Подписаться

Ночной дозор: наночастицы открывают путь к инфракрасному зрению

  • 324
  • 0,4
  • 6
  • 1
Добавить в избранное
Новость

Исследователи научили мышей видеть в темноте с помощью наночастиц, конвертирующих инфракрасный свет в зеленый

Человеческий глаз воспринимает свет в очень узком сегменте электромагнитного диапазона. Мы вынуждены защищать чувствительную сетчатку от ультрафиолета и уже давно придумали громоздкие приборы ночного видения, чтобы приподнять завесу темноты. Ученые из Китая и Массачусетса нашли изящное и простое решение для расширения зрения в инфракрасный диапазон: они синтезировали наночастицы размером с пыльцу, конвертирующие инфракрасный свет в видимый — зеленый. Наночастицы вводятся прямо под сетчатку, конъюгируют с фоторецепторами и, подобно миниатюрным антеннам, транслируют видимый свет палочкам и колбочкам. Процедура относительно безопасна и совместима с нормальным дневным зрением. Пока что суперспособность доступна только мышам. Однако авторы обещают, что, усовершенствовав состав наночастиц и сделав их менее токсичными, им удастся получить одобрение FDA и адаптировать их для использования на людях. Наночастицы могут стать первым имплантируемым биосовместимым устройством для расширения человеческих сенсорных возможностей.

«Внимание! Перед применением наночастиц для
инфракрасного зрения проконсультируйтесь с офтальмологом»

Способность видеть за пределами человеческого видимого спектра (380–740 нанометров) доступна только отдельным живым существам, таким как змеи, некоторые насекомые, летучие мыши, а еще раки-богомолы [1]. В то время как ультрафиолетовый свет настолько высокоэнергетичный, что повреждает сетчатку, неспособность видеть ближний инфракрасный (ИК) свет с длиной волны от 800 до 1000 нанометров вызвана слишком малой энергией ИК-фотонов, не позволяющей активировать фоторецепторы и запускать каскад передачи нервного импульса (рис. 1). Теоретически, фоторецепторы млекопитающих могли бы снизить порог возбуждения, но тогда он бы оказался на уровне теплового шума. Зрение бы потеряло разрешение и, вероятно, стало неинтерпретируемым — мы бы трактовали как зрительный сигнал то, что на самом деле является просто тепловым шумом.

Видимое излучение

Рисунок 1. Видимое излучение — небольшая часть электромагнитного спектра, доступная человеку. Ультрафиолет обладает слишком высокой энергией и может повредить сетчатку. Инфракрасные лучи имеют бóльшую длину волны и меньшую энергию и не способны возбудить фоторецепторы млекопитающих.

Наночастицы (полное название pbUCNP: photoreceptor-binding upconversion nanoparticles), наделившие мышей суперзрением, осуществляют преобразование с повышением частоты (upconversion) [2]: они поглощают фотоны длиной волны 980 нм и излучают уже на длине волны 535 нм, соответствующей видимому зеленому свету (рис. 2). Преобразование с повышением частоты возможно благодаря использованию в наночастицах редкоземельных элементов эрбия и иттербия (оба названы в честь маленькой деревушки в Швеции, где их обнаружили). Чтобы разобраться, как это происходит, давайте вспомним школьную формулу, описывающую энергию фотона:

Формула, описывающая энергию фотона

Мы можем смело игнорировать числитель и вспомнить, что лямбда в знаменателе означает длину волны фотона света. Энергия фотона всегда обратно пропорциональна длине волны, то есть зеленый свет с меньшей длиной волны всегда несет больше энергии, чем красный, а красный, в свою очередь, более энергетичен, чем инфракрасный с его огромной длиной волны. Именно поэтому флуорофоры, используемые для флуоресцентной микроскопии [3], излучают (флуоресцируют) на большей длине волны, чем поглощают, а разница в энергии рассеивается как тепловая (это называется стоксовским сдвигом).

Когда типичный атом поглощает энергию (при ударе о него фотона, например), электроны переходят в более возбужденное энергетическое состояние, и для большинства молекул (включая флуорофоры) это состояние длится миллиардные доли секунды. Но не для редкоземельных элементов! Их электроны способны удерживать высокоэнергетическое состояние миллионные или тысячные доли секунды, и это достаточно длинный промежуток времени, чтобы в атом врезался еще один фотон, и итоговый энергетический «пинок» оказался достаточно сильным для излучения фотона более короткой длины волны (и с большей энергией), как и происходит в случае с конверсией ближнего ИК в зеленый свет. Коротко говоря, наночастица из редкоземельных элементов поглощает несколько фотонов с низкой энергией (инфракрасный свет) и испускает один фотон с более высокой энергией (зеленый свет), благодаря особому свойству редкоземельных металлов. Читателю, заинтересованному в механизмах флуоресценции прочих наночастиц, мы советуем почитать про квантовые точки [4].

Наночастицы с ядром из эрбия и иттербия конъюгировали с конканавалином А (concanavalin A, ConA) — белком, способным связываться с остатками сахаров на внешнем сегменте фоторецепторов — палочек и колбочек, — и вводили под сетчатку (рис. 2). Звучит устрашающе, но на самом деле инъекция под сетчатку — довольно рутинная процедура в офтальмологии, и все мыши полностью восстановились в течение двух дней.

Наночастицы

Рисунок 2. Наночастицы — основа встроенного в глаз «прибора ночного видения». а — Наночастица, связывающаяся с фоторецептором и осуществляющая конверсию ближнего ИК-света в зеленый. б — Введение раствора с наночастицами под сетчатку и их конъюгация с фоторецепторами.

После этого исследователи провели целую серию разнообразных и очень убедительных экспериментов [2], чтобы доказать, что мыши действительно могут различать и интерпретировать ближний ИК-свет (чтобы представить себе работу целиком, посмотрите видео).

Видео. Ученые модифицировали зрение мышей с помощью наночастиц, чтобы позволить им видеть ближний инфракрасный свет (на английском)

Во-первых, только у животных с введенными наночастицами в темноте сужались зрачки в ответ на стимуляцию ближним ИК-светом (рис. 3а). Во-вторых, ученые записали индуцированные зрительные потенциалы в зрительных отделах мозга мышей, что доказало не только восприятие ИК-света на сетчатке, но и его дальнейшую передачу и обработку в мозге (рис. 3б).

Введение редкоземельных наночастиц под сетчатку мышам

Рисунок 3. Введение редкоземельных наночастиц под сетчатку мышам приводит к способности видеть инфракрасный свет. а — Только у мыши, которой была сделана инъекция наночастиц, зрачок сужался при освещении ИК-светом (980 нм). б — Ученые записали индуцированные зрительные потенциалы в отделах мозга, обрабатывающих зрительный сигнал. При освещении сетчатки видимым зеленым светом зрительные потенциалы регистрируются и у контрольных мышей, и у мышей с суперзрением. При освещении же сетчатки ИК-светом зрительные потенциалы возникают только у мышей с инъекцией наночастиц (нижняя часть рисунка).

Далее последовала серия поведенческих экспериментов. Мыши — ночные животные, и при прочих равных условиях им комфортнее находиться в темных помещениях, чем в освещенных. В эксперименте, где одно отделение клетки освещалось светом с длиной волны 980 нм (воспринимаемым «обычным» глазом как полная тьма), а другое — не освещалось вовсе, супермыши проводили большую часть времени в темной части, в то время как контрольные мыши не различали отсеки (рис. 4).

Поведенческий эксперимент с клеткой

Рисунок 4. Поведенческий эксперимент с клеткой, разделенной на два компартмента: «истинно» темный и подсвеченный ближним ИК-светом. Как ночные животные, мыши предпочитают темное отделение. Контрольные, немодифицированные мыши, не различают темный и ИК-освещенный компартменты, в то время как мыши с наночастицами способны их различать и больше времени проводят в «истинно» темном.

В другом эксперименте исследователи проверили, насколько хорошо мыши способны ориентироваться, опираясь только на ИК-зрение. Им требовалось найти платформу, скрытую под водой, но подсвечиваемую особым паттерном ИК-света, и мыши с наночастицами обнаруживали подсвеченную платформу быстрее, чем контрольные мыши. Этот эксперимент также доказал, что мыши с инъекцией наночастиц способны не только видеть ИК-свет, но еще и различать его различные паттерны и формы.

Наконец, в третьем эксперименте мышей научили ассоциировать вспышку ИК-света со слабым электрическим шоком (fear conditioning), и каждый раз после вспышки ИК-света мыши с наночастицами демонстрировали реакцию замирания (типичное проявление страха у мышей), предчувствуя удар током, даже если он не следовал за вспышкой.

Наночастицы оказались довольно стабильными и функционировали, по крайней мере, в течение 10 недель. Более того, ученые не заметили негативных эффектов, таких как воспаление, иммунный ответ, отслоение сетчатки или клеточная гибель, что дает наночастицам огромное преимущество по сравнению со многими имплантируемыми устройствами, для которых биологическая несовместимость — обязательный спутник. Тем не менее редкоземельные элементы токсичны и не одобрены для применения на людях, так что авторы обещают разработать более безопасную, «органическую» версию наночастиц, связывающихся с фоторецепторами.

Такие частицы, помимо их очевидного применения для ночного зрения, могут быть адаптированы под таргетную доставку лекарств, и не только в сетчатке, но и во всём организме, так как ИК-свет легко проникает через ткани. Еще одним возможным применением наночастиц, конвертирующих свет, может стать терапия дальтонизма. Возможно, ученым удастся «скрестить» наночастицы с другими высокотехнологичными устройствами для лечения заболеваний сетчатки (про некоторые из них «Биомолекула» писала ранее — «Когда ослепшие прозреют?» [5] и «Оптогенетика + голография = прозрение?» [6]). Однако может оказаться, что с применением на людях всё не так просто, как кажется. У человека и приматов в эволюции зрения появилась центральная ямка — зона сетчатки, состоящая в основном из колбочек и имеющая наибольшую плотность фоторецепторов, обеспечивающих наилучшее разрешение. Пока что непонятно, как неравномерное распределение фоторецепторов в сетчатке человека скажется на способности интерпретировать конвертированный свет. Тем не менее это вряд ли остановит трансгуманистов и биохакеров, готовых закапывать в глаза химический аналог хлорофилла, чтобы хотя бы ненадолго вырваться из рамок человеческих возможностей.

Литература

  1. Креветки видят по-другому;
  2. Yuqian Ma, Jin Bao, Yuanwei Zhang, Zhanjun Li, Xiangyu Zhou, et. al.. (2019). Mammalian Near-Infrared Image Vision through Injectable and Self-Powered Retinal Nanoantennae. Cell;
  3. Флуоресцентные репортеры и их молекулярные репортажи;
  4. Квантовые точки — наноразмерные сенсоры для медицины и биологии;
  5. Когда ослепшие прозреют?;
  6. Оптогенетика + голография = прозрение?.

Комментарии