Mesoscopic Light Localization and Inverse Participation Ratio Analysis of Tissue Structural Disorder for Optical Cancer Detection

मानव शरीर के भीतर, स्वस्थ ऊतक और कैंसरयुक्त ऊतक के बीच का अंतर अक्सर कोशिकाओं के अदृश्य आर्किटेक्चर (संरचना) में लिखा होता है। इससे बहुत पहले कि कोई ट्यूमर इतना बड़ा हो जाए कि उसे नग्न आंखों से देखा या महसूस किया जा सके, कोशिकाओं के भीतर के सूक्ष्म निर्माण खंड (building blocks) पुनर्गठित होने लगते हैं। डीएनए (DNA), प्रोटीन और वसा अपनी स्थितियों को बदलते हैं, जिससे एक अराजक आंतरिक परिदृश्य निर्मित होता है जो इस बात को बदल देता है कि प्रकाश ऊतक के माध्यम से कैसे चलता है। दशकों से, डॉक्टर इन परिवर्तनों को पहचानने के लिए सूक्ष्मदर्शी (माइक्रोस्कोप) के नीचे रंजित (stained) ऊतक नमूनों को देखने पर निर्भर रहे हैं, एक ऐसी प्रक्रिया जो काफी हद तक एक रोगविज्ञानी (pathologist) की प्रशिक्षित दृष्टि पर निर्भर करती है और कभी-कभी बीमारी के सूक्ष्म संकेतों को मिस कर सकती है। हालाँकि, भौतिकी और चिकित्सा के संगम से एक नया दृष्टिकोण उभर रहा है, जो इन छिपे हुए संरचनात्मक बदलावों को गणितीय सटीकता के साथ देखने का एक तरीका प्रदान करता है, जिससे एक मानक सूक्ष्मदर्शी छवि को कोशिकीय विकार के मात्रात्मक मानचित्र (quantitative map) में बदल दिया जाता है।

यह नई विधि, जिसे मिसिसिपी स्टेट यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं द्वारा विकसित किया गया है, एक ऊतक के नमूने को केवल एक जैविक नमूने के रूप में नहीं, बल्कि एक जटिल प्रकाशीय माध्यम (optical medium) के रूप में देखती है। भौतिकी की दुनिया में, जब प्रकाश एक ऐसी सामग्री के माध्यम से यात्रा करता है जो पूरी तरह से एकसमान होती है, तो यह एक सीधी, अनुमानित रेखा में चलता है। लेकिन जब वह सामग्री अव्यवस्थित (disordered) होती है—अर्थात घनत्व और संरचना में सूक्ष्म, यादृच्छिक विविधताओं से भरी होती है—तो प्रकाश बिखर जाता है और विशिष्ट जेबों में फंस जाता है, जिसे 'लोकलाइजेशन' (localization) नामक घटना कहा जाता है। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि जैसे-जैसे कैंसर बढ़ता है, कोशिकाओं की आंतरिक संरचना तेजी से अधिक अव्यवस्थित होती जाती है। यह बढ़ता हुआ बिखराव ऊतक के भीतर प्रकाश के लोकलाइजेशन के तरीके को बदल देता है। इस प्रकाश के फंसने (light trapping) की डिग्री को मापकर, वे संरचनात्मक विकार के स्तर को परिमाणित कर सकते हैं, जो एक वस्तुनिष्ठ संख्या प्रदान करता है जो रोग की गंभीरता को दर्शाती है।

इस विचार का परीक्षण करने के लिए, टीम ने कंडेंस्ड मैटर फिजिक्स (condensed matter physics) के एक सिद्धांत का सहारा लिया जिसे 'इनवर्स पार्टिसिपेशन रेशियो' (Inverse Participation Ratio) कहा जाता है। मूल रूप से अव्यवस्थित सामग्रियों में इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार का वर्णन करने के लिए डिज़ाइन किया गया यह मीट्रिक, अनिवार्य रूप से यह मापता है कि एक तरंग (wave) किसी स्थान में कितनी फैली हुई या केंद्रित है। शोधकर्ताओं ने इस उपकरण को प्रकाश के लिए अनुकूलित किया। उन्होंने ऊतक के पतले स्लाइस के मानक, उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाले चित्र लिए—फेफड़े, स्तन, कोलन और अग्नाशय के कैंसर के नमूने जो विभिन्न अस्पतालों और अनुसंधान केंद्रों से एकत्र किए गए थे। ये छवियां, जो किसी भी पैथोलॉजी लैब में पाए जाने वाले विशिष्ट ब्लैक-एंड-व्हाइट माइक्रोग्राफ की तरह दिखती हैं, ऊतक के घनत्व में अंतर के कारण चमक के सूक्ष्म उतार-चढ़ाव को समाहित करती हैं। टीम ने इन चमक के विविधताओं को ऊतक के एक डिजिटल मॉडल में बदल दिया, जो इसके अपवर्तनांक (refractive index) को दर्शाता है, यानी यह कि ऊतक प्रकाश को कितना मोड़ता है।

इस डिजिटल मॉडल का उपयोग करते हुए, उन्होंने सिम्युलेट किया कि यदि प्रकाश वास्तव में ऊतक के माध्यम से यात्रा कर रहा होता तो वह कैसा व्यवहार करता। उन्होंने इन सिम्युलेटेड वातावरणों के भीतर प्रकाश तरंगों के लिए 'इनवर्स पार्टिसिपेशन रेशियो' की गणना की। परिणाम आश्चर्यजनक थे। स्वस्थ ऊतक में, प्रकाश अपेक्षाकृत फैला हुआ रहा, जो एक अधिक व्यवस्थित संरचना का संकेत देता है। जैसे-जैसे ऊतक एक स्वस्थ अवस्था से प्रारंभिक चरण के कैंसर और फिर उन्नत चरणों की ओर बढ़ा, प्रकाश तेजी से छोटे क्षेत्रों में स्थानीयकृत, या फंस गया। यह बदलाव 'इनवर्स पार्टिसिपेशन रेशियो' के मानक विचलन (standard deviation) में निरंतर वृद्धि के अनुरूप था। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह वृद्धि उन सभी चार प्रकार के कैंसरों में लगातार हुई जिनका उन्होंने अध्ययन किया था। उदाहरण के लिए, फेफड़ों के ऊतकों में, स्वस्थ नमूनों की तुलना में स्टेज III के नमूनों में विकार का माप 77 प्रतिशत बढ़ गया। स्तन, कोलन और अग्नाशय के ऊतकों में भी इसी तरह की प्रगतिशील वृद्धि देखी गई, जहाँ कैंसर बढ़ने के साथ विकार अधिक स्पष्ट होता गया।

सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक वह पैमाना था जिस पर इन परिवर्तनों का पता लगाया जा सकता था। शोधकर्ताओं ने ऊतक का विश्लेषण करने के लिए बहुत छोटे क्षेत्रों से लेकर बड़े खंडों तक, विभिन्न आकारों की 'डिजिटल विंडोज़' का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि स्वस्थ और कैंसरयुक्त ऊतक के बीच का अंतर लगभग 150 नैनोमीटर की लंबाई के पैमाने पर स्पष्ट रूप से दिखाई देने लगा। यह एक ऐसा आकार है जो एक मानक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप द्वारा एक अलग वस्तु के रूप में पहचाने जाने योग्य सीमा से बहुत छोटा है, फिर भी प्रकाश के व्यवहार के सांख्यिकीय विश्लेषण ने इस विकार की उपस्थिति को प्रकट कर दिया। यह सुझाव देता है कि यह विधि कोशिकीय घटकों के उस नैनोस्केल पुनर्गठन का पता लगाने के लिए पर्याप्त संवेदनशील है, जो एक दृश्यमान ट्यूमर द्रव्यमान के बनने से पहले होता है।

अध्ययन ने इस भौतिकी-आधारित उपकरण को रोजमर्रा की चिकित्सा पद्धति में लाने की व्यावहारिकता को भी संबोधित किया। जटिल उपकरणों, विशेष रंगों या इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी की आवश्यकता वाली अन्य उन्नत इमेजिंग तकनीकों के विपरीत, यह विधि मानक 'ब्राइटफील्ड माइक्रोस्कोपी' छवियों के साथ काम करती है। ये वे नियमित छवियां हैं जो दुनिया भर की लगभग हर पैथोलॉजी प्रयोगशाला में उत्पन्न होती हैं। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि मौजूदा छवियों पर अपने कम्प्यूटेशनल ढांचे को लागू करके, वे कैंसर के लिए एक नया, वस्तुनिष्ठ बायोमार्कर निकाल सकते हैं। यह दृष्टिकोण रोगविज्ञानी (pathologist) का स्थान नहीं लेता है, बल्कि उनके दृश्य मूल्यांकन के लिए एक शक्तिशाली, मात्रात्मक पूरक के रूप में कार्य करता है। यह एक पुनरुत्पादनीय (reproducible) संख्या प्रदान करता है जो स्वस्थ ऊतक और कैंसर के विभिन्न चरणों के बीच अंतर करने में मदद कर सकती है, जिससे निदान में व्यक्तिपरकता और लगने वाले समय को कम किया जा सकता है।

इस कार्य के निहितार्थ केवल एक प्रकार के कैंसर तक ही सीमित नहीं हैं। चूंकि यह विधि इस बात के मौलिक भौतिकी पर निर्भर करती है कि प्रकाश अव्यवस्थित पदार्थ के साथ कैसे परस्पर क्रिया करता है, इसलिए यह जैविक ऊतक का पता लगाने के लिए एक सार्वभौमिक उपकरण प्रतीत होती है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यही सिद्धांत फेफड़े, स्तन, कोलन और अग्नाशय के कैंसर पर समान रूप से लागू होता है, जो यह सुझाव देता है कि संरचनात्मक विकार बढ़ने का अंतर्निहित तंत्र कैंसर की प्रगति की एक सामान्य विशेषता है। एक पारंपरिक सूक्ष्मदर्शी छवि को संरचनात्मक विषमता (structural heterogeneity) के विस्तृत मानचित्र में बदलकर, यह तकनीक अदृश्य को देखने का एक नया तरीका प्रदान करती है। यह कोशिका के भीतर अणुओं के सूक्ष्म, अराजक पुनर्गठन को एक स्पष्ट, मापने योग्य संकेत में बदल देती है, जिससे आज क्लीनिकों में उपलब्ध उपकरणों का उपयोग करके कैंसर का शीघ्र पता लगाने और सटीक स्टेजिंग का मार्ग प्रशस्त होता है।