中國小伙反直覺發(fā)現(xiàn)登Science：從基礎光學公式找到神奇應用

絕大多數(shù)生物體的皮膚是不透明的，因為光在穿透皮膚組織中的脂質和蛋白質時會發(fā)生散射。但一項發(fā)表在Science上的最新研究揭示了一個反直覺的現(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部。

撰文 | 路飛

2021年8月，彼時還未立秋，斯坦福校園的空氣里還彌漫著燥熱，這是歐子豪在這里擔任博士后的第二年，手頭的實驗也讓他內心焦灼。走近實驗臺，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——這除了是他的實驗材料，也是他的食物。

一個尋常的下午，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，將其對著燈光仔細觀察，戲劇性的結果出現(xiàn)了——雞胸肉變透明了，肉眼可直接看到內部肌纖維的走向！

2024年9月6日，如今已在得克薩斯大學達拉斯分校擔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，揭示了一個反直覺的現(xiàn)象：通過涂抹強吸收分子染料檸檬黃，可使得活體生物組織變透明。

斯坦福大學材料科學與工程助理教授洪國松表示，“展望未來，這個技術可以使得抽血時靜脈更加清晰可見，使激光去除紋身變得更簡單，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師，同時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胞和癌前細胞，但僅限于皮膚表面附近的區(qū)域。這項技術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，光從一種物質進入另一種物質時，會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。光線照射到水中會通過折射進入我們的視野，我們從而能夠看清楚水中的物體，如水中彎折的筷子、游動的金魚。

“而光線無法穿透我們的身體，因為光在穿過皮膚時會發(fā)生散射，脂肪、細胞內的液體、蛋白質和其他物質都有不同的折射率，這一特性決定了入射光波的彎曲程度。在生物組織中，這些物質緊密地壓實在一起，不同的折射率會導致光在通過時散射，這限制了光學成像的穿透深度，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，一邊抬起手臂進行比劃。

時鐘撥轉到2011年，歐子豪來到中國科學技術大學理科實驗班物理方向讀本科。大二進入侯中懷教授領導的非線性化學實驗室課題組后，他對物理化學產生了濃厚興趣。2015年本科畢業(yè)后，他前往伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校材料科學與工程系攻讀博士。在陳倩教授的實驗課題組，他的博士研究集中在電子顯微鏡上，這是一種成像技術，它利用電子束而不是光來產生生物和非生物標本的高分辨率放大圖像。盡管在博士期間也發(fā)表過不錯的頂刊，但歐子豪總覺得“差點意思”，“我想做一些能對人類產生更大影響的事情，而不是局限于材料科學?！?/p>

2020年博士畢業(yè)后，斯坦福交叉學科融合的研究氛圍吸引著歐子豪，他萌生了前往斯坦福擔任博士后的想法。他順利拿下Wu-Tsai交叉學科博士后獎學金，找到了專注于神經調控的洪國松教授和腸胃神經醫(yī)學研究的導師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)學是和人類社會息息相關的，生物醫(yī)學領域的創(chuàng)新能夠直接改變人類的生活，也更容易產生成就感。于是我決定學習一些生物成像技術，并把我物理和材料科學的背景帶到生物醫(yī)學科學中。我覺得我在物理方面的背景能夠為生物成像研究帶來一個獨特的視角?！?/p>

歐子豪丨圖源：本人供圖

一開始，組里的項目是關于微波輻射如何與生物組織相互作用的調查。

在探索20世紀70年代和80年代的光學教科書時，歐子豪發(fā)現(xiàn)了兩個關鍵概念：一個是光學人熟知的克拉莫-克若尼關系式（Kramers-Kronig relations），另一個是洛倫茲震蕩（Lorentz oscillation），當光子通過時，電子和原子在分子內部產生共振。

這些工具已經存在了一個多世紀，但沒有人把這些理論引入醫(yī)學領域的研究。歐子豪想到，可以借此工具預測特定染料來完美匹配周圍脂肪和蛋白質等物質不同的折射率，這樣光線就可以暢通無阻地通過生物組織。

光學研究背景使得歐子豪敏銳意識到，在吸收光方面很強的染料可以非常有效地實現(xiàn)廣泛的均勻折射率，從而引導光傳播。“換句話說，可以通過染料把水打造成和脂質和蛋白質等物質一樣的折射率，這樣我們就能看到生物組織內部了。”

“同樣作為一個光學人，我很驚訝他們如何從Kramers-Kronig公式中領悟這么多?！泵绹鴩铱茖W基金會項目委員會委員Adam Wax驚嘆，“每個光學專業(yè)的學生都知道這個公式，但只有這個團隊使用這個方程，去思考強吸收染料如何使皮膚組織透明。這是利用基礎光學知識來創(chuàng)造新技術的一次生動實踐。”

發(fā)現(xiàn)常見染料的神奇功能

生物組織中的光散射是因為水性成分是低折射率（如間質液和胞質溶膠），脂質和蛋白質成分具有高折射率（如質膜、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物質去代替水，或是去除脂質以產生全水性環(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。此時的探索充滿不確定性，只有他一個人孤軍奮戰(zhàn)。通過應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，可有效提高水性介質折射率，這與Kramers-Kronig的關系是一致的。因此，水溶性染料可以有效降低水和脂質之間的折射率對比度，從而使活體生物組織實現(xiàn)光學透明。

理論證實可行之后，歐子豪開始準備用雞胸肉作為生物組織的實驗材料，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！從理論證實到實驗成功，這中間花費了三個月左右，不過這離不開過去一年在光學理論上的探索。

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)督管理局認證的可食用食品添加劑，經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，立即向導師匯報了這一發(fā)現(xiàn)。醫(yī)學研究經驗豐富的導師指出，這個結果僅在離體組織中得到證實，要盡快在活體組織開展實驗。

于是，歐子豪開始著手擴大實驗范圍，組建團隊在活體小鼠上開展不同部位的實驗。團隊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。除了局部涂抹應用外，研究人員還將染料分子直接注射到頭皮中，也會產生類似的 LSCI圖像，這為在較厚的皮膚中實現(xiàn)組織透明提供了一種新思路。

活體小鼠頭皮實驗丨圖源：論文

“當我們看到實驗結果時，我們首先想到的一件事是，這可能會如何改善生物醫(yī)學研究。”歐子豪表示，“以前在實驗室可以使用一些光學設備如顯微鏡來進行光學成像，但是這不適用于活體的人或者動物，因為光很難通過厚的組織。而現(xiàn)代醫(yī)學目前只能通過超聲、近紅外熒光成像等技術窺探人體內部，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部的動態(tài)。這將徹底改變生物學中現(xiàn)有的光學研究?！?/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的幾個編輯認為我們的研究不具備創(chuàng)新性，他們覺得通過創(chuàng)傷性手術同樣可以看到生物體內部，我們只是簡化了步驟而已，從根本上來說是殊途同歸的。還有一個編輯提出讓我們補充更多在活體小鼠上的原創(chuàng)實驗結果?！睔W子豪笑了笑，“我們聽從這個建議，并深入和我的副導師Julia進行討論，在老鼠腹部及腸胃神經上應用我們的成像技術，繼續(xù)開展了后續(xù)研究，但是完稿之后我們投給了Science，因為在創(chuàng)新性這點上，我們意見是與Nature相左的，即使我們補充了實驗，他們仍然從根本上覺得這項研究不具備創(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，為了加快對染料的吸收，輕輕按摩小鼠皮膚時，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備，可直接觀察內部器官，包括肝臟、小腸、盲腸和膀胱。更進一步，這種“透明腹部”允許直接觀察熒光蛋白標記的腸道神經元，捕捉更深層的運動。實驗結束后，通過用水沖洗和按摩皮膚，已經透明的腹部可恢復如常，體內殘留的染料可以在48小時內排出體外。

活體小鼠腹部實驗丨圖源：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充在深部組織中的成像效果。

接到審稿意見后，團隊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，因為它們在肌肉功能中起著核心作用，并且對神經肌肉疾?。ㄈ缂顾栊约∥s癥）有影響。傳統(tǒng)的體內肌節(jié)成像方法需要在肌肉組織內植入顯微內窺鏡，以便對肌節(jié)中肌球蛋白棒的二次諧波產生（SHG）信號進行成像，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信號來識別肌節(jié)的周期性結構。

實驗完善之后，2024年4月歐子豪再次返稿，7月份正式拿到錄用通知。“算是跨界研究的一次成功實踐吧，這個正反饋堅定了我從光學跨到生物醫(yī)學從事交叉學科研究的信念，這也是我8月來到得克薩斯大學的原因。”

從光學到生物學，理實交融是秘訣

當被問及“為何能從所有光學人習以為常的公式中發(fā)現(xiàn)新思路”時，歐子豪笑著談起母校，“我是中國科大本科畢業(yè)的，科大一向以基礎研究為長。本科四年在科大受到了良好的思維訓練，打下了良好的基礎，這對我來說是一輩子的影響。對于老前輩的研究成果可能不會只想去拿來就用，更多的會去想如何去遷移延申再應用。可能正如科大校訓一樣，講究理實交融吧?！?/p>

說著，歐子豪從實驗室的臺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，時常翻開看看，”他意味深長地提到了本科導師侯中懷教授，“科大本科生推崇GPA（笑），其實我的GPA并不是非?？壳暗?，大三時有一個牛津大學交流項目，當時候中懷老師鼓勵我外出交流，這對我出國留學以及后來的科研發(fā)展都影響深遠。”

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驗，因為人類的皮膚比老鼠厚10倍，目前還不確定能夠穿透這個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的染料。”

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