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美鳳力臨床前大動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心
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試圖對(duì)生物物質(zhì)成像的一個(gè)挑戰(zhàn)是，生物物質(zhì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)會(huì)因不必要的光散射而導(dǎo)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(xué)成像的穿透深度。人們觀(guān)察生物組織內(nèi)部和揭示生命基本過(guò)程的愿望刺激了對(duì)深層組織光學(xué)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(xué)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(dòng)物。因此，在活體動(dòng)物中實(shí)現(xiàn)光學(xué)透明的能力有望改變?cè)S多光學(xué)成像技術(shù)。
在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自斯坦福大學(xué)的研究人員假設(shè)強(qiáng)吸收分子（strongly absorbing molecule）可以在活體生物組織中實(shí)現(xiàn)光學(xué)透明。他們利用洛倫茲振子模型（Lorentz oscillator model）對(duì)組織組分和吸收分子的介電特性進(jìn)行了研究，預(yù)測(cè)了在近紫外光譜（300 ~ 400 nm）和可見(jiàn)光譜（400 ~ 500 nm）的藍(lán)色區(qū)域具有明顯吸收共振的染料分子在溶解于水中時(shí)，可有效地提高水介質(zhì)在較長(zhǎng)波長(zhǎng)處的折射率的實(shí)部，這與克拉莫-克蘭尼克關(guān)系（Kramers-Kronig relation）一致。因此，水溶性染料能有效降低水和脂質(zhì)之間的折射率對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)活體生物組織的光學(xué)透明。
相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2024年9月6日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Achieving optical transparency in live animals with absorbing molecules”。
基于此，研究者發(fā)現(xiàn)美國(guó)食品藥品管理局（FDA）批準(zhǔn)的一種常見(jiàn)食用染料---酒石黃（tartrazine）---的水溶液具有使活體嚙齒動(dòng)物的皮膚、肌肉和結(jié)締組織可逆透明的效果。他們?cè)谀M組織的散射水凝膠和活體生物組織中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。這些測(cè)試證實(shí)了他們的觀(guān)察結(jié)果背后的機(jī)制，并展示了一旦實(shí)現(xiàn)透明，通過(guò)毫米級(jí)散射介質(zhì)可達(dá)到微米級(jí)的空間分辨率。通過(guò)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(zhuǎn)化為透明介質(zhì)。
這種“透明腹部（transparent abdomen）”允許直接觀(guān)察熒光蛋白標(biāo)記的腸道神經(jīng)元，捕捉它們的運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗鼈兊倪\(yùn)動(dòng)反映活體小鼠的內(nèi)在腸道運(yùn)動(dòng)。這使得他們能夠生成描述小鼠腸道運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)模式多樣性的時(shí)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(guān)察腦血管，并在小鼠后肢上使用這種染料溶液，以對(duì)肌肉肌節(jié)進(jìn)行高分辨率顯微成像。
圖片來(lái)自Science, 2024, doi:10.1126/science.adm6869
綜上所述，研究者報(bào)告了一個(gè)違反直覺(jué)的觀(guān)察結(jié)果，即強(qiáng)吸收分子可以在活體動(dòng)物身上實(shí)現(xiàn)光學(xué)透明。洛倫茲振子模型是這一非同尋常的觀(guān)察結(jié)果的基礎(chǔ)，它預(yù)測(cè)，具有低共振頻率（長(zhǎng)吸收波長(zhǎng)）、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(zhì)折射率方面比傳統(tǒng)的光學(xué)透明劑更有效。他們的方法還為觀(guān)察深層組織和器官的結(jié)構(gòu)、活動(dòng)和功能提供了機(jī)會(huì)，而不需要手術(shù)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(zhì)組織中匹配折射率所帶來(lái)的挑戰(zhàn)而導(dǎo)致的散射減少但未完全消除，以及根據(jù)吸收分子的擴(kuò)散情況可達(dá)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.
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