"Souris de souris" dans la lumière infrarouge: l'introduction de nanoparticules dans la région sous-rétinienne de l'œil de la souris

Le monde qui nous entoure regorge d'informations sous diverses formes de sa manifestation. Peu importe où vous vous trouvez: à l'intérieur ou à l'extérieur, en ville ou au milieu des champs, sous les tropiques ou dans la toundra enneigée. Toujours et partout, votre cerveau reçoit une sorte d'information. En soi, cet organisme, s'il est exagéré, ne sert à rien de vous renseigner sur l'environnement. Pour l'aider, nous avons des organes sensoriels (yeux, oreilles, langue, nez et peau). Cependant, loin de toutes les informations que nous pouvons percevoir, en particulier le rayonnement infrarouge, qui n'est pas visible à nos yeux. Au moins c'était avant. Aujourd'hui, nous vous rencontrerons une étude dans laquelle une souris ordinaire a été capable de voir le rayonnement infrarouge du champ proche grâce à la nanotechnologie. Comment les scientifiques y sont-ils parvenus, comment la souris s'est-elle sentie après "l'amélioration" et quelles sont les perspectives de cette découverte pour l'homme? Nous chercherons des réponses à ces questions et à d'autres dans le rapport du groupe de recherche. Allons-y.

Base d'étude

La vision chez l'homme n'est pas la meilleure, mais pas la pire, parmi les habitants de la planète Terre. Il serait plus juste de dire qu'il a certaines limites. Nous sommes capables de percevoir la "lumière visible", c'est-à-dire un rayonnement dans la plage de 400 à 700 nm. Mais le rayonnement infrarouge du champ proche (ci-après NIR) est situé au-dessus de la limite supérieure de 700 nm.

Si vous creusez un peu plus profondément, le problème est la structure des yeux des mammifères, c'est-à-dire vous et moi. Il y a des photorécepteurs dans l'œil - des neurones sensoriels photosensibles de la rétine. À l'intérieur des cellules, il y a de l' opsine * et de la rhodopsine * , qui jouent l'un des rôles les plus importants dans la perception de la lumière, c'est-à-dire dans la vision.

Les Opsines * sont des récepteurs associés aux protéines G situées dans les cellules photosensibles de la rétine.

La rhodopsine * est une protéine, le principal pigment visuel contenu dans les bâtonnets de la rétine.

L'ensemble de ce groupe de récepteurs vise à capter la lumière, c'est-à-dire les photons. Mais avec le rayonnement NIR, tout est beaucoup plus compliqué. Dans le cas du NIR, les photons ont une énergie plus faible. Par conséquent, les opsines doivent avoir une barrière énergétique inférieure afin de percevoir ces photons. Sinon, il n'y a qu'un fort bruit thermique. En d'autres termes, les photorécepteurs mammifères sont tout simplement physiquement incapables de «capturer» le rayonnement lumineux au-dessus de 700 nm, en particulier le rayonnement NIR.

Mais vous et moi savons que les vraies restrictions physiologiques ne peuvent pas arrêter les vrais scientifiques. Le problème des photorécepteurs peut être résolu en leur fournissant des assistants sous forme de nanoparticules, qui rempliront les fonctions inaccessibles aux cellules naturelles (organes, systèmes, etc.). C'est ce que les scientifiques ont fait dans leur étude. Ils ont développé des nanoparticules spéciales avec une source autonome intégrée de rayonnement lumineux, qui peut étendre la gamme du spectre visuel d'un mammifère (dans ce cas, les souris). Les scientifiques expliquent que les nanoparticules de pbUCNP (nanoparticules de conversion ascendante photoréceptrices rétiniennes) sont une sorte de convertisseurs d'énergie. Ils convertissent le rayonnement proche infrarouge en courtes longueurs d'onde de lumière visible.

La «modification» de l'œil de souris a été réalisée par injection sous-rétinienne (sous la rétine) de nanoparticules diluées dans du tampon phosphate de sodium. L'utilisation de l' électrorétinographie * et des données des potentiels évoqués visuels * du cortex visuel du cerveau de la souris a permis d'établir que la rétine et le cortex visuel étaient assez actifs lorsqu'ils étaient exposés à un stimulus externe sous forme de rayonnement infrarouge. Autrement dit, une souris avec des nanoparticules de pbUCNP intégrées a réagi au rayonnement NIR.

Potentiel évoqué * - la réaction électrique des organes à un stimulus externe.

Électrorétinographie * - étude de l'état de la rétine par l'enregistrement des biopotentiels résultant d'une légère irritation.

Des tests de comportement ont également été effectués, confirmant également la déclaration ci-dessus. De plus, les scientifiques ont testé la biocompatibilité des nanoparticules et de l'organisme de souris, qui n'a montré que des effets secondaires mineurs. Nous parlerons des résultats des tests, des tests et de l'analyse des données un peu plus tard, mais pour l'instant nous devons nous familiariser avec la composition de ces étonnantes nanoparticules.

Structure du PbUCNP

Le principal objectif des nanoparticules était la conversion de la lumière infrarouge (plus de 700 nm) en visible. Considérant que l'œil humain est le plus sensible à la lumière visible avec une longueur d'onde de 550 nm, les nanoparticules dites de conversion (ou up-conversion) d'UCNP ( 1A et 1B ) ont été créées.

Si nous parlons de photons, la conversion ascendante est le processus de conversion de plusieurs photons avec une énergie plus faible, c'est-à-dire avec une grande longueur d'onde, en un photon avec une énergie plus élevée, c'est-à-dire avec une courte longueur d'onde. Et c'est exactement ce qu'il faut, compte tenu des propriétés des photorécepteurs des yeux des mammifères.


Image n ° 1

Ces nanoparticules montraient un pic dans le spectre d'excitation à 980 nm et un pic de rayonnement à 535 nm lorsqu'elles étaient exposées à la lumière à 980 nm ( 1C et 1D ).

Pour obtenir des nanoparticules solubles dans l'eau, les scientifiques ont appliqué la protéine concanavaline A (ConA) à la surface des particules de paaUCNP, c'est-à-dire recouvertes d'acide polyacrylique ( 1E ). L'utilisation de ConA est justifiée par le fait que cette protéine se lie parfaitement aux résidus de sucre et aux dérivés du segment externe du photorécepteur, résultant en des liaisons glycosidiques * .

La liaison glycoside * est une liaison covalente entre une molécule de sucre et une autre molécule.

Il était nécessaire de vérifier le succès de la mise en œuvre de ConA à la surface de l'UCNP. Pour cela, les scientifiques ont ajouté de la b-cyclodextrine à la solution avec pbUCNP, qui a la même unité de glucose que le segment externe du photorécepteur. En conséquence, une agrégation (association) ConAb-cyclodextrine a eu lieu (image TEM sur l'image 1G ).

Par conséquent, ces observations confirment que le pbUCNP peut se fixer avec succès à la surface des photorécepteurs de souris.

Dans l'image TEM 1H , les pbUCNP conservent leur monodispersité lorsque la b-cyclodextrine est ajoutée, tout cela parce que la protéine ConA est absente dans cette combinaison. L'introduction de tels pbUCNP dans la région sous-rétinienne de l'œil de souris ( 1F ) a conduit au fait que les nanoparticules se sont liées les unes aux autres, formant une relation étroite avec les sections intérieure et extérieure des cônes et des bâtonnets ( 1J , 1K et 1L ). Ainsi, une couche de nanoparticules avec un spectre de conversion ascendant caractéristique s'est formée (image à gauche sur 1I ).

Si des particules de paaUCNP étaient introduites dans la région sous-rétinienne de l'œil de la souris, elles formaient alors des liaisons très fragiles, de sorte qu'elles pouvaient être facilement retirées des photorécepteurs (image de droite sur 1I ).

Le contrôle de biocompatibilité n'a révélé aucune anomalie grave. Pour les tests, une solution simple de tampon phosphate de sodium (sans nanoparticules) a également été injectée dans la région sous-rétinienne de l'œil de la souris - aucune différence n'a été trouvée. Ces effets secondaires qui ont été détectés ont été associés à l'injection sous-rétinienne elle-même et ont complètement disparu dans les 2 semaines après la procédure.

La vérification de l'intégrité de la rétine et d'un nombre sain de photorécepteurs a montré que même avec l'introduction de 50 mg de pbUCNP dans chaque œil, aucun changement négatif n'a été observé. Autrement dit, la structure des couches de la rétine ne se dégrade pas (cela peut être vu sur les images 2A et 2B ).


Image n ° 2

Les scientifiques ont également décidé de vérifier les processus inflammatoires dans la rétine du rat en utilisant le marqueur de microglie Iba1. L'analyse a montré une légère inflammation de la rétine aux 1re, 2e, 4e et 10e semaines après l'injection de pbUCNP ( 2C et 2E ).

De plus, l'apoptose (désintégration) des cellules rétiniennes après l'injection a été testée par marquage à la désoxynucléotidyl transférase terminale (TUNEL). Les signaux TUNEL ont été détectés seulement 3 jours après l'injection de pbUCNP et de tampon de phosphate de sodium pur ( 2D ). La 1re, la 2e, la 4e et la 10e semaine après l'injection, aucun signe TUNEL n'a été détecté ( 2E ).

En résumant les résultats des analyses ci-dessus, les scientifiques sont parvenus à la conclusion évidente - pbUCNP ne nuit pas au corps de la personne testée (souris), à l'exception de certains effets secondaires causés uniquement par la procédure d'injection dans la région sous-rétinienne de l'œil.

Maintenant que nous savons ce qu'est le pbUCNP et comment il affecte la santé des souris expérimentales, nous pouvons procéder à l'examen des résultats des tests pratiques de l'opérabilité des nanoparticules de pbUCNP.

Résultats de recherche

Image n ° 3

Pour tester la réaction des photorécepteurs au rayonnement infrarouge, des échantillons de bâtonnets de la rétine ont été prélevés chez une souris avec injection de nanoparticules et chez une souris sans ( 3A ).

Les bâtonnets de souris injectés avec pbUCNP ont montré un photocourant normal provoqué par la lumière visible à 535 nm, contrairement aux souris sans injection (sans injection - 3B et avec injection - 3D ).

Lorsqu'elles ont été exposées à un flash lumineux de 980 nm, une réponse a été obtenue uniquement à partir des bâtonnets de souris avec pbUCNP ( 3E ), les bâtonnets de souris ordinaires n'ont pas réagi du tout ( 3C ). Il convient également de noter la forte similitude de l'amplitude et de la cinétique du photocourant dans les bâtonnets de souris avec pbUCNP lorsqu'elles sont exposées à la lumière à 535 nm et 980 nm ( 3F , 3G et 3H ). Et le rapport du temps et des pics suggère qu'il n'y avait pas de retard dans l'activation des tiges lorsqu'elles étaient exposées à un rayonnement infrarouge. Il a également été révélé que les bâtons (après injection) s'adaptent rapidement à la lumière infrarouge, comme c'est généralement le cas avec la lumière visible.

L'électrorétinogramme (ERG) de souris avec et sans injection a également confirmé une réaction au rayonnement infrarouge à 980 nm. De plus, les résultats ERG de souris avec pbUCNP ressemblaient fortement aux résultats lorsqu'ils étaient exposés à la lumière visible (535 nm). Le groupe témoin de souris (sans nanoparticules) n'a eu aucune réaction.

De plus, les scientifiques ont effectué un test avec des souris qui n'avaient pas de bâtons. Ce test a montré une activation des cônes par un rayonnement à 980 nm par exposition à des nanoparticules de pbUCNP.

Après avoir effectué des tests en laboratoire, les scientifiques sont passés aux tests dans la pratique, pour ainsi dire. Autrement dit, ils ont décidé d'observer personnellement le comportement des souris avec et sans injection dans des conditions spéciales.


Image n ° 4

Pour l'expérience pratique, deux boîtes ont été utilisées: sombre et éclairée par un rayonnement dans le visible et l'infrarouge ( 4C et 4D ). La deuxième version de l'expérience est basée sur la relation entre le stimulus lumineux et le sentiment de peur qui en résulte ( 4E et 4F ). Et maintenant plus en détail sur chacune des expériences.

Lors du premier test avec une boîte sombre et sombre éclairée par la lumière visible, la souris a naturellement préféré être dans l'obscurité. La lumière visible a été remplacée par une LED d'une longueur d'onde de 980 nm. Dans cette version, les souris avec une injection de nanoparticules ont continué à choisir une boîte sombre plutôt qu'une lumière, suivant pour ainsi dire leur instinct inné. Mais le groupe témoin de souris (sans injection) n'a vu aucune différence entre les deux boîtes (sombre et avec une lumière de 980 nm), car elles ne percevaient littéralement pas de rayonnement infrarouge.

La deuxième expérience était liée à l'étude d'actions encore plus délibérées de souris. Au stade de la préparation, les souris des deux groupes ont été formées au fait qu'après une émission lumineuse de 20 secondes à 535 nm (visible), un choc électrique insignifiant ( 4E ) de deux secondes suivra. En réponse à un tel irritant, une réponse complètement naturelle chez la souris - engourdissement * devrait suivre.

Réaction d'engourdissement * - chez certaines espèces d'animaux, qui sont généralement des proies, il existe un mécanisme de protection (pour ainsi dire, la dernière chance). Si le prédateur les a déjà attaqués, ils peuvent «faire semblant d'être morts» (engourdis), déroutant ainsi l'attaquant et, ayant saisi le bon moment, s'échappent.


Comment les souris réagissent en cas de danger (engourdir, cacher ou secouer agressivement la queue).

Pendant la phase de test proprement dite, l'émission de lumière a été appliquée à 535 nm et à 980 nm. En conséquence, les souris injectées avec pbUCNP ont présenté une réaction engourdie dans les deux types d'exposition à la lumière, car elles s'attendaient à un choc électrique. Mais les souris sans nanoparticules n'ont pas du tout réagi au rayonnement infrarouge. Et cela suggère qu'ils ne l'ont pas perçu pendant la préparation et, par conséquent, ne pouvaient pas connecter le rayonnement invisible pour eux avec un choc. Le groupe témoin de souris n'a réagi qu'à la lumière dans le domaine visible. La figure 4F montre une comparaison des résultats de ce test dans un groupe témoin de souris et de souris à injection.

Ces tests pratiques ont confirmé le fait que les souris avec pbUCNP perçoivent le rayonnement infrarouge, mais peuvent-elles vraiment voir dans cette gamme, dans le vrai sens du terme? Afin d'obtenir une réponse à cette question, les scientifiques ont effectué un autre test - la mesure de la VEP, c'est-à-dire potentiels évoqués visuels ( 5A ). Pour cela, des électrodes ont été installées dans six zones du cortex visuel du cerveau de souris (n ° 1, 2, 3 et 5 dans les régions monoculaires et n ° 6 dans les régions binoculaires).


Image n ° 5

Lorsque les yeux ont été exposés à la lumière visible (535 nm), une réaction a été observée dans toutes les zones du cortex visuel chez toutes les souris (avec et sans nanoparticules), ce qui est tout à fait attendu ( 5B et 5D ). Mais sous la lumière à 980 nm, les souris ont été divisées en deux groupes, comme lors des tests précédents. La VEP a été détectée chez des souris injectées dans les zones binoculaires du cortex visuel ( 5C et 5E ). Aucun VEP n'a été détecté dans le groupe témoin. Il convient de noter que la manifestation de la VEP dans les zones binoculaires est cohérente avec le site d'injection (côté temporel).

Ce "tapage de souris" n'est pas terminé. Le test suivant était à nouveau un test plus pratique avec un labyrinthe d'eau sous la forme de la lettre «Y» ( 6A ), selon lequel les souris avec pbUCNP devraient être guidées par un rayonnement infrarouge.


Image n ° 6

Pendant la préparation, les souris ont été entraînées à trouver une plate-forme cachée qui était connectée à l'un des deux itinéraires traversant le labyrinthe. Au total, les scientifiques ont réalisé 5 versions de test avec différents stimuli visuels et rayonnement lumineux.

Dans la première version, il y avait des réseaux légers ( 6B ), la position des bandes sur lesquelles indiquait la direction du mouvement. Les souris avec des nanoparticules ont réussi à distinguer l’orientation des bandes (verticales ou horizontales) et les ont parfaitement vues lorsqu’elles étaient exposées à un rayonnement lumineux à 980 nm. Le groupe témoin a choisi les plates-formes dans un ordre aléatoire, c'est-à-dire qu'il n'a pas pu les distinguer les unes des autres en raison de l'impossibilité de voir dans le spectre infrarouge ( 6C ). Dans le test où la lumière visible a été utilisée (comme pendant la formation), les deux groupes de souris ont réussi la tâche.

La mesure du nombre d'onde (fréquence spatiale) a montré que chez les souris avec injection, celle-ci est de 0,31 ± 0,04 en lumière visible. Chez les souris du groupe témoin, cet indicateur est de 0,35 ± 0,02, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de différences particulières entre les deux groupes de sujets. Par conséquent, l'introduction de nanoparticules dans la rétine n'a pas affecté la façon dont les souris perçoivent la lumière visible. Dans le cas d'un rayonnement infrarouge chez des souris avec pbUCNP, l'indicateur ci-dessus était de 0,14 ± 0,06. Les scientifiques attribuent une telle diminution de la fréquence spatiale au rayonnement isotrope et à la diffusion de la lumière visible des nanoparticules ( 6D ) excitées par la lumière infrarouge.

Dans la deuxième version du test, les scientifiques ont décidé de vérifier si le rayonnement dans le visible interfère avec la perception du rayonnement infrarouge des photons. 2 plaques ont été réalisées avec des réseaux de LED de rayonnement visible (535 nm) et infrarouge (980 nm), qui sont perpendiculaires les uns aux autres. Lorsque toutes les LED étaient éteintes, les deux plaques semblaient identiques sur le fond de la lumière visible ( 6E ).

Pendant la préparation, l'éclairage (lumière visible, 196 lux) et seulement des DEL à 980 nm ont été allumés dans la chambre d'essai. Pendant le test proprement dit, seules les souris d'injection ont pu reconnaître avec succès les plaques ( 6F ). Cela suggère que leur perception du rayonnement infrarouge ne s'est en aucun cas détériorée en raison du rayonnement de fond de la lumière visible. Dans le cas où seules des LED à 535 nm étaient allumées, les deux groupes de souris ont montré de bons résultats, comme prévu.

Le test suivant était la reconnaissance des triangles et des cercles ( 6G ). Les souris avec pbUCNP ont réussi à distinguer les figures en lumière visible et infrarouge lorsque la chambre d'essai était éteinte, c'est-à-dire dans l'obscurité ( 6H ). Le groupe témoin n'a pu détecter que les chiffres de la lumière visible.

Après cela, une autre variable a été ajoutée à la tâche - la lumière d'arrière-plan, mais pas visible, comme auparavant, mais infrarouge. Les souris pbUCNP distinguaient toujours avec succès les modèles de lumière infrarouge / visible sous un rayonnement infrarouge de fond.

Dans le test final, les scientifiques ont décidé de savoir si les souris d'injection pouvaient voir les chiffres dans le domaine infrarouge et visible en même temps. Dans ce test, il y avait un labyrinthe d'eau avec des plates-formes sur lesquelles un cercle et un triangle étaient représentés simultanément. Pendant la préparation, seuls les triangles en lumière visible étaient actifs. Mais pendant les tests, il y avait des triangles et des cercles (980 nm) dans une séquence aléatoire (6I). Comme prévu, les souris pbUCNP étaient très distinguées par les figures (6J). La vérification des résultats de ce test dans les deux groupes de souris test a confirmé que les souris d'injection n'ont pas fait le choix d'une plate-forme particulière par hasard, contrairement au groupe témoin. Ainsi, on peut conclure que l'injection de pbUCNP permet aux souris de voir simultanément des objets dans les gammes infrarouge et visible.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande fortement de consulter le rapport des scientifiques et les documents supplémentaires qui s'y rapportent.

Épilogue

Une telle étude est une excellente preuve que la nanotechnologie peut être appliquée dans des directions très différentes. Bien sûr, dire que leurs possibilités sont infinies est encore très tôt, mais chaque jour, nous obtenons de plus en plus de nouvelles façons d'utiliser les nanotechnologies. Dans ce cas particulier, l'utilisation de nanoparticules pour présenter des souris avec une vision infrarouge n'est pas seulement une expérience intéressante, mais aussi une confirmation des capacités uniques des améliorations introduites dans les systèmes biologiques. Les scientifiques eux-mêmes ne sont pas encore prêts à faire des déclarations de grande envergure concernant l'application de leur développement en médecine ou dans tout autre domaine, mais ils poursuivront leurs recherches dans le but d'améliorer les nanoparticules décrites ci-dessus et, éventuellement, de leur conférer de nouvelles propriétés.

Quoi qu'il en soit, l'utilisation généralisée de l'augmentation par une personne pour améliorer et changer son corps ne se produira pas bientôt en raison non seulement des technologies imparfaites, mais aussi des nombreuses questions éthiques que de nombreuses personnalités se posent déjà. Une personne peut-elle être autorisée à changer de corps? Où est la frontière des augmentations autorisées? Comment cela affectera-t-il la stratification des classes sociales dans la société?Cela donnera-t-il lieu à de nouveaux conflits dans un monde déjà conflictuel? La liste de ces questions peut être poursuivie, mais personne n'a encore donné de réponses claires à ces questions (les jeux de la série Deus Ex ne comptent pas). Peut-être que le principe du «temps nous le dira» convient parfaitement.


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