"Alboroto del ratón" en luz infrarroja: la introducción de nanopartículas en la región subretiniana del ojo del ratón

El mundo que nos rodea está lleno de información en diversas formas de su manifestación. No importa dónde se encuentre: adentro o afuera, en la ciudad o en el medio del campo, en los trópicos o en la tundra nevada. Siempre y en todas partes, tu cerebro recibe algún tipo de información. Por sí mismo, este cuerpo, si es exagerado, no sirve para informarle sobre el medio ambiente. Para ayudarlo, tenemos órganos sensoriales (ojos, oídos, lengua, nariz y piel). Sin embargo, lejos de toda la información que podemos percibir, en particular la radiación infrarroja, que no es visible para nuestros ojos. Al menos lo fue antes. Hoy nos reuniremos con usted en un estudio en el que un ratón ordinario estaba dotado de la capacidad de ver la radiación infrarroja del campo cercano a través de la nanotecnología. ¿Cómo lograron esto los científicos, cómo se sintió el ratón después de la "mejora" y cuáles son las perspectivas de este descubrimiento para los humanos? Buscaremos respuestas a estas y otras preguntas en el informe del grupo de investigación. Vamos

Base de estudio

La visión en los humanos no es la mejor, pero no la peor, entre los habitantes del planeta Tierra. Sería más correcto decir que tiene ciertas limitaciones. Somos capaces de percibir "luz visible", es decir, radiación en el rango de 400 a 700 nm. Pero la radiación infrarroja del campo cercano (en adelante NIR) se encuentra por encima del límite superior de 700 nm.

Si profundizas un poco más, entonces el problema es la estructura de los ojos de los mamíferos, es decir, tú y yo. Hay fotorreceptores en el ojo: neuronas sensoriales fotosensibles de la retina. Dentro de las células hay opsina * y rodopsina * , que desempeñan uno de los papeles más importantes en la percepción de la luz, es decir, en la visión.

Las Opsinas * son receptores asociados con proteínas G localizadas en células fotosensibles de la retina.

La rodopsina * es una proteína, el pigmento visual principal contenido en los bastones de la retina.

Todo este grupo de receptores tiene como objetivo capturar la luz, es decir, los fotones. Pero con la radiación NIR, todo es mucho más complicado. En el caso de NIR, los fotones tienen menor energía. Por lo tanto, las opsinas deben tener una barrera de energía más baja para percibir tales fotones. De lo contrario, solo hay un fuerte ruido térmico. En otras palabras, los fotorreceptores de mamíferos simplemente son físicamente incapaces de "capturar" la radiación de luz por encima de 700 nm, en particular la radiación NIR.

Pero tú y yo sabemos que las verdaderas restricciones fisiológicas no pueden detener a los verdaderos científicos. El problema con los fotorreceptores se puede resolver proporcionándoles asistentes en forma de nanopartículas, que realizarán aquellas funciones que son inaccesibles para las células naturales (órganos, sistemas, etc.). Esto es lo que hicieron los científicos en su estudio. Desarrollaron nanopartículas especiales con una fuente autónoma integrada de radiación de luz, que puede ampliar el rango del espectro visual de un mamífero (en este caso, ratones). Los científicos explican que las nanopartículas de pbUCNP (fotorreceptores retinianos que se unen a la conversión ascendente) son un tipo de convertidores de energía. Convierten la radiación infrarroja cercana en longitudes de onda más cortas de luz visible.

La "modificación" del ojo del ratón se realizó mediante inyección subretiniana (debajo de la retina) de nanopartículas diluidas en tampón de fosfato de sodio. El uso de la electroretinografía * y los datos de potenciales evocados visuales * de la corteza visual del cerebro del ratón ayudaron a establecer el hecho de que la retina y la corteza visual eran bastante activas cuando se exponían a un estímulo externo en forma de radiación infrarroja. En pocas palabras, un ratón con nanopartículas de pbUCNP incrustadas reaccionó a la radiación NIR.

Potencial evocado * : la reacción eléctrica de los órganos a un estímulo externo.

Electrorretinografía * : el estudio del estado de la retina mediante el registro de biopotenciales derivados de la irritación leve.

También se realizaron pruebas de comportamiento que también confirmaron la declaración anterior. Además, los científicos probaron la biocompatibilidad de las nanopartículas y el organismo del ratón, que mostró solo efectos secundarios menores. Hablaremos sobre los resultados de las pruebas, pruebas y análisis de datos un poco más tarde, pero por ahora deberíamos familiarizarnos con en qué consisten estas increíbles nanopartículas.

Estructura PbUCNP

El objetivo principal de las nanopartículas era la conversión de luz infrarroja (más de 700 nm) en visible. Teniendo en cuenta que el ojo humano es más sensible a la luz visible con una longitud de onda de 550 nm, se crearon las llamadas nanopartículas de conversión (o conversión ascendente) de UCNP ( 1A y 1B ).

Si hablamos de fotones, entonces la conversión ascendente es el proceso de convertir varios fotones con menor energía, es decir, con una gran longitud de onda, en un fotón con una energía más alta, es decir. con una longitud de onda corta Y esto es exactamente lo que se necesita, dadas las propiedades de los fotorreceptores de los ojos de los mamíferos.


Imagen No. 1

Estas nanopartículas mostraron un pico en el espectro de excitación a 980 nm y un pico en radiación a 535 nm cuando se exponen a la luz a 980 nm ( 1C y 1D ).

Para obtener nanopartículas solubles en agua, los científicos aplicaron la proteína concanavalina A (ConA) a la superficie de las partículas de paaUCNP, es decir, recubiertas con ácido poliacrílico ( 1E ). El uso de ConA se justifica por el hecho de que esta proteína se une perfectamente a los residuos de azúcar y derivados del segmento externo del fotorreceptor, lo que resulta en enlaces glucosídicos * .

El enlace glucósido * es un enlace covalente entre una molécula de azúcar y otra molécula.

Era necesario verificar el éxito de la implementación de ConA en la superficie de UCNP. Para esto, los científicos agregaron b-ciclodextrina a la solución con pbUCNP, que tiene la misma unidad de glucosa que el segmento externo del fotorreceptor. Como resultado de esto, tuvo lugar la agregación (asociación) de ConAb-ciclodextrina (imagen TEM en la imagen 1G ).

Por lo tanto, tales observaciones confirman que pbUCNP puede unirse con éxito a la superficie de los fotorreceptores de ratón.

En la imagen 1H TEM, se puede ver que los pbUCNP conservan su monodispersidad cuando se agrega b-ciclodextrina, todo porque la proteína ConA está ausente en esta combinación. La introducción de tales pbUCNP en la región subretiniana del ojo del ratón ( 1F ) condujo al hecho de que las nanopartículas se unen entre sí, formando una estrecha relación con las secciones internas y externas de conos y bastones ( 1J , 1K y 1L ). Por lo tanto, se formó una capa de nanopartículas con un espectro de conversión ascendente característico (imagen a la izquierda en 1I ).

Si las partículas de paaUCNP se introdujeron en la región subretiniana del ojo del ratón, formaron enlaces muy frágiles, por lo que podrían eliminarse fácilmente de los fotorreceptores (imagen a la derecha en 1I ).

El control de biocompatibilidad no mostró anomalías graves. Para las pruebas, también se inyectó una solución simple de tampón de fosfato de sodio (sin nanopartículas) en la región subretiniana del ojo del ratón; no se encontraron diferencias. Los efectos secundarios que se detectaron se asociaron con la inyección subretiniana en sí y desaparecieron por completo dentro de las 2 semanas posteriores al procedimiento.

La comprobación de la integridad de la retina y un número saludable de fotorreceptores mostraron que incluso con la introducción de 50 mg de pbUCNP en cada ojo, no se observaron cambios negativos. Es decir, la estructura de las capas de la retina no se degrada (esto se puede ver en las imágenes 2A y 2B ).


Imagen No. 2

Los científicos también decidieron verificar los procesos inflamatorios en la retina de la rata usando el marcador de microglia Iba1. El análisis mostró una ligera inflamación de la retina en la primera, segunda, cuarta y décima semana después de la inyección de pbUCNP ( 2C y 2E ).

Además, la apoptosis (descomposición) de las células de la retina después de la inyección se probó marcando con desoxinucleotidil transferasa terminal (TUNEL). Las señales TUNEL se detectaron solo 3 días después de la inyección de pbUCNP y tampón de fosfato de sodio puro ( 2D ). En la primera, segunda, cuarta y décima semana después de la inyección, no se detectaron signos de TUNEL ( 2E ).

Resumiendo los resultados de los análisis anteriores, los científicos llegaron a la conclusión obvia: pbUCNP no daña el cuerpo de la persona de prueba (ratón), excepto por ciertos efectos secundarios causados ​​únicamente por el procedimiento de inyección en la región subretiniana del ojo.

Ahora que sabemos qué es pbUCNP y cómo afecta la salud de los ratones experimentales, podemos proceder a considerar los resultados de las pruebas prácticas de la operatividad de las nanopartículas de pbUCNP.

Resultados de la investigación

Imagen No. 3

Para probar la reacción de los fotorreceptores a la radiación infrarroja, se tomaron muestras de varillas de la retina en un ratón con una inyección de nanopartículas y en un ratón sin ella ( 3A ).

Las barras de ratones inyectados con pbUCNP mostraron una fotocorriente normal causada por luz visible a 535 nm, en contraste con los ratones sin inyección (sin inyección - 3B y con inyección - 3D ).

Cuando se expuso a un destello de luz de 980 nm, se obtuvo una respuesta solo de las barras de ratones con pbUCNP ( 3E ), las barras de ratones normales no reaccionaron en absoluto ( 3C ). También vale la pena señalar la gran similitud de la amplitud y la cinética de la fotocorriente en los ratones con pbUCNP cuando se exponen a la luz a 535 nm y 980 nm ( 3F , 3G y 3H ). Y la relación de tiempo y picos sugiere que no hubo retraso en la activación de las barras cuando se expusieron a la radiación infrarroja. También se reveló que las barras (después de la inyección) se adaptan rápidamente a la luz infrarroja, como suele ser el caso con la luz visible.

El electroretinograma (ERG) de ratones con y sin inyección también confirmó una reacción a la radiación infrarroja a 980 nm. Además, los resultados de ERG de ratones con pbUCNP se parecían mucho a los resultados cuando se exponían a la luz visible (535 nm). El grupo de control de ratones (sin nanopartículas) no tuvo reacciones.

Además, los científicos realizaron una prueba con ratones que no tenían bastones. Esta prueba mostró la activación de conos por radiación a 980 nm por exposición a nanopartículas de pbUCNP.

Después de realizar pruebas de laboratorio, los científicos pasaron a las pruebas en la práctica, por así decirlo. Es decir, decidieron observar personalmente el comportamiento de los ratones con y sin inyección en condiciones especiales.


Imagen No. 4

Para el experimento práctico, se utilizaron dos cajas: oscuras e iluminadas por radiación en los rangos visible e infrarrojo ( 4C y 4D ). La segunda versión del experimento se basa en la relación del estímulo de luz y la sensación de miedo resultante ( 4E y 4F ). Y ahora con más detalle sobre cada uno de los experimentos.

En la primera prueba con una caja oscura y oscura iluminada por luz visible, el ratón naturalmente prefería estar en la oscuridad. La luz visible fue reemplazada por LED con una longitud de onda de 980 nm. En esta versión, los ratones con una inyección de nanopartículas continuaron eligiendo una caja oscura en lugar de una clara, siguiendo sus instintos innatos, por así decirlo. Pero el grupo de control de ratones (sin inyección) no vio ninguna diferencia entre las dos cajas (oscuras y con una luz de 980 nm), ya que literalmente no percibían la radiación infrarroja.

El segundo experimento estaba relacionado con el estudio de acciones aún más deliberadas de ratones. En la etapa de preparación, los ratones de ambos grupos fueron entrenados en el hecho de que después de una emisión de luz de 20 segundos de 535 nm (visible), seguirá una descarga eléctrica insignificante de dos segundos ( 4E ). En respuesta a tal irritante, debe seguir una respuesta completamente natural en ratones: adormecimiento * .

Reacción de entumecimiento * : en algunas especies de animales, que generalmente son presas, existe un mecanismo de protección (por así decirlo, la última oportunidad). Si el depredador ya los ha atacado, pueden "pretender estar muertos" (entumecidos), confundiendo así al atacante y, habiendo atrapado el momento adecuado, escapar.


Cómo reaccionan los ratones en caso de peligro (adormecer, esconder o agitar la cola agresivamente).

Durante la fase de prueba real, la emisión de luz se aplicó a 535 nm y 980 nm. Como resultado, los ratones inyectados con pbUCNP exhibieron una reacción entumecida en ambos tipos de exposición a la luz, ya que esperaban una descarga eléctrica. Pero los ratones sin nanopartículas no reaccionaron en absoluto a la radiación infrarroja. Y esto sugiere que no lo percibieron durante la preparación y, por lo tanto, no pudieron conectar la radiación invisible para ellos con un shock. El grupo control de ratones tuvo una respuesta solo a la luz en el rango visible. La Figura 4F muestra una comparación de los resultados de esta prueba en un grupo de control de ratones y ratones de inyección.

Estas pruebas prácticas confirmaron el hecho de que los ratones con pbUCNP perciben radiación infrarroja, pero ¿pueden realmente ver en este rango, en el verdadero sentido de la palabra? Para obtener una respuesta a esta pregunta, los científicos realizaron otra prueba: medir VEP, es decir potenciales evocados visuales ( 5A ). Para esto, se instalaron electrodos en seis áreas de la corteza visual del cerebro del ratón (No. 1, 2, 3 y 5 en las regiones monoculares y No. 6 en las regiones binoculares).


Imagen No. 5

Cuando los ojos se expusieron a la luz visible (535 nm), se observó una reacción en todas las áreas de la corteza visual en todos los ratones (con y sin nanopartículas), lo cual es bastante esperado ( 5B y 5D ). Pero bajo la luz a 980 nm, los ratones se dividieron en dos grupos, como en pruebas anteriores. Se detectó VEP en ratones de inyección en áreas binoculares de la corteza visual ( 5C y 5E ). No se detectó VEP en el grupo de control. Cabe señalar que la manifestación de VEP en las áreas binoculares es consistente con el sitio de inyección (lado temporal).

Este "alboroto del ratón" no ha terminado. La siguiente prueba nuevamente fue una prueba más práctica con un laberinto de agua en forma de la letra "Y" ( 6A ), según el cual los ratones con pbUCNP deberían ser guiados por radiación infrarroja.


Imagen No. 6

Durante la preparación, los ratones fueron entrenados para encontrar una plataforma oculta que estaba conectada a una de las dos rutas a través del laberinto. En total, los científicos hicieron 5 versiones de prueba con diferentes estímulos visuales y radiación de luz.

En la primera versión había rejillas de luz ( 6B ), la posición de las bandas en la que indicaba la dirección del movimiento. Los ratones con nanopartículas aprendieron con éxito a distinguir entre la orientación de las bandas (vertical u horizontal) y las vieron perfectamente cuando se exponen a la radiación de luz a 980 nm. El grupo de control eligió las plataformas en orden aleatorio, es decir, no pudo distinguirlas entre sí debido a la incapacidad de ver en el espectro infrarrojo ( 6C ). En la prueba donde se usó luz visible (como durante el entrenamiento), ambos grupos de ratones completaron con éxito la tarea.

La medición del número de onda (frecuencia espacial) mostró que en ratones con inyección esto es 0.31 ± 0.04 en luz visible. En ratones del grupo de control, este indicador es 0.35 ± 0.02, es decir, no hay diferencias especiales entre los dos grupos de sujetos. Por lo tanto, la introducción de nanopartículas en la retina no afectó la forma en que los ratones perciben la luz visible. En el caso de la radiación infrarroja en ratones con pbUCNP, el indicador anterior fue de 0,14 ± 0,06. Los científicos atribuyen tal disminución en la frecuencia espacial a la radiación isotrópica y a la dispersión de la luz visible de las nanopartículas ( 6D ) excitadas por la luz infrarroja.

En la segunda versión de la prueba, los científicos decidieron verificar si la radiación en el rango visible interfiere con la percepción de la radiación infrarroja de los fotones. Se hicieron 2 placas con conjuntos de LED de radiación visible (535 nm) e infrarroja (980 nm), que son perpendiculares entre sí. Cuando todos los LED estaban apagados, ambas placas se veían idénticas en el contexto de la luz visible ( 6E ).

Durante la preparación, se encendieron la iluminación (luz visible, 196 lux) y solo LED de 980 nm en la cámara de prueba. Durante la prueba real, solo los ratones de inyección pudieron reconocer con éxito las placas ( 6F ). Esto sugiere que su percepción de la radiación infrarroja no se deterioró de ninguna manera debido a la radiación de fondo de la luz visible. En el caso de que solo se encendieran LED de 535 nm, ambos grupos de ratones mostraron buenos resultados, como se esperaba.

La siguiente prueba fue el reconocimiento de triángulos y círculos ( 6G ). Los ratones con pbUCNP distinguieron con éxito figuras en luz visible e infrarroja cuando la cámara de prueba no estaba iluminada, es decir, en la oscuridad ( 6H ). El grupo de control solo pudo detectar figuras de la luz visible.

Después de eso, se agregó otra variable a la tarea: luz de fondo, pero no visible, como antes, pero infrarroja. Los ratones pbUCNP aún distinguieron con éxito entre los patrones de luz infrarroja / visible bajo radiación infrarroja de fondo.

En la prueba final, los científicos decidieron averiguar si los ratones de inyección pueden ver las cifras en el rango infrarrojo y visible al mismo tiempo. En esta prueba, había un laberinto de agua con plataformas en las que se representaban simultáneamente un círculo y un triángulo. Durante la preparación, solo los triángulos en luz visible estaban activos. Pero durante las pruebas, había triángulos y círculos (980 nm) en una secuencia aleatoria (6I). Como se esperaba, los ratones pbUCNP se distinguieron mucho por las figuras (6J). La verificación de los resultados de esta prueba en ambos grupos de ratones de prueba confirmó que los ratones de inyección hicieron la elección de una plataforma en particular no por casualidad, en contraste con el grupo de control. Por lo tanto, se puede concluir que la inyección de pbUCNP permite a los ratones ver objetos en los rangos infrarrojo y visible simultáneamente.

Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que examine el informe de los científicos y los materiales adicionales .

Epílogo

Tal estudio es una excelente evidencia de que la nanotecnología puede aplicarse en direcciones muy diferentes. Por supuesto, decir que sus posibilidades son infinitas aún es muy temprano, pero cada día tenemos más y más nuevas formas de usar la nanotecnología. En este caso particular, el uso de nanopartículas para presentar ratones con visión infrarroja no solo es un experimento interesante, sino también una confirmación de las capacidades únicas de las mejoras introducidas en los sistemas biológicos. Los propios científicos aún no están listos para hacer declaraciones de alto perfil con respecto a la aplicación de su desarrollo en medicina o en otras áreas, sin embargo, continuarán su investigación con el objetivo de mejorar las nanopartículas descritas anteriormente y, posiblemente, dotarlas de nuevas propiedades.

Sea como fuere, el uso generalizado del aumento por parte de una persona para mejorar y cambiar su cuerpo no ocurrirá pronto debido no solo a las tecnologías imperfectas, sino también a las muchas preguntas éticas que muchas figuras públicas ya se están haciendo. ¿Se le puede permitir a una persona cambiar su cuerpo? ¿Dónde está el límite de los aumentos permitidos? ¿Cómo afectará esto a la estratificación de la clase social en la sociedad? ? , ( Deus Ex ). « » .


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