یک گروه بین‌المللی از پژوهشگران به سرپرستی منگلین چن (Menglin Chen)، دانشیار گروه مهندسی زیستی و شیمیایی دانشگاه آرهوس، نانوذراتی بسیار ریز توسعه داده‌اند که می‌توانند مانند گیرنده‌های نوری مصنوعی عمل کنند. این ذرات پس از تزریق به چشم، در نزدیکی سلول‌های عصبی شبکیه قرار می‌گیرند و با دریافت نور، مجموعه‌ای از فرایندهای فیزیکی و شیمیایی را در محیط اطراف خود فعال می‌کنند. در نتیجه، سلول‌های عصبی باقی‌مانده در شبکیه می‌توانند تحریک شوند و پیام‌هایی را به سمت مغز ارسال کنند.
نتایج این پژوهش در مجله Nature Biomedical Engineering منتشر شده است. آزمایش‌های انجام‌شده روی موش‌های مبتلا به مراحل پیشرفته رتینیت پیگمنتوزا (Retinitis Pigmentosa) نشان داد که تابش نور به چشم می‌تواند فعالیتی را در قشر بینایی مغز ایجاد کند. پژوهشگران همچنین تغییرات رفتاری مرتبط با نور را در این موش‌ها مشاهده کردند. افزون بر این، آزمایش روی بافت شبکیه خوک نشان داد که در حضور این نانوذرات، نور LED می‌تواند سلول‌های گانگلیونی شبکیه را فعال کند.
ایده اصلی این فناوری به هفت سال پیش بازمی‌گردد؛ زمانی که گروه پژوهشی دانشگاه آرهوس پروژه‌ای با نام OptoMed را آغاز کرد. پرسش بنیادی پژوهشگران این بود که آیا می‌توان ماده‌ای ساخت که مانند یک رابط بی‌سیم میان نور و سلول‌های زنده عمل کند؛ یعنی بدون نیاز به اتصال سیمی یا دست‌کاری ژنتیکی، انرژی نور را به فعالیت سلولی تبدیل کند.
چن می‌گوید هدف اولیه این بود که ماده‌ای ساخته شود که بتواند به‌عنوان یک رابط بی‌سیم میان نور و سلول‌های زنده عمل کند. به گفته او، مشاهده توانایی این ذرات برای فعال‌کردن سلول‌های عصبی در شبکیه‌های نابینا، پژوهشگران را یک گام به هدف بلندمدت خود، یعنی توسعه نوع جدیدی از پروتز شبکیه، نزدیک‌تر کرده است.
برای درک عملکرد این فناوری باید به شبکیه در بخش پشتی چشم توجه کرد. در حالت طبیعی، گیرنده‌های نوری شبکیه نور را دریافت می‌کنند و این محرک را به سیگنال‌های عصبی تبدیل می‌کنند؛ سیگنال‌هایی که در نهایت به مغز می‌رسند و امکان شکل‌گیری بینایی را فراهم می‌کنند. در بیماری رتینیت پیگمنتوزا، این گیرنده‌های نوری به‌تدریج تخریب می‌شوند. بااین‌حال، بخشی از سلول‌های عصبی و ارتباطات موجود در شبکیه ممکن است برای مدتی طولانی‌تر باقی بمانند.
پژوهشگران تلاش کرده‌اند از همین سلول‌های باقی‌مانده استفاده کنند. به‌جای آنکه سلول‌های عصبی را از نظر ژنتیکی تغییر دهند تا به نور حساس شوند، نانوذرات را در مجاورت آن‌ها قرار داده‌اند تا یک مسیر ارتباطی جدید میان نور و سلول عصبی ایجاد شود.
نانوذرات مورد استفاده از یک نیمه‌رسانای حساس به نور به نام نیترید کربن گرافیتی (Graphitic Carbon Nitride) ساخته شده‌اند و قطری در حدود ۳۰۰ نانومتر دارند. ساختار آن‌ها توخالی است و طراحی این ذرات به‌گونه‌ای انجام شده که بتوانند نور مرئی را به‌خوبی جذب کنند. ایده طراحی آن‌ها تا حدی از کلروپلاست‌ها الهام گرفته شده است؛ ساختارهایی در سلول‌های گیاهی که انرژی نور خورشید را جذب و برای فرایندهای زیستی قابل‌استفاده می‌کنند.
هنگامی که نور به این نانوذرات می‌تابد، مجموعه‌ای از فرایندهای فیزیکی و شیمیایی در محیط بسیار نزدیک به ذره رخ می‌دهد. این فرایندها می‌توانند مسیرهای پیام‌رسانی سلولی را تغییر دهند و فعالیت سلول‌های زنده را تحت تأثیر قرار دهند. پژوهشگران برای بررسی این پدیده، عملکرد نانوذرات را در مقیاس‌های مختلف زیستی آزمایش کرده‌اند.
در یکی از آزمایش‌ها، پژوهشگران با استفاده از لیزری با قابلیت تمرکز دقیق، یک نانوذره منفرد را درون سلول فعال کردند و توانستند شکل‌گیری سیگنالی را مشاهده کنند که درون سلول حرکت کرده و به سلول‌های مجاور نیز منتقل شده است. در آزمایش دیگری روی سلول‌های عضله قلب، نور معمولی LED برای تحریک سلول‌ها به‌کار گرفته شد و پژوهشگران مشاهده کردند که نانوذرات می‌توانند به هماهنگ‌ترشدن ضربان این سلول‌ها کمک کنند.
بااین‌حال، مهم‌ترین مرحله پژوهش زمانی بود که فناوری در چشم موش‌های مبتلا به رتینیت پیگمنتوزا آزمایش شد. نانوذرات به چشم حیوانات تزریق شدند و در سطح شبکیه، نزدیک سلول‌های گانگلیونی شبکیه تجمع پیدا کردند. این سلول‌ها از اجزای مهم مسیر انتقال اطلاعات بینایی هستند و پیام‌های عصبی را از شبکیه به سمت مغز هدایت می‌کنند.
پس از تاباندن نور به چشم، پژوهشگران فعالیتی را در قشر بینایی مغز شناسایی کردند. موش‌ها نیز در واکنش به نور تغییرات رفتاری نشان دادند. این یافته‌ها نشان می‌دهد که نور پس از برخورد با نانوذرات می‌تواند زنجیره‌ای از رویدادهای زیستی را آغاز کند که در نهایت به فعالیت بخش‌هایی از مسیر بینایی منجر می‌شود.
در آزمایش‌های جداگانه روی بافت شبکیه خوک نیز پژوهشگران مشاهده کردند که نور LED در حضور نانوذرات می‌تواند سلول‌های گانگلیونی شبکیه را فعال کند. استفاده از بافت خوک از این نظر اهمیت دارد که می‌تواند اطلاعات بیشتری درباره عملکرد این فناوری در بافت شبکیه‌ای پستانداران ارائه دهد.
بااین‌حال، نتایج به‌دست‌آمده به معنای بازگرداندن بینایی طبیعی به موش‌ها نیست. پژوهشگران نشان داده‌اند که حتی در شرایطی که گیرنده‌های نوری شبکیه تا حد زیادی تخریب شده‌اند، می‌توان با استفاده از نانوذرات یک پاسخ زیستی قابل‌اندازه‌گیری به نور ایجاد کرد. هنوز مشخص نیست این پاسخ تا چه اندازه می‌تواند به شکل‌گیری بینایی واقعی و باکیفیت منجر شود.
هانری لاینونن (Henri Leinonen)، متخصص شبکیه و از نویسندگان پژوهش، تأکید می‌کند که روش‌های موجود برای بازگرداندن حساسیت به نور پس از نابودی گیرنده‌های نوری همچنان محدود هستند و هر یک از رویکردهای در حال توسعه، محدودیت‌های خاص خود را دارند. برای نمونه، ژن‌درمانی به نوع جهش ژنتیکی وابسته است، اپتوژنتیک (Optogenetics) به دست‌کاری ژنتیکی سلول‌های باقی‌مانده نیاز دارد و ایمپلنت‌های الکترونیکی نیز مستلزم انجام جراحی هستند. در مقابل، رویکرد جدید تلاش می‌کند بدون وابستگی به علت ژنتیکی بیماری، سلول‌های عصبی باقی‌مانده را به نور پاسخ‌گو کند.
مسیر توسعه این فناوری نیز طی سال‌های گذشته از مطالعات بنیادی به سمت کاربردهای بالقوه پزشکی حرکت کرده است. پژوهشگران در ابتدا روی نانوالیاف و امکان تحریک سلول‌های مغزی و قلبی کار می‌کردند، اما در ادامه تمرکز خود را به نانوذرات توخالی تغییر دادند. آن‌ها در این مسیر، جذب نور توسط ذرات، تأثیر آن‌ها بر پیام‌رسانی سلولی، میزان تحمل سلول‌ها و عملکرد ذرات در بافت‌ها و جانوران زنده را بررسی کردند.
این روند در پژوهش جدید به مرحله‌ای رسیده است که از تحریک یک نانوذره منفرد در یک سلول، به ایجاد پاسخ نوری در بافت و سپس مشاهده پاسخ‌های ناشی از نور در موش‌های نابینا امتداد یافته است.
پژوهشگران همچنین در سال ۲۰۲۴ یک درخواست ثبت اختراع بین‌المللی برای این فناوری ارائه کرده‌اند که کاربرد نانوذرات تزریقی و فعال‌شونده با نور را به‌عنوان پروتز شبکیه و همچنین برای تحریک سلول‌های قلبی دربرمی‌گیرد. در سال ۲۰۲۵ نیز چن پروژه‌ای با عنوان RetiNano: پروتز شبکیه‌ای فوتوولتائیک زیست‌سازگار و تزریقی را آغاز کرد که تمرکز ویژه‌ای بر توسعه این فناوری برای کاربردهای چشمی دارد.
گام بعدی پژوهشگران تنها اثبات عملکرد نانوذرات نیست، بلکه بررسی دقیق‌تر ایمنی و عملکرد بلندمدت آن‌ها در چشم است. مسیر رساندن ذرات به محل مناسب، رفتار ماده در بافت چشم طی دوره‌های طولانی، میزان سازگاری زیستی و ایمنی آن و همچنین امکان بهبود کنترل تحریک نوری، از جمله موضوعاتی هستند که باید در مطالعات آینده بررسی شوند.
به این ترتیب، پژوهش جدید هنوز یک درمان آماده برای نابینایی ارائه نمی‌کند، اما یک مفهوم مهم را در مدل‌های پیش‌بالینی به نمایش می‌گذارد: می‌توان با استفاده از نانوذرات حساس به نور، یک مسیر مصنوعی میان نور و سلول‌های عصبی باقی‌مانده در شبکیه ایجاد کرد. اگر مطالعات ایمنی و عملکردی آینده نیز نتایج مناسبی به همراه داشته باشند، این فناوری می‌تواند به یکی از مسیرهای پژوهشی برای توسعه پروتزهای شبکیه‌ای تزریقی و کم‌تهاجمی تبدیل شود.