涂上一種神奇的染料，皮膚就可以直接變透明？

近日，在學術界刮起了一股「復刻」風，全球各實驗室紛紛連夜抓起籠子里的小鼠、涂上黃色染料，凌晨一邊在實驗室里等待結果，一邊上網(wǎng)看其他人做出來了沒......

圖源：丁香園小紅書

這一切都源自于近日 Science 刊發(fā)的斯坦福大學團隊的一篇論文，該團隊給小鼠腹部涂上實驗室常見的檸檬黃試劑后，成功讓小鼠的皮膚「透明化」，皮膚之下的血管和組織清晰可見。

相關研究發(fā)表一個月后，就被評為近十年來 Science 影響力 top5、下載超過 8 萬次。

圖源：Science

美國國家科學基金會項目委員會委員 Adam Wax 表示：「每個光學專業(yè)的學生都知道的公式，但只有這個團隊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?！?/p>

丁香園特別邀請到 斯坦福大學材料科學與工程系、吳蔡神經科學研究所 洪國松團隊，分享本次全球首創(chuàng)技術的研究思路和臨床意義，同時也解答部分關于實驗的疑惑。

從被 Nature 拒稿，到成為 Science 熱門

在成為 Science 的「頂流」之前，洪國松團隊其實首先將研究論文投向了 Nature，卻被「拒之門外」。

一開始，洪國松團隊的研究方向可以說是跟「組織透明化」完全不沾邊——微波以及無線電波如何與生物組織相互作用。

對于這些波段而言，生物組織是非常不透明的，因為生物組織在這些波段吸收非常強（主要來自于水分子的吸收）。但當團隊在測量這些組織在低頻下的介電常數(shù)時，意外發(fā)現(xiàn)這些組織的介電常數(shù)的實部受到其在相對高頻下的吸收常數(shù)的影響。

進一步的實驗中，研究團隊發(fā)現(xiàn)：諸如檸檬黃等看起來是紅色的染料在溶于水后，會改變生物組織在長波長下的折射率，進而實現(xiàn)水和脂質折射率的匹配，達成組織透明化。

團隊最初期的工作確實如 Nature 編輯所說，「并不是一種新方法」：用高折射率物質對水的折射率進行調節(jié)，從 1990 年代開始就有相關研究。

上下滑動查看相關歷史研究

研究團隊：1990 年代就有俄羅斯科學家 Tuchin 用甘油提高水的折射率。更近一點來講，MIT 的 Boyden 課題組以及九州大學的 Imai 課題組分別用右旋糖酐和牛血清白蛋白實現(xiàn)了活體腦組織的部分透明化。

無論甘油也好，蔗糖也好，或者是聚乙二醇，右旋糖酐和牛血清白蛋白，它們之所以能夠提升組織中水的折射率，都是因為它們在深紫外區(qū)域有很強的吸收。比如說，甘油，蔗糖，聚乙二醇和右旋糖酐的吸收主要集中在 100nm 左右，而牛血清白蛋白則在 250nm 有主要吸收。

但在此基礎上，洪國松團隊的理論提供了一個反直覺的預測。

「以往研究者們在選擇這些透明化試劑的時候，重要考慮是在可見光區(qū)完全沒有吸收（也就是看起來無色），我們卻發(fā)現(xiàn)吸收紅移和吸收越強的分子能夠在相同的質量濃度下更加有效的提升折射率。」洪國松表示，由此，檸檬黃以及類似的染料分子可以在溶液的主體仍然基本上是水（70% 含水量，可以避免組織脫水）的情況下和脂質達到折射率的匹配。

在相關理論的支持下，團隊內的博士后歐子豪（現(xiàn)任德克薩斯大學助理教授）開始對大量染料和其他有色分子進行了篩選。

在發(fā)表的 Science 論文中，洪國松團隊展示了 20 多種染料的數(shù)據(jù)，但他表示這已是「大海撈針」的結果：「但實際上，歐子豪篩選過的遠遠超出這個范圍?！?/p>

一次 Nature 的拒稿，實際上推動了這篇 Science 論文的改進。

「在拒稿的同時，Nature 審稿人也提出了許多建議，促使我們進一步完善了數(shù)據(jù)和表述。」洪國松表示，「這幫助我們提前解決了后來在 Science 投稿過程中可能遇到的問題?！?/p>

在這個過程中，洪國松研究團隊得到了許多同行的支持。另一位通訊作者 Mark Brongersma 教授不斷鼓勵并提出具有建設性的觀點，Julia Kaltschmidt 教授提供了轉基因小鼠，支持新實驗的完成，丁軍和陳曉科教授也慷慨地提供了所需的實驗設備。

其他團隊：我把小鼠搓成烤雞了，還是復刻不了

論文發(fā)出后，洪國松團隊收到了很多詢問細節(jié)的郵件。

上個月底，九州大學的 Imai 課題組在 bioRvix 上發(fā)文，質疑該團隊的實驗結果無法復現(xiàn)。

「我們課題組了解到相關情況后立刻同他們聯(lián)系，結果發(fā)現(xiàn)他們并沒有遵照我們文章中公布的實驗方法。」于是洪國松團隊向 Imai 課題組指出實驗方法的差異、并且提供了更加詳細的實驗細節(jié)。

兩天后， Imai 課題組成功復現(xiàn)了洪國松團隊的實驗，并且撤回了質疑文章、公開道歉。

圖源：洪國松團隊

「在和 Imai 及其他課題組的交流，我們發(fā)現(xiàn)大家由于一些科普文章的影響對我們這篇文章有一個先入為主的觀念，就是只要把檸檬黃溶液涂在小鼠肚子上面就能自然變透明，卻忽略了文章中的很多細節(jié)?！?/p>

但在洪國松看來，想要完美復刻實驗，需要對每個細節(jié)都「吹毛求疵」。

比如說，文章的方法部分特別提到：After the abdominal tissue has sufficiently absorbed the dye molecules, a clear lubricating eye gel（GenTeal Tears, Alcon, Fort Worth, Texas, USA）was applied to the abdomen.

可以從文章的 Fig 3C 看出來，檸檬黃在低濃度下顯黃色，而在高濃度下顯紅色，而只有高濃度的紅色的檸檬黃才能夠讓散射介質變透明。讀者也可以從Fig 1A 和 Fig 3G 看出來這一點，所以，充分吸收了檸檬黃的皮膚應該是顯紅色的。

「所以當有些實驗室把小鼠『搓成了烤雞』，或者小鼠越搓越黃，說明皮膚中的檸檬黃濃度遠遠未達到透明化所需的濃度。」

提及此，洪國松有些哭笑不得：只有當檸檬黃充分滲透入皮膚組織，并且使得皮膚在用酒精棉片擦去表面的檸檬黃后能夠顯出紅色而不是黃色的時候，皮膚才能夠變得透明。

此外，洪國松還提到，去除角質層是該實驗的成功關鍵。由于檸檬黃親水而疏油、本身并不能夠透過皮膚表面的角質層。團隊在文章中使用的去除角質層方法為「在皮膚上適當延長使用脫毛膏的時間。」

與此同時，洪國松也鼓勵各位研究者積極嘗試其他溫和的去除角質層方法：「很多去角質方法其實首先用在了化妝品領域，大家可以充分嘗試。只是在過程中，需要注意關鍵是要讓檸檬黃充分滲透入皮膚組織，是皮膚在用酒精棉片擦去表面的檸檬黃后能夠顯出紅色而不是黃色，才能實現(xiàn)透明化。」

洪國松教授：拒絕廣告碰瓷，歡迎學術交流

目前，全球各大機構的研究人員對于這項 Science 研究復刻不斷，復刻過程中大家也有諸多疑問。

「因此，我們正在準備一篇詳細的實驗 Protocol，預計在幾個月內見刊，文中會涵蓋完整的實驗細節(jié)及一些常見問題解答。」洪國松表示，如果大家在使用中有任何問題，歡迎隨時郵件聯(lián)系：「我們的目標是讓所有實驗室能夠輕松復現(xiàn)這些實驗結果。」

與此同時，研究團隊也將在不久后向感興趣的實驗室寄送經過質量檢驗的試劑、用于進一步研究，確保這些試劑穩(wěn)定、不析出，并可直接用于小鼠實驗。

「需要特別說明的是，目前所有資料僅用于學術交流，我們尚未與任何公司進行商業(yè)合作或盈利。」

洪國松強調：「雖然市場上有不少類似的競爭產品，尤其是最近有些產品也開始借鑒我們的理論在他們原來無色的透明化試劑中加入有色分子以提高效率。但我們秉持科研誠信，不參與盈利性質的廣告推廣。」

「若實在是要『打廣告』，請參閱我們文章中的 Movie 1 和 2，認真按照細節(jié)做實驗?！购閲杀硎?，團隊不僅希望各實驗室都能成功復刻，還希望大家在此基礎上進一步共同研究，在技術發(fā)展上獲得更優(yōu)異的成果。

目前，洪國松團隊正在進行改進相關實驗。

「新實驗的初步數(shù)據(jù)顯示，能夠透明化更多的活體組織，并且擴大了可以使用的年齡范圍、動物種類以及光譜范圍。我們預見這一技術對于今后的生物成像會提供很多幫助，同時如果能夠通過人體實驗的話，對于診療深層組織的病灶可能會提供幫助?！?/p>

策劃：sysoon | 監(jiān)制：carollero

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