Science：你爱吃的小零食，藏有让皮肤更“透”的小秘密

柠檬黄（Tartrazine，编号FD&C Yellow 5），一种黄色偶氮类水溶性食用色素，常用于饮料、糖果、饼干、爆米花、玉米片和薯片等食品中，赋予它们明亮诱人的黄色。

某玉米片和某橙味汽水配料表。图片来源于网络

让人惊讶的是，研究人员近期发现，当这种食用色素涂抹在小鼠皮肤上时，可以使皮肤变得透明。这种透明效果竟然还是可逆的，通过简单的水洗即可去除色素，透明效果也会随之消失。虽然听起来像魔术，但这些确实是真实发生的现象，来自斯坦福大学Guosong Hong和Mark L. Brongersma等研究者在Science 杂志上发表的论文。他们通过涂抹柠檬黄的水溶液，让活体啮齿动物的皮肤、肌肉和结缔组织变得透明，直接看到小鼠的内脏器官和血管。研究人员揭示了这一神奇现象背后的物理原理，根据洛伦兹模型，柠檬黄水溶液能吸收近紫外和蓝光区域波长的光，有效提高红光和红外光谱部分的折射率而不增加吸收，从而减小水与脂质之间的折射率差异，达到光学透明的效果。实验在小鼠和鸡胸肉等生物组织上得到了验证。这项突破性的研究，有望在未来为外科手术提供前所未有的可视化，让医生能够清晰地观察到深层组织和器官的结构、活动与功能。

科学家利用柠檬黄，使小鼠的皮肤变得透明，观察血管和内脏器官。图片来源：UT Dallas ^[1]

这一实验结果乍一看似乎很反直觉，但仔细想想，皮肤之所以不透明，是由于生物组织复杂的内部结构使得折射率不匹配，导致光在组织中散射，从而限制了光学成像的深度。在大多数生物组织中，光散射的程度往往比光的吸收高出10到1000倍。如果能够有效减少光散射，或许能显著提升明场成像、非线性光源成像和超分辨率成像的效果。事实上，早在十几年前，就有研究者尝试过类似的方案，但由于当时使用的方法涉及丙烯酰胺、四氢呋喃等有毒化学物质 ^{[2, 3]}，使得这些方法难以应用于活体组织实验。

通过减少光散射实现光学透明。图片来源：Science

柠檬黄作为一种被广泛应用的食品添加剂，欧洲食品安全局认为，每公斤体重摄入2克是安全的。其溶液在紫外-可见光谱中有两个主要吸收峰，分别位于257 nm和428 nm，而在600 nm以上则吸收很低。将柠檬黄溶液添加到不透明的二氧化硅胶体中，可显著减少其在可见光的红光区域下的散射，使液体变得完全透明。

随后，研究者将柠檬黄溶液涂抹在小鼠头部，利用激光散斑对比成像就可直接观察到小鼠脑部的血管。涂抹在小鼠腹部后，皮肤在红光窗口下变得透明，无需专门的成像设备就能清晰看到内部器官，包括肝脏、小肠、盲肠和膀胱，甚至还能辨别这些器官的运动，如蠕动，与心跳、呼吸的节奏同步。将柠檬黄溶液涂抹在小鼠后腿后，通过二次谐波成像可以直接观测到肌原纤维的周期性结构。测得的肌节长度与已有报道一致，证明这种方法与高分辨率显微镜兼容，能够使组织透明并解析肌肉中的微观结构。

柠檬黄溶液使活体小鼠皮肤组织透明化。图片来源：Science

研究者随即拍摄了小鼠肠道的自然运动视频，利用粒子图像测速（PIV）技术，以肠肌间神经元为“标记点”分析其动态运动状态。排除心跳和呼吸引发的全局运动后，生成了随时间变化的矢量图。结果显示，肠肌运动具有明显的周期性变化，并伴随偶发的剧烈运动，包括收缩、扩张和旋转。

小鼠腹部高分辨率动态成像分析。图片来源：Science

根据克拉莫-克若尼（Kramers-Kronig）关系式的描述，由于柠檬黄溶液在波长大于428 nm时光吸收显著减弱，可以有效提升水性介质在较长波长下的实际折射率，从而缩小了水与脂肪的折射率差异，影响物质对该频率光的响应，实现活体生物组织的光学透明化。

为进一步解释生物组织光学透明化的机理，研究者利用洛伦兹模型模拟了染料分子的光学行为，三个洛伦兹振子分别在100 nm、250 nm和400 nm处产生共振。模拟结果显示，染料分子的光学吸收峰位于约400 nm，对介质在可见光下折射率的提升更加有效。此外，吸收剂还需具备高溶解度、良好的扩散性和生物相容性，便于体内应用。在筛选的21种候选分子中，柠檬黄因其~428 nm的吸收峰和在600 nm以上几乎完全透明的特性脱颖而出，满足了可见光谱下光学透明化的所有条件。

柠檬黄让鸡肉变透明。图片来源：Science

有趣的是，筛选过程中还发现了其他潜在的应用。除了柠檬黄，还有14种染料在更长波长下展现了类似的潜力。例如，近红外荧光染料IR-783（No.21）在近红外光谱下能显著改变介质的折射率，可能有助于实现近红外区域的透明化成像。

染料分子实现光学透明化的机理研究。图片来源：Science

溶液浓度对折射率的影响十分显著，将不同浓度的柠檬黄溶液涂抹在硅基水凝胶表面时，随着浓度的增加，水凝胶的光散射变化明显增强。使用0.6 M浓度的柠檬黄溶液，可使水凝胶在红光区域的透光率达到60%。随后，将0.6 M柠檬黄溶液涂抹在厚度为2毫米的鸡胸肉切片表面，能清晰看到下方的文字。测试显示，柠檬黄分子渗透到肌原纤维中，透明化时间与扩散速度相关。当柠檬黄被清洗干净后，组织恢复了原有的不透明状态，这种诱导的光学透明性是可逆的。

柠檬黄溶液实现鸡胸肉光学透明化。图片来源：Science

同样，随着染料浓度的增加，成像的空间分辨率逐渐提升。将0.6 M的柠檬黄溶液涂在3 mm厚的鸡胸肉表面，可以清晰地分辨出下方线宽为2.19 μm的图像，空间分辨率高达228.1 lp mm⁻¹。

柠檬黄溶液成像分辨率测试。图片来源：Science

“当柠檬黄溶解在水中时，会引起光线弯曲，提高水溶液的折射率，使其与脂肪的光学折射相匹配，从而让生物组织变得透明，” Guosong Hong教授解释道，“柠檬黄是一种食用色素，可安全用于活体小鼠，并且这种方法是可逆的”^[4]。

“一般情况下，科学家们需要取出实验动物的器官进行研究。或借助超声波设备来观察生命体内部。这项技术，使我们可以直接观察体内情况，”Zihao Ou博士（论文一作，现已入职得克萨斯大学达拉斯分校）补充说，“不过，在该技术应用于人体之前仍有很多工作要做。人体皮肤的厚度至少是小鼠皮肤的10倍，且含有较多黑色素的深色皮肤也需要进一步研究”^{[1, 5]}。

如果这种方法真的有一天可以用于人体，小希就希望，下次再抽血的时候，给我涂一点在胳膊上，省的扎两三次才能找到血管……血管不明显的人重大利好！

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Achieving optical transparency in live animals with absorbing molecules

Zihao Ou, Yi-Shiou Duh, Nicholas J. Rommelfanger, Carl H. C. Keck, Shan Jiang, Kenneth Brinson Jr, Su Zhao, Elizabeth L. Schmidt, Xiang Wu, Fan Yang, Betty Cai, Han Cui, Wei Qi, Shifu Wu, Adarsh Tantry, Richard Roth, Jun Ding, Xiaoke Chen, Julia A. Kaltschmidt, Mark L. Brongersma, Guosong Hong

Science 2024, DOI: 10.1126/science.adm6869

参考文献：

[1] Researchers Create Solution That Makes Living Skin Transparent

https://news.utdallas.edu/science-technology/yellow-dye-solution-transparent-skin-2024/ 

[2] K. Chung, et al., Structural and molecular interrogation of intact biological systems. Nature 2013, 497, 332-337. DOI: 10.1038/nature12107

[3] A. Ertürk, et al., Three-dimensional imaging of the unsectioned adult spinal cord to assess axon regeneration and glial responses after injury. Nat. Med. 2012, 18, 166-171. DOI: 10.1038/nm.2600

[4] Transparent mice made with light-absorbing dye reveal organs at work

https://www.nature.com/articles/d41586-024-02887-4 

[5] C&EN NEWS: Food dye makes tissue temporarily transparent

https://cen.acs.org/analytical-chemistry/imaging/Food-dye-makes-tissue-temporarily/102/i28 

导师介绍

Guosong Hong

https://www.x-mol.com/university/faculty/350954 

（本文由小希供稿）