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斯坦福研究员探索下一代人造视网膜,实现比人眼更强的感光度和灵敏度

生辉

作者|赵佳雯  来源|生辉(ID:SciPhi)

人的眼睛就像一台精妙的摄像机:可见光通过晶状体进入我们的眼球并聚焦到眼球底部的视网膜,然后被光感受器转换成生物电信号,神经节细胞把电信号传递到大脑中枢,经过相应脑区的解析处理,就形成了视觉信息,让大脑 “看见” 了光。

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图|视网膜(来源:Wiktionary)

在这一过程中,光感受器受光照射产生电信号启动了视觉过程,但由于光感受器不能自行修复,一旦损伤或退变(如常见的黄斑变性)很容易导致失明。目前,此类疾病还没有良好的治疗方法,用人工方法恢复视网膜的感光能力是神经科学和临床医学面临的巨大挑战。

人工光感受器是近年来的研究热点,科学界一直在探索用人工方法恢复视网膜的感光能力。但现有的一些产品设计太复杂,所使用的有机导电材料空间分辨率有限。同时,为了产生并传导信号,它们通常需要植入一个额外的微电子处理器,这限制了人工光感受器在体内的应用。

“如果能打破这一限制,无疑能拓展人工光感受器的应用前景。如果我们能够不借助复杂的设备,直接用肉眼看到,显然会更有利、更便捷,这是我们研究的初衷。” 斯坦福大学研究员唐静对《麻省理工科技评论》中国说。

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(来源:Nature Communication)

唐静在复旦大学读博期间开始了人工光感受器的研究项目,到发表在《自然・通讯》杂志上历经了近六年时间。2018 年,唐静与其研究团队研发了经金纳米颗粒修饰的二氧化钛纳米线阵列的新型人工光感受器,这一阵列让失明小鼠的视网膜中所存留的神经节细胞恢复对绿色、蓝色和近紫外光的反应,其对光的敏感度和空间分辨率均接近正常小鼠。小鼠视觉中枢的神经元恢复了对光的反应,瞳孔光反射同样有改善,这表明失明小鼠的视觉得已恢复。这一突破性发现也是世界上首次将纳米线阵列用于可植入性人造视网膜。

这一成果为黄斑变性等疾病的治疗提供了一条新途径,基于这项技术来研发的新一代可植入性人工光感受器,有望帮助病患恢复视觉,盲人复明未来可期。

凭借上述研究成果,唐静成功入选 《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”(Innovators Under 35)2020 年中国区榜单。

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图|《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人” 2020 年中国区榜单入选者唐静

或可实现比人眼更强的感光度和灵敏度

所谓人工视网膜,实际上就是打造一个视网膜假体,通过一系列光电信号转化并将信号传递给视神经,最后传导入大脑。

“当然这只是一个假设,使之实现的关键在于所使用的材料能不能有效地和眼部感光细胞结合,并且转化的光能不能激活感光细胞,所以我们就开始合作研发这种可配合眼睛现有结构应用的纳米技术。” 唐静说。

在选择材料的过程中,唐静发现很多材料虽然可以在体外和体内激发感光细胞,但是敏感度不够高。这些纳米材料进入到小鼠眼睛后也很容易出现生物相容性和稳定性好坏的情况。

受光感受器中视锥细胞和视杆细胞结构和功能的启发,唐静研发了经金纳米颗粒修饰的二氧化钛纳米线阵列的人工光感受器。改造后的材料感受灵敏度提高了至少一个数量级,与人类视网膜感光细胞的灵敏度相当。

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图|比较缺失光感受器的视网膜与植入二氧化钛纳米线阵列人工光感受器的对比(来源:Nature Communication)

唐静强调,除了在结构上与人的光感受器相似外,这款人造视网膜的纳米线阵列密度比人类视网膜的光感受器密度高得多,因此有可能实现更高的空间分辨率,具有比人眼更强的感光度和灵敏度。在空间维度上,新材料能达到的分辨率优于 100 微米,该人造视网膜的部分感觉能力可与生物眼睛相媲美。

唐静坦言,尽管这项技术目前完成了在小鼠上的测试,但离真正临床应用还有距离,还需解决在增强微弱光和红光环境下材料的光反应问题,以及进行临床安全和功能测试。

距离论文发表已过去两年时间,唐静对《麻省理工科技评论》中国表示,目前研究团队正在用一种生物相容性好的药物释放载体来尝试治疗视网膜退行性疾病,可结合外界的刺激,如光、电、磁和超声来控制药物的缓慢释放。

“上述应用已经准备在大动物模型上尝试展开。当然,这些还需要进行大量的基础研究和实验来验证。还要依据于我们需要应用的不同场景,选取不同的合适的生物材料和光电材料。” 唐静说。

此外,在之前的论文中报道了人工视网膜可在盲小鼠身上实现至少半年有效期,但在后来的工作中发现,二氧化钛纳米线阵列可以在盲小鼠实验中有效工作至少一年以上的时间,并发挥作用。此类技术将来有望应用于人类患者,为罹患视网膜退行性疾病的患者带来新的治疗方案。

做科研像 “少林练武功”

回顾自己的科研经历,唐静的回忆飘回 2013 年。

“2013 年夏天到冬天,我从早到晚都在学习如何从胎鼠的大脑里取出海马神经元,在动物房一待就是好几个小时。每次我在显微镜下看到香蕉状的海马体都很开心,然后在处理的材料上养上新的海马神经元,每当我看到海马神经元在材料上长得很健康,那一刻非常激动人心和兴奋。” 唐静对《麻省理工科技评论》中国说。

唐静在复旦大学郑耿锋教授课题组攻读博士学位,在这里,她接受了系统的科研训练和受益终身的科研思维,学会了提出一个新的想法、思考问题、解决难题、发表高水平论文的科研全过程。

在斯坦福博士后的科研训练中,唐静深受导师崔屹教授的影响。崔屹教授是斯坦福大学 Precourt 能源研究中心主任、《纳米学报》(《Nano Letters》)执行主编、美国科学促进会会士、美国材料学会会士、英国皇家化学学会会士,他教导唐静,“做科研更像 ‘少林练武功’,需要不断修炼自己的‘内功’,踏踏实实深入在这个领域里,要享受做科研的过程,练就‘十八般武艺’在身,才能‘指哪打哪’。”

目前,唐静仍在斯坦福做科研,未来,唐静希望能够在大学里当一名教授,在教书育人的同时继续做喜欢的科研。“如果我做大学教师的话,我希望能给本科生教一些基础课程,通过科普启发他们对科研的兴趣,如果将来能够从事科研,我会感到很欣慰。另外,我也能从年轻人身上学到新的东西和启发,推动我做更多更原创的的研究,如果能将技术转化成产品,那就更值得欣喜了。”

编者按:本文转载自微信公众号:生辉(ID:SciPhi),作者:赵佳雯


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