"Tikus ribut" dalam cahaya inframerah: pengenalan partikel nano ke dalam daerah subretinal mata tikus

Dunia di sekitar kita penuh dengan informasi dalam berbagai bentuk manifestasinya. Tidak masalah di mana Anda berada: di dalam atau di luar ruangan, di kota atau di tengah lapangan, di daerah tropis atau di tundra yang bersalju. Selalu dan di mana saja otak Anda menerima semacam informasi. Dengan sendirinya, tubuh ini, jika dibesar-besarkan, tidak berguna dalam hal memberi tahu Anda tentang lingkungan. Untuk membantunya, kita memiliki organ indera (mata, telinga, lidah, hidung dan kulit). Namun, jauh dari semua informasi yang dapat kita rasakan, khususnya radiasi infra merah, yang tidak terlihat oleh mata kita. Setidaknya itu sebelumnya. Hari ini kita akan bertemu dengan Anda sebuah studi di mana tikus biasa diberkahi dengan kemampuan untuk melihat radiasi inframerah dari medan dekat melalui nanoteknologi. Bagaimana para ilmuwan mencapai ini, bagaimana perasaan tikus setelah "perbaikan", dan apa prospek penemuan ini bagi manusia? Kami akan mencari jawaban untuk ini dan pertanyaan lain dalam laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.

Dasar studi

Visi pada manusia bukanlah yang terbaik, tetapi bukan yang terburuk, di antara penghuni planet Bumi. Akan lebih tepat untuk mengatakan bahwa ia memiliki batasan tertentu. Kami dapat melihat "cahaya tampak", yaitu radiasi dalam kisaran 400 hingga 700 nm. Tetapi radiasi infra merah dari medan dekat (selanjutnya NIR) terletak di atas batas atas 700 nm.

Jika Anda menggali sedikit lebih dalam, maka masalahnya adalah struktur mata mamalia, yaitu, Anda dan saya. Ada fotoreseptor di mata - neuron sensorik fotosensitif retina. Di dalam sel ada opsin * dan rhodopsin * , yang memainkan salah satu peran paling penting dalam persepsi cahaya, yaitu dalam penglihatan.

Opsins * adalah reseptor yang terkait dengan G-protein yang terletak di sel fotosensitif retina.

Rhodopsin * adalah protein, pigmen visual utama yang terkandung dalam batang retina.

Seluruh kelompok reseptor ini bertujuan menangkap cahaya, yaitu foton. Tetapi dengan radiasi NIR, semuanya jauh lebih rumit. Dalam kasus NIR, foton memiliki energi lebih rendah. Oleh karena itu, opsins harus memiliki penghalang energi yang lebih rendah untuk dapat memahami foton tersebut. Kalau tidak, hanya ada noise termal yang kuat. Dengan kata lain, fotoreseptor mamalia secara fisik tidak mampu "menangkap" radiasi cahaya di atas 700 nm, khususnya radiasi NIR.

Tetapi Anda dan saya tahu bahwa batasan fisiologis sejati tidak dapat menghentikan ilmuwan sejati. Masalah dengan fotoreseptor dapat diselesaikan dengan menyediakan mereka dengan asisten dalam bentuk nanopartikel, yang akan melakukan fungsi-fungsi yang tidak dapat diakses oleh sel-sel alami (organ, sistem, dll). Inilah yang dilakukan para ilmuwan dalam studi mereka. Mereka mengembangkan partikel nano khusus dengan sumber radiasi cahaya otonom, yang dapat memperluas jangkauan spektrum visual mamalia (dalam hal ini, tikus). Para ilmuwan menjelaskan bahwa nanopartikel konversi pbUCNP (nanopartikel retotor fotoreseptorbinding) adalah sejenis konverter energi. Mereka mengubah radiasi inframerah-dekat menjadi panjang gelombang cahaya tampak yang lebih pendek.

"Modifikasi" mata tikus dilakukan dengan injeksi subretinal (di bawah retina) nanopartikel yang diencerkan dalam buffer natrium fosfat. Penggunaan elektroretinografi * dan data potensi visual yang ditimbulkan * dari korteks visual otak tikus membantu untuk menetapkan fakta bahwa retina dan korteks visual cukup aktif ketika terpapar pada stimulus eksternal dalam bentuk radiasi inframerah. Sederhananya, mouse dengan partikel nano pbUCNP tertanam bereaksi terhadap radiasi NIR.

Potensi yang timbul * - reaksi listrik organ terhadap rangsangan eksternal.

Electroretinography * - studi tentang keadaan retina melalui pendaftaran biopotensial yang timbul dari iritasi ringan.

Tes perilaku juga dilakukan yang juga mengkonfirmasi pernyataan di atas. Selain itu, para ilmuwan menguji biokompatibilitas nanopartikel dan organisme tikus, yang hanya menunjukkan efek samping kecil. Kami akan berbicara tentang hasil tes, tes dan analisis data sedikit kemudian, tetapi untuk sekarang kita harus membiasakan diri dengan apa yang terdiri dari nanopartikel yang menakjubkan ini.

Struktur PbUCNP

Tujuan utama nanopartikel adalah konversi cahaya inframerah (lebih dari 700 nm) menjadi terlihat. Menimbang bahwa mata manusia paling sensitif terhadap cahaya tampak dengan panjang gelombang 550 nm, nanopartikel konversi (atau konversi-naik) UCNP ( 1A dan 1B ) dibuat.

Jika kita berbicara tentang foton, maka konversi ke atas adalah proses mengubah beberapa foton dengan energi lebih rendah, yaitu dengan panjang gelombang yang besar, menjadi satu foton dengan energi yang lebih tinggi, yaitu. dengan panjang gelombang pendek. Dan inilah tepatnya yang diperlukan, mengingat sifat-sifat fotoreseptor mata mamalia.


Gambar No. 1

Nanopartikel ini menunjukkan puncak dalam spektrum eksitasi pada 980 nm dan puncak radiasi pada 535 nm ketika terkena cahaya pada 980 nm ( 1C dan 1D ).

Untuk mendapatkan nanopartikel yang larut dalam air, para ilmuwan menerapkan protein concanavalin A (ConA) ke permukaan partikel paaUCNP, yaitu dilapisi dengan asam poliakrilat ( 1E ). Penggunaan ConA dibenarkan oleh fakta bahwa protein ini berikatan dengan sempurna dengan residu gula dan turunannya dari segmen luar fotoreseptor, menghasilkan ikatan glikosidik * .

Ikatan glikosida * adalah ikatan kovalen antara molekul gula dan molekul lain.

Itu perlu untuk memverifikasi keberhasilan implementasi ConA di permukaan UCNP. Untuk ini, para ilmuwan menambahkan b-siklodekstrin ke dalam larutan dengan pbUCNP, yang memiliki unit glukosa yang sama dengan segmen luar fotoreseptor. Sebagai akibatnya, agregasi ConAb-cyclodextrin (asosiasi) terjadi (gambar TEM pada gambar 1G ).

Oleh karena itu, pengamatan tersebut mengkonfirmasi bahwa pbUCNP dapat berhasil menempel pada permukaan fotoreseptor mouse.

Dalam gambar TEM 1H , dapat dilihat bahwa pbUCNPs mempertahankan sifat monodispersinya ketika b-siklodekstrin ditambahkan, semua karena protein ConA tidak ada dalam kombinasi ini. Pengenalan pbUCNPs seperti itu ke dalam wilayah subretinal mata tikus ( 1F ) mengarah pada fakta bahwa partikel nano terikat satu sama lain, membentuk hubungan yang erat dengan bagian dalam dan luar dari kerucut dan batang ( 1J , 1K, dan 1L ). Dengan demikian, lapisan nanopartikel dengan spektrum konversi-karakteristik terbentuk (gambar di sebelah kiri pada 1I ).

Jika partikel paaUCNP dimasukkan ke dalam daerah subretinal mata tikus, maka mereka membentuk ikatan yang sangat rapuh, sehingga mereka dapat dengan mudah dihilangkan dari fotoreseptor (gambar di sebelah kanan pada 1I ).

Pemeriksaan biokompatibilitas tidak menunjukkan kelainan serius. Untuk pengujian, solusi sederhana buffer natrium fosfat (tanpa partikel nano) juga disuntikkan ke daerah subretinal mata mouse - tidak ada perbedaan yang ditemukan. Efek samping yang terdeteksi terkait dengan injeksi subretinal itu sendiri dan benar-benar menghilang dalam waktu 2 minggu setelah prosedur.

Memeriksa integritas retina dan sejumlah fotoreseptor yang sehat menunjukkan bahwa bahkan dengan pemberian 50 mg pbUCNP di setiap mata, tidak ada perubahan negatif yang diamati. Artinya, struktur lapisan retina tidak menurun (ini dapat dilihat pada gambar 2A dan 2B ).


Gambar No. 2

Para ilmuwan juga memutuskan untuk memeriksa proses inflamasi di retina tikus menggunakan penanda mikroglia Iba1. Analisis menunjukkan sedikit peradangan retina pada minggu ke-1, ke-2, ke-4 dan ke-10 setelah injeksi pbUCNP ( 2C dan 2E ).

Selain itu, apoptosis (pembusukan) sel retina setelah injeksi diuji dengan label dengan terminal deoxynucleotidyl transferase (TUNEL). Sinyal TUNEL terdeteksi hanya 3 hari setelah injeksi pbUCNP dan buffer sodium fosfat murni ( 2D ). Pada minggu ke-1, ke-2, ke-4 dan ke-10 setelah injeksi, tidak ada tanda TUNEL yang terdeteksi ( 2E ).

Merangkum hasil analisis di atas, para ilmuwan sampai pada kesimpulan yang jelas - pbUCNP tidak membahayakan tubuh orang yang diuji (tikus), kecuali untuk efek samping tertentu yang disebabkan semata-mata oleh prosedur injeksi ke daerah subretinal mata.

Sekarang kita tahu apa itu pbUCNP dan bagaimana hal itu mempengaruhi kesehatan tikus percobaan, kita dapat melanjutkan untuk mempertimbangkan hasil tes praktis dari pengoperasian nanopartikel pbUCNP.

Hasil penelitian

Gambar No. 3

Untuk menguji reaksi fotoreseptor terhadap radiasi inframerah, sampel batang dari retina diambil dalam tikus dengan injeksi nanopartikel dan pada tikus tanpa itu ( 3A ).

Batang tikus yang disuntik dengan pbUCNP menunjukkan arus kas normal yang disebabkan oleh cahaya tampak pada 535 nm, berbeda dengan tikus tanpa injeksi (tanpa injeksi - 3B dan dengan injeksi - 3D ).

Ketika terkena cahaya flash 980 nm, respons diperoleh hanya dari batang tikus dengan pbUCNP ( 3E ), batang tikus biasa tidak bereaksi sama sekali ( 3C ). Perlu juga dicatat kesamaan kuat dari amplitudo dan kinetika dari arus foto dalam batang tikus dengan pbUCNP ketika terpapar cahaya 535 nm dan 980 nm ( 3F , 3G dan 3H ). Dan rasio waktu dan puncak menunjukkan bahwa tidak ada penundaan dalam aktivasi batang ketika terkena radiasi inframerah. Juga terungkap bahwa tongkat (setelah injeksi) dengan cepat beradaptasi dengan cahaya inframerah, seperti biasanya dengan cahaya tampak.

Electroretinogram (ERG) tikus dengan dan tanpa injeksi juga mengkonfirmasi reaksi radiasi infra merah pada 980 nm. Selain itu, hasil ERG tikus dengan pbUCNP sangat mirip dengan hasil ketika terkena cahaya tampak (535 nm). Kelompok kontrol tikus (tanpa partikel nano) tidak memiliki reaksi.

Selain itu, para ilmuwan melakukan tes dengan tikus yang tidak memiliki tongkat. Tes ini menunjukkan aktivasi kerucut oleh radiasi pada 980 nm oleh paparan nanopartikel pbUCNP.

Setelah melakukan tes laboratorium, para ilmuwan beralih ke pengujian dalam praktik, begitulah. Artinya, mereka memutuskan untuk secara pribadi mengamati perilaku tikus dengan dan tanpa injeksi dalam kondisi khusus.


Gambar No. 4

Untuk percobaan praktis, dua kotak digunakan: gelap dan diterangi oleh radiasi dalam rentang yang terlihat dan inframerah ( 4C dan 4D ). Versi kedua percobaan didasarkan pada hubungan stimulus cahaya dan rasa takut yang dihasilkan ( 4E dan 4F ). Dan sekarang lebih terinci tentang masing-masing percobaan.

Pada pengujian pertama dengan kotak gelap dan gelap yang diterangi oleh cahaya tampak, mouse secara alami lebih suka berada dalam kegelapan. Cahaya tampak digantikan oleh LED dengan panjang gelombang 980 nm. Dalam versi ini, tikus dengan suntikan partikel nano terus memilih kotak gelap daripada yang terang, mengikuti naluri bawaan mereka, sehingga untuk berbicara. Tetapi kelompok kontrol tikus (tanpa injeksi) tidak melihat perbedaan antara kedua kotak (gelap dan dengan cahaya 980 nm), karena mereka benar-benar tidak merasakan radiasi inframerah.

Eksperimen kedua terkait dengan studi tentang tindakan tikus yang bahkan lebih disengaja. Pada tahap persiapan, tikus dari kedua kelompok dilatih dalam kenyataan bahwa setelah emisi cahaya 20 detik dari 535 nm (terlihat), kejutan listrik dua detik tidak signifikan ( 4E ) akan mengikuti. Menanggapi iritasi semacam itu, respons yang sepenuhnya alami pada tikus - mati rasa * harus mengikuti.

Reaksi mati rasa * - pada beberapa spesies hewan, yang biasanya memangsa, ada mekanisme perlindungan (bisa dikatakan, kesempatan terakhir). Jika predator telah menyerang mereka, mereka dapat "berpura-pura mati" (mati rasa), sehingga membingungkan penyerang dan, setelah menangkap momen yang tepat, melarikan diri.


Bagaimana tikus bereaksi jika terjadi bahaya (mati rasa, sembunyikan, atau guncang ekor secara agresif).

Selama fase pengujian aktual, emisi cahaya diterapkan pada 535 nm dan 980 nm. Akibatnya, tikus yang disuntik dengan pbUCNP menunjukkan reaksi mati rasa pada kedua jenis paparan cahaya, karena mereka mengharapkan sengatan listrik. Tetapi tikus tanpa partikel nano tidak bereaksi sama sekali terhadap radiasi inframerah. Dan ini menunjukkan bahwa mereka tidak merasakannya selama persiapan dan, oleh karena itu, tidak dapat menghubungkan radiasi yang tidak terlihat dengan kejutan. Kelompok kontrol tikus hanya merespons terhadap cahaya dalam rentang yang terlihat. Gambar 4F menunjukkan perbandingan hasil tes ini pada kelompok kontrol tikus dan tikus injeksi.

Tes-tes praktis ini mengkonfirmasi fakta bahwa tikus dengan pbUCNP merasakan radiasi infra merah, tetapi dapatkah mereka benar-benar melihat dalam kisaran ini, dalam arti sebenarnya? Untuk mendapatkan jawaban atas pertanyaan ini, para ilmuwan melakukan tes lain - mengukur VEP, mis. potensi membangkitkan visual ( 5A ). Untuk ini, elektroda dipasang di enam area korteks visual otak tikus (No. 1, 2, 3, dan 5 di daerah bermata dan No. 6 di daerah teropong).


Gambar No. 5

Ketika mata terpapar cahaya tampak (535 nm), sebuah reaksi diamati di semua area korteks visual pada semua tikus (dengan dan tanpa partikel nano), yang sangat diharapkan ( 5B dan 5D ). Tetapi di bawah cahaya pada 980 nm, tikus dibagi menjadi dua kelompok, seperti pada tes sebelumnya. VEP terdeteksi pada tikus injeksi di daerah teropong dari korteks visual ( 5C dan 5E ). Tidak ada VEP yang terdeteksi pada kelompok kontrol. Perlu dicatat bahwa manifestasi VEP di area teropong konsisten dengan tempat injeksi (sisi temporal).

"Keributan tikus" ini belum berakhir. Tes berikutnya lagi adalah tes yang lebih praktis dengan labirin air dalam bentuk huruf "Y" ( 6A ), yang menurutnya tikus dengan pbUCNP harus dipandu oleh radiasi inframerah.


Gambar No. 6

Selama persiapan, tikus dilatih untuk menemukan platform tersembunyi yang terhubung ke salah satu dari dua rute melalui labirin. Secara total, para ilmuwan membuat 5 versi uji dengan rangsangan visual yang berbeda dan radiasi cahaya.

Dalam versi pertama ada kisi-kisi cahaya ( 6B ), posisi pita yang menunjukkan arah gerakan. Tikus dengan nanopartikel berhasil belajar membedakan antara orientasi pita (vertikal atau horizontal) dan melihatnya dengan sempurna saat terkena radiasi cahaya pada 980 nm. Kelompok kontrol memilih platform dalam urutan acak, yaitu, tidak dapat membedakan mereka satu sama lain karena ketidakmampuan untuk melihat dalam spektrum inframerah ( 6C ). Dalam tes di mana cahaya tampak digunakan (seperti saat pelatihan), kedua kelompok tikus berhasil menyelesaikan tugas.

Pengukuran jumlah gelombang (frekuensi spasial) menunjukkan bahwa pada tikus dengan injeksi ini adalah 0,31 ± 0,04 dalam cahaya tampak. Pada tikus dari kelompok kontrol, indikator ini adalah 0,35 ± 0,02, artinya, tidak ada perbedaan khusus antara kedua kelompok subjek. Oleh karena itu, masuknya nanopartikel ke dalam retina tidak mempengaruhi cara tikus melihat cahaya tampak. Dalam kasus radiasi inframerah pada tikus dengan pbUCNP, indikator di atas adalah 0,14 ± 0,06. Para ilmuwan menghubungkan penurunan frekuensi spasial dengan radiasi isotropik dan hamburan cahaya tampak dari partikel nano ( 6D ) yang tereksitasi oleh cahaya inframerah.

Dalam versi kedua dari tes, para ilmuwan memutuskan untuk memeriksa apakah radiasi dalam rentang yang terlihat mengganggu persepsi radiasi infra merah dari foton. 2 pelat dibuat dengan susunan LED dari radiasi tampak (535 nm) dan inframerah (980 nm), yang saling tegak lurus satu sama lain. Ketika semua LED mati, kedua pelat tampak identik dengan latar belakang cahaya tampak ( 6E ).

Selama persiapan, penerangan (cahaya tampak, 196 lux) dan hanya 980 nm LED yang dinyalakan di ruang uji. Selama tes yang sebenarnya, hanya tikus injeksi yang berhasil mengenali pelat ( 6F ). Ini menunjukkan bahwa persepsi mereka tentang radiasi inframerah tidak memburuk dengan cara apa pun karena radiasi latar belakang cahaya tampak. Dalam kasus ketika hanya 535 nm LED dihidupkan, kedua kelompok tikus menunjukkan hasil yang baik, seperti yang diharapkan.

Tes selanjutnya adalah pengakuan segitiga dan lingkaran ( 6G ). Tikus dengan pbUCNP berhasil membedakan angka dalam cahaya tampak dan inframerah ketika ruang uji tidak menyala, yaitu dalam gelap ( 6H ). Kelompok kontrol hanya dapat mendeteksi angka dari cahaya tampak.

Setelah itu, variabel lain ditambahkan ke tugas - cahaya latar belakang, tetapi tidak terlihat, seperti sebelumnya, tetapi inframerah. Tikus pbUCNP masih berhasil membedakan antara pola cahaya inframerah / terlihat di bawah radiasi inframerah latar belakang.

Dalam tes akhir, para ilmuwan memutuskan untuk mencari tahu apakah tikus injeksi dapat melihat angka-angka dalam inframerah dan rentang yang terlihat pada saat yang sama. Dalam tes ini, ada labirin air dengan platform di mana sebuah lingkaran dan segitiga digambarkan secara bersamaan. Selama persiapan, hanya segitiga dalam cahaya tampak yang aktif. Tetapi selama pengujian, ada segitiga dan lingkaran (980 nm) dalam urutan acak (6I). Seperti yang diharapkan, tikus pbUCNP sangat dibedakan dengan angka (6J). Verifikasi hasil tes ini pada kedua kelompok tikus uji menegaskan bahwa tikus injeksi membuat pilihan platform tertentu bukan secara kebetulan, berbeda dengan kelompok kontrol. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa injeksi pbUCNP memungkinkan tikus untuk melihat objek di inframerah dan rentang yang terlihat secara bersamaan.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian, saya sangat menyarankan agar Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan - bahan tambahan untuknya.

Epilog

Studi semacam itu adalah bukti yang sangat baik bahwa nanoteknologi dapat diterapkan ke arah yang sangat berbeda. Tentu saja, untuk mengatakan bahwa kemungkinan mereka tidak terbatas masih sangat awal, tetapi setiap hari kita mendapatkan semakin banyak cara baru untuk menggunakan teknologi nano. Dalam kasus khusus ini, penggunaan nanopartikel untuk menyajikan tikus dengan penglihatan inframerah tidak hanya percobaan yang menarik, tetapi juga konfirmasi kemampuan unik dari perbaikan yang diperkenalkan dalam sistem biologis. Para ilmuwan sendiri belum siap untuk membuat pernyataan profil tinggi mengenai penerapan pengembangan mereka dalam kedokteran atau di bidang lain, namun mereka akan melanjutkan penelitian mereka dengan tujuan meningkatkan nanopartikel yang dijelaskan di atas dan, mungkin, memberkahi mereka dengan sifat-sifat baru.

Bagaimanapun, penggunaan augmentasi yang luas oleh seseorang untuk memperbaiki dan mengubah tubuhnya tidak akan terjadi segera karena tidak hanya teknologi yang tidak sempurna, tetapi juga banyak pertanyaan etis yang sudah ditanyakan oleh banyak tokoh masyarakat. Bisakah seseorang diizinkan mengubah tubuhnya? Di mana batas augmentasi yang diizinkan? Bagaimana ini akan mempengaruhi stratifikasi kelas sosial dalam masyarakat?Apakah ini akan menimbulkan konflik baru di dunia yang sudah konflik? Daftar pertanyaan semacam itu dapat dilanjutkan, tetapi belum ada yang memberikan jawaban yang jelas kepada mereka (permainan seri Deus Ex tidak dihitung). Mungkin prinsip "waktu akan mengatakan" cocok di sini dengan sempurna.


Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga musim panas gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?