人的眼睛就像一臺(tái)精妙的攝像機(jī)：可見光通過晶狀體進(jìn)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(hào)，神經(jīng)節(jié)細(xì)胞把電信號(hào)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(hào)啟動(dòng)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(diǎn)，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(jì)太復(fù)雜，所使用的有機(jī)導(dǎo)電材料空間分辨率有限。同時(shí)，為了產(chǎn)生并傳導(dǎo)信號(hào)，它們通常需要植入一個(gè)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(huì)更有利、更便捷，這是我們研究的初衷。”斯坦福大學(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(xiàng)目，到發(fā)表在Nature Communication雜志上歷經(jīng)了近六年時(shí)間。2018 年，唐靜與其研究團(tuán)隊(duì)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)比人眼更強(qiáng)的感光度和靈敏度

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

“當(dāng)然這只是一個(gè)假設(shè)，使之實(shí)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(jìn)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(gè)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)更高的空間分辨率，具有比人眼更強(qiáng)的感光度和靈敏度。在空間維度上，新材料能達(dá)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(xiàng)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(qiáng)微弱光和紅光環(huán)境下材料的光反應(yīng)問題，以及進(jìn)行臨床安全和功能測試。

距離論文發(fā)表已過去兩年時(shí)間，唐靜對DeepTech表示，目前研究團(tuán)隊(duì)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(dòng)物模型上嘗試展開。當(dāng)然，這些還需要進(jìn)行大量的基礎(chǔ)研究和實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)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。”唐靜說。

此外，在之前的論文中報(bào)道了人工視網(wǎng)膜可在盲小鼠身上實(shí)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(shí)驗(yàn)中有效工作至少一年以上的時(shí)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(dòng)物房一待就是好幾個(gè)小時(shí)。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(dòng)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(huì)了提出一個(gè)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(jìn)會(huì)會(huì)士、美國材料學(xué)會(huì)會(huì)士、英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)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(shí)實(shí)深入在這個(gè)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(shí)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(huì)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(dòng)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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