Proteome modulation by opposite inotropic drugs in human engineered cardiac tissue revealed by topology-driven cross-modal integration

मानव हृदय एक निरंतर पंप है, एक ऐसी मांसपेशी जो बिना रुके दिन में लगभग एक लाख बार धड़कती है। इस लय को बनाए रखने के लिए, हृदय प्रोटीन की एक जटिल आंतरिक मशीनरी पर निर्भर करता है जो संकुचन करती है, संकेत देती है और ऊर्जा उत्पन्न करती है। जब वैज्ञानिक नई दवाओं का परीक्षण करना चाहते हैं या हृदय रोग को समझना चाहते हैं, तो वे अक्सर इंजीनियर किए गए हृदय ऊतकों (engineered heart tissues) की ओर मुड़ते हैं। ये प्रयोगशाला में उगाए गए जीवित हृदय कोशिकाओं के छोटे, त्रि-आयामी समूह होते हैं, जिन्हें वास्तविक मानव हृदय के व्यवहार की नकल करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। वे यह देखने का एक तरीका प्रदान करते हैं कि एक दवा धड़कन की ताकत को कैसे बदलती है और साथ ही यह भी देखते हैं कि कोशिकाओं के भीतर क्या हो रहा है। हालाँकि, मांसपेशियों की दृश्य गति को इसके हजारों प्रोटीनों के अदृश्य परिवर्तनों से जोड़ना कठिन रहा है। पारंपरिक तरीके अक्सर भौतिक गति और आणविक डेटा को अलग-अलग कहानियों के रूप में देखते हैं, जिससे यह देखना मुश्किल हो जाता है कि वे एक-दूसरे को कैसे प्रभावित करते हैं।

एक नए अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने मानव स्टेम कोशिकाओं से इंजीनियर किए गए हृदय ऊतकों को विकसित करके और उन्हें दो बहुत ही अलग दवाओं: एपिनेफ्रीन (epinephrine), जो हृदय को अधिक जोर से धड़काने में मदद करती है, और डॉक्सोरूबिसिन (doxorubicin), जो एक कीमोथेरेपी दवा है और हृदय को कमजोर करने के लिए जानी जाती है, के साथ उपचार करके इस चुनौती का सामना किया। उन्होंने धड़कन के बल को मापा और फिर ऊतक के भीतर प्रोटीनों का विश्लेषण किया कि कोशिकाएं कैसे प्रतिक्रिया दे रही हैं। डेटा की विशाल मात्रा को समझने के लिए, टीम ने टोपोलॉजिकल डेटा एनालिसिस (topological data analysis) नामक एक गणितीय दृष्टिकोण का उपयोग किया। डेटा को सरल चार्टों में जबरदस्ती फिट करने के बजाय, यह विधि सूचना के भीतर समग्र आकार और संबंधों को देखती है, जिससे शोधकर्ता एक ही समय में दवा, मांसपेशियों की ताकत और प्रोटीन परिवर्तनों के बीच के संबंध को मैप कर सकते हैं।

प्रयोग प्रयोगशाला में उगाए गए मानव हृदय कोशिकाओं के एक बैच से शुरू हुआ जब तक कि वे छोटे, धड़कते हुए ऊतकों के रूप में विकसित नहीं हो गए। शोधकर्ताओं ने इन ऊतकों को समूहों में विभाजित किया। कुछ को अकेला छोड़ दिया गया, कुछ को एक हानिरहित विलायक (solvent) दिया गया, एक समूह को एपिनेफ्रीन प्राप्त हुआ, और एक अन्य को डॉक्सोरूबिसिन। चौबीस घंटों के बाद, उन्होंने मापा कि प्रत्येक ऊतक ने कितनी जोर से संकुचन किया। जैसा कि अपेक्षित था, एपिनेफिन से उपचारित ऊतकों ने अधिक बल के साथ संकुचन किया, जबकि डॉक्सोरूबिसिन से उपचारित ऊतक कमजोर हो गए। बल को मापने के तुरंत बाद, शोधकर्ताओं ने कोशिकाओं के प्रोटीनों का स्नैपशॉट लेने के लिए ऊतकों को फ्रीज कर दिया। उन्होंने प्रत्येक नमूने में सात हजार से अधिक विभिन्न प्रोटीन समूहों की पहचान की, जिससे कोशिकाओं के भीतर क्या हो रहा है इसका एक विस्तृत आणविक मानचित्र तैयार हुआ।

यह समझने के लिए कि ये हजारों प्रोटीन धड़कन की ताकत से कैसे संबंधित थे, टीम ने एक एकीकृत नेटवर्क मॉडल बनाया। कल्पना करें कि डेटा केवल संख्याओं की एक सूची नहीं है, बल्कि एक परिदृश्य (landscape) है जहाँ प्रत्येक बिंदु एक ऊतक नमूने का प्रतिनिधित्व करता है। इस परिदृश्य में, शोधकर्ताओं ने नमूनों को उनके प्रोटीन स्तर और उनकी धड़कन की ताकत के आधार पर रखा। इसने एक जुड़ा हुआ मानचित्र बनाया जहाँ समान व्यवहार और आणविक प्रोफाइल वाले ऊतक एक साथ क्लस्टर (cluster) में आए। मानचित्र ने स्पष्ट रूप से ऊतकों को इस आधार पर अलग किया कि उन्हें कौन सी दवा दी गई थी। एपिनेफ्रीन से उपचारित ऊतक एक क्षेत्र में एकत्र हुए, जो उच्च बल द्वारा पहचाने गए, जबकि डॉक्सोरूबिसिन से उपचारित ऊतक पूरी तरह से अलग क्षेत्र में एकत्र हुए, जो कम बल द्वारा चिह्नित थे। अनुपचारित ऊतक बीच में स्थित थे, जो यह दर्शा रहे थे कि दवाओं ने हृदय कोशिकाओं को विशिष्ट आणविक अवस्थाओं में धकेल दिया था।

इस मानचित्र में संबंधों की जांच करके, शोधकर्ताओं ने खोजा कि कौन से विशिष्ट प्रोटीन इन परिवर्तनों को संचालित कर रहे थे। उन्होंने पाया कि मजबूत धड़कन से जुड़े प्रोटीन, जैसे कि एपिनेफ्रीन के साथ देखे गए, ऊर्जा उत्पादन और कोशिका के पावर प्लांटों, जिन्हें माइटोकॉन्ड्रिया (mitochondria) कहा जाता है, के भीतर नए प्रोटीन बनाने वाली मशीनरी से निकटता से जुड़े थे। इसके विपरीत, डॉक्सोरूबिसिन के कारण जब हृदय कमजोर हुआ तो बदलने वाले प्रोटीन ने लगभग विपरीत पैटर्न दिखाया। दवाओं ने ऊर्जा और प्रोटीन निर्माण प्रक्रियाओं के जुड़ाव को हृदय के कार्य के साथ कैसे जोड़ा जाता है, इसमें उलटफेर कर दिया। जहाँ सकारात्मक दवा ने ऊर्जा उत्पादन और मांसपेशियों के बल के बीच के संबंध को मजबूत किया, वहीं नकारात्मक दवा ने इसे बाधित कर दिया, जिससे पता चलता है कि हृदय की संकुचन की क्षमता इस बात से गहराई से जुड़ी है कि वह अपनी ऊर्जा का प्रबंधन और अपने आंतरिक प्रोटीन संतुलन को कितनी अच्छी तरह बनाए रखता है।

अध्ययन ने यह साबित नहीं किया कि इन प्रोटीन परिवर्तनों ने हृदय को अधिक या कम धड़कने के लिए प्रेरित किया, लेकिन इसने उनके बीच एक मजबूत, सीधा संबंध दिखाया। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि केवल एक प्रोटीन परिवर्तन को देखना यह नहीं बताता कि वह प्रोटीन अधिक सक्रिय है; इसका मतलब केवल यह है कि वह अलग-अलग मात्रा में मौजूद है। हालाँकि, पैटर्न की स्पष्टता यह सुझाव देती है कि ऊर्जा होमियोस्टेसिस (energy homeostasis) और माइटोकॉन्ड्रियल स्वास्थ्य, हृदय के दवाओं के प्रति प्रतिक्रिया करने के तरीके के केंद्र में हैं। डेटा को देखने का यह नया तरीका, जो भौतिक कार्य और आणविक संरचना को एक एकल, परस्पर जुड़े तंत्र के रूप में मानता है, जटिल जैविक प्रतिक्रियाओं को समझने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण प्रदान करता है। यह वैज्ञानिकों को यह देखने की अनुमति देता है कि एक दवा जीवित ऊतक को कैसे बदलती है, जो अलग-थलग तथ्यों से आगे बढ़कर पूरे सिस्टम को समझने की दिशा में एक कदम है। यह दृष्टिकोण हृदय की धड़कन के पीछे की छिपी आणविक कहानियों को उजागर करके बेहतर दवाएं विकसित करने और हृदय रोग को समझने में मदद कर सकता है।