Temporal changes in electrical properties of cell culture media in response to different types of electrical stimulation

प्रत्येक जीवित कोशिका के भीतर, और उसके चारों ओर मौजूद तरल पदार्थ में, बिजली का एक निरंतर, अदृश्य प्रवाह होता है। यह प्राकृतिक विद्युत गतिविधि केवल एक पृष्ठभूमि की गूँज नहीं है; यह एक मौलिक भाषा है जिसका उपयोग कोशिकाएं हिलने-डुलने, बढ़ने और विभाजित होने के लिए करती हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से प्रयोगशाला सेटिंग में कोशिकाओं से इस भाषा में वापस बात करने की कोशिश कर रहे हैं, जिसमें उपचार को प्रोत्साहित करने या ऊतकों के विकास का अध्ययन करने के लिए बाहरी विद्युत संकेतों का उपयोग किया जाता है। 'इलेक्ट्रिकल स्टिमुलेशन' (विद्युत उत्तेजना) के रूप में जानी जाने वाली यह प्रक्रिया, पोषक तत्वों से भरपूर तरल पदार्थ से भरी एक डिश में इलेक्ट्रोड रखने और उनके माध्यम से करंट भेजने की प्रक्रिया है। हालाँकि, एक निरंतर समस्या ने इन प्रयोगों को परेशान किया है: डिश के भीतर की स्थितियाँ शायद ही कभी स्थिर होती हैं। जिस तरह एक नदी का प्रवाह तब बदल जाता है जब उसके रास्ते में पत्थर रख दिए जाते हैं, वैसे ही बिजली लागू करने पर तरल वातावरण स्वयं बदल जाता है, अक्सर उन तरीकों से जिनका शोधकर्ता पूरी तरह से पता नहीं लगा पाते। यदि प्रयोग के दौरान विद्युत संकेत बदल जाता है, तो कोशिकाओं को उस संदेश के बजाय कुछ और प्राप्त होता है जो उन्हें दिया जाना था, जिससे यह जानना कठिन हो जाता है कि परिणाम उपचार से आया है या बदलते वातावरण से।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने स्वयं विद्युत वातावरण को देखकर इस रहस्य को सुलझाने का निर्णय लिया, न कि केवल कोशिकाओं को देखकर। वे समझना चाहते थे कि एक मानक सेल कल्चर डिश में अलग-अलग प्रकार के विद्युत संकेतों के संपर्क में आने पर तरल माध्यम कैसे व्यवहार करता है। उन्होंने 'इम्पीडेंस' (प्रतिबाधा) नामक एक गुण पर ध्यान केंद्रित किया, जो अनिवार्य रूप से इस बात का माप है कि किसी पदार्थ के माध्यम से बिजली का गुजरना कितना कठिन है। इम्पीडेंस को बिजली के समकक्ष घर्षण के रूप में समझें; जिस तरह एक ऊबड़-खाबड़ सड़क कार की गति को धीमा कर देती है, उसी तरह उच्च इम्पीडेंस करंट के प्रवाह को धीमा कर देता है। शोधकर्ताओं ने बिजली भेजने के तीन अलग-अलग तरीकों का परीक्षण किया: एक स्थिर, अपरिवर्तित प्रवाह; एक एक-तरफा पल्स जो चालू और बंद होती है; और एक आगे-पीछे जाने वाला पल्स जो दिशा बदलता है। उन्होंने इन संकेतों को तीन अलग-अलग तीव्रताओं पर लागू किया, जो बहुत कोमल से लेकर काफी मजबूत तक थी, और एक घंटे की अवधि में तरल के साथ क्या हुआ, इसे देखा।

प्रयोग एक मानक प्रयोगशाला डिश में हुआ जिसमें कोशिकाओं को जीवित रखने के लिए डिज़ाइन किया गया एक पोषक घोल था। शोधकर्ताओं ने प्लैटिनम-इरिडियम मिश्र धातु से बने दो धातु के तारों को तरल में डाला। ये तार एक-दूसरे के समानांतर रखे गए थे, जिनके बीच एक छोटा सा अंतराल था, जिससे बिजली के गुजरने के लिए एक मार्ग बन गया। यह सुनिश्चित करने के लिए कि वे केवल उपकरण का नहीं बल्कि तरल के व्यवहार को माप रहे हैं, उन्होंने बिजली को नियंत्रित करने के दो अलग-अलग तरीकों का उपयोग किया। एक सेटअप में, उन्होंने वोल्टेज को स्थिर रखा, जो करंट को धकेलने वाला विद्युत दबाव है, और प्रवाह दर को स्वाभाविक रूप से बदलने दिया। दूसरे में, उन्होंने प्रवाह दर, या करंट को स्थिर रखा, और प्रवाह बनाए रखने के लिए दबाव को समायोजित होने दिया। उन्होंने इन परीक्षणों को साठ मिनट तक चलाया, और प्रतिरोध के विकास को देखने के लिए हर मिनट माप लिए। उन्होंने ड로ड़ों पर बुलबुले बनने या तरल के रंग बदलने जैसे भौतिक परिवर्तनों के लिए भी तरल की बारीकी से निगरानी की, जो अम्लता में बदलाव का संकेत देते हैं।

परिणामों से पता चला कि विद्युत वातावरण स्थिर नहीं है। जैसे-जैसे तरल के माध्यम से बिजली प्रवाहित हुई, इम्पीडेंस लगातार बढ़ता गया, जिसका अर्थ है कि उत्तेजना जितनी लंबी चलती गई, तरल बिजली के प्रवाह के प्रति उतना ही अधिक प्रतिरोधी होता गया। यह परिवर्तन एक समान नहीं था; यह इस बात पर बहुत अधिक निर्भर था कि बिजली कैसे दी जा रही है। जब शोधकर्ताओं ने एक स्थिर, निरंतर वोल्टेज का उपयोग किया, तो तरल में प्रतिरोध सबसे नाटकीय रूप से बढ़ा। इसके विपरीत, जब उन्होंने दिशा बदलने वाले या चालू-बंद होने वाले पल्स का उपयोग किया, तो प्रतिरोध में वृद्धि बहुत कम थी। इससे पता चलता है कि जब बिजली को निरंतर धकेला जाता है, तो तुलनात्मक रूप से बाधित या उलटा करने पर तरल की रासायनिक संरचना कम बदलती है। संकेत की ताकत ने भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाई। सामान्य तौर पर, बिजली का धक्का जितना मजबूत होता, इम्पीडेंस में बदलाव उतना ही कम होता, लेकिन विशिष्ट परिणाम इस बात पर निर्भर करते थे कि शोधकर्ता वोल्टेज को नियंत्रित कर रहे थे या करंट को।

डिश में भौतिक अवलोकनों ने पुष्टि की कि रासायनिक प्रतिक्रियाएं हो रही थीं। जब बिजली लागू की गई, तो धातु के तारों की सतह पर छोटे बुलबुले बने, जो इस बात का संकेत है कि बिजली तरल में पानी के अणुओं को तोड़ रही है। सकारात्मक तार के आसपास का तरल थोड़ा पीला हो गया, जो दर्शाता है कि यह अधिक अम्लीय हो गया था, जबकि नकारात्मक तार के आसपास के क्षेत्र में कम नाटकीय परिवर्तन देखा गया। ये परिवर्तन निरंतर वोल्टेज के उपयोग के दौरान सबसे अधिक स्पष्ट थे। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि इलेक्ट्रोड के आसपास का तरल पूरी डिश में रंग नहीं बदलता है, बल्कि तारों के ठीक बगल में एक स्थानीय क्षेत्र में बदलता है। यह स्थानीय अम्लता महत्वपूर्ण है क्योंकि यह कोशिकाओं को नुकसान पहुँचा सकती है, संभावित रूप से उन्हें मार सकती है या उनके व्यवहार को बदल सकती है, जो यह समझाता है कि क्यों कुछ इलेक्ट्रिकल स्टिमुलेशन प्रयोगات सुसंगत परिणाम देने में विफल रहते हैं।

अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि विद्युत संकेत का प्रकार उसके बल (स्ट्रेंथ) जितना ही महत्वपूर्ण है। उन प्रयोगों के लिए जो निरंतर करंट के प्रवाह पर निर्भर करते हैं, शोधकर्ताओं ने पाया कि आगे-पीछे जाने वाला पल्स (बैक-एंड-फोर्थ पल्स) सबसे स्थिर तरीका था, जिससे एक घंटे में तरल के विद्युत गुणों में सबसे कम परिवर्तन हुआ। निरंतर वोल्टेज वाले प्रयोगों के लिए, एक-तरफा पल्स और आगे-पीछे जाने वाला पल्स दोनों ही निरंतर प्रवाह की तुलना में बेहतर प्रदर्शन करते हैं, जिससे वातावरण अधिक सुसंगत रहता है। निष्कर्ष बताते हैं कि कोशिकाओं को दिया जाने वाला विद्युत संकेत एक निश्चित मात्रा नहीं है; यह मशीन, तारों और तरल के बीच एक गतिशील परस्पर क्रिया है। यदि कोई शोधकर्ता एक विशिष्ट संकेत देने के लिए मशीन सेट करता है लेकिन इस बात का हिसाब नहीं रखता कि तरल समय के साथ उस संकेत का विरोध कैसे करता है, तो कोशिकाओं को इच्छित खुराक से बहुत अलग खुराक मिल सकती है।

यह कार्य शोधकर्ताओं के लिए एक महत्वपूर्ण कड़ी प्रदान करता है जो बिजली का उपयोग करके कोशिकाओं को उगाने या ऊतकों की मरम्मत करने का प्रयास कर रहे हैं। यह इस बात पर प्रकाश डालता है कि जिस माध्यम में कोशिकाएं रहती हैं, वह प्रयोग में एक सक्रिय भागीदार है, न कि केवल एक निष्क्रिय पात्र। यह समझकर कि तरल कैसे बदलता है, शोधकर्ता उन उत्तेजना विधियों को चुन सकते हैं जो वातावरण को स्थिर रखती हैं, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि कोशिकाएं इच्छित संकेत के प्रति प्रतिक्रिया दें। अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि उसने इलेक्ट्रिकल स्टिमुलेशन के सभी रहस्यों को सुलझा लिया है, लेकिन यह उस प्रक्रिया के दौरान होने वाले छिपे हुए परिवर्तनों का एक स्पष्ट और मापा गया दृश्य प्रस्तुत करता है। यह एक अनुस्मारक के रूप में कार्य करता है कि सेल कल्चर की नाजुक दुनिया में, बिजली जिस पथ से गुजरती है वह उतनी ही महत्वपूर्ण है जितना कि उसका गंतव्य।