Mikroskopiske "solceller" kan bane vej for kunstigt syn

Et internationalt forskerhold har udviklet mikroskopiske partikler, der kan få blinde nethinder til at reagere på lys.

Partiklerne fungerer som bittesmå lysmodtagere. Forskerne sprøjter dem ind i øjet, hvor de lægger sig tæt på nethindens nerveceller. Når lys rammer partiklerne, sætter det elektriske og kemiske processer i gang, som kan aktivere nervecellerne og få dem til at sende signaler videre mod hjernen.

I forsøg med blinde mus kunne forskerne måle lysudløste signaler i hjernens synsbark og observere, at musene reagerede på lyset. Forskerne har også vist, at teknologien kan aktivere nerveceller i nethindevæv fra grise.

Resultaterne, som er offentliggjort i Nature Biomedical Engineering, åbner et nyt kapitel i et forskningsprojekt, der begyndte på Aarhus Universitet for syv år siden med en ambitiøs idé: Kunne man udvikle en slags mikroskopiske ”solceller”, som kunne placeres inde i kroppen og bruge lys til at styre cellers aktivitet?

”Da vi begyndte, var vores grundlæggende spørgsmål, om vi kunne skabe et materiale, der kunne fungere som en trådløs grænseflade mellem lys og levende celler. Nu kan vi se, at partiklerne kan aktivere nerveceller i blinde nethinder. Det bringer os tættere på vores langsigtede mål om at udvikle en ny type nethindeprotese,” siger Menglin Chen, lektor ved Institut for Bio- og Kemiteknologi ved Aarhus Universitet.

En ny vej fra lys til nerveceller

For at forstå teknologien skal man helt ind bagerst i øjet.

Her ligger nethinden med de lysfølsomme fotoreceptorer, som normalt opfanger lys og sætter gang i de signaler, hjernen bruger til at skabe vores syn.

Ved sygdommen retinitis pigmentosa går fotoreceptorerne gradvist til grunde. Men andre nerveceller og forbindelser i nethinden kan stadig være bevaret. Det er disse tilbageværende celler, forskerne forsøger at udnytte.

Nanopartiklerne består af det lysfølsomme halvledermateriale grafitisk kulstofnitrid og måler omkring 300 nanometer i diameter. De er hule, og deres struktur gør dem særligt gode til at opfange synligt lys. Inspirationen kommer blandt andet fra planters kloroplaster – de strukturer, som planter bruger til at indfange energi fra sollys.

Når forskernes nanopartikler bliver belyst, sætter lyset en række fysiske og kemiske processer i gang omkring partiklerne. De processer kan påvirke signaleringen i levende celler.

Forskerne har undersøgt effekten på flere biologiske niveauer. Med en præcist fokuseret laser kunne de aktivere enkelte nanopartikler inde i celler og udløse et signal, der bredte sig gennem cellen og videre til naboceller. I hjertemuskelceller kunne forskerne bruge almindeligt LED-lys til at påvirke cellernes rytme og få dem til at slå mere synkront.

Men det er resultaterne fra øjet, der bringer teknologien tættere på en konkret medicinsk anvendelse.

Forskerne sprøjtede nanopartiklerne ind i øjnene på mus med fremskreden retinitis pigmentosa. Her samlede partiklerne sig på overfladen af nethinden tæt ved de ganglieceller, som sender information fra øjet videre mod hjernen.

Da forskerne belyste øjnene, kunne de måle aktivitet i synsbarken. Musene ændrede også adfærd som reaktion på lyset. I isoleret nethindevæv fra grise viste forskerne desuden, at LED-lys kunne aktivere gangliecellerne, når nanopartiklerne var til stede.

”Det interessante er, at vi forsøger at udnytte de nerveceller, som stadig fungerer i nethinden. I stedet for at ændre cellerne genetisk bruger vi nanopartiklerne til at skabe en ny forbindelse mellem lyset og nervecellerne. På den måde forsøger vi at få en blind nethinde til igen at reagere på lys,” siger Menglin Chen.

Forsøgene betyder ikke, at forskerne har givet musene deres normale syn tilbage. De viser, at teknologien kan skabe en målbar biologisk reaktion på lys, selv når de fotoreceptorer, som normalt registrerer lyset, i vid udstrækning er gået til grunde. Forskerne skal blandt andet undersøge langtidssikkerhed og funktion langt mere indgående, før teknologien eventuelt kan afprøves som behandling hos mennesker.

”Når først fotoreceptorerne er gået tabt, er mulighederne for at genskabe lysfølsomhed stadig meget begrænsede, og alle de metoder, der er under udvikling, har deres egne begrænsninger. Genterapier er rettet mod bestemte mutationer, optogenetik kræver, at man genetisk modificerer de tilbageværende celler, og elektroniske implantater kræver et kirurgisk indgreb. Derfor er det relevant at undersøge metoder, der virker uafhængigt af årsagen til sygdommen. Det, vi viser her, er en lysudløst respons i en degenereret nethinde. Det er et tidligt skridt – ikke en færdig nethindeprotese,” siger Henri Leinonen, nethindespecialist og medforfatter på studiet.

Syv års forskning har flyttet idéen tættere på anvendelse

Det nye studie viser samtidig, hvor meget forskningsprojektet har udviklet sig siden begyndelsen.

I 2019 modtog Menglin Chen en Semper Ardens Accelerate-bevilling på 4,2 millioner kroner fra Carlsbergfondet til en idé, der dengang gik under navnet OptoMed. Målet var at udvikle lysfølsomme nanomaterialer, som kunne placeres inde i kroppen og stimulere celler trådløst og uden at ændre dem genetisk. Dengang undersøgte forskerne blandt andet nanofibre og muligheden for at stimulere hjerne- og hjerteceller.

Siden har forskerne udviklet teknologien videre og flyttet fokus til de hule nanopartikler. Undervejs har de undersøgt, hvordan partiklerne optager lys, hvordan de påvirker cellernes signalering, hvor godt cellerne tåler dem, og om effekten også fungerer i væv og levende forsøgsdyr.

Den udvikling afspejler sig i det nye studie: fra at aktivere en enkelt nanopartikel inde i en enkelt celle til at synkronisere hjertemuskelceller og videre til at fremkalde lysrespons i blinde mus.

Samtidig har teknologien bevæget sig fra grundforskning i retning af innovation. I 2024 indgav forskerne en international patentansøgning på teknologien. Patentansøgningen omfatter blandt andet anvendelsen af nanopartiklerne som en injicerbar, lysaktiveret nethindeprotese og til stimulering af hjerteceller.

I 2025 modtog Menglin Chen desuden en Pioneer Innovator Grant fra Novo Nordisk Fonden til projektet RetiNano: Biocompatible and injectable photovoltaic retinal prosthesis. Projektet fokuserer specifikt på at udvikle teknologien til anvendelse i øjet.

”For syv år siden arbejdede vi med en grundlæggende forskningsidé. I dag har vi prækliniske resultater, et igangværende patentarbejde og et konkret mål om at udvikle teknologien til en nethindeprotese. Der er stadig lang vej til, at det kan blive en behandling for patienter, men vi er kommet til et sted, hvor vi kan begynde at stille meget konkrete spørgsmål om, hvad der skal til for at bringe teknologien videre,” siger Menglin Chen.

For forskerne bliver de kommende år derfor ikke alene et spørgsmål om at vise, at nanopartiklerne virker. De skal også forbedre måden, partiklerne leveres til øjet på, dokumentere, hvordan materialet opfører sig i øjet over længere tid, undersøge sikkerheden yderligere og fortsætte udviklingen af teknologien med henblik på en mulig fremtidig klinisk anvendelse.

Dermed er forskningen på vej ind i endnu en ny fase: fra spørgsmålet om, hvorvidt mikroskopiske ”solceller” overhovedet kan kommunikere med levende celler, til spørgsmålet om, hvorvidt teknologien en dag kan udvikles til at hjælpe mennesker, der har mistet synet.

Forskningen ledes af lektor Menglin Chen fra Institut for Bio- og Kemiteknologi ved Aarhus Universitet og omfatter professor Bozhi Tian fra University of Chicago, lektor Henri Leinonen fra University of Eastern Finland, professor Thomas Corydon og professor Yonglun Luo fra Institut for Biomedicin ved Aarhus Universitet, lektor Rasmus Schmidt Davidsen fra Institut for Elektro- og Computerteknologi ved Aarhus Universitet, professor Mingdong Dong fra Institut for Kemi ved Aarhus Universitet, professor Toke Bek fra Aarhus Universitetshospital og professor Nikos Hatzakis fra Københavns Universitet.