中国小伙反直觉发现登Science：从基础光学公式找到神奇应用
健康
2024-09-19 21:18
北京
绝大多数生物体的皮肤是不透明的，因为光在穿透皮肤组织中的脂质和蛋白质时会发生散射。但一项发表在Science上的最新研究揭示了一个反直觉的现象，通过涂抹一种常见食用色素溶液，就能让小鼠的皮肤变得透明，用肉眼可直接透视其组织内部。2021年8月，彼时还未立秋，斯坦福校园的空气里还弥漫着燥热，这是欧子豪在这里担任博士后的第二年，手头的实验也让他内心焦灼。走近实验台，可以看到除了瓶瓶罐罐五颜六色的溶液，还有一堆切成片状的鸡胸肉——这除了是他的实验材料，也是他的食物。一个寻常的下午，寻常到他觉得这次肯定“又黄了”。为了避免日光干扰观察结果，他先是拉上窗帘，熟练地把浸泡在甲基红中的鸡胸肉取出来，将其对着灯光仔细观察，戏剧性的结果出现了——鸡胸肉变透明了，肉眼可直接看到内部肌纤维的走向！2024年9月6日，如今已在得克萨斯大学达拉斯分校担任助理教授的欧子豪，以第一作者身份在Science杂志上发表论文，揭示了一个反直觉的现象：通过涂抹强吸收分子染料柠檬黄，可使得活体生物组织变透明。斯坦福大学材料科学与工程助理教授洪国松表示，“展望未来，这个技术可以使得抽血时静脉更加清晰可见，使激光去除纹身变得更简单，或者帮助早期发现和治疗癌症，”洪国松是欧子豪的博士后导师，同时也是这篇论文的通讯作者，“例如，某些疗法使用激光来消除癌细胞和癌前细胞，但仅限于皮肤表面附近的区域。这项技术可能能够提高光的穿透力。”众所周知，光从一种物质进入另一种物质时，会改变速度和弯曲角度，初中物理课本上就教授过光的散射和折射。光线照射到水中会通过折射进入我们的视野，我们从而能够看清楚水中的物体，如水中弯折的筷子、游动的金鱼。“而光线无法穿透我们的身体，因为光在穿过皮肤时会发生散射，脂肪、细胞内的液体、蛋白质和其他物质都有不同的折射率，这一特性决定了入射光波的弯曲程度。在生物组织中，这些物质紧密地压实在一起，不同的折射率会导致光在通过时散射，这限制了光学成像的穿透深度，所以肉眼看到这些生物组织是不透明的。”欧子豪一边向《返朴》解释，一边抬起手臂进行比划。时钟拨转到2011年，欧子豪来到中国科学技术大学理科实验班物理方向读本科。大二进入侯中怀教授领导的非线性化学实验室课题组后，他对物理化学产生了浓厚兴趣。2015年本科毕业后，他前往伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校材料科学与工程系攻读博士。在陈倩教授的实验课题组，他的博士研究集中在电子显微镜上，这是一种成像技术，它利用电子束而不是光来产生生物和非生物标本的高分辨率放大图像。尽管在博士期间也发表过不错的顶刊，但欧子豪总觉得“差点意思”，“我想做一些能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，斯坦福交叉学科融合的研究氛围吸引着欧子豪，他萌生了前往斯坦福担任博士后的想法。他顺利拿下Wu-Tsai交叉学科博士后奖学金，找到了专注于神经调控的洪国松教授和肠胃神经医学研究的导师Julia Kaltschmidt合作，开始投身于发展新的生物成像方法。“我觉得生物医学是和人类社会息息相关的，生物医学领域的创新能够直接改变人类的生活，也更容易产生成就感。于是我决定学习一些生物成像技术，并把我物理和材料科学的背景带到生物医学科学中。我觉得我在物理方面的背景能够为生物成像研究带来一个独特的视角。”一开始，组里的项目是关于微波辐射如何与生物组织相互作用的调查。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：一个是光学人熟知的克拉莫-克若尼关系式（Kramers-Kronig relations），另一个是洛伦兹震荡（Lorentz oscillation），当光子通过时，电子和原子在分子内部产生共振。这些工具已经存在了一个多世纪，但没有人把这些理论引入医学领域的研究。欧子豪想到，可以借此工具预测特定染料来完美匹配周围脂肪和蛋白质等物质不同的折射率，这样光线就可以畅通无阻地通过生物组织。光学研究背景使得欧子豪敏锐意识到，在吸收光方面很强的染料可以非常有效地实现广泛的均匀折射率，从而引导光传播。“换句话说，可以通过染料把水打造成和脂质和蛋白质等物质一样的折射率，这样我们就能看到生物组织内部了。”“同样作为一个光学人，我很惊讶他们如何从Kramers-Kronig公式中领悟这么多。”美国国家科学基金会项目委员会委员Adam Wax惊叹，“每个光学专业的学生都知道这个公式，但只有这个团队使用这个方程，去思考强吸收染料如何使皮肤组织透明。这是利用基础光学知识来创造新技术的一次生动实践。”生物组织中的光散射是因为水性成分是低折射率（如间质液和胞质溶胶），脂质和蛋白质成分具有高折射率（如质膜、髓鞘和肌原纤维）。减少折射率差异的现有方法通常用高折射率的化学物质去代替水，或是去除脂质以产生全水性环境。说干就干，欧子豪开始大海捞针一般寻觅这种高吸收性染料。此时的探索充满不确定性，只有他一个人孤军奋战。通过应用洛伦兹振荡器模型来研究生物组织成分和吸收分子的介电特性，他发现在靠近紫外光谱（300至400nm）和可见光谱的蓝色区域（400至500nm）中具有尖锐吸收共振的染料分子溶解在水中时，可有效提高水性介质折射率，这与Kramers-Kronig的关系是一致的。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实现光学透明。理论证实可行之后，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，欧子豪使用了甲基红，第一次观察到鸡胸肉变透明！从理论证实到实验成功，这中间花费了三个月左右，不过这离不开过去一年在光学理论上的探索。接下来，欧子豪发现了论文的主角——柠檬黄染料的成像效果更好。它是一种美国食品和药品监督管理局认证的可食用食品添加剂，经常用于橙色或黄色的零食薯片、糖果涂层和其他食品。欧子豪欣喜若狂，立即向导师汇报了这一发现。医学研究经验丰富的导师指出，这个结果仅在离体组织中得到证实，要尽快在活体组织开展实验。于是，欧子豪开始着手扩大实验范围，组建团队在活体小鼠上开展不同部位的实验。团队先是将柠檬黄溶液局部涂抹在剃光毛发的活体小鼠的头部，并使用激光散斑对比成像（LSCI）来观察头部的脑血管。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，透明效果发生逆转。除了局部涂抹应用外，研究人员还将染料分子直接注射到头皮中，也会产生类似的 LSCI图像，这为在较厚的皮肤中实现组织透明提供了一种新思路。“当我们看到实验结果时，我们首先想到的一件事是，这可能会如何改善生物医学研究。”欧子豪表示，“以前在实验室可以使用一些光学设备如显微镜来进行光学成像，但是这不适用于活体的人或者动物，因为光很难通过厚的组织。而现代医学目前只能通过超声、近红外荧光成像等技术窥探人体内部，缺乏足够的穿透深度和分辨率。但是现在我们可以使生物组织透明，通过肉眼便可看到生物体内部的动态。这将彻底改变生物学中现有的光学研究。”2023年3月，欧子豪信心满满地将论文投给了Nature，等待了漫长的半年审稿期，返回的审稿意见不是很积极。“Nature的几个编辑认为我们的研究不具备创新性，他们觉得通过创伤性手术同样可以看到生物体内部，我们只是简化了步骤而已，从根本上来说是殊途同归的。还有一个编辑提出让我们补充更多在活体小鼠上的原创实验结果。”欧子豪笑了笑，“我们听从这个建议，并深入和我的副导师Julia进行讨论，在老鼠腹部及肠胃神经上应用我们的成像技术，继续开展了后续研究，但是完稿之后我们投给了Science，因为在创新性这点上，我们意见是与Nature相左的，即使我们补充了实验，他们仍然从根本上觉得这项研究不具备创新性。”研究人员在麻醉的条件下，将柠檬黄溶液局部涂抹在活体小鼠的腹部皮肤上，为了加快对染料的吸收，轻轻按摩小鼠皮肤时，小鼠的腹部皮肤不仅颜色变深，而且在红色窗口中变得更加透明。这种透明效果可以用肉眼一目了然，不需要任何专门的成像设备，可直接观察内部器官，包括肝脏、小肠、盲肠和膀胱。更进一步，这种“透明腹部”允许直接观察荧光蛋白标记的肠道神经元，捕捉更深层的运动。实验结束后，通过用水冲洗和按摩皮肤，已经透明的腹部可恢复如常，体内残留的染料可以在48小时内排出体外。2023年10月，欧子豪将论文投给Science，今年2月收到审稿意见，不出意外，编辑给的意见非常积极。审稿意见中要求研究人员补充在深部组织中的成像效果。接到审稿意见后，团队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起着核心作用，并且对神经肌肉疾病（如脊髓性肌萎缩症）有影响。传统的体内肌节成像方法需要在肌肉组织内植入显微内窥镜，以便对肌节中肌球蛋白棒的二次谐波产生（SHG）信号进行成像，这不仅具有创伤性，且视野受限。而研究人员在小鼠的后肢上局部涂抹了柠檬黄溶液，在约220μm能看到完整皮肤的直接SHG成像，与柠檬黄接触的皮肤表层变得明显透明，这使研究人员能够通过收集相同深度的SHG信号来识别肌节的周期性结构。实验完善之后，2024年4月欧子豪再次返稿，7月份正式拿到录用通知。“算是跨界研究的一次成功实践吧，这个正反馈坚定了我从光学跨到生物医学从事交叉学科研究的信念，这也是我8月来到得克萨斯大学的原因。”当被问及“为何能从所有光学人习以为常的公式中发现新思路”时，欧子豪笑着谈起母校，“我是中国科大本科毕业的，科大一向以基础研究为长。本科四年在科大受到了良好的思维训练，打下了良好的基础，这对我来说是一辈子的影响。对于老前辈的研究成果可能不会只想去拿来就用，更多的会去想如何去迁移延申再应用。可能正如科大校训一样，讲究理实交融吧。”说着，欧子豪从实验室的台面上顺手举起了自己的本科论文，“我出国读书之后一直带着自己的本科论文，时常翻开看看，”他意味深长地提到了本科导师侯中怀教授，“科大本科生推崇GPA（笑），其实我的GPA并不是非常靠前的，大三时有一个牛津大学交流项目，当时候中怀老师鼓励我外出交流，这对我出国留学以及后来的科研发展都影响深远。”谈及未来的研究规划，欧子豪说：“目前的研究还没有在人类身上开展实验，因为人类的皮肤比老鼠厚10倍，目前还不确定能够穿透这个厚度所需要的染料剂量。所以我们还在寻找比柠檬黄折射率更强的染料。”[1] https://www.science.org/doi/10.1126/science.adm6869[2] https://www.eurekalert.org/news-releases/1056294[3] https://www.eurekalert.org/news-releases/1056332
