Gelatin-PVA Surface Engineering of PDMS Toward a Renal Cell-Compatible Microfluidic Platform
इस अध्ययन ने एक जिलेटिन-पीवीए-लेपित पीडीएमएस माइक्रोफ्लुइडिक प्लेटफॉर्म विकसित और मान्य किया है जो नियंत्रित लैमिनार प्रवाह स्थितियों के तहत गुर्दे की कोशिका संवर्धन को सफलतापूर्वक समर्थन देता है, जिससे भविष्य के तुलनात्मक दवा-प्रतिक्रिया अध्ययनों के लिए एक जैव-अनुकूल और मात्रात्मक रूप से परिभाषित प्रणाली स्थापित होती है।
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किडनी कैंसर एक जटिल बीमारी है जहाँ शरीर की अपनी कोशिकाएं अंग के विरुद्ध हो जाती हैं, अनियंत्रित रूप से बढ़ने लगती हैं और मानक उपचारों का विरोध करती हैं। बेहतर उपचार खोजने के लिए, वैज्ञानिकों को लोगों पर प्रयोग करने से पहले प्रयोगशाला में नए ड्रग्स का परीक्षण करने की आवश्यकता होती है। दशकों से, इसे करने का मानक तरीका फ्लैट, प्लास्टिक की डिशों में कोशिकाओं को उगाना रहा है। हालांकि यह विधि सरल और सस्ती है, इसमें एक बड़ी खामी है: एक डिश में कोशिकाएं तरल के पूल में स्थिर रहती हैं, जबकि मानव शरीर के भीतर कोशिकाएं लगातार पोषक तत्वों और तरल पदार्थों की बहती धारा में स्नान करती हैं। गति की यह कमी कोशिकाओं के व्यवहार, उनके रूप और दवा के प्रति उनकी प्रतिक्रिया को बदल देती है। इस अंतर को पाटने के लिए, शोधकर्ता माइक्रोफ्लुइडिक चिप्स नामक छोटे, पारदर्शी उपकरण बना रहे हैं। इन चिप्स में सूक्ष्म चैनल होते हैं जो रक्त और तरल पदार्थों के प्रवाह की नकल कर सकते हैं, जिससे वैज्ञानिकों को कोशिकाओं को एक अधिक वास्तविक वातावरण में जीवित और प्रतिक्रिया करते हुए देखने की अनुमति मिलती है। हालांकि, इन चिप्स को मानव कोशिकाओं के साथ काम करने के लिए बनाना कठिन है क्योंकि इन्हें बनाने में उपयोग की जाने वाली सामग्री अक्सर पानी को दूर भगाती है (जल-विकर्षक होती है) और इससे कोशिकाएं ठीक से चिपक नहीं पातीं या मर जाती हैं।
भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान जम्मू और भारतीय एकीकृत चिकित्सा संस्थान के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने इन नन्हे चिप्स के अंदर उपचार करने का एक नया तरीका विकसित किया है ताकि किडनी कैंसर की कोशिकाएं और स्वस्थ किडनी की कोशिकाएं इनके भीतर जीवित रह सकें और बढ़ सकें। उनका कार्य पॉली(डाइमिथाइलसिलोक्सेन), या PDMS नामक एक सामग्री पर केंद्रित है, जो इन माइक्रो-चिप्स के लिए मानक निर्माण खंड है क्योंकि यह स्पष्ट, लचीला और आकार देने में आसान है। समस्या यह है कि अनुपचारित PDMS स्वाभाविक रूप से जल-विकर्षक होता है, ठीक वैसे ही जैसे एक मोम लगे कार की सतह। जब कोशिकाओं को इस सतह पर रखा जाता है, तो वे जुड़ने और फैलने के लिए संघर्ष करती हैं, और अक्सर गुच्छे बना लेती हैं या मर जाती हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि चिप के अंदरूनी हिस्से को दो सामान्य पदार्थों के मिश्रण—जिलेटिन (जो कोलेजन से प्राप्त होता है) और पॉलीविनाइल अल्कोहल (एक जल-प्रेमी पॉलीमर) के साथ लेपित करके, वे इस सतह को बदल सकते हैं। इस नए कोटिंग ने चिप की सतह को कोशिकाओं के अनुकूल बना दिया, जिससे कोशिकाएं चिपकने, फैलने और जीवित रहने में सक्षम हुईं, और साथ ही सूक्ष्म चैनलों के माध्यम से तरल पदार्थ के प्रवाह के लिए एक चिकना मार्ग भी बनाया।
शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट उपकरण बनाया है जिसे दो अलग-अलग प्रकार की कोशिकाओं को बिना मिले अगल-बगल रखने के लिए डिज़ाइन किया गया है। चिप में तीन समानांतर चैनल हैं: दो साइड चैनल कोशिकाओं को रखने के लिए और एक केंद्रीय चैनल दवाओं या पोषक तत्वों को पहुँचाने के लिए। उन्होंने इस उपकरण को तीन PDMS शीटों को एक के ऊपर एक रखकर बनाया, जिससे 700 माइक्रोमीटर चौड़े और 150 माइक्रोमीटर गहरे चैनलों का एक नेटवर्क तैयार हुआ। यह सुनिश्चित करने के लिए कि उपकरण काम करे, उन्होंने पहले चैनलों के माध्यम से रंगीन पानी के प्रवाह का परीक्षण किया। तरल एक छोर से दूसरे छोर तक बिना किसी रिसाव या अटके सुचारू रूप से आगे बढ़ा, जिससे यह सिद्ध हुआ कि परतें मजबूती से सील थीं और आंतरिक मार्ग स्पष्ट थे। इसके बाद उन्होंने चिप के भीतर भौतिक स्थितियों की गणना की। 10 माइक्रोलीटर प्रति मिनट की प्रवाह दर के साथ, तरल लगभग 1.59 मिलीमीटर प्रति सेकंड की मंद गति से चलता है। यह धीमी, स्थिर गति चैनल की दीवारों के विरुद्ध घर्षण का बहुत कम स्तर पैदा करती है, जिसे लैमिनार फ्लो (laminar flow) कहा जाता है, जो शरीर में छोटी वाहिकाओं में रक्त के बहने के समान है।
कोशिकाओं को चिप में डालने से पहले, टीम ने फ्लैट PDMS टुकड़ों पर विभिन्न सतह कोटिंग्स का परीक्षण किया ताकि यह देखा जा सके कि कौन सा सबसे अच्छा काम करता है। उन्होंने अनुपचारित PDMS की तुलना केवल जिलेटिन, केवल पॉलीविनाइल अल्कोहल, और दोनों के संयोजन से कोटिंग वाली सतहों से की। उन्होंने प्रत्येक सतह पर पानी के प्रसार को मापा और देखा कि किडनी कैंसर और स्वस्थ किडनी कोशिकाएं कैसे व्यवहार करती हैं। अनुपचारित सतह सबसे कम प्रभावी थी, जिससे कोशिकाएं संघर्ष करती थीं। जिलेटिन और पॉलीविनाइल अल्कोहल कोटिंग ने मदद की, लेकिन दोनों का मिश्रण सबसे अच्छा काम कर गया। इस संयुक्त कोटिंग पर, 'वॉटर कॉन्टैक्ट एंगल' काफी कम हो गया, जो एक बहुत अधिक जल-अनुकूल सतह का संकेत देता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि कोशिकाएं फल-फूल उठीं। कैंसर कोशिकाओं और स्वस्थ तुलनात्मक कोशिकाओं दोनों ने मजबूती से जुड़ाव बनाया, स्वस्थ आकार में फैलीं, और उच्च चयापचय गतिविधि (metabolic activity) दिखाई, जो अच्छे स्वास्थ्य का संकेत है। यह एक महत्वपूर्ण निष्कर्ष था क्योंकि इसने सिद्ध किया कि एक एकल कोटिंग एक साथ कैंसर और स्वस्थ दोनों कोशिकाओं का समर्थन कर सकती है, जो भविष्य में दोनों प्रकार की कोशिकाओं पर एक साथ दवाओं के परीक्षण के लक्ष्य के लिए एक आवश्यकता है।
सर्वश्रेष्ठ कोटिंग की पहचान करने के बाद, शोधकर्ताओं ने अपने तीन-चैनल वाले चिप के अंदर इसे लागू किया और इसमें किडनी कैंसर की कोशिकाएं डालीं। उन्होंने सफलतापूर्वक कोशिकाओं को कोटिंग वाले चैनलों में पेश किया और उन्हें जमने दिया। कुछ दिनों के बाद, उन्होंने कोशिकाओं को देखने के लिए एक विशेष सूक्ष्मदर्शी का उपयोग किया। छवियों ने दिखाया कि कोशिकाएं जीवित और स्वस्थ थीं, सूक्ष्मदर्शी के नीचे हरे रंग में चमक रही थीं, और उनमें मृत या मरती हुई कोशिकाओं का संकेत देने वाली लाल चमक के कोई लक्षण नहीं थे। इसने पुष्टि की कि कोटिंग ने केवल सपाट सतहों पर ही नहीं, बल्कि उपकरण के जटिल, बंद चैनलों के भीतर भी काम किया। भविष्य के दवा परीक्षणों की तैयारी के लिए, टीम ने फ्लैट डिशों में मानक प्रयोग भी चलाए ताकि यह देखा जा सके कि कोशिकाएं दो सामान्य कैंसर दवाओं: 5-फ्लोरोयूरैसिल और हाइड्रोक्सीक्लोरोक्विन के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देती हैं। उन्होंने पाया कि कैंसर कोशिकाएं हाइड्रोक्सीक्लोरोक्विन की तुलना में 5-फ्लोरोयूरैसिल के प्रति बहुत अधिक संवेदनशील थीं, और स्वस्थ कोशिकाएं कैंसर कोशिकाओं की तुलना में दोनों दवाओं के प्रति आम तौर पर अधिक प्रतिरोधी थीं। इन परिणामों ने एक आधार प्रदान किया कि जब वे अंततः बहते हुए चिप के भीतर ये परीक्षण करेंगे, तो उन्हें क्या उम्मीद करनी चाहिए।
अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि जिलेटिन-पॉलीविनाइल अल्कोहल कोटिंग किडनी कैंसर परीक्षण के एक नए प्रकार के प्लेटफॉर्म के लिए एक विश्वसनीय आधार बनाती है। हालांकि शोधकर्ताओं ने अभी तक बहते हुए चिप के भीतर दवाओं का परीक्षण नहीं किया है या डिवाइस में कैंसर और स्वस्थ कोशिकाओं की अगल-बगल तुलना नहीं की है, लेकिन उन्होंने आवश्यक सामग्री और इंजीनियरिंग चरणों को स्थापित कर दिया है जिसकी आवश्यकता इसके लिए होगी। उन्होंने यह सिद्ध कर दिया है कि चिप को बिना रिसाव के बनाया जा सकता है, तरल प्रवाह धीमा और नियंत्रित है, और सतह उपचार दोनों प्रकार की कैंसर और स्वस्थ किडनी कोशिकाओं को जीवित रहने और बढ़ने की अनुमति देता है। यह कार्य इस क्षेत्र को एक ऐसे भविष्य के करीब ले जाता है जहाँ वैज्ञानिक प्रयोगशाला के वातावरण में नए किडनी कैंसर उपचारों का परीक्षण कर सकते हैं, जो संभावित रूप से रोगियों के लिए सुरक्षित और अधिक प्रभावी उपचारों की ओर ले जा सकता है।
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