这是一个平凡的下午，平凡得让他觉得这次一定是“又黄了”。为了避免阳光干扰观察结果，他先拉上窗帘，熟练地取出浸泡过甲基红的鸡胸肉，在灯光下仔细观察。戏剧性的结果出现了——鸡胸肉变得肉眼透明。可以直接看到内肌纤维的走向！
2024年9月6日，现为德克萨斯大学达拉斯分校助理教授的欧子豪以第一作者身份在《科学》杂志上发表论文，揭示了一个反直觉的现象：通过应用强吸收性分子染料柠檬黄可以使活的生物组织变得透明。
斯坦福大学材料科学与工程系助理教授洪国松表示，“展望未来，这项技术可以让抽血时的静脉更加清晰可见，让激光去除纹身变得更加容易，或者有助于癌症的早期发现和治疗。”洪国松是欧子豪“例如，有些疗法使用激光来消除癌细胞和癌前细胞，但仅限于靠近皮肤表面的区域。这项技术或许能够增加光的穿透力”
图片来源德克萨斯大学达拉斯分校
从旧配方中发现新突破
众所周知，当光从一种物质进入另一种物质时，它的速度和弯曲角度都会发生变化。初中物理课本上讲过光的散射和折射。当光线照射到水中时，它通过折射进入我们的视野，使我们可以清楚地看到水中的物体，例如弯曲的筷子和水中游动的金鱼。
“光无法穿透我们的身体，因为光在穿过皮肤、脂肪、细胞内液、蛋白质和其他物质时会发生散射，这些物质都具有不同的折射率，这种特性决定了入射光波的弯曲程度。在生物组织中，这些材料“这些生物组织紧密地堆积在一起，不同的折射率导致光线在穿过时发生散射，限制了光学成像的穿透深度，因此这些生物组织肉眼是不透明的。”欧子豪说。 。
时钟转到2011年，欧子豪来到中国科学技术大学，在科学实验班学习物理，作为一名本科生。大二进入侯忠怀教授领导的非线性化学实验室研究组后，对物理化学产生了浓厚的兴趣。 2015年本科毕业后，前往伊利诺伊大学香槟分校材料科学与工程系攻读博士学位。在陈谦教授的实验组中，他的博士研究重点是电子显微镜，这是一种利用电子束代替光来产生生物和非生物标本的高分辨率放大图像的成像技术。虽然博士期间也发表过不错的顶级期刊，但欧子豪总觉得“几乎无趣”。 “我想做一些能够对人类产生更大影响的事情，而不是局限于材料科学。”
2020年博士毕业后，欧子豪被斯坦福跨学科的研究氛围所吸引，萌生了去斯坦福做博士后的想法。他成功获得吴蔡跨学科博士后奖学金，找到专注于神经调节的洪国松教授和专门从事胃肠神经医学研究的导师朱莉娅·卡尔希米德（Julia）进行合作，开始致力于新型生物影像的开发方法。
“我觉得生物医学与人类社会息息相关，生物医学领域的创新可以直接改变人类的生活，更容易产生成就感。所以我决定学习一些生物成像技术，并带着我的物理和材料科学背景我觉得我的物理学背景可以为生物成像研究带来独特的视角。”欧子豪说。
欧子豪丨图片来源：本人提供
最初，该小组的项目是研究微波辐射如何与生物组织相互作用。
在探索 20 世纪 70 年代和 80 年代的光学教科书时，欧子豪发现了两个关键概念：一个是光学界熟知的克莱默-克罗尼关系（-），另一个是洛伦兹振荡（），当光子通过时，电子和原子在分子内部共振。
这些工具已经存在了一个多世纪，但没有人将这些理论带入医学领域。欧子豪认为，这个工具可以用来预测特定的染料，完美匹配脂肪、蛋白质等周围物质的不同折射率，使光线能够畅通无阻地穿过生物组织。
欧子豪的光学研究背景让他敏锐地意识到，吸收光能力非常强的染料可以非常有效地实现大范围的均匀折射率，从而引导光的传播。 “换句话来说，染料可以用来使水具有与脂质和蛋白质等物质相同的折射率，这样我们就可以看到生物组织的内部。”
“作为一名光学专家，我很惊讶他们如何从公式中学到这么多东西。” Adam Wax，美国国家科学基金会项目委员会成员
）惊叹道，“每个光学系的学生都知道这个公式，但只有这个团队用这个公式来思考吸收染料有多强使皮肤组织透明。这是利用基础光学知识创造新技术的生动实践。”
发现常见染料的神奇特性
生物组织中发生光散射是因为水成分具有低折射率（例如间质液和细胞质），而脂质和蛋白质成分具有高折射率（例如质膜、髓鞘和肌原纤维）。现有的减小折射率差的方法通常用高折射率化学品代替水或去除脂质以创建完全水性环境。
此话一出，王子豪就开始大海捞针般的寻找这种吸水性极强的染料。此时的探索充满了不确定性，只有他一个人孤军奋战。通过应用洛伦兹振荡器模型研究生物组织成分和吸收分子的介电特性，他发现在紫外光谱（300至400 nm）附近和可见光谱的蓝色区域（400至500 nm）存在尖锐的吸收共振。当染料分子溶解在水中时，可以有效地增加水介质的折射率，这与-关系一致。因此，水溶性染料可以有效降低水和脂质之间的折射率对比度，从而使活体生物组织光学透明。
理论被证明可行后，欧子豪开始准备用鸡胸肉作为生物组织的实验材料。直到2021年8月，欧子豪使用甲基红，第一次观察到鸡胸肉变得透明！从理论确认到实验成功大约花了三个月的时间，但这与过去一年来对光学理论的探索密不可分。
接下来，欧子豪发现论文的主角柠檬黄染料具有更好的成像效果。它是美国食品和药物管理局认证的食用食品添加剂，常用于橙色或黄色零食片、糖果涂层等食品中。
欧子豪大喜，立即将这一发现报告给了导师。一位经验丰富的医学研究导师指出，这一结果仅在分离的组织中得到证实，必须尽快在活体组织上进行实验。
于是，欧子豪开始扩大实验范围，组建了一个团队，对活体老鼠的不同部位进行实验。研究小组首先将柠檬黄溶液局部涂抹在活体剃毛小鼠的头部，并使用激光散斑对比成像（LSCI）观察头部的脑血管。小鼠的脑血管肉眼清晰可见。然后用水冲洗局部涂抹了染料分子的头皮，清除效果就会逆转。除了局部应用之外，研究人员还将染料分子直接注射到头皮中，这也产生了类似的 LSCI 图像，为在较厚的皮肤中实现组织透明提供了新的思路。
活体小鼠头皮实验丨来源：论文
“当我们看到实验结果时，我们首先想到的事情之一就是这将如何改善生物医学研究。”欧子豪说，“以前，一些光学设备，比如显微镜，可以在实验室里进行光学成像，但这并不适合活人或动物，因为光线很难穿过厚厚的组织。现代医学可以目前只能通过超声波和近红外荧光成像等技术来观察人体，缺乏足够的穿透深度和分辨率，但现在我们可以使生物组织透明，用肉眼看到生物体的内部动态。将彻底改变生物学中现有的光学研究。”
2023年3月，欧子豪满怀信心地将论文投稿给（），等待了长达半年的审稿周期，返回的审稿意见并不十分积极。
“《》的几位编辑认为我们的研究没有创新性，他们觉得我们也可以通过侵入性手术看到活体内部。我们只是简化了步骤，从根本上说，我们是在通过不同的方法达到相同的目标。另一位编辑何要求我们在活体老鼠身上添加更多原始实验结果。”欧子豪笑道：“我们按照这个建议，和我的副导师朱莉娅进行了深入的讨论。经过讨论，我们将我们的成像技术应用到了小鼠的腹部和胃肠神经上，并继续进行后续研究。不过，之后稿件完成后，我们将其提交给《》，因为我们在创新性方面与《》的观点不同，即使我们补充了实验，他们仍然认为这项研究没有根本上的创新。”欧子豪说。
研究人员将柠檬黄溶液局部涂抹在麻醉下活体小鼠的腹部皮肤上。为了加快染料的吸收，当轻轻按摩小鼠皮肤时，小鼠腹部皮肤不仅颜色变深，而且红色窗口也变得更加透明。这种透明效果可以用肉眼看到，无需任何专门的成像设备，可以直接观察内部器官，包括肝脏、小肠、盲肠和膀胱。更进一步，这个“透明的腹部”可以直接观察荧光蛋白标记的肠神经元，捕捉更深层次的运动。实验结束后，通过用水冲洗和按摩皮肤，已经透明的腹部可以恢复正常，并且体内残留的染料可以在48小时内排出体外。
活体小鼠腹部实验丨来源：论文
2023年10月，欧子豪向《》投稿，今年2月收到审稿意见。毫不奇怪，编辑的评论非常积极。审稿人要求研究人员增加深层组织的成像效果。
在收到审稿意见后，研究小组选择小鼠后肢的肌节（骨骼肌和心肌的基本收缩单位）作为成像目标，因为它们在肌肉功能中发挥着核心作用，并且有可能导致脊髓病等神经肌肉疾病。萎缩）有影响。传统的活体肌节成像方法需要在肌肉组织内植入显微内窥镜，对肌节内肌球蛋白杆的二次谐波产生（SHG）信号进行成像，这不仅是侵入性的，而且需要大视场。受限制的。研究人员将柠檬黄溶液局部涂抹在小鼠后肢上。完整皮肤的直接 SHG 成像在约 220 μm 处可见。与柠檬黄接触的皮肤表层变得明显透明，这使得研究人员能够在相同深度收集数据。 SHG 信号识别肌节的周期性结构。
实验完成后，欧子豪于2024年4月再次退回稿件，并于7月正式收到录用通知。 “这也算是一次跨界研究的成功实践。这种积极的反馈更加坚定了我从事从光学到生物医学跨学科研究的信念。这也是我8月份来到德克萨斯大学的原因。”欧子豪说道。
从光学到生物学
理论与现实相结合是秘诀
当被问到“为什么我能从所有光学人都习以为常的公式中发现新的想法”时，欧子豪笑着谈到自己的母校，“我毕业于中国科学技术大学，一直专注于我在中国科学技术大学读了四年的本科，受到了良好的思维训练，打下了良好的基础，这对我的学长们的研究成果产生了终生的影响。可能不只是使用它们，但他们会更多地思考如何迁移和应用，校训是一样的，注重理论与实践的结合。”
说着，欧子豪从实验桌上抬起了自己的本科论文。 “我出国留学后一直带着本科论文，经常看。”他意味深长地提到自己的本科生导师侯忠怀教授，“科大本科生很尊重GPA（笑），其实我的GPA不是很高，大三的时候在牛津大学有过交换生，当时忠怀老师就鼓励我。”我出去交流对于我的留学和后续的科学研究非常重要。”
谈及未来的研究计划，欧子豪表示：“目前的研究还没有在人体上进行，因为人类的皮肤比老鼠厚10倍，目前还不能确定需要什么剂量的染料才能穿透这个厚度。所以我们仍在寻找折射率比柠檬黄更强的染料。”
参考
[1]
[2]
[3]
策划及制作
来源 |回归原创（ID：）
作者丨路飞
