復(fù)旦女科學(xué)家研發(fā)全球首個用于納米線陣列的人造視網(wǎng)膜

人的眼睛就像一臺精妙的攝像機：可見光通過晶狀體進入我們的眼球并聚焦到眼球底部的視網(wǎng)膜，然后被光感受器轉(zhuǎn)換成生物電信號，神經(jīng)節(jié)細(xì)胞把電信號傳遞到大腦中樞，經(jīng)過相應(yīng)腦區(qū)的解析處理，就形成了視覺信息，讓大腦“看見”了光。

在這一過程中，光感受器受光照射產(chǎn)生電信號啟動了視覺過程，但由于光感受器不能自行修復(fù)，一旦損傷或退變（如常見的黃斑變性）很容易導(dǎo)致失明。目前，此類疾病還沒有良好的治療方法，用人工方法恢復(fù)視網(wǎng)膜的感光能力是神經(jīng)科學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)面臨的巨大挑戰(zhàn)。

人工光感受器是近年來的研究熱點，科學(xué)界一直在探索用人工方法恢復(fù)視網(wǎng)膜的感光能力。但現(xiàn)有的一些產(chǎn)品設(shè)計太復(fù)雜，所使用的有機導(dǎo)電材料空間分辨率有限。同時，為了產(chǎn)生并傳導(dǎo)信號，它們通常需要植入一個額外的微電子處理器，這限制了人工光感受器在體內(nèi)的應(yīng)用。

“如果能打破這一限制，無疑能拓展人工光感受器的應(yīng)用前景。如果我們能夠不借助復(fù)雜的設(shè)備，直接用肉眼看到，顯然會更有利、更便捷，這是我們研究的初衷?！彼固垢４髮W(xué)研究員唐靜對 DeepTech 說。

唐靜在復(fù)旦大學(xué)讀博期間開始了人工光感受器的研究項目，到發(fā)表在Nature Communication雜志上歷經(jīng)了近六年時間。2018 年，唐靜與其研究團隊研發(fā)了經(jīng)金納米顆粒修飾的二氧化鈦納米線陣列的新型人工光感受器，這一陣列讓失明小鼠的視網(wǎng)膜中所存留的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞恢復(fù)對綠色、藍(lán)色和近紫外光的反應(yīng)，其對光的敏感度和空間分辨率均接近正常小鼠。小鼠視覺中樞的神經(jīng)元恢復(fù)了對光的反應(yīng)，瞳孔光反射同樣有改善，這表明失明小鼠的視覺得已恢復(fù)。這一突破性發(fā)現(xiàn)也是世界上首次將納米線陣列用于可植入性人造視網(wǎng)膜。

這一成果為黃斑變性等疾病的治療提供了一條新途徑，基于這項技術(shù)來研發(fā)的新一代可植入性人工光感受器，有望幫助病患恢復(fù)視覺，盲人復(fù)明未來可期。

憑借上述研究成果，唐靜成功入選 《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”（Innovators Under 35）2020 年中國區(qū)榜單。

或可實現(xiàn)比人眼更強的感光度和靈敏度

所謂人工視網(wǎng)膜，實際上就是打造一個視網(wǎng)膜假體，通過一系列光電信號轉(zhuǎn)化并將信號傳遞給視神經(jīng)，最后傳導(dǎo)入大腦。

“當(dāng)然這只是一個假設(shè)，使之實現(xiàn)的關(guān)鍵在于所使用的材料能不能有效地和眼部感光細(xì)胞結(jié)合，并且轉(zhuǎn)化的光能不能激活感光細(xì)胞，所以我們就開始合作研發(fā)這種可配合眼睛現(xiàn)有結(jié)構(gòu)應(yīng)用的納米技術(shù)?！碧旗o說。

在選擇材料的過程中，唐靜發(fā)現(xiàn)很多材料雖然可以在體外和體內(nèi)激發(fā)感光細(xì)胞，但是敏感度不夠高。這些納米材料進入到小鼠眼睛后也很容易出現(xiàn)生物相容性和穩(wěn)定性好壞的情況。

受光感受器中視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的啟發(fā)，唐靜研發(fā)了經(jīng)金納米顆粒修飾的二氧化鈦納米線陣列的人工光感受器。改造后的材料感受靈敏度提高了至少一個數(shù)量級，與人類視網(wǎng)膜感光細(xì)胞的靈敏度相當(dāng)。

圖｜比較缺失光感受器的視網(wǎng)膜與植入二氧化鈦納米線陣列人工光感受器的對比（來源：Nature Communication）

唐靜強調(diào)，除了在結(jié)構(gòu)上與人的光感受器相似外，這款人造視網(wǎng)膜的納米線陣列密度比人類視網(wǎng)膜的光感受器密度高得多，因此有可能實現(xiàn)更高的空間分辨率，具有比人眼更強的感光度和靈敏度。在空間維度上，新材料能達到的分辨率優(yōu)于 100 微米，該人造視網(wǎng)膜的部分感覺能力可與生物眼睛相媲美。

唐靜坦言，盡管這項技術(shù)目前完成了在小鼠上的測試，但離真正臨床應(yīng)用還有距離，還需解決在增強微弱光和紅光環(huán)境下材料的光反應(yīng)問題，以及進行臨床安全和功能測試。

距離論文發(fā)表已過去兩年時間，唐靜對DeepTech表示，目前研究團隊正在用一種生物相容性好的藥物釋放載體來嘗試治療視網(wǎng)膜退行性疾病，可結(jié)合外界的刺激，如光、電、磁和超聲來控制藥物的緩慢釋放。

“上述應(yīng)用已經(jīng)準(zhǔn)備在大動物模型上嘗試展開。當(dāng)然，這些還需要進行大量的基礎(chǔ)研究和實驗來驗證。還要依據(jù)于我們需要應(yīng)用的不同場景，選取不同的合適的生物材料和光電材料?！碧旗o說。

此外，在之前的論文中報道了人工視網(wǎng)膜可在盲小鼠身上實現(xiàn)至少半年有效期，但在后來的工作中發(fā)現(xiàn)，二氧化鈦納米線陣列可以在盲小鼠實驗中有效工作至少一年以上的時間，并發(fā)揮作用。此類技術(shù)將來有望應(yīng)用于人類患者，為罹患視網(wǎng)膜退行性疾病的患者帶來新的治療方案。

做科研像“少林練武功”

回顧自己的科研經(jīng)歷，唐靜的回憶飄回 2013 年。

“2013 年夏天到冬天，我從早到晚都在學(xué)習(xí)如何從胎鼠的大腦里取出海馬神經(jīng)元，在動物房一待就是好幾個小時。每次我在顯微鏡下看到香蕉狀的海馬體都很開心，然后在處理的材料上養(yǎng)上新的海馬神經(jīng)元，每當(dāng)我看到海馬神經(jīng)元在材料上長得很健康，那一刻非常激動人心和興奮?！碧旗o對DeepTech說。

唐靜在復(fù)旦大學(xué)鄭耿鋒教授課題組攻讀博士學(xué)位，在這里，她接受了系統(tǒng)的科研訓(xùn)練和受益終身的科研思維，學(xué)會了提出一個新的想法、思考問題、解決難題、發(fā)表高水平論文的科研全過程。

在斯坦福博士后的科研訓(xùn)練中，唐靜深受導(dǎo)師崔屹教授的影響。崔屹教授是斯坦福大學(xué) Precourt 能源研究中心主任、Nano Letters 執(zhí)行主編、美國科學(xué)促進會會士、美國材料學(xué)會會士、英國皇家化學(xué)學(xué)會會士，他教導(dǎo)唐靜，“做科研更像‘少林練武功’，需要不斷修煉自己的‘內(nèi)功’，踏踏實實深入在這個領(lǐng)域里，要享受做科研的過程，練就‘十八般武藝’在身，才能‘指哪打哪’?！?/p>

目前，唐靜仍在斯坦福做科研，未來，唐靜希望能夠在大學(xué)里當(dāng)一名教授，在教書育人的同時繼續(xù)做喜歡的科研?！叭绻易龃髮W(xué)教師的話，我希望能給本科生教一些基礎(chǔ)課程，通過科普啟發(fā)他們對科研的興趣，如果將來能夠從事科研，我會感到很欣慰。另外，我也能從年輕人身上學(xué)到新的東西和啟發(fā)，推動我做更多更原創(chuàng)的的研究，如果能將技術(shù)轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品，那就更值得欣喜了?！?/p>

原文標(biāo)題：復(fù)旦女科學(xué)家研發(fā)新一代人造視網(wǎng)膜，全球首次將納米線陣列用于人造視網(wǎng)膜｜專訪

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