An off-the-shelf light-sheet microscopy ecosystem enables versatile cleared-tissue imaging across scales and applications

कल्पना कीजिए कि आप एक ईंट को देखकर या केवल सड़कों को दिखाने वाले मानचित्र का अध्ययन करके एक शहर को समझने की कोशिश कर रहे हैं, जिसमें इमारतें नहीं दिखाई देतीं। दशकों तक, जीवविज्ञानी जीवित चीजों के भीतर देखने के प्रयास में इसी तरह की समस्या का सामना करते रहे। मस्तिष्क के जटिल वायरिंग या पूरे अंग की रक्त वाहिकाओं का अध्ययन करने के लिए, उन्हें आमतौर पर ऊतकों (टिश्यू) को ब्रेड के स्लाइस की तरह पतले, चपटे टुकड़ों में काटना पड़ता था और प्रत्येक टुकड़े को सूक्ष्मदर्शी (माइक्रोस्कोप) के नीचे देखना पड़ता था। यह विधि उन त्रि-आयामी (थ्री-डायमेंशनल) संबंधों को नष्ट कर देती है जो एक अंग को एक साथ जोड़कर रखते हैं। एक नया दृष्टिकोण, जिसे 'टिश्यू क्लियरिंग' कहा जाता है, इस समस्या को हल करता है। यह पूरे अंगों को कांच की तरह पारदर्शी बना देता है, ताकि प्रकाश उनके माध्यम से गुजर सके। हालाँकि, इन स्पष्ट, पूरे अंगों के भीतर विवरण देखने के लिए, वैज्ञानिकों को एक विशेष प्रकार के सूक्ष्मदर्शी की आवश्यकता होती है जो वस्तु को परत दर परत स्कैन करने के लिए प्रकाश की एक पतली चादर का उपयोग करता है। ये मशीनें शक्तिशाली हैं, लेकिन पारंपरिक रूप से ये महंगी, बनाने में जटिल और केवल एक विशिष्ट कार्य को अच्छी तरह से करने तक सीमित रही हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन सूक्ष्मदर्शियों को बनाने का एक नया तरीका पेश किया है जो जैविक इमेजिंग के परिदृश्य को बदल देता है। प्रयोगशालाओं को विभिन्न कार्यों के लिए अलग-अलग महंगी मशीनों में से चुनने के लिए मजबूर करने के बजाय, उन्होंने उपकरणों का एक लचीला पारिस्थितिकी तंत्र बनाया है जिसे सामान्य, बाजार में उपलब्ध (ऑफ-द-शेल्फ) पुर्जों से असेंबल किया जा सकता है। यह प्रणाली, जिसे वे 'descSPIM-Advanced' कहते हैं, एक ही प्रयोगशाला को अपनी विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुसार सूक्ष्मदर्शी बनाने की अनुमति देती है, चाहे वह सूक्ष्म विवरण देखना हो, एक साथ विशाल अंगों को कैप्चर करना हो, या एक साथ कई अलग-अलग रंगों का पता लगाना हो। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि कुछ प्रमुख घटकों को बदलकर, एक ही बुनियादी डिजाइन को चार अलग-अलग संस्करणों में बदला जा सकता है, जिनमें से प्रत्येक को शरीर के भीतर अदृश्य दुनिया को देखने की एक अलग चुनौती के लिए अनुकूलित किया गया है।

इस कार्य के पीछे मुख्य विचार यह है कि उच्च-स्तरीय इमेजिंग के लिए महंगे वाणिज्यिक केंद्रों के दरवाजों के पीछे बंद होने की आवश्यकता नहीं है। शोधकर्ताओं ने एक बुनियादी, किफायती सूक्ष्मदर्शी डिजाइन से शुरुआत की जिसे उन्होंने पहले विकसित किया था और दिखाया कि इसे शून्य से शुरू किए बिना कैसे अपग्रेड किया जा सकता है। उन्होंने अवधारणा को सिद्ध करने के लिए चार विशिष्ट संस्करण बनाए। पहला संस्करण, जिसका नाम 'गैलेक्सी' (Galaxy) है, एक ही समय में कई अलग-अलग रंगों को देखने के लिए डिज़ाइन किया गया है। एक मानक सूक्ष्मदर्शी में, यदि आप बहुत अधिक चमकने वाले मार्करों को एक साथ देखने की कोशिश करते हैं, तो उनके रंग आपस में मिल जाते हैं। गैलेक्सी संस्करण एक विशेष कैमरे का उपयोग करता है जो इन ओवरलैपिंग रंगों को अलग कर सकता है, जिससे वैज्ञानिक एक ही चूहे के भ्रूण में सात अलग-अलग जैविक संरचनाओं को ट्रैक कर सकते हैं, बिना नमूने को बार-बार रंगे और स्कैन किए। यह क्षमता एक ही अखंड आयतन (वॉल्यूम) में विभिन्न कोशिका प्रकारों के बीच जटिल अंतःक्रियाओं को मैप करने का द्वार खोलती है।

दूसिमा संस्करण, जिसे 'डीपस्काई' (Deepsky) कहा जाता है, तीक्ष्णता (शार्पनेस) पर ध्यान केंद्रित करता है। जबकि बुनियादी सूक्ष्मदर्शी बड़ी संरचनाओं को देखने के लिए अच्छा है, यह व्यक्तिगत कोशिकाओं के सूक्ष्म विवरणों को हल (रिजॉल्व) नहीं कर सकता। डीपस्की कॉन्फ़िगरेशन उच्च गुणवत्ता वाले लेंस और एक स्कैनिंग मिरर का उपयोग करके छवि को और स्पष्ट बनाता है। शोधकर्ताओं ने किडनी और फेफड़ों के ऊतकों के उच्च-परिभाषा (हाई-डेफिनिशन), त्रि-आयामी मानचित्र बनाने के लिए इस सेटअप का उपयोग किया। छवियां इतनी स्पष्ट थीं कि वे व्यक्तिगत कोशिकाओं को गिन सकते थे और यहाँ तक कि रंगीन चित्र भी बना सकते थे जो पारंपरिक रंगे हुए ऊतक स्लाइडों की तरह दिखते हैं, लेकिन बिना किसी भौतिक कटाई के। यह सिद्ध करता है कि एक प्रयोगशाला करोड़ों डॉलर के वाणिज्यिक उपकरण के बिना, उपकोशिकीय रिज़ॉल्यूशन (सबसेलुलर रिज़ॉल्यूशन) प्राप्त कर सकती है, यानी अंगों की सूक्ष्म संरचना को देख सकती है।

उन वैज्ञानिकों के लिए जिन्हें सबसे बड़ी संरचनाओं को देखने की आवश्यकता है, वहाँ 'फुलमून' (Fullmoon) है। कुछ अंग, जैसे कि पूरा चूहे का मस्तिष्क, मानक सूक्ष्मदर्शी के लिए एक एकल दृश्य में कैप्चर करने के लिए बहुत बड़े होते हैं, जिससे शोधकर्ताओं को सैकड़ों छोटे चित्र लेने और उन्हें आपस में जोड़ने (स्टिचिंग) के लिए मजबूर होना पड़ता है, जो त्रुटियों को जन्म दे सकता है। फुलमून संस्करण एक बड़े-फॉर्मेट कैमरे और प्रकाश की एक चौड़ी बीम का उपयोग करता है ताकि एक विशाल दृश्य क्षेत्र को कैप्चर किया जा सके। टीम ने एक पूरे चूहे के मस्तिष्क की इमेजिंग करके इसे प्रदर्शित किया है जिसे इसके मूल आकार से दस गुना बड़ा किया गया था। उन्होंने एक ही शॉट में पूरे विस्तारित अंग को कैप्चर किया, जिससे जटिल स्टिचिंग की आवश्यकता से बचा और डेटा की अखंडता को सुरक्षित रखा। यह संपूर्ण अंग प्रणाली का एक पूर्ण, निर्बाध दृश्य प्रदान करता है।

अंत में, टीम ने लागत और जटिलता की बाधा को संबोधित करने के लिए 'SLIM' नामक एक संस्करण बनाया। उन्होंने सिस्टम को उसके सबसे सरल रूप में उतारा, जिसमें कॉम्पैक्ट लेजर डायोड और न्यूनतम संख्या में पुर्जे उपयोग किए गए। इस कॉन्फ़िगरेशन को कुछ ही घंटों में लगभग पंद्रह हजार डॉलर में असेंबल किया जा सकता है, जो अन्य प्रणालियों की तुलना में बहुत कम है। अपनी सादगी के बावजूद, यह अभी भी पूरे भ्रूणों की उच्च-गुणवत्ता वाली, त्रि-आयामी छवियां उत्पन्न करता है। यह संस्करण एक सुलभ प्रवेश बिंदु के रूप में कार्य करता है, जिससे अधिक प्रयोगशालाएं क्लीयर-टिश्यू इमेजिंग करना शुरू कर सकती हैं और जैसे-जैसे उनकी ज़रूरतें बढ़ती हैं, अपने सिस्टम को अपग्रेड कर सकती हैं।

ये सभी अलग-अलग संस्करण एक साझा सॉफ्टवेयर प्लेटफॉर्म द्वारा जुड़े हुए हैं जिसे 'मिशन कंट्रोल सेंटर' कहा जाता है। यह सॉफ्टवेयर एक यूनिवर्सल रिमोट की तरह कार्य करता है, जो किसी भी एक ही कंप्यूटर प्रोग्राम को चारों सूक्ष्मदर्शी कॉन्फ़िगरेशन चलाने की अनुमति देता है। इसका अर्थ है कि एक लैब SLIM संस्करण के साथ शुरू कर सकती है और जैसे-जैसे उनके शोध प्रश्न अधिक जटिल होते जाते हैं, वे पूरी तरह से नया सॉफ्टवेयर सीखे या पूरी तरह से नई मशीन खरीदे बिना अपने हार्डवेयर को गैलेक्सी, डीपस्काई या फुलमून सिस्टम में पुनर्गठित कर सकती है। शोधकर्ताओं ने ब्लूप्रिंट, पुर्जों की सूची और सॉफ्टवेयर को जनता के लिए उपलब्ध कराया है, जिससे अन्य वैज्ञानिकों को अपने डिजाइनों को बनाने और सुधारने के लिए आमंत्रित किया गया है।

इस कार्य के परिणाम दिखाते हैं कि उन्नत, त्रि-आयामी इमेजिंग अब केवल अत्यधिक वित्त पोषित सुविधाओं का अनन्य क्षेत्र नहीं रह गई है। यह सिद्ध करके कि एक मॉड्यूलर, ऑफ-द-शेल्फ इकोसिस्टम विभिन्न अनुप्रयोगों में उच्च प्रदर्शन दे सकता है, शोधकर्ताओं ने इन शक्तिशाली उपकरणों तक पहुंच का लोकतंत्रीकरण कर दिया है। उन्होंने दिखाया है कि सही डिजाइन के साथ, एक प्रयोगशाला एक ऐसा सूक्ष्मदर्शी बना सकती है जो न केवल एक एकल-उद्देश्य वाला उपकरण है, बल्कि एक बहुमुखी मंच है जो विज्ञान के साथ विकसित होने में सक्षम है। इस बदलाव का अर्थ है कि अब अधिक शोधकर्ता, छोटे सेल से लेकर पूरे अंग तक, जीवन की पूर्ण त्रि-आयामी जटिलता का अन्वेषण कर सकते हैं, उन उपकरणों का उपयोग करके जिन्हें वे स्वयं बना और नियंत्रित कर सकते हैं।