塗った後は肌が透明になり、血管や筋肉がくっきり見えます…

制作：中国科学普及協会

著者：郭飛（煙台大学）

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：中国科学普及の最先端科学技術プロジェクトは、最先端科学技術の最新動向を理解するために、「トップ科学ジャーナルの理解を助ける」と題する一連の記事を開始しました。これは、権威あるジャーナルから優れた論文を選び、できるだけ早く平易な言葉で解釈するものです。トップジャーナルを通して科学の視野を広げ、科学の楽しさを味わいましょう。

少し前、スタンフォード大学の研究室で、科学者たちは実験用のマウスの皮膚に淡黄色の溶液を慎重に塗布しました。ほんの数分後、信じられない光景が起こりました。マウスの皮膚が徐々に透明になり、体内で鼓動する心臓と蠢く腸がはっきりと見えるようになったのです。さらに驚くべきことは、溶液をきれいな水で洗い流すと、皮膚が元の状態に戻ったことです。

この画期的な発見は、2024年9月6日にトップ学術誌「サイエンス」に掲載され、世界中の科学界ですぐにセンセーションを巻き起こしました。この発見は、HGウェルズの1897年のSF小説『透明人間』を彷彿とさせます。さらに重要なことは、生命科学研究のまったく新しい分野が開拓されることです。

光と肌の相互作用により「透明」になる

（画像出典：参考1）

普通の物質における驚くべき発見

生物組織を透明にすることができるこの魔法の物質は、実は私たちの日常生活のいたるところで見られる食品着色料、レモンイエローです。この食品添加物は、多くの食品、飲料、さらには化粧品や日用品に鮮やかな色をもたらします。このありふれた色素分子が、このような驚くべき秘密を秘めているとは、誰が想像したでしょうか?

科学者の最初の実験対象は普通の鶏の胸肉だった。さまざまな濃度のレモンイエロー溶液を鶏の胸肉の薄切りの上に垂らすと、素晴らしい変化が起こり始めました。溶液が染み込むにつれて、もともと不透明だった肉の薄切りが徐々に透明になり、その下の文字がはっきりと見えるようになったのです。実験の最初の成功は研究チームに大きな自信を与え、その後の生体内実験の基礎を築きました。

薄切りの鶏肉に染料を塗ったもの

（画像出典：参考1）

続く生体内実験はさらに興味深いものでした。レモンイエローの溶液をマウスの頭部に塗布すると、脳表面の交差する血管網がはっきりと見え、科学者は血管内の血流を直接観察することができました。腹部に当てると内臓の蠕動運動がはっきりと見え、腸の収縮までもが確認できました。手足に適用すると、筋繊維の微細構造まで観察することができました。この前例のない観察方法により、科学者はX線の目を手に入れたようだ。

マウスの腹部の皮膚は溶液処理後に透明になる

（画像出典：参考1）

最も驚くべきことは、この透明効果は完全に可逆的であるということです。きれいな水で染料を洗い流すと、組織はすぐに元の状態に戻ります。また、この研究では、組織内に残った染料は48時間以内に代謝によって自然に体外に排出されることも判明しており、この技術は極めて高い生物学的安全性を備えていることが示唆されている。この制御性とセキュリティは、これまでの組織の透明性テクノロジーとは比べものにならないものです。

ほんの少しのレモンイエローに、なぜそんな魔法の力があるのでしょうか?

なぜ皮膚は不透明になるのでしょうか?これは光の振る舞いから始まります。私たちの皮膚組織は、水、脂肪、タンパク質などのさまざまな成分で満たされています。これらは、まるで無数の小さなレンズがはめ込まれたようなもので、それぞれの成分が光を異なる程度に屈折させます。光が皮膚を通過しようとすると、これらの異なる「レンズ」の接合部で屈折および散乱し、最終的に皮膚が不透明に見えます。

この新技術の魔法は、100年前に発見された物理法則であるクラマース・クローニッヒの関係から生まれています。つまり、ある物質が特定の波長の光で強い吸収を示す場合、他の波長の光の屈折挙動に影響を与える可能性があるということです。

科学者たちは、レモンイエローの分子が青色光を強く吸収し、水溶液の屈折率を調整する能力があることを発見しました。タートラジンは組織の水に溶解すると、周囲の脂肪やタンパク質の屈折率に合わせて水の屈折率を巧みに調整することができます。

これにより、光はまるで固体のガラスを通過するかのように、妨げられることなく組織を通過することができます。物理学から生まれたこの独創的なメカニズムは、100年を経て、ついに生命科学の分野で革命的な応用が見出されました。

マウスの皮膚が透明になる原理の模式図

（画像出典：参考1）

画期的な技術革新

この発見が非常に重要なのは、それが私たちの人生観を完全に変えるからです。これまで、科学者が生物の内部を観察したい場合、組織を切開する手術を行うか、X線やMRIなどの高価な医療機器に頼る必要がありました。既存の組織透明化技術でも、グリセロール、糖、酸性溶液などの高濃度の化学試薬の使用が必要になることがよくあります。これらの方法は、細胞の脱水や炎症を引き起こしたり、死んだサンプルにしか使用できず、生体内での動的プロセスを観察することができません。

レモンイエローをベースにしたこの新しいテクノロジーは、人生に魔法の窓を設置するようなものです。安全で可逆的であるだけでなく、操作が簡単で低コストです。最も重要なことは、生物の生命活動に影響を与えることなく、生物内部の動的な変化を直接観察できることです。かつてはスナップショットを通してしか人生を理解できなかったのに、今では生き生きとしたドキュメンタリーを見ることができるようになったようです。この技術は複雑な装置を必要とせず、通常の食品着色料のみで、これまで観察が困難だった生命現象を観察できるようになります。

未来への無限の可能性

この技術の発見は未来への扉を開くようなものです。基礎研究の分野では、科学者が生体内のさまざまなプロセスをより深く理解するのに役立ちます。たとえば、研究者はニューロンの活動を直接観察して、脳がどのように情報を処理するかを理解することができます。血管の形成と成長を観察し、癌の転移のメカニズムを研究することができます。免疫細胞の動きを追跡して、免疫システムがどのように病気と闘うのかを明らかにすることもできます。

この新しい技術が人間に効果があることが証明されれば、人間の手にも同様の効果が現れるかもしれません。

(画像提供: Keyi 'Onyx' Li/米国国立科学財団)

医療への応用という点では、この技術の将来性はさらに期待できます。血管の位置がはっきりと見えるようになるため、医師は静脈注射をより正確に行うことができるようになる。医師が深部組織を直接観察できるようになるため、低侵襲手術の精度が向上する可能性がある。さらに、異常な組織の変化を検出しやすくなるため、がんの早期診断と治療のための新たな方法も提供される可能性があります。

この技術は医薬品の研究開発の分野にも革命的な変化をもたらす可能性があります。研究者は生体内での薬物の分布と効果を直接観察し、薬物がさまざまな臓器にどのように影響するかを理解できるため、新薬の開発プロセスが大幅に加速されます。さらに、この技術はバイオエンジニアリングの分野でも使用され、科学者がより優れた組織工学製品を開発するのに役立つ可能性があります。

未来は明るいが、道のりはまだ長いかもしれない

もちろん、この技術を人体に適用できるようになるまでには、克服すべき課題がまだ多く残っています。人間の皮膚はマウスの皮膚よりも約10倍も厚いため、より効果的な染料浸透方法を研究する必要がある。同時に、タートラジンは食品添加物としては安全であることが証明されていますが、皮膚洗浄剤として使用した場合の安全性についてはさらなる研究が必要です。さらに、骨などの硬組織の透明化の有効性や、より深部の組織の透明化が達成できるかどうかについても、さらなる調査が必要です。

1 世紀前の物理法則が今日新たな応用例を見つけるのと同じように、科学の魔法は予期せぬ場所に現れることがよくあります。ある意味、この技術はSFの夢を実現するものなのです。おそらく近い将来、医師はこの「生命の窓」を通じてさまざまな病気をよりよく理解し、治療できるようになるでしょう。科学者たちはこれを利用して、生命のさらなる謎を解明することもできるだろう。

参考文献:

1.ZIHAO OU 他吸収分子を用いた生きた動物の光透過性の実現