史丹佛大學的研究人員發現，美國食品藥物管理局批准的一種常見食用色素檸檬黃的水溶液具有可逆地使活體囓齒動物的皮膚、肌肉和結締組織透明的作用。

FD & C Yellow 5 飽和後皮膚組織呈現透明的插圖，包括未染色組織反射的光子路徑。圖片來源：Keyi ‘Onyx’ Li / 美國國家科學基金會。

「我們將黃色染料（一種吸收大部分光（尤其是藍光和紫外線）的分子）與皮膚（一種散射介質）結合。研究第一作者Zihao Ou 博士說：「單獨而言，這兩件事會阻擋大部分光線穿過它們。」在8 月加入德州大學達拉斯分校之前，他與同事在史丹佛大學擔任博士後研究員期間進行了這項研究。

“但是當我們將它們放在一起時，我們能夠實現滑鼠皮膚的透明度。”

為了掌握這項新技術，歐博士和同事開發了一種方法來預測光如何與染色的生物組織相互作用。

這些預測需要深入了解光散射以及折射過程，其中光從一種材料傳播到另一種材料時會改變速度並彎曲。

散射是我們無法透視身體的原因：脂肪、細胞內的液體、蛋白質和其他材料都有不同的折射率，而這項特性決定了入射光波的彎曲程度。

在大多數組織中，這些材料緊密地壓在一起，因此不同的折射率會導致光在穿過時發生散射。我們的眼睛將其解釋為不透明的有色生物材料的散射效應。

研究人員意識到，如果他們想讓生物材料變得透明，他們必須找到一種方法來匹配不同的折射率，讓光線可以暢通無阻地穿過。

基於光學領域的基本見解，研究人員意識到，最有效吸收光的染料也可以非常有效地透過各種折射率均勻地引導光。

科學家預測一種特別有效的染料是檸檬黃，這種食用染料通常被稱為 FD & C Yellow 5。

事實證明，他們是正確的：當溶解到水中並被組織吸收時，檸檬黃分子的結構完美匹配折射率並防止光散射，從而產生透明度。

作者首先用雞胸肉薄片測試了他們的預測。

隨著檸檬黃濃度的增加，肌肉細胞內液體的折射率上升，直到與肌肉蛋白質的折射率相符——切片變得透明。

然後，他們輕輕地將臨時檸檬黃溶液塗抹在小鼠身上。

首先，他們將溶液塗在頭皮上，使皮膚透明，露出大腦中縱橫交錯的血管。

接下來，他們將溶液塗在腹部，幾分鐘內就會褪色，顯示腸道收縮以及心跳和呼吸引起的運動。

此技術解析了微米尺度的特徵，甚至增強了顯微鏡觀察。

當染料被沖洗掉後，組織很快就恢復到正常的不透明度。

檸檬黃似乎沒有長期作用，過量的檸檬黃會在 48 小時內透過廢物排出體外。

「重要的是，染料具有生物相容性——它對生物體是安全的，」歐博士說。

「此外，它非常便宜且有效率；我們不需要太多的東西就能發揮作用。

該團隊尚未在人類身上測試該過程，人類的皮膚比老鼠的皮膚厚​​約 10 倍。

「目前尚不清楚需要多少劑量的染料或傳遞方法才能滲透整個厚度，」歐博士說。

“在人類醫學中，我們目前使用超音波來更深入地觀察生命體內部。”

“許多醫療診斷平台非常昂貴，無法被廣大受眾使用，但基於我們技術的平台不應該如此。”

該研究發表在本週的雜誌上 科學。

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歐子豪 等人。 2024.利用吸收分子在活體動物中實現光學透明。 科學 385（6713）； DOI：10.1126/science.adm6869

本文改編自美國國家科學基金會和德州大學達拉斯分校的原始版本。