दवाओं के विषैले प्रभाव परखने के लिए क्वांटम सेंसर: बायोमेडिकल क्षेत्र में नई क्रांति का आरंभ

कोई भी नई दवा बनने पर वह मानव शरीर के लिए कितनी सुरक्षित है और उसका कोई विषैला प्रभाव है या नहीं, यह जानना सबसे बड़ी चुनौती होती है। अब तक इस जाँच के लिए ज्यादातर प्रयोगशाला के जानवरों या पारंपरिक पेट्री-डिश कल्चर पर निर्भर रहना पड़ता था। अब अमेरिका की अंतरिक्ष संस्था NASA और स्वास्थ्य अनुसंधान संस्था National Institutes of Health (NIH) द्वारा एक अत्यंत महत्वपूर्ण पहल शुरू की गई है, जिसे 'QuSAFE' (The Quantum-Enabled Predictive Preclinical NAMs for Toxicity and Safety) चैलेंज नाम दिया गया है। इस सहयोग का उद्देश्य बायोमेडिकल अनुसंधान में क्वांटम-सक्षम सेंसिंग पद्धतियों का उपयोग करना है, ताकि जानवरों पर होने वाले प्रयोग घटे और मानव-संगत डेटा अधिक सटीकता से प्राप्त किया जा सके।

यह दृष्टिकोण विशेष रूप से न्यू अप्रोच मेथडोलोजीज (New Approach Methodologies - NAMs) पर केंद्रित है, जिसमें इन विट्रो (in vitro: शरीर के बाहर प्रयोगशाला के काँच के बर्तन में या नियंत्रित वातावरण में होने वाले प्रयोग) पद्धतियों जैसे कि ऑर्गनॉइड्स (organoids: प्रयोगशाला में मानव कोशिकाओं से विकसित त्रिविम लघु-अंग) और माइक्रोफिजियोलॉजिकल सिस्टम्स (microphysiological systems - MPS: मानव अंगों की जैविक क्रियाओं की नकल करने वाली माइक्रोचिप आधारित व्यवस्थाएँ) शामिल हैं।

पारंपरिक परीक्षणों की सीमा और क्वांटम तकनीक की आवश्यकता

दवाओं के विकास में प्री-क्लिनिकल चरण सबसे बुनियादी माना जाता है। हालाँकि, प्रयोगशाला में प्रयुक्त सामान्य इमेजिंग और पारंपरिक रासायनिक परख (conventional assays) पद्धतियों में भारी सीमाएँ रहती हैं। ये पद्धतियाँ अक्सर अत्यधिक शोर या व्यवधान (noisy) रखती हैं और कोशिकाओं की संरचना को नुकसान पहुँचाने (invasive) वाली होती हैं। परिणामस्वरूप, दवा के संपर्क में आते ही कोशिकाओं में उत्पन्न होने वाले अत्यंत कमज़ोर, शुरुआती और अल्प मात्रा में रहने वाले जैविक संकेतों (low-abundance biological signals) को पहचाना नहीं जा सकता है।

साथ ही, कई पारंपरिक पद्धतियाँ विनाशकारी (destructive) होती हैं; यानी माप करने के लिए कोशिकाओं का नाश करना पड़ता है, जिसके कारण समय के साथ होने वाले गतिशील जैविक परिवर्तनों का निरंतर निरीक्षण करना असंभव बन जाता है। यहाँ क्वांटम सेंसिंग निर्णायक साबित होती है। क्वांटम-सक्षम सेंसर्स अल्ट्रा-हाई सेंसिटिविटी, सुधरा हुआ सिग्नल-टू-नॉइज़ रेशिया और नेनोस्केल रिज़ॉल्यूशन (nanoscale resolution: अरबवें मीटर के स्तर पर स्पष्टता) प्रदान करते हैं। यह क्षमता ऐसी जैविक गतिविधियों को पकड़ लेती है जो मौजूदा शास्त्रीय पद्धतियों से देखना असंभव है।

क्वांटम सेंसिंग कैसे कार्य करता है?

क्वांटम तकनीक के अंतर्गत क्वांटम सेंसर भौतिक परिमापों को मापने के लिए क्वांटम मैकेनिक्स की बुनियादी घटनाओं का लाभ लेते हैं। इसमें सुपरपोजिशन (superposition: एक कण एकसाथ एक से अधिक अवस्थाओं में होने की स्थिति), क्वांटम एन्टेंगलमेंट (entanglement: दो या दो से अधिक कणों के बीच का अटूट संबंध) और क्वांटम स्क्वीज़िंग (quantum squeezing: अनिश्चितता घटाकर सटीक माप प्राप्त करना) जैसी घटनाएँ शामिल हैं। सिद्धांत के अनुसार, ऐसे सेंसर्स की सटीकता केवल हाइजेनबर्ग के अनिश्चितता के सिद्धांत से ही सीमित होती है, यानी भौतिकी की चरम सीमा तक वह सटीक हो सकती है।

ये सेंसर्स मुख्य रूप से फोटोनिक (photonic: प्रकाश आधारित) या सॉलिड-स्टेट (solid-state: ठोस पदार्थ आधारित) प्रणालियों में वर्गीकृत होते हैं। फोटोनिक सेंसिंग में सिंगल फोटॉन और स्क्विज्ड लाइट का उपयोग करके अत्यंत कमजोर सिग्नलों का मापन इंटरफेरोमेट्रिक पद्धतियों द्वारा होता है। दूसरी ओर, सॉलिड-स्टेट सेंसर्स विशिष्ट चार मापदंडों का पालन करते हैं, जिनमें अलग-अलग ऊर्जा स्तर होना और उन्हें सुसंगत रूप से नियंत्रित की जा सकने वाली व्यवस्था होना अनिवार्य है।

बायोमेडिकल एप्लिकेशन्स में, स्पिन क्यूबिट्स (spin qubits) या नैनोपार्टिकल्स कोशिकाओं के अंदर चलने वाली विद्युत और चुंबकीय गतिविधियों के प्रति अत्यंत संवेदनशील प्रतिक्रिया देते हैं। उदाहरण के लिए, ट्रैप्ड आयन्स विद्युत क्षेत्रों से जुड़ते हैं जबकि स्पिन सिस्टम्स चुंबकीय क्षेत्रों को मापते हैं। ये सिस्टम्स प्रोजेक्शन नॉइज दूर करके नैनो-न्यूक्लियर मैग्नेटिक रेजोनेंस (nano-NMR) जैसी तकनीकों को सक्षम बनाते हैं, जो एक ही कोशिका में मॉलिक्यूलर स्तर पर दवाओं की जहरीली असर को परख सकती हैं।

वैश्विक अनुसंधान निवेश और चिकित्सीय संदर्भ

बायोमेडिकल अनुसंधान का मूल उद्देश्य मानव रोगों की समझ और उपचार खोजना है। यह प्रक्रिया दो मुख्य भागों में बंटी होती है: клиниकल (जिसमें मानव रोगियों पर परीक्षण होता है) और प्री-क्लीनिकल (जो प्रयोगशाला में जानवरों या मॉडल्स पर होता है)। दवाओं के विकास में प्री-क्लीनिकल डेटा की विश्वसनीयता अत्यंत निर्णायक है क्योंकि गलत परिणाम क्लिनिकल ट्रायल में करोड़ों डॉलर का नुकसान और समय की बर्बादी लाते हैं।

वर्ष 2024 में वैश्विक स्तर पर अनुसंधान और विकास (R&D) पर कुल खर्च लगभग $2.9 ट्रिलियन (लगभग 2.9 लाख करोड़ डॉलर) तक पहुंच गया था। इस वैश्विक निवेश में एशिया की हिस्सेदारी लगभग 45% रही थी। देशों की दृष्टि से चीन और अमेरिका लगभग समान स्तर पर थे; चीन ने लगभग $785.9 अरब और अमेरिका ने $781.8 अरब खर्च किए थे।

यूनाइटेड स्टेट्स में बेसिक अनुसंधान के वित्तपोषण में नेशनल साइंस फाउंडेशन के आंकड़ों के अनुसार, 2015 में खर्च किए गए $86 अरब में से फेडरल एजेंसियों ने केवल 44% राशि प्रदान की थी। इस अनुसंधान में NIH और फार्मास्युटिकल कंपनियों ने क्रमशः $26.4 अरब (28%) और $27 अरब (29%) आवंटित किए थे, जबकि बायोटेक्नोलॉजी कंपनियों ने $17.9 अरब (19%) और चिकित्सा उपकरण कंपनियों ने $9.2 अरब (10%) दिए थे। 1995 से 2010 के दौरान NIH का चिकित्सा अनुसंधान बजट $11 अरब से बढ़कर $27 अरब हो गया था, फिर भी FDA द्वारा मंजूर की जाने वाली नई दवाओं की संख्या उस अवधि के दौरान ज्यादातर स्थिर रही थी।

अंतरिक्ष से पृथ्वी तक: नासा और वैदकीय विज्ञान का समन्वय

NIH-NASA QuSAFE पहल सीधे तौर पर नासा के बायोलॉजिकल एंड फिजिकल साइंसेज डिवीजन की सहायता करती है। सामान्य तौर पर यह प्रश्न उठता है कि अंतरिक्ष संस्था दवाओं के परीक्षण में क्यों रुचि रखती है? लंबे समय के मानव मिशन, जैसे कि चंद्रमा और मंगल की यात्रा के दौरान अंतरिक्ष यात्री अंतरिक्ष के रेडिएशन और माइक्रोग्रैविटी के अत्यधिक दबाव के तहत रहते हैं। अंतरिक्ष में मानव शरीर पर दवाइयों और जहरीले तत्त्वों का क्या प्रभाव पड़ता है, यह समझने के लिए सामान्य प्रयोगशालाओं से परे जाकर कार्य कर सकें ऐसी अतिसूक्ष्म डिटेक्शन पद्धतियों की आवश्यकता होती है।

क्वांटम सेंसर्स का विकास अंतरिक्ष मिशनों के लिए पोर्टेबल और अत्यंत संवेदनशील डायग्नोस्टिक उपकरण प्रदान कर सकता है। साथ ही, यही तकनीक पृथ्वी पर फार्मास्यूटिकल उद्योग में जानवरों पर की निर्भरता को घटाकर अधिक तीव्र और सुरक्षित दवाओं को विकसित करने में क्रांतिकारी साबित होगी। सेंसर विकास क्षेत्र में हुई हालिया प्रगति अंतरिक्ष अनुसंधान की क्षमता बढ़ाने के अलावा पृथ्वी पर के मानव स्वास्थ्य को व्यापक लाभ पहुँचाएगी।