中国科大薛天教授研究实现哺乳动物红外视觉丨CellPress对话科学家

人类和其他哺乳动物仅能看到一定波长范围的光，即可见光，这一范围包括组成彩虹中各种颜色光的波长。但实际上，自然环境中我们身边还充满了波长更长的红外光。人、动物和所有物体在散发热量时都会发出红外光，也能反射红外光。

近日，由中国科学技术大学的薛天和鲍进以及美国麻省大学医学院的韩纲领导的多学科研究小组通过结合视觉生物医学技术，开发了一种可配合眼睛现有感光结构的纳米技术。基于此撰写的研究论文Mammalian Near-Infrared Image Vision through Injectable and Self-Powered Retinal Nanoantennae于北京时间3月1日在线发表在Cell Press细胞出版社期刊Cell上。

针对该论文的主要亮点，以及这项技术的应用前景等问题，Cell Press邀请薛天教授接受了专访。

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在这项研究中，科学家们制造出的纳米颗粒像是微小的红外光传感器，可以紧密地附着于光感受器细胞上。当红外光照射到视网膜时，这些纳米颗粒能够捕获较长波长的红外光，并发射出在可见光范围内的较短波长的光；附近的视杆细胞或视锥细胞吸收这些较短波长的光，并向大脑发送光诱发的神经电信号，就如同可见光直接照射到视网膜时一样。

实验证明，这种技术可以增强小鼠视觉能力，使其同时看到红外与可见光。仅一次眼部纳米颗粒注射就可以赋予小鼠超过10周的红外视觉能力，并且没有明显的副作用。获得红外视觉的小鼠即使在白天也可以看到红外光，而且其红外视觉分辨率足以区分不同的图形。

目前的红外技术依赖探测器和摄像头，经常受环境日光干扰，并需要外部电源。研究人员认为，这种可整合到生物系统的纳米技术更适用于民用加密、安全以及军事活动的潜在红外探测应用。

关于薛天教授

薛天，男，1977年出生，博士，中国科学技术大学生命科学与医学部执行部长，生命科学学院教授、博导、执行院长，微尺度物质科学国家研究中心“神经环路与脑认知部”主任。国家自然科学基金委优秀青年基金获得者，科技部国家重大科学研究计划青年973项目首席科学家，中科院脑科学卓越中心青年骨干，2014年获国际研究资助组织Human Frontier Science Program (HFSP) Young Investigator Grants。担任教育部高等学校生物技术与生物工程类专业教学指导委员会委员；中国生理学会常务理事；中国细胞生物学学会理事等。长期从事视觉神经生物医学研究，包括视网膜光信号转导、神经环路以及视觉再生修复等方面研究。至今共发表SCI论文30余篇，多篇通讯作者论文发表在Nature、Cell等学术期刊，引用3000余次。

作者专访

Cell Press：您能否和我们谈谈最初您的团队是如何想到通过给小鼠眼中注射纳米颗粒来提升视觉能力的？

薛天教授：人类自然视觉感知到的可见光，仅占电磁波频谱很小的一部分，比可见光波长更长或更短的电磁波携带着大量环境信息。但是我们看不到超过700纳米的红外线，这是我们眼部的感光蛋白的化学物理特性所决定的。这也是为什么我们发明出红外夜视仪，红外探测器等等装备来帮助我们检测红外线。那么，如果我们能够不借助复杂的设备直接肉眼看到显然会更有利，更便捷，这是我们研究的初衷。

这项工作联合了研究团队中擅长生物纳米材料制备的的材料科学家韩纲教授，他们可以制备一种上转换纳米材料——它可以将长波长的光吸收之后转换成短波长的光。我就想到是否可以利用这种方式来将红外线转化成可见光，那么我们就能够直接看到了。当然这只是一个假设，使之实现的关键在于这种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。

Cell Press：整个研究过程是否顺利？技术难点在哪里？

薛天教授：其实从开始这个研究项目到在Cell期刊上发表大概历经了接近五年的时间。有了研究想法之后，其中一个难点就是常规上转换纳米材料有很多种类型，我们要选择一个合适小鼠眼睛看到的波长的光线的纳米材料。我们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，并不能达到通过常规低能量红外LED光源就能让小鼠看到的程度。这些纳米材料进入到小鼠眼睛后也很容易出现分布不均的情况。我们就通过改造让这种纳米材料能够很好地结合到感光细胞的表面，形成一层均匀附着在感光细胞上的纳米材料。改造后的红外光感受灵敏度提高了至少一个数量级，这样就达到了我们的预期的可使用的范围。后续我们也通过结合很多种视觉神经生物学技术方法去检测，解决了很多其他的难点。

Cell Press：论文指出，这项研究成果将有望促进人类红外视觉技术的进步，还有可能将其应用于民用加密、安全以及军事领域，能否详细举例说明？

薛天教授：我讲几个可能性：最直接的就是我们可以实现裸眼的红外视觉，有望取代我们目前使用的红外夜视仪。因此，在民用安全和军事方面的应用潜力很显而易见，比如说当你需要看到一些图像，但是不能够有可见光暴露时。

那么在一些眼科疾病治疗方面，我们已经在尝试的一个应用就是对于色盲患者视觉波普缺陷的修复，特别是红色色盲。另外，因为这种纳米颗粒的生物相容性特别好，可以存在于视网膜较长的时间。我们准备将其改造为药物释放载体，并且因为眼球是透光的，我们甚至可以用光控制药物的缓释。

Cell Press：考虑到目前这种“超视觉”能力在小鼠身上实现的10周有效期，将来在真正投入应用时是否还有提升空间？

薛天教授：应该是可以实现的，我们在论文中只报道了10周的有效期，但我们后来的工作发现其实这些纳米颗粒可以在小鼠眼球中存在半年以上的时间，并发挥作用。

Cell Press：被注射进眼球的纳米颗粒是否通过机体代谢掉？

薛天教授：我们最开始进行这项研究时的目标是让纳米颗粒长时间地存在于眼球里，所以没有采用可生物降解的材料。如果设计成可生物降解的材料，就能够被视网膜后的色素上皮细胞吞噬并被代谢掉。当然这要依据于我们需要应用的不同场景，选取不同的材料。

Cell Press：您的团队目前还在进行哪些相关研究？进展如何？

薛天教授：我前面讲到的几个应用其实已经开始进行了，包括药物递送等。目前我们还希望继续提高灵敏度，也就是红外视觉的敏感程度，达到或者接近达到仅仅有热辐射就有可能被检测到的程度。灵敏度的增加完全可以让这项技术的应用范围更广泛。同时，材料的生物相容性也需要再进一步优化。因为假如要应用到人体上面，对于材料的要求显然和小鼠是不一样的。上述应用已经准备在大动物模型上展开。当然，这些还需要进行大量的研究来验证。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

论文标题：

Mammalian Near-Infrared Image Vision through Injectable and Self-Powered Retinal Nanoantennae 

论文网址：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30101-1 

DOI:

http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2019.01.038 

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