Протезирование зрения – одна из самых острых практических задач, стоящих перед современными нейронауками и нейротехнологиями.
Исследователи идут разными путями: стимуляция зрительной коры, восстановление погибших фоточувствительных клеток сетчатки, «обучение» видеть следующих слоев клеток или имплантация в глаз различных фоточувствительных устройств. По последнему пути пошли авторы статьи в Science, создавшие протез сетчатки из сети теллуровых нанопроволок, и протестировали его на крысах и макаках-крабоедах. Слепые животные начали видеть в ближнем инфракрасном диапазоне.
Одно из направлений в попытках восстановления зрения – своеобразная замена палочек и колбочек на оптоэлектронные материалы, которые способны поглощать свет с определенной длиной волны и преобразовывать его в электричество – фактически, нанофотодиоды. Однако здесь остается много проблем (от узкой полосы поглощения до нагрева частиц), которые мешают решению главной задачи – восстановления зрения.
Авторы исследования из ряда китайских научных организаций попытались устранить эти проблемы использованием сети нанопроволок из теллура, самого редкого из стабильных неметаллов таблицы Менделеева (теллур, как бор, кремний, германий, мышьяк и сурьму часто относят к особой группе полуметаллов или металлоидов – за промежуточные между металлами и неметаллами свойства).
Нанопроволокой (nanowire) называют одномерные материалы, длина которых заметно превышает остальные измерения. У этого термина есть много полусинонимов, которые могут вызывать путаницу из-за нечетких определений: нитевидные нанокристаллы (ННК), наностержни (nanorods), нановискеры (nanowhisker, в котором «вискеры» — это усы кошки или мыши), нанонити…
Теллуровые нанопроволоки авторы выбрали по трем или даже по четырем причинам. Во-первых, сеть теллуровых нанопроволок удобно имплантировать вместо фоторецепторов. Во-вторых, у теллура узкая (около 0,3 эВ) запрещенная энергетическая зона и высокое оптическое поглощение при больших длинах волн по сравнению с другими веществами. В-третьих, фототоки в теллуре – с нулевым смещением, что исключает дополнительные компоненты устройства. И, в-четвертых, сам теллур весьма низкотоксичен.
Сначала исследователи создали искусственную сетчатку из нанопроволок теллура и проверили ее свойства ex vivo – еще до имплантации. Оказалось, что сетчатка выдает рекордные фототки (до 30 А/кв.см), а также позволяет строить грубые изображения, давая возможность различать простейшие фигуры – треугольник от круга.
Волновой диапазон работы искусственной сетчатки оказался смещенным по сравнению с тем, как видим свет мы – от красной части видимой области до ближнего ИК-диапазона.
Следующими этапами стали эксперименты на животных. Сначала сетчатку имплантировали слепым мышам возрастом 4-5 месяцев. Устройство прижилось хорошо, через две недели не было следов кровотечения и проблем с капиллярами. Электрофизиологическими методами удалось подтвердить, что при освещении сетчатка дает физиологическую реакцию и в зрительный нерв, и в зрительную кору.
Поведенческие эксперименты показали, что подопытные мыши способны различать треугольник и круг с достаточной точностью.
Дальнейшие эксперименты проводились на макаке-крабоеде. Спустя 112 дней после операции кровотечения и признаков отторжения не наблюдалось; сосуды сетчатки начали обрастать имплант, а уже на третьей неделе после операции глаз животного начал видеть в инфракрасном спектре.
Итак, доклинические испытания разработки китайских исследователей показали перспективность подхода применения теллурового ретинального протеза. Дело за самым сложным – переходом к испытаниям на людях.
Текст: Алексей Паевский