Las nanopartículas especiales (que se muestran en blanco) se adhieren a las varillas (izquierda) y los conos (derecha) en los fotorreceptores de ratón.Al inyectar nanopartículas en los ojos de los ratones, los científicos les permitieron ver la luz infrarroja cercana: radiación electromagnética, generalmente no visible para los roedores (o humanos). Un avance único, que es aún más inusual cuando se entiende, es que dicha técnica se puede utilizar en humanos.
Un equipo de investigación dirigido por Tian Xue de la
Universidad de Ciencia y Tecnología de China y Gang Khan de la
Facultad de Medicina de la
Universidad de Massachusetts cambió la visión de los ratones para que puedan ver
la luz infrarroja cercana (NIR) mientras mantienen su capacidad natural de ver la luz normal. Esto se logró inyectando nanopartículas especiales en sus ojos. El efecto duró aproximadamente 10 semanas y sin efectos secundarios graves.
Una serie de pruebas mostró que los ratones realmente vieron luz infrarroja, y no algunas otras cosas. Los científicos dicen que el ojo humano no es muy diferente de los ojos de los ratones, lo que lleva a una perspectiva fantástica sobre la aplicación de esta técnica en humanos.
Los humanos y los ratones solo pueden ver una sección estrecha del espectro electromagnético, indicado por la banda del arco iris. Otros animales, como pájaros o abejas, pueden ver los rayos ultravioleta y las serpientes tienen radiación infrarroja.Los humanos, como los ratones, solo pueden ver una sección estrecha del
espectro electromagnético . El espectro de longitudes de onda invisibles para los humanos es enorme, no vemos nada más allá de los límites del llamado
espectro visible (longitudes de onda de 380 - 740 nanómetros). La radiación infrarroja existe en forma de ondas más largas, desde 800 nm hasta un milímetro.
Los objetos en el mundo, ya sean personas o un plato caliente de sopa o algo frío como un cubo de hielo, emiten radiación infrarroja. Los mamíferos, como los humanos y los ratones, no pueden ver NIR, pero tenemos tecnologías, a saber, gafas de visión nocturna o térmica, que pueden convertir este espectro invisible en luz que podemos ver. La nueva técnica utilizada en ratones hace algo similar, pero en lugar de confiar en la tecnología portátil, los científicos utilizaron una solución biológica.
Para permitir que los ratones vean más allá del espectro visible normal, Tian y Ganges han desarrollado nanopartículas especiales que aumentan la frecuencia de la radiación y pueden funcionar en las estructuras de ojos de roedores existentes. Se inyectaron gotas de líquido que contenían pequeñas partículas directamente en sus ojos, en las cuales, utilizando anclajes especiales, se ajustaban perfectamente contra las células fotorreceptoras. Las células fotorreceptoras (bastones y conos) suelen absorber las longitudes de onda de la luz visible, que el cerebro interpreta como visión. En el experimento, las nanopartículas inyectadas convirtieron NIR en una onda visible, que el cerebro del ratón podía percibir como información visual (en este ejemplo, consideraron que NIR era luz verde). Las nanopartículas estuvieron en los ojos durante dos meses, lo que permitió a los ratones ver NIR y luz visible con efectos secundarios mínimos.
Imagen gráfica del proceso de visión. Cuando la luz infrarroja (roja) ingresa a la célula fotorreceptora (círculo verde claro), las nanopartículas (círculos rosados) convierten el NIR en luz verde visible.Las nanopartículas en las células fotorreceptoras sirvieron como transductor de luz infrarroja. Las ondas infrarrojas fueron capturadas en la retina por nanopartículas, que luego las emitieron como ondas más cortas de luz visible. Por lo tanto, los bastones y conos que absorben ondas más cortas pudieron recibir esta señal y luego enviar la información convertida a la zona visual de la corteza cerebral. En particular, las partículas inyectadas absorbieron un NIR de aproximadamente 980 nm de longitud y lo convirtieron en 535 nm de luz. Los ratones percibieron la luz infrarroja como verde. El resultado fue similar a la observación de NIR en gafas de visión nocturna, excepto que los ratones también podían mantener su percepción normal de la luz visible. Como ya se indicó, el efecto fue temporal, durante aproximadamente varias semanas, en algunos ratones la córnea se volvió turbia, lo que se aclaró rápidamente.
Para demostrar que el método realmente funciona, Tian y Gang realizaron una serie de pruebas y experimentos.
Por ejemplo, las pupilas de los ratones disminuyeron cuando se expusieron a NIR, mientras que las pupilas de los ratones sin inyección no lo hicieron. Y cuando se exponen exclusivamente a NIR, las mediciones de la actividad eléctrica del cerebro en ratones inyectados con nanopartículas mostraron que los ojos y la corteza visual funcionan como en presencia de luz visible.
Las pruebas de comportamiento también mostraron que la técnica funciona. A los ratones colocados en el laberinto en forma de Y se les enseñó a reconocer la ubicación de la plataforma de refugio oculta a la que apunta NIR. Durante las pruebas, los ratones inyectados encontraron constantemente una plataforma, y los ratones sin inyecciones nadaron alrededor del laberinto. Otra prueba incluyó una caja con dos compartimentos: uno completamente sin luz y el otro iluminado por NIR. Los ratones, como las criaturas nocturnas, gravitan hacia la oscuridad. En las pruebas, los ratones inyectados con las nanopartículas pasaron más tiempo en el compartimento sin luz, y los ratones sin inyecciones no mostraron preferencia.
"Estos extensos experimentos no dejan dudas de que los ratones inyectados con nanopartículas sensibles al infrarrojo adquieren la capacidad de ver la luz infrarroja y obtener información visual", dijo Vladimir Kefalov, profesor de oftalmología y ciencias visuales en la Universidad de Washington en St. Louis.
En un comunicado de prensa, Tian indicó que las nanopartículas se adhirieron a bastones y conos, y se activaron con luz infrarroja sumergida, por lo que "creemos que esta tecnología funcionará en los ojos humanos, no solo como una supervisión, sino también con fines terapéuticos". En una entrevista con Cell, aclaró diciendo:
A diferencia de los ratones, los humanos y otros primates tienen una estructura retiniana llamada fóvea, que proporciona una visión central de alta definición. En la fóvea humana, la densidad de los conos es mucho mayor que la de los bastones; mientras que el número de bastones en la retina del ratón es mayor. Dado que los conos tienen diferentes sensibilidades espectrales e intensivas en comparación con los bastones, es posible que necesitemos ajustar el espectro de emisión de UCNP para activar con mayor eficacia los conos del tipo deseado en humanos.
Como dijo Tian, para que esta tecnología funcione para una persona, necesita ser cambiada, pero nuevos experimentos muestran que su cambio es posible. Kefalov dijo que el potencial para usar este concepto en humanos es real y emocionante, pero advirtió que todavía tenemos un largo camino por recorrer.
"Los autores mostraron que una sola inyección de nanopartículas no afecta negativamente a la retina del ratón", dijo Kefalov. "Sin embargo, aún no está claro si la visión infrarroja práctica requerirá inyecciones repetidas y, de ser así, si la visión infrarroja crónica afectará la estructura y la función de nuestros ojos".
La capacidad de ver la luz infrarroja parece fantástica, pero sin duda sería una señal útil. Podríamos ver muchas cosas más allá de los límites de nuestro espectro visual habitual, y tendríamos un sistema de visión nocturna incorporado. Como Tian le explicó a Cell:
Los científicos están tratando de desarrollar una nueva tecnología que permita el uso de habilidades más allá de nuestras capacidades naturales. La luz visible, que puede ser percibida por la visión natural de la persona, ocupa una parte muy pequeña del espectro electromagnético. Las ondas electromagnéticas más largas o más cortas que la luz visible transportan mucha más información. Dependiendo del material, el objeto también puede tener diferente absorción y reflexión en el infrarrojo cercano. No podemos detectar esta información a simple vista.
Otra característica interesante de esta mejora potencial es que una persona no necesita usar equipos voluminosos y que consuman mucha energía, como gafas de visión nocturna. Y la tecnología no requiere ninguna manipulación genética. Lo más probable es que los militares estén interesados en este trabajo.
Dayong Jin, de la
Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas de la Universidad Tecnológica de Sydney, calificó el nuevo trabajo como "muy innovador e inspirador". Dayong dijo que, hasta donde él sabe, "este trabajo es el primer ejemplo de nanodispositivos ópticos implantables y" ponibles ". Dijo que es importante que los ratones no tengan inflamación o muerte celular, pero es posible que algunas células absorban nanopartículas, una perspectiva "digna de más escrutinio".
Del mismo modo, Kefalov quedó impresionado por el estudio, afirmando que "los autores hicieron un trabajo increíblemente bueno al caracterizar el efecto de inyectar nanopartículas sensibles al infrarrojo en la función visual de los ratones", y agregó que este "trabajo innovador demuestra un método original y poderoso de mejorar la capacidad del sistema visual para detectar la luz en los límites del espectro visible natural ". Considera "sorprendente" que las nanopartículas probablemente no interfieran con la función normal de los fotorreceptores en luz visible.
En cuanto a si esta técnica se puede utilizar para corregir la discapacidad visual, como el daltonismo, esto es menos claro, dijo.
"Dado que la recepción se basa en la capacidad de los fotorreceptores para detectar y amplificar las señales de luz, su uso para tratar las disfunciones de los fotorreceptores requerirá el desarrollo de nuevos pasos, además de convertir la luz más allá del espectro visible", dijo Kefalov.
Mirando hacia el futuro, Tian y Gang desearían mejorar la técnica utilizando nanopartículas orgánicas que consisten en sustancias aprobadas por la FDA, lo que puede conducir a una visión infrarroja aún más brillante. También les gustaría personalizar la técnica para que esté más cerca de la biología humana. Optimistas sobre la dirección de la tecnología, Tian y Ganges ya han presentado una solicitud de patente con respecto a su trabajo.
Ya presento comerciales de televisión: "Pregúntele a su médico si la visión de infrarrojo cercano es adecuada para usted".
www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30101-1