▎药明康德内容团队编辑 你能想象吗？在胸口或肚皮上涂一点染料，几分钟后，这块皮肤仿佛开了“天窗”，体内纵横交错的血管、怦怦跳动的心脏、持续蠕动的肠道就这么“水灵灵”地呈现在眼前。而冲洗掉染料后，皮肤上的“天窗”很快关闭，一切恢复正常。
▲涂抹染料后，小鼠的腹部皮肤变得透明，可以直接看到内脏器官（图片来源：参考资料[1]）在顶尖学术期刊《科学》的最新一期上，斯坦福大学的一支研究团队在活体动物身上展示了这种魔术般神奇的透明化技术。更不可思议的是，这种神奇的染料其实只是一种常见的食用色素：柠檬黄（tartrazine），也被称为FD&C黄色5号。这种人工合成染料能提供鲜艳灿烂的色调，常被添加在鸡精、膨化食品、汽水、配制酒等食品饮料中。此外，柠檬黄也会出现在口红、牙膏、洗发水、洗涤剂等化妆品和日用品当中。
在论文中，科学家详细描述了这项能让皮肤变透明的新技术。原理并不难理解，简单来说就是精确调控细胞的折射率，使其与周围介质的折射率完美匹配，从而避免光线在两者的边界发生散射。当可见光畅通无阻地直接穿透细胞，生物组织就变透明了。然而在皮肤等生物组织中，脂肪、蛋白质、胞内液体等各种成分通常紧密地结合在一起，而这些成分有不同的折射率，也就是所谓的折射率不匹配，导致照射上去的光会发生大量散射，于是在我们的眼睛看来，身上的皮肤就是一道不透明的屏障。
▲通过调节折射率实现光学透明化的原理示意图（图片来源：参考资料[2]）因此，要真正实现这项技术，研究人员需要深入了解不同波长的光在皮肤和肌肉中的散射和折射过程，预测光线如何与染色后的生物组织相互作用。基于对光学原理的深刻认识，包括非线性光学中的Kramers-Kronig关系式、洛伦兹振荡器模型等，研究人员预测出特定结构的染料分子在溶解于水中并被生物组织吸收后，通过吸收光谱中特定波长的光，可以提高组织内液体的折射率，使其与周围脂肪和蛋白质的折射率完美匹配，从而有效地引导光线穿透生物组织，达到透明的效果。在评估了多种染料的光学特性后，研究团队最终发现，柠檬黄符合预测。
▲用强吸收染料分子改变生物组织的折射率（图片来源：参考资料[1]）接下来，研究人员展开了测试。在前期的实验中，研究人员先用切成薄片的鸡胸肉测试了效果。随着柠檬黄浓度增加，肌肉细胞内液体的折射率变大，直到与肌肉蛋白质的折射率匹配。鸡胸肉片逐渐变得透明，最终产生了隐形的效果！▲在水溶性染料的作用下，鸡胸肉片逐渐透明（视频来源：参考资料[1]）随后，研究人员在小鼠身上展开了测试。正如本文一开始描述的那样，当研究人员将柠檬黄水溶液涂抹在小鼠头皮上，随着染料分子在皮肤扩散，皮肤在几分钟后变得透明，大脑表面的血管逐渐清晰；涂在小鼠腹部，内脏器官显现了出来；涂在腿部，可以直接观察肌肉如何收缩。更重要的是，染料的这种作用是临时性的，对生物组织的影响是可逆的，很快就能在冲洗后让皮肤恢复成正常的不透明度。此外，研究人员测试发现，残余的柠檬黄染料会在48小时内随尿液排出体外，目前来看不会对活体动物产生长期影响。
▲如果这种新技术在人体上被证明有效，或许会在人手上呈现出此类效果（图片来源：Keyi "Onyx" Li/U.S. National Science Foundation）论文总结说，使用这种生物相容性染料，能以非侵入性、可逆的方式安全地观察活体动物体内的深层组织和器官，了解其结构与活动。按照研究作者的设想，这项技术可以改进现有的光学成像研究方法，有助于在生命科学和医学的基础研究中揭示生命基本过程；此外，将来还可以应用在很多方面，比如让静脉抽血变得更清晰，激光去除纹身更方便，甚至有助于癌症的早期检测和治疗，比如通过提高光的穿透力，用激光消除体内的癌细胞和癌前病变细胞。值得注意的是，在日常的食品饮料或药品、化妆品中合法添加的柠檬黄含量不高，不会给身体带来危害，但这种人工色素如果过量服用可能给人体带来一定的危害。目前这种组织透明化效果只在实验室环境中完成了动物测试，研究者指出，由于人类的皮肤厚度大约是小鼠的10倍，需要多大剂量的染料才能穿透皮肤还需要进一步测试，切勿直接在人身上使用。参考资料：
[1] Zihao Ou et al., (2024) Achieving optical transparency in live animals with absorbing molecules. Science Doi: https://doi.org/10.1126/science.adm6869
[2] Christopher J. Rowlands & Jon Gorecki (2024) Turning tissues temporarily transparent. Science Doi: 10.1126/science.adr7935
[3] Yellow dye solution makes tissue transparent on living animals. Retrieved Sep. 6, 2024 from https://www.eurekalert.org/news-releases/1056332
[4] A window into the body: groundbreaking technique makes skin invisible. Retrieved Sep. 6, 2024 from https://www.eurekalert.org/news-releases/1056223
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