Filmer med hjältar med superkrafter, som flyg, röntgensyn eller extraordinär styrka, är på modet. Men även om dessa populära karaktärer bara är fantasier, forskare har använt nanopartiklar för att ge vanliga möss en verklig superkraft:förmågan att se nära-infrarött ljus. I dag, forskare rapporterar framsteg i att göra versioner av dessa nanopartiklar som en dag skulle kunna ge inbyggt mörkerseende till människor.

Forskarna kommer att presentera sina resultat vid American Chemical Society (ACS) Fall 2019 National Meeting &Exposition.

"När vi tittar på universum, vi ser bara synligt ljus, säger Gang Han, Ph.D., projektets huvudutredare, vem som presenterar arbetet på mötet. "Men om vi hade nära-infraröd syn, vi kunde se universum på ett helt nytt sätt. Vi kanske kan göra infraröd astronomi med blotta ögat, eller har mörkerseende utan skrymmande utrustning."

Människors och andra däggdjurs ögon kan upptäcka ljus mellan våglängderna 400 och 700 nanometer (nm). Nära-infrarött (NIR) ljus, å andra sidan, har längre våglängder—750 nm till 1,4 mikrometer. Värmekameror kan hjälpa människor att se i mörkret genom att detektera NIR-strålning som avges av organismer eller föremål, men dessa enheter är vanligtvis skrymmande och obekväma. Han och hans kollegor undrade om de kunde ge möss NIR-syn genom att injicera en speciell typ av nanomaterial, kallade upconversion nanopartiklar (UCNPs), i deras ögon. Dessa nanopartiklar, som innehåller de sällsynta jordartsmetallerna erbium och ytterbium, kan omvandla lågenergifotoner från NIR-ljus till grönt ljus med högre energi som däggdjursögon kan se.

I arbete som publicerades tidigare i år, forskarna, som är vid University of Massachusetts Medical School, riktade UCNP till fotoreceptorer i musögon genom att fästa ett protein som binder till en sockermolekyl på fotoreceptorytan. Sedan, de injicerade fotoreceptorbindande UCNP bakom näthinnan hos mössen. För att avgöra om de injicerade mössen kunde se och mentalt bearbeta NIR-ljus, teamet genomförde flera fysiologiska och beteendemässiga tester. Till exempel, i ett test, forskarna placerade mössen i en Y-formad tank med vatten. En gren av tanken hade en plattform som mössen kunde klättra på för att fly vattnet. Forskarna tränade mössen att simma mot synligt ljus i form av en triangel, som markerade utrymningsvägen. En likadant upplyst cirkel markerade grenen utan plattform. Sedan, forskarna ersatte det synliga ljuset med NIR-ljus. "Mössen med partikelinjektionen kunde se triangeln tydligt och simma till den varje gång, men mössen utan injektionen kunde inte se eller se skillnaden mellan de två formerna, säger Han.

Även om UCNP:erna kvarstod i mössens ögon i minst 10 veckor och inte orsakade några märkbara biverkningar, Han vill förbättra säkerheten och känsligheten hos nanomaterialen innan han överväger att testa dem hos människor. "UCNP i vår publicerade tidning är oorganiska, och det finns några nackdelar där, Han säger. "Biokompatibiliteten är inte helt klar, och vi måste förbättra ljusstyrkan hos nanopartiklarna för mänskligt bruk." teamet experimenterar med UCNP som består av två organiska färgämnen, istället för sällsynta jordartsmetaller. "Vi har visat att vi kan göra organiska UCNP med mycket förbättrad ljusstyrka jämfört med de oorganiska, " säger han. Dessa organiska nanopartiklar kan avge antingen grönt eller blått ljus. Förutom att ha förbättrade egenskaper, de organiska färgämnena kan också ha färre regulatoriska hinder.

Ett av nästa steg för projektet kan vara att översätta tekniken till människans bästa vän. "Om vi ​​hade en superhund som kunde se NIR-ljus, vi skulle kunna projicera ett mönster på en lagbrytares kropp på avstånd, och hunden kunde fånga dem utan att störa andra människor, " säger Han. Superhjältekrafter åt sidan, tekniken kan också ha viktiga medicinska tillämpningar, såsom behandling av ögonsjukdomar. "Vi tittar faktiskt på hur man använder NIR-ljus för att frigöra ett läkemedel från UNCPs specifikt vid fotoreceptorerna, " säger Han.