Science：新进展！通过强吸收分子实现活体动物的光学透明

试图对生物物质成像的一个挑战是，生物物质的复杂结构会因不必要的光散射而导致不透明。这种散射是由于生物组织成分之间的折射率不匹配造成的，从而限制了光学成像的穿透深度。人们观察生物组织内部和揭示生命基本过程的愿望刺激了对深层组织光学成像方法的广泛研究，比如双光子显微镜、近红外 II 荧光成像和光学组织透明化。然而，这些方法要么缺乏足够的穿透深度和分辨率，要么不适合活体动物。因此，在活体动物中实现光学透明的能力有望改变许多光学成像技术。

在一项新的研究中，来自斯坦福大学的研究人员假设强吸收分子（strongly absorbing molecule）可以在活体生物组织中实现光学透明。他们利用洛伦兹振子模型（Lorentz oscillator model）对组织组分和吸收分子的介电特性进行了研究，预测了在近紫外光谱（300 ~ 400 nm）和可见光谱（400 ~ 500 nm）的蓝色区域具有明显吸收共振的染料分子在溶解于水中时，可有效地提高水介质在较长波长处的折射率的实部，这与克拉莫-克兰尼克关系（Kramers-Kronig relation）一致。因此，水溶性染料能有效降低水和脂质之间的折射率对比，从而实现活体生物组织的光学透明。

相关研究结果发表在2024年9月6日的Science期刊上，论文标题为“Achieving optical transparency in live animals with absorbing molecules”。

基于此，研究者发现美国食品药品管理局（FDA）批准的一种常见食用染料---酒石黄（tartrazine）---的水溶液具有使活体啮齿动物的皮肤、肌肉和结缔组织可逆透明的效果。他们在模拟组织的散射水凝胶和活体生物组织中进行了实验。这些测试证实了他们的观察结果背后的机制，并展示了一旦实现透明，通过毫米级散射介质可达到微米级的空间分辨率。通过使用吸收染料分子，他们可以将活体小鼠通常不透明的腹部转化为透明介质。

这种“透明腹部（transparent abdomen）”允许直接观察荧光蛋白标记的肠道神经元，捕捉它们的运动，因为它们的运动反映活体小鼠的内在肠道运动。这使得他们能够生成描述小鼠肠道运动和运动模式多样性的时间演变图。为了证明这种方法的通用性，他们还在小鼠头部头皮上局部使用这种食用染料溶液，以观察脑血管，并在小鼠后肢上使用这种染料溶液，以对肌肉肌节进行高分辨率显微成像。

图片来自Science, 2024, doi:10.1126/science.adm6869

综上所述，研究者报告了一个违反直觉的观察结果，即强吸收分子可以在活体动物身上实现光学透明。洛伦兹振子模型是这一非同寻常的观察结果的基础，它预测，具有低共振频率（长吸收波长）、尖锐的吸收峰和丰富的非局域化电子的分子在提高水介质折射率方面比传统的光学透明剂更有效。他们的方法还为观察深层组织和器官的结构、活动和功能提供了机会，而不需要手术切除或用透明窗口替换覆盖的组织。这种方法仍然存在一些局限性，包括由于在异质组织中匹配折射率所带来的挑战而导致的散射减少但未完全消除，以及根据吸收分子的扩散情况可达到的穿透深度。（生物谷Bioon.com）

参考资料：

Zihao Ou et al. Achieving optical transparency in live animals with absorbing molecules. Science, 2024, doi:10.1126/science.adm6869.