorporar como profesor de Física en la Universidad de Texas en Dallas.

“Pero al introducir en ese medio acuoso moléculas fuertemente absorbentes de la luz, como la tartrazina, el índice de refracción de la solución en determinadas longitudes de onda aumenta (según unas ecuaciones matemáticas llamadas relaciones de Kramers-Kronig) y las diferencias de índice de refracción en los tejidos biológicos disminuyen considerablemente. Esto reduce la dispersión de la luz en el tejido biológico y se vuelve visualmente transparente”.

En esencia, las moléculas de colorante reducen el grado de dispersión de la luz en el tejido cutáneo, como si se disipara un banco de niebla.

Tras la aplicación de la tartrazina disuelta se observó el flujo sanguíneo en la superficie del cerebro vivo de ratón. El efecto de transparencia de la piel es reversible y desaparece tras eliminar el colorante. / Stanford University/Gail Rupert/USNSF

Los investigadores descubrieron las ventajas de la tartrazina y otras moléculas absorbentes para lograr la transparencia a partir de conocimientos básicos del campo de la óptica y realizando predicciones sobre cómo interactúa la luz con los tejidos biológicos teñidos.

Pechuga de pollo transparente

Primero probaron sus predicciones con finas lonchas de pechuga de pollo. A medida que aumentaban las concentraciones del colorante, el índice de refracción del fluido dentro de las células musculares aumentaba, hasta que coincidía con el índice de refracción de las proteínas musculares. Como resultado, la loncha se volvía transparente.

Loncha de pechuga de pollo que pasa del típico aspecto opaco de la carne a la transparencia tras su inmersión en una solución de tartrazina. / Hong Lab and the Brongersma Lab at Stanford University/AAAS

Después, en sus experimentos con ratones, los autores frotaron la solución de agua y tartrazina sobre la piel de su cráneo y abdomen. Una vez que el tinte se había difundido por completo en ese tejido era cuando, en unos minutos, este se volvía transparente, aunque con un tono anaranjado.

Efecto temporal y reversible

El efecto de transparencia es temporal y reversible, ya que puede deshacerse con un lavado rápido del colorante. La cantidad que ha penetrado en la piel se metaboliza y se elimina a través de la orina. A diferencia de otros métodos utilizados para aumentar la transparencia, estas sustancias no dañan a los animales vivos.

Así, a través de la piel transparente del cráneo del ratón, los investigadores pudieron ver directamente los vasos sanguíneos de la superficie del cerebro. En el abdomen, observaron los órganos internos y el peristaltismo, las contracciones musculares que mueven el contenido por el tubo digestivo.

Los científicos han conseguido que la piel del cráneo y el abdomen de ratones vivos se vuelva transparente aplicando en esas zonas una mezcla de agua y un colorante alimentario amarillo común llamado tartrazina. / Zihao Ou/BioRender.com

“Es importante que el colorante sea biocompatible, es decir, seguro para los organismos vivos”, apunta Ou, quien destaca que, además, “es muy barato y eficaz: no necesitamos mucha cantidad para que funcione”.

Futura aplicación en humanos

Los autores aún no han probado el proceso en la piel de humanos, que es unas 10 veces más gruesa que la de un ratón, pero se podría hacer en el futuro. De momento no está claro qué dosis de colorante o método de administración serían necesarios para penetrar en todo el grosor.

“La física fundamental que subyace a la opacidad óptica es la misma entre la piel humana y la de ratón”, subraya el profesor, “y prevemos que no hay ningún límite esencial en la aplicación de nuestra invención a las personas. Lo que sí se requiere es una estrategia de administración del fármaco y un diseño de la receta más eficientes y precisos para lograr unas condiciones óptimas de obtención de imágenes con unos efectos adversos mínimos”.

La física fundamental que subyace a la opacidad óptica es la misma entre la piel humana y la de ratón, y prevemos que no hay ningún límite esencial en la aplicación de nuestra invención a las personas

Zihao Ou (Stanford/UTDallas)

El investigador adelanta que una de las primeras aplicaciones de la técnica probablemente será mejorar los actuales métodos de investigación en imagen óptica: “Cuando vimos los resultados de nuestros experimentos enseguida pensamos en cómo esto podría mejorar la investigación biomédica. Los equipos ópticos, como el microscopio, no se utilizan directamente para estudiar seres humanos o animales vivos porque la luz no puede atravesar el tejido vivo. Pero ahora que podemos hacer que el tejido sea transparente, nos permitirá observar una dinámica más detallada. Revolucionará por completo la investigación óptica actual en biología”.

Esta técnica revolucionará por completo la investigación óptica actual en biología

Zihao Ou (Stanford/UTDallas)

“Aparte de eso –continúa–, debido a su carácter no invasivo único, también permitirá investigaciones de cuestiones biológicas crónicas que abarcan un tiempo relativamente largo, como la metástasis del cáncer y la enfermedad de Alzheimer. Además, prevemos la posible aplicación clínica de esta invención para el diagnóstico precoz de otras patologías y la vigilancia de la salud en las personas”.

También recuerda que muchas plataformas de diagnóstico médico son caras e inaccesibles para un público amplio, “pero las basadas en nuestra tecnología no deberían serlo”.

Pasos siguientes

Los siguientes pasos de la investigación consistirán en determinar qué dosis de la molécula de colorante puede funcionar mejor en los tejidos humanos. Por otra parte, los autores ya están experimentando con otras moléculas, incluidos materiales artificiales, que podrían ser más eficaces que la tartrazina.

Este estudio ha sido subvencionado por organismos federales de EE UU como los Institutos Nacionales de la Salud (NIH), la Fundación Nacional de la Ciencias (NSF) y la Oficina de Investigación Científica de las Fuerzas Aéreas. Los autores ya han solicitado la patente de esta tecnología.

Ilustración de los tejidos de la piel que se vuelven transparentes tras la aplicación del colorante disuelto, incluidas las trayectorias de los fotones que se reflejan en los tejidos no teñidos. / Keyi «Onyx» Li/U.S. National Science Foundation

Referencia:

Zihao Ou et al. “Achieving optical transparency in live animals with absorbing molecules”. Science, 2024