撰稿人：Theo（中国科学院苏州医工所）
导读
当医生需要观察人体内部器官时，通常要借助X射线、核磁共振等昂贵的设备，或是进行创伤性的手术。而现在，斯坦福大学研究团队带来了一个令人惊叹的发现：只需一种常见的食用染料——柠檬黄，就能让生物体的皮肤变得透明，实现对内部器官的直接观察。
这项以“Achieving optical transparency in live animals with absorbing molecules”为题发表在Science上的突破性研究展示了一种安全、可逆的组织透明化技术。通过在活体小鼠皮肤上涂抹柠檬黄溶液，研究人员成功实现了对大脑血管、肠道蠕动、肌肉结构等的实时观察。这种方法就像给科学家们施展了“透视术 ”，让他们能够在不伤害组织的情况下，直接观察到生命活动的动态过程。
这一发现不仅颠覆了传统的组织透明化方法，更开创了活体医学成像的新途径。它有望应用于静脉采血可视化、激光治疗导航、甚至癌症早期检测等多个医疗领域，为疾病诊疗带来新的可能。
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
图1：皮肤透明化的艺术效果图
图源：Keyi "Onyx" Li/U.S. National Science Foundation
揭秘皮肤透明化的物理原理
为什么我们看不透皮肤？这是因为生物组织像一个复杂的“微观迷宫”。正如论文所述,组织中充满了水分（折射率1.33）、脂肪和蛋白质（折射率1.4-1.5）等不同成分。当光线穿过时，就会在这些成分之间不断偏转，最终导致我们看到的不透明效果。
科学家们此前尝试过两种方法来解决这个问题:要么去除组织中的脂肪，要么用甘油、蔗糖等高折射率物质浸泡组织。但这些方法都会损坏组织，使活体观察变得不可能。
斯坦福研究团队找到了一个巧妙的解决方案。他们发现柠檬黄这种食用染料有个特殊的性质：它在257纳米和428纳米处有很强的光吸收，而在600纳米以上的红光区域几乎不吸收。根据洛伦兹震荡模型（Lorentz oscillator model），这种强吸收的染料分子在水中就像微小的振子，它们在特定波长的强烈振动会影响水在其他波长下的光学性质。通过克拉莫-克若尼关系式（Kramers-Kronig relations），这种吸收特性能让水的折射率提高到接近脂肪和蛋白质的水平。这样，光线就能顺利穿过组织，让我们“看透”皮肤。
更重要的是，这种方法安全可逆。实验证明，柠檬黄溶液能让小鼠皮肤在几分钟内变得透明，用生理盐水冲洗后又能恢复原状。虽然目前的透明深度还只有3毫米，但这已经足够观察许多重要的生理活动了。
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
图2：组织透明化思路
图源：Science
科普小百科1：什么是洛伦兹震荡（Lorentz oscillator）？
这是描述物质光学性质的经典物理模型。在这个模型中，物质中的电子受到恢复力束缚，在光波的电场作用下产生振动。模型通过描述这种振动响应，帮助我们理解和预测物质的光学性质。
在本研究中，科学家们发现：频率越低（波长越长）的吸收共振越有利于提高介质的折射率。这就解释了为什么柠檬黄在蓝光区域的强吸收能够有效提高水在红光区域的折射率。通过这个模型，研究人员可以准确预测不同染料分子的光学效果，从而筛选出最适合的透明化材料。
科普小百科2：什么是克拉莫-克若尼关系式（Kramers-Kronig relations）？
这是描述材料光学性质的基本物理定律，它揭示了材料的复折射率中实部(与光的折射有关)和虚部(与光的吸收有关)之间的基本联系。当光波经过物质时，材料会表现出两种基本的光学性质：一是光的速度会改变，产生折射现象；二是光的能量会被吸收，产生衰减。克拉莫-克若尼关系式表明这两种性质并非独立存在，而是相互关联的——通过测量材料在不同波长下的光吸收特性，我们就能预测它在其他波长下的折射行为。
在本研究中，科学家们利用这个关系预测：具有特定吸收特性的染料分子（如柠檬黄）在水中能够表现出洛伦兹震荡特性。通过精确测量和理论计算，他们发现柠檬黄在可见光谱（400-750nm）区域的尖锐吸收共振能够显著提高水溶液在红光和近红外区域的折射率，从而实现了组织透明化。
开启无损活体成像新时代
这项小鼠实验展示了“皮肤透明成像”技术的独特魅力：利用食用色素柠檬黄，使体表组织变得通透，再结合先进光学成像手段,实现了对内脏、脑血管、肌肉等组织的无创动态观察。
在实验中，研究人员成功观察到了小鼠肠道的蠕动过程(图3)、脑表血管的形态与流速(图4)、以及肌肉组织的微观结构与收缩活动(图5)。这些发现表明，皮肤透明技术有望为多个生物医学领域带来革新。
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
图3：肚皮透明术
图源：Science
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
图4：大脑皮层透明术
图源：Science
nload="this.removeAttribute('width'); this.removeAttribute('height'); this.removeAttribute('onload');" />
图5：腿部皮肤透明术
图源：Science
与传统方法相比，这项新技术具有明显优势：无需开刀取材，即可实现活体状态下的实时观察；可重复操作，便于动态分析；空间分辨率高，可视化细胞和亚细胞结构。这些特点使其在组织功能、疾病机理、药物筛选等方面具有广阔的应用前景。
当然，将小鼠实验推广至人体还需要一定时日。研究人员表示，未来将着力于评估该技术的安全性和有效性，并拓展更多的研究领域。
论文信息
Zihao Ou et al. ,Achieving optical transparency in live animals with absorbing molecules.Science385, eadm6869(2024). DOI:10.1126/science.adm6869
来源：中国光学
编辑：亦山
转载内容仅代表作者观点
不代表中科院物理所立场
如需转载请联系原公众号
扫码进入“科学与中国”小程序，可观看以院士科普视频为代表的优秀科普视频，第一时间获取中国科学院公众科学日、科学节等科普活动报名信息。
1.2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.