Bridging scale-up to transplantation: pluripotent stem cell-derived pancreatic islet encapsulation in emulsion-generated high concentration alginate beads

टाइप 1 मधुमेह एक ऐसी स्थिति है जहाँ शरीर की प्रतिरक्षा प्रणाली गलती से अग्न्याशय (पैनक्रियास) की उन विशिष्ट कोशिकाओं को नष्ट कर देती है जो इंसुलिन बनाती हैं, जो रक्त शर्करा को नियंत्रित करने के लिए एक आवश्यक हार्मोन है। इन कोशिकाओं के बिना, जीवित रहने के लिए लोगों को दैनिक इंसुलिन इंजेक्शन पर निर्भर रहना पड़ता है। दशकों से, वैज्ञानिक इन खोई हुई कोशिकाओं को बदलने का एक तरीका खोजने की कोशिश कर रहे हैं, इस उम्मीद में कि शरीर की ग्लूकोज को प्रबंधित करने की प्राकृतिक क्षमता को बहाल किया जा सके। एक आशाजनक मार्ग में स्टेम कोशिकाओं से नए इंसुलिन बनाने वाली कोशिकाओं को बनाना शामिल है, जो कि अपरिपक्व कोशिकाएं हैं जो कई अलग-अलग प्रकार के ऊतकों में बदल सकती हैं। हालाँकि, इन स्टेम कोशिकाओं को कार्यात्मक समूहों (इलेट्स) में बदलना जो प्राकृतिक अग्नाशयी आइलेट्स की तरह व्यवहार करते हैं, केवल आधी जंग है। कई रोगियों के उपचार के लिए उपयोगी होने हेतु, इन कोशिकाओं को बड़ी मात्रा में उगाया जाना चाहिए, एक ऐसी प्रक्रिया जिसके कारण वे अक्सर आपस में जुड़कर विशाल, अस्वस्थ पिंडों (ब्लॉब्स) में बदल जाती हैं या लैब में जीवित रखने के लिए आवश्यक हलचल से क्षतिग्रस्त हो जाती हैं। इसके अलावा, एक बार बढ़ने के बाद, इन कोशिकाओं को रोगी की प्रतिरक्षा प्रणाली से सुरक्षा की आवश्यकता होती है ताकि अस्वीकृति को रोका जा सके, एक ऐसी बाधा जिसके लिए आमतौर पर रोगियों को जीवन भर मजबूत दवा लेने की आवश्यकता होती है।

मैगिल विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन समस्याओं को एक साथ हल करने के लिए एक नया तरीका विकसित किया है। उन्होंने एल्जिनेट नामक एक प्राकृतिक पदार्थ, जो समुद्री शैवाल से प्राप्त होता है, से बने छोटे, सुरक्षात्मक गोलों के भीतर स्टेम सेल-व्युत्पन्न आइलेट्स उगाने का एक तरीका बनाया है। विकासशील कोशिकाओं को इन गोलों के भीतर पूरी तरह से परिपक्व होने से पहले रखने से, शोधकर्ताओं ने पाया कि वे कोशिकाओं को आपस में चिपकने या हलचल के यांत्रिक तनाव से मरने से बचाते हुए, बड़े, उत्तेजित टैंकों (स्टिरड टैंकों) में उगा सकते हैं। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि इन सुरक्षात्मक गोलों ने कोशिकाओं को चूहों में प्रत्यारोपण के बाद महीनों तक जीवित रहने और कार्य करने में सक्षम बनाया, और इसके लिए जानवरों को इम्यूनो-सप्रेसिंग (प्रतिरक्षा-दमनकारी) दवाओं की आवश्यकता नहीं पड़ी। यह कार्य एक स्केलेबल विनिर्माण प्रक्रिया की ओर संकेत करता है जो अंततः मधुमेह के कई लोगों का इलाज करने के लिए पर्याप्त कोशिकाएं तैयार कर सकती है, जबकि कोशिकाओं को शरीर के बचाव तंत्र से सुरक्षित रखा जा सके।

यह यात्रा एक विशिष्ट चुनौती के साथ शुरू हुई: स्टेम सेल-व्युत्पन्न आइलेट्स को बड़ी संख्या में कैसे उगाया जाए। लैब में, इन कोशिकाओं को आमतौर पर तरल सस्पेंशन में उगाया जाता है, जहाँ उन्हें पर्याप्त ऑक्सीजन और पोषक तत्व सुनिश्चित करने के लिए लगातार हिलाया जाता है। हालांकि यह छोटे बैचों के लिए काम करता है, लेकिन मानव चिकित्सा के लिए आवश्यक मात्रा में स्केल अप करने से कोशिकाएं आपस में टकराती हैं और विशाल, अनियमित पिंडों में मिल जाती हैं। ये पिंड इतने बड़े हो जाते हैं कि केंद्र तक पोषक तत्व नहीं पहुँच पाते, जिससे कोशिका मृत्यु हो जाती है। इसके अतिरिक्त, हिलाने की भौतिक ताकत नाजुक कोशिकाओं को नुकसान पहुँचा सकती है। शोधकर्ताओं ने परिकल्पना की कि यदि वे प्रक्रिया के शुरुआती चरण में ही प्रत्येक छोटे कोशिका समूह को एक सुरक्षात्मक खोल में बंद कर सकें, तो वे उन्हें आपस में जुड़ने से रोक सकते हैं और बड़े पैमाने पर बायोरिएक्टरों की कठोर शक्तियों से बचा सकते हैं।

इसका परीक्षण करने के लिए, टीम ने पहले मानव स्टेम कोशिकाओं को ऐसे समूहों में उगाया जो अग्नाशयी आइलेट्स की तरह दिखने लगे थे। फिर उन्होंने तेल और पानी की एक प्रक्रिया का उपयोग करके हजारों छोटे बूंदें बनाईं, जिनमें से प्रत्येक में एक तरल एल्जिनेट समाधान में निलंबित कोशिकाओं का एक छोटा समूह था। एक विशिष्ट रासायनिक ट्रिगर जोड़कर, उन्होंने इन तरल बूंदों को ठोस, जेल जैसे मोतियों में बदल दिया। उन्होंने एल्जिनेट जेल की विभिन्न ताकत का परीक्षण किया, जो नरम से लेकर काफी सख्त तक थी, यह देखने के लिए कि वातावरण कोशिकाओं को कैसे प्रभावित करता है। उन्होंने पाया कि कोशिकाएं सभी स्थितियों में अच्छी तरह जीवित रहीं, लेकिन जेल की कठोरता ने विकसित होने वाले कोशिकाओं के प्रकारों को प्रभावित किया। सख्त जेलों में, कोशिकाएं अल्फा कोशिकाओं के रूप में विकसित होने की अधिक संभावना रखती थीं, जो ग्लूकागन नामक हार्मोन का उत्पादन करती हैं, जबकि नरम वातावरण और गैर-एनकैप्सुलेटेड समूहों ने अधिक बीटा कोशिकाओं का उत्पादन किया, जो इंसुलिन बनाने के लिए विशिष्ट प्रकार की कोशिकाएं हैं। इन अंतरों के बावजूद, सभी समूहों की कोशिकाएं चीनी के स्तर को पहचानने और आवश्यकतानुसार इंसुलिन छोड़ने में सक्षम रहीं।

सबसे महत्वपूर्ण परीक्षण तब आया जब शोधकर्ताओं ने इन एनकैप्सुलेटेड (आवरण युक्त) कोशिकाओं को 100 मिलीलीटर के बायोरिएक्टर में स्थानांतरित किया, जो औद्योगिक विनिर्माण में उपयोग किए जाने वाले बड़े टैंकों का एक छोटा संस्करण है। उन्होंने कोशिकाओं को 25 दिनों तक उगाया, जो यह देखने के लिए पर्याप्त समय था कि क्या सुरक्षा बनी रहती है। परिणाम आश्चर्यजनक थे। गैर-एनकैप्सुलेटेड कोशिकाएं, जो स्वतंत्र रूप से तैर रही थीं, विशाल, जुड़े हुए पिंडों में बदल गईं और महत्वपूर्ण कोशिका हानि का सामना किया, जिनमें से केवल लगभग 60 प्रतिशत मूल कोशिकाएं ही बची रहीं। इसके विपरीत, एनकैप्सुलेटेड कोशिकाएं अलग-अलग, समान समूहों के रूप में बनी रहीं और विस्तारित कल्चर अवधि के दौरान 91 प्रतिशत जीवित रहीं। सुरक्षात्मक आवरणों ने कोशिकाओं को आपस में चिपकने से सफलतापूर्वक रोका और उन्हें हलचल की भौतिक तनाव से बचाया। इसने प्रदर्शित किया कि उपचार के लिए आवश्यक कीमती कोशिकाओं को खोए बिना इस पद्धति को स्केल अप किया जा सकता है।

यह देखने के लिए कि क्या ये कोशिकाएं वास्तव में एक जीवित शरीर के भीतर काम कर सकती हैं, शोधकर्ताओं ने इन एनकैप्सुलेटेड समूहों को उन चूहों में प्रत्यारोपित किया जिन्हें प्रतिरक्षा प्रणाली की कमी के लिए आनुवंशिक रूप से संशोधित किया गया था, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि कोशिकाओं पर हमला न हो। शोधकर्ताओं ने कोशिकाओं को सीधे उनके पेट की गुहा (एब्डोमिनल कैविटी) में प्रत्यारोपित किया, जो ऐसे अध्ययनों के लिए एक सामान्य स्थान है। परिणामों ने दिखाया कि कोशिकाओं ने लगभग तुरंत काम करना शुरू कर दिया। एक सप्ताह के भीतर, चूहों ने मानव C-पेप्टाइड का उत्पादन करना शुरू कर दिया, जो एक मार्कर है जो इंगित करता है कि प्रत्यारोपित कोशिकाएं सफलतापूर्वक इंसुलिन बना रही हैं। अगले 98 दिनों तक, कोशिकाएं भोजन के जवाब में इंसुलिन जारी रखकर और रक्त शर्करा के स्तर को नियंत्रित करने में मदद करके कार्य करती रहीं। जब तीन महीने के बाद शोधकर्ताओं ने कोशिकाओं की जांच की, तो उन्होंने पाया कि वे स्वस्थ, व्यवहार्य और अभी भी इंसुलिन का उत्पादन कर रही हैं, और उनमें निशान ऊतक (स्कार टिश्यू) या प्रतिरक्षा हमले के कोई संकेत नहीं मिले जो अक्सर ऐसे प्रत्यारोपों को बर्बाद कर देते हैं।

यह अध्ययन प्रयोगशाला में स्टेम सेल उपचारों के निर्माण और वास्तविक दुनिया की चिकित्सा में उनकी संभावित उपयोगिता के बीच एक महत्वपूर्ण कड़ी प्रदान करता है। यह सिद्ध करके कि इन कोशिकाओं को बड़ी मात्रा में उगाया जा सकता है, उन्हें नुकसान से बचाया जा सकता है, और बिना तत्काल प्रतिरक्षा अस्वीकृति के सफलतापूर्वक प्रत्यारोपित किया जा सकता है, शोधकर्ताओं ने इस क्षेत्र की दो सबसे बड़ी बाधाओं को संबोधित किया है। वर्णित विधि अपेक्षाकृत सरल है और इसके लिए जटिल, विशेष उपकरणों की आवश्यकता नहीं है, जो भविष्य के विनिर्माण के लिए एक व्यावहारिक विकल्प बनाती है। हालांकि कोशिकाओं ने किडनी कैप्सूल के नीचे रखी गई कोशिकाओं (एक मानक, अत्यधिक संवहनी स्थल जिसका तुलना के लिए उपयोग किया जाता है) की तुलना में उतना इंसुलिन नहीं बनाया, लेकिन पेट की गुहा में तीन महीने तक कार्य करने की उनकी क्षमता एक बड़ी प्रगति है। यह कार्य सुझाव देता है कि और अधिक शोधन के साथ, यह दृष्टिकोण मधुमेह का इलाज करने के लिए आवश्यक लाखों कोशिकाओं को तैयार करने का एक विश्वसनीय, स्केलेबल तरीका बन सकता है, जो एक ऐसे भविष्य की संभावना देता है जहाँ रोगियों को दैनिक इंजेक्शन पर निर्भर रहने की आवश्यकता नहीं होगी।