Ein gelber Lebensmittelfarbstoff, der in Süßwaren und Limonaden steckt, macht lebendes Gewebe für kurze Zeit durchsichtig. In Versuchen an betäubten Mäusen wurden nach wenigen Minuten Blutgefäße, Darmbewegungen und das schlagende Herz durch die Bauchdecke sichtbar. Nach dem Abwaschen war der Effekt innerhalb von Minuten wieder verschwunden. Der Grund liegt nicht in der Farbe selbst, sondern in der Geschwindigkeit des Lichts im Gewebe.
Haut ist nicht deshalb undurchsichtig, weil sie Licht schluckt, sondern weil sie es streut. Gewebe besteht aus einem Gemisch von Wasser, Fetten und Eiweißen, und diese Bestandteile bremsen Licht unterschiedlich stark ab. Physiker beschreiben diese Eigenschaft mit dem Brechungsindex. An jeder Grenzfläche zwischen Wasser und Fett ändert ein Lichtstrahl seine Richtung ein wenig, und nach Millionen solcher Ablenkungen hat er jede Information über seinen Ursprung verloren. Das Ergebnis ist ein milchiges Weiß, ähnlich wie bei Nebel oder Milch, die aus demselben Grund undurchsichtig sind. Verschwindet der Unterschied im Brechungsindex, verschwindet auch die Streuung, und das Gewebe wird klar.
Genau an diesem Punkt setzen die bisherigen Verfahren zur Gewebeklärung an, doch sie arbeiten mit dem umgekehrten Ansatz: Sie entfernen die Fette aus dem Gewebe, damit nur noch Wasser übrig bleibt. Dafür kommen Lösungsmittel zum Einsatz, die Zellen zerstören, weshalb solche Präparate ausschließlich an totem Material funktionieren. Ein Team um den Materialwissenschaftler Guosong Hong an der Stanford University drehte die Aufgabe um. Statt Fett zu entfernen, wollten sie das Wasser im Gewebe langsamer machen, also seinen Brechungsindex an den der Fette angleichen. Dafür brauchte es einen Stoff, der sich in Wasser löst und das Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich stark absorbiert.
Die Wahl fiel auf Tartrazin, einen Azofarbstoff, der blaues Licht kräftig schluckt und rotes fast ungehindert durchlässt. Ausgerechnet diese starke Absorption verändert nach den Gesetzen der Optik auch den Brechungsindex im benachbarten Spektralbereich, und zwar so, dass Wasser für rotes und oranges Licht optisch fast wie Fett wirkt.
Der erste Test lief an einer dünnen Scheibe Hühnerfleisch, die auf einem beschrifteten Leuchttisch lag. Beim Einmassieren der Lösung traten die Buchstaben darunter hervor, beim Abspülen verschwanden sie wieder. Danach folgten Versuche an betäubten Mäusen. Wie die Stanford University zu diesen Versuchen mitteilt, wurde die Lösung auf Bauch, Kopf und Hinterlauf aufgetragen; am Bauch wurden Organe und Blutgefäße sichtbar, am Kopf die Gefäße unter dem Schädel, am Bein die Feinstruktur der Muskelfasern. Der Effekt trat binnen weniger Minuten ein und war durch Abspülen vollständig umkehrbar.
Die Einschränkungen sind erheblich. Mäusehaut ist deutlich dünner als menschliche, sodass der Farbstoff beim Menschen kaum in dieselbe Tiefe vordringen dürfte. Ob die Anwendung auf menschlicher Haut unbedenklich ist, wurde bislang nicht untersucht, denn eine Zulassung als Lebensmittelfarbstoff sagt nichts über die Wirkung in tieferen Gewebeschichten aus. Zudem funktioniert die Klärung nicht für das gesamte sichtbare Spektrum, sondern vor allem im roten und orangen Bereich, weshalb die Aufnahmen einen bernsteinfarbenen Ton tragen. Die Forscher nennen dennoch mögliche Anwendungen, etwa das Auffinden von Venen vor einer Blutentnahme, die Beurteilung von Hautveränderungen ohne Gewebeentnahme oder ein genaueres Zielen bei der Entfernung von Tätowierungen. Dass sich optische Eigenschaften gezielt manipulieren lassen, zeigt auch die Arbeit an Materialien, mit denen sich eine Tarnkappe für sichtbares Licht bauen lässt.
Bemerkenswert ist der Widerspruch zur Alltagserfahrung. Wer einem Glas Wasser Farbe zusetzt, erwartet, dass es weniger durchsichtig wird, nicht mehr. Genau das passiert bei einer dicken Schicht reiner Farbstofflösung auch. In streuendem Gewebe überwiegt dagegen der andere Effekt: Die Angleichung der Brechungsindizes gewinnt gegenüber der zusätzlichen Absorption, solange man im richtigen Wellenlängenbereich schaut. Die theoretische Grundlage dafür liefert ein physikalischer Zusammenhang zwischen Absorption und Brechung, der seit über hundert Jahren bekannt ist, aber für die Gewebeklärung nie genutzt wurde. Das Team rechnete zunächst durch, welche Moleküle die nötigen Eigenschaften mitbringen, und suchte anschließend gezielt nach zugelassenen Substanzen mit diesem Profil.
Für die Forschung selbst ist der Nutzen unmittelbar. Bislang mussten Tiere getötet und Organe entnommen werden, um Gewebe im Detail zu betrachten. Mit einem umkehrbaren Verfahren lassen sich Vorgänge dagegen im lebenden Organismus über Stunden oder Tage verfolgen, etwa die Ausbreitung von Blutgefäßen oder die Bewegung einzelner Zellen. Für die Medizin am Menschen steht der Nachweis der Verträglichkeit am Anfang, und selbst im günstigsten Fall ginge es zunächst um oberflächennahe Anwendungen. Der Kern des Befunds bleibt davon unberührt: Ein Stoff, der seit Jahrzehnten in Lebensmitteln steckt und dessen Wirkung auf Licht gut vermessen ist, kann Gewebe durchsichtig machen, ohne es zu zerstören.
Science, Achieving optical transparency in live animals with absorbing molecules; doi:10.1126/science.adm6869