张嘉漪 复旦大学脑科学研究院研究员 医学神经生物学国家重点实验室副主任

给眼睛装上太阳能,是不是就能让人间光明永驻?

造就 TALK · 2018-09-15 · 15:08:11

造就第347位讲者 张嘉漪

复旦大学脑科学研究院研究员

医学神经生物学国家重点实验室副主任


编者按:

对于能够看到这篇文章的每个人来说,这个演讲其实跟你毫无关系。

它在探讨一个帮助因光感受器退化致盲的患者重见光明的可能性。

但我们希望让大家知道的是,虽然关于生命仍有无数等待解答的谜题,所幸,再小的群体,也有人关注,科学从未停止探索的脚步。


大家好,我是复旦大学脑科学研究院的张嘉漪。今天想和大家分享的是我们尝试用纳米科技帮助失明患者重见光明的探索。

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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,聚焦到眼球底部的视网膜,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。

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视觉是生物最重要的感觉器官

当今的科技已经创造出了能够精确探测宇宙微光的机器视觉,但它们和生物视觉最大的区别是,机器视觉只能获取信号,而生物视觉和大脑中枢相连,因此身体能对视觉信息作出反应。

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机器视觉VS生物视觉

我们人类每天接收到的外界信息大约70%来自视觉。

不幸的是,全世界视觉损伤的人口大约有1.6亿,在中国,有500万人丧失视觉,完全生活在黑暗之中。其中,光感受器退化是一个非常重要的致盲原因。

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受到这个病影响的主要有两个群体。多发于青少年的遗传性光感受器退化叫视网膜色素变性,很多孩子在确诊之后,视力在十几年间逐渐衰弱直至失明;而多发于老年人的退行性光感受器退化叫黄斑变性,黄斑是视网膜中光感受器密度最高的区域,它的存在能够帮助我们看清楚事物细节。当它退化之后,人就会逐渐看不清东西。

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光感受器退化的前后对比

因为视力减弱的过程是不可逆的,所以到目前为止,由光感受器退化引起的失明还没有能够完全治愈的手段。


01 前沿探索

当下针对视网膜色素变性的治疗方式是基因治疗。但是,因为它需要通过病毒和其它生物媒介来改变眼球中的基因表达,存在一定的生物安全隐患。

第二个方法是干细胞疗法。干细胞具有增殖和分化功能,我们可以在实验室的环境下诱导它分化成光感受器,把光感受器植入到病人眼底,促使他的眼睛恢复光感受功能。但是干细胞的增殖分化如果控制得不好,它很有可能会一直增殖分化下去,最终转变成癌组织,所以这个方法存在癌变的危险。

因为我自己本身有物理学的背景,所以我就在想,有没有可能用人工的感光材料来解决这个光感受器退化的问题呢?这个设想就是我们这项研究的起点。

人造感光器件有很多种,大家比较熟悉的就是太阳能电池。首先,它有很好的光电转换效率;其次,它基本覆盖整个可见光光谱,包括了红外区域。

受此启发,我们在实验室里制备出了金修饰二氧化钛纳米线。它不仅和人类视网膜光感受器形态相近,最关键的在于,它具有很强的可见光光电流,能够有效地把光转换成电,刺激视网膜里的细胞。

通过模式动物的方法,我们又在实验室里构建了一个光感受器退化的盲小鼠,对这种纳米线进行光感受测试。


02 模式动物实验

在离体实验中,我们首先需要确认纳米线能否让视网膜里的单个神经元产生光感。

我们是用1个微米大小的尖端玻璃电极把纳米线前置到盲小鼠的视网膜上。这其实不是一件容易的事情,因为单个神经元的尺度大概是10个微米,我们一根头发大概100个微米粗,也就是说一个神经元的大约是1/10根头发丝的粗细!实验表明,装置了纳米线的盲小鼠神经元好像对紫、蓝、绿这三种颜色的光都有反应。

这个视频就是实验室里记录到的单个神经元兴奋的时候产生的动作电位,你会看到很多小尖峰,每一个尖峰代表这个细胞兴奋一次。在给光的情况下可以看到,它对于这三种光都有响应。

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其次,我们还需要确认这个视网膜能够看到多亮的光。实验中,我们发现,在正常的日光灯照明条件下,它对光的敏感度也接近正常小鼠。

除了看得见,重要的是还得看得清。我们在显微镜下,分别给予这个视网膜50微米和100微米大小的两个光斑,发现对于这么小的照射,它也依然能有不错的光反应,说明这个纳米线也许真的是一个可行的技术。

前期的视网膜离体测试给了我们很好的信心,接下来我们就把这个材料正式植入盲小鼠的眼底,检验它是否真的有用。

因为我们没办法从小鼠的口里知道它到底看没看到光,要想知道它是不是真的恢复了视力,就需要通过瞳孔反射来验证。

瞳孔反射就是当我们的眼睛从暗的环境转移到亮的环境时,外界环境光加强使瞳孔自然产生收缩。

令人兴奋的是,我们在实验中观察到小鼠瞳孔的明显收缩,这从一定程度上反映了这个小鼠的光感确实得到了恢复。

下一步,就是检验视觉信号能否顺利地传递到盲小鼠的大脑。这个时候我们就要用到实验室里常用的开脑洞技术。

我们真的在小鼠的颅骨上开了一个洞,把探测神经活动的金属电极插到它的脑中,再把它放在一个虚拟现实的环境下,去看小鼠对于不同视觉环境的反应。

这个视频中小鼠在一个虚拟的走廊里面狂奔,但其实它只是在一个气球上。

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这是我们记录到的小鼠狂奔时的脑电活动。

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我们惊喜地发现,在植入了纳米线5个月之后,这只盲小鼠的视皮层依然有较好的光反应,跟正常的小鼠基本没有太大的差异。说明二氧化钛这种人工纳米材料确实能够使盲小鼠恢复光感。


03 叩响希望之门

我们研究发表之后,有很多病人的家属给我以及我的合作者发来了邮件,他们最关心的就是这个材料是不是能够被应用到人类身上。有一对印度夫妇,女儿也是视网膜色素变性的患者,他们专程来中国,到我们的实验室来和我们交流,想要了解能够帮助他们的女儿恢复视觉的一切可能。

目前,我们正在和中山医院的眼科医生进行紧密合作,努力将二氧化钛纳米线向临床应用方面做进一步转化,希望这种材料未来真的可以让光感受器退化的患者重见光明。

我觉得,作为一个科技工作者,能够通过我们的努力,给患者重新打开希望之门,这是我们工作最大的意义。


文字:漫倩

校对:其奇

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