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試圖對生物物質成像的一個挑戰是，生物物質的復雜結構會因不必要的光散射而導致不透明。這種散射是由于生物組織成分之間的折射率不匹配造成的，從而限制了光學成像的穿透深度。人們觀察生物組織內部和揭示生命基本過程的愿望刺激了對深層組織光學成像方法的廣泛研究，比如雙光子顯微鏡、近紅外 II 熒光成像和光學組織透明化。然而，這些方法要么缺乏足夠的穿透深度和分辨率，要么不適合活體動物。因此，在活體動物中實現光學透明的能力有望改變許多光學成像技術。

在一項新的研究中，來自斯坦福大學的研究人員假設強吸收分子（strongly absorbing molecule）可以在活體生物組織中實現光學透明。他們利用洛倫茲振子模型（Lorentz oscillator model）對組織組分和吸收分子的介電特性進行了研究，預測了在近紫外光譜（300 ~ 400 nm）和可見光譜（400 ~ 500 nm）的藍色區域具有明顯吸收共振的染料分子在溶解于水中時，可有效地提高水介質在較長波長處的折射率的實部，這與克拉莫-克蘭尼克關系（Kramers-Kronig relation）一致。因此，水溶性染料能有效降低水和脂質之間的折射率對比，從而實現活體生物組織的光學透明。

相關研究結果發表在2024年9月6日的Science期刊上，論文標題為“Achieving optical transparency in live animals with absorbing molecules”。

基于此，研究者發現美國食品藥品管理局（FDA）批準的一種常見食用染料---酒石黃（tartrazine）---的水溶液具有使活體嚙齒動物的皮膚、肌肉和結締組織可逆透明的效果。他們在模擬組織的散射水凝膠和活體生物組織中進行了實驗。這些測試證實了他們的觀察結果背后的機制，并展示了一旦實現透明，通過毫米級散射介質可達到微米級的空間分辨率。通過使用吸收染料分子，他們可以將活體小鼠通常不透明的腹部轉化為透明介質。

這種“透明腹部（transparent abdomen）”允許直接觀察熒光蛋白標記的腸道神經元，捕捉它們的運動，因為它們的運動反映活體小鼠的內在腸道運動。這使得他們能夠生成描述小鼠腸道運動和運動模式多樣性的時間演變圖。為了證明這種方法的通用性，他們還在小鼠頭部頭皮上局部使用這種食用染料溶液，以觀察腦血管，并在小鼠后肢上使用這種染料溶液，以對肌肉肌節進行高分辨率顯微成像。

圖片來自Science, 2024, doi:10.1126/science.adm6869

綜上所述，研究者報告了一個違反直覺的觀察結果，即強吸收分子可以在活體動物身上實現光學透明。洛倫茲振子模型是這一非同尋常的觀察結果的基礎，它預測，具有低共振頻率（長吸收波長）、尖銳的吸收峰和豐富的非局域化電子的分子在提高水介質折射率方面比傳統的光學透明劑更有效。他們的方法還為觀察深層組織和器官的結構、活動和功能提供了機會，而不需要手術切除或用透明窗口替換覆蓋的組織。這種方法仍然存在一些局限性，包括由于在異質組織中匹配折射率所帶來的挑戰而導致的散射減少但未完全消除，以及根據吸收分子的擴散情況可達到的穿透深度。

參考資料：

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