Мыши с теллуровой сетчаткой видят инфракрасный свет

Человеческий глаз лишен фоторецепторов, воспринимающих инфракрасное излучение. Однако зрение в инфракрасном диапазоне могло бы улучшить восприятие пространства при слабом освещении, а также восстановить зрение пациентов с тяжелыми заболеваниями глаз, например, макулярной дегенерацией. Существующие протезы сетчатки, чувствительные к широкому спектру излучения, требуют громоздких вспомогательных устройств, что поднимает вопросы безопасности и практичности их применения на людях. Авторы статьи в Science сообщают о создании нанопротеза сетчатки нового поколения, который вернул слепым мышам возможность ориентироваться на зрение, в том числе в ближнем ИК-диапазоне.

Протез сконструировали из сети теллуровых нанопроволок. Этот оптоэлектронный наноматериал авторы сочли идеально подходящим по трем причинам. Во-первых, архитектуру чередующейся сети из теллуровых нанопроволок можно легко имплантировать для функциональной замены утраченных фоторецепторов. Во-вторых, теллур обладает узкой (около 0,3 эВ) запрещенной энергетической зоной и высоким оптическим поглощением при больших длинах волн и меньшей энергии фотонов. И, наконец, асимметрия зарядов и их взаимодействий в теллуре создает фототоки с нулевым смещением, что устраняет необходимость в каких-либо вспомогательных компонентах.

Для начала авторы измерили фототоки в теллуровой «сетчатке» ex vivo методами электрофизиологии и оптоэлектроники. Они убедились, что устройство считывает и передает сигнал о форме объекта, проецируемого на его поверхность — например, геометрических фигур или рукописных цифр. Важно, что во время работы нанопротез не нагревался.

Затем искусственную теллуровую сетчатку протестировали на животных. Слепым мышам в возрасте 4­–5 месяцев субретинально имплантировали теллуровые нанопроволоки, а после приживления измеряли активность зрительной коры. Устройства прижились хорошо, через 14 дней в области имплантации не было обнаружено кровоизлияний и микрососудистых изменений. Дополнительно авторы подтвердили биосовместимость и низкую иммуногенность имплантов.

Известно, что нейроны зрительной коры синхронизируются в ответ на повторяющиеся вспышки света. Как у контрольных нормальных животных, так и у слепых мышей, которым имплантировали нанопротез, частота ответа нейронов совпадала с частотой стимуляции — это считается оптимальным режимом. Иными словами, электрофизиологический анализ показал, что нанопротез обеспечивал реакцию нейронов зрительной коры в ответ на ближний инфракрасный свет.

Исследователи проверили, разовьются ли у слепых мышей способности к распознаванию образов после имплантации нанопротезов. Для этого животных обучали избирательно прикасаться к светлому треугольнику, выведенному на экран (контролем служил круг, за прикосновение к которому награды не давали). Коэффициент точности — доля испытаний, в которых фигура была выбрана верно, — у слепых мышей с имплантами составил 62,3%, если фигура светилась видимым красным светом и 57,5% в случае ближнего ИК. Не получавшие лечения слепые мыши с заданием не справлялись. Таким образом, искусственная сетчатка из теллуровых нанопроволок не только восстановила световосприятие слепым мышам, но и обеспечила им способность к зрительному различению геометрических узоров.

Наконец, ученые протестировали разработку на более клинически релевантной модели — приматах. Макаку-крабоеду с дегенерацией сетчатки имплантировали теллуровый нанопротез в один глаз, второй оставили контрольным. Спустя 112 дней после операции кровотечения и признаков отторжения не наблюдалось; сосуды сетчатки начали обрастать имплант. Электрофизиологический анализ активности мозга подтвердил, что прооперированный глаз приобрел чувствительность к красному и ближнему инфракрасному свету, причем она начала возникать уже на 19-й день после операции.

Доклиническое испытание на слепых мышах и нечеловекообразных обезьянах показало обнадеживающие результаты. Авторы называют разработку важным шагом к восстановлению зрения слепым пациентам и к расширению спектра человеческого восприятия.

Трансплантация органоида сетчатки восстановила ее дефект у макака

Прицельная стимуляция колбочек позволила пяти добровольцам увидеть новый цвет