只需幾分鐘，用常見的食用色素塗抹小鼠，就可以使它們的皮膚幾乎像玻璃一樣透明。
在一項發表於《科學》(Science) 雜誌的研究中，研究人員將 tartrazine 溶液（一種常見的食品、藥品和化妝品著色劑）塗抹在活體小鼠身上，使其部分組織變得透明，從而創造了一個臨時的視窗，可以觀察到它們的血管、肌肉和內臟器官。該程式尚未在人體上進行測試，但未來有一天可能會提供一種無需專門的成像裝置或侵入性手術即可檢視和監測損傷或疾病的方法。
與大多數哺乳動物組織一樣，皮膚高度不透明，因為其水、密集堆積的脂質、蛋白質和其他必需分子的混合物會向各個方向散射光。“這個概念類似於起泡的水，”該研究的主要作者、達拉斯德克薩斯大學的物理學家 Zihao Ou 說。水和空氣單獨都是透明的，但混合在一起會形成渾濁的微氣泡，Ou 補充道。想想奔騰的河流或洶湧的波浪。清晰度會發生變化，因為水和空氣分子的折射率不同——光線穿過物體或物質時彎曲的程度。齧齒動物或人類皮膚中的脂肪和蛋白質的折射率通常高於水，從而產生您無法看穿的對比度。
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模擬人體組織光學分佈的 hydrogel 樣本，顯示 tartrazine 濃度不斷增加。
Guosong Hong/斯坦福大學
在這項新研究中，Ou 和他的同事尋找可以使皮膚層內各種折射率更相似的吸光分子，從而基本上減少散射光的量。
該團隊研究了 21 種不同的合成染料，最終選定了高吸收性的 tartrazine，更常被稱為黃色 5 號。這種鮮亮的檸檬黃色著色劑已獲得美國食品和藥物管理局的批准，可在限量範圍內使用，常見於薯片、蘇打水、糖果、黃油、維生素和藥片中。溶液中的 Tartrazine 增加了紅色和黃色光的折射率，並吸收了近紫外線和藍色光譜中大部分波長的光。當染料應用於小鼠皮膚時，這些綜合效應會減少光散射，而光散射使組織具有通常的不透明度。
來自即時成像影片的動畫靜止影像顯示了雞胸肉組織從不透明到透明的動態過程，該組織浸入 0.6 摩爾濃度的 tartrazine（黃色 5 號）溶液中。程序從 tartrazine 溶液應用之前開始，然後顯示應用後 0.2 到 60 秒的範圍。比例尺代表 5 毫米。
Guosong Hong/斯坦福大學
“吸收率越高，分子的效率就越高，”Ou 解釋道。美國食品藥品管理局對化學品和新增劑的限制導致食品工業“尋找即使少量也極其高效的化學品”，他說。
研究人員在模擬人體組織光學分佈的 hydrogel 樣本和生雞胸肉切片上測試了不同濃度的染料。然後，他們輕輕地將染料按摩到麻醉小鼠的皮膚中，直到被吸收。在不到 10 分鐘的時間裡，研究小組開始看到頂層組織下的內部特徵。在可見光下，塗抹在動物腹部的 tartrazine 顯露了它們正在運作的消化道；塗抹在腿上則暴露了肌肉。使用高解析度雷射成像，科學家們還看到了胃腸神經系統中的神經細節、肌肉中稱為肌節的小單元，以及當染料應用於頭皮時，甚至看到了大腦血管的結構。如果 tartrazine 沒有被洗掉，這種效果會持續約 10 到 20 分鐘，然後皮膚恢復到原來的狀態。
即時影片的靜止影像展示了小鼠腹部的光學透明度，從而可以觀察到動物的腹腔器官。比例尺代表 5 毫米。（紅色色調來自染料。）
“使用吸光分子在活體動物中實現光學透明”，作者：Zihao Ou 等人，《科學》，第 385 卷。2024 年 9 月 5 日線上釋出
相關研究側重於使用已有的透明材料吸收進皮膚，包括甘油和果糖溶液。這些分子也可以減少光散射，但“效率不如 [tartrazine]，因為它們的‘顏色’不夠”，研究合著者、斯坦福大學的材料科學工程師 Guosong Hong 說。其他去除組織中必需分子而不是新增新分子的方法也會產生類似的效果，但只能在非活體動物或活檢組織中進行。
儘管距離人體試驗還很遙遠，但新工藝未來有一天可能會有有益的醫療應用。Hong 提出，相關技術可能有助於早期皮膚癌檢測，並使基於雷射的紋身去除更加直接。他說，它們還可以使靜脈更清晰可見，以便於抽血或透過針頭輸液，尤其是在靜脈難以定位的老年人中。
對於某些實驗（包括活體動物研究），該策略也可能比使用磁共振成像 (MRI) 和超聲等成像技術更具吸引力。俄勒岡健康與科學大學皮膚科醫生 Rajan Kulkarni 如此說道，他曾參與2014 年的一項研究，研究人員在其中用透明水凝膠取代整個器官和動物中的脂質，以觀察內部。“它將使您能夠在光顯微鏡解析度下進行視覺化，而 MRI、CT [計算機斷層掃描] 和超聲等其他方法的解析度則沒有那麼精細，”Kulkarni 補充道。“就概念驗證而言，這非常棒。臨床應用還有待觀察。”
研究作者在去除 tartrazine 後未觀察到小鼠出現任何不良副作用，儘管 Ou 表示它可能會對皮膚組織造成暫時性損傷。他補充說，必須對這種染料和類似的、更高效的分子進行進一步的人體安全性測試。Tartrazine 可能會引起過敏反應。雖然該著色劑已獲得 FDA 批准，但該機構對產品中使用的量有嚴格限制。在該研究中，小鼠在短暫的測試期間能夠耐受使用的最高濃度 0.6 摩爾。但“人類皮膚大約比小鼠厚 10 倍，這意味著擴散所需的時間可能會長得多——小鼠需要幾分鐘，而人類則需要數百分鐘，”Ou 說。“我們希望透過我們的初步工作，未來會有更多後續工作提出新的分子，這些分子將更高效、更安全，適合人體應用。”