编辑推荐：
观察一个人体内的情况从来都不是件容易的事。斯坦福大学的研究人员发现一种染料涂在活体小鼠皮肤上可使之透明，用肉眼透过皮肤看到内部器官，洗掉后几分钟可以逆转！
观察一个人体内的情况从来都不是件容易的事。虽然像CT扫描、x射线、核磁共振成像和显微镜这样的技术可以提供洞察力，但图像很少完全清晰，并且可能带来辐射暴露等副作用。但是，如果你能在皮肤上涂抹一种物质，就像保湿霜一样，使它透明，而不伤害组织呢?
斯坦福大学的科学家们使用了一种经FDA批准的染料——这种染料通常存在于食物中，比如让Doritos薯片呈橙色的染料——能使活体小鼠的组织变得透明。这项研究发表在9月5日的《科学》杂志上，详细介绍了在实验室里，研究人员如何在小鼠的皮肤上摩擦一种染料溶液，从而使研究人员在不做切口的情况下，用肉眼透过皮肤看到内部器官——包括血管和内脏，可以提供一种侵入性较小的方法来监测医学研究中使用的活体动物。而且，它也可以被逆转，就像透明化发生一样容易。斯坦福大学材料科学与工程学院助理教授，论文资深作者Guosong Hong说：“只要我们用水冲洗和按摩皮肤，效果在几分钟内就会逆转。这是一个惊人的结果。”
当光波照射到皮肤上时，皮肤组织会将光波散射，使眼睛看起来不透明或不透明。这种散射效应是由不同组织成分(如水和脂类)的折射率不同引起的。在可见光谱中，水的折射率通常比脂质低得多，这使得可见光在穿过含有两者的组织时发生散射。
团队利用理论物理学来预测某些分子将如何改变小鼠组织与光的相互作用。为了匹配不同组织成分的折射率，研究小组将一种红色酒石黄溶液( tartrazine，也被称为食品染料FD&C Yellow 5)按摩到镇静小鼠的腹部、头皮和后肢上。皮肤变成了红色，这表明由于这种吸收光的分子的存在，大部分蓝光已经被吸收了。这种吸收的增加改变了水在不同波长的折射率——在这种情况下，是红色。由于染料的吸收，水的折射率与红色光谱中的脂质折射率相匹配，从而减少了散射，使皮肤在红色波长下显得更加透明。研究人员展示了酒黄石使生鸡胸肉薄片上的组织透明的能力。当加入染料时，含有液体和脂质的组织变得透明，因为液体的光折射与脂质的光折射相匹配。
他们将染料按摩到活体小鼠皮肤的不同区域，研究人员能够在没有特殊设备的情况下看到运作的内部器官：将染料涂在头皮上，研究小组可以仔细观察血管的微小曲折；把它涂在腹部，可以清楚地看到小鼠的肠道随着消化而收缩，并揭示了与呼吸有关的其他运动；涂在小鼠腿上能够识别皮肤下的肌肉纤维。他们还能够可视化大脑中的血液流动和肢体肌肉纤维的精细结构。小鼠跳动的心脏和活跃的呼吸系统表明，在活体动物身上成功实现了透明。此外，这种染料不会永久性地改变受试者的皮肤，一旦用水冲洗染料，透明度就会消失。
这项研究是对已有几十年历史的方程的新应用，该方程可以描述吸收和折射率之间的关系，称为Kramers-Kronig关系。除了这种食用染料，其他几种吸收光的分子也表现出了类似的效果，从而证实了这种现象背后的潜在物理学的普遍性。
不过这项技术只能使组织透明到大约3毫米的深度，因此目前对较厚的组织和较大的动物的实际应用有限。
但因为酒黄石是一种食用染料，所以在活体小鼠身上使用是安全的，而且这种方法是可逆的——当染料被冲洗掉时，皮肤就会恢复不透明。这比现有的使组织透明的方法提供了巨大的优势，现有方法通常不适合活体动物，并且通常需要使用化学物质来改变某些组织成分的折射率，或者将它们全部去除。“这种方法产生了透明度，是可逆的，可以在活体动物身上使用，这将使它成为许多人想要使用的一个明显的东西”。对旨在了解神经系统和神经退行性疾病的小鼠模型也可能有用。
“透明”组织的潜在未来
这是第一次用非侵入性的方法来观察活体小鼠的内脏。目前，这项研究只在动物身上进行过。如果同样的技术可以应用于人类，它可以提供一系列生物学、诊断甚至美容方面的好处。
例如，黑素瘤检测可以通过直接观察一个人的组织而不是通过侵入性活组织检查来完成。这种方法也有可能取代一些x光和CT扫描，并通过帮助抽血师轻松找到静脉，减少抽血的痛苦。它还可以通过帮助将激光束精确地聚焦在皮肤下方的色素位置来改善激光纹身去除等服务。
“这可能会对医疗保健产生影响，并阻止人们进行侵入性检测，”Hong说。“如果我们能看到皮肤下发生了什么，而不是切开皮肤，或者使用辐射来获得不太清晰的外观，我们就能改变我们看待人体的方式。”
该论文的合著者、材料科学与工程教授Mark Brongersma说:“斯坦福大学是开展这样一个多方面项目的理想场所，它汇集了材料科学、神经科学、生物学、应用物理学和光学方面的专家。”“每个学科都有自己的语言。我和Hong很喜欢参加彼此的神经科学和纳米光子学课程，以便更好地欣赏所有令人兴奋的机会。”
生物通微信公众号
生物通 版权所有
