Clinically Translatable Passive Microfluidic Device for Preparation of Human Sperm with Variable Baseline Concentrations

दुनिया भर में लाखों जोड़ों के लिए, माता-पिता बनने का सफर तब एक बाधा बन जाता है जब पुरुष साथी के शुक्राणुओं की संख्या कम होती है या शुक्राणु कोशिकाएं अंडे तक पहुँचने के लिए पर्याप्त रूप से गति नहीं कर पाती हैं। प्रयोगशाला में, वैज्ञानिक लंबे समय से प्रजनन उपचारों के लिए शुक्राणुओं को तैयार करने के लिए 'डेंसिटी ग्रेडिएंट सेंट्रीफ्यूजेशन' (घनत्व प्रवणता अपकेंद्रण) नामक विधि पर निर्भर रहे हैं। इस प्रक्रिया में स्वस्थ, तैरते हुए शुक्राणुओं को बाकी हिस्सों से अलग करने के लिए नमूनों को उच्च गति पर घुमाया जाता है। प्रभावी होने के बावजूद, यह घुमाव शारीरिक तनाव पैदा करता है और कोशिकाओं के भीतर नाजुक आनुवंशिक सामग्री को नुकसान पहुँचा सकता है, जिससे सफल गर्भधारण की संभावना कम हो सकती है। जैसे-जैसे पिछले कुछ दशकों में वैश्विक स्तर पर शुक्राणुओं की संख्या में गिरावट आई है, शोधकर्ता उच्च गति वाले स्पिनिंग की कठोरता के बिना सबसे अच्छे सेल्स को चुनने के एक अधिक कोमल तरीके की तलाश कर रहे हैं।

वैज्ञानिकों की एक टीम ने अब एक नया दृष्टिकोण विकसित किया है जो यांत्रिक बल के बजाय शुक्राणुओं के प्राकृतिक व्यवहार पर निर्भर करता है। उन्होंने एक छोटा, पारदर्शी प्लास्टिक उपकरण बनाया जिसमें सैकड़ों छोटे, समानांतर चैनल हैं। विचार सरल है: स्वस्थ और मजबूत शुक्राणु कोशिकाएं इन चैनलों के माध्यम से अपने आप तैरकर निकल जाएंगी, जबकि कमजोर या क्षतिग्रस्त कोशिकाएं पीछे रह जाएंगी। हालांकि, इस पद्धति को एक महत्वपूर्ण बाधा का सामना करना पड़ा। यदि किसी रोगी के नमूने में बहुत कम शुक्राणु थे, तो चैनलों को भरने और सिस्टम को काम करने के लिए पर्याप्त कोशिकाएं उपलब्ध नहीं थीं। शोधकर्ताओं ने इसे हल करने के लिए डिवाइस में प्रवेश करने से पहले एक एकल, कोमल चरण जोड़ा, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि कम शुरुआती संख्या वाले नमूनों को भी प्रभावी ढंग से संसाधित किया जा सके। उनका कार्य दर्शाता है कि यह निष्क्रिय प्रणाली न केवल शुक्राणुओं के डीएनए की रक्षा करती है, बल्कि पारंपरिक स्पिनिंग विधियों की तुलना में बेहतर गुणवत्ता वाले तैराक भी प्रदान करती है, विशेष रूप से उनके लिए जिनकी शुरुआती संख्या सबसे कम है।

इस नई तकनीक की कहानी 'पॉलीमिथाइल मेटाक्रिलेट' नामक एक स्पष्ट, टिकाऊ प्लास्टिक से बने उपकरण से शुरू होती है। शोधकर्ताओं ने सामग्री में 20 मिलीमीटर लंबा, 200 माइक्रोमीटर चौड़ा और 130 माइक्रोमीटर ऊँचा, 200 छोटे समानांतर चैनल काटने के लिए लेजर का उपयोग किया। इसके पैमाने को समझने के लिए, एक मानव बाल लगभग 70 माइक्रोमीटर मोटा होता है, जिसका अर्थ है कि ये चैनल इतने चौड़े हैं कि एक शुक्राणु कोशिका आसानी से गुजर सके लेकिन मार्ग निर्देशित करने के लिए पर्याप्त संकीर्ण भी हैं। डिवाइस को इस तरह डिजाइन किया गया था कि शुक्राणु एक तरफ से प्रवेश कर सकें और दूसरी ओर संग्रह क्षेत्र की ओर तैर सकें। चूंकि चैनल बहुत लंबे हैं, इसलिए एक शुक्राणु कोशिका को अंत तक पहुँचने के लिए एक लंबी दूरी तय करनी पड़ती है। यह दूरी एक फिल्टर के रूप में कार्य करती है; केवल सबसे ऊर्जावान और उद्देश्यपूर्ण तैराक ही पूरी यात्रा कर सकते हैं। कंप्यूटर सिमुलेशन ने पुष्टि की कि यह लंबाई महत्वपूर्ण थी, जिससे पता चला कि जितनी लंबी यात्रा होगी, डिवाइस केवल सबसे सक्षम कोशिकाओं को चुनने में उतना ही बेहतर होगा।

यह परीक्षण करने के लिए कि क्या यह अवधारणा वास्तविक दुनिया में काम करती है, टीम ने 44 पुरुषों से वीर्य के नमूने एकत्र किए। उन्होंने इन नमूनों को शुरुआती संख्या के आधार पर दो समूहों में विभाजित किया। एक समूह में शुक्राणुओं की मानक संख्या थी, जबकि दूसरे समूह में कम संख्या थी, जिसमें प्रति मिलीलीटर 40 मिलियन से कम शुक्राणु थे। कम संख्या वाले नमदों के लिए, शोधकर्ताओं ने एक सरल पूर्व-चरण पेश किया। उन्होंने तरल की एक छोटी मात्रा ली और उसे दस मिनट के लिए कम गति पर धीरे से घुमाया। इसने शुक्राणुओं को उनकी गुणवत्ता के आधार पर अलग नहीं किया बल्कि उन्हें केवल एक छोटे आयतन में केंद्रित किया ताकि डिवाइस में लोड करने के लिए पर्याप्त कोशिकाएं मिल सकें। लोड होने के बाद, डिवाइस को डेढ़ घंटे के लिए छोड़ दिया गया। इस दौरान, स्वस्थ शुक्राणु 200 समानांतर चैनलों के माध्यम से संग्रह कक्ष में तैरकर चले गए, जिससे कमजोर कोशिकाएं शुरुआती क्षेत्र में ही रह गईं।

इस प्रयोग के परिणाम आश्चर्यजनक थे। जब शोधकर्ताओं ने प्लास्टिक डिवाइस से एकत्र किए गए शुक्राणुओं की तुलना पारंपरिक स्पिनिंग विधि से तैयार किए गए शुक्राणुओं से की, तो डिवाइस ने लगातार बेहतर उत्पाद दिया। सामान्य शुरुआती संख्या वाले समूह में, मजबूत, आगे की ओर गति करने वाले शुक्राणुओं का प्रतिशत कच्चे नमूने में लगभग 30 प्रतिशत से बढ़कर डिवाइस से गुजरने के बाद 81 प्रतिशत से अधिक हो गया। पारंपरिक स्पिनिंग विधि इस संख्या को केवल लगभग 60 प्रतिशत तक ही बढ़ा सकी। कम शुरुआती संख्या वाले समूह के लिए सुधार और भी नाटकीय था। उनके आगे बढ़ने वाले शुक्राणु लगभग 24 प्रतिशत से बढ़कर 77 प्रतिशत से अधिक हो गए, जो स्पिनिंग विधि द्वारा हासिल की गई वृद्धि से कहीं अधिक था। यह सुझाव देता है कि यह डिवाइस उन पुरुषों के लिए विशेष रूप से मूल्यवान है जिन्हें बेहतर शुक्राणु चयन से सबसे अधिक लाभ मिलने वाला है।

गति के अलावा, शुक्राणुओं के भीतर मौजूद आनुवंशिक सामग्री की गुणवत्ता भी बेहतर संरक्षित थी। शोधकर्ताओं ने डीएनए के नुकसान की जांच की, जो स्वस्थ भ्रूण विकास के लिए महत्वपूर्ण है। कम शुरुआती संख्या वाले नमदों में, डिवाइस ने लगभग 97 प्रतिशत बरकरार डीएनए वाले शुक्राणुओं को प्राप्त किया, जबकि पारंपरिक विधि के साथ यह लगभग 91 प्रतिशत था। यह इंगित करता है कि कोमल, तैराकी-आधारित चयन प्रक्रिया उस ऑक्सीडेटिव तनाव और शारीरिक आघात से बचती है जो अक्सर उच्च गति वाले स्पिनिंग के दौरान होता है। डिवाइस ने शुक्राणुओं के आकार में भी सुधार किया, हालांकि यह सुधार शुरुआती संख्या पर कम निर्भर था। महत्वपूर्ण रूप से, टीम ने सिद्ध किया कि यह नई विधि प्रजनन उपचारों में उपयोग के लिए सुरक्षित है। उन्होंने अंडों को निषेचित करने के लिए डिवाइस द्वारा चयनित शुक्राणुओं का उपयोग 'इंट्रासाइटोप्लाज्मिक स्पर्म इंजेक्शन' नामक प्रक्रिया में किया। परिणामी भ्रूण सामान्य रूप से विकसित हुए और पारंपरिक रूप से तैयार किए गए शुक्राणुओं से बनाए गए भ्रूणों के समान ही थे, जिससे पता चलता है कि नया वर्कफ़्लो मौजूदा चिकित्सा पद्धतियों में सहजता से फिट बैठता है।

अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि नमूने की शुरुआती स्थिति बहुत मायने रखती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि शुक्राणुओं की प्रारंभिक सांद्रता जितनी कम होगी, डिवाइस के उपयोग के बाद गुणवत्ता में सापेक्ष सुधार उतना ही अधिक होगा। यह एक महत्वपूर्ण खोज है क्योंकि इसका अर्थ है कि यह तकनीक उन रोगियों के लिए सबसे प्रभावी है जिन्हें इसकी सबसे अधिक आवश्यकता है। जबकि पारंपरिक स्पिनिंग विधि उच्च शुक्राणु संख्या वाले नमदों के लिए अच्छी तरह से काम करती है, यह कम संख्या वाले नमदों के लिए समान स्तर का संवर्धन प्रदान करने में संघर्ष करती है। एक सरल सांद्रण चरण को एक निष्क्रिय माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा वर्कफ़्लो बनाया जो जटिल पंपों या बाहरी बिजली स्रोतों की आवश्यकता के बिना, रोगियों की विविध जरूरतों के व्यापक स्पेक्ट्रम में काम करता है। डिवाइस स्वयं डिस्पोजेबल है, बनाने में आसान है, और इसे संचालित करने के लिए किसी विशेष उपकरण की आवश्यकता नहीं है, जो इसे दुनिया भर के क्लीनिकों के लिए एक व्यावहारिक उपकरण बनाता है।

यह कार्य इस दावे के साथ नहीं आता कि इसने पुरुष बांझपन की सभी चुनौतियों को हल कर लिया है, न ही यह सुझाव देता है कि यह डिवाइस एक जादुई इलाज है। अध्ययन सीमित नमूनों और भ्रूण विकास के एक छोटे प्रमाण-अवधारणा परीक्षण के साथ किया गया था, इसलिए यह पुष्टि करने के लिए बड़े अध्ययन की आवश्यकता होगी कि ये सुधार वास्तव में गर्भावस्था दर में कैसे परिवर्तित होते हैं। हालांकि, डेटा स्पष्ट रूप से दिखाता है कि एक कोमल, निष्क्रिय दृष्टिकोण उच्च गुणवत्ता वाले शुक्राणुओं को चुनने में वर्तमान मानक देखभाल से बेहतर प्रदर्शन कर सकता है। शुक्राणुओं को खुद काम करने देने के बजाय, उन्हें सेंट्रीफ्यूज के माध्यम से जबरन धकेलने के बजाय, यह नई विधि कोशिकाओं को तैयार करने के लिए एक सुरक्षित और अधिक प्रभावी मार्ग प्रदान करती है। यह उन तकनीकों की ओर एक बदलाव है जो मानव जीव विज्ञान के विरुद्ध नहीं, बल्कि उसके साथ मिलकर काम करती हैं, जो उन जोड़ों को आशा प्रदान करती हैं जो बांझपन के कठिन मार्ग का सामना कर रहे हैं।