[Перевод] В уникальном эксперименте мыши получили инфракрасное зрение

Специальные наночастицы (показаны белым цветом) цепляются за палочки (слева) и колбочки (справа) в фоторецепторах мыши.

Инъецируя наночастицы в глаза мышей, учёные позволили им видеть ближний инфракрасный свет – электромагнитное излучение, обычно не видимое грызунами (или человеком). Уникальный прорыв, который ещё более необычен при понимании, – такая техника может быть использована на человеке.

Научная группа во главе с Тианом Сюэ из University of Science and Technology of China и Ганг Ханом из University of Massachusetts Medical School изменила зрение мышей так, чтобы они могли видеть ближний инфракрасный свет (NIR), сохранив свою естественную способность видеть нормальный свет. Это было выполнено при помощи инъекции специальных наночастиц в их глаза. Эффект продолжался около 10 недель и без каких-либо серьёзных побочных эффектов.

Серия испытаний показала, что мыши реально видели инфракрасный свет, а не какие-то иные вещи. Учёные говорят, что человеческий глаз не слишком отличается от глаз мышей, что приводит к фантастической перспективе применения подобной техники к человеку.

Люди и мыши способны видеть лишь узкий участок электромагнитного спектра, обозначенного радужной полосой. Иные животные, например птицы или пчёлы, способны видеть ультрафиолетовое, а змеи инфракрасное излучение.

Люди, как и мыши, способны видеть лишь узкий участок электромагнитного спектра. Спектр длин волн, невидимых для человека, огромен, мы не видим ничего за границами так называемого видимого спектра (длины волн 380 — 740 нанометров). Инфракрасное излучение существует в виде более длинных волн, от 800 нм до миллиметра.

Объекты в мире, будь то люди или горячая тарелка супа или что-то холодное, как кубик льда, испускают инфракрасное излучение. Млекопитающие, такие как люди и мыши, не могут видеть NIR, но у нас есть технологии, а именно очки ночного или теплового зрения, которые могут преобразовать этот невидимый спектр в свет, который мы можем видеть. Новая техника, используемая на мышах, делает что-то похожее, но вместо того, чтобы полагаться на носимые технологии, учёные использовали биологическое решение.

Чтобы позволить мышам видеть за пределами обычного видимого спектра, Тиан и Ганг разработали специальные наночастицы, повышающие частоту излучения, и способные функционировать в уже существующих глазных структурах грызунов. Капли жидкости, содержащие крошечные частицы, впрыскивали прямо в их глаза, в которых с помощью специальных якорей они плотно прилегали к фоторецепторным клеткам. Фоторецепторные клетки – палочки и колбочки – обычно поглощают длины волн видимого света, которые мозг интерпретирует как зрение. В эксперименте инъецированные наночастицы преобразовывали NIR в видимую волну, которую мозг мыши мог воспринимать как визуальную информацию (в указанном примере они считали NIR зелёным светом). Наночастицы были в глазах в течение двух месяцев, позволяя мышам видеть как NIR, так и видимый свет с минимальными побочными эффектами.

Графическое изображение процесса зрения. Когда инфракрасный свет (красный) проникает в клетку фоторецептора (светло-зелёный кружок), наночастицы (розовые кружки) преобразуют NIR в видимый зелёный свет.

Наночастицы на фоторецепторных клетках служили в качестве преобразователя инфракрасного света. Инфракрасные волны были захвачены в сетчатке наночастицами, которые затем излучали их как более короткие волны видимого света. Таким образом, палочки и колбочки, поглощающие более короткие волны, смогли принять этот сигнал и затем направить преобразованную информацию в зрительную зону коры головного мозга. В частности, инъецированные частицы поглощали NIR длиной около 980 нм и преобразовывали его в свет длины 535 нм. Мыши воспринимали инфракрасный свет как зелёный. Результат был аналогичен наблюдению NIR в очках ночного видения, за исключением того, что мыши также могли сохранять своё нормальное восприятие видимого света. Как уже указывалось, эффект был временным, примерно несколько недель, у некоторых мышей мутнела роговица, которая быстро прояснялась.

Чтобы доказать, что метод действительно работает, Тиан и Ганг провели серию тестов и экспериментов.

Например, зрачки мышей расширялись при воздействии NIR, тогда как зрачки мышей без инъекции этого не делали. А при воздействии исключительно NIR измерения электрической активности мозга у мышей, которым инъецировали наночастицы, показали, что глаза и зрительная кора функционируют как в присутствии видимого света.

Поведенческие тесты также показали, что техника работает. Мышей, помещённых в Y-образный лабиринт, учили распознавать местоположение скрытой платформы убежища, на которую указывает NIR. В ходе испытаний инъецированные мыши постоянно находили платформу, а мыши без инъекций плавали вокруг лабиринта. Иное испытание включало в себя коробку с двумя отделениями: одно полностью без света, а иное освещённое NIR. Мыши, как ночные существа, тяготеют к темноте. В тестах мыши, которым инъецировали наночастицы, проводили больше времени в отделении без света, а мыши без инъекций не проявляли предпочтения.

«Эти обширные эксперименты не оставляют сомнений в том, что мыши, инъецированные наночастицами, чувствительными к инфракрасному излучению, приобретают способность видеть инфракрасный свет и получать визуальную информацию», – сказал Владимир Кефалов, профессор офтальмологии и зрительных наук в Вашингтонском университете в Сент-Луисе.

В пресс-релизе Тиан указал, что наночастицы цеплялись за палочки и колбочки, и были активированы ближним инфракрасным светом, поэтому «мы считаем, что эта технология будет работать и в человеческих глазах, не только как сверхзрение, но и в терапевтических целях». В интервью с Cell он уточнил, сказав:

В отличие от мышей, люди и иные приматы имеют структуру сетчатки, которая называется фовеа, обеспечивающая центральное зрение высокой чёткости. В человеческой фовеа плотность колбочек намного больше, чем палочек; в то время как в сетчатке мыши количество палочек больше. Поскольку колбочки имеют различную чувствительность к спектру и интенсивности по сравнению с палочками, нам может потребоваться точная настройка спектра излучения UCNP для более эффективной активации колбочек нужного типа у человека.

Как сказал Тиан, чтобы указанная технология работала у человека, её нужно изменить, но новые эксперименты показывают, что её изменение возможно. Кефалов сказал, что потенциал применения подобной концепции на человеке является реальным и захватывающим, но он предупредил, что нам ещё предстоит пройти длинный путь.

«Авторы показали, что однократная инъекция наночастиц не оказывает вредного влияния на сетчатку мыши», – сказал Кефалов. «Тем не менее, ещё неясно, потребует ли практическое инфракрасное зрение повторных инъекций и, если так, не окажет ли хроническое инфракрасное зрение влияние на структуру и функцию наших глаз».

Способность видеть инфракрасный свет кажется фантастикой, но это было бы, несомненно, полезным признаком. Мы могли бы видеть множество вещей за границами нашего обычного визуального спектра – и у нас была бы встроенная система ночного зрения. Как Тиан объяснил Cell:

Учёные пытаются разработать новую технологию, позволяющую использовать способности за границами наших естественных возможностей. Видимый свет, который может восприниматься естественным зрением человека, занимает очень небольшую часть электромагнитного спектра. Электромагнитные волны длиннее или короче, чем видимый свет, несут гораздо больше информации. В зависимости от материала, объект также может иметь различное поглощение и отражение в ближнем ИК. Мы не можем обнаружить эту информацию невооружённым глазом.

Ещё одна интересная особенность этого потенциального улучшения заключается в том, что человеку не нужно носить громоздкое и энергоёмкое оборудование, такое как очки ночного зрения. И технология не требует никаких генетических манипуляций. Скорее всего, военные будут заинтересованы в указанной работе.

Дайонг Джин из School of Mathematical and Physical Sciences at the University of Technology Sydney назвал новую работу «очень инновационной и вдохновляющей». Дайонг сказал, что, насколько ему известно, «эта работа является первым примером имплантируемых и «носимых» оптических наноустройств». Он сказал, что важно, чтобы у мышей не было воспаления или клеточной гибели, но возможно, что некоторые клетки поглощали наночастицы, перспектива, «заслуживающая более тщательного изучения».

Аналогично, Кефалов был впечатлён исследованием, заявив, что «авторы проделали удивительно хорошую работу, охарактеризовав эффект инъекции чувствительных к инфракрасному излучению наночастиц на зрительную функцию мышей», добавив, что эта «новаторская работа демонстрирует оригинальный и мощный метод усиления способности зрительной системы обнаруживать свет за границами естественного видимого спектра». Он считает, «поразительно», что наночастицы, скорее всего, не мешают нормальной функции фоторецепторов в видимом свете.

Касаемо того, можно ли использовать эту технику в целях коррекции нарушений зрения, таких как дальтонизм, это менее ясно, сказал он.

«Поскольку приём основан на способности фоторецепторов обнаруживать и усиливать световые сигналы, использование его в целях лечения нарушенной функции фоторецепторов потребует разработки новых этапов, кроме преобразования света за границами видимого спектра», – сказал Кефалов.

Заглядывая в будущее, Тиан и Ганг хотели бы усовершенствовать методику с помощью наночастиц на органической основе, состоящих из одобренных FDA веществ, что может привести к ещё более яркому инфракрасному зрению. Они также хотели бы настроить технику, чтобы она была более близка к биологии человека. Оптимистично оценивая направление технологии, Тиан и Ганг уже подали заявку на патент, касающийся их работы.

Я уже представляю телевизионные рекламные ролики: «Спросите своего врача, подходит ли вам зрение в ближнем инфракрасном спектре».

www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30101-1