涂上一種神奇的染料，皮膚就可以直接變透明？

近日，在學(xué)術(shù)界刮起了一股「復(fù)刻」風(fēng)，全球各實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室里等待結(jié)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(xué)團(tuán)隊(duì)的一篇論文，該團(tuán)隊(duì)給小鼠腹部涂上實(shí)驗(yàn)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(guān)研究發(fā)表一個(gè)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(xué)基金會(huì)項(xiàng)目委員會(huì)委員 Adam Wax 表示：「每個(gè)光學(xué)專業(yè)的學(xué)生都知道的公式，但只有這個(gè)團(tuán)隊(duì)用這個(gè)方程去思考強(qiáng)吸收染料如何使皮膚組織透明。這是利用基礎(chǔ)光學(xué)知識(shí)來創(chuàng)造新技術(shù)的一次生動(dòng)實(shí)踐?！?/p>

丁香園特別邀請到 斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系、吳蔡神經(jīng)科學(xué)研究所 洪國松團(tuán)隊(duì)，分享本次全球首創(chuàng)技術(shù)的研究思路和臨床意義，同時(shí)也解答部分關(guān)于實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)其實(shí)首先將研究論文投向了 Nature，卻被「拒之門外」。

一開始，洪國松團(tuán)隊(duì)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?yàn)樯锝M織在這些波段吸收非常強(qiáng)（主要來自于水分子的吸收）。但當(dāng)團(tuán)隊(duì)在測量這些組織在低頻下的介電常數(shù)時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)這些組織的介電常數(shù)的實(shí)部受到其在相對高頻下的吸收常數(shù)的影響。

進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)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(huì)改變生物組織在長波長下的折射率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水和脂質(zhì)折射率的匹配，達(dá)成組織透明化。

團(tuán)隊(duì)最初期的工作確實(shí)如 Nature 編輯所說，「并不是一種新方法」：用高折射率物質(zhì)對水的折射率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從 1990 年代開始就有相關(guān)研究。

上下滑動(dòng)查看相關(guān)歷史研究

研究團(tuán)隊(duì)：1990 年代就有俄羅斯科學(xué)家 Tuchin 用甘油提高水的折射率。更近一點(diǎn)來講，MIT 的 Boyden 課題組以及九州大學(xué)的 Imai 課題組分別用右旋糖酐和牛血清白蛋白實(shí)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?yàn)樗鼈冊谏钭贤鈪^(qū)域有很強(qiáng)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(chǔ)上，洪國松團(tuán)隊(duì)的理論提供了一個(gè)反直覺的預(yù)測。

「以往研究者們在選擇這些透明化試劑的時(shí)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(qiáng)的分子能夠在相同的質(zhì)量濃度下更加有效的提升折射率?！购閲杀硎荆纱?，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(zhì)達(dá)到折射率的匹配。

在相關(guān)理論的支持下，團(tuán)隊(duì)內(nèi)的博士后歐子豪（現(xiàn)任德克薩斯大學(xué)助理教授）開始對大量染料和其他有色分子進(jìn)行了篩選。

在發(fā)表的 Science 論文中，洪國松團(tuán)隊(duì)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(jié)果：「但實(shí)際上，歐子豪篩選過的遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出這個(gè)范圍?！?/p>

一次 Nature 的拒稿，實(shí)際上推動(dòng)了這篇 Science 論文的改進(jìn)。

「在拒稿的同時(shí)，Nature 審稿人也提出了許多建議，促使我們進(jìn)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。」

在這個(gè)過程中，洪國松研究團(tuán)隊(duì)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(lì)并提出具有建設(shè)性的觀點(diǎn)，Julia Kaltschmidt 教授提供了轉(zhuǎn)基因小鼠，支持新實(shí)驗(yàn)的完成，丁軍和陳曉科教授也慷慨地提供了所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

其他團(tuán)隊(duì)：我把小鼠搓成烤雞了，還是復(fù)刻不了

論文發(fā)出后，洪國松團(tuán)隊(duì)收到了很多詢問細(xì)節(jié)的郵件。

上個(gè)月底，九州大學(xué)的 Imai 課題組在 bioRvix 上發(fā)文，質(zhì)疑該團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果無法復(fù)現(xiàn)。

「我們課題組了解到相關(guān)情況后立刻同他們聯(lián)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)他們并沒有遵照我們文章中公布的實(shí)驗(yàn)方法。」于是洪國松團(tuán)隊(duì)向 Imai 課題組指出實(shí)驗(yàn)方法的差異、并且提供了更加詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)。

兩天后， Imai 課題組成功復(fù)現(xiàn)了洪國松團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)，并且撤回了質(zhì)疑文章、公開道歉。

圖源：洪國松團(tuán)隊(duì)

「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(gè)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(xì)節(jié)。」

但在洪國松看來，想要完美復(fù)刻實(shí)驗(yàn)，需要對每個(gè)細(xì)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(zhì)變透明。讀者也可以從Fig 1A 和 Fig 3G 看出來這一點(diǎn)，所以，充分吸收了檸檬黃的皮膚應(yīng)該是顯紅色的。

「所以當(dāng)有些實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到透明化所需的濃度。」

提及此，洪國松有些哭笑不得：只有當(dāng)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(shí)候，皮膚才能夠變得透明。

此外，洪國松還提到，去除角質(zhì)層是該實(shí)驗(yàn)的成功關(guān)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(zhì)層。團(tuán)隊(duì)在文章中使用的去除角質(zhì)層方法為「在皮膚上適當(dāng)延長使用脫毛膏的時(shí)間?！?/p>

與此同時(shí)，洪國松也鼓勵(lì)各位研究者積極嘗試其他溫和的去除角質(zhì)層方法：「很多去角質(zhì)方法其實(shí)首先用在了化妝品領(lǐng)域，大家可以充分嘗試。只是在過程中，需要注意關(guān)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(shí)現(xiàn)透明化。」

洪國松教授：拒絕廣告碰瓷，歡迎學(xué)術(shù)交流

目前，全球各大機(jī)構(gòu)的研究人員對于這項(xiàng) Science 研究復(fù)刻不斷，復(fù)刻過程中大家也有諸多疑問。

「因此，我們正在準(zhǔn)備一篇詳細(xì)的實(shí)驗(yàn) Protocol，預(yù)計(jì)在幾個(gè)月內(nèi)見刊，文中會(huì)涵蓋完整的實(shí)驗(yàn)細(xì)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(shí)郵件聯(lián)系：「我們的目標(biāo)是讓所有實(shí)驗(yàn)室能夠輕松復(fù)現(xiàn)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果?！?/p>

與此同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)也將在不久后向感興趣的實(shí)驗(yàn)室寄送經(jīng)過質(zhì)量檢驗(yàn)的試劑、用于進(jìn)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(shí)驗(yàn)。

「需要特別說明的是，目前所有資料僅用于學(xué)術(shù)交流，我們尚未與任何公司進(jìn)行商業(yè)合作或盈利?！?/strong>

洪國松強(qiáng)調(diào)：「雖然市場上有不少類似的競爭產(chǎn)品，尤其是最近有些產(chǎn)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(zhì)的廣告推廣?！?/p>

「若實(shí)在是要『打廣告』，請參閱我們文章中的 Movie 1 和 2，認(rèn)真按照細(xì)節(jié)做實(shí)驗(yàn)?！购閲杀硎?，團(tuán)隊(duì)不僅希望各實(shí)驗(yàn)室都能成功復(fù)刻，還希望大家在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步共同研究，在技術(shù)發(fā)展上獲得更優(yōu)異的成果。

目前，洪國松團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行改進(jìn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

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

策劃：sysoon | 監(jiān)制：carollero

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