Одна инъекция наночастиц позволила слепым мышам снова реагировать на свет
Инъекция светочувствительных наночастиц позволила частично восстановить реакцию на свет у мышей с тяжёлой дегенерацией сетчатки. После введения частиц в глаз учёные зарегистрировали у части животных ответ зрительной коры головного мозга, а некоторые мыши снова начали различать светлую и тёмную среду. Технология не требует генетического изменения клеток или имплантации электронного устройства.
Международная группа исследователей разработала полые сферические наночастицы из графитоподобного нитрида углерода. Авторы вдохновлялись принципом фотосинтеза, при котором энергия света преобразуется в другие формы энергии. Созданный материал реагирует на освещение за счёт сочетания фотоэлектрохимических и фототермических процессов и способен таким образом воздействовать на расположенные рядом клетки.
Возможности материала исследователи сначала проверили на клеточном уровне. Наночастицы могли проникать внутрь клеток, а сфокусированный лазер позволял вызывать локальные изменения концентрации ионов кальция — одного из основных внутриклеточных сигналов. В культурах первичных клеток сердечной мышцы и сердечных фибробластов вызванный светом сигнал распространялся между соседними клетками.
На следующем этапе обычные светодиоды использовали для управления группами клеток сердечной мышцы. В присутствии наночастиц свет позволял задавать и синхронизировать их сокращения. Таким образом, один и тот же материал оказался способен преобразовывать световое воздействие в биологический ответ на уровнях от отдельных клеток до тканей.
Главный эксперимент провели на мышах линии rd10, моделирующей аутосомно-рецессивный пигментный ретинит. При этом наследственном заболевании постепенно разрушаются светочувствительные клетки сетчатки. К возрасту около восьми недель у таких мышей обычно исчезает регистрируемый электроретинографией ответ фоторецепторов на свет.
В эксперименте использовали 12-недельных животных, у которых дегенерация сетчатки уже достигла поздней стадии. Семь мышей получили инъекции светочувствительных наночастиц в оба глаза. Ещё семь животных с дегенерацией сетчатки получили контрольные частицы, а шесть здоровых мышей использовались для сравнения. В каждый глаз вводили один микролитр раствора наночастиц.
Через четыре недели животных поместили в установку с освещённым и тёмным отделениями. Три из семи мышей, получивших светочувствительные наночастицы, проводили более 60% времени в темноте. Такой уровень предпочтения тёмной зоны был сопоставим с поведением части здоровых животных. Мыши из контрольных групп с дегенерацией сетчатки выраженного предпочтения темноты не демонстрировали.
Учёные отдельно проверили, достигает ли вызванный светом сигнал головного мозга. Электроды установили над первичной зрительной корой и измерили зрительные вызванные потенциалы — электрическую активность мозга в ответ на освещение. Воспроизводимые ответы, соответствовавшие заранее установленным критериям, появились в 5 из 14 глаз, обработанных светочувствительными наночастицами. В контрольных группах такие ответы в основном отсутствовали, хотя один обработанный контрольными частицами глаз также соответствовал критериям ответа.
Результат показывает восстановление светочувствительности у части животных, но не полноценного зрения. Эксперимент не продемонстрировал способность мышей различать формы, изображения или другие зрительные объекты. Эффект также проявился не у всех животных, получивших наночастицы.
Исследователи дополнительно проверили технологию на изолированной сетчатке свиньи. Образцы ткани размером примерно 3 × 3 мм обрабатывали наночастицами, после чего воздействовали на них светом. Эксперимент показал, что светодиодное освещение в присутствии материала способно активировать ганглиозные клетки сетчатки — нейроны, передающие зрительную информацию от глаза к мозгу.
Такой подход отличается от оптогенетических методов восстановления светочувствительности, при которых клетки генетически модифицируют, чтобы они производили светочувствительные белки. Наночастицы позволяют воздействовать на сохранившиеся клетки без изменения их генома. Они также не требуют размещения в глазу электронного имплантата с внешним источником питания.
До применения технологии для восстановления зрения у людей предстоит определить продолжительность работы частиц, их долговременную безопасность и эффективность при различных формах дегенерации сетчатки. Текущая работа представляет собой доклиническое исследование на мышах и изолированной ткани свиньи и не показывает, что наночастицы способны восстановить полноценное зрение у человека.
Полученные результаты одновременно демонстрируют более широкий принцип: один светочувствительный наноматериал можно использовать как интерфейс между светом и электрически активными клетками. Помимо сетчатки, исследователи показали управление кальциевыми сигналами внутри клеток и синхронизацию сокращений клеток сердечной мышцы с помощью светодиодного освещения.
Исследование в журнале Nature Biomedical Engineering.