Transparența țesuturilor in vivo
Mihail Inyushin
1 Departamentul de fiziologie, Central Caribbean University, Bayamon, PR 00960, SUA
Daria Meshalkina
2 Institutul Sechenov de Fiziologie și Biochimie Evolutivă, St. Petersburg 194064, Rusia
Lidia Zueva
1 Departamentul de fiziologie, Central Caribbean University, Bayamon, PR 00960, SUA
Astrid Zayas-Santiago
1 Departamentul de fiziologie, Central Caribbean University, Bayamon, PR 00960, SUA
Abstract
Transparența țesutului in vivo în spectrul de lumină vizibilă este benefică pentru multe aplicații de cercetare care utilizează metode optice, indiferent dacă implică imagistica optică in vivo a celulelor sau activitatea lor sau intervenția optică pentru a afecta celulele sau activitatea lor în adâncul țesuturilor, cum ar fi țesutul cerebral . Opinia clasică este că un țesut este transparent dacă nu absoarbe și nici nu împrăștie lumina și, prin urmare, absorbția și împrăștierea sunt elementele cheie care trebuie controlate pentru a atinge transparența necesară. Această revizuire se concentrează pe cele mai recente abordări genetice și chimice pentru decolorarea pigmenților tisulari pentru a reduce absorbția luminii vizibile și metodele de reducere a împrăștierii în țesuturile vii. De asemenea, discutăm posibilele molecule implicate în transparență.
1. Introducere
Multe animale au țesuturi transparente sau sunt complet transparente în viața lor de zi cu zi. Unele pot chiar să devină complet transparente după dorință, cum ar fi anumite moluște cefalopode care își schimbă adsorbția ușoară a pielii (Zylinski și Johnsen, 2011) [1], în funcție de indicii de adâncime picturale și de iluminarea direcțională (Zylinski și colab., 2016) [ 2]. Animalele cu transparență naturală au avantaje semnificative pentru cercetare, extinzând gama de posibilități pentru aplicarea diferitelor metode optice (Fetcho și O'Malley, 1995; O'Malley și colab., 2003; White și colab., 2008; Bin și Lyons, 2016; Antinucci și Hindges, 2016; Harrison și colab., 2016; Nicolson, 2017; Saleem și Kannan, 2018) [3,4,5,6,7,8,9,10]. Chiar dacă animalul nu este în general transparent, are de obicei celule transparente vii specializate, cel puțin în sistemul vizual al animalului, iar această transparență celulară poate fi analizată în mod specific (Zayas și colab., 2018) [11]. Se pun întrebări: De ce unele celule vii sunt transparente, în timp ce altele nu? Putem menține celulele vii în timp ce le facem transparente in vivo în scopuri tehnice? Putem face animalele transparente sau cel puțin parțial transparente sau să dezvoltăm țesuturi și organe animale transparente in vivo?
Opinia clasică este că un țesut este transparent dacă nu absoarbe și nici nu împrăștie lumina. Astfel, absorbția și împrăștierea sunt elementele cheie care trebuie controlate pentru a atinge transparența necesară a țesuturilor.
Cu excepția câtorva pigmenți, majoritatea moleculelor organice din celulă nu au capacitatea de a absorbi lumina vizibilă. Astfel, (1) eliminarea acestor pigmenți va reduce absorbția și va produce decolorarea. Acest lucru poate fi realizat chimic prin adăugarea de substanțe reactive care elimină pigmenți specifici sau genetic identificând mutații specifice care perturbă biosinteza pigmentului. După eliminarea pigmenților, motivul principal pentru orice opacitate rămasă a țesuturilor organice este împrăștierea luminii (Brunsting și Mullaney, 1974; Tardieu și Delaye, 1988) [12,13].
2. Metode de reducere a absorbției luminii
2.1. Decolorarea chimică a pigmenților
2.2. Abordarea genetică a îndepărtării pigmenților
3. Metode de reducere a dispersiei luminii
3.1. Reducerea chimică a dispersiei in vivo
3.2. Abordare genetică pentru reducerea împrăștierii
După cum am menționat deja, există o nepotrivire RI între citoplasmă și organitele celulare, precum și între celule și fluidul interstițial, care produce împrăștiere optică de către țesutul viu, iar un OCA livrat în citoplasmă poate reduce această nepotrivire. Cu toate acestea, în loc să livreze un OCA sintetic extern țesutului, acesta poate fi sintetizat chiar de celulă. Se pune întrebarea: Ce OCA endogene sunt utilizate în natură pentru a face țesuturile animale transparente (de exemplu, țesutul transparent din ochi) și cum putem manipula și concentra genetic această substanță în celulă? În prezent, majoritatea studiilor publicate au încercat să identifice mai întâi OCA naturală și genele de sinteză corespunzătoare, astfel încât să se poată aplica o abordare genetică și există două clase moleculare principale de OCA endogene care au fost identificate.
3.2.1. Glicozaminoglicanii și proteinele antigel la pește
3.2.2. Cristalinele
Celulele din tractul optic al vertebratelor sunt copleșitor de transparente. Proteinele solubile specifice cu greutate moleculară mică numite cristaline (datorită cristalinului) se găsesc în abundență deosebit de mare în citoplasma multor celule ale tractului optic al vertebratelor. Cantități mari de cristaline au fost descoperite în citoplasma celulelor corneene, atât în celulele epiteliale ale corneei, cât și în keratocitele stromale (Krishnan și colab., 2007; Jester, 2008) [69,70]. În mod similar, cristalinele sunt abundente în citoplasma celulelor fibroase foarte alungite în lentila vertebratelor și în celulele epiteliale ale lentilei (Delaye și Tardieu, 1983; Horwitz și colab., 1999; Andley și colab., 2009) [71,72,73] . În retină, cristalinele cu greutate moleculară de 23 kDa (corespunzătoare atât cristalinei αA-, cât și αB) au fost descrise în celulele Müller de broască (anuran) (Simirskiĭ și colab., 2003) [74] și s-a găsit cristalin αA în celulele fotoreceptoare ale șoarecilor și șobolanilor (Deretic și colab., 1994; Maeda și colab., 1999) [75,76]. Recent am descris cristalinul α și, în mod specific, cristalinul αA, în interiorul celulelor și fotoreceptorilor Muller de șobolan (Zayas-Santiago și colab., 2018) [11].