Стеклянные лягушки делают себя прозрачными во время отдыха, забирая красные кровяные тельца из кровообращения и пряча их в своей печени. Междисциплинарная команда биологов и биомедицинских инженеров показала, как эти лягушки становятся прозрачными в исследовании, которое появилось 23 декабря в журнале Science.

Легко пропустить стеклянную лягушку в ее естественной среде обитания. Северная стеклянная лягушка, Hyalinobatrachium fleischmanni, имеет размеры не более нескольких сантиметров, и они наиболее активны ночью, когда их зеленая кожа помогает им сливаться с окружающей листвой.

Но эти амфибии становятся настоящими мастерами маскировки днем, когда они спят.

"Когда стеклянные лягушки отдыхают, их мышцы и кожа становятся прозрачными, а кости, глаза и внутренние органы - это все, что видно", - сказал Карлос Табоада, аспирант Duke и один из первых авторов статьи. "Эти лягушки спят на нижней части больших листьев, и когда они прозрачны, они могут идеально сочетаться с цветами растительности".

Многие животные в море могут менять цвет своей кожи или становиться полностью прозрачными, но на суше это гораздо менее распространенный набор навыков. Одна из причин, по которой так трудно достичь прозрачности, заключается в наличии красных кровяных телец в системе кровообращения. Красные кровяные тельца способны поглощать зеленый свет, который является цветом света, обычно отражаемого растениями и другой растительностью. В свою очередь, эти богатые кислородом клетки отражают красный свет, делая кровь - и, следовательно, кровеносную систему — хорошо видимой, особенно на фоне ярко—зеленых листьев.

Стеклянные лягушки - одни из единственных наземных позвоночных, которые могут достигать прозрачности, что сделало их объектом для изучения. Табоада впервые начал изучать стеклянных лягушек в качестве постдокторанта в лаборатории Сенке Йонсена, профессора биологии в Дьюке, который специализируется на изучении прозрачности. Работая с Джесси Делией, которая путешествовала по всему миру, собирая для исследования различных стеклянных лягушек, они заметили, что эритроциты, казалось, исчезали из циркулирующей крови всякий раз, когда лягушки становились прозрачными.

Они провели дополнительные тесты визуализации на животных, доказав с помощью оптических моделей, что животные смогли достичь прозрачности, потому что они выталкивали красные кровяные тельца из своих сосудов. Он подозревал, что клетки хранятся в одном из внутренних органов лягушки, которые упакованы в отражающую мембрану.

Для прозрачного животного его биология была шокирующе сложной для расшифровки. В исследовании использовался опыт биологов и инженеров-биомедицинцев 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 красных кровяных телец, и они непрозрачны", - объяснила Делия, ныне аспирант Американского музея естественной истории. "Единственный способ изучить прозрачность - это если эти животные счастливо спят, чего трудно достичь в исследовательской лаборатории. Мы действительно бились лбами о стену в поисках решения".

Но Табоада узнал о технологии визуализации, называемой фотоакустической микроскопией, или ПЭМ, когда он изучал биливердин, соединение, которое придает определенным видам лягушек их характерный зеленый цвет. ПЭМ включает в себя попадание безопасного лазерного луча света в ткань, который затем поглощается молекулами и преобразуется в ультразвуковые волны. Эти звуковые волны затем используются для создания детальных биомедицинских изображений молекул. Инструмент визуализации неинвазивен, бесшумен, чувствителен и, по счастливой случайности, доступен в Duke.

"ПЭМ - 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 в Duke, который специализируется на технологиях ПЭМ. "Красные кровяные тельца сами по себе обеспечивают контраст, потому что разные типы клеток поглощают и отражают разные длины волн света. Мы могли бы оптимизировать наши системы визуализации, чтобы специально искать эритроциты и отслеживать, сколько кислорода циркулирует в организме лягушки ".

В своей системе визуализации лягушки спали вверх ногами в чашке Петри, подобно тому, как они спали бы 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 ясны: когда лягушки спали, они удаляли почти 90 процентов циркулирующих красных кровяных телец и сохраняли их в печени.

В ходе дальнейших тестов команда также увидела, что эритроциты вытекали из печени и циркулировали, когда лягушки были активны, а затем повторно агрегировались в печени, пока лягушки выздоравливали.

"Основной результат заключается в том, что всякий раз, когда стеклянные лягушки хотят быть прозрачными, а это 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 образования огромного кровяного сгустка в процессе". сказал Джонсен. "Всякий раз, когда лягушкам нужно снова стать активными, они возвращают клетки в кровоток, что дает им метаболическую способность передвигаться".

По словам Делии и Табоады, этот процесс поднимает вопросы о том, как лягушки могут безопасно хранить почти все свои эритроциты в печени, не свертываясь и не повреждая периферические ткани. По их словам, одним из потенциальных следующих шагов может стать изучение этого механизма и того, как он однажды может быть применен к сосудистым проблемам у людей.

Эта работа также представляет стеклянных лягушек в качестве полезной модели для исследований, особенно в сочетании с современной фотоакустической визуализацией. Как давние исследователи glassfrog, 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 мы можем использовать эти модели для оптимизации инструментов визуализации для биомедицинской инженерии", - сказала Делия. "Это началось потому, что мы с Карлосом подумали, 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 отличным примером того, как различные дисциплины могут совместно продвигать науку наиболее синергетическим образом", - сказал Яо. "Мы чрезвычайно взволнованы будущим взаимодействием между биологическими и инженерными командами. Со всей силой на борту небо - это предел".