Surface engineering of PDMS using gelatin-polyvinyl alcohol for renal cell-compatible microfluidic applications
इस अध्ययन ने एक जिलेटिन-पॉलीविनाइल अल्कोहल-लेपित PDMS माइक्रोफ्लुइडिक प्लेटफॉर्म विकसित किया है जिसने सफलतापूर्वक एक स्थिर, निम्न-शियर लैमिनार प्रवाह वातावरण बनाया है जो वृक्क कोशिकाओं (रीनल सेल्स) के जुड़ाव और व्यवहार्यता का समर्थन करता है, जिससे भविष्य के तुलनात्मक इन विट्रो ड्रग-रिस्पॉन्स अध्ययनों के लिए एक आधारभूत प्रणाली स्थापित हुई है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। यह एक ऐसे प्रीप्रिंट की AI से तैयार की गई व्याख्या है जिसकी अभी सहकर्मी समीक्षा नहीं हुई है। यह चिकित्सकीय सलाह नहीं है। इस सामग्री के आधार पर स्वास्थ्य संबंधी फैसले न लें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
किडनी कैंसर एक जटिल रोग है जहाँ शरीर की अपनी कोशिकाएं उस अंग के विरुद्ध हो जाती हैं जो रक्त को छानने का काम करता है। बेहतर उपचार खोजने के लिए, वैज्ञानिकों को जीवित कोशिकाओं पर दवाओं का परीक्षण इस तरह से करने की आवश्यकता है जो मानव शरीर की नकल कर सके। दशकों से, शोधकर्ता इन कोशिकाओं को सपाट प्लास्टिक की डिशों में उगाते रहे हैं, लेकिन यह स्थिर वातावरण एक महत्वपूर्ण विवरण को छोड़ देता है: एक वास्तविक शरीर में, कोशिकाएं लगातार बहते हुए तरल पदार्थों से नहाई रहती हैं जो पोषक तत्वों को ले जाते हैं और अपशिष्ट को हटाते हैं। यह प्रवाह कोशिकाओं पर एक सौम्य भौतिक दबाव भी डालता है, जो उनके व्यवहार और दवा के प्रति उनकी प्रतिक्रिया को बदल सकता है। इसका अध्ययन करने के लिए, वैज्ञानिक माइक्रोफ्लुइडिक चिप्स नामक छोटे उपकरणों का उपयोग करते हैं, जो अनिवार्य रूप से स्पष्ट, लचीले प्लास्टिक से बनी सूक्ष्म प्लंबिंग प्रणालियाँ हैं। ये चिप्स शोधकर्ताओं को सूक्ष्म चैनलों के माध्यम से तरल पदार्थ पंप करने और कोशिकाओं को वास्तविक समय में जीवित और प्रतिक्रिया करते हुए देखने की अनुमति देते हैं। हालाँकि, इन चिप्स को बनाने के लिए उपयोग किया जाने वाला प्लास्टिक स्वाभाविक रूप से पानी को दूर भगाने वाला (water-repelling) होता है, जिससे कोशिकाओं के लिए सतह से चिपकना और ठीक से विकसित होना कठिन हो जाता है। यदि कोशिकाएं नहीं जुड़ पाती हैं, तो प्रयोग विफल हो जाता है। चुनौती, फिर, इस प्लास्टिक को इतना अनुकूल बनाने की है कि नाजुक किडनी कोशिकाएं फल-फूल सकें, जबकि तरल का प्रवाह स्थिर और अनुमानित बना रहे।
हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने इस समस्या को हल करने के लिए एक नया सतह बनाने का प्रयास किया, जिसे विशेष रूप से किडनी कोशिकाओं को सहारा देने के लिए डिज़ाइन किया गया था। उन्होंने पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन (polydimethylsiloxane), या PDMS नामक एक सामग्री पर ध्यान केंद्रित किया, जो इन छोटे उपकरणों को बनाने के लिए मानक प्लास्टिक है क्योंकि यह स्पष्ट, लचीला और आकार देने में आसान है। अनुपचारित PDMS के साथ समस्या यह है कि यह हाइड्रोफोबिक है, जिसका अर्थ है कि यह पानी को वैसे ही दूर भगाता है जैसे एक रेनकोट बारिश को भगाता है। चूंकि जीवित कोशिकाओं को जीवित रहने के लिए पानी की आवश्यकता होती है, इसलिए वे इस फिसलन भरी सतह से चिपकने के लिए संघर्ष करती हैं। इसे ठीक करने के लिए, टीम ने दो सामान्य पदार्थों से बने कोटिंग का विकास किया: जिलेटिन, जो कोलेजन से प्राप्त होता है और कोशिकाओं को चिपकने में मदद करता है, और पॉलीविनाइल अल्कोहल, एक जल-प्रेमी (water-loving) पॉलीमर जो सतह को अधिक गीला बनाता है। उन्होंने यह देखने के लिए प्लास्टिक की सपाट शीटों पर इन सामग्रियों के विभिन्न संयोजनों का परीक्षण किया कि कौन सा संयोजन किडनी कोशिकाओं को सबसे अच्छी तरह से फैलने और बढ़ने की अनुमति देता है। उन्होंने पाया कि दोनों का मिश्रण अकेले किसी एक के उपयोग से बेहतर काम करता है, जो पानी को दूर भगाने वाली सतह को एक ऐसी सतह में बदल देता है जो कोशिकाओं का स्वागत करती है।
एक बार जब उन्होंने सबसे अच्छी कोटिंग की पहचान कर ली, तो शोधकर्ताओं ने इसे क्रिया में परखने के लिए एक तीन-चैनल वाला माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस बनाया। इस डिज़ाइन में दो साइड चैनल कोशिकाओं को उगाने के लिए और एक केंद्रीय चैनल तरल पदार्थ या दवाओं को पहुँचाने के लिए बनाया गया था। उन्होंने डिवाइस को प्लास्टिक की तीन परतों को एक साथ जोड़कर बनाया, ताकि कोई रिसाव न हो। यह सिद्ध करने के लिए कि डिवाइस काम कर रहा है, उन्होंने चैनलों के माध्यम से 10 माइक्रोलिटर प्रति मिनट की दर से एक हरे रंग के डाई (dye) को पंप किया। डाई पूरे नेटवर्क में सुचारू रूप से प्रवाहित हुई, बिना किसी रिसाव या रुकावट के हर कोने को भर दिया, जिससे पुष्टि हुई कि सूक्ष्म प्लंबिंग सुरक्षित है। इसके बाद उन्होंने इन चैनलों के भीतर भौतिक स्थितियों की गणना की। प्रवाह धीमा और स्थिर था, जो लगभग 1.59 मिलीमीटर प्रति सेकंड की गति से चल रहा था। क्योंकि चैनल बहुत संकीले थे और तरल बहुत धीरे चल रहा था, इसलिए पानी एक बहुत ही अनुमानित, सुचारू तरीके से व्यवहार कर रहा था, जिसे लैमिनार फ्लो (laminar flow) कहा जाता है, न कि अराजक रूप से घूमता हुआ। चैनल की दीवारों पर पानी के धक्का देने का बल बहुत हल्का था, जो लगभग 0.059 पास्कल मापा गया, एक ऐसा दबाव जो नाजुक कोशिकाओं को नुकसान पहुँचाने की संभावना नहीं रखता है।
डिवाइस के लीक-मुक्त होने की पुष्टि और प्रवाह की स्थितियों के मानचित्रण के बाद, टीम जैविक परीक्षण की ओर बढ़ी। उन्होंने चैनलों के अंदरूनी हिस्से को अपने जिलेटिन और पॉलीविनाइल अल्कोहल के मिश्रण से कोट किया और फिर सिस्टम में किडनी कैंसर कोशिकाओं को पेश किया। सूक्ष्मदर्शी के नीचे, कोशिकाओं को कोटेड दीवारों से फैलते और चिपकते हुए देखा गया, जो एक संकेत है कि सतह जीवन के अनुकूल है। यह जांचने के लिए कि क्या कोशिकाएं स्वस्थ हैं, शोधकर्ताओं ने एक विशेष स्टेन (stain) का उपयोग किया जो जीवित कोशिकाओं में हरा चमकता है और मृत कोशिकाओं में लाल। छवियों ने एक मजबूत हरी चमक दिखाई और लगभग कोई लाल रंग नहीं दिखा, जो यह दर्शाता है कि चिप के जटिल, बंद वातावरण में रखे जाने के बाद भी कोशिकाएं जीवित और स्वस्थ थीं। यह एक महत्वपूर्ण कदम था, जिसने यह सिद्ध किया कि नई कोटिंग न केवल एक सपाट डिश में, बल्कि चिप के भीतर भी जीवन का समर्थन कर सकती है।
यह समझने के लिए कि ये कोशिकाएं उपचार के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देंगी, शोधकर्ताओं ने नियमित सपाट डिशों में भी उसी प्रकार की कोशिकाओं पर मानक ड्रग टेस्ट किए। उन्होंने कैंसर कोशिकाओं और तुलना समूह के गैर-कैंसरयुक्त किडनी कोशिकाओं को दो अलग-अलग दवाओं: 5-फ्लोरोयूरैसिल (5-fluorouracil) और हाइड्रोक्सीक्लोरोक्विन (hydroxychloroquine) के संपर्क में लाया। परिणामों ने दिखाया कि कैंसर कोशिकाएं अन्य दवा की तुलना में 5-फ्लोरोयूरैसिल के प्रति बहुत अधिक संवेदनशील थीं, और वे गैर-कैंसरयुक्त कोशिकाओं की तुलना में भी इसके प्रति अधिक संवेदनशील थीं। यह सुझाव देता है कि 5-फ्लोरोयूरैसिल स्वस्थ कोशिकाओं को उतना नुकसान पहुँचाए बिना कैंसर कोशिकाओं को मारने में सक्षम हो सकता है। हालांकि ये ड्रग टेस्ट सपाट डिशों में किए गए थे न कि नए चिप के भीतर, उन्होंने यह अनुमान लगाने के लिए एक आधार प्रदान किया कि क्या उम्मीद की जाए। ये प्रयोग माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस के भीतर नहीं किए गए थे, और न ही इनमें निरंतर बहने वाली स्थितियों में लंबे समय तक कोशिकाओं का परीक्षण किया गया था। इसके बजाय, यह कार्य एक 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' के रूप में कार्य करता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि सतह इंजीनियरिंग सफल रही है और डिवाइस कोशिकाओं को जीवित रख सकता है।
अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि जिलेटिन और पॉलीविनाइल अल्कोहल को मिलाकर, माइक्रोफ्लुइडिक चिप्स की सतह को किडनी कोशिकाओं के लिए एक अनुकूल वातावरण में बदलना संभव है। यह प्रगति भविष्य के प्रयोगों के लिए आधार तैयार करती है जहाँ वैज्ञानिक एक ही डिवाइस में कैंसरयुक्त और स्वस्थ किडनी कोशिकाओं को अगल-बगल उगा सकते हैं, और उन्हें बहती हुई दवाओं के संपर्क में लाकर देख सकते हैं कि उपचार प्रत्येक समूह को कैसे प्रभावित करता है। हालांकि शोधकर्ताओं ने अभी तक चिप के भीतर ये तुलनात्मक ड्रग टेस्ट नहीं किए हैं, उन्होंने आवश्यक नींव स्थापित कर दी है: एक ऐसा डिवाइस जो लीक नहीं होता है, एक प्रवाह जो सौम्य और नियंत्रित है, और एक ऐसी सतह जो कोशिकाओं को जीवित रहने और बढ़ने देती है। सामग्री विज्ञान और द्रव गति विज्ञान (fluid dynamics) का यह संयोजन इस क्षेत्र को कैंसर उपचारों के परीक्षण के लिए मानव किडनी के एक यथार्थवादी, लघु मॉडल बनाने के एक कदम करीब लाता है।
अपने क्षेत्र के पेपरों की भीड़ में उलझे हुए हैं?
आपके रिसर्च कीवर्ड से मेल खाने वाले सबसे नए और अलग सोच वाले पेपरों का रोज़ाना Digest पाएँ—तकनीकी सारांश के साथ, आपकी भाषा में।