科幻！Au纳米棒勇登Science，未来或能让人直接看到红外光！

小奇

2020-06-07

光感受器变性，包括与年龄有关的黄斑变性和色素性视网膜炎，是工业化国家人们失明的主要原因。失明的许多情况是由眼睛中感光细胞逐渐丧失引起的。在大多数情况下，光感受器变性是不完全的，导致在同一视网膜内彼此相邻存在光敏感和光不敏感光区。对于患有这种渐行性失明的患者，潜在的治疗方法通常是矛盾的，因为想要通过使视网膜再次对光敏感，同时最小化对任何健康感光体的干扰来恢复视力，目前两者尚不可兼得。

科学家畅想如果可以在人眼可见光谱（390至700 nm）之外的波长处检测近红外（NIR）光（> 900 nm），这不失是一种两全方法，即在不干扰剩余视觉的情况下补充或恢复受影响视网膜区域的光敏感。

而当前，还没有技术可以在盲视网膜中诱导NIR敏感性。

图自 pixabay

然而，近红外检测的功能天然就存在于一些少数物种当中，如蟒蛇和蝮蛇。它们可以利用在特定器官中表达的温度敏感瞬时受体电位（transient receptor potential, TRP）阳离子通道探测红外光（1至30μm）。热图像和视觉图像叠加在蛇的大脑中，可能使蛇对环境的反应比仅使用一个图像更精确。TRP通道有可能针对视网膜细胞类型，使其对红外辐射敏感。但是，通过直接NIR照明将热量传递到异位表达的TRP通道效率很低，所需的高强度也会损坏视网膜。

成果简介：

有鉴于此，为了开发用于视网膜细胞类型的更有效的NIR光检测器（而人眼很大程度是无法检测到的），瑞士巴塞尔眼分子与临床研究所Botond Roska和Daniel Hillier等人设计了一个由基因成分和纳米材料成分组成的双重系统使视网膜对红外光敏感，即使用工程化的纳米粒子传感器和基因疗法，在具有遗传性退行性失明的老鼠和死后的人类视网膜中诱发红外光敏感性。这种方法可以通过在视网膜部分变性患者中诱导光敏性的同时防止饱和或过度活化来避免功能性感光细胞受损。

示意图

系统的具体设计：

为了使视网膜感光器具有近红外敏感性，研究人员设计了一种三组分系统。

1）第一个成分包含工程DNA（由温度敏感的TRP通道（大鼠TRP家族V成员1（TRPV1）通道）组成），可确保编码热敏通道的基因仅在感光细胞中表达。

2）第二个成分是金纳米棒，可以有效吸收近红外光。

3）第三种成分是确保在感光器中表达的热敏通道与局部捕获近红外光并局部释放热量的金纳米棒之间牢固结合的抗体。

该系统利用表面等离子体共振进行传热：金纳米棒在其共振波长处捕获近红外光（915 nm）并产生热量，利用这些热量打开纳米棒附近的TRP通道。

图|用于红外检测的纳米棒和热敏蛋白（左边看作用的具体过程）

近红外光引导小鼠行为

为了测试这种策略是否可以恢复视觉功能，研究人员在退行性失明小鼠模型的视锥光感受器中表达TRP通道。研究发现，在视网膜和视觉皮层中测得的神经活动与红外光刺激相关。此外，他们表明，经过治疗的盲鼠可以利用其红外光敏感性来学习简单的视觉引导行为。

研究人员在培养的、对光不敏感的死后人类视网膜中测试了其纳米棒-TRP通道方法，证明该方法将红外光敏感性引入该组织，这是评估其与人类患者相关性的关键步骤。

图|近红外光引导小鼠行为

纳米技术工具的优势

本文整体思想是利用红外光激活的光遗传学，说到近红外光体内激活，相信大家第一想到的应该是上转换纳米粒子（将红外线“上转换”为可见光），在2019年，中国科学技术大学薛天教授研究组与麻省大学医学院韩纲教授等人在Cell发表了利用上转换纳米粒子首次实现动物裸眼红外光感知和红外图像视觉能力。

图自Cell

官网解说视频：

（非常值得一看的视频！前面为基本解释,1分34秒讲述科学家如何做小鼠实验（即怎么知道小鼠能看到红外红光？）

另外，在2018年，日本RIKEN脑科学研究所Thomas J. McHugh、Shuo Chen和新加坡国立大学刘小钢团队合作报道了一种基于上转换纳米颗粒的深度脑刺激光遗传学。研究人员利用镧系掺杂的上转换纳米颗粒作为光学转换器，将透过组织的近红外光转化为可见光，组织外的近红外不易被散射，而组织内的可见光则可以有效控制离子通道的开关。

图自Science

尽管退化的感光细胞可能无法使用上转换纳米颗粒，但使用该技术处理的小鼠利用其红外灵敏度执行复杂的视觉任务，包括形状识别。这种详细的行为评估至关重要，因为尚不清楚已经发展的大脑在多大程度上可以解释新的感觉方式来指导行为-尽管研究支持成年哺乳动物大脑在整合新的感觉输入方面具有一定的可塑性。

这些例子都证明了纳米技术工具相对于其他方法的优势。这些工具比传统的光遗传学工具对光更敏感，接近在正常日光下工作所需的灵敏度。因为纳米粒子利用不同波长的光，所以正常视觉和红外视觉可能并行运行。

总结与展望

本文使用的纳米棒-TRP通道方法，在它到达诊所之前还要面对更多的挑战。到目前为止，金纳米棒在人类身上似乎是安全的，这是很有希望的。同样，眼部基因治疗似乎是低风险和有效的。然而，任何眼科基因治疗的主要挑战是提高基因导入的效率和完整性以及提供长期有效性。更具体地说，由于纳米棒和TRP通道目前不能选择性地靶向退化的光感受器，诱导红外灵敏度和健康光感受器的固有光灵敏度之间的相互作用需要进一步研究。

此外，人类看到的许多物体不一定是红外发射或红外反射的；因此，可能需要护目镜将可见光转换为红外光。尽管如此，该系统在基础研究方面有着特殊的前景。能够重新引入对死后人类视网膜的光敏感度的工具为研究人类视网膜功能提供了比以前更详细的可能性。这一基本知识对于任何视觉恢复方法都很重要，因为它将揭示需要恢复哪些功能。

也许在不久的将来，盲人可以通过红外看世界，亦或是红外与可见光交互切换！

参考文献：

1.D. Nelidova et al., Restoring light sensitivity using tunable near-infrared sensors. Science 368, 1108

https://doi.org/10.1126/science.aaz5887

2.Katrin Franke, Anna Vlasits. Unblinding with infrared nanosensors. Science 2020

https://doi.org/10.1126/science.abc2294

3.Y. Ma et al., Mammalian Near-Infrared Image Vision through Injectable andSelf-Powered Retinal Nanoantennae. Cell 177, 243 (2019)

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.01.038

4.Shuo Chen, et al. Near-infrared deep brain stimulation via upconversion nanoparticle–mediated optogenetics. Science 2018, 359, 679-684.

https://science.sciencemag.org/content/359/6376/679