Science突破性技术：让皮肤隐形

研究人员已经开发出一种新的方法，通过使覆盖的组织对可见光透明，来观察体内的器官。这个违反直觉的过程——局部应用食品安全染料——在动物实验中是可逆的，最终可能应用于广泛的医学诊断，从定位损伤到监测消化系统紊乱，再到识别癌症。 

斯坦福大学的研究人员在2024年9月6日的《科学》杂志上发表了这项研究。 

″展望未来，这项技术可以使静脉在抽血时更清晰可见，使激光纹身去除更直接，或有助于癌症的早期检测和治疗，例如，某些治疗方法使用激光来消除癌细胞和癌前细胞，但仅限于皮肤表面附近的区域。这项技术可以提高光的穿透能力。″斯坦福大学材料科学与工程助理教授Guosong Hong说，他是美国国家科学基金会职业资助人，帮助领导了这项工作。 

一个启发性的解决方案

为了掌握这项新技术，研究人员开发了一种方法来预测光如何与染色的生物组织相互作用。

这些预测需要对光散射和折射过程有深刻的了解，折射过程是光从一种物质传播到另一种物质时改变速度和弯曲的过程。 

散射是我们无法透过身体看到东西的原因:脂肪、细胞内的液体、蛋白质和其他物质都有不同的折射率，这种特性决定了入射光波弯曲的程度。 在大多数组织中，这些材料紧密地压在一起，因此不同的折射率导致光线在通过时散射。正是这种散射效应，我们的眼睛将其解读为不透明的有色生物材料。 

研究人员意识到，如果他们想让生物材料透明，他们必须找到一种方法来匹配不同的折射率，这样光就可以畅通无阻地穿过。 

基于光学领域的基本见解，研究人员意识到，在吸收光线方面最有效的染料，也可以在广泛的折射率范围内均匀地引导光线。 

研究人员预测，一种特别有效的染料是酒黄石，这种食用染料通常被称为FD & C Yellow 5。事实证明，他们是正确的:当溶解在水中并被组织吸收时，酒黄石分子的结构完美地匹配折射率，防止光线散射，从而产生透明度。 

研究人员首先用鸡胸肉薄片测试了他们的预测。随着酒黄石浓度的增加，肌肉细胞内液体的折射率上升，直到它与肌肉蛋白质的折射率相匹配——切片变得透明。 

然后，研究人员在小鼠身上轻轻地擦上一种暂时的酒黄石溶液。首先，他们将溶液涂在头皮上，使皮肤透明，露出纵横交错的大脑血管。接下来，他们把溶液涂在腹部，几分钟后就消失了，显示出肠道收缩以及由心跳和呼吸引起的运动。 

该技术在微米尺度上解决了特征，甚至增强了显微镜观察。当染料被冲洗掉后，组织迅速恢复到正常的不透明状态。酒黄石似乎没有长期效果，任何多余的都在48小时内以废物的形式排出体外。 

研究人员认为，注射这种染料应该能让我们对生物内部有更深入的了解，这对生物学和医学都有意义。 

旧配方为医学提供了新途径

在一系列联邦和私人资助的支持下，该项目开始于对微波辐射如何与生物组织相互作用的调查。 

在探索20世纪70年代和80年代的光学教科书时，研究人员发现了两个关键概念:被称为Kramers-Kronig关系的数学方程和被称为洛伦兹振荡的现象，即当光子通过时，电子和原子在分子内产生共鸣。 

经过一个多世纪的研究，这些工具被证明是预测特定染料如何提高生物液体的折射率以完美匹配周围脂肪和蛋白质的理想工具，但尚未以这种方式应用于医学。 

研究生研究员Nick Rommelfanger，在NSF研究生研究奖学金下工作，是第一个意识到使材料对微波透明的相同修改可以调整到影响可见光谱的人之一，在医学上有潜在的应用。 

众多分子中的一个

从理论过渡到实验，博士后研究员Zihao Ou订购了许多强染料，并开始仔细评估每种染料的理想光学特性。 

最终，该团队发展到21名学生、合作者和顾问，涉及多个分析系统。 

斯坦福纳米共享设施是美国国家科学基金会(NSF)国家纳米技术协调基础设施(NNCI)的一部分，它是一个几十年历史的椭圆计，坐落在较新的设备中。椭偏仪是半导体制造业所熟悉的工具，而不是生物学。然而，这可能是医学上的第一次，研究人员意识到，预测目标染料的光学特性是完美的。 

″先进的研究设施不断致力于在为更新、更大、更强大的仪器提供空间的同时，通过提供基本工具和专业知识来达到适当的平衡，″国家科学基金会项目官员Richard Nash说，他负责监督国家科学基金会NNCI。″虽然像椭圆计这样的基本工具很少会成为头条新闻，但它在用于像这里这样的非典型用途时仍然可以发挥关键作用。开放使用这些仪器是取得突破性发现的基础，因为这些仪器可以以新的方式部署，以产生对科学现象的基本见解。″ 

基于基础物理学的方法，研究人员希望他们的方法将开启一个新的研究领域，即根据光学特性将染料与生物组织相匹配，这可能会导致广泛的医学应用。 

″作为一个光学人，我很惊讶他们是如何从克雷默斯-柯尼格关系中得到这么多，每个光学专业的学生都学过它们，但这个团队已经用这些方程来弄清楚强吸收染料是如何使皮肤透明的。利用美国国家科学基金会的EAGER资助，洪能够迈出大胆的新方向，这是一个很好的例子，说明如何利用基本的光学知识来创造新技术，包括生物医学。″