絕大多數(shù)生物體的皮膚是不透明的，因?yàn)楣庠诖┩钙つw組織中的脂質(zhì)和蛋白質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生散射。但一項(xiàng)發(fā)表在Science上的最新研究揭示了一個(gè)反直覺的現(xiàn)象，通過涂抹一種常見食用色素溶液，就能讓小鼠的皮膚變得透明，用肉眼可直接透視其組織內(nèi)部。
撰文 | 路飛
2021年8月，彼時(shí)還未立秋，斯坦福校園的空氣里還彌漫著燥熱，這是歐子豪在這里擔(dān)任博士后的第二年，手頭的實(shí)驗(yàn)也讓他內(nèi)心焦灼。走近實(shí)驗(yàn)臺(tái)，可以看到除了瓶瓶罐罐五顏六色的溶液，還有一堆切成片狀的雞胸肉——這除了是他的實(shí)驗(yàn)材料，也是他的食物。
一個(gè)尋常的下午，尋常到他覺得這次肯定“又黃了”。為了避免日光干擾觀察結(jié)果，他先是拉上窗簾，熟練地把浸泡在甲基紅中的雞胸肉取出來，將其對(duì)著燈光仔細(xì)觀察，戲劇性的結(jié)果出現(xiàn)了——雞胸肉變透明了，肉眼可直接看到內(nèi)部肌纖維的走向！
2024年9月6日，如今已在得克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校擔(dān)任助理教授的歐子豪，以第一作者身份在Science雜志上發(fā)表論文，揭示了一個(gè)反直覺的現(xiàn)象：通過涂抹強(qiáng)吸收分子染料檸檬黃，可使得活體生物組織變透明。
斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程助理教授洪國松表示，“展望未來，這個(gè)技術(shù)可以使得抽血時(shí)靜脈更加清晰可見，使激光去除紋身變得更簡(jiǎn)單，或者幫助早期發(fā)現(xiàn)和治療癌癥，”洪國松是歐子豪的博士后導(dǎo)師，同時(shí)也是這篇論文的通訊作者，“例如，某些療法使用激光來消除癌細(xì)胞和癌前細(xì)胞，但僅限于皮膚表面附近的區(qū)域。這項(xiàng)技術(shù)可能能夠提高光的穿透力?！?/p>
從老公式里發(fā)現(xiàn)新突破
眾所周知，光從一種物質(zhì)進(jìn)入另一種物質(zhì)時(shí)，會(huì)改變速度和彎曲角度，初中物理課本上就教授過光的散射和折射。光線照射到水中會(huì)通過折射進(jìn)入我們的視野，我們從而能夠看清楚水中的物體，如水中彎折的筷子、游動(dòng)的金魚。
“而光線無法穿透我們的身體，因?yàn)楣庠诖┻^皮膚時(shí)會(huì)發(fā)生散射，脂肪、細(xì)胞內(nèi)的液體、蛋白質(zhì)和其他物質(zhì)都有不同的折射率，這一特性決定了入射光波的彎曲程度。在生物組織中，這些物質(zhì)緊密地壓實(shí)在一起，不同的折射率會(huì)導(dǎo)致光在通過時(shí)散射，這限制了光學(xué)成像的穿透深度，所以肉眼看到這些生物組織是不透明的?！睔W子豪一邊向《返樸》解釋，一邊抬起手臂進(jìn)行比劃。
時(shí)鐘撥轉(zhuǎn)到2011年，歐子豪來到中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)理科實(shí)驗(yàn)班物理方向讀本科。大二進(jìn)入侯中懷教授領(lǐng)導(dǎo)的非線性化學(xué)實(shí)驗(yàn)室課題組后，他對(duì)物理化學(xué)產(chǎn)生了濃厚興趣。2015年本科畢業(yè)后，他前往伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校材料科學(xué)與工程系攻讀博士。在陳倩教授的實(shí)驗(yàn)課題組，他的博士研究集中在電子顯微鏡上，這是一種成像技術(shù)，它利用電子束而不是光來產(chǎn)生生物和非生物標(biāo)本的高分辨率放大圖像。盡管在博士期間也發(fā)表過不錯(cuò)的頂刊，但歐子豪總覺得“差點(diǎn)意思”，“我想做一些能對(duì)人類產(chǎn)生更大影響的事情，而不是局限于材料科學(xué)?！?/p>
2020年博士畢業(yè)后，斯坦福交叉學(xué)科融合的研究氛圍吸引著歐子豪，他萌生了前往斯坦福擔(dān)任博士后的想法。他順利拿下Wu-Tsai交叉學(xué)科博士后獎(jiǎng)學(xué)金，找到了專注于神經(jīng)調(diào)控的洪國松教授和腸胃神經(jīng)醫(yī)學(xué)研究的導(dǎo)師Julia Kaltschmidt合作，開始投身于發(fā)展新的生物成像方法。
“我覺得生物醫(yī)學(xué)是和人類社會(huì)息息相關(guān)的，生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新能夠直接改變?nèi)祟惖纳?，也更容易產(chǎn)生成就感。于是我決定學(xué)習(xí)一些生物成像技術(shù)，并把我物理和材料科學(xué)的背景帶到生物醫(yī)學(xué)科學(xué)中。我覺得我在物理方面的背景能夠?yàn)樯锍上裱芯繋硪粋€(gè)獨(dú)特的視角?！?/p>
歐子豪丨圖源：本人供圖
一開始，組里的項(xiàng)目是關(guān)于微波輻射如何與生物組織相互作用的調(diào)查。
在探索20世紀(jì)70年代和80年代的光學(xué)教科書時(shí)，歐子豪發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)關(guān)鍵概念：一個(gè)是光學(xué)人熟知的克拉莫-克若尼關(guān)系式（Kramers-Kronig relations），另一個(gè)是洛倫茲震蕩（Lorentz oscillation），當(dāng)光子通過時(shí)，電子和原子在分子內(nèi)部產(chǎn)生共振。
這些工具已經(jīng)存在了一個(gè)多世紀(jì)，但沒有人把這些理論引入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究。歐子豪想到，可以借此工具預(yù)測(cè)特定染料來完美匹配周圍脂肪和蛋白質(zhì)等物質(zhì)不同的折射率，這樣光線就可以暢通無阻地通過生物組織。
光學(xué)研究背景使得歐子豪敏銳意識(shí)到，在吸收光方面很強(qiáng)的染料可以非常有效地實(shí)現(xiàn)廣泛的均勻折射率，從而引導(dǎo)光傳播?！皳Q句話說，可以通過染料把水打造成和脂質(zhì)和蛋白質(zhì)等物質(zhì)一樣的折射率，這樣我們就能看到生物組織內(nèi)部了?！?/p>
“同樣作為一個(gè)光學(xué)人，我很驚訝他們?nèi)绾螐腒ramers-Kronig公式中領(lǐng)悟這么多?！泵绹鴩铱茖W(xué)基金會(huì)項(xiàng)目委員會(huì)委員Adam Wax驚嘆，“每個(gè)光學(xué)專業(yè)的學(xué)生都知道這個(gè)公式，但只有這個(gè)團(tuán)隊(duì)使用這個(gè)方程，去思考強(qiáng)吸收染料如何使皮膚組織透明。這是利用基礎(chǔ)光學(xué)知識(shí)來創(chuàng)造新技術(shù)的一次生動(dòng)實(shí)踐。”
發(fā)現(xiàn)常見染料的神奇功能
生物組織中的光散射是因?yàn)樗猿煞质堑驼凵渎剩ㄈ玳g質(zhì)液和胞質(zhì)溶膠），脂質(zhì)和蛋白質(zhì)成分具有高折射率（如質(zhì)膜、髓鞘和肌原纖維）。減少折射率差異的現(xiàn)有方法通常用高折射率的化學(xué)物質(zhì)去代替水，或是去除脂質(zhì)以產(chǎn)生全水性環(huán)境。
說干就干，歐子豪開始大海撈針一般尋覓這種高吸收性染料。此時(shí)的探索充滿不確定性，只有他一個(gè)人孤軍奮戰(zhàn)。通過應(yīng)用洛倫茲振蕩器模型來研究生物組織成分和吸收分子的介電特性，他發(fā)現(xiàn)在靠近紫外光譜（300至400nm）和可見光譜的藍(lán)色區(qū)域（400至500nm）中具有尖銳吸收共振的染料分子溶解在水中時(shí)，可有效提高水性介質(zhì)折射率，這與Kramers-Kronig的關(guān)系是一致的。因此，水溶性染料可以有效降低水和脂質(zhì)之間的折射率對(duì)比度，從而使活體生物組織實(shí)現(xiàn)光學(xué)透明。
理論證實(shí)可行之后，歐子豪開始準(zhǔn)備用雞胸肉作為生物組織的實(shí)驗(yàn)材料，直到2021年8月，歐子豪使用了甲基紅，第一次觀察到雞胸肉變透明！從理論證實(shí)到實(shí)驗(yàn)成功，這中間花費(fèi)了三個(gè)月左右，不過這離不開過去一年在光學(xué)理論上的探索。
接下來，歐子豪發(fā)現(xiàn)了論文的主角——檸檬黃染料的成像效果更好。它是一種美國食品和藥品監(jiān)督管理局認(rèn)證的可食用食品添加劑，經(jīng)常用于橙色或黃色的零食薯片、糖果涂層和其他食品。
歐子豪欣喜若狂，立即向?qū)焻R報(bào)了這一發(fā)現(xiàn)。醫(yī)學(xué)研究經(jīng)驗(yàn)豐富的導(dǎo)師指出，這個(gè)結(jié)果僅在離體組織中得到證實(shí)，要盡快在活體組織開展實(shí)驗(yàn)。
于是，歐子豪開始著手?jǐn)U大實(shí)驗(yàn)范圍，組建團(tuán)隊(duì)在活體小鼠上開展不同部位的實(shí)驗(yàn)。團(tuán)隊(duì)先是將檸檬黃溶液局部涂抹在剃光毛發(fā)的活體小鼠的頭部，并使用激光散斑對(duì)比成像（LSCI）來觀察頭部的腦血管。小鼠的腦血管肉眼清晰可見。然后，用水沖洗局部涂抹了染料分子的頭皮，透明效果發(fā)生逆轉(zhuǎn)。除了局部涂抹應(yīng)用外，研究人員還將染料分子直接注射到頭皮中，也會(huì)產(chǎn)生類似的 LSCI圖像，這為在較厚的皮膚中實(shí)現(xiàn)組織透明提供了一種新思路。
活體小鼠頭皮實(shí)驗(yàn)丨圖源：論文
“當(dāng)我們看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，我們首先想到的一件事是，這可能會(huì)如何改善生物醫(yī)學(xué)研究?！睔W子豪表示，“以前在實(shí)驗(yàn)室可以使用一些光學(xué)設(shè)備如顯微鏡來進(jìn)行光學(xué)成像，但是這不適用于活體的人或者動(dòng)物，因?yàn)楣夂茈y通過厚的組織。而現(xiàn)代醫(yī)學(xué)目前只能通過超聲、近紅外熒光成像等技術(shù)窺探人體內(nèi)部，缺乏足夠的穿透深度和分辨率。但是現(xiàn)在我們可以使生物組織透明，通過肉眼便可看到生物體內(nèi)部的動(dòng)態(tài)。這將徹底改變生物學(xué)中現(xiàn)有的光學(xué)研究?！?/p>
2023年3月，歐子豪信心滿滿地將論文投給了Nature，等待了漫長的半年審稿期，返回的審稿意見不是很積極。
“Nature的幾個(gè)編輯認(rèn)為我們的研究不具備創(chuàng)新性，他們覺得通過創(chuàng)傷性手術(shù)同樣可以看到生物體內(nèi)部，我們只是簡(jiǎn)化了步驟而已，從根本上來說是殊途同歸的。還有一個(gè)編輯提出讓我們補(bǔ)充更多在活體小鼠上的原創(chuàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果?！睔W子豪笑了笑，“我們聽從這個(gè)建議，并深入和我的副導(dǎo)師Julia進(jìn)行討論，在老鼠腹部及腸胃神經(jīng)上應(yīng)用我們的成像技術(shù)，繼續(xù)開展了后續(xù)研究，但是完稿之后我們投給了Science，因?yàn)樵趧?chuàng)新性這點(diǎn)上，我們意見是與Nature相左的，即使我們補(bǔ)充了實(shí)驗(yàn)，他們?nèi)匀粡母旧嫌X得這項(xiàng)研究不具備創(chuàng)新性?！?/p>
研究人員在麻醉的條件下，將檸檬黃溶液局部涂抹在活體小鼠的腹部皮膚上，為了加快對(duì)染料的吸收，輕輕按摩小鼠皮膚時(shí)，小鼠的腹部皮膚不僅顏色變深，而且在紅色窗口中變得更加透明。這種透明效果可以用肉眼一目了然，不需要任何專門的成像設(shè)備，可直接觀察內(nèi)部器官，包括肝臟、小腸、盲腸和膀胱。更進(jìn)一步，這種“透明腹部”允許直接觀察熒光蛋白標(biāo)記的腸道神經(jīng)元，捕捉更深層的運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過用水沖洗和按摩皮膚，已經(jīng)透明的腹部可恢復(fù)如常，體內(nèi)殘留的染料可以在48小時(shí)內(nèi)排出體外。
活體小鼠腹部實(shí)驗(yàn)丨圖源：論文
2023年10月，歐子豪將論文投給Science，今年2月收到審稿意見，不出意外，編輯給的意見非常積極。審稿意見中要求研究人員補(bǔ)充在深部組織中的成像效果。
接到審稿意見后，團(tuán)隊(duì)選擇小鼠后肢的肌節(jié)（骨骼肌和心肌的基本收縮單位）作為成像目標(biāo)，因?yàn)樗鼈冊(cè)诩∪夤δ苤衅鹬诵淖饔茫⑶覍?duì)神經(jīng)肌肉疾?。ㄈ缂顾栊约∥s癥）有影響。傳統(tǒng)的體內(nèi)肌節(jié)成像方法需要在肌肉組織內(nèi)植入顯微內(nèi)窺鏡，以便對(duì)肌節(jié)中肌球蛋白棒的二次諧波產(chǎn)生（SHG）信號(hào)進(jìn)行成像，這不僅具有創(chuàng)傷性，且視野受限。而研究人員在小鼠的后肢上局部涂抹了檸檬黃溶液，在約220μm能看到完整皮膚的直接SHG成像，與檸檬黃接觸的皮膚表層變得明顯透明，這使研究人員能夠通過收集相同深度的SHG信號(hào)來識(shí)別肌節(jié)的周期性結(jié)構(gòu)。
實(shí)驗(yàn)完善之后，2024年4月歐子豪再次返稿，7月份正式拿到錄用通知?！八闶强缃缪芯康囊淮纬晒?shí)踐吧，這個(gè)正反饋堅(jiān)定了我從光學(xué)跨到生物醫(yī)學(xué)從事交叉學(xué)科研究的信念，這也是我8月來到得克薩斯大學(xué)的原因。”
從光學(xué)到生物學(xué)，理實(shí)交融是秘訣
當(dāng)被問及“為何能從所有光學(xué)人習(xí)以為常的公式中發(fā)現(xiàn)新思路”時(shí)，歐子豪笑著談起母校，“我是中國科大本科畢業(yè)的，科大一向以基礎(chǔ)研究為長。本科四年在科大受到了良好的思維訓(xùn)練，打下了良好的基礎(chǔ)，這對(duì)我來說是一輩子的影響。對(duì)于老前輩的研究成果可能不會(huì)只想去拿來就用，更多的會(huì)去想如何去遷移延申再應(yīng)用?？赡苷缈拼笮Ｓ?xùn)一樣，講究理實(shí)交融吧?！?/p>
說著，歐子豪從實(shí)驗(yàn)室的臺(tái)面上順手舉起了自己的本科論文，“我出國讀書之后一直帶著自己的本科論文，時(shí)常翻開看看，”他意味深長地提到了本科導(dǎo)師侯中懷教授，“科大本科生推崇GPA（笑），其實(shí)我的GPA并不是非常靠前的，大三時(shí)有一個(gè)牛津大學(xué)交流項(xiàng)目，當(dāng)時(shí)候中懷老師鼓勵(lì)我外出交流，這對(duì)我出國留學(xué)以及后來的科研發(fā)展都影響深遠(yuǎn)。”
談及未來的研究規(guī)劃，歐子豪說：“目前的研究還沒有在人類身上開展實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槿祟惖钠つw比老鼠厚10倍，目前還不確定能夠穿透這個(gè)厚度所需要的染料劑量。所以我們還在尋找比檸檬黃折射率更強(qiáng)的染料?！?/p>
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