દવાઓની ઝેરી અસર પરખવા ક્વોન્ટમ સેન્સર્સ: બાયોમેડિકલ ક્ષેત્રે નવી ક્રાંતિનો આરંભ

કોઈપણ નવી દવાની શોધ થાય ત્યારે તે માનવ શરીર માટે કેટલી સલામત છે અને તેની કોઈ ઝેરી અસર છે કે નહીં તે જાણવું સૌથી મોટો પડકાર હોય છે. અત્યાર સુધી આ ચકાસણી માટે મોટાભાગે પ્રયોગશાળાના પ્રાણીઓ અથવા પરંપરાગત પેટ્રી-ડિશ કલ્ચર પર આધાર રાખવો પડતો હતો. હવે અમેરિકાની અંતરિક્ષ સંસ્થા NASA અને આરોગ્ય સંશોધન સંસ્થા National Institutes of Health (NIH) દ્વારા એક અત્યંત મહત્વપૂર્ણ પહેલ શરૂ કરવામાં આવી છે, જેને 'QuSAFE' (The Quantum-Enabled Predictive Preclinical NAMs for Toxicity and Safety) ચેલેન્જ નામ આપવામાં આવ્યું છે. આ સહયોગનો હેતુ બાયોમેડિકલ સંશોધનમાં ક્વોન્ટમ-સક્ષમ સેન્સિંગ પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરવાનો છે, જેથી પ્રાણીઓ પર થતા પ્રયોગો ઘટે અને માનવ-સુસંગત ડેટા વધુ ચોકસાઈથી મેળવી શકાય.

આ અભિગમ ખાસ કરીને ન્યુ એપ્રોચ મેથડોલોજીઝ (New Approach Methodologies - NAMs) પર કેન્દ્રિત છે, જેમાં ઇન વિટ્રો (in vitro: શરીરની બહાર પ્રયોગશાળાના કાચના વાસણમાં કે નિયંત્રિત વાતાવરણમાં થતા પ્રયોગો) પદ્ધતિઓ જેવી કે ઓર્ગેનોઇડ્સ (organoids: પ્રયોગશાળામાં માનવ કોષોમાંથી વિકસાવેલા ત્રિપરિમાણીય લઘુ-અંગો) અને માઇક્રોફિઝિયોલોજિકલ સિસ્ટમ્સ (microphysiological systems - MPS: માનવ અંગોની જૈવિક ક્રિયાઓની નકલ કરતી માઇક્રોચિપ આધારિત વ્યવસ્થાઓ)નો સમાવેશ થાય છે.

પરંપરાગત પરીક્ષણોની મર્યાદા અને ક્વોન્ટમ ટેકનોલોજીની જરૂરિયાત

દવાઓના વિકાસમાં પ્રી-ક્લિનિકલ તબક્કો સૌથી પાયાનો ગણાય છે. જોકે, પ્રયોગશાળામાં વપરાતા સામાન્ય ઇમેજિંગ અને પરંપરાગત રાસાયણિક પરખ (conventional assays) પદ્ધતિઓમાં ભારે મર્યાદાઓ રહેલી છે. આ પદ્ધતિઓ ઘણીવાર વધુ પડતો અવાજ કે ખલેલ (noisy) ધરાવે છે અને કોષોની રચનાને નુકસાન પહોંચાડે (invasive) તેવી હોય છે. પરિણામે, દવાના સંપર્કમાં આવતા જ કોષોમાં ઉદ્ભવતા અત્યંત નબળા, પ્રારંભિક અને અલ્પ માત્રામાં રહેલા જૈવિક સંકેતો (low-abundance biological signals) પારખી શકાતા નથી.

વળી, ઘણી પરંપરાગત પદ્ધતિઓ વિનાશક (destructive) હોય છે; એટલે કે માપન કરવા માટે કોષોનો નાશ કરવો પડે છે, જેના કારણે સમય સાથે થતા ગતિશીલ જૈવિક ફેરફારોનું સતત નિરીક્ષણ કરવું અશક્ય બની જાય છે. અહીં ક્વોન્ટમ સેન્સિંગ નિર્ણાયક સાબિત થાય છે. ક્વોન્ટમ-સક્ષમ સેન્સર્સ અલ્ટ્રા-હાઇ સેન્સિટિવિટી, સુધારેલો સિગ્નલ-ટુ-નોઈઝ રેશિયો અને નેનોસ્કેલ રિઝોલ્યુશન (nanoscale resolution: અબજમા મીટરના સ્તરે સ્પષ્ટતા) પ્રદાન કરે છે. આ ક્ષમતા એવી જૈવિક ગતિવિધિઓને પકડી પાડે છે જે હાલની શાસ્ત્રીય પદ્ધતિઓથી જોવી અશક્ય છે.

ક્વોન્ટમ સેન્સિંગ કેવી રીતે કાર્ય કરે છે?

ક્વોન્ટમ ટેકનોલોજી અંતર્ગત ક્વોન્ટમ સેન્સર ભૌતિક પરિમાણો માપવા માટે ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સની મૂળભૂત ઘટનાઓનો લાભ લે છે. તેમાં સુપરપોઝિશન (superposition: એક કણ એકસાથે એકથી વધુ અવસ્થાઓમાં હોવાની સ્થિતિ), ક્વોન્ટમ એન્ટેંગલમેન્ટ (entanglement: બે કે તેથી વધુ કણો વચ્ચેનું અતૂટ જોડાણ) અને ક્વોન્ટમ સ્ક્વિઝિંગ (quantum squeezing: અનિશ્ચિતતા ઘટાડીને ચોક્કસ માપન મેળવવું) જેવી ઘટનાઓનો સમાવેશ થાય છે. સિદ્ધાંત મુજબ, આવા સેન્સર્સની ચોકસાઈ માત્ર હાઇઝનબર્ગના અનિશ્ચિતતાના સિદ્ધાંતથી જ મર્યાદિત હોય છે, એટલે કે ભૌતિકશાસ્ત્રની ચરમસીમા સુધી તે સચોટ હોઈ શકે છે.

આ સેન્સર્સ મુખ્યત્વે ફોટોનિક (photonic: પ્રકાશ આધારિત) અથવા સોલિડ-સ્ટેટ (solid-state: ઘન પદાર્થ આધારિત) પ્રણાલીઓમાં વર્ગીકૃત થાય છે. ફોટોનિક સેન્સિંગમાં સિંગલ ફોટોન અને સ્ક્વિઝ્ડ લાઇટનો ઉપયોગ કરીને અત્યંત નબળા સિગ્નલોનું માપન ઇન્ટરફેરોમેટ્રિક પદ્ધતિઓ દ્વારા થાય છે. બીજી તરફ, સોલિડ-સ્ટેટ સેન્સર્સ ચોક્કસ ચાર માપદંડોને અનુસરે છે, જેમાં અલગ-અલગ ઉર્જા સ્તરો હોવા અને તેને સંલગ્ન રીતે નિયંત્રિત કરી શકાય તેવી વ્યવસ્થા હોવી અનિવાર્ય છે.

બાયોમેડિકલ એપ્લિકેશન્સમાં, સ્પિન ક્યુબિટ્સ (spin qubits) અથવા નાનોપાર્ટિકલ્સ કોષોની અંદર ચાલતી વિદ્યુત અને ચુંબકીય ગતિવિધિઓ પ્રત્યે અત્યંત સંવેદનશીલ પ્રતિભાવ આપે છે. ઉદાહરણ તરીકે, ટ્રેપ્ડ આયન્સ વિદ્યુત ક્ષેત્રો સાથે જોડાય છે જ્યારે સ્પિન સિસ્ટમ્સ ચુંબકીય ક્ષેત્રોને માપે છે. આ સિસ્ટમ્સ પ્રોજેક્શન નોઈઝ દૂર કરીને નેનો-ન્યુક્લિયર મેગ્નેટિક રેઝોનન્સ (nano-NMR) જેવી તકનીકોને સક્ષમ બનાવે છે, જે એક જ કોષમાં મોલેક્યુલર સ્તરે દવાઓની ઝેરી અસર પારખી શકે છે.

વૈશ્વિક સંશોધન રોકાણ અને તબીબી સંદર્ભ

બાયોમેડિકલ સંશોધનનો મૂળ હેતુ માનવ રોગોની સમજણ અને ઉપચાર શોધવાનો છે. આ પ્રક્રિયા બે મુખ્ય ભાગમાં વહેંચાયેલી હોય છે: ક્લિનિકલ (જેમાં માનવ દર્દીઓ પર પરીક્ષણ થાય છે) અને પ્રી-ક્લિનિકલ (જે પ્રયોગશાળામાં પ્રાણીઓ કે મોડેલ્સ પર થાય છે). દવાઓના વિકાસમાં પ્રી-ક્લિનિકલ ડેટાની વિશ્વસનીયતા અત્યંત નિર્ણાયક છે કારણ કે ખોટા પરિણામો ક્લિનિકલ ટ્રાયલ્સમાં કરોડો ડોલરનું નુકસાન અને સમયનો બગાડ નોંતરે છે.

વર્ષ ૨૦૨૪માં વૈશ્વિક સ્તરે સંશોધન અને વિકાસ (R&D) પર કુલ ખર્ચ અંદાજે $૨.૯ ટ્રિલિયન (આશરે ૨.૯ લાખ કરોડ ડૉલર) સુધી પહોંચ્યો હતો. આ વૈશ્વિક રોકાણમાં એશિયાનો હિસ્સો લગભગ ૪૫% રહ્યો હતો. દેશોની દ્રષ્ટિએ ચીન અને અમેરિકા લગભગ સમાન સ્તરે હતા; ચીને અંદાજે $૭૮૫.૯ અબજ અને અમેરિકાએ $૭૮૧.૮ અબજ ખર્ચ્યા હતા.

યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સમાં બેઝિક સંશોધનના ભંડોળમાં નેશનલ સાયન્સ ફાઉન્ડેશનના આંકડા મુજબ, ૨૦૧૫માં ખર્ચાયેલા $૮૬ અબજમાંથી ફેડરલ એજન્સીઓએ માત્ર ૪૪% રકમ પૂરી પાડી હતી. આ સંશોધનમાં NIH અને ફાર્માસ્યુટિકલ કંપનીઓએ અનુક્રમે $૨૬.૪ અબજ (૨૮%) અને $૨૭ અબજ (૨૯%) ફાળવ્યા હતા, જ્યારે બાયોટેકનોલોજી કંપનીઓએ $૧૭.૯ અબજ (૧૯%) અને તબીબી ઉપકરણ કંપનીઓએ $૯.૨ અબજ (૧૦%) આપ્યા હતા. ૧૯૯૫થી ૨૦૧૦ દરમિયાન NIHનું તબીબી સંશોધન બજેટ $૧૧ અબજથી વધીને $૨૭ અબજ થઈ ગયું હતું, છતાં FDA દ્વારા મંજૂર કરાતી નવી દવાઓની સંખ્યા તે સમયગાળા દરમિયાન મોટાભાગે સ્થિર રહી હતી.

અંતરિક્ષથી પૃથ્વી સુધી: નાસા અને વૈદકીય વિજ્ઞાનનો સમન્વય

NIH-NASA QuSAFE પહેલ સીધી રીતે નાસાના બાયોલોજિકલ એન્ડ ફિઝિકલ સાયન્સિસ ડિવિઝનને સહાય કરે છે. સામાન્ય રીતે પ્રશ્ન થાય કે અંતરિક્ષ સંસ્થા દવાઓના પરીક્ષણમાં કેમ રસ દાખવે છે? લાંબા ગાળાના માનવ મિશન, જેમ કે ચંદ્ર અને મંગળની યાત્રા દરમિયાન અંતરિક્ષ યાત્રીઓ અવકાશના રેડિયેશન અને માઇક્રોગ્રેવિટીના અતિશય દબાણ હેઠળ રહે છે. અંતરિક્ષમાં માનવ શરીર પર દવાઓ અને ઝેરી તત્ત્વો કેવી અસર કરે છે તે સમજવા માટે સામાન્ય પ્રયોગશાળાઓથી પર જઈને કાર્ય કરી શકે તેવી અતિસૂક્ષ્મ ડિટેક્શન પદ્ધતિઓની જરૂર પડે છે.

ક્વોન્ટમ સેન્સર્સનો વિકાસ અવકાશ મિશનો માટે પોર્ટેબલ અને અત્યંત સંવેદનશીલ ડાયગ્નોસ્ટિક ઉપકરણો પૂરા પાડી શકે છે. સાથે સાથે, આ જ ટેકનોલોજી પૃથ્વી પર ફાર્માસ્યુટિકલ ઉદ્યોગમાં પ્રાણીઓ પરની નિર્ભરતા ઘટાડીને વધુ ઝડપી અને સુરક્ષિત દવાઓ વિકસાવવામાં ક્રાંતિકારી સાબિત થશે. સેન્સર વિકાસ ક્ષેત્રે થયેલી તાજેતરની પ્રગતિ અંતરિક્ષ સંશોધનની ક્ષમતા વધારવા ઉપરાંત પૃથ્વી પરના માનવ સ્વાસ્થ્યને વ્યાપક લાભ આપશે.