A study of particle behaviour in dynamic extracellular environments using nanoparticles as model nanoscale probes
यह अध्ययन यह प्रदर्शित करने के लिए एक लेबल-मुक्त ऑप्टिकल कॉस्टिक्स-आधारित माइक्रोस्कोपी तकनीक का उपयोग करता है कि मानव मेसेनकाइमल स्टेम कोशिकाओं का गतिशील बाह्यकोशिकीय वातावरण गोल्ड नैनोकणों के परिवहन व्यवहार को महत्वपूर्ण रूप से बदल देता है, जो नैनोस्केल गतिशीलता पर सीरम एक्सपोज़र, सतह आवेश और प्रोटीन सामग्री जैसे स्थानीय जैविक स्थितियों के महत्वपूर्ण प्रभाव को उजागर करता है।
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जीवित ऊतकों की सूक्ष्म दुनिया में, कोशिकाओं के बीच का स्थान खाली नहीं होता है। यह प्रोटीन, शर्करा और अन्य अणुओं से भरा एक हलचल भरा, भीड़भाड़ वाला राजमार्ग है जो लगातार बदलता और परिवर्तित होता रहता है। वैज्ञानिक जो यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि इस वातावरण में सूक्ष्म कण कैसे चलते हैं—चाहे वे प्राकृतिक कोशिकीय घटक हों या दवा पहुँचाने के लिए डिज़ाइन किए गए मानव निर्मित ड्रग्स—उनके लिए यह गतिशील परिदृश्य एक बड़ी पहेली पेश करता है। यदि कोई कण बहुत धीरे चलता है, तो वह अपने लक्ष्य तक कभी नहीं पहुँच पाएगा; यदि वह बहुत तेज़ चलता है, तो वह उसके पास से निकल भी सकता है। पारंपरिक रूप से, शोधकर्ता इन कणों को ट्रैक करने के लिए उन पर चमकीले फ्लोरोसेंट टैग लगाकर देखते हैं, जैसे किसी कार की गति को ट्रैक करने के लिए उस पर एक छोटा सा प्रकाश लगा दिया जाए। हालाँकि, ये लाइटें कार के व्यवहार को बदल सकती हैं, जैसे कि इसके वजन या सड़क के साथ इसकी अंतःक्रिया को बदलना, जिसका अर्थ है कि एकत्र किया गया डेटा वास्तविकता को प्रतिबिंबित नहीं कर सकता है। इन जटिल जैविक प्रणालियों में गति की वास्तविक प्रकृति को देखने के लिए, वैज्ञानिकों को बिना छुए देखने के एक तरीके की आवश्यकता है, एक ऐसी विधि जो कणों को बिल्कुल वैसे ही देखे जैसे वे वास्तव में हैं।
लिवरपूल विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने प्रकाश का उपयोग करके इन नन्हे यात्रियों को देखने का एक नया तरीका विकसित किया है, जो कृत्रिम मार्करों के बजाय स्वयं प्रकाश पर निर्भर करता है। उन्होंने गोल्ड नैनोपार्टिकल्स (स्वर्ण नैनोकणों) पर ध्यान केंद्रित किया, जो धातु के छोटे गोले हैं जिनका व्यास केवल 100 नैनोमीटर है, जो यह समझने के लिए उत्कृष्ट मॉडल के रूप में कार्य करते हैं कि नैनोस्केल वस्तुएं कैसे व्यवहार करती हैं। शोधकर्ताओं ने इन स्वर्ण गोलों को मानव स्टेम कोशिकाओं वाली एक तरल संरचना में रखा और कणों के चारों ओर ऑप्टिकल पैटर्न, जिन्हें 'कॉस्टिक्स' (caustics) कहा जाता है, बनाने के लिए एक विशेष माइक्रोस्कोप सेटअप का उपयोग किया। ये पैटर्न गहरे छल्लों के बीच चमकीले धब्बों के रूप में दिखाई देते हैं, जिससे टीम को जीवित कोशिकाओं के ऊपर तरल में तैरते हुए प्रत्येक कण की सटीक स्थिति को ट्रैक करने में मदद मिली। इन गतिविधियों को समय के साथ देखते हुए, वैज्ञानिक यह माप सके कि कण कितनी तेजी से चले और उन्होंने कितनी दूरी तय की, और यह सब उन्होंने कणों को रासायनिक टैग के साथ बदले बिना किया।
अध्ययन से पता चला कि जीवित कोशिकाओं द्वारा बनाया गया वातावरण एक स्थिर तरल नहीं है, बल्कि एक निरंतर विकसित होने वाला माध्यम है जो कणों की गति को काफी धीमा कर देता है। जब गोल्ड नैनोपार्टिकल्स को पहली बार पेश किया गया, तो वे एक निश्चित गति से चले, लेकिन जैसे-जैसे समय बीता, उनकी गति स्पष्ट रूप से धीमी हो गई। लगभग डेढ़ घंटे के बाद, कण शुरुआत की तुलना में बहुत अधिक सुस्त गति से चल रहे थे, चाहे वे कोशिका की सतह से कितनी भी दूर क्यों न हों। यह सुझाव देता है कि कोशिकाएं सक्रिय रूप से अपने परिवेश की रसायन विज्ञान को बदल रही हैं, शायद नए प्रोटीन जारी करके या मौजूदा प्रोटीन को पुनर्गठित करके, जो कणों के नेविगेट करने के लिए एक मोटा या अधिक भीड़भाड़ वाला रास्ता बना देता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह धीमा होने का प्रभाव कणों के सीधे कोशिकाओं से चिपकने के कारण नहीं था, क्योंकि यह धीमापन उन दूरियों पर भी हुआ जहाँ कण कोशिका की परत को छू भी नहीं रहे थे।
कणों का व्यवहार उनके विद्युत आवेश और तरल में मौजूद प्रोटीन की उपस्थिति पर भी बहुत अधिक निर्भर था। टीम ने दो प्रकार के गोल्ड कणों का परीक्षण किया: एक ऋणात्मक (negative) आवेश वाला और एक धनात्मक (positive) आवेश वाला। जब तरल में सीरम प्रोटीन मौजूद थे, जो रक्त और सेल कल्चर में सामान्य हैं, तो धनात्मक आवेश वाले कणों को इन प्रोटीनों की एक परत द्वारा ढका गया था, जिससे वे अपेक्षाकृत स्वतंत्र रूप से चलते रहने में सक्षम थे। हालाँकि, जब प्रोटीन हटा दिए गए, तो धनात्मक आवेश वाले कण कंटेनर की कांच की सतह से जल्दी ही चिपक गए, जिससे वे हिलने-डुलने में पूरी तरह असमर्थ हो गए। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि कणों के धनात्मक आवेश का कांच के ऋणात्मक आवेश की ओर आकर्षण था, जिसे प्रोटीन की परत सामान्यतः रोकती है। इसके विपरीत, ऋणात्मक आवेश वाले कण कांच से नहीं चिपके, लेकिन कोशिकाओं की उपस्थिति में समय के साथ धीमे हो गए, जो दर्शाता है कि कोशिकाएं केवल एक चिपचिपे जाल के रूप में कार्य करने के बजाय तरल को ही बदल रही थीं।
सबसे आश्चर्यजनक निष्कर्षों में से एक यह था कि जबकि कणों की गति नाटकीय रूप से बदल गई, लेकिन उनकी गति की मौलिक प्रकृति आश्चर्यजनक रूप से सुसंगत रही। कण अचानक अप्रत्याशित विस्फोटों में नहीं चले या एक ही स्थान पर नहीं फंसे; इसके बजाय, वे एक धीमे क्रम में, एक यादृच्छिक (random), प्राकृतिक पैटर्न में तैरते रहे। यह सुझाव देता है कि जीवित वातावरण एक गाढ़े तरल की तरह कार्य करता है जो गति का विरोध करता है, न कि एक अराजक भूलभुलैया की तरह जो कणों को असामान्य तरीकों से फंसा देती है। शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि कणों की गति का क्षेत्र समय के साथ सिकुड़ता गया, जिसका अर्थ है कि वे अपने परिवेश से बाधित होकर एक छोटे और छोटे क्षेत्र का अन्वेषण कर रहे थे।
यह कार्य नैनोस्केल वस्तुओं के लिए जटिल जीवित ऊतकों के भीतर नेविगेट करने के बारे में एक स्पष्ट, लेबल-मुक्त खिड़की प्रदान करता है। यह दिखाते हुए कि कोशिकाओं के आसपास का स्थानीय वातावरण गतिशील और लगातार बदल रहा है, यह अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि कण की यात्रा केवल उसके अपने गुणों के बारे में नहीं है, बल्कि उस दुनिया की बदलती परिस्थितियों के बारे में भी है जिसके माध्यम से वह यात्रा करता है। हस्तक्षेप के बिना इन गतिविधियों को ट्रैक करने की क्षमता यह समझने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण प्रदान करती है कि मानव शरीर के भीतर दवाओं और अन्य नैनोस्केल एजेंटों का व्यवहार कैसा हो सकता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि भविष्य के चिकित्सा डिजाइन इस आधार पर हों कि चीजें जीवन में वास्तव में कैसे चलती हैं, न कि केवल एक साधारण टेस्ट ट्यूब में कैसे चलती हैं।
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