Стеклянные лягушки делают себя прозрачными во время отдыха, забирая эритроциты из кровообращения и пряча их в своей печени. Многопрофильная группа биологов и биомедицинских инженеров показала, как эти лягушки делают себя прозрачными, в исследовании, опубликованном 23 декабря в журнале Science .
Стеклянную лягушку легко не заметить в ее естественной среде. Северная стеклянная лягушка, Hyalinobatrachium fleischmanni, имеет размеры не более нескольких сантиметров, и они наиболее активны ночью, когда их зеленая кожа помогает им слиться с окружающими листьями и листвой.
Но эти земноводные становятся настоящими мастерами маскировки днем, когда они спят.
«Когда стеклянные лягушки отдыхают, их мышцы и кожа становятся прозрачными, и видны только их кости, глаза и внутренние органы », — сказал Карлос Табоада, научный сотрудник Университета Дьюка и соавтор статьи. «Эти лягушки спят на нижней части больших листьев, и когда они прозрачны, они могут идеально соответствовать цветам растительности».
Многие животные в море могут менять цвет своей кожи или становиться полностью прозрачными, но на суше это гораздо менее распространенный набор навыков. Одной из причин, по которой так трудно добиться прозрачности, является наличие эритроцитов в системе кровообращения. Красные кровяные тельца умеют поглощать зеленый свет, который обычно отражается растениями и другой растительностью. В свою очередь, эти богатые кислородом клетки отражают красный свет, делая кровь и, соответственно, кровеносную систему хорошо видимыми, особенно на фоне ярко-зеленого листа.
Стеклянные лягушки — одни из немногих наземных позвоночных, которые могут достигать прозрачности, что сделало их объектом изучения. Табоада впервые начал изучать стеклянных лягушек, будучи научным сотрудником в лаборатории Зёнке Йонсена, профессора биологии Университета Герцога, который специализируется на изучении прозрачности. Работая с Джесси Делией, которая путешествовала по миру, собирая различных стеклянных лягушек для исследования, они заметили, что эритроциты, казалось, исчезали из циркулирующей крови всякий раз, когда лягушки становились прозрачными.
Они провели дополнительные визуальные тесты на животных, доказав с помощью оптических моделей, что животные могли достичь прозрачности, потому что они выталкивали эритроциты из своих сосудов. Он подозревал, что клетки хранятся в одном из внутренних органов лягушки , упакованных в отражающую мембрану.
Для прозрачного животного расшифровать его биологию было невероятно сложно. Исследование опиралось на опыт биологов и биомедицинских инженеров не только из Университета Дьюка, но и из Американского музея естественной истории, Стэнфордского университета и Университета Южной Калифорнии.
«Если эти лягушки бодрствуют, испытывают стресс или находятся под наркозом, их кровеносная система полна эритроцитов, и они непрозрачны», — объяснила Делия, ныне работающая в Американском музее естественной истории. «Единственный способ изучить прозрачность — это когда эти животные счастливо спят, чего трудно добиться в исследовательской лаборатории. Мы действительно бились головой о стену в поисках решения».
Но Табоада узнал о технологии визуализации, называемой фотоакустической микроскопией, или PAM, когда изучал биливердин, соединение, придающее некоторым видам лягушек характерный зеленый цвет. PAM включает в себя попадание безопасного лазерного луча света в ткань, который затем поглощается молекулами и преобразуется в ультразвуковые волны. Затем эти звуковые волны используются для создания подробных биомедицинских изображений молекул. Инструмент визуализации является неинвазивным, тихим, чувствительным и, по счастливой случайности, доступен в Duke.
«PAM — это идеальный инструмент для неинвазивной визуализации эритроцитов, потому что вам не нужно вводить контрастные вещества, что было бы очень сложно для этих лягушек», — объяснил Цзюньцзе Яо, доцент кафедры биомедицинской инженерии Университета Дьюка, специализирующийся на в PAM-технологиях. «Сами эритроциты обеспечивают контраст, потому что разные типы клеток поглощают и отражают свет с разной длиной волны. Мы могли бы оптимизировать наши системы визуализации, чтобы специально искать эритроциты и отслеживать, сколько кислорода циркулирует в телах лягушек».
В своей установке для визуализации лягушки спали вверх ногами в чашке Петри, подобно тому, как они спят на листе, и команда направила на животное зеленый лазер. Красные кровяные тельца в теле лягушки поглощали зеленый свет и излучали ультразвуковые волны, которые затем улавливались акустическим датчиком для отслеживания их местонахождения с высоким пространственным разрешением и высокой чувствительностью .
Результаты были поразительно четкими: когда лягушки спали, они удаляли почти 90 процентов циркулирующих эритроцитов и сохраняли их в своей печени.
В дальнейших тестах команда также увидела, что эритроциты вытекали из печени и циркулировали, когда лягушки были активны, а затем повторно агрегировались в печени, пока лягушки выздоравливали.
«Первичный результат заключается в том, что всякий раз, когда стеклянные лягушки хотят быть прозрачными, что обычно происходит, когда они находятся в состоянии покоя и уязвимы для хищников, они отфильтровывают почти все эритроциты из своей крови и прячут их в печени с зеркальным покрытием — каким-то образом. избегая при этом образования огромного кровяного сгустка», — сказал Джонсен. «Всякий раз, когда лягушкам нужно снова стать активными, они возвращают клетки в кровоток, что дает им метаболическую способность двигаться».
По словам Делии и Табоады, этот процесс поднимает вопрос о том, как лягушки могут безопасно хранить почти все свои эритроциты в печени, не образуя сгустков и не повреждая периферические ткани. Они сказали, что следующим потенциальным шагом может стать изучение этого механизма и того, как он может однажды применяться к сосудистым проблемам у людей.
Эта работа также представляет стеклянных лягушек как полезную модель для исследований, особенно в сочетании с современными фотоакустическими изображениями. Как давние исследователи стеклянной лягушки, они в восторге от новых направлений исследований, которые теперь доступны им и заинтересованным сотрудникам.
«Мы можем узнать больше о физиологии и поведении стеклянной лягушки или использовать эти модели для оптимизации инструментов визуализации для биомедицинской инженерии», — сказал Делия. «Это началось, потому что Карлос и я думали, что эта лягушка делает что-то странное со своей кровью, и это привело к продуктивному сотрудничеству как в Duke, так и по всему миру».
«Наше успешное сотрудничество стало прекрасным примером того, как несколько дисциплин могут совместно продвигать науку самым синергетическим образом», — сказал Яо. «Мы очень рады будущему взаимодействию между командами биологов и инженеров. Со всей мощью на борту нет предела возможностям».
