Multi-day single-cell magnetic imaging of living cancer cells using Quantum Cell Monitoring
यह शोध पत्र क्वांटम सेल मॉनिटरिंग (QCM) को प्रस्तुत करता है, जो एक वाइडफील्ड नाइट्रोजन-वैकेंसी मैग्नेटोमेट्री प्लेटफॉर्म है जो जीवित कैंसर कोशिकाओं के चुंबकीय हस्ताक्षरों को ट्रैक करके उनके मल्टी-डे, सबसेलुलर-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग को सक्षम बनाता है, जिससे पारंपरिक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी में निहित गहराई की सीमाओं और फोटोडैमेज पर विजय प्राप्त होती है।
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जीवित कोशिकाओं को दिनों के दौरान चलते और विभाजित होते देखना लंबे समय से वैज्ञानिकों के लिए एक चुनौती रहा है, मुख्य रूप से इसलिए क्योंकि उन्हें देखने के लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरण प्रकाश पर निर्भर करते हैं। पारंपरिक सूक्ष्मदर्शी (microscopes) कोशिकाओं को चमकाने के लिए चमकदार किरणों से उन्हें रोशन करते हैं, लेकिन यह प्रकाश उस जीव विज्ञान को नुकसान पहुँचा सकता है जिसे शोधकर्ता देख रहे होते हैं, जिससे कोशिकाएं अजीब व्यवहार करने लगती हैं या मर जाती हैं। इसके अलावा, जब प्रकाश घने ऊतकों (tissue) से होकर गुजरता है, तो वह बिखर जाता है, जिससे नमूने के भीतर गहराई तक स्पष्ट रूप से देखना असंभव हो जाता है। दशकों से, वैज्ञानिकों को या तो कुछ समय के लिए कोशिकाओं को स्पष्ट रूप से देखने या लंबे समय तक बिना स्पष्ट देखे उन्हें देखने के बीच किसी एक को चुनने के लिए मजबूर किया गया है। हालाँकि, एक नया दृष्टिकोण उभरा है जो प्रकाश का उपयोग किए बिना ही काम करता है, और व्यक्तिगत कोशिकाओं को तीन दिनों तक बिना किसी नुकसान के ट्रैक करने के लिए अदृश्य चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करता है।
यह सफलता उन शोधकर्ताओं की टीम से आई है जिन्होंने 'क्वांटम सेल मॉनिटरिंग' नामक एक प्रणाली विकसित की है। छवियों को कैप्चर करने के लिए प्रकाश का उपयोग करने के बजाय, वे एक विशेष प्रकार के डायमंड सेंसर का उपयोग करते हैं जो सूक्ष्म चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील होता है। कोशिकाओं को इस सेंसर के लिए दृश्यमान बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने जीवित कैंसर कोशिकाओं की सतह पर सूक्ष्म चुंबकीय कण चिपकाए। ये कण छोटे कंपास सुइयों की तरह कार्य करते हैं। जब शोधकर्ता एक हल्का चुंबकीय क्षेत्र लागू करते हैं, तो ये सुइयां संरेखित हो जाती हैं और प्रत्येक कोशिका के लिए अद्वितीय एक सूक्ष्म चुंबकीय हस्ताक्षर (signature) बनाती हैं। डायमंड सेंसर, जो कोशिकाओं के ठीक नीचे स्थित होता है, इन हस्ताक्षरों का इतनी सटीकता से पता लगाता है कि वह एक एकल कोशिका की स्थिति और आकार का मानचित्रण कर सकता है, भले ही वह अन्य कोशिकाओं की भीड़ से घिरी हो।
शोधकर्ताओं ने इस पद्धति का परीक्षण मानव कोलोरेक्टल कैंसर कोशिकाओं पर किया, जिन्हें उन्होंने चुंबकीय कणों के साथ लेबल किया और एक विशेष रूप से निर्मित इनक्यूबेटर के भीतर डायमंड सेंसर पर रखा। यह इनक्यूबेटर महत्वपूर्ण था; इसने तापमान और पोषक तत्वों की आपूर्ति को बनाए रखकर कोशिकाओं को जीवित और स्वस्थ रखा, जबकि सूक्ष्मदर्शी अपना काम कर रहा था। 72 घंटों की अवधि में, सिस्टम ने हर आठ घंटे में चुंबकीय क्षेत्रों के स्नैपशॉट लिए। चूंकि चुंबकीय कण प्रकाश से फीके नहीं पड़ते या क्षतिग्रस्त नहीं होते, इसलिए कोशिकाएं पूरी अवधि के दौरान ट्रैक करने योग्य बनी रहीं। परिणामों ने दिखाया कि सिस्टम व्यक्तिगत कोशिकाओं को चलते, विभाजित होते और आकार बदलते हुए ट्रैक कर सकता है। इसने सफलतापूर्वक उस क्षण को कैद किया जब एक एकल कोशिका दो भागों में विभाजित हुई, जिसे माइटोसिस (mitosis) कहा जाता है, और यहाँ तक कि उन कोशिकाओं को भी ट्रैक किया जो घने समूहों में विलीन हो गईं जहाँ पारंपरिक प्रकाश सूक्ष्मदर्शी एक कोशिका को दूसरी से अलग करने में विफल रहते।
सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक "भीड़" के माध्यम से देखने की प्रणाली की क्षमता थी। कोशिकाओं के घने समूहों में, प्रकाश सूक्ष्मदर्शी अक्सर कंट्रास्ट खो देते हैं, जिससे यह बताना असंभव हो जाता है कि एक कोशिका कहाँ समाप्त होती है और दूसरी कहाँ शुरू होती है। हालाँकि, चुंबकीय दृष्टिकोण ने इन घने समूहों के भीतर भी व्यक्तिगत कोशिकाओं को स्पष्ट रूप से पहचाना। शोधकर्ता कोशिकाओं को अलग होते, एक साथ आते और यहाँ तक कि अपना भौतिक आकार बदलते हुए भी देख सके, जो उनके चुंबकीय क्षेत्रों के बदलते पैटर्न पर आधारित था। उन्होंने यह भी देखा कि कोशिकाएं खिंच रही थीं और उंगली जैसी छोटी संरचनाएं (projections) फैला रही थीं, जो कैंसर कोशिकाओं की विशेषता है। चुंबकीय संकेतों में बदलाव का विश्लेषण करके, टीम न केवल यह निर्धारित कर सकती थी कि कोशिकाएं कहाँ थीं, बल्कि यह भी कि प्रत्येक कोशिका में कितना चुंबकीय पदार्थ था, जो कोशिका के आकार और उससे जुड़े कणों की संख्या से संबंधित है।
यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि प्रकाश के हानिकारक प्रभावों या ऊतकों के बिखराव के प्रभावों के बिना दिनों तक जीवित कोशिकाओं की निगरानी करना संभव है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि सूचना के वाहक को बदलकर—प्रकाश से स्थिर चुंबकीय क्षेत्रों की ओर—वे उन जैविक प्रक्रियाओं को देख सकते थे जो पहले छिपी हुई थीं। सिस्टम कोशिकाओं के जीवन चक्र, जिसमें उनकी वृद्धि और विभाजन शामिल है, को एक जीवित वातावरण के अनुकूल स्थितियों में ट्रैक करने के लिए पर्याप्त मजबूत साबित हुआ। हालांकि वर्तमान अध्ययन कोशिकाओं की एक एकल परत पर केंद्रित था, इसके सिद्धांत संकेत देते हैं कि इस पद्धति का उपयोग अंततः ऊतकों के भीतर गहराई तक देखने के लिए किया जा सकता है, जो संभावित रूप से यह अध्ययन करने का एक नया तरीका प्रदान कर सकता है कि कैंसर कैसे फैलता है या कोशिकाएं जटिल 3D संरचनाओं में कैसे परस्पर क्रिया करती हैं, बिना उन सीमाओं के जिन्होंने लंबे समय से ऑप्टिकल इमेजिंग को रोक रखा है।
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