Sustainable synthesis of CuO-SnO2 composite nanoparticles: In Vitro Biological and In Silico studies

कैंसर और जीवाणु संक्रमण मानव स्वास्थ्य के लिए दो सबसे निरंतर चुनौतियों में से बने हुए हैं, जिनके लिए अक्सर ऐसे उपचारों की आवश्यकता होती है जो कठोर, महंगे या कीटाणुओं द्वारा प्रतिरोध विकसित करने के कारण तेजी से अप्रभावी होते जा रहे हैं। बेहतर समाधानों की खोज में, वैज्ञानिकों ने नैनोमटेरियल्स (nanomaterials) की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया है, जो ऐसे कण हैं जो इतने छोटे होते हैं कि हजारों कण एक अकेले मानव बाल की चौड़ाई में समा सकते हैं। इन सूक्ष्म संरचनाओं को रोग कोशिकाओं पर उस सटीकता के साथ हमला करने के लिए इंजीनियर किया जा सकता है, जिससे पारंपरिक दवाएं संघर्ष करती हैं। एक आशाजनक दृष्टिकोण धातु ऑक्साइडों का उपयोग करना है, जो ऑक्सीजन के साथ तांबे या टिन जैसी धातुओं के संयोजन से बने यौगिक हैं, जो हानिकारक कोशिकाओं की आंतरिक मशीनरी को बाधित कर सकते हैं। हालांकि, इन कणों को बनाने के लिए आमतौर पर जहरीले रसायनों और उच्च ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ता "ग्रीन सिंथेसिस" (green synthesis) की खोज कर रहे हैं, जो एक ऐसी विधि है जिसमें इन नैनोकणों को प्राकृतिक रूप से बनाने के लिए पौधों के अर्क का उपयोग किया जाता है, जिससे हानिकारक उपोत्पादों से बचा जा सके और अंतिम सामग्री को शरीर के लिए संभावित रूप से सुरक्षित बनाया जा सके।

हाल ही में किए गए एक अध्ययन में, भारत के एसआरएम इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने तांबे और टिन के ऑक्साइडों को मिलाकर एक नए प्रकार का नैनोकण बनाने पर ध्यान केंद्रित किया। कठोर औद्योगिक रसायनों के बजाय, उन्होंने कोलेअस एम्बोइनिकस (Coleus amboinicus) पौधे की पत्तियों की ओर रुख किया, जो घरेलू बगीचों में पाया जाने वाला एक सामान्य जड़ी-बूटी है। उन्होंने ताजी पत्तियों को पानी में उबाला ताकि पॉलीफेनोल्स जैसे प्राकृतिक यौगिकों से भरपूर एक समृद्ध, भूरा तरल अर्क तैयार किया जा सके। इस तरल को फिर तांबे और टिन के लवणों (salts) के घोल के साथ मिलाया गया। जैसे ही पौधे के यौगिक धातु आयनों से मिले, उन्होंने प्राकृतिक निर्माताओं के रूप में कार्य किया, जिसने धातुओं को कम (reduce) किया और बनने वाले कणों को स्थिर रखने के लिए उन्हें कोट किया। परिणाम तांबे के ऑक्साइड और टिन के ऑक्साइड नैनोकणों का एक सम्मिश्रण था, जिसे पूरी तरह से एक पर्यावरण के अनुकूल प्रक्रिया के माध्यम से बनाया गया था जिसमें केवल ऊष्मा और हिलाने (stirring) की आवश्यकता थी।

एक बार जब कण बन गए, तो टीम को यह समझने की आवश्यकता थी कि उन्होंने वास्तव में क्या बनाया है। उन्होंने अपनी आकृति, आकार और रासायनिक संरचना को देखने के लिए शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और प्रकाश-आधारित उपकरणों का उपयोग किया। विश्लेषण से पता चला कि नैनोकण अविश्वसनीय रूप से छोटे थे, जिनका औसत आकार लगभग 13 नैनोमीटर था, और उनमें एक विशिष्ट क्रिस्टल संरचना थी जिसने दोनों धातुओं के सफल संयोजन की पुष्टि की। पौधे के अर्क ने कणों की सतह पर एक पतली जैविक परत छोड़ दी थी, जो संभवतः उन्हें बिखरे रहने में मदद करती है और जैविक प्रणालियों के साथ अंतःक्रिया करती है। इस संरचनात्मक पुष्टि ने यह सिद्ध करने की दिशा में पहला कदम उठाया कि ग्रीन विधि ने एक सुसंगत और उपयोगी सामग्री का निर्माण किया है।

कणों के लक्षण वर्णन के बाद, शोधकर्ताओं ने यह परीक्षण करने के लिए आगे बढ़ाया कि वे जीवित जीवों के विरुद्ध कैसे व्यवहार करेंगे। सबसे पहले, उन्होंने जीवाणु गतिविधि (antibacterial activity) को देखा, जिसमें उन्होंने दो सामान्य प्रकार के बैक्टीरिया के विरुद्ध परीक्षण किया: स्टैफिलोकोकस ऑरियस (Staphylococcus aureus), जो त्वचा और घाव के संक्रमण का कारण बनता है, और एस्चेरिचिया कोलाई (Escherichia coli), जो आंतों की बीमारी का एक सामान्य कारण है। उन्होंने नैनोकणों को एक ऐसी सतह पर रखा जहाँ बैक्टीरिया बढ़ रहे थे और मापा कि नमूने के चारों ओर बैक्टीरिया कितनी दूर तक रुक गए। परिणाम उत्साहजनक थे। एक विशिष्ट सांद्रता पर, नैनोकणों ने एक ऐसा क्षेत्र बनाया जहाँ बैक्टीरिया जीवित नहीं रह सके, जो स्टैफिलोकोकस स्ट्रेन के विरुद्ध 19 मिलीमीटर और ई. कोलाई के विरुद्ध 18 मिलीमीटर था। यह प्रदर्शन मानक एंटीबायोटिक दवाओं के तुलनीय था, जो सुझाव देता है कि ये ग्रीन-निर्मित कण जीवाणु संक्रमणों से प्रभावी ढंग से लड़ सकते हैं। शोधकर्ताओं का मानना है कि ये कण जीवाणु कोशिका भित्तियों से जुड़कर, उन्हें तोड़कर और प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों (reactive oxygen species)—जो अत्यधिक सक्रिय ऑक्सीजन के रूप हैं और बैक्टीरिया के आंतरिक घटकों को नुकसान पहुँचाते हैं और उन्हें स्वयं की मरम्मत करने से रोकते हैं—को उत्पन्न करके काम करते हैं।

अध्ययन में यह भी जांचा गया कि क्या ये कण एंटीऑक्सीडेंट के रूप में कार्य कर सकते हैं, जो शरीर में हानिकारक मुक्त कणों (free radicals) को बेअसर करते हैं जो उम्र बढ़ने और रोग का कारण बनते हैं। एक मानक रासायनिक परीक्षण का उपयोग करते हुए, टीम ने पाया कि नैनोकण उच्च सांद्रता पर मुक्त कणों की एक महत्वपूर्ण मात्रा को बेअसर कर सकते हैं, लगभग 83 प्रतिशत को ब्लॉक कर सकते हैं। हालांकि एक सामान्य एंटीऑक्सीडेंट विटामिन थोड़ा अधिक शक्तिशाली था, लेकिन नैनोकणों ने, विशेष रूप से सांद्रता बढ़ने के साथ, मजबूत क्षमता दिखाई। यह सुझाव देता है कि यह सामग्री ऑक्सीडेटिव स्ट्रेस (oxidative stress) से कोशिकाओं की रक्षा करने में मदद कर सकती है, जो कई पुरानी बीमारियों से जुड़ी एक स्थिति है।

शायद सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्ष तब आए जब उन्होंने कैंसर कोशिकाओं के विरुद्ध नैनोकणों का परीक्षण किया। शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए कि क्या कण कैंसर को बढ़ने से रोक सकते हैं, मानव स्तन कैंसर कोशिका (MCF-7 सेल लाइन) का उपयोग किया। उन्होंने कोशिकाओं को नैनोकणों की बढ़ती मात्रा के संपर्क में रखा और जीवित कोशिकाओं की संख्या को मापा। परिणामों ने एक स्पष्ट खुराक-निर्भर प्रभाव (dose-dependent effect) दिखाया: जैसे-जैसे नैनोकणों की मात्रा बढ़ी, जीवित कैंसर कोशिकाओं की संख्या तेजी से गिरी। परीक्षण की गई उच्चतम सांद्रता पर, केवल लगभग 20 प्रतिशत कैंसर कोशिकाएं ही जीवित बची थीं। शोधकर्ताओं ने गणना की कि कैंसर कोशिकाओं को आधा मारने के लिए आवश्यक मात्रा लगभग 47 माइक्रोग्राम प्रति मिलीलीटर थी, जो कि एकल-धातु ऑक्साइड कणों की तुलना में कम और इसलिए अधिक प्रभावी है। यह सुझाव देता है कि तांबे और टिन का संयोजन एक सहक्रियात्मक प्रभाव (synergistic effect) पैदा करता है, जहाँ दोनों धातुएं अकेले की तुलना में कैंसर कोशिकाओं के लिए अधिक घातक होने के लिए मिलकर काम करती हैं। तंत्र (mechanism) में कणों का कोशिकाओं में प्रवेश करना, आंतरिक तनाव का बढ़ना, जो कोशिका के डीएनए और पावर प्लांट (power plants) को नुकसान पहुँचाता है, और अंततः कोशिका को आत्म-विनाश करने के लिए ट्रिगर करना शामिल प्रतीत होता है।

यह समझने के लिए कि ये कण कैंसर और जीवाणु वृद्धि को चलाने वाले विशिष्ट प्रोटीनों के साथ कैसे परस्पर क्रिया कर सकते हैं, शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर सिमुलेशन भी चलाया। इन डिजिटल मॉडलों ने उन्हें यह देखने की अनुमति दी कि नैनोकण प्रमुख लक्ष्यों, जैसे कि वे एंजाइम जिनका बैक्टीरिया डीएनए की नकल करने के लिए उपयोग करते हैं या वे रिसेप्टर्स जिन पर स्तन कैंसर कोशिकाएं विकास के लिए निर्भर करती हैं, से कैसे जुड़ सकते हैं। सिमुलेशन ने दिखाया कि नैनोकण इन जैविक लक्ष्यों में फिट हो सकते हैं और मजबूती से बंध सकते हैं, जो इस विचार का समर्थन करता है कि वे आणविक स्तर पर रोग प्रक्रियाओं में हस्तक्षेप कर सकते हैं। हालांकि ये कंप्यूटर-आधारित भविष्यवाणियां हैं न कि भौतिक प्रयोग, वे देखे गए जैविक प्रभावों के लिए एक मजबूत सैद्धांतिक आधार प्रदान करती हैं।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि तांबे-टिन ऑक्साइड नैनोकणों को संश्लेषित करने के लिए पौधों के अर्क का उपयोग करना मजबूत जैविक गतिविधि वाले पदार्थों को बनाने के लिए एक व्यवहार्य और प्रभावी रणनीति है। यह प्रक्रिया सरल है, इसमें जहरीले रसायनों से बचा गया है, और यह ऐसे कणों का उत्पादन करती है जो प्रयोगशाला सेटिंग में जीवाणु संक्रमण और स्तन कैंसर कोशिकाओं दोनों से लड़ने में सक्षम हैं। हालांकि ये परिणाम नियंत्रित वातावरण में मापे गए हैं और अभी तक मनुष्यों के लिए उपचार का प्रतिनिधित्व नहीं करते हैं, फिर भी वे भविष्य के अनुसंधान के लिए एक सम्मोहक दिशा प्रदान करते हैं। पादप रसायन विज्ञान की प्राकृतिक शक्ति को नैनोटेक्नोलॉजी की सटीकता के साथ जोड़कर, वैज्ञानिक नए उपकरण विकसित कर रहे हैं जो एक दिन दुनिया की कुछ सबसे कठिन बीमारियों से निपटने के लिए सुरक्षित और अधिक प्रभावी तरीके प्रदान कर सकते हैं।