Phenotypes and Cellular Mechanics of Primary Human Aorta- and Pluripotent Stem Cell-derived Vascular Smooth Muscle Cells

हमारी रक्त वाहिकाओं की दीवारों के भीतर मांसपेशियों की एक विशेष परत होती है जो शरीर के रक्त प्रवाह के मास्टर रेगुलेटर (मुख्य नियंत्रक) के रूप में कार्य करती है। ये कोशिकाएं, जिन्हें वैस्कुलर स्मूथ मसल सेल्स (vascular smooth muscle cells) कहा जाता है, परिसंचरण के द्वारपाल हैं। जब वे स्वस्थ और परिपक्व होती हैं, तो वे शांत और मजबूती से संकुचित रहती हैं, रक्तचाप बनाए रखने के लिए एक स्थिर, शक्तिशाली पकड़ के साथ वाहिका को खुला रखती हैं। हालांकि, जब शरीर को क्षति की मरम्मत करने की आवश्यकता होती है या जब कोई बीमारी आती है, तो ये कोशिकाएं अपना स्वभाव बदल सकती हैं। वे अपनी पकड़ ढीली कर सकती हैं, बड़ी हो सकती हैं और किसी घाव को भरने या नए ऊतक बनाने के लिए तेजी से विभाजित हो सकती हैं। एक स्थिर, संकुचन अवस्था और एक व्यस्त, विकासशील अवस्था के बीच स्विच करने की यह क्षमता स्वास्थ्य के लिए महत्वपूर्ण है, लेकिन यह कई खतरनाक स्थितियों, जैसे कि धमनी के कमजोर होने और फूल जाने (जिसे एन्यूरिज्म कहा जाता है) के पीछे का इंजन भी है। यह समझने के लिए कि ये कोशिकाएं कैसे काम करती हैं और वे कभी क्यों विफल हो जाती हैं, वैज्ञानिकों को प्रयोगशाला में उनका अध्ययन करने की आवश्यकता होती है। दशकों से, शोधकर्ता मानव दाताओं से सीधे इन कोशिकाओं को लेने पर निर्भर रहे हैं, लेकिन इस दृष्टिकोण में एक बड़ा दोष है: प्रत्येक दाता अलग होता है, और शरीर से बाहर निकलने के बाद कोशिकाएं अक्सर अपना व्यवहार बदल लेती हैं, जिससे यह बताना कठिन हो जाता है कि परिणाम किसी विशिष्ट बीमारी के कारण है या लोगों के बीच प्राकृतिक भिन्नता के कारण।

इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक अधिक सुसंगत स्रोत की ओर रुख किया: मानव प्लुरिपोटेंट स्टेम सेल्स (human pluripotent stem cells)। ये मास्टर कोशिकाएं हैं जो शरीर के किसी भी प्रकार के ऊतक में बदलने में सक्षम हैं। इन स्टेम सेल्स को एक विशिष्ट विकासात्मक पथ पर निर्देशित करके, वैज्ञानिकों ने एक डिश में वैस्कुलर स्मूथ मसल सेल्स की एक ताज़ा आपूर्ति तैयार की। उनके नए अध्ययन का लक्ष्य यह देखना था कि क्या लैब में उगाई गई ये कोशिकाएं वास्तव में वास्तविक मानव धमनियों में पाई जाने वाली कोशिकाओं की तरह व्यवहार करती हैं। उन्होंने अपने स्टेम-सेल-व्युत्पन्न (stem-cell-derived) कोशिकाओं की तुलना सीधे मानव महाधमनी (aorta) से प्राप्त कोशिकाओं से की, जो हृदय से रक्त ले जाने वाली बड़ी वाहिकाएं हैं। शोधकर्ता यह जानना चाहते थे कि क्या लैब में बनी कोशिकाएं वास्तविक कोशिकाओं की दो मुख्य अवस्थाओं की नकल कर सकती हैं: व्यस्त, विकासशील अवस्था और शांत, संकुचन अवस्था। वे इन कोशिकाओं की भौतिक शक्ति को भी मापना चाहते थे, यह जांचना चाहते थे कि वे अपने परिवेश पर कितना बल लगा सकती हैं, जो रक्त वाहिकाओं के आकार को बनाए रखने में एक प्रमुख कारक है।

टीम ने अपने स्टेम-सेल-व्युत्पन्न कोशिकाओं को उगाने और उन्हें सावधानीपूर्वक स्मूथ मसल प्रकार में बदलने के लिए निर्देशित करना शुरू किया। उन्होंने पाया कि ये कोशिकाएं वास्तव में दोनों अवस्थाओं के बीच स्विच कर सकती थीं। जब इन्हें अकेला छोड़ दिया जाता, तो ये कोशिकाएं वास्तविक कोशिका के 'ग्रोइंग' (बढ़ने वाले) और 'सिंथेटिक' संस्करण की तरह कार्य करती थीं, जो विभाजित होती थीं और स्थान भर देती थीं। जब शोधकर्ताओं ने कल्चर में एक विशिष्ट रासायनिक अवरोधक (chemical inhibitor) मिलाया, तो कोशिकाओं ने विभाजित होना बंद कर दिया और परिपक्व, संकुचनशील प्रकार में बदल गईं। इन उपचारित कोशिकाओं का आकार बढ़ गया, उनके भीतर मजबूत रेशे विकसित हुए, और उन्होंने मांसपेशियों के संकुचन के लिए जिम्मेदार प्रोटीन के उच्च स्तर का उत्पादन किया। यह सुनिश्चित करने के लिए कि ये लैब-निर्मित कोशिकाएं केवल दिखने में ही नहीं बल्कि कार्य में भी सही हैं, टीम ने उनकी भौतिक शक्ति को मापा। उन्होंने एकल कोशिकाओं को छोटे, लचीले स्तंभों (pillars) पर रखा और देखा कि कोशिकाओं द्वारा खींचने पर वे स्तंभ कितना झुकते हैं। उन्होंने सैकड़ों कोशिकाओं वाले छोटे, त्रि-आयामी ऊतक भी बनाए और इन सूक्ष्म बंडलों द्वारा संकुचन के दौरान उत्पन्न किए गए सामूहिक बल को मापा।

परिणामों ने लैब-निर्मित कोशिकाओं और मानव दाताओं से ली गई कोशिकाओं के बीच एक आश्चर्यजनक समानता दिखाई। दोनों प्रकार की कोशिकाओं ने एक तुलनीय सीमा में बल उत्पन्न किया, जो प्रति स्तंभ अरबवें न्यूटन के स्तर पर मापा गया। इसने पुष्टि की कि स्टेम-सेल-व्युत्पन्न कोशिकाएं वास्तविक कोशिकाओं की तरह ही समान कार्य करने में यांत्रिक रूप से सक्षम थीं। हालांकि, अध्ययन ने एक बड़े अंतर को भी उजागर किया। मानव महाधमनी से ली गई कोशिकाओं के व्यवहार में एक बैच से दूसरे बैच के बीच बहुत अधिक भिन्नता थी। कुछ बैच वांछित मांसपेशी कोशिकाओं से भरे थे, जबकि अन्य में मुख्य रूप से अन्य प्रकार की कोशिकाएं थीं, और उनकी शक्ति और व्यवहार दाता की आयु और धमनी के विशिष्ट भाग के आधार पर अप्रत्याशित रूप से बदल जाता था। इसके विपरीत, स्टेम-सेल-व्युत्पन्न कोशिकाएं उल्लेखनीय रूप से सुसंगत थीं। प्रत्येक बैच एक ही तरह से व्यवहार करता था, रासायनिक स्विच के प्रति एक ही तरह से प्रतिक्रिया करता था, और समान मात्रा में बल उत्पन्न करता था।

शोधकर्ताओं ने यह भी परीक्षण किया कि क्या वे उसी रासायनिक उपचार का उपयोग करके प्राकृतिक दाता कोशिकाओं को परिपक्व, संकुचनशील प्रकार की तरह बना सकते हैं। उन्होंने पाया कि यह काम करता था, लेकिन दाता कोशिकाओं के विभिन्न बैचों में इसकी प्रतिक्रिया असंगत थी। कुछ बैचों ने मजबूती से प्रतिक्रिया दी, जो बहुत अधिक शक्तिशाली और संकुचनशील हो गए, जबकि अन्य में बहुत कम परिवर्तन दिखा। इस असंगतता ने केवल दाता कोशिकाओं का उपयोग करते समय स्पष्ट निष्कर्ष निकालना कठिन बना दिया। अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि हालांकि मानव दाताओं से ली गई कोशिकाएं उपयोगी हैं, लेकिन वे रक्त वाहिकाओं की यांत्रिकी का अध्ययन करने के लिए एक आदर्श उपकरण नहीं हो सकतीं क्योंकि उनमें बहुत अधिक 'शोर' (अनिश्चितता) है। दूसरी ओर, स्टेम-सेल-व्युत्पन्न कोशिकाएं एक स्वच्छ, पुनरुत्पादक (reproducible) मॉडल प्रदान करती हैं। उन्हें उच्च सटीकता के साथ बढ़ने वाली और संकुचन वाली अवस्थाओं के बीच स्विच किया जा सकता है, और वे ऐसे बल उत्पन्न करती हैं जो वास्तविक मानव कोशिकाओं से मेल खाते हैं। यह वैज्ञानिकों को एक विश्वसनीय, मानकीकृत उपकरण प्रदान करता है जिससे वे यह अध्ययन कर सकें कि रक्त वाहिकाएं कैसे काम करती हैं, बीमारी में वे कैसे टूटती हैं, और नए ड्रग्स (दवाएं) उन्हें ठीक करने में कैसे मदद कर सकती हैं, और इसमें प्राकृतिक मानवीय भिन्नता का भ्रम भी नहीं होता।