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光学成像作为生物学和医学中的核心工具，长期以来受到活体组织中光散射的阻碍。近日，Ou等人在Science期刊上发表了一篇名为《Achieving optical transparency in live animals with absorbing molecules》的论文，提供了一种巧妙的新方法，通过引入强吸收性的染料分子，显著提高了活体动物组织的光学透明度。这项研究或将革新深层组织和器官的光学成像方法，提高成像质量和分辨率。
研究背景
传统的光学成像方法在成像深度和分辨率上受限于组织内部的光散射和吸收。尽管已有多种深层组织成像方法如双光子显微镜、近红外荧光成像等，但它们在活体动物中的应用效果有限。因此，研究如何在活体动物中实现光学透明度成为科学家们的目标。研究发现
通过引入强吸收性的水溶性染料，如黄色食用染料塔拉撒辛，研究团队发现这些染料可以通过克拉默斯-克罗尼关系（Kramers-Kronig relations）有效地调整水基介质的折射率，从而匹配组织脂质的折射率差异，使活体组织变得透明。研究意义
这项研究表明，在不移除或替换组织的前提下，可以通过吸收染料分子使得生物组织变得透明。这不仅提升了光学成像的质量和深度，还为将来在医学诊断、神经科学和药物研发等领域的应用提供了新的思路。实验策略
研究团队首先在小鼠体内应用塔拉撒辛溶液，将小鼠的腹部、头部和后肢变得透明。随后通过多种成像技术验证了这一透明效果，如激光散斑对比成像、二次谐波生成成像等。此外，通过染料渗透实验和光学传输测量，进一步优化了染料的使用浓度和效果。
数据分析
图1A-F描述:图中展示了通过引入吸收分子使小鼠皮肤变得光学透明的效果。A: 不同溶液在散射介质中的透明性。左到右依次为：纯水、0.6M甘油溶液、0.6M塔拉撒辛溶液、硅胶散射粒子分散在前述三种溶液中的情况。C: 使用激光斑点对比成像实现小鼠头部皮肤透明的示意图。D-F: 小鼠头部皮肤应用塔拉撒辛溶液前后的激光斑点对比图，显示血管的成像效果显著提高。描述:展示了小鼠腹部和后肢皮肤透明化的过程及效果。G-J: 小鼠腹部在应用塔拉撒辛溶液前后的照片，图中明确显示了腹部内部器官。K-N: 小鼠后肢皮肤变透明后，实现了肌小节（sarcomeres）的高分辨率成像。分析: 通过使用吸收性染料，研究团队成功使小鼠的不同部位的皮肤透明，展示了染料在实际生物样品中的显著效果。此外，成像效果也得到了极大提升，验证了这种方法的有效性。图2A-M描述:图中展示了通过吸收分子提高水基介质折射率的物理机制。A: 数值模拟展示吸收分子引入后溶液的实数折射率(n′)和虚数折射率(n″)的变化。D-E: 吸收分子的摩尔吸收系数(α)和摩尔n′变化系数(β)。图3A-J描述:展示了在模拟散射介质和鸡胸肉组织中引入吸收分子后的透明性变化。B: 数值模拟显示不同背景介质的n′不匹配对光传播的影响。C-F: 吸收分子浓度增加的过程中，散射介质的透明度逐渐提高。G-J: 不同浓度塔拉撒辛溶液浸泡后，鸡胸肉组织的透明度变化。图4A-J描述:评估在不同染料浓度下，模拟散射介质内部成像分辨率的提升。A-B: 示意图显示通过调控背景介质折射率提高成像分辨率。C-D: 不同染料浓度和波长下的美国空军 (USAF) 分辨率测试卡成像。E-H: 不同波长下的调制传递函数(MTF)测量，展示了随着浓度增加，成像分辨率逐渐提高。I-J: 不同背景和粒子折射率差值对MTF的影响。图5A-J描述:通过透明腹部成像小鼠肠道运动和神经系统活动。B-C: 应用染料前后，肠道神经系统荧光成像的对比。G-J: 代表性的局部运动模式：收缩、扩张、旋转。![]()
主要结论
该研究首次报道了强吸收性染料可以实现活体动物光学透明这一反直觉现象，并通过实验和理论分析解释了这一机制。通过应用塔拉撒辛溶液，成功实现了活体小鼠腹部、头部和后肢组织的透明化，展示了微米级分辨率的成像能力。
讨论总结
作者指出，虽然这项技术在活体成像中展示了显著的透明效果，但仍存在一些局限性。由于不同组织成分的折射率不均匀，难以找到单一的最优染料浓度来完全消除散射。此外，较厚和不透的组织需要更长时间的染料渗透，可能需要通过注射方式来实现更深层的透明化。未来，进一步优化染料的选择和应用方法，有望在近红外光谱范围内找到效率更高的透明剂，以更低的浓度和更生理兼容的方式实现组织透明。注：本公众号仅针对学术文献进行解读，无任何指导及建议
