"Barulho de camundongo" na luz infravermelha: a introdução de nanopartículas na região sub-retiniana do olho do mouse

O mundo ao nosso redor está cheio de informações em várias formas de sua manifestação. Não importa onde você esteja: dentro de casa ou ao ar livre, na cidade ou no meio do campo, nos trópicos ou na tundra nevada. Sempre e em toda parte, seu cérebro recebe algum tipo de informação. Por si só, esse corpo, se exagerado, é inútil na questão de informar você sobre o meio ambiente. Para ajudá-lo, temos órgãos sensoriais (olhos, ouvidos, língua, nariz e pele). No entanto, longe de todas as informações que conseguimos perceber, em particular a radiação infravermelha, que não é visível aos nossos olhos. Pelo menos era antes. Hoje, encontraremos um estudo em que um mouse comum foi dotado da capacidade de ver a radiação infravermelha do campo próximo através da nanotecnologia. Como os cientistas conseguiram isso, como o rato se sentiu após o "aprimoramento" e quais são as perspectivas dessa descoberta para os seres humanos? Procuraremos respostas para essas e outras perguntas no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá

Base de estudo

A visão em humanos não é a melhor, mas não a pior, entre os habitantes do planeta Terra. Seria mais correto dizer que tem certas limitações. Nós somos capazes de perceber a "luz visível", isto é, a radiação na faixa de 400 a 700 nm. Mas a radiação infravermelha do campo próximo (doravante NIR) está localizada acima do limite superior de 700 nm.

Se você se aprofundar um pouco mais, o problema é a estrutura dos olhos dos mamíferos, ou seja, você e eu. Existem fotorreceptores no olho - neurônios sensoriais fotossensíveis da retina. Dentro das células existem opsina * e rodopsina * , que desempenham um dos papéis mais importantes na percepção da luz, isto é, na visão.

Opsinas * são receptores associados às proteínas G localizadas nas células fotossensíveis da retina.

A rodopsina * é uma proteína, o principal pigmento visual contido nas hastes da retina.

Todo esse grupo de receptores visa capturar luz, isto é, fótons. Mas com a radiação NIR, tudo é muito mais complicado. No caso do NIR, os fótons têm menor energia. Portanto, as opsinas devem ter uma barreira energética mais baixa para perceber esses fótons. Caso contrário, há apenas forte ruído térmico. Em outras palavras, os fotorreceptores de mamíferos são simplesmente fisicamente incapazes de "capturar" a radiação de luz acima de 700 nm, em particular a radiação NIR.

Mas você e eu sabemos que as verdadeiras restrições fisiológicas não podem impedir os verdadeiros cientistas. O problema dos fotorreceptores pode ser resolvido fornecendo-lhes assistentes na forma de nanopartículas, que desempenharão as funções inacessíveis às células naturais (órgãos, sistemas, etc.). Foi isso que os cientistas fizeram em seu estudo. Eles desenvolveram nanopartículas especiais com uma fonte de luz independente que pode expandir o alcance do espectro visual de um mamífero (neste caso, ratos). Os cientistas explicam que as nanopartículas de pbUCNP (fotorreceptor da retina ligando nanopartículas de conversão) são um tipo de conversor de energia. Eles convertem a radiação infravermelha próxima em comprimentos de onda mais curtos da luz visível.

A "modificação" do olho do rato foi realizada por injeção sub-retiniana (sob a retina) de nanopartículas diluídas em tampão fosfato de sódio. O uso de eletrorretinografia * e dados de potenciais evocados visuais * do córtex visual do cérebro do camundongo ajudou a estabelecer o fato de que a retina e o córtex visual eram bastante ativos quando expostos a um estímulo externo na forma de radiação infravermelha. Simplificando, um mouse com nanopartículas de pbUCNP reagiu à radiação NIR.

Potencial evocado * - a reação elétrica dos órgãos a um estímulo externo.

Eletrorretinografia * - o estudo do estado da retina através do registro de biopotenciais decorrentes da irritação da luz.

Também foram realizados testes comportamentais que também confirmaram a afirmação acima. Além disso, os cientistas testaram a biocompatibilidade das nanopartículas e do organismo do camundongo, que mostraram apenas efeitos colaterais menores. Falaremos sobre os resultados de testes, testes e análise de dados um pouco mais tarde, mas por enquanto devemos nos familiarizar com o que consistem nessas incríveis nanopartículas.

Estrutura PbUCNP

O principal objetivo das nanopartículas era a conversão da luz infravermelha (mais de 700 nm) em visível. Considerando que o olho humano é mais sensível à luz visível com um comprimento de onda de 550 nm, foram criadas as chamadas nanopartículas de conversão (ou conversão ascendente) de UCNP ( 1A e 1B ).

Se falamos de fótons, a conversão ascendente é o processo de conversão de vários fótons com energia mais baixa, ou seja, com um comprimento de onda grande, em um fóton com energia mais alta, ou seja, com um comprimento de onda curto. E é exatamente isso que é necessário, dadas as propriedades dos fotorreceptores dos olhos dos mamíferos.


Imagem Nº 1

Essas nanopartículas mostraram um pico no espectro de excitação a 980 nm e um pico na radiação a 535 nm quando expostos à luz a 980 nm ( 1C e 1D ).

Para obter nanopartículas solúveis em água, os cientistas aplicaram a proteína concanavalina A (ConA) à superfície das partículas de paaUCNP, isto é, revestidas com ácido poliacrílico ( 1E ). O uso de ConA é justificado pelo fato de que essa proteína se liga perfeitamente a resíduos de açúcar e derivados do segmento externo do fotorreceptor, resultando em ligações glicosídicas * .

A ligação glicosídica * é uma ligação covalente entre uma molécula de açúcar e outra molécula.

Era necessário verificar o sucesso da implementação da ConA na superfície da UCNP. Para isso, os cientistas adicionaram b-ciclodextrina à solução com pbUCNP, que possui a mesma unidade de glicose do segmento externo do fotorreceptor. Como resultado disso, ocorreu a agregação (associação) de ConAb-ciclodextrina (imagem TEM na imagem 1G ).

Portanto, essas observações confirmam que o pbUCNP pode se conectar com sucesso à superfície dos fotorreceptores do mouse.

Na imagem 1H TEM, pode-se observar que os pbUCNPs retêm sua monodispersidade quando a b-ciclodextrina é adicionada, tudo porque a proteína ConA está ausente nessa combinação. A introdução de tais pbUCNPs na região sub-retiniana do olho do rato ( 1F ) levou as nanopartículas a se ligarem, formando uma estreita relação com as porções interna e externa de cones e bastonetes ( 1J , 1K e 1L ). Assim, uma camada de nanopartículas com um espectro característico de conversão ascendente foi formada (imagem à esquerda na 1I ).

Se as partículas de paaUCNP fossem introduzidas na região sub-retiniana do olho do rato, elas formariam ligações muito frágeis, para que pudessem ser facilmente removidas dos fotorreceptores (imagem à direita em 1I ).

A verificação de biocompatibilidade não mostrou anormalidades graves. Para o teste, uma solução simples de tampão fosfato de sódio (sem nanopartículas) também foi injetada na região sub-retiniana do olho do mouse - nenhuma diferença foi encontrada. Os efeitos colaterais detectados foram associados à injeção sub-retiniana e desapareceram completamente dentro de 2 semanas após o procedimento.

A verificação da integridade da retina e um número saudável de fotorreceptores mostrou que, mesmo com a introdução de 50 mg de pbUCNP em cada olho, nenhuma alteração negativa foi observada. Ou seja, a estrutura das camadas da retina não se degrada (isso pode ser visto nas imagens 2A e 2B ).


Imagem No. 2

Os cientistas também decidiram verificar processos inflamatórios na retina do rato usando o marcador microglia Iba1. A análise mostrou leve inflamação da retina na 1ª, 2ª, 4ª e 10ª semana após a injeção de pbUCNP ( 2C e 2E ).

Além disso, a apoptose (decaimento) das células da retina após a injeção foi testada por marcação com desoxinucleotidil transferase terminal (TUNEL). Os sinais de TUNEL foram detectados apenas 3 dias após a injeção de pbUCNP e tampão de fosfato de sódio puro ( 2D ). Na 1ª, 2ª, 4ª e 10ª semana após a injeção, não foram detectados sinais TUNEL ( 2E ).

Resumindo os resultados das análises acima, os cientistas chegaram à conclusão óbvia - o pbUCNP não prejudica o corpo da pessoa que realiza o teste (mouse), exceto por certos efeitos colaterais causados ​​apenas pelo procedimento de injeção na região sub-retiniana do olho.

Agora que sabemos o que é pbUCNP e como isso afeta a saúde de camundongos experimentais, podemos considerar os resultados de testes práticos da operabilidade das nanopartículas de pbUCNP.

Resultados da pesquisa

Imagem No. 3

Para testar a reação dos fotorreceptores à radiação infravermelha, amostras de bastonetes da retina foram coletadas em um camundongo com injeção de nanopartículas e em um camundongo sem ele ( 3A ).

Os bastões de camundongos injetados com pbUCNP mostraram uma fotocorrente normal causada pela luz visível a 535 nm, em contraste com os camundongos sem injeção (sem injeção - 3B e com injeção - 3D ).

Quando expostos a um flash de luz de 980 nm, obteve-se uma resposta apenas das hastes de camundongos com pbUCNP ( 3E ), as hastes de camundongos comuns não reagiram ( 3C ). Também é digno de nota a forte similaridade da amplitude e cinética da fotocorrente nas hastes de camundongos com pbUCNP quando expostos à luz 535 nm e 980 nm ( 3F , 3G e 3H ). E a proporção de tempo e picos sugere que não houve atraso na ativação das hastes quando expostas à radiação infravermelha. Também foi revelado que os bastões (após a injeção) se adaptam rapidamente à luz infravermelha, como é geralmente o caso da luz visível.

O eletrorretinograma (ERG) de camundongos com e sem injeção também confirmou uma reação à radiação infravermelha a 980 nm. Além disso, os resultados ERG de camundongos com pbUCNP se assemelhavam fortemente aos resultados quando expostos à luz visível (535 nm). O grupo controle de camundongos (sem nanopartículas) não teve reações.

Além disso, os cientistas realizaram um teste com ratos que não tinham paus. Este teste mostrou ativação de cones por radiação a 980 nm por exposição a nanopartículas de pbUCNP.

Depois de realizar testes de laboratório, os cientistas passaram a testar na prática, por assim dizer. Ou seja, eles decidiram observar pessoalmente o comportamento de ratos com e sem injeção em condições especiais.


Imagem No. 4

Para o experimento prático, foram utilizadas duas caixas: escuras e iluminadas por radiação nas faixas visível e infravermelha ( 4C e 4D ). A segunda versão do experimento é baseada na relação do estímulo à luz e no sentimento de medo resultante ( 4E e 4F ). E agora com mais detalhes sobre cada um dos experimentos.

No primeiro teste, com uma caixa escura e escura iluminada pela luz visível, o mouse naturalmente preferiu estar no escuro. A luz visível foi substituída pelo LED com um comprimento de onda de 980 nm. Nesta versão, os ratos com uma injeção de nanopartículas continuaram a escolher uma caixa escura em vez de uma clara, seguindo seus instintos inatos, por assim dizer. Mas o grupo controle de camundongos (sem injeção) não viu nenhuma diferença entre as duas caixas (escuras e com uma luz de 980 nm), uma vez que elas literalmente não percebiam radiação infravermelha.

O segundo experimento foi relacionado ao estudo de ações ainda mais deliberadas de ratos. Na fase de preparação, os ratos de ambos os grupos foram treinados no fato de que, após uma emissão de luz de 20 segundos de 535 nm (visível), ocorrerá um choque elétrico insignificante de dois segundos ( 4E ). Em resposta a tal irritante, deve seguir-se uma resposta completamente natural nos ratos - dormência * .

Reação de dormência * - em algumas espécies de animais, que geralmente são presas, existe um mecanismo de proteção (por assim dizer, a última chance). Se o predador já os atacou, ele pode "fingir estar morto" (entorpecido), confundindo o agressor e, tendo captado o momento certo, pode escapar.


Como os ratos reagem em caso de perigo (dormente, ocultar ou agitar a cauda agressivamente).

Durante a fase de teste real, a emissão de luz foi aplicada em 535 nm e 980 nm. Como resultado, os camundongos injetados com pbUCNP exibiram uma reação entorpecida nos dois tipos de exposição à luz, pois esperavam um choque elétrico. Mas camundongos sem nanopartículas não reagiram à radiação infravermelha. E isso sugere que eles não o perceberam durante a preparação e, portanto, não puderam conectar a radiação invisível para eles com um choque. O grupo controle de ratos teve uma resposta apenas à luz na faixa visível. A Figura 4F mostra uma comparação dos resultados deste teste em um grupo controle de camundongos e camundongos de injeção.

Esses testes práticos confirmaram o fato de que camundongos com pbUCNP percebem radiação infravermelha, mas eles podem realmente ver nessa faixa, no sentido mais verdadeiro da palavra? Para obter uma resposta a essa pergunta, os cientistas realizaram outro teste - a medição da VEP, ou seja, potenciais evocados visuais ( 5A ). Para isso, eletrodos foram instalados em seis áreas do córtex visual do cérebro de camundongos (nºs 1, 2, 3 e 5 nas regiões monoculares e nº 6 nas regiões binoculares).


Imagem No. 5

Quando os olhos foram expostos à luz visível (535 nm), foi observada uma reação em todas as áreas do córtex visual em todos os camundongos (com e sem nanopartículas), o que é bastante esperado ( 5B e 5D ). Mas sob a luz a 980 nm, os ratos foram divididos em dois grupos, como nos testes anteriores. A VEP foi detectada em camundongos injetáveis ​​em áreas binoculares do córtex visual ( 5C e 5E ). Não foi detectada VEP no grupo controle. Note-se que a manifestação de VEP nas áreas binoculares é consistente com o local da injeção (lado temporal).

Esse "barulho do mouse" ainda não acabou. O teste seguinte novamente foi um teste mais prático com um labirinto de água na forma da letra “Y” ( 6A ), segundo a qual os ratos com pbUCNP deveriam ser guiados por radiação infravermelha.


Imagem Nº 6

Durante a preparação, os ratos foram treinados para encontrar uma plataforma oculta que estava conectada a uma das duas rotas através do labirinto. No total, os cientistas fizeram 5 versões de teste com diferentes estímulos visuais e radiação luminosa.

Na primeira versão, houve grades de luz ( 6B ), a posição das bandas nas quais indicava a direção do movimento. Camundongos com nanopartículas aprenderam com sucesso a distinguir entre a orientação das bandas (vertical ou horizontal) e as viram perfeitamente quando expostas à radiação luminosa a 980 nm. O grupo controle escolheu as plataformas em ordem aleatória, ou seja, não conseguiu diferenciá-las uma da outra devido à incapacidade de ver no espectro infravermelho ( 6C ). No teste em que a luz visível foi usada (como durante o treinamento), ambos os grupos de ratos concluíram a tarefa com êxito.

A medição do número de ondas (frequência espacial) mostrou que, em camundongos com injeção, é de 0,31 ± 0,04 na luz visível. Em camundongos do grupo controle, esse indicador é de 0,35 ± 0,02, ou seja, não há diferenças especiais entre os dois grupos de indivíduos. Portanto, a introdução de nanopartículas na retina não afetou a maneira como os ratos percebem a luz visível. No caso de radiação infravermelha em camundongos com pbUCNP, o indicador acima foi de 0,14 ± 0,06. Os cientistas atribuem esse decréscimo na frequência espacial à radiação isotrópica e à dispersão da luz visível das nanopartículas ( 6D ) excitadas pela luz infravermelha.

Na segunda versão do teste, os cientistas decidiram verificar se a radiação na faixa visível interfere na percepção da radiação infravermelha dos fótons. Foram feitas 2 placas com matrizes de LED de radiação visível (535 nm) e infravermelha (980 nm), que são perpendiculares entre si. Quando todos os LEDs estavam apagados, ambas as placas pareciam idênticas contra o fundo da luz visível ( 6E ).

Durante a preparação, a iluminação (luz visível, 196 lux) e apenas os LEDs de 980 nm foram acesos na câmara de teste. Durante o teste real, apenas os ratos de injeção foram capazes de reconhecer com sucesso as placas ( 6F ). Isso sugere que sua percepção da radiação infravermelha não se deteriorou de forma alguma devido à radiação de fundo da luz visível. No caso em que apenas os LEDs de 535 nm foram ligados, ambos os grupos de ratos apresentaram bons resultados, conforme o esperado.

O próximo teste foi o reconhecimento de triângulos e círculos ( 6G ). Os ratos com pbUCNP distinguiram com sucesso figuras na luz visível e no infravermelho quando a câmara de teste estava apagada, isto é, no escuro ( 6H ). O grupo de controle pôde detectar apenas figuras da luz visível.

Depois disso, outra variável foi adicionada à tarefa - luz de fundo, mas não visível, como antes, mas infravermelho. Os ratos pbUCNP ainda distinguiram com sucesso os padrões de luz infravermelha / visível sob radiação infravermelha de fundo.

No teste final, os cientistas decidiram descobrir se os camundongos injetáveis ​​podem ver as figuras na faixa visível e infravermelha ao mesmo tempo. Neste teste, havia um labirinto de água com plataformas nas quais um círculo e um triângulo eram representados simultaneamente. Durante a preparação, apenas triângulos na luz visível estavam ativos. Mas durante o teste, houve triângulos e círculos (980 nm) em uma sequência aleatória (6I). Como esperado, os camundongos pbUCNP foram muito distintos pelas figuras (6J). A verificação dos resultados deste teste em ambos os grupos de camundongos de teste confirmou que os camundongos de injeção fizeram a escolha de uma plataforma específica não por acaso, em contraste com o grupo de controle. Assim, pode-se concluir que a injeção de pbUCNP permite que os ratos vejam objetos nas faixas de infravermelho e visível simultaneamente.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo fortemente que você analise o relatório dos cientistas e materiais adicionais .

Epílogo

Esse estudo é uma excelente evidência de que a nanotecnologia pode ser aplicada em direções muito diferentes. É claro que dizer que suas possibilidades são infinitas ainda é muito cedo, mas todos os dias estamos obtendo cada vez mais novas maneiras de usar a nanotecnologia. Nesse caso em particular, o uso de nanopartículas para apresentar camundongos com visão infravermelha não é apenas um experimento interessante, mas também uma confirmação das capacidades únicas das melhorias introduzidas nos sistemas biológicos. Os próprios cientistas ainda não estão prontos para fazer declarações de alto nível com relação à aplicação de seu desenvolvimento na medicina ou em qualquer outra área; no entanto, continuarão suas pesquisas com o objetivo de melhorar as nanopartículas acima descritas e, possivelmente, dotá-las de novas propriedades.

Seja como for, o uso generalizado de aumento por uma pessoa para melhorar e mudar seu corpo não acontecerá em breve devido não apenas às tecnologias imperfeitas, mas também às muitas questões éticas que muitas figuras públicas já estão fazendo. Uma pessoa pode mudar seu corpo? Onde fica a fronteira dos aumentos permitidos? Como isso afetará a estratificação de classe social na sociedade?Isso dará origem a novos conflitos em um mundo já conflitante? A lista de tais perguntas pode ser continuada, mas até agora ninguém lhes deu respostas claras (os jogos de Deus Ex não contam). Talvez o princípio do "tempo dirá" se encaixa aqui perfeitamente.


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