ドリト​​スの染料はネズミを透明にする

X線メガネや透明マントはSFやファンタジーの世界だが、科学はフィク​​ションよりも奇抜なこともある。特定のソーダやスナック菓子に特徴的なオレンジ色を与える食品着色料が、マウスの皮膚をほぼ完全に透明にする。この研究は、医学や科学の画像診断を一変させる可能性のある、可逆的で毒性のない方法だ。9月5日にサイエンス誌に掲載された研究によると、直感に反する基本的な物理学原理により、タートラジン（別名イエロー5）は一時的に生物組織を肉眼で透明にすることができるという。

これまでのところ、この新発見の背後にいる科学者たちは、この方法を使って、マウスの無傷の腹部の臓器を観察し、齧歯類の頭蓋骨を取り囲む脈動する血管を垣間見、顕微鏡を通して筋肉組織を非常に鮮明に観察した。安全性と有効性の研究がさらに進めば、この方法は新たな科学的発見を促し、顕微鏡検査の進歩を加速させ、医療診断戦略と治療を改善する可能性がある。

「私はすぐにそれを見て、『なんてことだ、これは革命的だ』と思いました」と、インペリアル・カレッジ・ロンドンの上級講師でバイオフォトニクス研究者のクリストファー・ローランズ氏は言う。ローランズ氏はこの研究には関わっていないが、研究の査読者を務めた後、この研究に関する展望記事を執筆した。「光学では、組織の内部をどれだけよく見ることができるかを20パーセントか50パーセント向上させるために、膨大な時間を費やしています。これらの人たちは、その限界を10倍も打ち消してしまうのです」。現在最も進歩している光学イメージング（つまり、非侵襲的で放射線に頼らない）技術では、科学者は生きた組織の内部を数ミリメートル見ることができるかもしれないが、この新しい方法では、1センチメートル以上の深さの詳細を肉眼で見ることができるようになるとローランズ氏は言う。「魔法ではありませんが、それでも非常に強力です」と彼は付け加えた。

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方法は簡単だ。簡単に言うと、数分間かけて毛のないマウスの皮膚にタートラジン溶液をマッサージするか、マイクロニードリングを使用すると、研究によると「可視スペクトルの赤色領域で完全な光学的透明性」が実現する。染料を洗い流すと、皮膚は自然な不透明な状態に戻る。

「皮膚などの生体組織は、光が通過する際に散乱するため、通常は透明ではありません」と、スタンフォード大学のバイオエンジニアで共同主任研究著者の Guosong Hong 氏は言います。動物の肉はさまざまな物質のマトリックスで、そのほとんどが水と脂肪で、これら 2 種類の化合物は光をさまざまな角度で屈折させると、氏は説明します。通常の状況下で組織を通過する光子は、水粒子から脂質粒子へと移動し、跳ね返され、長く曲がりくねった道をたどり、途中で衝突する多くの分子の 1 つに吸収されることがよくあります。

しかし、タートラジン染料は、青色の波長の光を強力に吸収するため、水の屈折率を脂肪の屈折率にかなり近づける、とホン氏は言う。これは、クラマース・クローニッヒの関係と呼ばれる基本的な物理原理によって起こる。この関係では、波（粒子であり波でもある光のような）は予測可能な信号の結果であると規定されている。その結果、光子は皮膚をほぼ均一な組織であるかのように通過できる。光子はより短い経路をたどり、光の吸収の可能性を高める反射や角度の変化をすべて回避し、最終的にマウスの体内を照らす。

このプロセスに関係する物理学の概念は非常に基本的なため、「私は自分がそれを思いつかなかったことを悔やみました」とローランズ氏はポピュラーサイエンス誌に語っています。 「これは、目もくらむほど明白なことですが、まずは誰かに教えてもらう必要があります。今にして思えば、とても納得できます」。これは「基本的な理解の勝利」であり、理論の深い理解と現実世界の実験が結びつくと何が起こるかを示すものだとローランズ氏は付け加えています。

ホン氏と彼の同僚は、さまざまな染料が組織内の光の移動方法をどのように変えるかをモデル化することで、正確な方法にたどり着いた。彼らは透明性を向上させる候補として、イエロー5と他のいくつかの色素に的を絞った。次に、シリカ粒子、生の鶏の胸肉、生きたマウス、その他のマウス組織サンプルを混ぜた液体でテストし、染料がどれだけ速く深く拡散するかを測定した。彼らはさらに、この染料を他の光学顕微鏡技術と組み合わせ、タートラジンが既存の技術の改善に使用できることを示した。最後に、彼らは初期の毒性分析を行い、げっ歯類の被験者に対する短期および長期の影響を調べ、マウスが尿や糞便を介して染料を体内からどれだけ速く排除するかを追跡した。科学者たちは、イエロー5は24時間以内に体内を通過し、炎症や刺激をほとんど引き起こさず、「最小限の全身毒性」を示すことを突き止めた。

しかし、この方法はまだ完璧ではなく、例えば、生きたマウス全体を見えなくしたり、人間の腹部の内部構造をすぐに見ることができるようにしたりすることはできない。第一に、イエロー5は組織に浸透できる深さが限られているため、標的を絞った送達戦略と、最適な濃度についての微調整された理解がなければ、厚くて浸透性の低い肉（人間の肉など）を透した画像化にはそれほど役立たないだろう。さらに、この染料は光子の散乱を減らすものの、完全に除去するわけではないとローランズ氏は指摘する。使用する組織が厚いほど、結果として得られる画像は暗く不明瞭になる。最後に、初期の毒性評価は良い兆候を示しているものの、ローランズ氏は、追加のテストにより、タートラジンが長期的に完全に無害であることが証明されるかどうか確信が持てない。「生きた生物にその量のものを注入すれば、かなりの効果があるのではないかと思います」と彼は言う。

ホン氏も、さらなる安全性研究が必要だと指摘している。「特に局所的に塗布した場合の染料分子の人体に対する毒性は十分に評価されていないため、人間の皮膚でこれを試みることは強くお勧めしません」と、同氏はポピュラーサイエンス誌に語っている。

ホン氏によると、イエロー5染料が人体への局所適用において安全であることが証明されれば、最終的には皮膚がんの早期発見、静脈が見にくい人の日常的な採血プロセスの簡素化、レーザータトゥー除去の迅速化、光熱がん治療の強化など、さまざまな目的に使用されるようになるかもしれない。スナック染料技術が実験用マウスに限定されたままであったとしても、これは最も一般的に使用されるモデル生物の1つをこれまで以上に詳しく調べるための手段となる。「短期的には、これは研究ツールです」とローランズ氏は述べ、この発見からすぐに大きな進歩がもたらされると予想している。たとえば、マウスの脳全体の光学画像化などだ。「それが[1年以内に]論文にならなければ、帽子を食べてもいいくらいです」