Glassy Carbon Electrode-Integrated Microfluidic CD Platform for Point-of-Care Detection of SARS-CoV-2 Spike Protein and Prostate-Specific Antigen

चिकित्सा की आधुनिक दुनिया में, अस्पताल के बाहर बीमारी का तेजी से और सटीक निदान करने की क्षमता एक महत्वपूर्ण लक्ष्य है। दशकों से, डॉक्टर रक्त के नमूनों का विश्लेषण करने के लिए बड़ी, स्थिर मशीनों पर निर्भर रहे हैं, एक ऐसी प्रक्रिया जिसमें अक्सर नमूनों को केंद्रीय प्रयोगशाला भेजने और परिणामों के लिए दिनों तक प्रतीक्षा करने की आवश्यकता होती है। यह देरी तब खतरनाक हो सकती है जब समय बहुत महत्वपूर्ण हो, जैसे कि किसी वायरल प्रकोप के दौरान या किसी धीमी गति से बढ़ने वाली बीमारी की निगरानी करते समय। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिकों ने माइक्रोफ्लुइडिक्स (microfluidics) की ओर रुख किया है, जो एक छोटे चिप पर तरल पदार्थ की सूक्ष्म मात्रा को नियंत्रित करने के लिए समर्पित एक क्षेत्र है। एक सिक्के के आकार के प्रयोगशाला की कल्पना करें, जहाँ पंप, मिक्सर और सेंसर सीधे सतह पर बने होते हैं। जब इसे एक घूमने वाली गति के साथ जोड़ा जाता है, जो एक रिकॉर्ड प्लेयर के काम करने के तरीके के समान है, तो ये चिप्स बिना किसी बाहरी ट्यूब या इलेक्ट्रिक पंप के, सेंट्रीफ्यूगल फोर्स (अपकेंद्री बल) का उपयोग करके रक्त के घटकों को अलग कर सकते हैं। "लैब-ऑन-ए-डिस्क" के रूप में जानी जाने वाली यह पद्धति एक डॉक्टर के क्लिनिक या दूरदराज के गाँव में पूर्ण प्रयोगशाला की शक्ति लाने का वादा करती है, बशर्ते कि इसके अंदर के सेंसर बीमारी के सूक्ष्म संकेतों को पकड़ने के लिए पर्याप्त संवेदनशील हों।

इस अवधारणा पर आगे बढ़ते हुए, शोधकर्ताओं ना रेश मंडल और बिधान प्रमाणिक ने एक नया नैदानिक उपकरण विकसित किया है जो इस घूमती हुई माइक्रोफ्लुइडिक तकनीक को एक अत्यधिक संवेदनशील प्रकार के इलेक्ट्रिकल सेंसर के साथ जोड़ता है। उनका कार्य, जो हाल ही के एक अध्ययन में विस्तृत है, एक ऐसा उपकरण बनाने पर केंद्रित है जो एक ही समय में दो बहुत अलग स्वास्थ्य खतरों का पता लगाने में सक्षम है: SARS-CoV-2 वायरस का स्पाइक प्रोटीन, जो COVID-19 का कारण बनता है, और प्रोस्टेट-विशिष्ट एंटीजन (PSA), जो प्रोस्टेट कैंसर का एक मार्कर है। उनके आविष्कार का मुख्य केंद्र एक छोटा इलेक्ट्रोड है जो ग्लास कार्बन से बना है, जो एक ऐसा पदार्थ है जो अपनी स्थिरता और बिजली को कुशलतापूर्वक संचालित करने की क्षमता के लिए जाना जाता है। पारंपरिक सेंसरों के विपरीत, जिन्हें चमकने या रंग बदलने के लिए जटिल रासायनिक लेबल की आवश्यकता हो सकती है, यह उपकरण इस बात को मापकर काम करता है कि बिजली इसकी सतह पर कितनी आसानी से प्रवाहित होती है। जब कोई विशिष्ट रोग मार्कर सेंसर से जुड़ता है, तो वह एक सूक्ष्म बाधा की तरह कार्य करता है, जो विद्युत धारा को धीमा कर देता है। इस परिवर्तन को मापकर, यह उपकरण अत्यधिक सटीकता के साथ वायरस या कैंसर मार्कर की उपस्थिति की पहचान कर सकता है।

शोधकर्ताओं ने इन सेंसरों का निर्माण एक ऐसी प्रक्रिया के माध्यम से किया जिसमें एक विशेष प्लास्टिक फिल्म को नियंत्रित, ऑक्सीजन-मुक्त वातावरण में जलाना शामिल है। यह तकनीक, जिसे पायरोलिसिस (pyrolysis) कहा जाता है, प्लास्टिक को एक ठोस, कांच जैसे कार्बन संरचना में बदल देती है जिसकी सूक्ष्म बनावट रोग मार्करों को पकड़ने के लिए एकदम सही होती है। इसके बाद उन्होंने इन कार्बन सतहों को एंटीबॉडीज के साथ कोट किया, जो ऐसे प्रोटीन हैं जिन्हें आणविक चुंबकों के रूप में डिज़ाइन किया गया है, जो केवल उस विशिष्ट लक्ष्य से चिपकते हैं जिसे वे खोज रहे हैं। सेंसरों के एक सेट के लिए, उन्होंने उन एंटीबॉडीज का उपयोग किया जो SARS-CoV-2 स्पाइक प्रोटीन से बंधते हैं; दूसरे के लिए, उन्होंने उन एंटीबॉडीज का उपयोग किया जो प्रोस्टेट-विशिष्ट एंटीजन से बंधते हैं। यह सुनिश्चित करने के लिए कि उपकरण विश्वसनीय रूप से कार्य करे, उन्होंने बोवाइन सीरम एल्बूमिन (bovine serum albumin) की एक परत भी जोड़ी, जो एक सामान्य प्रोटीन है जिसका उपयोग सेंसर पर किसी भी चिपचिपे स्थान को ब्लॉक करने के लिए किया जाता है जो गलत चीजों को पकड़ सकता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि केवल इच्छित लक्ष्यों का ही पता लगाया जाए।

वास्तविक नवाचार यह है कि ये सेंसर एक पारदर्शी प्लास्टिक से बनी घूमती हुई डिस्क में कैसे एकीकृत किए गए हैं। टीम ने एक माइक्रोफ्लिडिक चैनल सिस्टम डिजाइन किया है जो डिस्क पर रक्त की एक बूंद रखने की अनुमति देता है। जैसे ही डिस्क घूमती है, सेंट्रीफ्यूगल फोर्स भारी लाल रक्त कोशिकाओं को बाहरी किनारे की ओर धकेलता है, जबकि हल्का प्लाज्मा, जिसमें रोग मार्कर होते हैं, केंद्र के करीब रहता है। यह अलगाव स्वचालित रूप से होता है, बिना किसी मानवीय हस्तक्षेप या बाहरी पंप के। अलग किया गया प्लाज्मा फिर डिस्क में लगे ग्लास कार्बन सेंसरों के ऊपर से बहता है। चूंकि सेंसर इतने संवेदनशील हैं, वे 0.9844 fg/mL जितनी कम सांद्रता पर SARS-CoV-2 स्पाइक प्रोटीन और 0.9682 pg/mL पर प्रोस्टेट-विशिष्ट एंटीजन का पता लगा सकते हैं। ये संख्याएँ अविश्वसनीय रूप से सूक्ष्म मात्रा का प्रतिनिधित्व करती हैं, जो कई मानक परीक्षणों द्वारा देखी जा सकने वाली मात्रा से बहुत कम है, जिससे बीमारी का बहुत शुरुआती चरणों में पता लगाना संभव होता है।

अध्ययन दर्शाता है कि यह प्रणाली रक्त प्लाज्मा के सेंसरों के ऊपर से बहने पर सेंसरों की विद्युत प्रतिक्रिया को माप सकती है, जिससे लक्षित प्रोटीन की उपस्थिति में एक स्पष्ट संकेत मिलता है। शोधकर्ताओं ने डिवाइस का परीक्षण तैयार नमूनों के साथ बहुत कम सांद्रता से लेकर बहुत उच्च स्तरों तक की एक विस्तृत श्रृंखला में किया, और पाया कि प्रतिक्रिया सुसंगत और रैखिक (linear) थी। इसका अर्थ है कि डिवाइस न केवल मार्कर की उपस्थिति का पता लगाता है; यह यह भी बता सकता है कि वहां कितना मार्कर है, जो संक्रमण की प्रगति या कैंसर की निगरानी के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। पूरा सेटअप स्व-निहित है, जिसमें तरल पदार्थ की गति के लिए किसी बाहरी बिजली स्रोत की आवश्यकता नहीं होती है, जो इसे उन स्थानों के लिए एक आदर्श उम्मीदवार बनाता है जहाँ बिजली या उन्नत प्रयोगशाला उपकरण दुर्लभ हैं।

जबकि वर्तमान कार्य डिवाइस के निर्माण और तैयार नमलों के साथ इसके परीक्षण पर केंद्रित है, परिणाम विकेंद्रीकृत स्वास्थ्य सेवा के लिए एक शक्तिशाली मार्ग का सुझाव देते हैं। एक मजबूत कार्बन सेंसर और एक सरल, घूमती हुई डिस्क का संयोजन एक ऐसा प्लेटफॉर्म बनाता है जो कम लागत वाला, पोर्टेबल और एक साथ कई परीक्षण करने में सक्षम है। शोधकर्ता बताते हैं कि अगले चरणों में नैदानिक सेटिंग में इसके प्रदर्शन की पुष्टि करने के लिए वास्तविक रोगी रक्त नमलों के साथ डिवाइस का परीक्षण करना शामिल होगा। यह सिद्ध करके कि ऐसा संवेदनशील, दोहरे उद्देश्य वाला डिटेक्टर एक छोटी डिस्क पर बनाया और संचालित किया जा सकता है, यह कार्य दुनिया के सबसे दूरस्थ और संसाधन-सीमित क्षेत्रों में उन्नत नैदानिक क्षमताओं को लाने के लिए एक मूर्त समाधान प्रदान करता है।