赤外線での「マウス騒ぎ」：マウスの目の網膜下領域へのナノ粒子の導入

私たちを取り巻く世界には、さまざまな形の情報があふれています。 どこにいても構いません。屋内でも屋外でも、都市でも、フィールドの中央でも、熱帯地方でも、雪のツンドラでも。 いつでもどこでも、脳は何らかの情報を受け取ります。 それ自体では、この体は、誇張されている場合、環境についてあなたに知らせることに関しては役に立たない。 彼を助けるために、感覚器官（目、耳、舌、鼻、皮膚）があります。 しかし、すべての情報からはほど遠いものであり、特に赤外線は、目には見えません。 少なくとも以前はそうでした。 今日、私たちはあなたに、ナノテクノロジーを通して近距離場からの赤外線放射を見る能力を普通のマウスに与えた研究に会います。 科学者はこれをどのように達成し、「改善」後のマウスはどのように感じましたか？また、この発見の人間への展望はどうですか？ 私たちは、研究グループの報告書でこれらの質問や他の質問に対する答えを探します。 行こう

研究の基礎

惑星地球の住人の中で、人間のビジョンは最高ではありませんが、最悪ではありません。 特定の制限があると言う方が正しいでしょう。 「可視光」、つまり400〜700 nmの範囲の放射線を知覚できます。 ただし、近距離場の赤外線（NIR）は700 nmの上限を超えています。



少し深く掘り下げると、問題は哺乳類の目の構造、つまりあなたと私にあります。 目の光受容体-網膜の感光性感覚ニューロンがあります。 細胞の中にはオプシン*とロドプシン*があり 、これらは光の知覚、つまり視覚において最も重要な役割を果たします。

オプシン* -網膜の光感受性細胞にあるGタンパク質に関連する受容体。

ロドプシン*は、網膜のrod体に含まれる主要な視覚色素であるタンパク質です。

受容体のこのグループ全体は、光、つまり光子を捕捉することを目的としています。 しかし、NIR放射では、すべてがはるかに複雑です。 NIRの場合、光子のエネルギーは低くなります。 したがって、そのような光子を知覚するには、オプシンのエネルギー障壁を低くする必要があります。 それ以外の場合、強い熱ノイズのみがあります。 言い換えれば、哺乳類の光受容体は、物理的に700 nm以上の光放射、特にNIR放射を物理的に「拾い上げる」ことができません。



しかし、あなたと私は、真の生理学的制限が真の科学者を止めることはできないことを知っています。 受光体の問題を解決するには、ナノ粒子の形で補助剤を提供します。ナノ粒子は、天然の細胞（臓器、システムなど）がアクセスできない機能を実行します。 これは、科学者が研究で行ったことです。 彼らは、組み込みの自律的な光放射源を備えた特別なナノ粒子を開発しました。これにより、哺乳類（この場合はマウス）の視覚スペクトルの範囲を広げることができます。 科学者は、pbUCNPナノ粒子（網膜光受容体結合アップコンバージョンナノ粒子）がエネルギーコンバーターの一種であることを説明します。 それらは、近赤外線を短波長の可視光線に変換します。



マウスの目の「修正」は、リン酸ナトリウム緩衝液で希釈されたナノ粒子の網膜下注射（網膜下）によって行われました。 マウス脳の視覚皮質からの網膜電図*および視覚誘発電位のデータ*の使用は、赤外線の形で外部刺激にさらされたときに網膜と視覚皮質が非常に活発であるという事実を確立するのに役立ちました。 簡単に言えば、pbUCNPナノ粒子が埋め込まれたマウスはNIR放射線に反応しました。

誘発電位* -外部刺激に対する臓器の電気的反応。

網膜電図* -光刺激から生じる生体電位の登録による網膜の状態の研究。

また、上記の声明を確認する行動テストも実施されました。 さらに、科学者はナノ粒子とマウス生物の生体適合性をテストしましたが、わずかな副作用しか示されませんでした。 テスト、テスト、およびデータ分析の結果については少し後で説明しますが、今のところ、これらの驚くべきナノ粒子の構成に慣れる必要があります。

PbUCNPの構造

ナノ粒子の主な目的は、赤外光（700 nm以上）を可視光に変換することでした。 人間の目は波長550 nmの可視光に最も敏感であることを考慮して、UCNPのいわゆる変換（またはアップコンバージョン）ナノ粒子（ 1Aおよび1B ）が作成されました。



光子について話す場合、アップコンバージョンとは、より低いエネルギー、つまり大きな波長のいくつかの光子を、より高いエネルギー、すなわちより大きな光子に変換するプロセスです。 短波長で。 そして、哺乳類の目の光受容体の特性を考えると、まさにこれが必要なものです。





イメージNo. 1



これらのナノ粒子は、980 nm（ 1Cおよび1D ）の光にさらされた場合、980 nmの励起スペクトルのピークと535 nmの放射のピークを示しました。



科学者は水溶性ナノ粒子を得るために、タンパク質コンカナバリンA（ConA）をpaaUCNP粒子の表面に適用しました。つまり、ポリアクリル酸でコーティングしました（ 1E ）。 ConAの使用は、このタンパク質が糖残基および光受容体の外側セグメントの誘導体に完全に結合し、 グリコシド結合*をもたらすという事実によって正当化されます。

グリコシド結合*は、糖分子と別の分子との間の共有結合です。

UCNPの表面でのConAの実装の成功を検証する必要がありました。 これを行うために、科学者たちは、光受容体の外側セグメントと同じグルコース単位を持つpbUCNPを使用して、溶液にb-シクロデキストリンを加えました。 この結果、ConAb-シクロデキストリンの凝集（会合）が起こりました（画像1Gの TEM画像）。



したがって、このような観察により、pbUCNPがマウス視細胞の表面にうまく付着できることが確認されます。



1H TEM画像では、この組み合わせにはConAタンパク質が存在しないため、b-シクロデキストリンを添加してもpbUCNPは単分散性を保持していることがわかります。 このようなpbUCNPをマウスの目の網膜下領域（ 1F ）に導入すると、ナノ粒子が互いに結合し、錐体とand体（ 1J 、 1K、および1L ）の内側と外側の両方と密接な関係を形成しました。 したがって、特徴的なアップコンバージョンスペクトルを持つナノ粒子の層が形成されました（ 1Iの左側の画像）。



paaUCNP粒子をマウスの目の網膜下領域に導入すると、非常に脆弱な結合が形成されるため、光受容体から簡単に除去できます（ 1Iの右側の画像）。



生体適合性試験では、重大な異常は示されませんでした。 テストのために、リン酸ナトリウムバッファーの単純な溶液（ナノ粒子なし）もマウスの目の網膜下領域に注入しました-違いは見つかりませんでした。 検出されたこれらの副作用は、網膜下注射自体に関連しており、手術後2週間以内に完全に消失しました。



網膜の完全性と健康な数の視細胞を確認すると、各目に50 mgのpbUCNPを導入しても、負の変化は観察されないことが示されました。 つまり、網膜の層の構造は劣化しません（これは画像2Aおよび2Bで見ることができます）。





イメージNo. 2



科学者は、Iba1ミクログリアマーカーを使用して、ラットの網膜の炎症プロセスをチェックすることも決定しました。 分析により、pbUCNPの注射後1、2、4、10週目に網膜の軽度の炎症が示されました（ 2Cおよび2E ）。



さらに、注射後の網膜細胞のアポトーシス（崩壊）を、ターミナルデオキシヌクレオチジルトランスフェラーゼ（TUNEL）で標識することによりテストしました。 TUNELシグナルは、pbUCNPと純粋なリン酸ナトリウムバッファー（ 2D ）の両方を注入してからわずか3日後に検出されました。 注射後1、2、4、10週目に、TUNEL症状は検出されませんでした（ 2E ）。



上記の分析の結果を要約すると、科学者は明白な結論に達しました-pbUCNPは目の網膜下領域への注入手順によってのみ引き起こされる特定の副作用を除いて、被験者（マウス）の身体を傷つけません。



pbUCNPとは何か、そしてそれが実験マウスの健康にどのように影響するかがわかったので、pbUCNPナノ粒子の操作性の実際的なテストの結果を検討することに進むことができます。

調査結果

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赤外線に対する光受容体の反応をテストするために、網膜からのrod体のサンプルを、ナノ粒子を注射したマウスとそれを持たないマウスで採取しました（ 3A ）。



pbUCNPを注射したマウスのスティックは、注射なしのマウス（注射なし-3Bおよび注射あり-3D）とは対照的に、535 nmの可視光によって引き起こされる通常の光電流を示しました。



980 nmの閃光にさらされたとき、応答はpbUCNPをもつマウスのrod体からのみ得られ（ 3E ）、通常のマウスのrod体はまったく反応しませんでした（ 3C ）。 また、535 nmおよび980 nm（ 3F 、 3Gおよび3H ）の光にさらされたときの、pbUCNPを有するマウスのrod体における光電流の振幅と動態の強い類似性に注目する価値があります。 そして、時間とピークの比率は、赤外線にさらされたときにロッドの活性化に遅延がなかったことを示唆しています。 また、通常の可視光の場合と同様に、スティック（注入後）が赤外線にすばやく適応することも明らかになりました。



注射ありとなしのマウスの網膜電図（ERG）も、980 nmの赤外線放射に対する反応を確認しました。 pbUCNPを使用したマウスのERG結果は、可視光（535 nm）にさらしたときの結果と非常によく似ていました。 対照群のマウス（ナノ粒子なし）には反応がありませんでした。



さらに、科学者はスティックのないマウスでテストを実施しました。 このテストは、pbUCNPナノ粒子への曝露による980 nmの放射による円錐の活性化を示しました。



実験室でのテストを実施した後、科学者はいわば実際のテストに移りました。 つまり、彼らは特別な条件での注射の有無にかかわらず、マウスの行動を個人的に観察することにしました。





イメージNo.4



実際の実験では、2つのボックスを使用しました。暗く、可視および赤外線範囲（ 4Cおよび4D ）の放射線で照らされています。 実験の2番目のバージョンは、光刺激とそれによって引き起こされる恐怖感の関係に基づいています（ 4Eおよび4F ）。 そして、各実験についてさらに詳しく説明します。



最初のテストでは、可視光で照らされた暗い箱と暗い箱で、マウスは自然に暗い場所にいることを好みました。 可視光は、波長980 nmのLEDに置き換えられました。 このバージョンでは、ナノ粒子を注入したマウスは、いわば生来の本能に従って、明るい箱ではなく暗い箱を選択し続けました。 しかし、対照群のマウス（注射なし）は、文字通り赤外線を知覚しなかったため、2つのボックス（暗く、980 nmの光）の間に違いは見られませんでした。



2番目の実験は、マウスのさらに意図的な動作の研究に関連していました。 準備段階で、両方のグループのマウスは、535 nmの光（可視光）で20秒照射した後、2秒間のわずかな電気ショック（ 4E ）が続くという事実について訓練されました。 このような刺激物に反応して、マウスの完全に自然な反応- しびれ*が続きます。

しびれ反応* -動物のいくつかの種では、通常は獲物ですが、保護メカニズムがあります（いわば、最後のチャンスです）。 捕食者がすでに彼らを攻撃している場合、彼らは「死んでいるふり」（numb）をすることができ、それによって攻撃者を混乱させ、適切な瞬間を捉えて脱出することができます。





危険な場合のマウスの反応（numb、hide、またはtailを積極的に振る）。

実際のテスト段階では、535 nmと980 nmの両方で発光が適用されました。 その結果、pbUCNPを注射したマウスは、感電を予測したため、両方のタイプの光暴露で麻痺反応を示しました。 しかし、ナノ粒子を持たないマウスは赤外線にまったく反応しませんでした。 そして、これは彼らが準備中にそれを知覚しなかったため、目に見えない放射線をショックでつなげることができなかったことを示唆しています。 対照群のマウスは、可視範囲の光のみに反応しました。 図4Fは、コントロールグループのマウスと注射マウスでのこのテストの結果の比較を示しています。



これらの実地試験により、pbUCNPをもつマウスは赤外線を知覚するという事実が確認されましたが、本当の意味でこの範囲を本当に見ることができますか？ この質問への答えを得るために、科学者は別のテストを実施しました-VEP、すなわち 視覚誘発電位（ 5A ）。 このために、マウス脳の視覚野の6つの領域に電極を設置しました（単眼領域ではNo. 1、2、3、5、両眼領域ではNo. 6）。





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目が可視光（535 nm）にさらされると、すべてのマウス（ナノ粒子の有無にかかわらず）の視覚野のすべての領域で反応が観察されました（ 5Bおよび5D ）。 しかし、980 nmの光の下で、マウスは以前のテストのように2つのグループに分けられました。 注射したマウスでは、視覚野の両眼領域でVEPが検出されました（ 5Cおよび5E ）。 制御グループでVEPは検出されませんでした。 両眼領域でのVEPの発現は、注射部位（側頭）と一致していることに注意してください。



この「マウス騒ぎ」は終わっていません。 次のテストは、pbUCNPマウスを赤外線で誘導する「Y」（ 6A ）の形の水迷路を使用した、より実用的なテストでした。





画像No.6



準備中に、マウスは迷路を通る2つのルートの1つに接続された隠されたプラットフォームを見つけるように訓練されました。 合計で、科学者は異なる視覚刺激と光放射で5つのテストバリアントを作成しました。



最初のバージョンでは、動きの方向を示すバンドの位置である光格子（ 6B ）がありました。 ナノ粒子をもつマウスは、バンドの方向（垂直または水平）を区別することに成功し、980 nmの光放射にさらされたときに完全に見えました。 対照群はプラットフォームをランダムな順序で選択しました。つまり、赤外線スペクトル（ 6C ）で見ることができないため、プラットフォームを互いに区別できませんでした。 可視光を使用したテスト（トレーニング中など）では、マウスの両方のグループがタスクを正常に完了しました。



波数（空間周波数）の測定により、注射したマウスでは、これは可視光で0.31±0.04であることが示されました。 対照群のマウスでは、この指標は0.35±0.02です。つまり、被験者の2つのグループ間に特別な違いはありません。 したがって、網膜へのナノ粒子の導入は、マウスが可視光を知覚する方法に影響しませんでした。 pbUCNPを有するマウスの赤外線放射の場合、上記の指標は0.14±0.06でした。 科学者は、空間周波数のこの減少は、等方性放射と、赤外線によって励起されたナノ粒子（ 6D ）からの可視光の散乱に起因すると考えています。



テストの2番目のバージョンでは、科学者は可視範囲の放射が赤外線光子放射の知覚を妨げるかどうかを確認することにしました。 2つのプレートは、互いに垂直な可視（535 nm）および赤外線（980 nm）のLEDアレイで作成されました。 すべてのLEDが消灯すると、両方のプレートが可視光の背景（ 6E ）に対して同一に見えました。



準備中、テストチャンバーでは照明（可視光、196ルクス）と980 nmのLEDのみがオンになりました。 実際のテストでは、注射マウスのみがプレートを正常に認識できました（ 6F ）。 これは、可視光のバックグラウンド放射のために、赤外線の知覚がどのような方法でも低下しなかったことを示唆しています。 535 nmのLEDだけがオンになった場合、マウスの両方のグループは、予想どおり、良い結果を示しました。



次のテストは、三角形と円の認識（ 6G ）です。 pbUCNPを使用したマウスは、テストチャンバーが消灯しているとき、つまり暗闇（ 6H ）で可視光と赤外光の図をうまく区別しました。 対照群は、可視光から数字のみを検出できました。



その後、別の変数がタスクに追加されました-背景光ですが、以前のように見えませんが、赤外線です。 pbUCNPを有するマウスは、赤外線放射の背景にある赤外線/可視光の数字を依然として区別することに成功しています。



最終テストでは、科学者は注射マウスが赤外線と可視範囲の数値を同時に見ることができるかどうかを調べることにしました。 このテストでは、円と三角形が同時に描かれたプラットフォームを備えた水迷路がありました。 準備中、可視光の三角形のみがアクティブでした。 しかし、テスト中に、ランダムシーケンス（6I）に三角形と円（980 nm）がありました。 予想どおり、pbUCNPマウスは数字によって非常に区別されました（6J）。 両方のグループのテストマウスでこのテストの結果を検証したところ、コントロールグループとは対照的に、注射マウスが偶然ではなく特定のプラットフォームを選択したことが確認されました。 したがって、pbUCNPの注入により、マウスは赤外線と可視範囲の両方の物体を同時に見ることができると結論付けることができます。



この研究のニュアンスをさらに詳しく知りたい場合は、科学者のレポートと追加資料を参照することを強くお勧めします。

エピローグ

このような研究は、ナノテクノロジーを非常に異なる方向に適用できるという優れた証拠です。 もちろん、それらの可能性が無限にあると言うことはまだ非常に早いですが、ナノテクノロジーを使用する新しい方法が日々増えています。 この特定のケースでは、マウスに赤外線ビジョンを提示するためのナノ粒子の使用は、興味深い実験であるだけでなく、生体系に導入された改善のユニークな機能の確認でもあります。 科学者自身は、医学やその他の分野での開発の応用に関する注目の声明を出す準備がまだできていませんが、上記のナノ粒子を改善し、おそらくそれらに新しい特性を付与することを目的として研究を続けます。



技術の不完全性だけでなく、多くの公人がすでに求めている多くの倫理的問題のために、人が身体を改善し変化させるために拡大を広く使用することはすぐには起こりません。 人は体を変えることができますか？ 許容可能な増強の境界はどこですか？ これは、社会の社会階級層別化にどのように影響しますか？ これは、すでに紛争の世界で新たな紛争を引き起こしますか？ このような質問のリストは継続できますが、誰もまだ明確な答えを出していません（Deus Exシリーズのゲームはカウントされません）。 おそらく、「時間を告げる」という原則がここに完全に当てはまります。





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