In einem einzigartigen Experiment erhielten Mäuse Infrarotsicht

Spezielle Nanopartikel (weiß dargestellt) haften an Stäben (links) und Zapfen (rechts) in Maus-Photorezeptoren.

Durch die Injektion von Nanopartikeln in die Augen von Mäusen ermöglichten die Wissenschaftler ihnen, nahes Infrarotlicht zu sehen - elektromagnetische Strahlung, die normalerweise für Nagetiere (oder Menschen) nicht sichtbar ist. Ein einzigartiger Durchbruch, der im Verständnis noch ungewöhnlicher ist, besteht darin, dass eine solche Technik beim Menschen angewendet werden kann.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Tian Xue von der Universität für Wissenschaft und Technologie in China und Gang Khan von der Medizinischen Fakultät der Universität von Massachusetts hat die Sicht von Mäusen so verändert, dass sie nahes Infrarotlicht (NIR) sehen können, während sie ihre natürliche Fähigkeit behalten, normales Licht zu sehen. Dies wurde erreicht, indem spezielle Nanopartikel in ihre Augen injiziert wurden. Die Wirkung dauerte ca. 10 Wochen und ohne schwerwiegende Nebenwirkungen.

Eine Reihe von Tests zeigte, dass die Mäuse tatsächlich Infrarotlicht sahen und nicht einige andere Dinge. Wissenschaftler sagen, dass sich das menschliche Auge nicht allzu sehr von den Augen von Mäusen unterscheidet, was zu einer fantastischen Perspektive auf die Anwendung dieser Technik auf den Menschen führt.

Menschen und Mäuse können nur einen schmalen Abschnitt des elektromagnetischen Spektrums sehen, der durch das Regenbogenband angezeigt wird. Andere Tiere wie Vögel oder Bienen können ultraviolettes Licht sehen, und Schlangen haben Infrarotstrahlung.

Menschen können wie Mäuse nur einen schmalen Abschnitt des elektromagnetischen Spektrums sehen . Das für den Menschen unsichtbare Wellenlängenspektrum ist riesig, wir sehen nichts jenseits der Grenzen des sogenannten sichtbaren Spektrums (Wellenlängen von 380 - 740 Nanometer). Infrarotstrahlung liegt in Form längerer Wellen von 800 nm bis zu einem Millimeter vor.

Objekte auf der Welt, ob Menschen oder eine heiße Suppenteller oder etwas Kaltes wie ein Eiswürfel, senden Infrarotstrahlung aus. Säugetiere wie Menschen und Mäuse können NIR nicht sehen, aber wir haben Technologien, nämlich Nacht- oder Wärmebildbrillen, die dieses unsichtbare Spektrum in Licht umwandeln können, das wir sehen können. Die neue Technik für Mäuse funktioniert ähnlich, aber anstatt sich auf tragbare Technologie zu verlassen, verwendeten die Wissenschaftler eine biologische Lösung.

Damit Mäuse über das normale sichtbare Spektrum hinaus sehen können, haben Tian und Ganges spezielle Nanopartikel entwickelt, die die Strahlungsfrequenz erhöhen und in vorhandenen Nagetieraugenstrukturen funktionieren können. Flüssigkeitstropfen mit winzigen Partikeln wurden direkt in ihre Augen injiziert, in die sie mit speziellen Ankern eng an den Photorezeptorzellen anliegen. Photorezeptorzellen - Stäbchen und Zapfen - absorbieren typischerweise die Wellenlängen des sichtbaren Lichts, das das Gehirn als Vision interpretiert. In dem Experiment wandelten die injizierten Nanopartikel NIR in eine sichtbare Welle um, die das Gehirn der Maus als visuelle Information wahrnehmen konnte (in diesem Beispiel betrachteten sie NIR als grünes Licht). Zwei Monate lang befanden sich Nanopartikel in den Augen, sodass Mäuse sowohl NIR als auch sichtbares Licht mit minimalen Nebenwirkungen sehen konnten.



Grafisches Bild des Sehprozesses. Wenn Infrarotlicht (rot) in die Fotorezeptorzelle eintritt (hellgrüner Kreis), wandeln Nanopartikel (rosa Kreise) NIR in sichtbares grünes Licht um.

Nanopartikel auf Photorezeptorzellen dienten als Wandler für Infrarotlicht. Infrarotwellen wurden in der Netzhaut von Nanopartikeln eingefangen, die sie dann als kürzere Wellen sichtbaren Lichts emittierten. Somit konnten Stäbchen und Zapfen, die kürzere Wellen absorbierten, dieses Signal empfangen und dann die umgewandelten Informationen an die visuelle Zone der Großhirnrinde senden. Insbesondere absorbierten die injizierten Partikel ein NIR von etwa 980 nm Länge und wandelten es in 535 nm Licht um. Die Mäuse empfanden Infrarotlicht als grün. Das Ergebnis war ähnlich wie bei der Beobachtung von NIR in Nachtsichtbrillen, außer dass die Mäuse auch ihre normale Wahrnehmung von sichtbarem Licht beibehalten konnten. Wie bereits angedeutet, war der Effekt für einige Wochen vorübergehend, bei einigen Mäusen wurde die Hornhaut trüb, was sich schnell auflöste.

Um zu beweisen, dass die Methode wirklich funktioniert, führten Tian und Gang eine Reihe von Tests und Experimenten durch.

Zum Beispiel nahmen die Pupillen von Mäusen ab, wenn sie NIR ausgesetzt wurden, während die Pupillen von Mäusen ohne Injektion dies nicht taten. Und wenn sie ausschließlich NIR ausgesetzt waren, zeigten Messungen der elektrischen Aktivität des Gehirns bei Mäusen, denen Nanopartikel injiziert worden waren, dass die Augen und der visuelle Kortex wie in Gegenwart von sichtbarem Licht funktionieren.

Verhaltenstests zeigten auch, dass die Technik funktioniert. Mäusen, die sich im Y-förmigen Labyrinth befanden, wurde beigebracht, den Ort der verborgenen Schutzplattform zu erkennen, auf die NIR zeigt. Während der Tests fanden die injizierten Mäuse ständig eine Plattform, und die Mäuse ohne Injektionen schwammen um das Labyrinth herum. Ein weiterer Test umfasste eine Box mit zwei Fächern: eines komplett ohne Licht und das andere mit NIR beleuchtet. Mäuse tendieren wie nachtaktive Kreaturen zur Dunkelheit. In den Tests verbrachten die mit den Nanopartikeln injizierten Mäuse mehr Zeit ohne Licht im Kompartiment, und die Mäuse ohne Injektionen zeigten keine Präferenz.

"Diese umfangreichen Experimente lassen keinen Zweifel daran, dass Mäuse, denen infrarotempfindliche Nanopartikel injiziert wurden, die Fähigkeit erhalten, Infrarotlicht zu sehen und visuelle Informationen zu erhalten", sagte Vladimir Kefalov, Professor für Augenheilkunde und visuelle Wissenschaften an der Universität von Washington in St. Louis.

In einer Pressemitteilung wies Tian darauf hin, dass die Nanopartikel an Stäben und Zapfen hafteten und durch eingetauchtes Infrarotlicht aktiviert wurden. "Wir glauben, dass diese Technologie in menschlichen Augen nicht nur als Super-Vision, sondern auch zu therapeutischen Zwecken funktioniert." In einem Interview mit Cell erklärte er Folgendes:

Im Gegensatz zu Mäusen haben Menschen und andere Primaten eine Netzhautstruktur namens Fovea, die ein hochauflösendes zentrales Sehen ermöglicht. In der menschlichen Fovea ist die Dichte der Zapfen viel größer als die der Stäbchen; während die Anzahl der Sticks in der Netzhaut der Maus größer ist. Da Zapfen im Vergleich zu Stäbchen unterschiedliche spektrale und Intensitätsempfindlichkeiten aufweisen, müssen wir möglicherweise das UCNP-Emissionsspektrum fein abstimmen, um Zapfen des gewünschten Typs beim Menschen effektiver zu aktivieren.

Wie Tian sagte, muss diese Technologie geändert werden, damit sie für eine Person funktioniert. Neue Experimente zeigen jedoch, dass ihre Änderung möglich ist. Kefalov sagte, dass das Potenzial für die Anwendung eines solchen Konzepts beim Menschen real und aufregend sei, warnte jedoch davor, dass wir noch einen langen Weg vor uns haben.

"Die Autoren zeigten, dass eine einzelne Injektion von Nanopartikeln die Netzhaut der Maus nicht beeinträchtigt", sagte Kefalov. "Es ist jedoch noch nicht klar, ob für das praktische Infrarot-Sehen wiederholte Injektionen erforderlich sind und ob das chronische Infrarot-Sehen die Struktur und Funktion unserer Augen beeinflusst."

Die Fähigkeit, Infrarotlicht zu sehen, scheint fantastisch, aber das wäre sicherlich ein nützliches Zeichen. Wir könnten viele Dinge jenseits der Grenzen unseres üblichen visuellen Spektrums sehen - und wir hätten ein eingebautes Nachtsichtsystem. Wie Tian Cell erklärte:

Wissenschaftler versuchen, eine neue Technologie zu entwickeln, die den Einsatz von Fähigkeiten ermöglicht, die über unsere natürlichen Fähigkeiten hinausgehen. Sichtbares Licht, das vom natürlichen Sehen der Person wahrgenommen werden kann, nimmt einen sehr kleinen Teil des elektromagnetischen Spektrums ein. Elektromagnetische Wellen, die länger oder kürzer als sichtbares Licht sind, enthalten viel mehr Informationen. Je nach Material kann das Objekt auch im nahen Infrarot eine unterschiedliche Absorption und Reflexion aufweisen. Wir können diese Informationen nicht mit bloßem Auge erkennen.

Ein weiteres interessantes Merkmal dieser potenziellen Verbesserung ist, dass eine Person keine sperrigen und energieintensiven Geräte wie Nachtsichtbrillen tragen muss. Und Technologie erfordert keine genetische Manipulation. Das Militär wird höchstwahrscheinlich an dieser Arbeit interessiert sein.

Dayong Jin von der School of Mathematical and Physical Sciences an der University of Technology in Sydney bezeichnete die neue Arbeit als „sehr innovativ und inspirierend“. Dayong sagte, dass nach seiner Kenntnis "diese Arbeit das erste Beispiel für implantierbare und" tragbare "optische Nanogeräte ist". Er sagte, dass es wichtig ist, dass die Mäuse keine Entzündung oder keinen Zelltod haben, aber es ist möglich, dass einige Zellen Nanopartikel absorbieren, eine Aussicht, die „einer genaueren Prüfung wert“ ist.

Ebenso war Kefalov von der Studie beeindruckt und stellte fest, dass "die Autoren erstaunlich gute Arbeit geleistet haben, indem sie den Effekt der Injektion infrarotempfindlicher Nanopartikel auf die Sehfunktion von Mäusen charakterisiert haben", und dass diese "innovative Arbeit eine originelle und leistungsstarke Methode zur Verbesserung der Fähigkeit des visuellen Systems zur Erkennung von Licht in demonstriert die Grenzen des natürlichen sichtbaren Spektrums. " Er hält es für „auffällig“, dass Nanopartikel die normale Funktion von Photorezeptoren im sichtbaren Licht höchstwahrscheinlich nicht beeinträchtigen.

In Bezug darauf, ob diese Technik zur Korrektur von Sehstörungen wie Farbenblindheit eingesetzt werden kann, sei dies weniger klar, sagte er.

"Da der Empfang auf der Fähigkeit von Fotorezeptoren basiert, Lichtsignale zu erfassen und zu verstärken, erfordert die Verwendung zur Behandlung von Funktionsstörungen von Fotorezeptoren die Entwicklung neuer Schritte und die Umwandlung von Licht über das sichtbare Spektrum hinaus", sagte Kefalov.

Mit Blick auf die Zukunft möchten Tian und Gang die Technik mit Nanopartikeln auf organischer Basis verbessern, die aus von der FDA zugelassenen Substanzen bestehen und zu einer noch helleren Infrarotsicht führen können. Sie möchten die Technik auch so anpassen, dass sie der menschlichen Biologie näher kommt. Tian und Ganges sind optimistisch in Bezug auf die Richtung der Technologie und haben bereits eine Patentanmeldung für ihre Arbeit eingereicht.

Ich präsentiere bereits Fernsehwerbung: "Fragen Sie Ihren Arzt, ob das Nahinfrarot-Sehen für Sie richtig ist."

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