Partikelnano khusus (diperlihatkan putih) menempel pada batang (kiri) dan kerucut (kanan) pada fotoreseptor tikus.Dengan menyuntikkan partikel nano ke mata tikus, para ilmuwan memungkinkan mereka untuk melihat cahaya inframerah dekat - radiasi elektromagnetik, biasanya tidak terlihat oleh tikus (atau manusia). Sebuah terobosan unik, yang bahkan lebih tidak biasa ketika dipahami, adalah bahwa teknik seperti itu dapat digunakan pada manusia.
Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Tian Xue dari
Universitas Sains dan Teknologi Cina dan Gang Khan dari
Fakultas Kedokteran Universitas Massachusetts mengubah visi tikus sehingga mereka dapat melihat
cahaya inframerah dekat (NIR) sambil mempertahankan kemampuan alami mereka untuk melihat cahaya normal. Ini dilakukan dengan menyuntikkan partikel nano khusus ke mata mereka. Efeknya berlangsung sekitar 10 minggu dan tanpa efek samping yang serius.
Serangkaian tes menunjukkan bahwa tikus benar-benar melihat cahaya inframerah, dan bukan beberapa hal lain. Para ilmuwan mengatakan bahwa mata manusia tidak terlalu berbeda dengan mata tikus, yang mengarah ke perspektif fantastis tentang penerapan teknik ini pada manusia.
Manusia dan tikus hanya dapat melihat bagian sempit dari spektrum elektromagnetik, yang ditunjukkan oleh pita pelangi. Hewan lain, seperti burung atau lebah, dapat melihat ultraviolet, dan ular memiliki radiasi inframerah.Manusia, seperti tikus, hanya dapat melihat bagian sempit dari
spektrum elektromagnetik . Spektrum panjang gelombang yang tidak terlihat oleh manusia sangat besar, kita tidak melihat apa pun di luar batas yang disebut
spektrum tampak (panjang gelombang 380-740 nanometer). Radiasi inframerah ada dalam bentuk gelombang yang lebih panjang, dari 800 nm ke milimeter.
Objek di dunia, apakah orang atau sepiring sup panas atau sesuatu yang dingin seperti es batu, memancarkan radiasi inframerah. Mamalia, seperti manusia dan tikus, tidak dapat melihat NIR, tetapi kami memiliki teknologi, yaitu kacamata penglihatan malam atau termal, yang dapat mengubah spektrum tak kasat mata ini menjadi cahaya yang bisa kita lihat. Teknik baru yang digunakan pada tikus melakukan sesuatu yang serupa, tetapi alih-alih mengandalkan teknologi yang dapat dipakai, para ilmuwan menggunakan solusi biologis.
Untuk memungkinkan tikus melihat di luar spektrum yang terlihat normal, Tian dan Gangga telah mengembangkan partikel nano khusus yang meningkatkan frekuensi radiasi dan mampu berfungsi dalam struktur mata tikus yang ada. Tetesan cairan yang mengandung partikel-partikel kecil disuntikkan langsung ke mata mereka, di mana, menggunakan jangkar khusus, mereka pas dengan sel-sel fotoreseptor. Sel-sel fotoreseptor - batang dan kerucut - biasanya menyerap panjang gelombang cahaya tampak, yang ditafsirkan oleh otak sebagai penglihatan. Dalam percobaan, nanopartikel yang disuntikkan mengubah NIR menjadi gelombang yang terlihat, yang dapat dirasakan otak tikus sebagai informasi visual (dalam contoh ini, mereka menganggap NIR sebagai lampu hijau). Nanopartikel berada di mata selama dua bulan, memungkinkan tikus untuk melihat NIR dan cahaya tampak dengan efek samping minimal.
Gambar grafis dari proses penglihatan. Ketika cahaya inframerah (merah) memasuki sel fotoreseptor (lingkaran hijau muda), nanopartikel (lingkaran merah muda) mengubah NIR menjadi cahaya hijau tampak.Nanopartikel pada sel fotoreseptor berfungsi sebagai transduser cahaya inframerah. Gelombang inframerah ditangkap di retina oleh nanopartikel, yang kemudian memancarkannya sebagai gelombang cahaya tampak yang lebih pendek. Dengan demikian, batang dan kerucut yang menyerap gelombang pendek dapat menerima sinyal ini dan kemudian mengirimkan informasi yang dikonversi ke zona visual korteks serebral. Secara khusus, partikel yang disuntikkan menyerap NIR sekitar 980 nm dan mengubahnya menjadi 535 nm cahaya. Tikus menganggap cahaya inframerah sebagai hijau. Hasilnya mirip dengan mengamati NIR di kacamata penglihatan malam, kecuali bahwa tikus juga dapat mempertahankan persepsi normal mereka tentang cahaya tampak. Seperti yang sudah ditunjukkan, efeknya hanya sementara, selama beberapa minggu, pada beberapa tikus kornea menjadi keruh, yang dengan cepat hilang.
Untuk membuktikan bahwa metode ini benar-benar berfungsi, Tian dan Gang melakukan serangkaian tes dan eksperimen.
Sebagai contoh, pupil tikus menurun ketika terkena NIR, sedangkan pupil tikus tanpa injeksi tidak. Dan ketika terpapar secara eksklusif pada NIR, pengukuran aktivitas listrik otak pada tikus yang disuntikkan dengan nanopartikel menunjukkan bahwa mata dan fungsi korteks visual seperti di hadapan cahaya tampak.
Tes perilaku juga menunjukkan bahwa teknik itu berhasil. Tikus yang ditempatkan di labirin berbentuk Y diajarkan untuk mengenali lokasi platform tempat berlindung tersembunyi yang ditunjuk NIR. Selama pengujian, tikus yang disuntikkan terus-menerus menemukan platform, dan tikus tanpa suntikan berenang di sekitar labirin. Tes lain termasuk kotak dengan dua kompartemen: satu benar-benar tanpa cahaya, dan yang lainnya diterangi oleh NIR. Tikus, seperti makhluk malam hari, condong ke arah kegelapan. Dalam tes, tikus yang disuntikkan dengan nanopartikel menghabiskan lebih banyak waktu di kompartemen tanpa cahaya, dan tikus tanpa injeksi tidak menunjukkan preferensi.
"Eksperimen luas ini tidak meninggalkan keraguan bahwa tikus yang disuntikkan dengan nanopartikel sensitif-inframerah memperoleh kemampuan untuk melihat cahaya inframerah dan menerima informasi visual," kata Vladimir Kefalov, profesor oftalmologi dan ilmu visual di University of Washington di St. Louis.
Dalam siaran pers, Tian menunjukkan bahwa partikel nano menempel pada batang dan kerucut, dan diaktifkan oleh cahaya inframerah yang dicelupkan, jadi "kami percaya bahwa teknologi ini akan bekerja di mata manusia, tidak hanya sebagai penglihatan super, tetapi juga untuk tujuan terapeutik." Dalam sebuah wawancara dengan Cell, ia mengklarifikasi dengan mengatakan:
Tidak seperti tikus, manusia dan primata lainnya memiliki struktur retina yang disebut fovea, yang memberikan visi sentral definisi tinggi. Dalam fovea manusia, kerapatan kerucut jauh lebih besar daripada batang; sementara jumlah batang di retina mouse lebih besar. Karena kerucut memiliki sensitivitas spektral dan intensitas yang berbeda dibandingkan dengan batang, kita mungkin perlu menyempurnakan spektrum emisi UCNP untuk lebih efektif mengaktifkan kerucut dari jenis yang diinginkan pada manusia.
Seperti yang dikatakan Tian, agar teknologi ini bekerja untuk seseorang, itu perlu diubah, tetapi percobaan baru menunjukkan bahwa perubahan itu mungkin. Kefalov mengatakan bahwa potensi untuk menggunakan konsep seperti itu pada manusia adalah nyata dan menarik, tetapi dia memperingatkan bahwa kita masih memiliki jalan panjang.
"Para penulis menunjukkan bahwa injeksi nanopartikel tunggal tidak mempengaruhi retina tikus," kata Kefalov. "Namun, belum jelas apakah penglihatan inframerah praktis akan memerlukan suntikan berulang dan, jika demikian, apakah penglihatan inframerah kronis akan mempengaruhi struktur dan fungsi mata kita."
Kemampuan untuk melihat cahaya inframerah tampak luar biasa, tetapi itu tentu akan menjadi pertanda yang berguna. Kami dapat melihat banyak hal di luar batas spektrum visual kami yang biasa - dan kami akan memiliki sistem penglihatan malam. Seperti yang dijelaskan Tian kepada Cell:
Para ilmuwan sedang mencoba mengembangkan teknologi baru yang memungkinkan penggunaan kemampuan di luar kemampuan alami kita. Cahaya tampak, yang dapat dirasakan oleh penglihatan alami orang tersebut, menempati sebagian kecil dari spektrum elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik lebih panjang atau lebih pendek dari cahaya tampak membawa lebih banyak informasi. Tergantung pada bahannya, objek mungkin juga memiliki penyerapan dan pantulan berbeda dalam inframerah dekat. Kami tidak dapat mendeteksi informasi ini dengan mata telanjang.
Fitur lain yang menarik dari peningkatan potensial ini adalah bahwa seseorang tidak perlu memakai peralatan besar dan intensif energi, seperti kacamata penglihatan malam. Dan teknologi tidak memerlukan manipulasi genetik. Kemungkinan besar, militer akan tertarik pada pekerjaan ini.
Dayong Jin dari
Sekolah Ilmu Matematika dan Fisika di Universitas Teknologi Sydney menyebut karya baru itu "sangat inovatif dan menginspirasi." Dayong mengatakan bahwa, sepengetahuannya, "karya ini adalah contoh pertama dari nanodevices optik yang dapat ditanam dan" dapat dipakai ". Dia mengatakan bahwa penting bahwa tikus tidak memiliki peradangan atau kematian sel, tetapi ada kemungkinan bahwa beberapa sel menyerap partikel nano, sebuah prospek "yang layak untuk diteliti lebih lanjut."
Demikian juga, Kefalov terkesan dengan penelitian ini, menyatakan bahwa "penulis melakukan pekerjaan yang luar biasa dengan mengkarakterisasi efek menyuntikkan partikel nano sensitif-inframerah pada fungsi visual tikus," menambahkan bahwa "karya inovatif ini menunjukkan metode asli dan kuat untuk meningkatkan kemampuan sistem visual untuk mendeteksi cahaya dalam batas-batas spektrum terlihat alami. " Dia menganggap itu "mengejutkan" bahwa partikel nano kemungkinan besar tidak mengganggu fungsi normal fotoreseptor dalam cahaya tampak.
Mengenai apakah teknik ini dapat digunakan untuk memperbaiki gangguan penglihatan seperti buta warna, ini kurang jelas, katanya.
"Karena penerimaan didasarkan pada kemampuan fotoreseptor untuk mendeteksi dan memperkuat sinyal cahaya, menggunakannya untuk menangani disfungsi fotoreseptor akan memerlukan pengembangan langkah-langkah baru, selain mengubah cahaya di luar spektrum yang terlihat," kata Kefalov.
Melihat ke masa depan, Tian dan Gang ingin meningkatkan teknik menggunakan nanopartikel berbasis organik yang terdiri dari zat yang disetujui oleh FDA, yang dapat menyebabkan penglihatan inframerah lebih cerah. Mereka juga ingin menyesuaikan teknik sehingga lebih dekat dengan biologi manusia. Optimis tentang arah teknologi, Tian dan Gangga telah mengajukan aplikasi paten mengenai pekerjaan mereka.
Saya sudah menyajikan iklan televisi: "Tanyakan kepada dokter Anda apakah penglihatan dekat-inframerah cocok untuk Anda."
www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30101-1