Przejdź do głównej zawartości

Nanocząsteczki pozwalające widzieć w ciemnościach, czyli supermoc w zastrzyku

Naukowcy stworzyli nanocząsteczki, które po wstrzyknięciu do oka łączą się z fotoreceptorami i zamieniają promieniowanie podczerwone na światło widzialne. Nanocząsteczki dały myszom zdolność widzenia w podczerwieni (promieniowanie podczerwone jest normalnie niewidoczne zarówno dla myszy, jak i dla ludzi). Szereg testów potwierdził, że uzyskane super-myszy rozpoznają symbole wyświetlane w podczerwieni, przy jednoczesnym zachowaniu prawidłowego widzenia w świetle widzialnym. Tian Xue, lider zespołu naukowców stojących za odkryciem, wskazuje, że jego nanocząsteczki mogą mieć wiele zastosowań, w tym dawać ludziom superwzrok. Widzenie światła podczerwonego umożliwi widzenie w nocy, co może to być szczególnie przydatne w kontekście operacji wojskowych.

Dzięki foto-czułym nanocząsteczkom noktowizory mogą wkrótce odejść do lamusa. 

Widzenie w ciemnościach dzięki nanotechnologii

Zmysł wzroku to wyrafinowany system, dzięki któremu możemy podziwiać piękno otaczającego nas świata. Niestety, tak na prawdę dostrzegamy jedynie niewielki wycinek spektrum elektromagnetycznego. Naszym oczom umykają krótkie fale promieniowania gamma, rentgenowskiego i ultrafioletowego. Nie jesteśmy w stanie zobaczyć także długich fal podczerwonych, mikrofalowych oraz radiowych. Widzimy jedynie to, co znajduje się pomiędzy, czyli tzw. świtało widzialne. Gdy w naszym otoczeniu brak źródeł światła widzialnego, np. w nocy, praktycznie nic nie widzimy.

Ludzkie oko rejestruje jedynie niewielki wycinek spektrum elektromagnetycznego nazywany świtałem widzialnym. Jesteśmy ślepi na fale ultrafioletowe i krótsze oraz na fale podczerwone i dłuższe.

A gdyby tak wyjść poza ograniczenia zmysłu wzroku narzucone przez naturę? Weźmy pod rozwagę podczerwień. Już na początku XX wieku powstały pierwsze urządzenia czułe na promieniowanie podczerwone, który umożliwiały wiedzenie w nocy. Noktowizory, bo o nich mowa, szybko znalazły się na wyposażeniu armii. Z czasem sprzęt noktowizyjny trafił do cywila i dziś każdy może zyskać super moc widzenia w ciemnościach. Oczywiście o ile dysponuje odpowiednio zasobnym portfelem. Dobry noktowizor to wydatek od kilku do nawet kilkunastu tysięcy złotych.


A gdyby tak sprawić, że oko będzie czułe na promieniowanie podczerwone? Wtedy dałoby się widzieć w ciemnościach bez użycia gogli noktowizyjnych! To brzmi nieco jak science-fiction, ale badacze z Chińskiego Uniwersytetu Nauk i Technologii oraz amerykańskiego Uniwersytetu w Massachusetts pokazali, że jest to możliwe. U podstaw przełomowego odkrycia leżą skonstruowane przez badaczy specjalne nanocząsteczki, które pochłaniają promieniowanie podczerwone i emitują światło zielone. Nanocząsteczki zmodyfikowano tak, aby łączyły się z czopkami i pręcikami, światłoczułymi komórkami w oku. Naukowcy potwierdzili, że po wstrzyknięciu do oka ich nanocząsteczki rzeczywiście przyłączają się do czopków i pręcików. U myszy, którym wstrzyknięto do oka takie nanocząsteczki dochodziło do aktywacji kory wzrokowej (regionu mózgu, który odpowiada za przetwarzanie informacji wizualnych) w podpowiedzi na promieniowanie podczerwone. Efekt utrzymywał się do nawet dwóch miesięcy, bez obserwowalnych skutków ubocznych.

Skąd wiadomo na pewno, że myszy, którym podano nanocząsteczki rzeczywiście widziały w podczerwieni? Naukowcy przeprowadzili szereg testów, żeby potwierdzić, że ich myszy zyskały super-wzrok. Pierwszym i najprostszym testem było sprawdzenie odruchu źrenicznego. Źrenice myszy, którym wstrzyknięto nanocząsteczki zwężały się pod wpływem promieni podczerwonych. Zwężania źrenic w podpowiedzi na podczerwień nie zaobserwowano u myszy kontrolnych. Drugi test był nieco bardziej skomplikowany. Wykorzystano w nim fakt, iż myszy to zwierzęta typowo nocne i w związku z tym chętniej przebywają w ciemnych niż w dobrze oświetlonych miejscach. Na czas badania zwierzęta umieszczano w specjalnej klatce składającej się z dwóch przedziałów. W pierwszym panowały kompletne ciemności, drugi był "oświetlany" podczerwienią. Myszy mogły swobodnie przemieszczać się pomiędzy przedziałami, a naukowcy sprawdzali jak dużo czasu zwierzęta spędzą w każdym z nich. Myszy kontrolne, którym nie wstrzyknięto nanocząsteczek umożliwiających widzenie w podczerwieni, spędzały porównywalnie dużo czasu w każdym z przedziałów klatki. Z ich perspektywy w każdym z przedziałów było równie ciemno. Myszy, którym ulepszono wzrok za pomocą nanocząsteczk wyraźnie unikały przedziału z podczerwienią i spędzały więcej czasu w drugim, ciemnym przedziale. Z ich perspektywy w przedziale z podczerwienią było po prostu jasno. Obserwacja ta wskazuje, że nanocząsteczki rzeczywiście pozwalały na wiedzenie światła podczerwonego.

Dzięki nanocząsteczkom wstrzykniętym do oczu myszy zyskały zdolność widzenia w podczerwieni. Czy dałbyś sobie wstrzyknąć takie nanocząsteczki, żeby widzieć w ciemnościach?

Pozostawało jeszcze jedno pytanie. Czy dzięki nanocząsteczkom myszy były w stanie rozróżniać kształty i wzory w świetle podczerwonym? Aby odpowiedzieć na to pytanie naukowcy wykorzystali fakt, że myszy co prawda potrafią pływać, ale jest to dla nich nieprzyjemnie doznanie. Mając na uwadze ową niechęć do pływania badacze stworzyli niezwykle sprytny układ doświadczalny – basen w kształcie litery "V". Na końcu każdej z odnóg basenu znajdował się ekran, na którym badacze wyświetlali symbole w podczerwieni (poziomie lub pionowe linie). Dodatkowo badacze umieszczali tuż pod powierzchnią wody na końcu jednego z ramion platformę, na której myszy mogły stanąć i zakończyć pływanie. Platforma trafiała losowo do lewej lub prawej odnogi basenu. Odnogę basenu z platformą oznaczano podczerwonymi liniami poziomymi. Odnogę bez platformy podczerwonymi liniami pionowymi. Myszy umieszczano w basenie w miejscu rozgałęzienia (u podstawy litery "V"). Zwykłe myszy nie widziały symboli w podczerwieni i wpływały losowo do lewej lub prawej odnogi basenu. Myszy z nanocząsteczkami szybko nauczyły się, że poziome linie oznaczają obecność platformy dającej wytchnienie od pływania i po pewnym czasie zawsze wybierały odnogę oznaczoną symbolem platformy widocznym tylko w podczerwieni. W ten sposób badacze uzyskali potwierdzenie, że ich nanotechnologia pozwala na postrzeganie wzorów w świetle podczerwonym. Xue, przywołany we wstępie kierownik grupy badawczej, stwierdził, że myszy z super-wzrokiem w pewnym momencie wydały się odrobinę przerażające. "Pokazujesz myszom różne wzory, których nie widzisz – dla ciebie to tylko pusty ekran. Ale mysz wszystko widzi i wybiera odpowiednią odnogę."

Czy ty chciałbyś zyskać super-wzrok i widzieć w ciemnościach? Czy dałbyś sobie wstrzyknąć cokolwiek do oka? To nie jest takie straszne jak może się wydawać. Wiele leków okulistycznych podaje się w formie zastrzyku do oka. To standardowa procedura okulistyczna...

Źródła:
1. Night-vision ‘super-mice’ created using light-converting nanoparticles. Nature. 2019.
2. Mammalian Near-Infrared Image Vision through Injectable and Self-Powered Retinal Nanoantennae. Cell. 2019.






















Komentarze

Najczęściej czytane

Witamina D – ile tak naprawdę jej potrzebujesz oraz jak ją dostarczyć?

Już w pierwszej połowie XIX wieku odkryto, że ekspozycja na działanie promieni słonecznych jest skutecznym sposobem leczenia krzywicy, choroby wieku dziecięcego charakteryzującej się zaburzeniami we wzroście kości i ich zniekształceniem. Na początku XX wiedziano, że przyczyną krzywicy mogą być niedobory jakiejś substancji rozpuszczalnej w tłuszczach. W latach trzydziestych XX wieku zidentyfikowano tę substancję i nazwano ją witaminą D.


Dziś bardzo dobrze rozumiemy, że witamina D jest niezbędna do zachowania zdrowych kości ze względu na jej kluczowe znaczenia dla absorpcji wapnia, ich kluczowego składnika budulcowego. Dobrze wiemy także, że witamina D powstaje w sposób naturalny w skórze pod wpływem promieniowania słonecznego z zakresu UV-B. W optymalnych warunkach synteza skórna zaspokaja ok. 80% zapotrzebowania organizmu na witaminę D. Pozostałe 20% można skutecznie dostarczyć wraz z pożywieniem.


Niestety współczesna dieta staje się coraz bardziej uboga w pokarmy zawierające dużo wit…

Kolejny popularny suplement diety okazuje się bezużyteczny

Opublikowano właśnie wyniki dużej analizy dotyczącej wpływu kwasów omega-3 na zachorowalność na choroby układu sercowo-naczyniowego. W oparciu o wysokiej jakości dane badacze stwierdzili, że przyjmowanie suplementów diety zawierających kwasy omega-3 nie jest źródłem żadnych istotnych korzyści zdrowotnych – zwiększone przyjmowanie kwasów omega-3 nie zmniejsza zachorowalności na choroby serca oraz nie wpływa istotnie na długość życia.

Powszechne przekonania Niewielkie ilości kwasów tłuszczowych omega-3 są niezbędne do utrzymania zdrowia. Organizm wykorzystuje je chociażby do tworzenia elementów strukturalnych błon komórkowych. Główne kwasy tłuszczowe z grupy omega-3 ważne z perspektywy zdrowia człowieka to kwas α-linolenowy (ALA), kwas eikozapentaenowy (EPA) oraz kwas dokozaheksaenowy (DHA). Nasz organizm nie potrafi wyprodukować od zera żadnego z nich, dlatego musimy dostarczać je razem z pożywieniem (a przynajmniej ALA, ponieważ jesteśmy w stanie przekształcić go do EPA i DHA). ALA to…

Sztuczna inteligencja uczy się czytać w Twoich myślach (i jest już w tym całkiem dobra)

Odkrycia ostatniej dekady pokazują, że stosując odpowiednio zaawansowane techniki badawcze można bezinwazyjnie pozyskać informacje o aktywności wybranych rejonów mózgu (np.: kory wzrokowej), a następnie za pomocą algorytmów sztucznej inteligencji zrekonstruować bodźce (np.: wzrokowe), które były źródłem wspomnianej aktywności mózgowej. Może brzmi to nieco skomplikowanie, ale interpretacja jest dosyć prosta: science-fiction stało się rzeczywistością – czytanie w myślach jest możliwe. Do całego procederu niezbędne są dwie rzeczy: aparat do funkcjonalnego obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (w skrócie fMRI, z ang. functional magnetic resonance imaging) oraz dobrze wytrenowane algorytmy sztucznej inteligencji (w skrócie AI, z ang. artificial intelligence).

Za pomocą fMRI naukowcy są w stanie tworzyć trójwymiarowe mapy aktywności mózgu i precyzyjnie określać, które rejony mózgu ulegają aktywacji w danym momencie. Jest to możliwe, ponieważ aktywne neurony mają wysokie zapotrzebowanie…

Jakie jest ryzyko, że będziesz miał zawał serca lub udar mózgu?

Istnieje szereg czynników, które predysponują do wystąpienia zawału serca lub udaru mózgu. Zbierając dane pochodzące od bardzo wielu pacjentów lekarze i naukowcy są wstanie oszacować ryzyko związane z wiekiem, parametrami krwi, chorobami współwystępującymi i stylem życia a występowaniem chorób układu krążenia. Do tej pory poznano ponad dwadzieścia różnych czynników w istotny sposób zwiększających prawdopodobieństwo wystąpienia chorób układu krążenia. Aby ułatwić pracę lekarzom stworzono specjalne algorytmy, które pozwalają oszacować ryzyko wystąpienia chorób układu krążenia u badanego pacjenta. Jednym z najpopularniejszych algorytmów tego typu jest rozwijany nieprzerwanie od 2007 roku brytyjski QRISK, z którego każdy pacjent może bezpłatnie skorzystać poprzez aplikację on-line.


QRISK podaje jakie jest ryzyko zapadnięcia na którąś z chorób układu krążenia w perspektywie 10 najbliższych lat. Do chorób układu krążenia należą m.in.:
udar mózgu,zawał serca (zawał mięśnia sercowego),przemija…