Nanodeeltjes geven muizen nachtzicht

Muizen geïnjecteerd met gespecialiseerde nanodeeltjes kunnen infraroodlicht zien met verschillende patronen en vormen om hen te helpen bij het navigeren door een waterdoolhof.

Yuqian Ma, Wenyang Yi, Jiawei Shen

Nanodeeltjes geven muizen nachtzicht

Door Robert F. ServiceFeb. 28, 2019, 11:45 uur

Wetenschappers hebben ontdekt hoe ze een superkracht kunnen verlenen, zoals die van de mythische X-Men, tenminste aan muizen. Met behulp van nanodeeltjes die infrarood (IR) licht omzetten in zichtbaar licht, hebben onderzoekers muizen de mogelijkheid gegeven om in het donker te zien. Als dezelfde techniek bij mensen werkt, zou dit soldaten nachtzicht kunnen bieden zonder een veiligheidsbril en mogelijk kwalen die ervoor zorgen dat patiënten geleidelijk hun gezichtsvermogen verliezen.

Dit artikel is verbazingwekkend, zegt Michael Do, een neurowetenschapper aan de Harvard Medical School in Boston, die niet bij het werk betrokken was. Denken dat je deze nanodeeltjes kunt injecteren en ze laten werken is ongelooflijk

Wanneer ze in het oog worden geïnjecteerd, leveren de nanodeeltjes zichtbaar licht aan de lichtgevoelige pigmenten die gewervelde dieren gebruiken om te zien. De pigmenten bevinden zich in gespecialiseerde cellen, fotoreceptoren genaamd, die zich in het netvlies aan de achterkant van het oog bevinden. Een combinatie van pigmenten in deze fotoreceptoren absorbeert verschillende kleuren licht, waardoor zenuwimpulsen door de optische zenuw naar de visuele centra van de hersenen stromen. Mensen hebben drie pigmenten die ons kleurzicht geven en nog een pigment dat ons helpt zwart en wit te zien, vooral bij weinig licht. Muizen en sommige primaten hebben slechts twee kleurpigmenten en één voor zwak licht.

Onderzoekers hebben eerder genen voor een derde pigment aan muizen en primaten toegevoegd om ze een menselijk bereik van gevoeligheid voor zichtbaar licht te geven. Maar tot nu toe hebben geen zoogdieren onder normale omstandigheden IR-licht kunnen zien.

Om dat te veranderen, werkte Xue Tian, ​​een expert in visiefysiologie aan de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China in Hefei, samen met Gang Han, een expert in nanodeeltjes aan de University of Massachusetts Medical School in Worcester. Han had eerder nanodeeltjes ontwikkeld die IR in blauw licht kunnen omzetten. Omdat blauw licht meer energie vervoert dan IR, moeten deze zogenaamde up-converting nanodeeltjes (UCNP's) meerdere IR-fotonen absorberen voordat ze een enkel blauw foton vrijgeven. Dat bracht Han en Xue ertoe zich af te vragen of dergelijke nanodeeltjes op fotoreceptoren voldoende IR zouden omzetten in zichtbaar licht zodat muizen in het donker konden zien.

Muizen geïnjecteerd met gespecialiseerde nanodeeltjes kunnen infraroodlicht zien met verschillende patronen en vormen om hen te helpen bij het navigeren door een waterdoolhof.

Yuqian Ma, Wenyang Yi, Jiawei Shen

Om erachter te komen, verbeterden Han en zijn collega's eerst de kansen van de dieren: ze hebben de UCNP's aangepast om groen licht uit te stralen. (Groene fotopigmenten bij dieren zijn gevoeliger dan blauw.) Vervolgens bekleedden ze hun UCNP's met een eiwit dat bindt aan specifieke suikermoleculen op de membranen van fotoreceptoren. Nadat ze deze achter de netvlies van muizen hadden geïnjecteerd, ontdekten ze dat de UCNP's zich nauw aan de fotoreceptoren hechtten en daar maximaal 10 weken bleven zonder duidelijke blijvende bijwerkingen.

En de nanodeeltjesinjecties leken het gewenste effect te hebben. Muizen die ze ontvingen, vertoonden fysieke tekenen van het detecteren van IR-licht en het omzetten in zichtbaar licht: hun pupillen vernauwden bijvoorbeeld, terwijl muizen die alleen met een bufferoplossing waren geïnjecteerd geen respons vertoonden. Elektrofysiologische opnames toonden ook aan dat het IR-licht zenuwreacties in het netvlies en de visuele cortex veroorzaakte alleen bij de dieren met nanodeeltjes.

Ten slotte hebben Xue, Han en hun collega's de muizen gedragstests laten uitvoeren om te bepalen of de dieren met nanodeeltjes een diffuse waas zagen of in staat waren onderscheidende vormen en patronen te herkennen. In één test zwommen dieren in een waterdoolhof zonder een uitgang. Op de muur boven de ene route projecteerden onderzoekers een driehoek en op de andere een cirkel; onder de driehoek plaatsten de onderzoekers een verzonken platform waarop de dieren konden klimmen om uit het water te komen.

Toen de vormen werden verlicht door zichtbaar licht, leerden alle dieren snel om het comfort van het platform te associëren met de driehoek en zwommen er onmiddellijk naartoe, zelfs toen de onderzoekers de positie van de driehoek en de cirkel verwisselden. Toen de patronen onder IR-licht stonden, zwommen alleen de dieren die met de UCNP's waren geïnjecteerd consistent in de richting van de driehoek, melden de onderzoekers vandaag in Cell. "De studenten konden niet zien welk [pad] de driehoek toonde, maar de muizen zouden naar de juiste kant gaan, " zegt Xue lachend.

Gezien de overeenkomsten tussen muizen en mensen in de gezichtsfysiologie, zegt Xue: "Ik denk zeker dat het bij mensen zal werken." Als dat zo is, zouden toekomstige versies van nanodeeltjes eerste hulpverleners en militairen tijdelijk beter nachtzicht kunnen geven. Nanodeeltjes kunnen ook worden aangepast om zichtbaar licht te absorberen en opnieuw uit te zenden. Deze deeltjes kunnen de kleursensatie versterken om patiënten met maculaire degeneratie te behandelen, een belangrijke oorzaak van leeftijdgerelateerd gezichtsverlies, waarbij de fotoreceptorcellen geleidelijk na verloop van tijd afsterven.

Het creëren van andere X-Men-krachten, zoals telekinese of het manipuleren van het weer, kost meer tijd.