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Cell:中国科大薛天课题组利用纳米技术让哺乳动物能够看到红外线

来源:本站原创 2019-03-03 23:13

2019年3月3日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中,中国科学技术大学生命科学与医学部的薛天(Tian Xue)课题组和美国马萨诸塞大学医学院的Gang Han研究团队报道,通过纳米技术增强视力的小鼠能够看见红外光和可见光。在小鼠的眼睛中单次注射纳米颗粒可让它们的红外视觉保持长达10周,副作用最小,即使在白天也可以看到红外光,并具有足够的特异性来区分不同的形状。这些发现可能会导致人类红外视觉技术的进步,包括在民用加密、安全和军事行动中的潜在应用。相关研究结果于2019年2月28日在线发表在Cell期刊上 ,论文标题为“Mammalian Near-Infrared Image Vision through Injectable and Self-Powered Retinal Nanoantennae”。论文第一作者为中国科学技术大学生命科学与医学部的博士生马玉乾(Yuqian Ma)、教授鲍进(Jin Bao)和马萨诸塞大学医学院的Yuanwei Zhang博士。
图片来自Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.01.038。

人类和其他哺乳动物仅限于看见一系列被称为可见光的光波长,这其中包括彩虹的光波长。但是,具有更长波长的红外辐射就在我们身边。人类、动物和物体在发热时会发出红外光,而且物体也能反射红外光。

薛天说,“人类的自然视觉能够感知到的可见光仅占电磁频谱的一小部分。比可见光更长或更短的电磁波携带着大量信息。”

Gang Han说,“当光线进入眼睛并照射到视网膜上时,两种感光细胞---视杆细胞和视锥细胞---吸收具有可见光波长的光子并向大脑发送相应的电信号。鉴于红外线波长太长而不能被感光细胞吸收,我们无法察觉它们。”

在这项新的研究中,这些研究人员开发出可在眼睛的现有结构中发挥作用的纳米颗粒。所开发出的纳米颗粒能够仅附着到感光细胞上,起着微小的红外光传感器的作用。当红外光照射到视网膜上时,这些纳米颗粒捕获较长的红外线波长并发射较短的位于可见光范围的波长。附近的视杆细胞和视锥细胞吸收这些较短的波长并向大脑发送正常信号,就像可见光照射到视网膜上一样。

鲍进说,“在我们的实验中,纳米颗粒吸收波长约为980 nm的红外光,并将它转换为在535 nm处达到峰值的光,这就使得这种红外线观看起来像是绿色的光线。”

这些研究人员在小鼠体内测试了这些纳米颗粒,其中与人类一样,小鼠不能自然地看到红外线。接受纳米颗粒注射的小鼠显示出它们检测到红外光的无意识体征,比如它们的瞳孔收缩,而仅注射缓冲液的小鼠对红外光没有反应。

为了测试这些小鼠是否能够感知红外光,这些研究人员设置了一系列迷宫任务,结果显示它们在日光条件下能够同时看到红外线和可见光。

在极少数情况下,这种纳米颗粒注射也会产生角膜混浊等副作用,不过,这些副作用在不到一周的时间内会消失。这可能仅由注射过程引起,这是因为仅接受注射缓冲液的小鼠具有相似的这些副作用发生率。其他测试并未发现视网膜结构在视网膜下注射后受到损伤。

薛天说,“在我们的研究中,我们发现视杆细胞和视锥细胞都能结合这些纳米颗粒并被近红外光激活。因此,我们认为这种技术也将在人眼中发挥作用,这不仅可以产生超级视觉,还可以为人类红色视觉缺陷提供治疗方案。”

当前的红外技术依赖于通常受环境日光限制并需要外部电源的检测器和摄像机。这些研究人员认为,生物一体化纳米颗粒(bio-integrated nanoparticle)更适用于民用加密、安全和军事行动中的潜在红外应用。Gang Han说,“在未来,我们认为通过使用一种由FDA批准的化合物制成的新型有机纳米颗粒,这种技术可能还有改进的空间,这似乎会导致更明亮的红外视觉。”

这些研究人员还认为,还需开展更多的研究来微调这些纳米颗粒的发射光谱以适应人眼,这是因为与小鼠的眼睛相比,人眼的中央视觉利用更多的视杆细胞和视锥细胞。薛天说,“这是一个令人兴奋的话题,这是因为我们在这项研究中开发出的技术最终可能让人类看见超出我们自然能力的东西。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Yuqian Ma et al. Mammalian Near-Infrared Image Vision through Injectable and Self-Powered Retinal Nanoantennae. Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.01.038.
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