常见的食用染料使活体动物的皮肤和肌肉变得可逆透明

斯坦福大学的研究人员发现，美国食品药物管理局批准的一种常见食用色素酒石黄的水溶液，具有可逆地使活体啮齿动物的皮肤、肌肉和结缔组织变得透明的效果。

“我们将黄色染料(一种吸收大部分光线，尤其是蓝光和紫外线的分子)与皮肤(一种散射介质)结合在一起。单独来看，这两种物质可以阻挡大部分光线穿过它们，”这项研究的第一作者 Zihao Ou 博士说，他与同事在斯坦福大学担任博士后研究员期间进行了这项研究，之后于 2024 年 8 月加入德克萨斯大学达拉斯分校。

“但当我们将它们放在一起时，我们就能够实现小鼠皮肤的透明性。”

为了掌握这项新技术，欧博士和同事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。

这些预测需要深入了解光散射以及折射过程，即光从一种材料传播到另一种材料时会改变速度并弯曲。

散射是我们无法看透身体的原因：脂肪、细胞内的液体、蛋白质和其他材料各自具有不同的折射率，这种特性决定了入射光波的弯曲程度。

在大多数组织中，这些物质紧密地结合在一起，因此不同的折射率会导致光线在穿过时发生散射。正是散射效应让我们的眼睛将物质解读为不透明的、有色的生物物质。

研究人员意识到，如果他们想让生物材料变得透明，他们必须找到一种方法来匹配不同的折射率，以便光可以畅通无阻地穿过。

基于光学领域的基本见解，研究人员意识到最有效吸收光的染料也能高效地在各种折射率范围内均匀地引导光线。

科学家预测特别有效的一种染料是酒石黄，这种食用染料通常被称为 FD&C 黄 5 号。

事实证明，他们是正确的：当溶解在水中并被组织吸收时，酒石黄分子的结构完全匹配折射率并防止光散射，从而产生透明性。

作者首先用鸡胸肉薄片测试了他们的预测。

随着酒石黄浓度的增加，肌肉细胞内液体的折射率上升，直到与肌肉蛋白的折射率相匹配——切片变得透明。

然后，他们轻轻地将临时的酒石黄溶液涂抹在老鼠身上。

首先，他们将溶液涂抹在头皮上，使皮肤变得透明，露出纵横交错的大脑血管。

接下来，他们将溶液涂抹到腹部，几分钟内症状便消退，转而出现肠道收缩以及心跳和呼吸引起的运动。

该技术解决了微米级的特征，甚至增强了显微镜观察能力。

当染料被冲洗掉时，组织很快恢复正常不透明度。

柠檬黄似乎没有长期影响，任何过量的柠檬黄都会在 48 小时内随废物排出。

“染料的生物相容性很重要——它对生物体来说是安全的，”欧博士说。

“此外，它非常便宜和高效;我们不需要太多的它就能工作。”

研究团队尚未在人类身上测试这一方法，人类的皮肤比老鼠的皮肤厚约 10 倍。

“目前还不清楚需要多少剂量的染料或采用什么输送方法才能穿透整个厚度，”欧博士说。

“在人类医学中，我们目前使用超声波来更深入地观察生物体内部。”

“许多医疗诊断平台非常昂贵，且广大民众难以使用，但基于我们的技术的平台不应该如此。”

该项研究本周发表在《科学》杂志上。