人们常说生活模仿艺术，但很少能像某些作品那样如此精准且耐心地展现这种联系。早在1897年，H.G.威尔斯的小说《隐形人》中，主人公发明了一种血清，通过精确调节细胞的折射率，使其与周围空气的折射率完全相匹配，从而使细胞变得透明。由于光的散射只会在折射率不同的介质边界上发生，细胞因此不再散射光线，变得不可见。
一百二十七年后的今天，斯坦福大学洪国松教授联合Mark L. Brongersma教授共同报告了反直觉的观察结果，即强吸收分子可以在活体动物中实现光学透明。作者探索了这一观察背后的物理原理，发现当强吸收分子溶解在水中时，它们可以通过 Kramers-Kronig 关系改变水介质的折射率，以匹配脂质等高折射率组织成分的折射率。本方法可以可逆地使活体小鼠身体透明，从而使各种深层结构和活动可视化。这项工作表明，寻找高性能光学透明剂应集中于强吸收分子。相关成果以“Achieving optical transparency in live animals with absorbing molecules”为题发表在《Science》上，第一作者为中科大校友Zihao Ou。
吸收分子使活小鼠的皮肤和肌肉透明
柠檬黄是一种黄色至橙色的水溶性合成色素，广泛用于食品中（如多力多滋薯片），其在高达每公斤体重2克的剂量下无毒（图1A）。研究表明，柠檬黄溶液能够减少不透明悬浮液的光散射，特别是在红色光谱区域，从而实现光学透明（图1A、B）。当局部涂抹在小鼠头皮上时，激光散斑对比成像（LSCI）揭示了清晰的脑血管结构（图1F），并且染料涂抹在腹部后，也能使皮肤透明，直接观察内脏运动（图1I、J）。此外，柠檬黄还使小鼠后肢肌节清晰可见，便于高分辨率显微成像（图1L-N）。透明效果可通过水洗逆转，表明其在活体组织成像中的潜力。
图 1. 吸收分子使活体小鼠光学透明
通过吸收分子实现活体组织光学透明的物理机制
柠檬黄是一种强吸收紫外和蓝光的染料，尽管在600 nm以上的吸收较小，但能在红色波长范围内提高组织透明度。其染料分子通过增加水介质的折射率（RI）减少散射，证明了吸收分子可用于活体组织透明化（图 2A）。研究发现，柠檬黄与甘油等传统光学透明剂相比，能更有效地提高水的RI，且在高波长范围内具有更大的透明潜力（图 2F）。此外，柠檬黄等染料在低浓度下也能显著增加光学透明性，特别是在近红外光谱下效果更佳（图 2L）。
图2. 利用吸收分子实现光学透明的物理机制
验证染料分子实现光学透明的机制
实验表明，增加吸收可以通过减少散射光子来提高成像分辨率，但作者发现，这种效果并非源于染料吸收散射光子，而是散射减少。通过使用二氧化硅球和水凝胶模拟组织散射，作者观察到当背景折射率匹配时，散射显著减少（图3A-C）。加入柠檬黄染料后，散射模型在600 nm以上的波长范围内逐渐透明（图3D-E），表明折射率匹配是透明度提升的关键。此外，动态成像验证了这一现象在生物组织中的应用，如鸡胸肉组织（图3G-J）。作者还发现，柠檬黄的扩散系数高于其他常用的光学透明剂（OCA），能在更短时间内实现相同效果，并且这种光学透明度是可逆的。
图 3. 散射模型和离体鸡胸肉组织的光学透明度演示。
染料分子可以提高散射介质内显微成像的分辨率
实验表明，染料分子能提高模拟组织散射介质中较深层的成像分辨率。作者通过在不同柠檬黄浓度下，对1毫米厚散射体模进行成像，量化了美国空军分辨率目标的空间频率（图4A、B）。随着染料浓度的增加，成像分辨率逐步提升，最终可清晰分辨出2.19 μm线宽的细节（图4C、D）。调制传递函数（MTF）分析表明，分辨率的改善与波长有关，在较长波长下效果更稳定（图4E-H）。此外，在3毫米深度下，0.6 M柠檬黄可解析微米级特征，而其他溶液在超过1毫米深度时无法实现。数值模拟验证了柠檬黄通过折射率调整减少了600 nm光波的散射，而非吸收散射光子（图4K-M）。这些结果表明，毫米厚的散射模型在染料作用下，能解析出高达228.1 lp mm−1的空间频率（线宽2.19 μm）。
图 4.通过含有不同柠檬黄浓度的散射体模对分辨率目标进行成像
使用染料分子通过透明腹部监测肠道蠕动
作者研究了利用光学透明技术从深层组织中获取高分辨率结构和功能信息，特别是胃肠道（GI）中的肠神经系统（ENS），该系统调节肠道功能。通过对ChAT-Cre-tdTomato小鼠的腹部进行染料处理，作者成功使深达800 μm的肠壁组织变透明，并用荧光显微镜观察了标记有红色荧光蛋白的胆碱能神经元及其细微神经纤维（图5A-C）。这使作者能够实时监测肠道的动态运动，以28帧每秒的速度捕捉其快速变化，并使用粒子图像测速（PIV）技术分析运动方向和幅度（图5D-J）。作者的方法展示了肠道组织的复杂运动模式，包括收缩、膨胀和旋转，这些局部动态变化与整体运动相结合，揭示了自然状态下肠道神经活动的细节。
图 5. 通过透明腹部对小鼠 ENS 进行高分辨率动态成像
讨论
本文发现了一种违反直觉的现象：当局部应用强吸收染料分子时，生物组织的光散射减少，使头皮、肌肉和腹部等组织透明。通过构建洛伦兹振荡器模型，作者解释了这种现象，并通过水凝胶和离体组织实验验证了该机制，实现了毫米级散射介质中的高空间分辨率。应用染料后，活体小鼠的腹部变得透明，能够观察荧光标记的肠神经元及其运动。此外，作者提出局部注射吸收分子作为提高较厚组织透明度的方法。与传统透明剂相比，柠檬黄的效率高出15倍，而Dye-21在NIR光谱中的效率更高。药代动力学研究表明，局部应用柠檬黄具有较低毒性，且荧光蛋白的强度不受影响。