只需几分钟，用常见的食用色素涂抹小鼠，就可以使它们的皮肤几乎像玻璃一样透明。
在一项发表于《科学》(Science) 杂志的研究中，研究人员将 tartrazine 溶液（一种常见的食品、药品和化妆品着色剂）涂抹在活体小鼠身上，使其部分组织变得透明，从而创造了一个临时的窗口，可以观察到它们的血管、肌肉和内脏器官。该程序尚未在人体上进行测试，但未来有一天可能会提供一种无需专门的成像设备或侵入性手术即可查看和监测损伤或疾病的方法。
与大多数哺乳动物组织一样，皮肤高度不透明，因为其水、密集堆积的脂质、蛋白质和其他必需分子的混合物会向各个方向散射光。“这个概念类似于起泡的水，”该研究的主要作者、达拉斯德克萨斯大学的物理学家 Zihao Ou 说。水和空气单独都是透明的，但混合在一起会形成浑浊的微气泡，Ou 补充道。想想奔腾的河流或汹涌的波浪。清晰度会发生变化，因为水和空气分子的折射率不同——光线穿过物体或物质时弯曲的程度。啮齿动物或人类皮肤中的脂肪和蛋白质的折射率通常高于水，从而产生您无法看穿的对比度。
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模拟人体组织光学分布的 hydrogel 样本，显示 tartrazine 浓度不断增加。
Guosong Hong/斯坦福大学
在这项新研究中，Ou 和他的同事寻找可以使皮肤层内各种折射率更相似的吸光分子，从而基本上减少散射光的量。
该团队研究了 21 种不同的合成染料，最终选定了高吸收性的 tartrazine，更常被称为黄色 5 号。这种鲜亮的柠檬黄色着色剂已获得美国食品和药物管理局的批准，可在限量范围内使用，常见于薯片、苏打水、糖果、黄油、维生素和药片中。溶液中的 Tartrazine 增加了红色和黄色光的折射率，并吸收了近紫外线和蓝色光谱中大部分波长的光。当染料应用于小鼠皮肤时，这些综合效应会减少光散射，而光散射使组织具有通常的不透明度。
来自实时成像视频的动画静止图像显示了鸡胸肉组织从不透明到透明的动态过程，该组织浸入 0.6 摩尔浓度的 tartrazine（黄色 5 号）溶液中。进程从 tartrazine 溶液应用之前开始，然后显示应用后 0.2 到 60 秒的范围。比例尺代表 5 毫米。
Guosong Hong/斯坦福大学
“吸收率越高，分子的效率就越高，”Ou 解释道。美国食品药品管理局对化学品和添加剂的限制导致食品工业“寻找即使少量也极其高效的化学品”，他说。
研究人员在模拟人体组织光学分布的 hydrogel 样本和生鸡胸肉切片上测试了不同浓度的染料。然后，他们轻轻地将染料按摩到麻醉小鼠的皮肤中，直到被吸收。在不到 10 分钟的时间里，研究小组开始看到顶层组织下的内部特征。在可见光下，涂抹在动物腹部的 tartrazine 显露了它们正在运作的消化道；涂抹在腿上则暴露了肌肉。使用高分辨率激光成像，科学家们还看到了胃肠神经系统中的神经细节、肌肉中称为肌节的小单元，以及当染料应用于头皮时，甚至看到了大脑血管的结构。如果 tartrazine 没有被洗掉，这种效果会持续约 10 到 20 分钟，然后皮肤恢复到原来的状态。
实时视频的静止图像展示了小鼠腹部的光学透明度，从而可以观察到动物的腹腔器官。比例尺代表 5 毫米。（红色色调来自染料。）
“使用吸光分子在活体动物中实现光学透明”，作者：Zihao Ou 等人，《科学》，第 385 卷。2024 年 9 月 5 日在线发布
相关研究侧重于使用已有的透明材料吸收进皮肤，包括甘油和果糖溶液。这些分子也可以减少光散射，但“效率不如 [tartrazine]，因为它们的‘颜色’不够”，研究合著者、斯坦福大学的材料科学工程师 Guosong Hong 说。其他去除组织中必需分子而不是添加新分子的方法也会产生类似的效果，但只能在非活体动物或活检组织中进行。
尽管距离人体试验还很遥远，但新工艺未来有一天可能会有有益的医疗应用。Hong 提出，相关技术可能有助于早期皮肤癌检测，并使基于激光的纹身去除更加直接。他说，它们还可以使静脉更清晰可见，以便于抽血或通过针头输液，尤其是在静脉难以定位的老年人中。
对于某些实验（包括活体动物研究），该策略也可能比使用磁共振成像 (MRI) 和超声等成像技术更具吸引力。俄勒冈健康与科学大学皮肤科医生 Rajan Kulkarni 如此说道，他曾参与2014 年的一项研究，研究人员在其中用透明水凝胶取代整个器官和动物中的脂质，以观察内部。“它将使您能够在光显微镜分辨率下进行可视化，而 MRI、CT [计算机断层扫描] 和超声等其他方法的分辨率则没有那么精细，”Kulkarni 补充道。“就概念验证而言，这非常棒。临床应用还有待观察。”
研究作者在去除 tartrazine 后未观察到小鼠出现任何不良副作用，尽管 Ou 表示它可能会对皮肤组织造成暂时性损伤。他补充说，必须对这种染料和类似的、更高效的分子进行进一步的人体安全性测试。Tartrazine 可能会引起过敏反应。虽然该着色剂已获得 FDA 批准，但该机构对产品中使用的量有严格限制。在该研究中，小鼠在短暂的测试期间能够耐受使用的最高浓度 0.6 摩尔。但“人类皮肤大约比小鼠厚 10 倍，这意味着扩散所需的时间可能会长得多——小鼠需要几分钟，而人类则需要数百分钟，”Ou 说。“我们希望通过我们的初步工作，未来会有更多后续工作提出新的分子，这些分子将更高效、更安全，适合人体应用。”