医療用画像処理における重要な課題の 1 つは、不透明な皮膚やその他の組織を透過して、内部の臓器や構造を観察することです。超音波検査、磁気共鳴、X 線などが必要なのはそのためです。アクリルアミドやテトラヒドロフランなど、組織を透明にできる化学洗浄剤がありますが、毒性が強かったり、重要な生体分子を溶解してしまう可能性があるため、生体内ではほとんど使用されていません。
しかし今、スタンフォード大学の科学者チームが、皮膚を傷つけずに可逆的に透明にできる物質をついに発見した。この物質はタートラジンで、FD&Cイエロー5と呼ばれる人気の黄橙色の食品着色料で、ドリトスの着色によく使われている。
光で遊ぶ
皮膚は細胞内部やその他の体液、タンパク質や脂質などの水性成分で構成された複雑な組織であるため、皮膚を通して見ることはできません。屈折率とは、真空中を通過する場合と比較して、物質を通過する際に光がどの程度（もちろん平均的に）遅くなるかを示す値です。これらの水性成分の屈折率は低く、タンパク質や脂質の屈折率は高くなります。その結果、皮膚を通過する光は、屈折率の高い物質と低い物質の境界を際限なく通過するため、常に曲がります。
これにより光が散乱し、皮膚を一度貫通すると、二度と戻ってきません。私たちが目にするのは、皮膚の表面で反射した光だけです。物を透明にするコツは、主に屈折率を均一にして、光、または少なくともスペクトルの一部が常に曲がったり散乱したりしないようにすることです。まさにここでドリトスの染料が役立ちました。
「この研究で最も驚くべき点は、染料分子は透明度を低下させると通常予想されることです」と、スタンフォード大学の材料科学および工学の助教授で、論文の主任著者である Guosong Hong 氏は言います。「たとえば、青いペンのインクを水に混ぜると、インクを多く加えるほど、水を通過する光は少なくなります。しかし、私たちの実験では、筋肉や皮膚など、通常は光を散乱させる不透明な材料にタートラジンを溶かすと、タートラジンを多く加えるほど、材料は透明になりました。これは、染料に対して通常予想されることとは逆です。」
透明感ローション
ホン氏のチームは、単に染料を水溶液に溶かし、透明感を誘発するローションのようなものを作った。染料が皮膚内の水と脂質の屈折率の差を小さくしたため、効果があった。次に、チームはそれをポリマーゲルに優しく塗り込み、組織の光散乱特性を模倣した。そこから、薄く切った鶏の胸肉や生きたマウスへと移行した。
この「透明ローション」は、マウスの皮膚に塗ると、わずか数分で効果を発揮し始めた。剃った頭皮にマッサージしながら塗ると、科学者はレーザースペックルコントラスト画像法で脳血管を観察できる。この技術は通常、頭皮を剥がさないと機能しない。マウスの腹部に塗ると、肝臓、膀胱、小腸など、すべての内臓が肉眼で見えるようになった。効果を逆転させて皮膚を再び不透明にするために必要なのは、ローションを水で洗い流すことだけだった。
しかし、いくつか問題もありました。その 1 つは、タートラジンが 257 ナノメートルと 428 ナノメートル付近の波長の光をほとんど吸収し、紫と青の色合いが見えることです。一方、600 ナノメートルを超えると吸収が最小限に抑えられるため、透明な皮膚がすべてを赤く染めてしまいます。2 つ目の問題は浸透の深さです。ローションの効果は皮膚が薄い部分にしかなく、皮膚が厚い部分には十分に浸透しませんでした。
最後に、その配合は普遍的ではありませんでした。水に溶けたときに脂質の屈折率に一致する化学物質を見つけることに依存していましたが、ローションの正確な組成は試行錯誤によって決定されました。マウスごとに大きなばらつきがある場合、すべての人に当てはまる解決策を見つけるのは難しいかもしれません。
タトゥーと針
厚い皮膚の奥深くまで浸透するという問題は、塗布を少し痛みを伴うものにすることで部分的に解決した。「マイクロニードルパッチアプリケーターや皮下注射を使用すれば、分子を皮膚の厚い層に届けるのに役立つかもしれません」とホン氏は説明する。赤みの問題は、さまざまな染料をテストすることで対処できるかもしれないと彼は示唆した。「私の研究室では現在、近紫外線領域で鋭い吸収を持つ分子を特定し、可視範囲へのスペクトルのテーリングを最小限に抑えて、赤みのない組織の透明性を確保することに焦点を当てています」とホン氏は述べた。
「この研究は動物のみを対象に実施されています。しかし、同じ技術を人間に適用できれば、生物学、診断、さらには化粧品の分野でもさまざまなメリットがもたらされる可能性があります」とホン氏は示唆する。同氏が注目しているメリットには、生検に頼らずに深部の腫瘍を評価できること、静脈の位置を容易にすることで血液検査の負担を軽減できること、さらには皮膚の下の色素を正確に狙えることでレーザータトゥー除去の精度が向上することなどがある。
しかし、悪い知らせもある。FD&C イエロー 5 染料は広く入手可能だが、ホン氏の結果を自宅で再現し、透明ローションを自分で作るというのは、あまり賢明な考えではない。「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」とホン氏は言う。
そして、結局は効果がないかもしれない。「人間の皮膚はマウスの皮膚よりもかなり厚く、表皮の最外層である角質層が、分子が真皮に効果的に届けられるのを妨げる大きな障壁として機能しています」とホン氏は説明する。
サイエンス、2024年。DOI: 10.1126/science.adm6869