Investigating tattoo particles in the porcine model using X-ray phase-contrast tomography

Voor miljoenen mensen in geïndustrialiseerde landen is de huid een canvas, versierd met inkt die bewezen heeft voorbij het oppervlak te migreren. Wanneer een tatoeage wordt aangebracht, plaatst de naald pigment diep in de dermis, de dikke laag huid onder het oppervlak. Hoewel het lichaam deze vreemde deeltjes behandelt als een indringer en immuuncellen naar de locatie stuurt, is de langetermijnreis van deze pigmenten grotendeels een mysterie gebleven. Wetenschappers weten al enige tijd dat inktdeeltjes van de huid naar de lymfeklieren kunnen reizen, maar de precieze mechanica van hoe ze bewegen, hoe ze klonteren en hoe het lichaam erover de tijd op reageert, zijn moeilijk te observeren geweest. Deze onzekerheid is bijzonder urgent omdat bepaalde kleuren, vooral rood, bekend staan om het uitlokken van ernstige allergische reacties bij sommige individuen, terwijl het specifieke gedrag van de deeltjes die deze reacties veroorzaken nog niet volledig begrepen is. Zonder een duidelijke manier om deze minuscule deeltjes in levend weefsel te zien, hebben toezichthouders en artsen moeite gehad om de veiligheid van tatoeage-inkt te beoordelen of te verklaren waarom sommige mensen er zo heftig op reageren.

Om dit puzzelstuk op te lossen, heeft een team onderzoekers gebruikgemaakt van een unieke combinatie van geavanceerde beeldvormingsinstrumenten om met ongekende helderheid in de getatoeëerde huid te kijken. Ze kozen ervoor om een varkensmodel te bestuderen, aangezien de huid van een varken qua dikte en textuur nauw overeenkomt met de menselijke huid, wat het een ideale vervanger maakt voor de menselijke biologie. In een gecontroleerd experiment tatoeëerden ze de binnenkant van de dij van varkens met een blauwe inkt en namen ze vervolgens kleine monsters van de huid na één week, twee weken en vier weken na de procedure. Om te zien wat er binnenin gebeurde, vertrouwden ze niet op één enkele methode, maar combineerden ze drie verschillende soorten X-ray- en elektronenbeeldvorming. Eerst gebruikten ze een techniek genaamd micro-computertomografie, die een driedimensionale kaart van het weefsel creëert, waardoor ze de algemene vorm van de huidlagen en de plaatsen waar grote inktklonters zich hadden verzameld, konden zien. Vervolgens zoomden ze in met een veel krachtiger instrument, nano-computertomografie, dat de interne structuur van die klonters kon resolveren om te zien of de individuele deeltjes waren samengesmolten of apart waren gebleven. Tot slot gebruikten ze transmissie-elektronenmicroscopie, een methode die een bundel elektronen gebruikt in plaats van röntgenstraling, om de allerkleinste afzonderlijke deeltjes te visualiseren en de specifieke chemische samenstelling van de inkt te identificeren.

De resultaten onthulden een dynamisch verhaal over de onmiddellijke reactie van het lichaam op de inkt. In het eerste week na het tatoeëren vertoonde de huid aanzienlijke zwelling, een teken dat het immuunsysteem actief reageerde op het vreemde materiaal. De inktdeeltjes hadden zich net onder de buitenste laag van de huid opgehoopt, maar ze lagen niet stil; het weefsel rondom hen was ontstoken. Tegen de tweede week was de zwelling begonnen af te nemen en leek het immuunsysteem te proberen de inktclusters te inkapselen, in feite een poging om ze in te kapselen en uit het lichaam te duwen. Tegen de vierde week was de ontsteking grotendeels verdwenen en hadden de inktdeeltjes een meer stabiele, stationaire positie ingenomen binnen de bovenste laag van de dermis. De onderzoekers observeerden ook dat de inkt zich niet gelijkmatig door de huid verspreidde, maar eerder duidelijke agglomeraten, of klonters, vormde die de beeldvormingsinstrumenten in drie dimensies konden volgen.

De studie onthulde echter ook een significante beperking in de manier waarop we deze deeltjes momenteel meten. Wanneer de onderzoekers probeerden het totale volume van het titaniumdioxidenpigment te berekenen op basis van de beelden, ontdekten ze dat hun scans slechts een fractie van wat er daadwerkelijk aanwezig was, konden detecteren. Ze herstelden slechts ongeveer 6,4 procent van de verwachte inktinhoud. Dit kwam doordat veel van de individuele inktdeeltjes te klein waren om door de grootschalige röntgenscanner te worden gezien, en de deeltjes die wel zichtbaar waren, vaak geen scherpe randen hadden, waardoor ze moeilijk nauwkeurig te tellen waren. De hoogresolutie-nano-imaging toonde aan dat zelfs binnen de zichtbare klonters de individuele deeltjes niet waren versmolten tot één solide massa; in plaats daarvan bleven ze gescheiden door zacht weefsel. Deze bevinding suggereert dat de inkt niet simpelweg oplost of samensmelt tot een uniforme brok, maar een complexe, gefragmenteerde structuur behoudt die moeilijk te kwantificeren is met standaard scanningsmethoden.

Het onderzoek keek ook naar menselijke huidmonsters, waaronder één van een patiënt met een ernstige allergische reactie op een onbekend rood pigment. Hoewel het rode pigment zelf te zwak was om direct door de röntgenscanners te worden gezien, was de schade die het aan het weefsel toebracht duidelijk zichtbaar. De menselijke huid vertoonde een ander reactiepatroon vergeleken met de varkenshuid, met een verdikking en ruptuur van de buitenste huidlaag en een dichte accumulatie van immuuncellen, wat bevestigde dat de rode inkt een agressievere ontstekingsreactie uitlokte. De elektronenmicroscoop was het enige instrument dat in staat was de werkelijke rode pigmentdeeltjes te zien, waarbij werd vastgesteld dat ze veel minder klonterden dan de blauwe inktdeeltjes. Dit verschil in de manier waarop de deeltjes groeperen, gecombineerd met hun zwakke signaal in röntgenscans, verklaart waarom de rode inkt zo moeilijk te detecteren is met standaard beeldvorming en waarom het zulke duidelijke problemen kan veroorzaken voor het immuunsysteem.

Door deze drie beeldvormingstechnieken te combineren, bouwden de onderzoekers een compleet beeld dat varieert van de hele huid tot op het niveau van een enkel nanopartikel. Ze toonden aan dat hoewel grootschalige scans kunnen laten zien waar de inkt heen gaat en hoe de huid zwelt, ze de fijne details van de individuele deeltjes missen. Alleen door hetzelfde monster met steeds krachtigere instrumenten te bekijken, konden ze zien dat de inkt een verzameling aparte deeltjes is die door weefsel bij elkaar worden gehouden, in plaats van één samengesmolten object. Deze multi-schaalbenadering biedt een nieuw kader voor het begrijpen van de veiligheid van tatoeages, waarbij wordt aangetoond dat het gedrag van inkt veel complexer is dan voorheen gedacht. Het suggereert dat toekomstige studies verder moeten kijken dan eenvoudige volumemetingen om te begrijpen hoe deze deeltjes met het lichaam interageren, een cruciale stap voor het verbeteren van de veiligheid van tatoeage-inkten en het beheersen van de allergische reacties die zoveel mensen treffen.