रक्तातील पेशींची ताठरता मोजण्यासाठी मायक्रोफ्लुईडिक उपकरण

रोगांवर उपचार करण्यासाठी, किंवा तब्येतीच्या तक्रारी समजून घेण्यासाठी संशोधक व चिकित्सक मानवी पेशी व ऊतींच्या जीवशास्त्रीय गुणधर्मांचा व वर्तनाचा अभ्यास करत आले आहेत. मात्र अलीकडच्या काळात संशोधकांनी रोगग्रस्त व निरोगी स्थितींमध्ये पेशींची लवचिकता, ताठरता, मजबूतपणा इ. भौतिक गुणधर्म शरीरातील विविध प्रक्रियांवर कसा परिणाम करतात ह्याचा अभ्यास सुरू केला आहे.

पेशीवर बल दिले असता तिचा आकार काही प्रमाणात बदलतो, म्हणजेच पेशीत विकृती येते. ह्या विकृतीचे मोजमाप म्हणजे पेशीची ताठरता. वेगवेगळ्या रोगांमध्ये पेशीची ताठरता बदलते असे निदर्शनास आले आहे. उदाहरणार्थ, मलेरिया, सिकलसेल रक्तक्षय, किंवा वय वाढल्यामुळे लाल रक्तपेशींची ताठरता वाढते. कर्करोगाच्या पेशींची ताठरता त्याच प्रकारच्या निरोगी पेशींपेक्षा कमी असल्याचे आढळले आहे. पेशींची ताठरता मोजता आली तर काही रोगांचे निदान लवकर करण्यासाठी, रोगाची भविष्यातील स्थिती कशी असेल याचे अनुमान करण्यासाठी व रोगावरील औषधे शोधण्यासाठी मदत होईल.

भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई (आयआयटी  मुंबई)  येथील सविता कुमारी, निनाद मेहेंदळे व प्राध्यापिका देबजानी पाल आणि नॉर्डिक इन्स्टिट्यूट फॉर थिअरेटिकल फिजिक्स येथील प्राध्यापक ध्रुबादित्य मित्रा ह्यांनी काही सेकंदात हजारो मानवी लाल रक्तपेशींची ताठरता मोजू शकणारे सूक्ष्मद्राविकी उपकरण विकसित केले आहे. त्यांच्या संशोधनावरील लेख त्यांनी सेल रोपोर्ट्स फिजिकल सायन्स ह्या जर्नलमध्ये प्रकाशित केला आहे.

आयआयटी मुंबईने तयार केलेले उपकरण आटोपशीर व सुवाह्य आहे. ह्या उपकरणामुळे मलेरिया किंवा सिकलसेल रक्तक्षय असलेल्या रुग्णांच्या रक्तातील लाल पेशींची ताठरता रुग्णनिगेच्या ठिकाणी मोजणे सोपे होते. पिशवीत साठवलेल्या रक्तातील लाल पेशी देखील कधीकधी जास्त ताठर होऊ शकतात, व ते रक्त रुग्णास देण्यायोग्य राहत नाही. रुग्णाला रक्त देण्याच्या आधी पिशवीतील रक्त देण्यास योग्य आहे का नाही हे सहज व पटकन तपासण्यासाठी हे उपकरण उपयुक्त आहे. एक छोटीशी सूक्ष्मद्राविकी चिप व एक सुवाह्य सूक्ष्मदर्शक या उपकरणाचा भाग आहेत. सॉफ्टवेअरच्या सहाय्याने सूक्ष्मदर्शकाद्वारे घेतलेल्या चित्रफीतीचे निरिक्षण करता येते आणि रक्ताच्या नमुन्यातील लाल पेशींची त्यांच्या ताठरतेवर आधारित विभागणी दर्शवते.

पेशींची ताठरता मोजण्याच्या बऱ्याच पद्धती आहेत. या आधीच्या बहुतांश पद्धतींमध्ये एका वेळेस एकच पेशी तपासता येते. ह्या पद्धती वेळखाऊ आणि महाग असतात. ताठरता मोजणारी प्रकाशीय चिमटा (ऑप्टिकल ट्वीझर) व अणूबल सूक्ष्मदर्शक (ऍटॉमिक फोर्स मायक्रोस्कोप) ही उपकरणे तर कपड्यांच्या कपाटाएवढी बोजड असतात. सूक्ष्मद्राविकी-आधारित इतर उपकरणे पेशीचा आकार कसा बदलतो याचे निरिक्षण करून ताठरतेचे मोजमाप करतात. त्यामुळे त्यांना विशेष असा ३००० चित्र प्रति सेकंद ह्या वेगाने प्रतिमा नोंदवणारा अत्यंत वेगवान कॅमेरा आवश्यक असतो. आपण नेहमी फोटो काढायला वापरतो त्या डिजिटल कॅमेराच्या प्रतिमा नोंदवण्याच्या वेगापेक्षा हा वेग शंभर पटीने जास्त लागतो.

प्रा. देबजानी पाल सांगतात, “द्रव माध्यमातून जाणाऱ्या मृदू व आकार बदलू शकणाऱ्या पदार्थांच्या, म्हणजे ह्या ठिकाणी पेशींच्या, एका विशिष्ट वर्तणूकीचा उपयोग करून घेण्यासाठी आमच्या उपकरणाची रचना केली आहे. पेशींचे वहन करणाऱ्या वाहिनीची रुंदी बदलली की पेशींवर असलेले बल बदलते, आणि पेशींच्या ताठरतेप्रमाणे पेशींचा वाहिनीतील मार्ग बदलतो.”

आयआयटी मुंबईच्या उपकरणात असलेल्या काही मायक्रोमिटर रुंद वाहिनीतून (मानवी केसाच्या जाडी इतकी) लाल पेशी वाहत येतात. दुसऱ्या टोकाला असलेल्या नरसाळ्यात (फनेल) हा प्रवाह जातो. नरसाळ्यामध्ये उघडणाऱ्या वाहिनीच्या मुखामध्ये एक अर्ध-दंडगोल आकाराचा अडथळा आहे. स्थिर व जलद वेगाने येणाऱ्या लाल रक्तपेशींच्या मार्गात हा अडथळा आला की त्या दिशा बदलतात. जास्त ताठर असलेल्या पेशी मोठ्या कोनात वळतात (विक्षेपित होतात). पेशी ज्या कोनात वळतात त्याच्या मापावरून पेशींच्या ताठरतेचे मोजमाप करता येतो.

आयआयटी मुंबईच्या उपकरणातून जाणाऱ्या लाल पेशींचा प्रक्षेपपथ दाखवणारी चित्रफीत. चित्रफीत अर्ध्या वेगाने चालवली आहे. चित्रफीत सौजन्य : सविता कुमारी व देबजानी पॉल

एखादी संकल्पना तात्विकपणे सिद्ध करणे महत्त्वाचे असतेच, पण ती वापरून एक परवडणारे व वापरण्यास सोपे उपकरण तयार करण्यासाठी काळजीपूर्वक रचनेतून ते घडवावे लागते.

“उंचीेपेक्षा दहापट रुंदी असलेले नरसाळे तयार करणे आव्हानात्मक होते. थोडीशी चूक झाली तरी त्याचे छप्पर कोसळत असे,” प्रा. पाल सांगतात.

अर्धदंडगोल अडथळ्यापाशी येणाऱ्या लाल पेशी सपाट रहाव्यात म्हणून वाहिनीची उंची केवळ ५ मायक्रोमीटर ठेवली आहे. वाहिनीची रुंदी मात्र ४० मायक्रोमीटर आहे. नरसाळ्याच्या शंकूची उंचीही ५ मायक्रोमीटर आहे, तर रूंदी ४० मायक्रोमीटर पासून वाढत जाते.

‘यंग मापांक’ (यंग्स मॉड्यूलस) या परिमाणाने ताठरता मोजतात. सूक्ष्मद्राविकी उपकरणातून जी चित्रफीत मिळते ती पेशींचे प्रक्षेपपथ दर्शवते व त्यावरून विक्षेपन कोनांची मापे मिळतात. मिळालेल्या विक्षेपन कोनांच्या मापांचा संबंध यंग मापांकाशी लावणे आवश्यक असते. रक्ताच्या एकाच नमुन्यातील लाल पेशी सूक्ष्मद्राविकी उपकरणातून पाठवून मिळालेल्या कोनांची तुलना त्याच नमुन्यातील पेशींच्या अणूबल सूक्ष्मदर्शकाने मोजलेल्या ताठरतेच्या मोजमापाशी करून संशोधकांनी उपकरणाचे अंशन (कॅलिब्रेशन) केले. एका उपकरणासाठी आणि ठराविक प्रकारच्या पेशींसाठी एकदाच अंशन करावे लागते. आयआयटी मुंबईचे प्राध्यापक शमिक सेन व त्यांची सहायक तनुश्री रॉय यांनी अणूबल सूक्ष्मदर्शकाचा उपयोग करून लाल रक्तपेशींची ताठरता मोजली.

अंशन करण्याची आदर्श पद्धत म्हणजे एका वेळी एक लाल पेशी आयआयटी मुंबईच्या उपकरणातून पाठवून त्याचा विक्षेपन कोन मोजावा, मग त्याच पेशीची ताठरता अणूबल सूक्ष्मदर्शकाच्या आधारे मोजावी, व हीच कृती शेकडो वेळा करून परस्परसंबंध प्रस्थापित करून अंशन करावे. प्रयोगाचे स्वरूप बघता ह्या पद्धतीने अंशन करणे नक्कीच व्यवहार्य नाही. पर्याय म्हणून संशोधकांनी विदा-पद्धतीने (डेटा-बेस्ड) अंशन केले. प्रा. धृबादित्य मित्रा यांनी विक्षेपन कोनाशी समतुल्य यंग मापांक देणारे अल्गोरिदम विकसित केले.

ते सांगतात, “अल्गोरिदम वापरून आम्ही एक आलेख काढला, ज्याचा उपयोग करून आता कुठल्याही लाल पेशीच्या विक्षेपन कोनावरून त्याची ताठरता काढता येईल. इतर कुठल्याही पद्धतीने मापन करण्याची गरज लागणार नाही.” 

कृत्रिमपणे ताठर केलेल्या लाल रक्तपेशींचे संच वापरून संशोधकांनी आयआयटी मुंबईचे उपकरण प्रमाणित केले.

सध्या सदर उपकरण फक्त रक्तातील लाल पेशींची ताठरता मोजायला उपयुक्त आहे, मात्र ते १०० पट लहान केले जाऊ शकते, व नॅनोमीटर आकाराच्या पदार्थांची, जसे पेशीबाह्य पुटिकांची ताठरता मोजता येऊ शकेल. उच्च वियोजन (हाय रेसोल्यूशन) सूक्ष्मदर्शकातूनही पेशीबाह्य पुटिका केवळ तीव्र प्रकाशमान बिंदूंसारख्या दिसतात, त्यामुळे बल लावल्यावर आकार कसा बदलतो हे पाहून ताठरता मोजणारी उपकरणे त्यांसाठी उपयोगी नाहीत.

संशोधक सांगतात, “आमच्या पद्धतीत ताठरता मोजायला वस्तूचा प्रक्षेपमार्ग मोजला जातो, तिच्या आकारातील बदल पाहिला जात नाही, त्यामुळे नॅनो-आकाराच्या पदार्थांची ताठरता मोजायला देखील ही पद्धत सहज वापरता येणे शक्य आहे.”

हे उपकरण शरीरातील वेगवेगळ्या आकारमानाच्या व आकाराच्या पेशींची ताठरता मोजण्यासाठी अधिक विकसित करण्याची संशोधकांची योजना आहे.